Дзякуй за наведванне сайта nature.com. Версія браўзера, якой вы карыстаецеся, мае абмежаваную падтрымку CSS. Для найлепшага карыстання рэкамендуем выкарыстоўваць апошнюю версію браўзера (або адключыць рэжым сумяшчальнасці ў Internet Explorer). Акрамя таго, каб забяспечыць бесперапынную падтрымку, гэты сайт не будзе ўтрымліваць стылі або JavaScript.
Пашырэнне сланца ў кластычных рэзервуарах стварае значныя праблемы, што прыводзіць да нестабільнасці свідравіны. З экалагічных меркаванняў выкарыстанне буравой вадкасці на воднай аснове з даданнем інгібітараў сланцавага разраду пераважней за буравую вадкасць на нафтавай аснове. Іённыя вадкасці (ІВ) прыцягнулі вялікую ўвагу як інгібітары сланцавага разраду дзякуючы сваім наладжвальным уласцівасцям і моцным электрастатычным характарыстыкам. Аднак іённыя вадкасці (ІВ) на аснове імідазолілу, якія шырока выкарыстоўваюцца ў буравых вадкасцях, аказаліся таксічнымі, небіяраскладальнымі і дарагімі. Глыбокія эўтэктычныя растваральнікі (ГЭР) лічацца больш эканамічна эфектыўнай і менш таксічнай альтэрнатывай іённым вадкасцям, але яны ўсё яшчэ не адпавядаюць неабходнай экалагічнай устойлівасці. Нядаўнія дасягненні ў гэтай галіне прывялі да ўкаранення натуральных глыбокіх эўтэктычных растваральнікаў (НАДЭР), вядомых сваёй сапраўднай экалагічнасцю. У гэтым даследаванні даследаваліся НАДЭР, якія ўтрымліваюць цытрынавую кіслату (як акцэптар вадародных сувязей) і гліцэрын (як донар вадародных сувязей) у якасці дабавак да буравой вадкасці. Буравыя растворы на аснове NADES былі распрацаваны ў адпаведнасці з API 13B-1, і іх эфектыўнасць параўноўвалася з буравымі растворамі на аснове хларыду калію, іоннымі вадкасцямі на аснове імідазолію і буравымі растворамі на аснове хларыду халіну: мачавіны і DES. Фізіка-хімічныя ўласцівасці запатэнтаваных NADES апісаны падрабязна. Падчас даследавання былі ацэнены рэалагічныя ўласцівасці, страты вадкасці і ўласцівасці інгібіравання сланцавага працэсу буравога раствора, і было паказана, што пры канцэнтрацыі 3% NADES суадносіны мяжы цякучасці да пластычнай глейкасці (YP/PV) павялічылася, таўшчыня буравой скарынкі скарацілася на 26%, а аб'ём фільтрата паменшыўся на 30,1%. Прыкметна, што NADES дасягнуў уражлівага ўзроўню інгібіравання пашырэння ў 49,14% і павялічыў здабычу сланца на 86,36%. Гэтыя вынікі тлумачацца здольнасцю NADES змяняць павярхоўную актыўнасць, дзета-патэнцыял і міжслаёвыя адлегласці глін, якія абмяркоўваюцца ў гэтай працы для разумення асноўных механізмаў. Чакаецца, што гэты экалагічна чысты буравы раствор рэвалюцыянізуе буравую галіну, забяспечыўшы нетаксічную, эканамічна эфектыўную і высокаэфектыўную альтэрнатыву традыцыйным інгібітарам карозіі сланца, што адкрые шлях да экалагічна чыстых метадаў бурэння.
Сланец — гэта ўніверсальная парода, якая служыць як крыніцай, так і рэзервуарам вуглевадародаў, а яго сітаватая структура1 забяспечвае патэнцыял як для здабычы, так і для захоўвання гэтых каштоўных рэсурсаў. Аднак сланец багаты на гліністыя мінералы, такія як мантмарыланіт, смектыт, каолініт і іліт, што робіць яго схільным да набракання пры кантакце з вадой, што прыводзіць да нестабільнасці свідравіны падчас буравых аперацый2,3. Гэтыя праблемы могуць прывесці да непрадуктыўнага часу (NPT) і цэлага шэрагу эксплуатацыйных праблем, уключаючы захрасанне труб, страту цыркуляцыі буравога раствора, абвальванне свідравіны і забруджванне долата, што павялічвае час аднаўлення і выдаткі. Традыцыйна буравыя растворы на нафтавай аснове (OBDF) былі пераважным выбарам для сланцавых фармацый з-за іх здольнасці супрацьстаяць пашырэнню сланца4. Аднак выкарыстанне буравых раствораў на нафтавай аснове цягне за сабой больш высокія выдаткі і экалагічныя рызыкі. Буравыя растворы на сінтэтычнай аснове (SBDF) разглядаліся ў якасці альтэрнатывы, але іх прыдатнасць пры высокіх тэмпературах нездавальняючая. Буравыя растворы на воднай аснове (WBDF) з'яўляюцца прывабным рашэннем, таму што яны больш бяспечныя, больш экалагічна чыстыя і больш эканамічна эфектыўныя, чым OBDF5. Для павышэння здольнасці WBDF інгібіраваць сланцавыя адклады выкарыстоўваліся розныя інгібітары сланцавых адкладаў, у тым ліку традыцыйныя інгібітары, такія як хларыд калію, вапна, сілікат і палімер. Аднак гэтыя інгібітары маюць абмежаванні з пункту гледжання эфектыўнасці і ўздзеяння на навакольнае асяроддзе, асабліва з-за высокай канцэнтрацыі K+ у інгібітарах хларыду калію і адчувальнасці сілікатаў да pH.6 Даследчыкі вывучалі магчымасць выкарыстання іённых вадкасцей у якасці дабавак да буравых раствораў для паляпшэння рэалогіі буравых раствораў і прадухілення набракання сланцаў і ўтварэння гідратаў. Аднак гэтыя іённыя вадкасці, асабліва тыя, што змяшчаюць імідазалільныя катыёны, звычайна таксічныя, дарагія, небіяраскладальныя і патрабуюць складаных працэсаў падрыхтоўкі. Каб вырашыць гэтыя праблемы, людзі пачалі шукаць больш эканамічную і экалагічна чыстую альтэрнатыву, што прывяло да з'яўлення глыбокіх эўтэктычных растваральнікаў (DES). DES - гэта эўтэктычная сумесь, утвораная донарам вадародных сувязей (HBD) і акцэптарам вадародных сувязей (HBA) пры пэўным молярным суадносінах і тэмпературы. Гэтыя эўтэктычныя сумесі маюць больш нізкія тэмпературы плаўлення, чым іх асобныя кампаненты, у першую чаргу з-за дэлакалізацыі зарада, выкліканай вадароднымі сувязямі. Шматлікія фактары, у тым ліку энергія рашоткі, змяненне энтрапіі і ўзаемадзеянне паміж аніёнамі і HBD, адыгрываюць ключавую ролю ў зніжэнні тэмпературы плаўлення DES.
У папярэдніх даследаваннях у буравую вадкасць на воднай аснове дадавалі розныя дабаўкі для вырашэння праблемы пашырэння сланца. Напрыклад, Офей і інш. дадалі хларыд 1-бутыл-3-метылімідазолія (BMIM-Cl), што значна знізіла таўшчыню буравой скарынкі (да 50%) і знізіла значэнне YP/PV на 11 пры розных тэмпературах. Хуан і інш. выкарыстоўвалі іённыя вадкасці (у прыватнасці, бромід 1-гексіл-3-метылімідазолія і бромід 1,2-біс(3-гексілімідазолія-1-іл)этану) у спалучэнні з часціцамі Na-Bt і значна знізілі ўздуцце сланца на 86,43% і 94,17% адпаведна12. Акрамя таго, Ян і інш. выкарыстоўвалі бромід 1-вініл-3-дадэцылімідазолія і бромід 1-вініл-3-тэтрадэцылімідазолія для зніжэння ўздуцця сланца на 16,91% і 5,81% адпаведна.13 Ян і інш. таксама выкарыстоўвалі 1-вініл-3-этылімідазолій броміст і знізілі пашырэнне сланца на 31,62%, захоўваючы пры гэтым здабычу сланца на ўзроўні 40,60%.14 Акрамя таго, Луо і інш. выкарыстоўвалі 1-актыл-3-метылімідазолій тэтрафторбарат для зніжэння ўздуцця сланца на 80%.15, 16 Дай і інш. выкарыстоўвалі іённыя вадкія сапалімеры для інгібіравання сланца і дасягнулі павелічэння лінейнай здабычы на ​​18% у параўнанні з аміннымі інгібітарамі.17
Іённыя вадкасці самі па сабе маюць некаторыя недахопы, што падштурхнула навукоўцаў шукаць больш экалагічна чыстыя альтэрнатывы іённым вадкасцям, і так нарадзіўся DES. Ханцзя першым выкарыстаў глыбокія эўтэктычныя растваральнікі (DES), якія складаюцца з вінілхларыду прапіёнавай кіслаты (1:1), вінілхларыду 3-фенілпрапіёнавай кіслаты (1:2) і 3-меркаптапрапіёнавай кіслаты + ітаконавай кіслаты + вінілхларыду (1:1:2), што інгібіравала набраканне бентаніту на 68%, 58% і 58% адпаведна18. У свабодным эксперыменце М. Х. Расул выкарыстаў суадносіны гліцэрыны і карбанату калію (DES) 2:1 і значна знізіў набраканне ўзораў сланца на 87%19,20. Ма выкарыстаў мачавіну:вінілхларыд, каб значна знізіць пашырэнне сланца на 67%.21 Расул і інш. Камбінацыя DES і палімера выкарыстоўвалася ў якасці інгібітара сланцавага размнажэння падвойнага дзеяння, што дасягнула выдатнага эфекту інгібіравання сланца22.
Нягледзячы на ​​тое, што глыбокія эўтэктычныя растваральнікі (ГЭР) звычайна лічацца больш экалагічнай альтэрнатывай іонным вадкасцям, яны таксама ўтрымліваюць патэнцыйна таксічныя кампаненты, такія як солі амонія, што ставіць пад сумнеў іх экалагічнасць. Гэтая праблема прывяла да распрацоўкі натуральных глыбокіх эўтэктычных растваральнікаў (НАГР). Яны ўсё яшчэ класіфікуюцца як ГЭР, але складаюцца з натуральных рэчываў і соляў, у тым ліку хларыду калію (KCl), хларыду кальцыю (CaCl2), соляў Эпсома (MgSO4.7H2O) і іншых. Шматлікія патэнцыйныя камбінацыі ГЭР і НАГР адкрываюць шырокія магчымасці для даследаванняў у гэтай галіне і, як чакаецца, знойдуць прымяненне ў розных галінах. Некалькі даследчыкаў паспяхова распрацавалі новыя камбінацыі ГЭР, якія даказалі сваю эфектыўнасць у розных сферах прымянення. Напрыклад, Насер і інш. у 2013 годзе сінтэзавалі ГЭР на аснове карбанату калію і вывучылі яго цеплафізічныя ўласцівасці, якія пасля знайшлі прымяненне ў галіне інгібіравання гідратаў, дабавак да буравых раствораў, дэлігніфікацыі і нанафібрыляцыі.23 Джордзі Кім і яго калегі распрацавалі НАГР на аснове аскарбінавай кіслаты і ацанілі яго антыаксідантныя ўласцівасці ў розных сферах прымянення.24 Крыстэр і інш. распрацавалі NADES на аснове цытрынавай кіслаты і вызначылі яго патэнцыял у якасці дапаможнага рэчыва для калагенавых прадуктаў.25 Лю І і яго калегі абагульнілі прымяненне NADES у якасці экстракцыянальнага і храматаграфічнага асяроддзя ў падрабязным аглядзе, у той час як Місан і інш. абмеркавалі паспяховае прымяненне NADES у аграхарчовым сектары. Вельмі важна, каб даследчыкі буравых раствораў пачалі звяртаць увагу на эфектыўнасць NADES у сваіх прымяненнях. нядаўнія. У 2023 годзе Расул і інш. выкарыстоўвалі розныя камбінацыі натуральных глыбокіх эўтэктычных растваральнікаў на аснове аскарбінавай кіслаты26, хларыду кальцыя27, хларыду калію28 і солі Эпсома29 і дасягнулі ўражлівага інгібіравання сланцавага ўтварэння і здабычы сланцавага ўтварэння. Гэта даследаванне з'яўляецца адным з першых даследаванняў, у якіх NADES (асабліва цытрынавая кіслата і гліцэрынавая формула) быў прадстаўлены ў якасці экалагічна чыстага і эфектыўнага інгібітара сланцавага ўтварэння ў буравых растворах на воднай аснове, які характарызуецца выдатнай экалагічнай стабільнасцю, палепшанай здольнасцю да інгібіравання сланцавага ўтварэння і палепшанымі характарыстыкамі вадкасці ў параўнанні з традыцыйнымі інгібітарамі, такімі як KCl, іённыя вадкасці на аснове імідазалілу і традыцыйныя DES.
Даследаванне будзе ўключаць у сябе ўласную падрыхтоўку NADES на аснове цытрынавай кіслаты (CA) з наступнай падрабязнай фізіка-хімічнай характарыстыкай і яго выкарыстаннем у якасці дабаўкі да буравой вадкасці для ацэнкі ўласцівасцей буравой вадкасці і яе здольнасці інгібіраваць набраканне. У гэтым даследаванні CA будзе выступаць у якасці акцэптара вадародных сувязей, а гліцэрына (Gly) будзе выступаць у якасці донара вадародных сувязей, абранага на аснове крытэрыяў скрынінга MH для ўтварэння/выбару NADES у даследаваннях інгібіравання сланцавага газу30. Вымярэнні інфрачырвонай спектраскапіі з пераўтварэннем Фур'е (FTIR), рэнтгенаўскай дыфракцыі (XRD) і дзета-патэнцыялу (ZP) дазволяць высветліць узаемадзеянне NADES з глінай і механізм, які ляжыць у аснове інгібіравання набракання гліны. Акрамя таго, у гэтым даследаванні будзе параўнаны буравая вадкасць на аснове CA NADES з DES32 на аснове хларыду 1-этыл-3-метылімідазолія [EMIM]Cl7,12,14,17,31, KCl і хларыду халіну: мачавіны (1:2), каб даследаваць іх эфектыўнасць у інгібіранні сланцавага газу і паляпшэнні прадукцыйнасці буравой вадкасці.
Цытрынавая кіслата (монагідрат), гліцэрын (99 USP) і мачавіна былі набыты ў EvaChem, Куала-Лумпур, Малайзія. Хларыд халіну (>98%), [EMIM]Cl 98% і хларыд калію былі набыты ў Sigma Aldrich, Малайзія. Хімічныя структуры ўсіх хімічных рэчываў паказаны на малюнку 1. Зялёная дыяграма параўноўвае асноўныя хімічныя рэчывы, якія выкарыстоўваліся ў гэтым даследаванні: імідазалільная іённая вадкасць, хларыд халіну (DES), цытрынавая кіслата, гліцэрын, хларыд калію і NADES (цытрынавая кіслата і гліцэрын). Табліца экалагічнасці хімічных рэчываў, якія выкарыстоўваліся ў гэтым даследаванні, прадстаўлена ў табліцы 1. У табліцы кожны хімічны рэчыва ацэнены на аснове таксічнасці, біяраскладальнасці, кошту і экалагічнай устойлівасці.
Хімічныя структуры матэрыялаў, выкарыстаных у гэтым даследаванні: (а) цытрынавая кіслата, (б) [EMIM]Cl, (в) хларыд халіну і (г) гліцэрына.
Кандыдаты ў якасці донараў і акцэптараў вадародных сувязей (HBD) і акцэптараў вадародных сувязей (HBA) для распрацоўкі NADES на аснове CA (прыроднага глыбокага эўтэктычнага растваральніка) былі старанна адабраны ў адпаведнасці з крытэрыямі адбору MH 30, якія прызначаны для распрацоўкі NADES як эфектыўных інгібітараў сланцавага каталізу. Згодна з гэтым крытэрыем, кампаненты з вялікай колькасцю донараў і акцэптараў вадародных сувязей, а таксама палярных функцыянальных груп лічацца прыдатнымі для распрацоўкі NADES.
Акрамя таго, для параўнання ў гэтым даследаванні былі абраныя іённая вадкасць [EMIM]Cl і глыбокі эўтэктычны растваральнік хларыд халіну: мачавіна (DES), паколькі яны шырока выкарыстоўваюцца ў якасці дабавак да буравых раствораў33,34,35,36. Акрамя таго, параўноўваўся хларыд калію (KCl), паколькі ён з'яўляецца распаўсюджаным інгібітарам.
Цытрынавая кіслата і гліцэрына былі змяшаныя ў розных молярных суадносінах для атрымання эўтэктычных сумесяў. Візуальны агляд паказаў, што эўтэктычная сумесь была аднароднай, празрыстай вадкасцю без каламутнасці, што сведчыць аб тым, што донар вадародных сувязяў (HBD) і акцэптар вадародных сувязяў (HBA) былі паспяхова змяшаныя ў гэтай эўтэктычнай кампазіцыі. Былі праведзены папярэднія эксперыменты для назірання за тэмпературна-залежным паводзінамі працэсу змешвання HBD і HBA. Згодна з даступнай літаратурай, прапорцыя эўтэктычных сумесяў ацэньвалася пры трох канкрэтных тэмпературах вышэй за 50 °C, 70 °C і 100 °C, што паказвае, што эўтэктычная тэмпература звычайна знаходзіцца ў дыяпазоне 50–80 °C. Для дакладнага ўзважвання кампанентаў HBD і HBA выкарыстоўваліся лічбавыя вагі Mettler, а для награвання і перамешвання HBD і HBA са хуткасцю 100 абаротаў у хвіліну ў кантраляваных умовах выкарыстоўвалася награвальная пласціна Thermo Fisher.
Цеплафізічныя ўласцівасці нашага сінтэзаванага глыбокага эўтэктычнага растваральніка (DES), у тым ліку шчыльнасць, павярхоўнае нацяжэнне, паказчык праламлення і глейкасць, былі дакладна вымераны ў дыяпазоне тэмператур ад 289,15 да 333,15 К. Варта адзначыць, што гэты тэмпературны дыяпазон быў абраны ў першую чаргу з-за абмежаванняў існуючага абсталявання. Усебаковы аналіз уключаў паглыбленае вывучэнне розных цеплафізічных уласцівасцей гэтай фармулёўкі NADES, што выявіла іх паводзіны ў дыяпазоне тэмператур. Засяроджванне ўвагі на гэтым канкрэтным тэмпературным дыяпазоне дае разуменне ўласцівасцей NADES, якія маюць асаблівае значэнне для шэрагу прымяненняў.
Павярхоўнае нацяжэнне падрыхтаванага NADES вымяралася ў дыяпазоне ад 289,15 да 333,15 K з дапамогай вымяральніка міжфазнага нацяжэння (IFT700). Кропелькі NADES утвараюцца ў камеры, запоўненай вялікім аб'ёмам вадкасці, з дапамогай капілярнай іголкі пры пэўных умовах тэмпературы і ціску. Сучасныя сістэмы візуалізацыі ўводзяць адпаведныя геаметрычныя параметры для разліку міжфазнага нацяжэння з выкарыстаннем ураўнення Лапласа.
Для вызначэння паказчыка праламлення свежапрыгатаванага NADES у дыяпазоне тэмператур ад 289,15 да 333,15 К выкарыстоўваўся рэфрактометр ATAGO. Прыбор выкарыстоўвае цеплавы модуль для рэгулявання тэмпературы з мэтай ацэнкі ступені праламлення святла, што выключае неабходнасць у вадзяной лазні з пастаяннай тэмпературай. Паверхню прызмы рэфрактометра неабходна ачысціць, а раствор узору раўнамерна размеркаваць па ёй. Калібруйце з дапамогай вядомага стандартнага раствора, а затым зчытайце паказчык праламлення з экрана.
Вязкасць падрыхтаванага NADES вымяралася ў дыяпазоне тэмператур ад 289,15 да 333,15 К з дапамогай ратацыйнага вісказіметра Брукфілда (крыягеннага тыпу) пры хуткасці зруху 30 аб/мін і памеры шпіндзеля 6. Вісказіметр вымярае глейкасць, вызначаючы крутоўны момант, неабходны для кручэння шпіндзеля з пастаяннай хуткасцю ў вадкім узоры. Пасля таго, як узор размяшчаецца на экране пад шпіндзелем і зацягваецца, вісказіметр адлюстроўвае глейкасць у сантыпуазах (сП), што дае каштоўную інфармацыю аб рэалагічных уласцівасцях вадкасці.
Для вызначэння шчыльнасці свежапрыгатаванага прыроднага глыбокага эўтэктычнага растваральніка (НДЭЭ) у дыяпазоне тэмператур 289,15–333,15 К выкарыстоўваўся партатыўны шчыльнамер DMA 35 Basic. Паколькі прыбор не мае ўбудаванага награвальніка, перад выкарыстаннем шчыльнамера NADES яго неабходна папярэдне нагрэць да зададзенай тэмпературы (± 2 °C). Прапусціце праз прабірку не менш за 2 мл узору, і шчыльнасць адразу ж адлюструецца на экране. Варта адзначыць, што з-за адсутнасці ўбудаванага награвальніка вынікі вымярэнняў маюць хібнасць ± 2 °C.
Для ацэнкі pH свежапрыгатаванага NADES у дыяпазоне тэмператур 289,15–333,15 K мы выкарыстоўвалі настольны pH-метр Kenis. Паколькі ўбудаванай награвальнай прылады няма, NADES спачатку награвалі да патрэбнай тэмпературы (±2 °C) з дапамогай награвальнай пласціны, а затым вымяралі непасрэдна pH-метрам. Цалкам апусціце зонд pH-метра ў NADES і запішыце канчатковае значэнне пасля стабілізацыі паказанняў.
Для ацэнкі тэрмічнай стабільнасці прыродных глыбокіх эўтэктычных растваральнікаў (NADES) быў выкарыстаны тэрмагравіметрычны аналіз (TGA). Узоры аналізаваліся падчас награвання. З дапамогай высокадакладных вагаў і ўважлівага кантролю працэсу награвання быў пабудаваны графік залежнасці страты масы ад тэмпературы. NADES награвалі ад 0 да 500 °C са хуткасцю 1 °C у хвіліну.
Каб пачаць працэс, узор NADES павінен быць старанна змяшаны, гамагенізаваны і выдалена павярхоўная вільгаць. Падрыхтаваны ўзор затым змяшчаецца ў кювету для ТГА, якая звычайна выраблена з інэртнага матэрыялу, напрыклад, алюмінію. Для забеспячэння дакладных вынікаў прыборы для ТГА калібруюцца з выкарыстаннем эталонных матэрыялаў, звычайна эталонаў вагі. Пасля каліброўкі пачынаецца эксперымент ТГА, і ўзор награваецца кантраляваным чынам, звычайна з пастаяннай хуткасцю. Пастаянны маніторынг залежнасці паміж вагой узору і тэмпературай з'яўляецца ключавой часткай эксперыменту. Прыборы ТГА збіраюць дадзеныя аб тэмпературы, вазе і іншых параметрах, такіх як паток газу або тэмпература ўзору. Пасля завяршэння эксперыменту ТГА сабраныя дадзеныя аналізуюцца для вызначэння змены вагі ўзору ў залежнасці ад тэмпературы. Гэтая інфармацыя каштоўная для вызначэння тэмпературных дыяпазонаў, звязаных з фізічнымі і хімічнымі зменамі ва ўзоры, уключаючы такія працэсы, як плаўленне, выпарэнне, акісленне або раскладанне.
Буравы раствор на воднай аснове быў старанна распрацаваны ў адпаведнасці са стандартам API 13B-1, а яго канкрэтны склад прыведзены ў табліцы 2 для даведкі. Цытрынавая кіслата і гліцэрына (99 USP) былі набыты ў Sigma Aldrich, Малайзія, для падрыхтоўкі натуральнага глыбокага эўтэктычнага растваральніка (NADES). Акрамя таго, у Sigma Aldrich, Малайзія, быў набыты звычайны інгібітар сланцавага выкіду хларыд калію (KCl). Хларыд 1-этыл, 3-метылімідазолію ([EMIM]Cl) з чысцінёй больш за 98% быў абраны з-за яго значнага ўплыву на паляпшэнне рэалогіі буравога раствора і інгібіравання сланцавага выкіду, што было пацверджана ў папярэдніх даследаваннях. Як KCl, так і ([EMIM]Cl) будуць выкарыстоўвацца ў параўнальным аналізе для ацэнкі эфектыўнасці інгібіравання сланцавага выкіду NADES.
Многія даследчыкі аддаюць перавагу выкарыстоўваць бентанітавыя шматкі для вывучэння набракання сланца, таму што бентаніт змяшчае тую ж групу «мантмарыланіту», якая выклікае набраканне сланца. Атрыманне рэальных узораў керна сланца з'яўляецца складанай задачай, таму што працэс адбору керна дэстабілізуе сланец, у выніку чаго ўзоры не цалкам складаюцца са сланца, а звычайна ўтрымліваюць сумесь слаёў пясчаніку і вапняку. Акрамя таго, узоры сланца звычайна не ўтрымліваюць груп мантмарыланіту, якія выклікаюць набраканне сланца, і таму яны не падыходзяць для эксперыментаў па інгібіранні набракання.
У гэтым даследаванні мы выкарыстоўвалі часціцы адноўленага бентаніту дыяметрам прыблізна 2,54 см. Гранулы былі выраблены шляхам прэсавання 11,5 грамаў парашка натрыевага бентаніту ў гідраўлічным прэсе пад ціскам 1600 фунтаў на квадратны дюйм. Таўшчыня гранул была дакладна вымерана перад тым, як змясціць іх у лінейны дылатаметр (LD). Затым часціцы былі апушчаны ў пробы буравой вадкасці, у тым ліку ў пробы базы і пробы, у якія ўводзілі інгібітары, якія выкарыстоўваліся для прадухілення набракання сланца. Змена таўшчыні гранул затым старанна кантралявалася з дапамогай LD, прычым вымярэнні фіксаваліся з інтэрвалам у 60 секунд на працягу 24 гадзін.
Рэнтгенаструктурны аналіз паказаў, што склад бентаніту, асабліва яго 47% мантмарыланітавага кампанента, з'яўляецца ключавым фактарам для разумення яго геалагічных характарыстык. Сярод мантмарыланітавых кампанентаў бентаніту мантмарыланіт з'яўляецца асноўным кампанентам, які складае 88,6% ад агульнай колькасці кампанентаў. У той жа час кварц складае 29%, іліт - 7%, а карбанат - 9%. Невялікая частка (каля 3,2%) - гэта сумесь іліту і мантмарыланіту. Акрамя таго, ён утрымлівае мікраэлементы, такія як Fe2O3 (4,7%), алюмасілікат срэбра (1,2%), мускавіт (4%) і фасфат (2,3%). Акрамя таго, прысутнічае невялікая колькасць Na2O (1,83%) і сілікату жалеза (2,17%), што дазваляе цалкам ацаніць складовыя элементы бентаніту і іх адпаведныя прапорцыі.
У гэтым раздзеле даследавання падрабязна апісаны рэалагічныя і фільтрацыйныя ўласцівасці ўзораў буравых раствораў, падрыхтаваных з выкарыстаннем натуральнага глыбокага эўтэктычнага растваральніка (NADES) і выкарыстаных у якасці дабаўкі да буравага раствора ў розных канцэнтрацыях (1%, 3% і 5%). Затым узоры шламу на аснове NADES параўноўваліся і аналізаваліся з узорамі шламу, якія складаліся з хларыду калію (KCl), CC:мачавіна DES (глыбокі эўтэктычны растваральнік хларыд халіну:мачавіна) і іонных вадкасцей. У гэтым даследаванні быў разгледжаны шэраг ключавых параметраў, у тым ліку паказчыкі глейкасці, атрыманыя з дапамогай вісказіметра FANN да і пасля ўздзеяння ўмоў старэння пры тэмпературы 100°C і 150°C. Вымярэнні праводзіліся пры розных хуткасцях кручэння (3 аб/мін, 6 аб/мін, 300 аб/мін і 600 аб/мін), што дазволіла правесці ўсебаковы аналіз паводзін буравога раствора. Атрыманыя дадзеныя затым могуць быць выкарыстаны для вызначэння ключавых уласцівасцей, такіх як мяжа цякучасці (YP) і пластычная глейкасць (PV), якія даюць уяўленне аб прадукцыйнасці раствора ў розных умовах. Выпрабаванні на фільтрацыю пад высокім ціскам і высокай тэмпературай (HPHT) пры 400 фунтах на квадратны дюйм і 150°C (тыповыя тэмпературы ў высокатэмпературных свідравінах) вызначаюць эфектыўнасць фільтрацыі (таўшчыню асадка і аб'ём фільтрата).
У гэтым раздзеле выкарыстоўваецца найноўшае абсталяванне — лінейны дылатаметр Grace HPHT (M4600) — для дэталёвай ацэнкі ўласцівасцей інгібіравання набракання сланца нашых буравых раствораў на воднай аснове. LSM — гэта сучасная машына, якая складаецца з двух кампанентаў: вібрацыйнай пліты і лінейнага дылатаметра (мадэль: M4600). Бентанітавыя пласціны былі падрыхтаваны для аналізу з дапамогай вібрацыйнай пліты Grace Core/Plate Compactor. Затым LSM неадкладна дае дадзеныя аб набраканні гэтых пласцін, што дазваляе правесці ўсебаковую ацэнку ўласцівасцей інгібіравання набракання сланца. Выпрабаванні на пашырэнне сланца праводзіліся пры навакольных умовах, г.зн. пры тэмпературы 25°C і ціску 1 фунт/кв. цаля.
Выпрабаванне стабільнасці сланца ўключае ў сябе ключавы тэст, які часта называюць тэстам на здабычу сланца, тэстам на апусканне сланца або тэстам на дысперсію сланца. Для пачатку гэтай ацэнкі сланцавы шлам аддзяляецца на сіце BSS № 6, а затым змяшчаецца на сіта № 10. Затым шлам падаецца ў рэзервуар, дзе ён змешваецца з базавай вадкасцю і буравым растворам, які змяшчае NADES (натуральны глыбокі эўтэктычны растваральнік). Наступны крок - змясціць сумесь у печ для інтэнсіўнага працэсу гарачай пракаткі, забяспечваючы стараннае змешванне шламу і буравога раствора. Праз 16 гадзін шлам выдаляецца з пульпы, дазваляючы сланцу раскласціся, што прыводзіць да зніжэння вагі шламу. Выпрабаванне на здабычу сланца праводзілася пасля таго, як сланцавы шлам знаходзіўся ў буравым растворы пры тэмпературы 150°C і ціску 1000 psi на працягу 24 гадзін.
Каб вымераць ступень здабычы сланцавага шламу, мы фільтравалі яго праз больш дробнае сіта (40 меш), затым старанна прамылі вадой і, нарэшце, высушылі ў духоўцы. Гэтая карпатлівая працэдура дазваляе нам ацаніць здабыты шлам у параўнанні з першапачатковай вагой, у канчатковым выніку разлічваючы працэнт паспяхова здабытага сланцавага шламу. Крыніца ўзораў сланца — раён Ніах, раён Міры, Саравак, Малайзія. Перад выпрабаваннямі на дысперсію і здабычу ўзоры сланца былі падвергнуты дбайнаму рэнтгенаструктурнаму аналізу (XRD), каб колькасна вызначыць склад іх гліны і пацвердзіць іх прыдатнасць для выпрабаванняў. Склад гліністай мінералаў узору наступны: іліт 18%, каолініт 31%, хларыт 22%, вермікуліт 10% і слюда 19%.
Павярхоўнае нацяжэнне з'яўляецца ключавым фактарам, які кантралюе пранікненне катыёнаў вады ў мікрапоры сланца праз капілярны эфект, што будзе падрабязна вывучана ў гэтым раздзеле. У гэтай працы разглядаецца роля павярхоўнага нацяжэння ў кагезійных уласцівасцях буравых раствораў, падкрэсліваючы яго важны ўплыў на працэс бурэння, асабліва на інгібіраванне сланцам. Мы выкарысталі міжфазны тэнзіёметр (IFT700) для дакладнага вымярэння павярхоўнага нацяжэння ўзораў буравога раствора, што выявіла важны аспект паводзін вадкасці ў кантэксце інгібіравання сланцам.
У гэтым раздзеле падрабязна абмяркоўваецца адлегласць паміж d-слаямі, якая ўяўляе сабой адлегласць паміж пластамі алюмасілікату і адным пластом алюмасілікату ў глінах. Аналіз ахопліваў узоры вільготнага глінянага раствора, якія змяшчалі 1%, 3% і 5% CA NADES, а таксама 3% KCl, 3% [EMIM]Cl і 3% DES на аснове CC:мачавіны для параўнання. Сучасны настольны рэнтгенаўскі дыфрактометр (D2 Phaser), які працуе пры 40 мА і 45 кВ з выпраменьваннем Cu-Kα (λ = 1,54059 Å), адыграў вырашальную ролю ў рэгістрацыі пікаў рэнтгенаўскай дыфракцыі як вільготных, так і сухіх узораў Na-Bt. Прымяненне ўраўнення Брэга дазваляе дакладна вызначыць адлегласць паміж d-слаямі, тым самым даючы каштоўную інфармацыю аб паводзінах гліны.
У гэтым раздзеле выкарыстоўваецца перадавы прыбор Malvern Zetasizer Nano ZSP для дакладнага вымярэння дзета-патэнцыялу. Гэта ацэнка дала каштоўную інфармацыю аб характарыстыках зараду разведзеных узораў буравой вадкасці, якія змяшчаюць 1%, 3% і 5% CA NADES, а таксама 3% KCl, 3% [EMIM]Cl і 3% CC:DES на аснове мачавіны для параўнальнага аналізу. Гэтыя вынікі спрыяюць нашаму разуменню стабільнасці калоідных злучэнняў і іх узаемадзеяння ў вадкасцях.
Узоры гліны былі даследаваны да і пасля ўздзеяння натуральнага глыбокага эўтэктычнага растваральніка (NADES) з выкарыстаннем сканіруючага электроннага мікраскопа з палявой эмісіяй (FESEM) Zeiss Supra 55 VP, абсталяванага рэнтгенаўскім дысперсійным выпраменьваннем з энергіяй (EDX). Разрозненне візуалізацыі складала 500 нм, а энергія электроннага пучка — 30 кВ і 50 кВ. FESEM забяспечвае візуалізацыю марфалогіі паверхні і структурных асаблівасцей узораў гліны з высокім разрозненнем. Мэтай гэтага даследавання было атрымаць інфармацыю аб уплыве NADES на ўзоры гліны шляхам параўнання выяў, атрыманых да і пасля ўздзеяння.
У гэтым даследаванні для вывучэння ўплыву NADES на ўзоры гліны на мікраскапічным узроўні была выкарыстана тэхналогія сканіруючай электроннай мікраскапіі з палявой эмісіяй (FESEM). Мэта гэтага даследавання — высветліць патэнцыйныя магчымасці прымянення NADES і яго ўплыў на марфалогію гліны і сярэдні памер часціц, што дасць каштоўную інфармацыю для даследаванняў у гэтай галіне.
У гэтым даследаванні для візуальнага апісання зменлівасці і нявызначанасці сярэдняй працэнтнай памылкі (AMPE) у розных эксперыментальных умовах выкарыстоўваліся палоскі памылак. Замест таго, каб пабудоўваць асобныя значэнні AMPE (паколькі пабудова значэнняў AMPE можа схаваць тэндэнцыі і перабольшыць невялікія варыяцыі), мы разлічваем палоскі памылак з выкарыстаннем правіла 5%. Гэты падыход гарантуе, што кожная палоска памылак прадстаўляе інтэрвал, у якім чакаецца знаходжанне 95% давернага інтэрвалу і 100% значэнняў AMPE, тым самым забяспечваючы больш выразнае і лаканічнае рэзюмэ размеркавання дадзеных для кожнай эксперыментальнай умовы. Выкарыстанне палос памылак на аснове правіла 5% такім чынам паляпшае інтэрпрэтацыю і надзейнасць графічных прадстаўленняў і дапамагае забяспечыць больш падрабязнае разуменне вынікаў і іх наступстваў.
Пры сінтэзе прыродных глыбокіх эўтэктычных растваральнікаў (NADES) падчас уласнага працэсу падрыхтоўкі былі старанна вывучаны некалькі ключавых параметраў. Да гэтых крытычных фактараў адносяцца тэмпература, малярнае суадносіны і хуткасць змешвання. Нашы эксперыменты паказваюць, што пры змешванні цытрынавай кіслаты (HBA) і гліцэрыны (HBD) у малярным суадносінах 1:4 пры тэмпературы 50°C утвараецца эўтэктычная сумесь. Адметнай рысай эўтэктычнай сумесі з'яўляецца яе празрысты, аднастайны выгляд і адсутнасць асадка. Такім чынам, гэты ключавы этап падкрэслівае важнасць малярнага суадносін, тэмпературы і хуткасці змешвання, сярод якіх малярнае суадносіны было найбольш уплывовым фактарам пры падрыхтоўцы DES і NADES, як паказана на малюнку 2.
Паказчык праламлення (n) выражае суадносіны хуткасці святла ў вакууме да хуткасці святла ў другім, больш шчыльным асяроддзі. Паказчык праламлення ўяўляе асаблівую цікавасць для прыродных глыбокіх эўтэктычных растваральнікаў (NADES) пры разглядзе аптычна адчувальных прымяненняў, такіх як біясенсары. Паказчык праламлення вывучанага NADES пры 25 °C склаў 1,452, што, што цікава, ніжэй, чым у гліцэрыны.
Варта адзначыць, што паказчык праламлення NADES памяншаецца з тэмпературай, і гэтую тэндэнцыю можна дакладна апісаць формулай (1) і малюнкам 3, прычым абсалютная сярэдняя працэнтная памылка (AMPE) дасягае 0%. Гэтая тэмпературна-залежная паводзіна тлумачыцца зніжэннем глейкасці і шчыльнасці пры высокіх тэмпературах, што прымушае святло праходзіць праз асяроддзе з большай хуткасцю, што прыводзіць да больш нізкага значэння паказчыка праламлення (n). Гэтыя вынікі даюць каштоўную інфармацыю аб стратэгічным выкарыстанні NADES у аптычных датчыках, падкрэсліваючы іх патэнцыял для прымянення ў біясенсарах.
Павярхоўнае нацяжэнне, якое адлюстроўвае тэндэнцыю паверхні вадкасці мінімізаваць сваю плошчу, мае вялікае значэнне пры ацэнцы прыдатнасці прыродных глыбокіх эўтэктычных растваральнікаў (NADES) для прымянення, заснаванага на капілярным ціску. Даследаванне павярхоўнага нацяжэння ў дыяпазоне тэмператур 25–60 °C дае каштоўную інфармацыю. Пры 25 °C павярхоўнае нацяжэнне NADES на аснове цытрынавай кіслаты складала 55,42 мН/м, што значна ніжэй, чым у вады і гліцэрыны. На малюнку 4 паказана, што павярхоўнае нацяжэнне значна зніжаецца з павышэннем тэмпературы. Гэтую з'яву можна растлумачыць павелічэннем малекулярнай кінетычнай энергіі і наступным зніжэннем міжмалекулярных сіл прыцягнення.
Лінейная тэндэнцыя зніжэння паверхневага нацяжэння, якая назіраецца ў даследаваным NADES, можа быць добра выражана ўраўненнем (2), якое ілюструе асноўную матэматычную залежнасць у дыяпазоне тэмператур 25–60 °C. Графік на малюнку 4 выразна паказвае тэндэнцыю паверхневага нацяжэння з тэмпературай з абсалютнай сярэдняй працэнтнай памылкай (AMPE) 1,4%, што колькасна вызначае дакладнасць паведамленых значэнняў паверхневага нацяжэння. Гэтыя вынікі маюць важнае значэнне для разумення паводзін NADES і яго патэнцыйных ужыванняў.
Разуменне дынамікі шчыльнасці прыродных глыбокіх эўтэктычных растваральнікаў (NADES) мае вырашальнае значэнне для палягчэння іх прымянення ў шматлікіх навуковых даследаваннях. Шчыльнасць NADES на аснове цытрынавай кіслаты пры 25°C складае 1,361 г/см3, што вышэй за шчыльнасць зыходнага гліцэрыну. Гэтае адрозненне можна растлумачыць даданнем акцэптара вадародных сувязей (цытрынавай кіслаты) да гліцэрыну.
У якасці прыкладу, калі ўзяць NADES на аснове цытрату, яго шчыльнасць падае да 1,19 г/см3 пры 60°C. Павелічэнне кінетычнай энергіі пры награванні прыводзіць да рассейвання малекул NADES, у выніку чаго яны займаюць большы аб'ём, што прыводзіць да зніжэння шчыльнасці. Назіранае зніжэнне шчыльнасці паказвае пэўную лінейную карэляцыю з павышэннем тэмпературы, якую можна правільна выразіць формулай (3). На малюнку 5 графічна прадстаўлены гэтыя характарыстыкі змены шчыльнасці NADES з абсалютнай сярэдняй працэнтнай памылкай (AMPE) 1,12%, што забяспечвае колькасную меру дакладнасці паведамленых значэнняў шчыльнасці.
Вязкасць — гэта сіла прыцягнення паміж рознымі пластамі вадкасці ў руху, якая адыгрывае ключавую ролю ў разуменні прымянення прыродных глыбокіх эўтэктычных растваральнікаў (NADES) у розных сферах прымянення. Пры тэмпературы 25 °C глейкасць NADES складала 951 сП, што вышэй, чым у гліцэрыны.
Назіранае зніжэнне глейкасці з павышэннем тэмпературы ў асноўным тлумачыцца аслабленнем міжмалекулярных сіл прыцягнення. Гэтая з'ява прыводзіць да зніжэння глейкасці вадкасці, тэндэнцыя, выразна прадэманстраваная на малюнку 6 і колькасна вызначаная ўраўненнем (4). Прыкметна, што пры 60°C глейкасць падае да 898 сП з агульнай сярэдняй працэнтнай памылкай (AMPE) 1,4%. Падрабязнае разуменне залежнасці глейкасці ад тэмпературы ў NADES мае вялікае значэнне для яго практычнага прымянення.
pH раствора, які вызначаецца адмоўным лагарыфмам канцэнтрацыі іонаў вадароду, мае вырашальнае значэнне, асабліва ў pH-адчувальных прымяненнях, такіх як сінтэз ДНК, таму pH NADES неабходна старанна вывучыць перад выкарыстаннем. У якасці прыкладу NADES на аснове цытрынавай кіслаты можна назіраць выразна кіслы pH 1,91, што рэзка кантрастуе з адносна нейтральным pH гліцэрыны.
Цікава, што pH натуральнага растваральніка, растваральнай у дэгідрагеназе цытрынавай кіслаты (NADES), прадэманстраваў нелінейную тэндэнцыю да зніжэння з павышэннем тэмпературы. Гэтая з'ява тлумачыцца павелічэннем малекулярных вібрацый, якія парушаюць баланс H+ у растворы, што прыводзіць да ўтварэння іонаў [H]+ і, у сваю чаргу, да змены значэння pH. У той час як натуральны pH цытрынавай кіслаты вагаецца ад 3 да 5, прысутнасць кіслага вадароду ў гліцэрыне яшчэ больш зніжае pH да 1,91.
Паводзіны pH цытратнага NADES у дыяпазоне тэмператур 25–60 °C можна належным чынам прадставіць ураўненнем (5), якое дае матэматычны выраз для назіранай тэндэнцыі pH. На малюнку 7 графічна паказана гэтая цікавая залежнасць, падкрэсліваючы ўплыў тэмпературы на pH NADES, які, паводле звестак, складае 1,4% для AMPE.
Тэрмагравіметрычны аналіз (ТГА) глыбокаэўтэктычнага растваральніка на аснове прыроднай цытрынавай кіслаты (NADES) сістэматычна праводзіўся ў дыяпазоне тэмператур ад пакаёвай тэмпературы да 500 °C. Як відаць з малюнкаў 8a і b, пачатковая страта масы да 100 °C была абумоўлена ў асноўным паглынутай вадой і гідратацыйнай вадой, звязанай з цытрынавай кіслатой і чыстым гліцэрынам. Значнае захаванне масы, каля 88%, назіралася да 180 °C, што было ў асноўным звязана з раскладаннем цытрынавай кіслаты да аконітавай кіслаты і наступным утварэннем метылмалеінавага ангідрыду(III) пры далейшым награванні (малюнак 8b). Вышэй за 180 °C таксама можна было назіраць выразную з'яўленне акралеіну (акрылальдэгіду) у гліцэрыне, як паказана на малюнку 8b37.
Тэрмагравіметрычны аналіз (ТГА) гліцэрыны выявіў двухэтапны працэс страты масы. Пачатковая стадыя (ад 180 да 220 °C) уключае ў сябе ўтварэнне акралеіну, а затым значная страта масы пры высокіх тэмпературах ад 230 да 300 °C (малюнак 8a). Па меры павышэння тэмпературы паслядоўна ўтвараюцца ацэтальдэгід, вуглякіслы газ, метан і вадарод. Прыкметна, што пры 300 °C захавалася толькі 28% масы, што сведчыць аб тым, што ўнутраныя ўласцівасці NADES 8(a)38,39 могуць быць дэфектнымі.
Каб атрымаць інфармацыю аб утварэнні новых хімічных сувязяў, свежапрыгатаваныя суспензіі натуральных глыбокіх эўтэктычных растваральнікаў (NADES) былі прааналізаваны з дапамогай інфрачырвонай спектраскапіі з пераўтварэннем Фур'е (FTIR). Аналіз праводзіўся шляхам параўнання спектру суспензіі NADES са спектрамі чыстай цытрынавай кіслаты (CA) і гліцэрыны (Gly). Спектр CA паказаў выразныя пікі пры 1752 1/см і 1673 1/см, якія ўяўляюць сабой валентныя ваганні сувязі C=O і таксама характэрныя для CA. Акрамя таго, у вобласці адбіткаў пальцаў назіраўся значны зрух дэфармацыйных ваганняў OH пры 1360 1/см, як паказана на малюнку 9.
Падобным чынам, у выпадку гліцэрыны, зрухі валентных і дэфармацыйных ваганняў OH былі выяўлены пры хвалевых ліках 3291 1/см і 1414 1/см адпаведна. Цяпер, аналізуючы спектр падрыхтаванага NADES, быў выяўлены значны зрух у спектры. Як паказана на малюнку 7, валентныя ваганні сувязі C=O зрушыліся з 1752 1/см да 1720 1/см, а дэфармацыйныя ваганні сувязі -OH гліцэрыны зрушыліся з 1414 1/см да 1359 1/см. Гэтыя зрухі хвалевых лікаў паказваюць на змену электраадмоўнасці, што сведчыць аб утварэнні новых хімічных сувязей у структуры NADES.