Děkujeme za návštěvu webu nature.com. Verze prohlížeče, kterou používáte, má omezenou podporu CSS. Pro dosažení nejlepšího zážitku doporučujeme používat nejnovější verzi prohlížeče (nebo vypnout režim kompatibility v prohlížeči Internet Explorer). Abychom zajistili trvalou podporu, tento web nebude obsahovat styly ani JavaScript.
Expanze břidlic v klastických rezervoárech vytváří značné problémy, které vedou k nestabilitě vrtu. Z environmentálních důvodů se upřednostňuje použití vrtné kapaliny na vodní bázi s přidanými inhibitory břidlic před vrtnou kapalinou na ropné bázi. Iontové kapaliny (IL) přitahují velkou pozornost jako inhibitory břidlic díky svým laditelným vlastnostem a silným elektrostatickým charakteristikám. Iontové kapaliny (IL) na bázi imidazolylu, široce používané ve vrtných kapalinách, se však ukázaly jako toxické, biologicky nerozložitelné a drahé. Hluboce eutektická rozpouštědla (DES) jsou považována za nákladově efektivnější a méně toxickou alternativu k iontovým kapalinám, ale stále nedosahují požadované environmentální udržitelnosti. Nedávný pokrok v této oblasti vedl k zavedení přírodních hluboce eutektických rozpouštědel (NADES), která jsou známá svou skutečnou šetrností k životnímu prostředí. Tato studie zkoumala NADES, které obsahují kyselinu citronovou (jako akceptor vodíkové vazby) a glycerol (jako donor vodíkové vazby) jako přísady do vrtných kapalin. Vrtné kapaliny na bázi NADES byly vyvinuty v souladu s normou API 13B-1 a jejich výkon byl porovnán s vrtnými kapalinami na bázi chloridu draselného, ​​iontovými kapalinami na bázi imidazolia a vrtnými kapalinami na bázi cholinchloridu:močoviny a DES. Fyzikálně-chemické vlastnosti patentovaných NADES jsou podrobně popsány. Během studie byly hodnoceny reologické vlastnosti, ztráty kapaliny a inhibiční vlastnosti vrtné kapaliny vůči břidlici a bylo prokázáno, že při koncentraci 3 % NADES se zvýšil poměr meze kluzu a plastické viskozity (YP/PV), tloušťka kalového koláče se snížila o 26 % a objem filtrátu se snížil o 30,1 %. NADES dosáhl působivé míry inhibice expanze 49,14 % a zvýšil produkci břidlice o 86,36 %. Tyto výsledky se připisují schopnosti NADES modifikovat povrchovou aktivitu, zeta potenciál a mezivrstvové rozteče jílů, které jsou v tomto článku diskutovány s cílem pochopit základní mechanismy. Očekává se, že tento udržitelný vrtný výplach způsobí revoluci ve vrtném průmyslu tím, že poskytne netoxickou, nákladově efektivní a vysoce účinnou alternativu k tradičním inhibitorům koroze břidlic, čímž připraví cestu pro ekologicky šetrné vrtací postupy.
Břidlice je všestranná hornina, která slouží jak jako zdroj, tak jako rezervoár uhlovodíků, a její porézní struktura1 poskytuje potenciál pro produkci i skladování těchto cenných zdrojů. Břidlice je však bohatá na jílovité minerály, jako je montmorillonit, smektit, kaolinit a illit, které ji činí náchylnou k bobtnání při vystavení vodě, což vede k nestabilitě vrtu během vrtných operací2,3. Tyto problémy mohou vést k neproduktivní době (NPT) a řadě provozních problémů, včetně uvíznutí potrubí, ztráty cirkulace kalu, zhroucení vrtu a zanášení vrtáku, což prodlužuje dobu a náklady na zotavení. Tradičně byly vrtné kapaliny na bázi ropy (OBDF) preferovanou volbou pro břidlicové formace kvůli jejich schopnosti odolávat rozpínání břidlice4. Použití vrtných kapalin na bázi ropy však s sebou nese vyšší náklady a environmentální rizika. Jako alternativa byly zvažovány vrtné kapaliny na bázi syntetických materiálů (SBDF), ale jejich vhodnost při vysokých teplotách je neuspokojivá. Vrtné kapaliny na bázi vody (WBDF) jsou atraktivním řešením, protože jsou bezpečnější, ekologičtější a nákladově efektivnější než OBDF5. Pro zvýšení inhibiční schopnosti WBDF v břidlicích se používají různé inhibitory, včetně tradičních inhibitorů, jako je chlorid draselný, vápno, křemičitan a polymer. Tyto inhibitory však mají omezení, pokud jde o účinnost a dopad na životní prostředí, zejména kvůli vysoké koncentraci K+ v inhibitorech chloridu draselného a citlivosti křemičitanů na pH.6 Výzkumníci zkoumali možnost použití iontových kapalin jako přísad do vrtných kapalin pro zlepšení reologie vrtných kapalin a prevenci bobtnání břidlic a tvorby hydrátů. Tyto iontové kapaliny, zejména ty, které obsahují imidazolylové kationty, jsou však obecně toxické, drahé, biologicky nerozložitelné a vyžadují složité procesy přípravy. Aby se tyto problémy vyřešily, lidé začali hledat ekonomičtější a ekologičtější alternativu, což vedlo ke vzniku hluboko eutektických rozpouštědel (DES). DES je eutektická směs tvořená donorem vodíkové vazby (HBD) a akceptorem vodíkové vazby (HBA) při specifickém molárním poměru a teplotě. Tyto eutektické směsi mají nižší teploty tání než jejich jednotlivé složky, a to především kvůli delokalizaci náboje způsobené vodíkovými vazbami. Klíčovou roli při snižování bodu tání DES hraje mnoho faktorů, včetně mřížkové energie, změny entropie a interakcí mezi anionty a HBD.
V předchozích studiích byly do vrtných kapalin na vodní bázi přidávány různé přísady, aby se vyřešil problém s expanzí břidlice. Například Ofei a kol. přidali 1-butyl-3-methylimidazoliumchlorid (BMIM-Cl), který významně snížil tloušťku kalového koláče (až o 50 %) a snížil hodnotu YP/PV o 11 při různých teplotách. Huang a kol. použili iontové kapaliny (konkrétně 1-hexyl-3-methylimidazoliumbromid a 1,2-bis(3-hexylimidazol-1-yl)ethanbromid) v kombinaci s částicemi Na-Bt a významně snížili bobtnání břidlice o 86,43 %, respektive 94,17 %12. Kromě toho Yang a kol. použili 1-vinyl-3-dodecylimidazoliumbromid a 1-vinyl-3-tetradecylimidazoliumbromid ke snížení bobtnání břidlice o 16,91 %, respektive 5,81 %. 13 Yang a kol. také použili 1-vinyl-3-ethylimidazoliumbromid a snížili expanzi břidlice o 31,62 % při zachování výtěžnosti břidlice na 40,60 %.14 Kromě toho Luo a kol. použili 1-oktyl-3-methylimidazoliumtetrafluoroborát ke snížení bobtnání břidlice o 80 %.15, 16 Dai a kol. použili iontové kapalné kopolymery k inhibici břidlice a dosáhli 18% nárůstu lineární výtěžnosti ve srovnání s aminovými inhibitory.17
Iontové kapaliny samy o sobě mají určité nevýhody, které vedly vědce k hledání ekologičtějších alternativ k iontovým kapalinám, a tak se zrodil DES. Hanjia byl první, kdo použil hluboce eutektická rozpouštědla (DES) sestávající z vinylchloridu a kyseliny propionové (1:1), vinylchloridu a kyseliny 3-fenylpropionové (1:2) a kyseliny 3-merkaptopropionové + kyseliny itakonové + vinylchloridu (1:1:2), která inhibovala bobtnání bentonitu o 68 %, 58 % a 58 %18. Ve volném experimentu MH Rasul použil poměr 2:1 glycerolu a uhličitanu draselného (DES) a významně snížil bobtnání vzorků břidlic o 87 %19,20. Ma použil močovinu:vinylchlorid k významnému snížení expanze břidlice o 67 %.21 Rasul a kol. Kombinace DES a polymeru byla použita jako dvojčinný inhibitor břidlic, který dosáhl vynikajícího inhibičního účinku22.
Ačkoli jsou hluboce eutektická rozpouštědla (DES) obecně považována za ekologičtější alternativu k iontovým kapalinám, obsahují také potenciálně toxické složky, jako jsou amonné soli, což zpochybňuje jejich ekologickou přívětivost. Tento problém vedl k vývoji přírodních hluboce eutektických rozpouštědel (NADES). Stále jsou klasifikována jako DES, ale skládají se z přírodních látek a solí, včetně chloridu draselného (KCl), chloridu vápenatého (CaCl2), epsomských solí (MgSO4.7H2O) a dalších. Četné potenciální kombinace DES a NADES otevírají široký prostor pro výzkum v této oblasti a očekává se, že najdou uplatnění v různých oblastech. Několik výzkumníků úspěšně vyvinulo nové kombinace DES, které se ukázaly jako účinné v různých aplikacích. Například Naser a kol. v roce 2013 syntetizovali DES na bázi uhličitanu draselného a studovali jeho termofyzikální vlastnosti, které následně našly uplatnění v oblastech inhibice hydrátů, přísad do vrtných výplachů, delignifikace a nanofibrilace.23 Jordy Kim a jeho spolupracovníci vyvinuli NADES na bázi kyseliny askorbové a vyhodnotili jeho antioxidační vlastnosti v různých aplikacích.24 Christer a kol. vyvinuli NADES na bázi kyseliny citronové a identifikovali jeho potenciál jako excipientu pro kolagenové produkty.25 Liu Yi a jeho spolupracovníci shrnuli aplikace NADES jako extrakčního a chromatografického média v komplexním přehledu, zatímco Misan a kol. diskutovali o úspěšných aplikacích NADES v zemědělsko-potravinářském sektoru. Je nezbytné, aby výzkumníci v oblasti vrtných kapalin začali věnovat pozornost účinnosti NADES ve svých aplikacích. nedávné. V roce 2023 Rasul a kol. použili různé kombinace přírodních hlubokých eutektických rozpouštědel na bázi kyseliny askorbové26, chloridu vápenatého27, chloridu draselného28 a epsomské soli29 a dosáhli působivé inhibice břidlic a výtěžnosti břidlic. Tato studie je jednou z prvních studií, které představily NADES (zejména formulaci na bázi kyseliny citronové a glycerolu) jako ekologický a účinný inhibitor břidlic ve vrtných kapalinách na vodní bázi, který se vyznačuje vynikající environmentální stabilitou, zlepšenou schopností inhibice břidlic a lepším výkonem kapaliny ve srovnání s tradičními inhibitory, jako je KCl, iontové kapaliny na bázi imidazolylu a tradiční DES.
Studie bude zahrnovat interní přípravu NADES na bázi kyseliny citronové (CA), po níž bude následovat podrobná fyzikálně-chemická charakterizace a jeho použití jako přísady do vrtného výplachu za účelem vyhodnocení vlastností vrtného výplachu a jeho schopnosti inhibovat bobtnání. V této studii bude CA působit jako akceptor vodíkových vazeb, zatímco glycerol (Gly) bude působit jako donor vodíkových vazeb vybraný na základě kritérií MH screeningu pro tvorbu/výběr NADES ve studiích inhibice růstu břidlic30. Měření infračervené spektroskopie s Fourierovou transformací (FTIR), rentgenové difrakce (XRD) a zeta potenciálu (ZP) objasní interakce NADES-jíl a mechanismus, který je základem inhibice bobtnání jílu. Tato studie dále porovná vrtný výplach na bázi CA NADES s DES32 na bázi 1-ethyl-3-methylimidazoliumchloridu [EMIM]Cl7,12,14,17,31, KCl a cholinchloridu:močoviny (1:2), aby se prozkoumala jejich účinnost v inhibici růstu břidlic a zlepšení výkonu vrtného výplachu.
Kyselina citronová (monohydrát), glycerol (99 USP) a močovina byly zakoupeny od společnosti EvaChem, Kuala Lumpur, Malajsie. Cholinchlorid (>98 %), [EMIM]Cl 98 % a chlorid draselný byly zakoupeny od společnosti Sigma Aldrich, Malajsie. Chemické struktury všech chemikálií jsou znázorněny na obrázku 1. Zelený diagram porovnává hlavní chemikálie použité v této studii: imidazolylová iontová kapalina, cholinchlorid (DES), kyselina citronová, glycerol, chlorid draselný a NADES (kyselina citronová a glycerol). Tabulka ekologické přívětivosti chemikálií použitých v této studii je uvedena v tabulce 1. V tabulce je každá chemikálie hodnocena na základě toxicity, biologické rozložitelnosti, nákladů a environmentální udržitelnosti.
Chemické struktury materiálů použitých v této studii: (a) kyselina citronová, (b) [EMIM]Cl, (c) cholinchlorid a (d) glycerol.
Kandidáti na donory a akceptory vodíkových vazeb (HBD) pro vývoj NADES na bázi CA (přírodní hlubokoeutektické rozpouštědlo) byli pečlivě vybráni podle výběrových kritérií MH 30, která jsou určena pro vývoj NADES jako účinných inhibitorů břidlic. Podle tohoto kritéria jsou pro vývoj NADES považovány složky s velkým počtem donorů a akceptorů vodíkových vazeb a také s polárními funkčními skupinami.
Kromě toho byly v této studii pro srovnání vybrány iontová kapalina [EMIM]Cl a hluboce eutektické rozpouštědlo cholinchlorid:močovina (DES), protože se široce používají jako přísady do vrtných výplachů33,34,35,36. Kromě toho byl chlorid draselný (KCl) porovnáván, protože je běžným inhibitorem.
Kyselina citronová a glycerol byly smíchány v různých molárních poměrech za účelem získání eutektických směsí. Vizuální kontrola ukázala, že eutektická směs byla homogenní, průhledná kapalina bez zákalu, což naznačuje, že donor vodíkové vazby (HBD) a akceptor vodíkové vazby (HBA) byly v této eutektické směsi úspěšně smíchány. Byly provedeny předběžné experimenty za účelem pozorování teplotně závislého chování procesu míchání HBD a HBA. Podle dostupné literatury byl poměr eutektických směsí hodnocen při třech specifických teplotách nad 50 °C, 70 °C a 100 °C, což naznačuje, že eutektická teplota se obvykle pohybuje v rozmezí 50–80 °C. K přesnému vážení složek HBD a HBA byla použita digitální váha Mettler a k ohřevu a míchání HBD a HBA při 100 ot/min za kontrolovaných podmínek byla použita horká deska Thermo Fisher.
Termofyzikální vlastnosti námi syntetizovaného hlubokoeutektické rozpouštědla (DES), včetně hustoty, povrchového napětí, indexu lomu a viskozity, byly přesně měřeny v teplotním rozsahu od 289,15 do 333,15 K. Je třeba poznamenat, že toto teplotní rozmezí bylo zvoleno především kvůli omezením stávajícího zařízení. Komplexní analýza zahrnovala hloubkovou studii různých termofyzikálních vlastností této formulace NADES, která odhalila jejich chování v rozsahu teplot. Zaměření na toto specifické teplotní rozmezí poskytuje vhled do vlastností NADES, které jsou obzvláště důležité pro řadu aplikací.
Povrchové napětí připraveného NADES bylo měřeno v rozsahu od 289,15 do 333,15 K pomocí měřiče mezifázového napětí (IFT700). Kapičky NADES se tvoří v komoře naplněné velkým objemem kapaliny pomocí kapilární jehly za specifických teplotních a tlakových podmínek. Moderní zobrazovací systémy zavádějí vhodné geometrické parametry pro výpočet mezifázového napětí pomocí Laplaceovy rovnice.
Pro stanovení indexu lomu čerstvě připraveného NADES v teplotním rozsahu 289,15 až 333,15 K byl použit refraktometr ATAGO. Přístroj využívá tepelný modul k regulaci teploty pro odhad stupně lomu světla, čímž eliminuje potřebu vodní lázně s konstantní teplotou. Hranolový povrch refraktometru by měl být vyčištěn a roztok vzorku by měl být na něm rovnoměrně rozložen. Proveďte kalibraci se známým standardním roztokem a poté odečtěte index lomu z obrazovky.
Viskozita připraveného NADES byla měřena v teplotním rozsahu 289,15 až 333,15 K pomocí rotačního viskozimetru Brookfield (kryogenního typu) při smykové rychlosti 30 ot/min a velikosti vřetena 6. Viskozimetr měří viskozitu určením točivého momentu potřebného k otáčení vřetena konstantní rychlostí v kapalném vzorku. Po umístění vzorku na stínítko pod vřetenem a utažení viskozimetr zobrazí viskozitu v centipoise (cP), což poskytuje cenné informace o reologických vlastnostech kapaliny.
Pro stanovení hustoty čerstvě připraveného přírodního hlubokoeutektického rozpouštědla (NDEES) v teplotním rozsahu 289,15–333,15 K byl použit přenosný hustoměr DMA 35 Basic. Protože přístroj nemá vestavěný ohřívač, musí být před použitím hustoměru NADES předehřát na stanovenou teplotu (± 2 °C). Po natažení zkumavkou alespoň 2 ml vzorku se hustota okamžitě zobrazí na obrazovce. Za zmínku stojí, že kvůli absenci vestavěného ohřívače mají výsledky měření chybu ± 2 °C.
Pro vyhodnocení pH čerstvě připraveného NADES v teplotním rozsahu 289,15–333,15 K jsme použili stolní pH metr Kenis. Vzhledem k tomu, že NADES nemá vestavěné topné zařízení, byl nejprve zahřát na požadovanou teplotu (±2 °C) pomocí topné plotýnky a poté byl měřen přímo pH metrem. Sondu pH metru zcela ponořte do NADES a po stabilizaci naměřené hodnoty zaznamenejte konečnou hodnotu.
Termogravimetrická analýza (TGA) byla použita k vyhodnocení tepelné stability přírodních hlubokoeutektických rozpouštědel (NADES). Vzorky byly analyzovány během zahřívání. Pomocí vysoce přesných vah a pečlivého sledování procesu zahřívání byl vytvořen graf závislosti úbytku hmotnosti na teplotě. NADES byl zahříván od 0 do 500 °C rychlostí 1 °C za minutu.
Pro zahájení procesu musí být vzorek NADES důkladně promíchán, homogenizován a zbaven povrchové vlhkosti. Připravený vzorek se poté umístí do kyvety TGA, která je obvykle vyrobena z inertního materiálu, jako je hliník. Pro zajištění přesných výsledků se přístroje TGA kalibrují pomocí referenčních materiálů, obvykle hmotnostních standardů. Po kalibraci začíná experiment TGA a vzorek se řízeně zahřívá, obvykle konstantní rychlostí. Klíčovou součástí experimentu je průběžné sledování vztahu mezi hmotností vzorku a teplotou. Přístroje TGA shromažďují data o teplotě, hmotnosti a dalších parametrech, jako je průtok plynu nebo teplota vzorku. Po dokončení experimentu TGA se shromážděná data analyzují za účelem stanovení změny hmotnosti vzorku v závislosti na teplotě. Tyto informace jsou cenné při určování teplotních rozsahů spojených s fyzikálními a chemickými změnami ve vzorku, včetně procesů, jako je tání, odpařování, oxidace nebo rozklad.
Vrtný výplach na vodní bázi byl pečlivě formulován podle normy API 13B-1 a jeho specifické složení je uvedeno v tabulce 2 pro referenci. Kyselina citronová a glycerol (99 USP) byly zakoupeny od společnosti Sigma Aldrich v Malajsii pro přípravu přírodního hlubokého eutektického rozpouštědla (NADES). Kromě toho byl od společnosti Sigma Aldrich v Malajsii zakoupen také konvenční inhibitor břidlic chlorid draselný (KCl). 1-ethyl, 3-methylimidazoliumchlorid ([EMIM]Cl) s čistotou vyšší než 98 % byl vybrán kvůli jeho významnému vlivu na zlepšení reologie vrtného výplachu a inhibici břidlic, což bylo potvrzeno v předchozích studiích. KCl i ([EMIM]Cl) budou použity v srovnávací analýze pro vyhodnocení inhibičního účinku NADES na břidlice.
Mnoho vědců dává přednost použití bentonitových vloček ke studiu bobtnání břidlic, protože bentonit obsahuje stejnou skupinu „montmorillonit“, která způsobuje bobtnání břidlic. Získání skutečných vzorků břidlicových jader je náročné, protože proces odběru jader destabilizuje břidlici, což vede ke vzorkům, které nejsou zcela břidlice, ale obvykle obsahují směs vrstev pískovce a vápence. Vzorky břidlic navíc obvykle postrádají skupiny montmorillonitu, které způsobují bobtnání břidlic, a proto nejsou vhodné pro experimenty s inhibicí bobtnání.
V této studii jsme použili rekonstituované bentonitové částice o průměru přibližně 2,54 cm. Granule byly vyrobeny lisováním 11,5 gramu práškového bentonitu sodného v hydraulickém lisu při tlaku 1600 psi. Tloušťka granulí byla přesně změřena před umístěním do lineárního dilatometru (LD). Částice byly poté ponořeny do vzorků vrtné kapaliny, včetně základních vzorků a vzorků injektovaných inhibitory používanými k prevenci bobtnání břidlic. Změna tloušťky granulí byla poté pečlivě sledována pomocí LD, přičemž měření byla zaznamenávána v 60sekundových intervalech po dobu 24 hodin.
Rentgenová difrakce ukázala, že složení bentonitu, zejména jeho 47% montmorillonitové složky, je klíčovým faktorem pro pochopení jeho geologických charakteristik. Mezi montmorillonitovými složkami bentonitu je montmorillonit hlavní složkou, která představuje 88,6 % celkového množství. Křemen tvoří 29 %, illit 7 % a uhličitan 9 %. Malá část (asi 3,2 %) je směsí illitu a montmorillonitu. Kromě toho obsahuje stopové prvky, jako je Fe2O3 (4,7 %), hlinitokřemičitan stříbrný (1,2 %), muskovit (4 %) a fosfát (2,3 %). Kromě toho je přítomno malé množství Na2O (1,83 %) a křemičitanu železitého (2,17 %), což umožňuje plně posoudit složení bentonitu a jejich příslušné poměry.
Tato komplexní studijní část podrobně popisuje reologické a filtrační vlastnosti vzorků vrtných kapalin připravených za použití přírodního hlubokoeutektického rozpouštědla (NADES) a použitých jako přísada do vrtných kapalin v různých koncentracích (1 %, 3 % a 5 %). Vzorky suspenzí na bázi NADES byly poté porovnány a analyzovány se vzorky suspenzí sestávajícími z chloridu draselného (KCl), CC:močoviny DES (hlubokoeutektické rozpouštědlo cholinchlorid:močovina) a iontových kapalin. V této studii byla zahrnuta řada klíčových parametrů, včetně hodnot viskozity získaných pomocí viskozimetru FANN před a po vystavení podmínkám stárnutí při 100 °C a 150 °C. Měření byla prováděna při různých rychlostech otáčení (3 ot/min, 6 ot/min, 300 ot/min a 600 ot/min), což umožnilo komplexní analýzu chování vrtných kapalin. Získaná data lze poté použít k určení klíčových vlastností, jako je mez kluzu (YP) a plastická viskozita (PV), které poskytují vhled do chování kapaliny za různých podmínek. Filtrační výkon (tloušťka koláče a objem filtrátu) určují vysokotlaké a vysokoteplotní filtrační testy (HPHT) při tlaku 400 psi a 150 °C (typické teploty ve vysokoteplotních vrtech).
Tato sekce využívá nejmodernější zařízení, lineární dilatometr Grace HPHT (M4600), k důkladnému vyhodnocení vlastností inhibice bobtnání břidlic našich vrtných kapalin na vodní bázi. LSM je moderní stroj sestávající ze dvou komponent: deskového hutňovače a lineárního dilatometru (model: M4600). Bentonitové desky byly připraveny k analýze pomocí deskového hutňovače Grace Core/Plate Compactor. LSM poté poskytuje okamžitá data o bobtnání těchto desek, což umožňuje komplexní vyhodnocení vlastností inhibice bobtnání břidlic. Zkoušky rozpínání břidlic byly provedeny za okolních podmínek, tj. při 25 °C a tlaku 1 psia.
Zkouška stability břidlice zahrnuje klíčový test, často označovaný jako test výtěžnosti břidlice, test ponoření břidlice nebo test disperze břidlice. Pro zahájení tohoto hodnocení se břidlicové řízky oddělí na sítu BSS č. 6 a poté se umístí na síto č. 10. Řízky se poté přivedou do sběrné nádrže, kde se smíchají se základní kapalinou a vrtným kalem obsahujícím NADES (přírodní hlubokoeutektické rozpouštědlo). Dalším krokem je umístění směsi do pece k intenzivnímu válcování za tepla, přičemž se zajistí důkladné promíchání řízků a kalu. Po 16 hodinách se řízky oddělí od buničiny tak, že se břidlice nechá rozložit, což vede ke snížení hmotnosti řízků. Zkouška výtěžnosti břidlice byla provedena poté, co byly břidlicové řízky uchovávány ve vrtném kalu při teplotě 150 °C a tlaku 1000 psi po dobu 24 hodin.
Pro měření výtěžnosti břidlicového kalu jsme jej přefiltrovali přes jemnější síto (40 mesh), poté jsme jej důkladně promyli vodou a nakonec vysušili v peci. Tento pečlivý postup nám umožňuje odhadnout množství výtěžku kalu v porovnání s původní hmotností a nakonec vypočítat procento úspěšně výtěžku břidlicového kalu. Zdroj vzorků břidlic pochází z okresu Niah, okres Miri, Sarawak, Malajsie. Před disperzními a výtěžnostními testy byly vzorky břidlic podrobeny důkladné rentgenové difrakční (XRD) analýze, aby se kvantifikovalo jejich jílovité složení a potvrdila se jejich vhodnost pro testování. Složení jílových minerálů vzorku je následující: illit 18 %, kaolinit 31 %, chloritan 22 %, vermikulit 10 % a slída 19 %.
Povrchové napětí je klíčovým faktorem řídícím pronikání vodních kationtů do mikroporéz břidlice prostřednictvím kapilárního jevu, který bude v této části podrobněji studován. Tento článek zkoumá roli povrchového napětí v kohezních vlastnostech vrtných kapalin a zdůrazňuje jeho důležitý vliv na proces vrtání, zejména na inhibici v břidlici. K přesnému měření povrchového napětí vzorků vrtných kapalin jsme použili mezifázový tenziometr (IFT700), což odhalilo důležitý aspekt chování kapaliny v kontextu inhibice v břidlici.
Tato část podrobně pojednává o vzdálenosti d-vrstev, což je mezivrstvá vzdálenost mezi vrstvami hlinitokřemičitanu a jednou vrstvou hlinitokřemičitanu v jílech. Analýza zahrnovala vzorky mokrého bahna obsahující 1 %, 3 % a 5 % CA NADES, a také 3 % KCl, 3 % [EMIM]Cl a 3 % DES na bázi CC:močoviny pro srovnání. Nejmodernější stolní rentgenový difraktometr (D2 Phaser) pracující při 40 mA a 45 kV s Cu-Kα zářením (λ = 1,54059 Å) hrál klíčovou roli při zaznamenávání píků rentgenové difrakce mokrých i suchých vzorků Na-Bt. Použití Braggovy rovnice umožňuje přesné stanovení vzdálenosti d-vrstev, a tím poskytuje cenné informace o chování jílu.
Tato část využívá pokročilý přístroj Malvern Zetasizer Nano ZSP k přesnému měření zeta potenciálu. Toto vyhodnocení poskytlo cenné informace o nábojových charakteristikách vzorků zředěného kalu obsahujících 1 %, 3 % a 5 % CA NADES, stejně jako 3 % KCl, 3 % [EMIM]Cl a 3 % CC:DES na bázi močoviny pro srovnávací analýzu. Tyto výsledky přispívají k našemu pochopení stability koloidních sloučenin a jejich interakcí v kapalinách.
Vzorky jílu byly zkoumány před a po expozici přírodnímu hlubokoeutektickému rozpouštědlu (NADES) za použití rastrovacího elektronového mikroskopu Zeiss Supra 55 VP (FESEM) vybaveného rentgenovým zářením s disperzí energie (EDX). Rozlišení obrazu bylo 500 nm a energie elektronového paprsku byla 30 kV a 50 kV. FESEM poskytuje vizualizaci povrchové morfologie a strukturních prvků vzorků jílu s vysokým rozlišením. Cílem této studie bylo získat informace o vlivu NADES na vzorky jílu porovnáním snímků získaných před a po expozici.
V této studii byla k mikroskopickému zkoumání vlivu NADES na vzorky jílu použita technologie rastrovací elektronové mikroskopie s emisní pole (FESEM). Cílem této studie je objasnit potenciální aplikace NADES a jeho vliv na morfologii jílu a průměrnou velikost částic, což poskytne cenné informace pro výzkum v této oblasti.
V této studii byly chybové úsečky použity k vizuálnímu popisu variability a nejistoty průměrné procentuální chyby (AMPE) v různých experimentálních podmínkách. Místo vykreslování jednotlivých hodnot AMPE (protože vykreslování hodnot AMPE může zakrýt trendy a zveličovat malé odchylky) jsme chybové úsečky vypočítali pomocí 5% pravidla. Tento přístup zajišťuje, že každá chybová úsečka představuje interval, ve kterém se očekává, že se bude nacházet 95% interval spolehlivosti a 100% hodnoty AMPE, čímž se získá jasnější a stručnější shrnutí rozdělení dat pro každou experimentální podmínku. Použití chybových úseček založených na 5% pravidle tak zlepšuje interpretovatelnost a spolehlivost grafických znázornění a pomáhá poskytnout podrobnější pochopení výsledků a jejich důsledků.
Při syntéze přírodních hlubokoeutektických rozpouštědel (NADES) bylo během interního procesu přípravy pečlivě studováno několik klíčových parametrů. Mezi tyto kritické faktory patří teplota, molární poměr a rychlost míchání. Naše experimenty ukazují, že když se HBA (kyselina citronová) a HBD (glycerol) smíchají v molárním poměru 1:4 při 50 °C, vznikne eutektická směs. Charakteristickým rysem eutektické směsi je její průhledný, homogenní vzhled a absence sedimentu. Tento klíčový krok tedy zdůrazňuje důležitost molárního poměru, teploty a rychlosti míchání, z nichž molární poměr byl nejvlivnějším faktorem při přípravě DES a NADES, jak je znázorněno na obrázku 2.
Index lomu (n) vyjadřuje poměr rychlosti světla ve vakuu k rychlosti světla v druhém, hustším prostředí. Index lomu je obzvláště zajímavý pro přírodní hlubokoeutektická rozpouštědla (NADES) při zvažování opticky citlivých aplikací, jako jsou biosenzory. Index lomu studovaných NADES při 25 °C byl 1,452, což je zajímavě nižší hodnota než u glycerolu.
Za zmínku stojí, že index lomu NADES klesá s teplotou a tento trend lze přesně popsat vzorcem (1) a obrázkem 3, přičemž absolutní střední procentuální chyba (AMPE) dosahuje 0 %. Toto teplotně závislé chování je vysvětleno poklesem viskozity a hustoty při vysokých teplotách, což způsobuje, že světlo prochází médiem vyšší rychlostí, což má za následek nižší hodnotu indexu lomu (n). Tyto výsledky poskytují cenné poznatky o strategickém využití NADES v optickém snímání a zdůrazňují jejich potenciál pro aplikace v biosenzorech.
Povrchové napětí, které odráží tendenci povrchu kapaliny minimalizovat svou plochu, má velký význam při posuzování vhodnosti přírodních hlubokoeutektických rozpouštědel (NADES) pro aplikace založené na kapilárním tlaku. Studie povrchového napětí v teplotním rozmezí 25–60 °C poskytuje cenné informace. Při 25 °C bylo povrchové napětí NADES na bázi kyseliny citronové 55,42 mN/m, což je výrazně méně než u vody a glycerolu. Obrázek 4 ukazuje, že povrchové napětí se zvyšující se teplotou významně klesá. Tento jev lze vysvětlit zvýšením molekulární kinetické energie a následným poklesem mezimolekulárních přitažlivých sil.
Lineární klesající trend povrchového napětí pozorovaný ve studovaném NADES lze dobře vyjádřit rovnicí (2), která ilustruje základní matematický vztah v teplotním rozsahu 25–60 °C. Graf na obrázku 4 jasně znázorňuje trend povrchového napětí s teplotou s absolutní střední procentuální chybou (AMPE) 1,4 %, která kvantifikuje přesnost uváděných hodnot povrchového napětí. Tyto výsledky mají důležité důsledky pro pochopení chování NADES a jeho potenciálních aplikací.
Pochopení dynamiky hustoty přírodních hlubokoeutektických rozpouštědel (NADES) je klíčové pro usnadnění jejich využití v četných vědeckých studiích. Hustota NADES na bázi kyseliny citronové při 25 °C je 1,361 g/cm3, což je vyšší než hustota původního glycerolu. Tento rozdíl lze vysvětlit přidáním akceptoru vodíkové vazby (kyseliny citronové) ke glycerolu.
Vezměme-li jako příklad NADES na bázi citrátu, jeho hustota klesne při 60 °C na 1,19 g/cm3. Zvýšení kinetické energie při zahřátí způsobí disperzi molekul NADES, což způsobí, že zaujmou větší objem, což má za následek pokles hustoty. Pozorovaný pokles hustoty vykazuje určitou lineární korelaci se zvýšením teploty, kterou lze správně vyjádřit vzorcem (3). Obrázek 5 graficky znázorňuje tyto charakteristiky změny hustoty NADES s absolutní střední procentuální chybou (AMPE) 1,12 %, což poskytuje kvantitativní měřítko přesnosti uváděných hodnot hustoty.
Viskozita je přitažlivá síla mezi různými vrstvami kapaliny v pohybu a hraje klíčovou roli v pochopení použitelnosti přírodních hlubokoeutektických rozpouštědel (NADES) v různých aplikacích. Při 25 °C byla viskozita NADES 951 cP, což je více než u glycerolu.
Pozorovaný pokles viskozity se zvyšující se teplotou je vysvětlen především oslabením mezimolekulárních přitažlivých sil. Tento jev vede ke snížení viskozity kapaliny, což je trend jasně znázorněn na obrázku 6 a kvantifikován rovnicí (4). Je pozoruhodné, že při 60 °C viskozita klesá na 898 cP s celkovou střední procentuální chybou (AMPE) 1,4 %. Detailní pochopení závislosti viskozity na teplotě v NADES má velký význam pro jeho praktické využití.
Hodnota pH roztoku, určená záporným logaritmem koncentrace vodíkových iontů, je kritická, zejména v aplikacích citlivých na pH, jako je syntéza DNA, proto je nutné před použitím pečlivě prostudovat pH NADES. Na příkladu NADES na bázi kyseliny citronové lze pozorovat výrazně kyselé pH 1,91, což je v ostrém kontrastu s relativně neutrálním pH glycerolu.
Je zajímavé, že pH přírodního rozpouštědla rozpustného v kyselině citronové dehydrogenáze (NADES) vykazovalo nelineární klesající trend se zvyšující se teplotou. Tento jev se připisuje zvýšeným molekulárním vibracím, které narušují rovnováhu H+ v roztoku, což vede k tvorbě iontů [H]+ a následně ke změně hodnoty pH. Zatímco přirozené pH kyseliny citronové se pohybuje v rozmezí od 3 do 5, přítomnost kyselého vodíku v glycerolu dále snižuje pH na 1,91.
Chování pH NADES na bázi citrátu v teplotním rozmezí 25–60 °C lze vhodně znázornit rovnicí (5), která poskytuje matematický výraz pro pozorovaný trend pH. Obrázek 7 graficky znázorňuje tento zajímavý vztah a zdůrazňuje vliv teploty na pH NADES, které je pro AMPE uváděno na úrovni 1,4 %.
Termogravimetrická analýza (TGA) přírodního hluboce eutektické kyseliny citronové (NADES) byla systematicky prováděna v teplotním rozmezí od pokojové teploty do 500 °C. Jak je patrné z obrázků 8a a b, počáteční úbytek hmotnosti až do 100 °C byl způsoben především absorbovanou vodou a hydratační vodou spojenou s kyselinou citronovou a čistým glycerolem. Významná retence hmotnosti, přibližně 88 %, byla pozorována až do 180 °C, což bylo způsobeno především rozkladem kyseliny citronové na kyselinu akonitovou a následnou tvorbou anhydridu kyseliny methylmaleinové(III) při dalším zahřívání (obrázek 8b). Nad 180 °C bylo možné pozorovat také zřetelný výskyt akroleinu (akrylaldehydu) v glycerolu, jak je znázorněno na obrázku 8b37.
Termogravimetrická analýza (TGA) glycerolu odhalila dvoustupňový proces úbytku hmotnosti. Počáteční fáze (180 až 220 °C) zahrnuje tvorbu akroleinu, následovanou významnou ztrátou hmotnosti při vysokých teplotách od 230 do 300 °C (obrázek 8a). S rostoucí teplotou se postupně tvoří acetaldehyd, oxid uhličitý, metan a vodík. Je pozoruhodné, že při 300 °C bylo zachováno pouze 28 % hmotnosti, což naznačuje, že vnitřní vlastnosti NADES 8(a)38,39 mohou být vadné.
Pro získání informací o tvorbě nových chemických vazeb byly čerstvě připravené suspenze přírodních hlubokoeutektických rozpouštědel (NADES) analyzovány pomocí infračervené spektroskopie s Fourierovou transformací (FTIR). Analýza byla provedena porovnáním spektra suspenze NADES se spektry čisté kyseliny citronové (CA) a glycerolu (Gly). Spektrum CA vykazovalo jasné píky při 1752 l/cm a 1673 l/cm, které představují valenční vibrace vazby C=O a jsou také charakteristické pro CA. Kromě toho byl v oblasti otisků prstů pozorován významný posun deformační vibrace OH při 1360 l/cm, jak je znázorněno na obrázku 9.
Podobně v případě glycerolu byly zjištěny posuny valenčních a ohybových vibrací OH při vlnočtech 3291 l/cm a 1414 l/cm. Analýzou spektra připraveného NADES byl nyní zjištěn významný posun ve spektru. Jak je znázorněno na obrázku 7, valenční vibrace vazby C=O se posunula z 1752 l/cm na 1720 l/cm a ohybová vibrace vazby -OH glycerolu se posunula z 1414 l/cm na 1359 l/cm. Tyto posuny vlnočetů naznačují změnu elektronegativity, což naznačuje vznik nových chemických vazeb ve struktuře NADES.