Gràcies per visitar nature.com. La versió del navegador que esteu utilitzant té compatibilitat limitada amb CSS. Per a una millor experiència, us recomanem que utilitzeu la darrera versió del navegador (o que desactiveu el mode de compatibilitat a l'Internet Explorer). A més, per garantir una compatibilitat continuada, aquest lloc no inclourà estils ni JavaScript.
L'expansió de les lutitas en reservoris clàstics crea problemes importants, que condueixen a la inestabilitat del pou. Per raons ambientals, es prefereix l'ús de fluid de perforació a base d'aigua amb inhibidors de lutita afegits al fluid de perforació a base de petroli. Els líquids iònics (ILs) han atret molta atenció com a inhibidors de lutita a causa de les seves propietats ajustables i les seves fortes característiques electrostàtiques. Tanmateix, els líquids iònics (ILs) basats en imidazolil, àmpliament utilitzats en fluids de perforació, han demostrat ser tòxics, no biodegradables i cars. Els dissolvents eutèctics profunds (DES) es consideren una alternativa més rendible i menys tòxica als líquids iònics, però encara no assoleixen la sostenibilitat ambiental requerida. Els avenços recents en aquest camp han conduït a la introducció de dissolvents eutèctics profunds naturals (NADES), coneguts per la seva veritable compatibilitat amb el medi ambient. Aquest estudi va investigar els NADES, que contenen àcid cítric (com a acceptor d'enllaços d'hidrogen) i glicerol (com a donant d'enllaços d'hidrogen) com a additius del fluid de perforació. Els fluids de perforació basats en NADES es van desenvolupar d'acord amb l'API 13B-1 i el seu rendiment es va comparar amb fluids de perforació basats en clorur de potassi, líquids iònics basats en imidazoli i fluids de perforació basats en clorur de colina:urea-DES. Les propietats fisicoquímiques dels NADES patentats es descriuen detalladament. Les propietats reològiques, la pèrdua de fluids i les propietats d'inhibició de l'esquist del fluid de perforació es van avaluar durant l'estudi, i es va demostrar que a una concentració del 3% de NADES, la relació tensió elàstica/viscositat plàstica (YP/PV) va augmentar, el gruix del pastís de fang es va reduir en un 26% i el volum del filtrat es va reduir en un 30,1%. Cal destacar que els NADES van aconseguir una impressionant taxa d'inhibició de l'expansió del 49,14% i van augmentar la producció d'esquist en un 86,36%. Aquests resultats s'atribueixen a la capacitat dels NADES per modificar l'activitat superficial, el potencial zeta i l'espaiat entre capes de les argiles, que es discuteixen en aquest article per entendre els mecanismes subjacents. S'espera que aquest fluid de perforació sostenible revolucioni la indústria de la perforació proporcionant una alternativa no tòxica, rendible i altament eficaç als inhibidors de corrosió de l'esquist tradicionals, obrint el camí a pràctiques de perforació respectuoses amb el medi ambient.
L'esquist és una roca versàtil que serveix com a font i reserva d'hidrocarburs, i la seva estructura porosa1 proporciona el potencial tant per a la producció com per a l'emmagatzematge d'aquests valuosos recursos. Tanmateix, l'esquist és ric en minerals argilosos com la montmorillonita, l'esmectita, la caolinita i la il·lita, que el fan propens a la inflor quan s'exposa a l'aigua, cosa que provoca inestabilitat del pou durant les operacions de perforació2,3. Aquests problemes poden provocar un temps improductiu (NPT) i una sèrie de problemes operatius, com ara canonades enganxades, pèrdua de circulació de fang, col·lapse del pou i incrustació de la broca, cosa que augmenta el temps i el cost de recuperació. Tradicionalment, els fluids de perforació a base de petroli (OBDF) han estat l'opció preferida per a les formacions d'esquist a causa de la seva capacitat per resistir l'expansió de l'esquist4. Tanmateix, l'ús de fluids de perforació a base de petroli comporta costos i riscos ambientals més elevats. Els fluids de perforació a base de petroli (SBDF) s'han considerat com una alternativa, però la seva idoneïtat a altes temperatures no és satisfactòria. Els fluids de perforació a base d'aigua (WBDF) són una solució atractiva perquè són més segurs, respectuosos amb el medi ambient i més rendibles que l'OBDF5. S'han utilitzat diversos inhibidors de lutita per millorar la capacitat d'inhibició de lutita del WBDF, inclosos inhibidors tradicionals com el clorur de potassi, la calç, el silicat i el polímer. Tanmateix, aquests inhibidors tenen limitacions pel que fa a l'eficàcia i l'impacte ambiental, especialment a causa de l'alta concentració de K+ en els inhibidors del clorur de potassi i la sensibilitat al pH dels silicats. 6 Els investigadors han explorat la possibilitat d'utilitzar líquids iònics com a additius de fluids de perforació per millorar la reologia del fluid de perforació i prevenir la inflor i la formació d'hidrats de lutita. Tanmateix, aquests líquids iònics, especialment els que contenen cations imidazolil, són generalment tòxics, cars, no biodegradables i requereixen processos de preparació complexos. Per resoldre aquests problemes, la gent va començar a buscar una alternativa més econòmica i respectuosa amb el medi ambient, cosa que va conduir a l'aparició de dissolvents eutèctics profunds (DES). El DES és una mescla eutèctica formada per un donador d'enllaços d'hidrogen (HBD) i un acceptor d'enllaços d'hidrogen (HBA) a una proporció molar i temperatura específiques. Aquestes mescles eutèctiques tenen punts de fusió més baixos que els seus components individuals, principalment a causa de la deslocalització de càrrega causada pels enllaços d'hidrogen. Molts factors, com ara l'energia de xarxa, el canvi d'entropia i les interaccions entre anions i HBD, tenen un paper clau en la reducció del punt de fusió del DES.
En estudis anteriors, es van afegir diversos additius al fluid de perforació a base d'aigua per resoldre el problema d'expansió de la pissarra. Per exemple, Ofei et al. van afegir clorur d'1-butil-3-metilimidazoli (BMIM-Cl), que va reduir significativament el gruix del pastís de fang (fins a un 50%) i va disminuir el valor YP/PV en 11 a diferents temperatures. Huang et al. van utilitzar líquids iònics (específicament, bromur d'1-hexil-3-metilimidazoli i bromur d'1,2-bis(3-hexilimidazol-1-il)età) en combinació amb partícules de Na-Bt i van reduir significativament la inflor de la pissarra en un 86,43% i un 94,17%, respectivament12. A més, Yang et al. van utilitzar bromur d'1-vinil-3-dodecilimidazoli i bromur d'1-vinil-3-tetradecilimidazoli per reduir la inflor de la pissarra en un 16,91% i un 5,81%, respectivament. 13 Yang et al. també van utilitzar bromur d'1-vinil-3-etilimidazoli i van reduir l'expansió de la pissarra en un 31,62%, mentre que van mantenir la recuperació de la pissarra en un 40,60%. 14 A més, Luo et al. van utilitzar tetrafluoroborat d'1-octil-3-metilimidazoli per reduir la inflor de la pissarra en un 80%. 15, 16 Dai et al. van utilitzar copolímers líquids iònics per inhibir la pissarra i van aconseguir un augment del 18% en la recuperació lineal en comparació amb els inhibidors d'amina. 17
Els líquids iònics en si mateixos tenen alguns desavantatges, cosa que va impulsar els científics a buscar alternatives més respectuoses amb el medi ambient als líquids iònics, i així va néixer el DES. Hanjia va ser el primer a utilitzar dissolvents eutèctics profunds (DES) que consisteixen en clorur de vinil i àcid propiònic (1:1), clorur de vinil i àcid 3-fenilpropiònic (1:2) i àcid 3-mercaptopropiònic + àcid itacònic + clorur de vinil (1:1:2), que van inhibir la inflor de la bentonita en un 68%, 58% i 58%, respectivament18. En un experiment lliure, MH Rasul va utilitzar una proporció de 2:1 de glicerol i carbonat de potassi (DES) i va reduir significativament la inflor de les mostres de pissarra en un 87%19,20. Ma va utilitzar urea:clorur de vinil per reduir significativament l'expansió de la pissarra en un 67%.21 Rasul et al. La combinació de DES i polímer es va utilitzar com a inhibidor de pissarra de doble acció, que va aconseguir un excel·lent efecte d'inhibició de pissarra22.
Tot i que els dissolvents eutèctics profunds (DES) generalment es consideren una alternativa més ecològica als líquids iònics, també contenen components potencialment tòxics com ara sals d'amoni, cosa que fa que la seva compatibilitat amb el medi ambient sigui qüestionable. Aquest problema ha portat al desenvolupament de dissolvents eutèctics profunds naturals (NADES). Encara es classifiquen com a DES, però estan compostos de substàncies i sals naturals, com ara clorur de potassi (KCl), clorur de calci (CaCl2), sals d'Epsom (MgSO4.7H2O) i altres. Les nombroses combinacions potencials de DES i NADES obren un ampli abast per a la investigació en aquesta àrea i s'espera que trobin aplicacions en una varietat de camps. Diversos investigadors han desenvolupat amb èxit noves combinacions de DES que han demostrat ser efectives en una varietat d'aplicacions. Per exemple, Naser et al. 2013 van sintetitzar DES basat en carbonat de potassi i van estudiar les seves propietats termofísiques, que posteriorment van trobar aplicacions en les àrees d'inhibició d'hidrats, additius de fluids de perforació, deslignificació i nanofibril·lació. 23 Jordy Kim i els seus col·laboradors van desenvolupar NADES basat en àcid ascòrbic i van avaluar les seves propietats antioxidants en diverses aplicacions. 24 Christer et al. van desenvolupar NADES basat en àcid cítric i van identificar el seu potencial com a excipient per a productes de col·lagen. 25 Liu Yi i els seus col·laboradors van resumir les aplicacions dels NADES com a medis d'extracció i cromatografia en una revisió exhaustiva, mentre que Misan et al. van discutir les aplicacions reeixides dels NADES en el sector agroalimentari. És imperatiu que els investigadors de fluids de perforació comencin a prestar atenció a l'eficàcia dels NADES en les seves aplicacions recents. El 2023, Rasul et al. van utilitzar diferents combinacions de dissolvents eutèctics profunds naturals basats en àcid ascòrbic26, clorur de calci27, clorur de potassi28 i sal d'Epsom29 i van aconseguir una inhibició i recuperació de pissarra impressionants. Aquest estudi és un dels primers estudis que introdueix NADES (en particular, formulació basada en àcid cítric i glicerol) com a inhibidor de pissarra respectuós amb el medi ambient i eficaç en fluids de perforació a base d'aigua, que presenta una excel·lent estabilitat ambiental, una capacitat d'inhibició de pissarra millorada i un rendiment de fluids millorat en comparació amb inhibidors tradicionals com KCl, líquids iònics basats en imidazolil i DES tradicional.
L'estudi implicarà la preparació interna de NADES basat en àcid cítric (CA), seguida d'una caracterització fisicoquímica detallada i el seu ús com a additiu del fluid de perforació per avaluar les propietats del fluid de perforació i la seva capacitat d'inhibició de la inflació. En aquest estudi, el CA actuarà com a acceptor d'enllaços d'hidrogen, mentre que el glicerol (Gly) actuarà com a donant d'enllaços d'hidrogen seleccionat segons els criteris de cribratge de MH per a la formació/selecció de NADES en estudis d'inhibició de pissarra30. Les mesures d'espectroscòpia infraroja per transformada de Fourier (FTIR), difracció de raigs X (XRD) i potencial zeta (ZP) aclariran les interaccions NADES-argila i el mecanisme subjacent a la inhibició de la inflació de l'argila. A més, aquest estudi compararà el fluid de perforació basat en NADES de CA amb DES32 basat en clorur d'1-etil-3-metilimidazoli [EMIM]Cl7,12,14,17,31, KCl i clorur de colina:urea (1:2) per investigar la seva eficàcia en la inhibició de pissarra i la millora del rendiment del fluid de perforació.
L'àcid cítric (monohidrat), el glicerol (99 USP) i la urea es van comprar a EvaChem, Kuala Lumpur, Malàisia. El clorur de colina (>98%), [EMIM]Cl 98% i el clorur de potassi es van comprar a Sigma Aldrich, Malàisia. Les estructures químiques de tots els productes químics es mostren a la Figura 1. El diagrama verd compara els principals productes químics utilitzats en aquest estudi: líquid iònic imidazolil, clorur de colina (DES), àcid cítric, glicerol, clorur de potassi i NADES (àcid cítric i glicerol). La taula de respecte pel medi ambient dels productes químics utilitzats en aquest estudi es presenta a la Taula 1. A la taula, cada producte químic es classifica en funció de la toxicitat, la biodegradabilitat, el cost i la sostenibilitat ambiental.
Estructures químiques dels materials utilitzats en aquest estudi: (a) àcid cítric, (b) [EMIM]Cl, (c) clorur de colina i (d) glicerol.
Els candidats donadors d'enllaços d'hidrogen (HBD) i acceptors d'enllaços d'hidrogen (HBA) per al desenvolupament de NADES basats en CA (solvent eutèctic profund natural) van ser seleccionats acuradament d'acord amb els criteris de selecció MH 30, que estan destinats al desenvolupament de NADES com a inhibidors eficaços de l'esquist. Segons aquest criteri, els components amb un gran nombre de donadors i acceptors d'enllaços d'hidrogen, així com grups funcionals polars, es consideren adequats per al desenvolupament de NADES.
A més, en aquest estudi es van seleccionar el líquid iònic [EMIM]Cl i el dissolvent eutèctic profund (DES) de clorur de colina:urea perquè s'utilitzen àmpliament com a additius de fluids de perforació33,34,35,36. A més, es va comparar el clorur de potassi (KCl) perquè és un inhibidor comú.
L'àcid cítric i el glicerol es van barrejar en diferents proporcions molars per obtenir mescles eutèctiques. La inspecció visual va mostrar que la mescla eutèctica era un líquid homogeni, transparent i sense terbolesa, cosa que indica que el donant d'enllaços d'hidrogen (HBD) i l'acceptor d'enllaços d'hidrogen (HBA) es van barrejar amb èxit en aquesta composició eutèctica. Es van dur a terme experiments preliminars per observar el comportament dependent de la temperatura del procés de barreja de HBD i HBA. Segons la literatura disponible, la proporció de mescles eutèctiques es va avaluar a tres temperatures específiques per sobre de 50 °C, 70 °C i 100 °C, cosa que indica que la temperatura eutèctica sol estar en el rang de 50-80 °C. Es va utilitzar una balança digital Mettler per pesar amb precisió els components de HBD i HBA, i es va utilitzar una placa calenta Thermo Fisher per escalfar i agitar el HBD i l'HBA a 100 rpm en condicions controlades.
Les propietats termofísiques del nostre dissolvent eutèctic profund (DES) sintetitzat, incloent-hi la densitat, la tensió superficial, l'índex de refracció i la viscositat, es van mesurar amb precisió en un rang de temperatures de 289,15 a 333,15 K. Cal destacar que aquest rang de temperatures es va escollir principalment a causa de les limitacions dels equips existents. L'anàlisi exhaustiva va incloure un estudi en profunditat de diverses propietats termofísiques d'aquesta formulació de NADES, que va revelar el seu comportament en un rang de temperatures. Centrar-se en aquest rang de temperatures específic proporciona informació sobre les propietats dels NADES que són de particular importància per a diverses aplicacions.
La tensió superficial dels NADES preparats es va mesurar en un interval de 289,15 a 333,15 K mitjançant un tensiòmetre interfacial (IFT700). Les gotes de NADES es formen en una cambra plena d'un gran volum de líquid mitjançant una agulla capil·lar en condicions específiques de temperatura i pressió. Els sistemes d'imatge moderns introdueixen paràmetres geomètrics adequats per calcular la tensió interfacial mitjançant l'equació de Laplace.
Es va utilitzar un refractòmetre ATAGO per determinar l'índex de refracció de NADES acabats de preparar en el rang de temperatura de 289,15 a 333,15 K. L'instrument utilitza un mòdul tèrmic per regular la temperatura per estimar el grau de refracció de la llum, eliminant la necessitat d'un bany d'aigua a temperatura constant. Cal netejar la superfície del prisma del refractòmetre i distribuir-hi uniformement la solució de la mostra. Cal calibrar amb una solució estàndard coneguda i, a continuació, llegir l'índex de refracció de la pantalla.
La viscositat dels NADES preparats es va mesurar en un interval de temperatura de 289,15 a 333,15 K utilitzant un viscosímetre rotacional Brookfield (tipus criogènic) a una velocitat de cisallament de 30 rpm i una mida de fus de 6. El viscosímetre mesura la viscositat determinant el parell de parell necessari per girar el fus a una velocitat constant en una mostra líquida. Després de col·locar la mostra a la pantalla sota el fus i apretar-la, el viscosímetre mostra la viscositat en centipoise (cP), proporcionant informació valuosa sobre les propietats reològiques del líquid.
Es va utilitzar un densímetre portàtil DMA 35 Basic per determinar la densitat d'un dissolvent eutèctic profund natural (NDEES) acabat de preparar en el rang de temperatura de 289,15–333,15 K. Com que el dispositiu no té un escalfador integrat, s'ha de preescalfar a la temperatura especificada (± 2 °C) abans d'utilitzar el densímetre NADES. Extreu almenys 2 ml de mostra a través del tub i la densitat es mostrarà immediatament a la pantalla. Cal destacar que, a causa de la manca d'un escalfador integrat, els resultats de la mesura tenen un error de ± 2 °C.
Per avaluar el pH dels NADES acabats de preparar en el rang de temperatura de 289,15–333,15 K, vam utilitzar un pH-metre de taula Kenis. Com que no hi ha cap dispositiu de calefacció integrat, primer es va escalfar el NADES a la temperatura desitjada (±2 °C) mitjançant una placa calefactora i després es va mesurar directament amb un pH-metre. Submergiu completament la sonda del pH-metre al NADES i registreu el valor final després que la lectura s'hagi estabilitzat.
L'anàlisi termogravimètrica (TGA) es va utilitzar per avaluar l'estabilitat tèrmica dels dissolvents eutèctics profunds naturals (NADES). Les mostres es van analitzar durant l'escalfament. Utilitzant una balança d'alta precisió i monitoritzant acuradament el procés d'escalfament, es va generar un gràfic de pèrdua de massa en funció de la temperatura. El NADES es va escalfar de 0 a 500 °C a una velocitat d'1 °C per minut.
Per començar el procés, la mostra NADES s'ha de barrejar completament, homogeneïtzar i eliminar la humitat superficial. A continuació, la mostra preparada es col·loca en una cubeta TGA, que normalment està feta d'un material inert com l'alumini. Per garantir resultats precisos, els instruments TGA es calibren utilitzant materials de referència, normalment estàndards de pes. Un cop calibrats, comença l'experiment TGA i la mostra s'escalfa de manera controlada, generalment a una velocitat constant. El seguiment continu de la relació entre el pes de la mostra i la temperatura és una part clau de l'experiment. Els instruments TGA recopilen dades sobre la temperatura, el pes i altres paràmetres com el flux de gas o la temperatura de la mostra. Un cop finalitzat l'experiment TGA, s'analitzen les dades recollides per determinar el canvi en el pes de la mostra en funció de la temperatura. Aquesta informació és valuosa per determinar els rangs de temperatura associats amb els canvis físics i químics de la mostra, inclosos processos com la fusió, l'evaporació, l'oxidació o la descomposició.
El fluid de perforació a base d'aigua es va formular acuradament d'acord amb la norma API 13B-1, i la seva composició específica es mostra a la Taula 2 com a referència. L'àcid cítric i el glicerol (99 USP) es van comprar a Sigma Aldrich, Malàisia, per preparar el dissolvent eutèctic profund natural (NADES). A més, el clorur de potassi (KCl) inhibidor de pissarra convencional també es va comprar a Sigma Aldrich, Malàisia. El clorur d'1-etil, 3-metilimidazoli ([EMIM]Cl) amb una puresa superior al 98% es va seleccionar a causa del seu efecte significatiu en la millora de la reologia del fluid de perforació i la inhibició de pissarra, cosa que es va confirmar en estudis anteriors. Tant KCl com ([EMIM]Cl) s'utilitzaran en l'anàlisi comparativa per avaluar el rendiment d'inhibició de pissarra de NADES.
Molts investigadors prefereixen utilitzar escates de bentonita per estudiar la inflor de les lutites, ja que la bentonita conté el mateix grup "montmorillonita" que causa la inflor de les lutites. Obtenir mostres reals de nuclis de lutites és un repte perquè el procés d'extracció desestabilitza les lutites, donant lloc a mostres que no són completament de lutites, sinó que normalment contenen una barreja de capes de gres i pedra calcària. A més, les mostres de lutites solen mancar dels grups montmorillonita que causen la inflor de les lutites i, per tant, no són adequades per a experiments d'inhibició de la inflor.
En aquest estudi, vam utilitzar partícules de bentonita reconstituïdes amb un diàmetre d'aproximadament 2,54 cm. Els grànuls es van fabricar premsant 11,5 grams de pols de bentonita sòdica en una premsa hidràulica a 1600 psi. El gruix dels grànuls es va mesurar amb precisió abans de col·locar-los en un dilatòmetre lineal (LD). A continuació, les partícules es van submergir en mostres de fluid de perforació, incloent-hi mostres base i mostres injectades amb inhibidors utilitzats per prevenir la inflor de les lutitas. El canvi en el gruix dels grànuls es va controlar acuradament mitjançant el LD, amb mesures registrades a intervals de 60 segons durant 24 hores.
La difracció de raigs X va mostrar que la composició de la bentonita, especialment el seu component de montmorillonita del 47%, és un factor clau per comprendre les seves característiques geològiques. Entre els components de montmorillonita de la bentonita, la montmorillonita és el component principal, representant el 88,6% del total de components. Mentrestant, el quars representa el 29%, l'il·lita el 7% i el carbonat el 9%. Una petita part (al voltant del 3,2%) és una barreja d'il·lita i montmorillonita. A més, conté oligoelements com ara Fe2O3 (4,7%), aluminosilicat de plata (1,2%), moscovita (4%) i fosfat (2,3%). A més, hi ha petites quantitats de Na2O (1,83%) i silicat de ferro (2,17%), cosa que permet apreciar plenament els elements constituents de la bentonita i les seves respectives proporcions.
Aquesta secció d'estudi exhaustiu detalla les propietats reològiques i de filtració de mostres de fluid de perforació preparades amb dissolvent eutèctic profund natural (NADES) i utilitzades com a additiu de fluid de perforació a diferents concentracions (1%, 3% i 5%). Les mostres de suspensió basades en NADES es van comparar i analitzar amb mostres de suspensió que consistien en clorur de potassi (KCl), CC:urea DES (dissolvent eutèctic profund de clorur de colina:urea) i líquids iònics. En aquest estudi es van tractar diversos paràmetres clau, incloses les lectures de viscositat obtingudes mitjançant un viscosímetre FANN abans i després de l'exposició a condicions d'envelliment a 100 °C i 150 °C. Es van prendre mesures a diferents velocitats de rotació (3 rpm, 6 rpm, 300 rpm i 600 rpm), cosa que va permetre una anàlisi exhaustiva del comportament del fluid de perforació. Les dades obtingudes es poden utilitzar per determinar propietats clau com el punt de rendiment (YP) i la viscositat plàstica (PV), que proporcionen informació sobre el rendiment del fluid en diverses condicions. Les proves de filtració d'alta pressió i alta temperatura (HPHT) a 400 psi i 150 °C (temperatures típiques en pous d'alta temperatura) determinen el rendiment de filtració (gruix del pastís i volum del filtrat).
Aquesta secció utilitza equips d'última generació, el dilatòmetre lineal Grace HPHT (M4600), per avaluar exhaustivament les propietats d'inhibició de la inflació de la lutita dels nostres fluids de perforació a base d'aigua. L'LSM és una màquina d'última generació que consta de dos components: una placa compactadora i un dilatòmetre lineal (model: M4600). Les plaques de bentonita es van preparar per a l'anàlisi mitjançant el compactador de nucli/placa Grace. L'LSM proporciona dades immediates d'inflamació en aquestes plaques, cosa que permet una avaluació completa de les propietats d'inhibició de la inflació de la lutita. Les proves d'expansió de la lutita es van dur a terme en condicions ambientals, és a dir, 25 °C i 1 psia.
Les proves d'estabilitat de l'esquist impliquen una prova clau que sovint es coneix com a prova de recuperació d'esquist, prova d'immersió d'esquist o prova de dispersió d'esquist. Per començar aquesta avaluació, els retalls d'esquist es separen en una criba BSS núm. 6 i després es col·loquen en una criba núm. 10. Els retalls s'alimenten a un tanc de retenció on es barregen amb un fluid base i fang de perforació que conté NADES (Dissolvent Eutèctic Profund Natural). El següent pas és col·locar la barreja en un forn per a un procés intens de laminació en calent, assegurant-se que els retalls i el fang estiguin ben barrejats. Després de 16 hores, els retalls s'eliminen de la polpa permetent que l'esquist es descompongui, cosa que resulta en una reducció del pes dels retalls. La prova de recuperació d'esquist es va dur a terme després que els retalls d'esquist s'haguessin mantingut en fang de perforació a 150 °C i 1000 psi. polzades en 24 hores.
Per mesurar la recuperació del fang de pissarra, el vam filtrar a través d'un tamís més fi (malla 40), després el vam rentar a fons amb aigua i finalment el vam assecar en un forn. Aquest procediment minuciós ens permet estimar el fang recuperat en comparació amb el pes original, calculant finalment el percentatge de fang de pissarra recuperat amb èxit. L'origen de les mostres de pissarra prové del districte de Niah, districte de Miri, Sarawak, Malàisia. Abans de les proves de dispersió i recuperació, les mostres de pissarra es van sotmetre a una anàlisi exhaustiva de difracció de raigs X (XRD) per quantificar la seva composició d'argila i confirmar la seva idoneïtat per a les proves. La composició mineral d'argila de la mostra és la següent: il·lita 18%, caolinita 31%, clorita 22%, vermiculita 10% i mica 19%.
La tensió superficial és un factor clau que controla la penetració dels cations d'aigua als microporus de pissarra mitjançant l'acció capil·lar, que s'estudiarà en detall en aquesta secció. Aquest article examina el paper de la tensió superficial en la propietat cohesiva dels fluids de perforació, destacant la seva important influència en el procés de perforació, especialment la inhibició de pissarra. Vam utilitzar un tensiòmetre interfacial (IFT700) per mesurar amb precisió la tensió superficial de les mostres de fluid de perforació, revelant un aspecte important del comportament dels fluids en el context de la inhibició de pissarra.
Aquesta secció analitza detalladament l'espaiat de les capes d, que és la distància entre capes entre les capes d'aluminosilicat i una capa d'aluminosilicat en argiles. L'anàlisi va abastar mostres de fang humit que contenien 1%, 3% i 5% de CA NADES, així com 3% de KCl, 3% de [EMIM]Cl i 3% de CC:urea per a la comparació. Un difractòmetre de raigs X de taula d'última generació (D2 Phaser) que funciona a 40 mA i 45 kV amb radiació Cu-Kα (λ = 1.54059 Å) va tenir un paper crític en el registre dels pics de difracció de raigs X de mostres de Na-Bt tant humides com seques. L'aplicació de l'equació de Bragg permet la determinació precisa de l'espaiat de les capes d, proporcionant així informació valuosa sobre el comportament de l'argila.
Aquesta secció utilitza l'instrument avançat Malvern Zetasizer Nano ZSP per mesurar amb precisió el potencial zeta. Aquesta avaluació va proporcionar informació valuosa sobre les característiques de càrrega de mostres de fang diluït que contenien NADES de CA a l'1%, 3% i 5%, així com DES a base de KCl al 3%, [EMIM]Cl al 3% i CC:urea al 3% per a anàlisis comparatives. Aquests resultats contribueixen a la nostra comprensió de l'estabilitat dels compostos col·loïdals i les seves interaccions en els fluids.
Les mostres d'argila es van examinar abans i després de l'exposició a un dissolvent eutèctic profund natural (NADES) utilitzant un microscopi electrònic d'escombratge d'emissió de camp Zeiss Supra 55 VP (FESEM) equipat amb raigs X per dispersió d'energia (EDX). La resolució d'imatge va ser de 500 nm i l'energia del feix d'electrons va ser de 30 kV i 50 kV. El FESEM proporciona una visualització d'alta resolució de la morfologia superficial i les característiques estructurals de les mostres d'argila. L'objectiu d'aquest estudi va ser obtenir informació sobre l'efecte del NADES sobre les mostres d'argila comparant les imatges obtingudes abans i després de l'exposició.
En aquest estudi, es va utilitzar la tecnologia de microscòpia electrònica d'escombratge d'emissió de camp (FESEM) per investigar l'efecte dels NADES en mostres d'argila a nivell microscòpic. L'objectiu d'aquest estudi és elucidar les possibles aplicacions dels NADES i el seu efecte sobre la morfologia de l'argila i la mida mitjana de les partícules, la qual cosa proporcionarà informació valuosa per a la recerca en aquest camp.
En aquest estudi, es van utilitzar barres d'error per descriure visualment la variabilitat i la incertesa de l'error percentual mitjà (AMPE) en les condicions experimentals. En lloc de representar gràficament els valors AMPE individuals (ja que representar gràficament els valors AMPE pot ocultar tendències i exagerar petites variacions), calculem les barres d'error utilitzant la regla del 5%. Aquest enfocament garanteix que cada barra d'error representi l'interval dins del qual s'espera que es trobin l'interval de confiança del 95% i el 100% dels valors AMPE, proporcionant així un resum més clar i concís de la distribució de dades per a cada condició experimental. L'ús de barres d'error basades en la regla del 5% millora així la interpretabilitat i la fiabilitat de les representacions gràfiques i ajuda a proporcionar una comprensió més detallada dels resultats i les seves implicacions.
En la síntesi de dissolvents eutèctics profunds naturals (NADES), es van estudiar acuradament diversos paràmetres clau durant el procés de preparació intern. Aquests factors crítics inclouen la temperatura, la proporció molar i la velocitat de mescla. Els nostres experiments mostren que quan l'HBA (àcid cítric) i l'HBD (glicerol) es barregen en una proporció molar d'1:4 a 50 °C, es forma una mescla eutèctica. La característica distintiva de la mescla eutèctica és el seu aspecte transparent i homogeni i l'absència de sediments. Per tant, aquest pas clau destaca la importància de la proporció molar, la temperatura i la velocitat de mescla, entre les quals la proporció molar va ser el factor més influent en la preparació del DES i els NADES, com es mostra a la Figura 2.
L'índex de refracció (n) expressa la relació entre la velocitat de la llum en el buit i la velocitat de la llum en un segon medi més dens. L'índex de refracció és d'especial interès per als dissolvents eutèctics profunds naturals (NADES) quan es consideren aplicacions òpticament sensibles com ara els biosensors. L'índex de refracció dels NADES estudiats a 25 °C va ser d'1,452, que és interessantment inferior al del glicerol.
Cal destacar que l'índex de refracció dels NADES disminueix amb la temperatura, i aquesta tendència es pot descriure amb precisió mitjançant la fórmula (1) i la Figura 3, amb un error percentual mitjà absolut (AMPE) que arriba al 0%. Aquest comportament dependent de la temperatura s'explica per la disminució de la viscositat i la densitat a altes temperatures, cosa que fa que la llum viatgi a través del medi a una velocitat més alta, donant lloc a un valor d'índex de refracció (n) més baix. Aquests resultats proporcionen informació valuosa sobre l'ús estratègic dels NADES en la detecció òptica, destacant el seu potencial per a aplicacions de biosensors.
La tensió superficial, que reflecteix la tendència d'una superfície líquida a minimitzar la seva àrea, és de gran importància per avaluar l'adequació dels dissolvents eutèctics profunds naturals (NADES) per a aplicacions basades en la pressió capil·lar. Un estudi de la tensió superficial en el rang de temperatura de 25-60 °C proporciona informació valuosa. A 25 °C, la tensió superficial dels NADES basats en àcid cítric era de 55,42 mN/m, que és significativament inferior a la de l'aigua i el glicerol. La figura 4 mostra que la tensió superficial disminueix significativament amb l'augment de la temperatura. Aquest fenomen es pot explicar per un augment de l'energia cinètica molecular i una disminució posterior de les forces atractives intermoleculars.
La tendència lineal decreixent de la tensió superficial observada en el NADES estudiat es pot expressar bé mitjançant l'equació (2), que il·lustra la relació matemàtica bàsica en el rang de temperatura de 25–60 °C. El gràfic de la Figura 4 representa clarament la tendència de la tensió superficial amb la temperatura amb un error percentual mitjà absolut (AMPE) de l'1,4%, que quantifica la precisió dels valors de tensió superficial reportats. Aquests resultats tenen implicacions importants per comprendre el comportament del NADES i les seves possibles aplicacions.
Comprendre la dinàmica de densitat dels dissolvents eutèctics profunds naturals (NADES) és crucial per facilitar la seva aplicació en nombrosos estudis científics. La densitat dels NADES basats en àcid cítric a 25 °C és d'1,361 g/cm3, que és superior a la densitat del glicerol original. Aquesta diferència es pot explicar per l'addició d'un acceptor d'enllaços d'hidrogen (àcid cítric) al glicerol.
Prenent com a exemple el NADES basat en citrat, la seva densitat baixa a 1,19 g/cm3 a 60 °C. L'augment de l'energia cinètica en escalfar-se fa que les molècules de NADES es dispersin, fent que ocupin un volum més gran, cosa que resulta en una disminució de la densitat. La disminució observada de la densitat mostra una certa correlació lineal amb l'augment de la temperatura, que es pot expressar correctament mitjançant la fórmula (3). La figura 5 presenta gràficament aquestes característiques del canvi de densitat del NADES amb un error percentual mitjà absolut (AMPE) de l'1,12%, que proporciona una mesura quantitativa de la precisió dels valors de densitat reportats.
La viscositat és la força atractiva entre les diferents capes d'un líquid en moviment i juga un paper clau per comprendre l'aplicabilitat dels dissolvents eutèctics profunds naturals (NADES) en diverses aplicacions. A 25 °C, la viscositat dels NADES era de 951 cP, que és superior a la del glicerol.
La disminució observada de la viscositat amb l'augment de la temperatura s'explica principalment per l'afebliment de les forces atractives intermoleculars. Aquest fenomen provoca una disminució de la viscositat del fluid, una tendència clarament demostrada a la Figura 6 i quantificada per l'Equació (4). Cal destacar que, a 60 °C, la viscositat baixa a 898 cP amb un error percentual mitjà global (AMPE) de l'1,4%. Una comprensió detallada de la dependència de la viscositat respecte a la temperatura en NADES és de gran importància per a la seva aplicació pràctica.
El pH de la solució, determinat pel logaritme negatiu de la concentració d'ions d'hidrogen, és crític, especialment en aplicacions sensibles al pH com la síntesi d'ADN, per la qual cosa el pH del NADES s'ha d'estudiar acuradament abans del seu ús. Prenent com a exemple el NADES basat en àcid cítric, es pot observar un pH clarament àcid d'1,91, que contrasta fortament amb el pH relativament neutre del glicerol.
Curiosament, el pH del dissolvent soluble en la deshidrogenasa d'àcid cítric natural (NADES) va mostrar una tendència decreixent no lineal amb l'augment de la temperatura. Aquest fenomen s'atribueix a l'augment de les vibracions moleculars que alteren l'equilibri de H+ a la solució, donant lloc a la formació d'ions [H]+ i, al seu torn, a un canvi en el valor del pH. Mentre que el pH natural de l'àcid cítric oscil·la entre 3 i 5, la presència d'hidrogen àcid al glicerol redueix encara més el pH a 1,91.
El comportament del pH dels NADES basats en citrat en el rang de temperatura de 25–60 °C es pot representar adequadament mitjançant l'equació (5), que proporciona una expressió matemàtica per a la tendència del pH observada. La figura 7 representa gràficament aquesta interessant relació, destacant l'efecte de la temperatura sobre el pH dels NADES, que s'ha informat que és de l'1,4% per a l'AMPE.
L'anàlisi termogravimètrica (TGA) del dissolvent eutèctic profund d'àcid cítric natural (NADES) es va dur a terme sistemàticament en el rang de temperatura des de la temperatura ambient fins a 500 °C. Com es pot veure a les figures 8a i b, la pèrdua de massa inicial fins a 100 °C es va deure principalment a l'aigua absorbida i a l'aigua d'hidratació associada amb l'àcid cítric i el glicerol pur. Es va observar una retenció de massa significativa d'aproximadament el 88% fins a 180 °C, que es va deure principalment a la descomposició de l'àcid cítric en àcid aconític i la posterior formació d'anhídrid metilmaleic(III) en escalfar-lo més (Figura 8b). Per sobre dels 180 °C, també es va poder observar una aparició clara d'acroleïna (acrilaldehid) en el glicerol, com es mostra a la Figura 8b37.
L'anàlisi termogravimètrica (TGA) del glicerol va revelar un procés de pèrdua de massa en dues etapes. L'etapa inicial (180 a 220 °C) implica la formació d'acroleïna, seguida d'una pèrdua de massa significativa a altes temperatures de 230 a 300 °C (Figura 8a). A mesura que augmenta la temperatura, es formen seqüencialment acetaldehid, diòxid de carboni, metà i hidrogen. Cal destacar que només el 28% de la massa es va retenir a 300 °C, cosa que suggereix que les propietats intrínseques del NADES 8(a)38,39 poden ser defectuoses.
Per obtenir informació sobre la formació de nous enllaços químics, es van analitzar suspensions recentment preparades de dissolvents eutèctics profunds naturals (NADES) mitjançant espectroscòpia d'infrarojos per transformada de Fourier (FTIR). L'anàlisi es va realitzar comparant l'espectre de la suspensió NADES amb els espectres d'àcid cítric pur (CA) i glicerol (Gly). L'espectre CA va mostrar pics clars a 1752 1/cm i 1673 1/cm, que representen les vibracions d'estirament de l'enllaç C=O i també són característiques del CA. A més, es va observar un canvi significatiu en la vibració de flexió OH a 1360 1/cm a la regió de l'empremta digital, com es mostra a la Figura 9.
De la mateixa manera, en el cas del glicerol, els canvis en les vibracions d'estirament i flexió dels OH es van trobar a nombres d'ona de 3291 1/cm i 1414 1/cm, respectivament. Ara, analitzant l'espectre dels NADES preparats, es va trobar un canvi significatiu en l'espectre. Com es mostra a la Figura 7, la vibració d'estirament de l'enllaç C=O va canviar de 1752 1/cm a 1720 1/cm i la vibració de flexió de l'enllaç -OH del glicerol va canviar de 1414 1/cm a 1359 1/cm. Aquests canvis en els nombres d'ona indiquen el canvi d'electronegativitat, que indica la formació de nous enllaços químics en l'estructura dels NADES.