Grazas por visitar nature.com. A versión do navegador que estás a usar ten compatibilidade limitada con CSS. Para obter a mellor experiencia, recomendámosche que uses a versión máis recente do navegador (ou que desactives o modo de compatibilidade en Internet Explorer). Ademais, para garantir a compatibilidade continua, este sitio non incluirá estilos nin JavaScript.
A expansión da lousa en reservorios clásticos crea problemas significativos, o que leva á inestabilidade do pozo. Por razóns ambientais, prefírese o uso de fluído de perforación a base de auga con inhibidores de lousa engadidos ao fluído de perforación a base de petróleo. Os líquidos iónicos (IL) chamaron moita atención como inhibidores de lousa debido ás súas propiedades axustables e fortes características electrostáticas. Non obstante, os líquidos iónicos (IL) a base de imidazolilo, amplamente utilizados nos fluídos de perforación, demostraron ser tóxicos, non biodegradables e caros. Os solventes eutécticos profundos (DES) considéranse unha alternativa máis rendible e menos tóxica aos líquidos iónicos, pero aínda non alcanzan a sustentabilidade ambiental requirida. Os avances recentes neste campo levaron á introdución de solventes eutécticos profundos naturais (NADES), coñecidos polo seu verdadeiro respecto polo medio ambiente. Este estudo investigou os NADES, que conteñen ácido cítrico (como aceptor de enlaces de hidróxeno) e glicerol (como doador de enlaces de hidróxeno) como aditivos do fluído de perforación. Os fluídos de perforación baseados en NADES foron desenvolvidos de acordo coa norma API 13B-1 e o seu rendemento comparouse con fluídos de perforación baseados en cloruro de potasio, líquidos iónicos baseados en imidazolio e fluídos de perforación baseados en cloruro de colina:urea-DES. As propiedades fisicoquímicas dos NADES patentados descríbense en detalle. As propiedades reolóxicas, a perda de fluídos e as propiedades de inhibición da lousa do fluído de perforación avaliáronse durante o estudo e demostrouse que a unha concentración do 3 % de NADES, a relación tensión de fluencia/viscosidade plástica (YP/PV) aumentou, o grosor da torta de lama reduciuse nun 26 % e o volume do filtrado reduciuse nun 30,1 %. Cabe destacar que os NADES alcanzaron unha impresionante taxa de inhibición da expansión do 49,14 % e aumentaron a produción de lousa nun 86,36 %. Estes resultados atribúense á capacidade dos NADES para modificar a actividade superficial, o potencial zeta e o espazado entre capas das arxilas, que se discuten neste artigo para comprender os mecanismos subxacentes. Espérase que este fluído de perforación sostible revolucione a industria da perforación ao proporcionar unha alternativa non tóxica, rendible e altamente eficaz aos inhibidores tradicionais da corrosión da lousa, allanando o camiño para prácticas de perforación respectuosas co medio ambiente.
A xistosa é unha rocha versátil que serve como fonte e reserva de hidrocarburos, e a súa estrutura porosa1 ofrece o potencial tanto para a produción como para o almacenamento destes valiosos recursos. Non obstante, a xistosa é rica en minerais arxilosos como a montmorillonita, a esmectita, a caolinita e a ilita, o que a fai propensa a incharse cando se expón á auga, o que leva á inestabilidade do pozo durante as operacións de perforación2,3. Estes problemas poden levar a un tempo improdutivo (NPT) e a unha serie de problemas operativos, incluíndo tubaxes atascadas, perda de circulación de lodo, colapso do pozo e ensuciamento da broca, o que aumenta o tempo e o custo de recuperación. Tradicionalmente, os fluídos de perforación a base de petróleo (OBDF) foron a opción preferida para as formacións de xisto debido á súa capacidade para resistir a expansión da xisto4. Non obstante, o uso de fluídos de perforación a base de petróleo implica maiores custos e riscos ambientais. Os fluídos de perforación a base de petróleo (SBDF) consideráronse como unha alternativa, pero a súa idoneidade a altas temperaturas non é satisfactoria. Os fluídos de perforación a base de auga (WBDF) son unha solución atractiva porque son máis seguros, respectuosos co medio ambiente e máis rendibles que o OBDF5. Empregáronse varios inhibidores de xisto para mellorar a capacidade de inhibición de xisto do WBDF, incluídos inhibidores tradicionais como o cloruro de potasio, a cal, o silicato e o polímero. Non obstante, estes inhibidores teñen limitacións en termos de eficacia e impacto ambiental, especialmente debido á alta concentración de K+ nos inhibidores de cloruro de potasio e á sensibilidade ao pH dos silicatos. 6 Os investigadores exploraron a posibilidade de usar líquidos iónicos como aditivos de fluídos de perforación para mellorar a reoloxía do fluído de perforación e previr o inchazo e a formación de hidratos de xisto. Non obstante, estes líquidos iónicos, especialmente os que conteñen catións imidazolilo, son xeralmente tóxicos, caros, non biodegradables e requiren procesos de preparación complexos. Para resolver estes problemas, a xente comezou a buscar unha alternativa máis económica e respectuosa co medio ambiente, o que levou á aparición de solventes eutécticos profundos (DES). O DES é unha mestura eutéctica formada por un doador de enlaces de hidróxeno (HBD) e un aceptor de enlaces de hidróxeno (HBA) a unha proporción molar e temperatura específicas. Estas mesturas eutécticas teñen puntos de fusión máis baixos que os seus compoñentes individuais, principalmente debido á deslocalización da carga causada por pontes de hidróxeno. Moitos factores, incluíndo a enerxía da rede, o cambio de entropía e as interaccións entre anións e HBD, xogan un papel fundamental na redución do punto de fusión do DES.
En estudos previos, engadíronse varios aditivos ao fluído de perforación a base de auga para resolver o problema da expansión da lousa. Por exemplo, Ofei et al. engadiron cloruro de 1-butil-3-metilimidazolio (BMIM-Cl), o que reduciu significativamente o grosor da torta de lama (ata un 50 %) e diminuíu o valor YP/PV en 11 a diferentes temperaturas. Huang et al. empregaron líquidos iónicos (especificamente, bromuro de 1-hexil-3-metilimidazolio e bromuro de 1,2-bis(3-hexilimidazol-1-il)etano) en combinación con partículas de Na-Bt e reduciron significativamente o inchazo da lousa nun 86,43 % e un 94,17 %, respectivamente12. Ademais, Yang et al. empregaron bromuro de 1-vinil-3-dodecilimidazolio e bromuro de 1-vinil-3-tetradecilimidazolio para reducir o inchazo da lousa nun 16,91 % e un 5,81 %, respectivamente. 13 Yang et al. tamén empregaron bromuro de 1-vinil-3-etilimidazolio e reduciron a expansión da lousa nun 31,62 %, mantendo a recuperación da lousa no 40,60 %. 14 Ademais, Luo et al. empregaron tetrafluoroborato de 1-octil-3-metilimidazolio para reducir o inchazo da lousa nun 80 %. 15, 16 Dai et al. empregaron copolímeros líquidos iónicos para inhibir a lousa e acadaron un aumento do 18 % na recuperación lineal en comparación cos inhibidores de amina. 17
Os propios líquidos iónicos teñen algunhas desvantaxes, o que levou os científicos a buscar alternativas máis respectuosas co medio ambiente aos líquidos iónicos, e así naceu o DES. Hanjia foi a primeira en usar solventes eutécticos profundos (DES) que consisten en ácido propiónico de cloruro de vinilo (1:1), ácido 3-fenilpropiónico de cloruro de vinilo (1:2) e ácido 3-mercaptopropiónico + ácido itacónico + cloruro de vinilo (1:1:2), que inhibiron o inchazo da bentonita nun 68 %, 58 % e 58 %, respectivamente18. Nun experimento libre, MH Rasul utilizou unha proporción de 2:1 de glicerol e carbonato de potasio (DES) e reduciu significativamente o inchazo das mostras de xisto nun 87 %19,20. Ma utilizou urea:cloruro de vinilo para reducir significativamente a expansión do xisto nun 67 %21. Rasul et al. A combinación de DES e polímero utilizouse como un inhibidor de xisto de dobre acción, que conseguiu un excelente efecto de inhibición do xisto22.
Aínda que os solventes eutécticos profundos (DES) se consideran xeralmente unha alternativa máis ecolóxica aos líquidos iónicos, tamén conteñen compoñentes potencialmente tóxicos, como sales de amonio, o que fai que a súa compatibilidade co medio ambiente sexa cuestionable. Este problema levou ao desenvolvemento de solventes eutécticos profundos naturais (NADES). Aínda se clasifican como DES, pero están compostos por substancias e sales naturais, incluíndo cloruro de potasio (KCl), cloruro de calcio (CaCl2), sales de Epsom (MgSO4.7H2O) e outros. As numerosas combinacións potenciais de DES e NADES abren un amplo alcance para a investigación nesta área e espérase que atopen aplicacións nunha variedade de campos. Varios investigadores desenvolveron con éxito novas combinacións de DES que demostraron ser eficaces nunha variedade de aplicacións. Por exemplo, Naser et al. 2013 sintetizaron DES baseado en carbonato de potasio e estudaron as súas propiedades termofísicas, que posteriormente atoparon aplicacións nas áreas de inhibición de hidratos, aditivos de fluídos de perforación, deslignificación e nanofibrilación. 23 Jordy Kim e os seus colaboradores desenvolveron NADES baseado en ácido ascórbico e avaliaron as súas propiedades antioxidantes en varias aplicacións. 24 Christer et al. desenvolveron NADES baseado en ácido cítrico e identificaron o seu potencial como excipiente para produtos de coláxeno. 25 Liu Yi e os seus colaboradores resumiron as aplicacións dos NADES como medios de extracción e cromatografía nunha revisión exhaustiva, mentres que Misan et al. analizaron as aplicacións exitosas dos NADES no sector agroalimentario. É imperativo que os investigadores de fluídos de perforación comecen a prestar atención á eficacia dos NADES nas súas aplicacións recentes. En 2023, Rasul et al. utilizaron diferentes combinacións de solventes eutécticos profundos naturais baseados en ácido ascórbico26, cloruro de calcio27, cloruro de potasio28 e sal de Epsom29 e lograron unha inhibición e recuperación de lousa impresionantes. Este estudo é un dos primeiros estudos en introducir NADES (en particular, formulación baseada en ácido cítrico e glicerol) como un inhibidor de lousa respectuoso co medio ambiente e eficaz en fluídos de perforación a base de auga, que presenta unha excelente estabilidade ambiental, unha capacidade de inhibición de lousa mellorada e un rendemento de fluídos mellorado en comparación cos inhibidores tradicionais como KCl, líquidos iónicos a base de imidazolilo e DES tradicional.
O estudo implicará a preparación interna de NADES baseado en ácido cítrico (CA), seguida dunha caracterización fisicoquímica detallada e o seu uso como aditivo do fluído de perforación para avaliar as propiedades do fluído de perforación e a súa capacidade de inhibición do inchazo. Neste estudo, o CA actuará como un aceptor de enlaces de hidróxeno mentres que o glicerol (Gly) actuará como un doador de enlaces de hidróxeno seleccionado segundo os criterios de selección de MH para a formación/selección de NADES en estudos de inhibición de lousa30. As medicións de espectroscopía infravermella por transformada de Fourier (FTIR), difracción de raios X (XRD) e potencial zeta (ZP) dilucidarán as interaccións NADES-arxila e o mecanismo subxacente á inhibición do inchazo da arxila. Ademais, este estudo comparará o fluído de perforación baseado en NADES de CA con DES32 baseado en cloruro de 1-etil-3-metilimidazolio [EMIM]Cl7,12,14,17,31, KCl e cloruro de colina:urea (1:2) para investigar a súa eficacia na inhibición de lousa e na mellora do rendemento do fluído de perforación.
O ácido cítrico (monohidrato), o glicerol (99 USP) e a urea adquirironse a EvaChem, Kuala Lumpur, Malaisia. O cloruro de colina (>98 %), [EMIM]Cl 98 % e o cloruro de potasio adquirironse a Sigma Aldrich, Malaisia. As estruturas químicas de todos os produtos químicos móstranse na Figura 1. O diagrama verde compara os principais produtos químicos empregados neste estudo: líquido iónico imidazolil, cloruro de colina (DES), ácido cítrico, glicerol, cloruro de potasio e NADES (ácido cítrico e glicerol). A táboa de ecocompatibilidade dos produtos químicos empregados neste estudo preséntase na Táboa 1. Na táboa, cada produto químico clasifícase en función da súa toxicidade, biodegradabilidade, custo e sustentabilidade ambiental.
Estruturas químicas dos materiais empregados neste estudo: (a) ácido cítrico, (b) [EMIM]Cl, (c) cloruro de colina e (d) glicerol.
Os candidatos a doantes e aceptores de enlaces de hidróxeno (HBD) e aceptores de enlaces de hidróxeno (HBA) para o desenvolvemento de NADES baseados en CA (solvente eutéctico profundo natural) foron coidadosamente seleccionados segundo os criterios de selección MH 30, que están destinados ao desenvolvemento de NADES como inhibidores eficaces da lousa. Segundo este criterio, os compoñentes cun gran número de doantes e aceptores de enlaces de hidróxeno, así como grupos funcionais polares, considéranse axeitados para o desenvolvemento de NADES.
Ademais, seleccionáronse para a comparación neste estudo o líquido iónico [EMIM]Cl e o disolvente eutéctico profundo (DES) de cloruro de colina:urea porque se usan amplamente como aditivos de fluídos de perforación33,34,35,36. Ademais, comparouse o cloruro de potasio (KCl) porque é un inhibidor común.
Mesturáronse ácido cítrico e glicerol en diferentes proporcións molares para obter mesturas eutécticas. A inspección visual mostrou que a mestura eutéctica era un líquido homoxéneo e transparente sen turbidez, o que indica que o doante de enlaces de hidróxeno (HBD) e o aceptor de enlaces de hidróxeno (HBA) se mesturaron con éxito nesta composición eutéctica. Realizáronse experimentos preliminares para observar o comportamento dependente da temperatura do proceso de mestura de HBD e HBA. Segundo a literatura dispoñible, a proporción de mesturas eutécticas avaliouse a tres temperaturas específicas por riba de 50 °C, 70 °C e 100 °C, o que indica que a temperatura eutéctica adoita estar no rango de 50–80 °C. Utilizouse unha balanza dixital Mettler para pesar con precisión os compoñentes de HBD e HBA, e unha placa quente Thermo Fisher para quentar e axitar o HBD e o HBA a 100 rpm en condicións controladas.
As propiedades termofísicas do noso solvente eutéctico profundo (DES) sintetizado, incluíndo a densidade, a tensión superficial, o índice de refracción e a viscosidade, medíronse con precisión nun rango de temperatura de 289,15 a 333,15 K. Cómpre sinalar que este rango de temperatura se escolleu principalmente debido ás limitacións dos equipos existentes. A análise exhaustiva incluíu un estudo en profundidade de varias propiedades termofísicas desta formulación de NADES, revelando o seu comportamento nun rango de temperaturas. Centrarse neste rango de temperatura específico proporciona información sobre as propiedades dos NADES que son de particular importancia para unha serie de aplicacións.
A tensión superficial dos NADES preparados mediuse no rango de 289,15 a 333,15 K empregando un tensiómetro interfacial (IFT700). As gotas de NADES fórmanse nunha cámara chea cun gran volume de líquido empregando unha agulla capilar en condicións específicas de temperatura e presión. Os sistemas de imaxe modernos introducen parámetros xeométricos axeitados para calcular a tensión interfacial empregando a ecuación de Laplace.
Empregouse un refractómetro ATAGO para determinar o índice de refracción de NADES acabados de preparar no rango de temperatura de 289,15 a 333,15 K. O instrumento emprega un módulo térmico para regular a temperatura e estimar o grao de refracción da luz, eliminando a necesidade dun baño de auga a temperatura constante. A superficie do prisma do refractómetro debe limparse e a solución da mostra debe distribuírse uniformemente sobre ela. Calibrar cunha solución estándar coñecida e, a continuación, ler o índice de refracción na pantalla.
A viscosidade dos NADES preparados mediuse nun rango de temperatura de 289,15 a 333,15 K empregando un viscosímetro rotacional Brookfield (tipo crioxénico) a unha velocidade de cizallamento de 30 rpm e un tamaño de fuso de 6. O viscosímetro mide a viscosidade determinando o par necesario para xirar o fuso a unha velocidade constante nunha mostra líquida. Despois de colocar a mostra na criba debaixo do fuso e apertala, o viscosímetro mostra a viscosidade en centipoise (cP), o que proporciona información valiosa sobre as propiedades reolóxicas do líquido.
Empregouse un densímetro portátil DMA 35 Basic para determinar a densidade dun disolvente eutéctico profundo natural (NDEES) acabado de preparar no rango de temperatura de 289,15–333,15 K. Dado que o dispositivo non ten un quentador incorporado, debe prequentalo á temperatura especificada (± 2 °C) antes de usar o densímetro NADES. Extraia polo menos 2 ml de mostra a través do tubo e a densidade mostrarase inmediatamente na pantalla. Cómpre sinalar que, debido á falta dun quentador incorporado, os resultados da medición teñen un erro de ± 2 °C.
Para avaliar o pH dos NADES acabados de preparar no rango de temperatura de 289,15–333,15 K, empregamos un pH-metro de mesa Kenis. Dado que non hai un dispositivo de quecemento incorporado, os NADES quentáronse primeiro á temperatura desexada (±2 °C) usando unha placa quente e despois mediuse directamente cun pH-metro. Mergulle completamente a sonda do pH-metro nos NADES e rexistre o valor final despois de que a lectura se estabilice.
A análise termogravimétrica (TGA) empregouse para avaliar a estabilidade térmica dos solventes eutécticos profundos naturais (NADES). As mostras analizáronse durante o quecemento. Usando unha balanza de alta precisión e monitorizando coidadosamente o proceso de quecemento, xerouse unha gráfica de perda de masa fronte á temperatura. Os NADES quentáronse de 0 a 500 °C a unha velocidade de 1 °C por minuto.
Para comezar o proceso, a mostra NADES debe mesturarse completamente, homoxenizarse e eliminar a humidade superficial. A continuación, a mostra preparada colócase nunha cubeta TGA, que normalmente está feita dun material inerte como o aluminio. Para garantir resultados precisos, os instrumentos TGA calibráronse usando materiais de referencia, normalmente estándares de peso. Unha vez calibrados, comeza o experimento TGA e a mostra quéntase de forma controlada, normalmente a unha velocidade constante. A monitorización continua da relación entre o peso da mostra e a temperatura é unha parte fundamental do experimento. Os instrumentos TGA recollen datos sobre a temperatura, o peso e outros parámetros, como o fluxo de gas ou a temperatura da mostra. Unha vez finalizado o experimento TGA, os datos recollidos analízanse para determinar o cambio no peso da mostra en función da temperatura. Esta información é valiosa para determinar os rangos de temperatura asociados cos cambios físicos e químicos na mostra, incluídos procesos como a fusión, a evaporación, a oxidación ou a descomposición.
O fluído de perforación a base de auga formulouse coidadosamente segundo a norma API 13B-1 e a súa composición específica aparece na Táboa 2 como referencia. O ácido cítrico e o glicerol (99 USP) adquirironse a Sigma Aldrich, Malaisia, para preparar o solvente eutéctico profundo natural (NADES). Ademais, o inhibidor de xisto convencional, o cloruro de potasio (KCl), tamén se adquiriu a Sigma Aldrich, Malaisia. Seleccionouse o cloruro de 1-etil, 3-metilimidazolio ([EMIM]Cl) cunha pureza superior ao 98 % debido ao seu efecto significativo na mellora da reoloxía do fluído de perforación e a inhibición do xisto, o que se confirmou en estudos previos. Tanto o KCl como o ([EMIM]Cl) utilizaranse na análise comparativa para avaliar o rendemento de inhibición do xisto do NADES.
Moitos investigadores prefiren usar escamas de bentonita para estudar a inchazón da lousa porque esta contén o mesmo grupo "montmorillonita" que causa a inchazón da lousa. A obtención de mostras reais de núcleos de lousa é complexa porque o proceso de extracción de núcleos desestabiliza a lousa, o que resulta en mostras que non son completamente de lousa, senón que normalmente conteñen unha mestura de capas de arenito e pedra calcaria. Ademais, as mostras de lousa normalmente carecen dos grupos montmorillonita que causan a inchazón da lousa e, polo tanto, non son axeitadas para experimentos de inhibición da inchazón.
Neste estudo, empregamos partículas de bentonita reconstituída cun diámetro aproximado de 2,54 cm. Os gránulos fabricáronse presionando 11,5 gramos de po de bentonita sódica nunha prensa hidráulica a 1600 psi. O grosor dos gránulos mediuse con precisión antes de colocalos nun dilatómetro lineal (LD). Despois, as partículas mergulláronse en mostras de fluído de perforación, incluíndo mostras base e mostras inxectadas con inhibidores utilizados para previr o inchazo da lousa. O cambio no grosor dos gránulos monitorizouse coidadosamente mediante o LD, con medicións rexistradas a intervalos de 60 segundos durante 24 horas.
A difracción de raios X mostrou que a composición da bentonita, especialmente o seu compoñente montmorillonita do 47 %, é un factor clave para comprender as súas características xeolóxicas. Entre os compoñentes montmorillonitos da bentonita, a montmorillonita é o compoñente principal, representando o 88,6 % do total. Mentres tanto, o cuarzo representa o 29 %, a ilita o 7 % e o carbonato o 9 %. Unha pequena parte (arredor do 3,2 %) é unha mestura de ilita e montmorillonita. Ademais, contén oligoelementos como Fe2O3 (4,7 %), aluminosilicato de prata (1,2 %), moscovita (4 %) e fosfato (2,3 %). Ademais, están presentes pequenas cantidades de Na2O (1,83 %) e silicato de ferro (2,17 %), o que permite apreciar plenamente os elementos constituíntes da bentonita e as súas respectivas proporcións.
Esta sección de estudo exhaustivo detalla as propiedades reolóxicas e de filtración das mostras de fluído de perforación preparadas con solvente eutéctico profundo natural (NADES) e empregadas como aditivo do fluído de perforación a diferentes concentracións (1 %, 3 % e 5 %). As mostras de suspensión baseadas en NADES comparáronse e analizáronse con mostras de suspensión compostas por cloruro de potasio (KCl), CC:urea DES (solvente eutéctico profundo de cloruro de colina:urea) e líquidos iónicos. Neste estudo abarcaronse varios parámetros clave, incluídas as lecturas de viscosidade obtidas cun viscosímetro FANN antes e despois da exposición a condicións de envellecemento a 100 °C e 150 °C. As medicións realizáronse a diferentes velocidades de rotación (3 rpm, 6 rpm, 300 rpm e 600 rpm), o que permite unha análise exhaustiva do comportamento do fluído de perforación. Os datos obtidos pódense usar para determinar propiedades clave como o punto de cedencia (YP) e a viscosidade plástica (PV), que proporcionan información sobre o rendemento do fluído en diversas condicións. As probas de filtración a alta presión e alta temperatura (HPHT) a 400 psi e 150 °C (temperaturas típicas en pozos de alta temperatura) determinan o rendemento da filtración (grosor da torta e volume do filtrado).
Esta sección utiliza equipos de última xeración, o dilatómetro lineal Grace HPHT (M4600), para avaliar exhaustivamente as propiedades de inhibición do inchazo da xisto dos nosos fluídos de perforación a base de auga. O LSM é unha máquina de última xeración que consta de dous compoñentes: un compactador de placas e un dilatómetro lineal (modelo: M4600). As placas de bentonita preparáronse para a súa análise utilizando o compactador de placas/núcleos Grace. O LSM proporciona entón datos inmediatos de inchazo nestas placas, o que permite unha avaliación exhaustiva das propiedades de inhibición do inchazo da xisto. As probas de expansión da xisto realizáronse en condicións ambientais, é dicir, a 25 °C e 1 psia.
As probas de estabilidade da lousa implican unha proba clave que a miúdo se denomina proba de recuperación da lousa, proba de inmersión na lousa ou proba de dispersión da lousa. Para comezar esta avaliación, os recortes de lousa sepáranse nunha peneira BSS n.º 6 e logo colócanse nunha peneira n.º 10. Os recortes aliméntanse entón a un tanque de retención onde se mesturan cun fluído base e lodo de perforación que contén NADES (solvente eutéctico profundo natural). O seguinte paso é colocar a mestura nun forno para un proceso intenso de laminación en quente, garantindo que os recortes e o lodo estean ben mesturados. Despois de 16 horas, os recortes elimínanse da polpa permitindo que a lousa se descomponga, o que resulta nunha redución do peso dos recortes. A proba de recuperación da lousa realizouse despois de que os recortes de lousa se mantivesen en lodo de perforación a 150 °C e 1000 psi. polgadas dentro de 24 horas.
Para medir a recuperación da lama de xisto, filtrámola a través dunha peneira máis fina (malla 40), lavámola completamente con auga e, finalmente, secámola nun forno. Este minucioso procedemento permítenos estimar a lama recuperada en comparación co peso orixinal, calculando finalmente a porcentaxe de lama de xisto recuperada con éxito. A orixe das mostras de xisto procede do distrito de Niah, distrito de Miri, Sarawak, Malaisia. Antes das probas de dispersión e recuperación, as mostras de xisto foron sometidas a unha análise exhaustiva de difracción de raios X (XRD) para cuantificar a súa composición arxilosa e confirmar a súa idoneidade para as probas. A composición mineral arxilosa da mostra é a seguinte: ilita 18 %, caolinita 31 %, clorita 22 %, vermiculita 10 % e mica 19 %.
A tensión superficial é un factor clave que controla a penetración dos catións de auga nos microporos da lousa a través da acción capilar, o que se estudará en detalle nesta sección. Este artigo examina o papel da tensión superficial na propiedade cohesiva dos fluídos de perforación, destacando a súa importante influencia no proceso de perforación, especialmente na inhibición da lousa. Empregamos un tensiómetro interfacial (IFT700) para medir con precisión a tensión superficial das mostras de fluído de perforación, o que revela un aspecto importante do comportamento dos fluídos no contexto da inhibición da lousa.
Nesta sección debátese en detalle o espazado das capas d, que é a distancia intercapa entre as capas de aluminosilicato e unha capa de aluminosilicato nas arxilas. A análise abarcou mostras de lama húmida que contiñan 1 %, 3 % e 5 % de DES de CA, así como 3 % de KCl, 3 % de [EMIM]Cl e 3 % de DES a base de CC:urea para comparación. Un difractómetro de raios X de mesa de última xeración (D2 Phaser) que funciona a 40 mA e 45 kV con radiación Cu-Kα (λ = 1,54059 Å) desempeñou un papel fundamental no rexistro dos picos de difracción de raios X das mostras de Na-Bt húmidas e secas. A aplicación da ecuación de Bragg permite a determinación precisa do espazado das capas d, proporcionando así información valiosa sobre o comportamento da arxila.
Esta sección utiliza o instrumento avanzado Malvern Zetasizer Nano ZSP para medir con precisión o potencial zeta. Esta avaliación proporcionou información valiosa sobre as características de carga de mostras de lodo diluído que conteñen NADES de CA ao 1 %, 3 % e 5 %, así como DES a base de KCl ao 3 %, [EMIM]Cl ao 3 % e CC:urea ao 3 % para a análise comparativa. Estes resultados contribúen á nosa comprensión da estabilidade dos compostos coloidais e as súas interaccións nos fluídos.
As mostras de arxila examináronse antes e despois da exposición a solventes eutécticos profundos naturais (NADES) empregando un microscopio electrónico de varrido de emisión de campo (FESEM) Zeiss Supra 55 VP equipado con raios X por dispersión de enerxía (EDX). A resolución da imaxe foi de 500 nm e a enerxía do feixe de electróns foi de 30 kV e 50 kV. O FESEM proporciona unha visualización de alta resolución da morfoloxía superficial e as características estruturais das mostras de arxila. O obxectivo deste estudo foi obter información sobre o efecto dos NADES nas mostras de arxila comparando as imaxes obtidas antes e despois da exposición.
Neste estudo, empregouse a tecnoloxía de microscopía electrónica de varrido por emisión de campo (FESEM) para investigar o efecto dos NADES en mostras de arxila a nivel microscópico. O obxectivo deste estudo é dilucidar as posibles aplicacións dos NADES e o seu efecto na morfoloxía da arxila e no tamaño medio das partículas, o que proporcionará información valiosa para a investigación neste campo.
Neste estudo, empregáronse barras de erro para describir visualmente a variabilidade e a incerteza do erro porcentual medio (AMPE) en condicións experimentais. En lugar de representar graficamente valores AMPE individuais (xa que representar os valores AMPE pode ocultar tendencias e esaxerar pequenas variacións), calculamos as barras de erro usando a regra do 5%. Esta estratexia garante que cada barra de erro represente o intervalo dentro do cal se espera que se atopen o intervalo de confianza do 95% e o 100% dos valores AMPE, proporcionando así un resumo máis claro e conciso da distribución de datos para cada condición experimental. O uso de barras de erro baseadas na regra do 5% mellora así a interpretabilidade e a fiabilidade das representacións gráficas e axuda a proporcionar unha comprensión máis detallada dos resultados e as súas implicacións.
Na síntese de solventes eutécticos profundos naturais (NADES), estudáronse coidadosamente varios parámetros clave durante o proceso de preparación interno. Estes factores críticos inclúen a temperatura, a proporción molar e a velocidade de mestura. Os nosos experimentos mostran que cando o HBA (ácido cítrico) e o HBD (glicerol) se mesturan nunha proporción molar de 1:4 a 50 °C, fórmase unha mestura eutéctica. A característica distintiva da mestura eutéctica é o seu aspecto transparente e homoxéneo e a ausencia de sedimentos. Polo tanto, este paso clave destaca a importancia da proporción molar, a temperatura e a velocidade de mestura, entre as cales a proporción molar foi o factor máis influente na preparación do DES e os NADES, como se mostra na Figura 2.
O índice de refracción (n) expresa a relación entre a velocidade da luz no baleiro e a velocidade da luz nun segundo medio máis denso. O índice de refracción é de especial interese para os solventes eutécticos profundos naturais (NADES) á hora de considerar aplicacións opticamente sensibles como os biosensores. O índice de refracción dos NADES estudados a 25 °C foi de 1,452, o que é curiosamente inferior ao do glicerol.
Cómpre sinalar que o índice de refracción dos NADES diminúe coa temperatura, e esta tendencia pódese describir con precisión mediante a fórmula (1) e a Figura 3, onde o erro porcentual medio absoluto (AMPE) alcanza o 0 %. Este comportamento dependente da temperatura explícase pola diminución da viscosidade e da densidade a altas temperaturas, o que fai que a luz viaxe a través do medio a unha velocidade maior, o que resulta nun valor do índice de refracción (n) máis baixo. Estes resultados proporcionan información valiosa sobre o uso estratéxico dos NADES na detección óptica, destacando o seu potencial para aplicacións de biosensores.
A tensión superficial, que reflicte a tendencia dunha superficie líquida a minimizar a súa área, é de grande importancia para avaliar a idoneidade dos solventes eutécticos profundos naturais (NADES) para aplicacións baseadas na presión capilar. Un estudo da tensión superficial no rango de temperatura de 25–60 °C proporciona información valiosa. A 25 °C, a tensión superficial dos NADES a base de ácido cítrico foi de 55,42 mN/m, o que é significativamente menor que a da auga e o glicerol. A figura 4 mostra que a tensión superficial diminúe significativamente ao aumentar a temperatura. Este fenómeno pódese explicar por un aumento da enerxía cinética molecular e unha posterior diminución das forzas atractivas intermoleculares.
A tendencia lineal decrecente da tensión superficial observada no NADES estudado pódese expresar ben mediante a ecuación (2), que ilustra a relación matemática básica no rango de temperatura de 25–60 °C. O gráfico da Figura 4 representa claramente a tendencia da tensión superficial coa temperatura cun erro porcentual medio absoluto (AMPE) do 1,4 %, o que cuantifica a precisión dos valores de tensión superficial notificados. Estes resultados teñen importantes implicacións para comprender o comportamento do NADES e as súas posibles aplicacións.
Comprender a dinámica de densidade dos solventes eutécticos profundos naturais (NADES) é crucial para facilitar a súa aplicación en numerosos estudos científicos. A densidade dos NADES baseados en ácido cítrico a 25 °C é de 1,361 g/cm3, que é maior que a densidade do glicerol orixinal. Esta diferenza pódese explicar pola adición dun aceptor de enlaces de hidróxeno (ácido cítrico) ao glicerol.
Tomando como exemplo o NADES baseado en citrato, a súa densidade baixa a 1,19 g/cm3 a 60 °C. O aumento da enerxía cinética ao quentalo fai que as moléculas de NADES se dispersen, o que fai que ocupen un volume maior, o que resulta nunha diminución da densidade. A diminución observada da densidade mostra unha certa correlación lineal co aumento da temperatura, que se pode expresar correctamente coa fórmula (3). A figura 5 presenta graficamente estas características do cambio de densidade do NADES cun erro porcentual medio absoluto (AMPE) do 1,12 %, o que proporciona unha medida cuantitativa da precisión dos valores de densidade notificados.
A viscosidade é a forza atractiva entre as diferentes capas dun líquido en movemento e xoga un papel fundamental para comprender a aplicabilidade dos solventes eutécticos profundos naturais (NADES) en diversas aplicacións. A 25 °C, a viscosidade dos NADES era de 951 cP, que é maior que a do glicerol.
A diminución observada da viscosidade co aumento da temperatura explícase principalmente polo debilitamento das forzas atractivas intermoleculares. Este fenómeno resulta nunha diminución da viscosidade do fluído, unha tendencia claramente demostrada na Figura 6 e cuantificada pola Ecuación (4). Cabe destacar que, a 60 °C, a viscosidade cae a 898 cP cun erro porcentual medio global (AMPE) do 1,4 %. Unha comprensión detallada da dependencia da viscosidade fronte á temperatura en NADES é de grande importancia para a súa aplicación práctica.
O pH da solución, determinado polo logaritmo negativo da concentración de ións de hidróxeno, é fundamental, especialmente en aplicacións sensibles ao pH como a síntese de ADN, polo que o pH dos NADES debe estudarse coidadosamente antes do seu uso. Tomando como exemplo os NADES baseados en ácido cítrico, pódese observar un pH claramente ácido de 1,91, que contrasta fortemente co pH relativamente neutro do glicerol.
Curiosamente, o pH do solvente soluble de deshidroxenase de ácido cítrico natural (NADES) mostrou unha tendencia decrecente non lineal co aumento da temperatura. Este fenómeno atribúese ao aumento das vibracións moleculares que alteran o equilibrio de H+ na solución, o que leva á formación de ións [H]+ e, á súa vez, a un cambio no valor do pH. Mentres que o pH natural do ácido cítrico oscila entre 3 e 5, a presenza de hidróxeno ácido no glicerol reduce aínda máis o pH a 1,91.
O comportamento do pH dos NADES baseados en citrato no rango de temperatura de 25–60 °C pódese representar axeitadamente mediante a ecuación (5), que proporciona unha expresión matemática para a tendencia do pH observada. A figura 7 representa graficamente esta interesante relación, destacando o efecto da temperatura no pH dos NADES, que se indica que é do 1,4 % para o AMPE.
A análise termogravimétrica (TGA) do solvente eutéctico profundo de ácido cítrico natural (NADES) realizouse sistematicamente no rango de temperatura dende a temperatura ambiente ata os 500 °C. Como se pode ver nas figuras 8a e b, a perda de masa inicial ata os 100 °C debeuse principalmente á auga absorbida e á auga de hidratación asociada co ácido cítrico e o glicerol puro. Observouse unha retención de masa significativa de aproximadamente o 88 % ata os 180 °C, que se debeu principalmente á descomposición do ácido cítrico en ácido aconítico e á posterior formación de anhídrido metilmaleico(III) tras un quentamento adicional (Figura 8b). Por riba dos 180 °C, tamén se puido observar unha aparición clara de acroleína (acrilaldehído) no glicerol, como se mostra na figura 8b37.
A análise termogravimétrica (TGA) do glicerol revelou un proceso de perda de masa en dúas etapas. A etapa inicial (180 a 220 °C) implica a formación de acroleína, seguida dunha perda de masa significativa a altas temperaturas de 230 a 300 °C (Figura 8a). A medida que a temperatura aumenta, fórmanse secuencialmente acetaldehído, dióxido de carbono, metano e hidróxeno. Cabe destacar que só o 28 % da masa se retivo a 300 °C, o que suxire que as propiedades intrínsecas do NADES 8(a)38,39 poden ser defectuosas.
Para obter información sobre a formación de novas ligazóns químicas, analizáronse suspensións recentemente preparadas de solventes eutécticos profundos naturais (NADES) mediante espectroscopia de infravermellos por transformada de Fourier (FTIR). A análise realizouse comparando o espectro da suspensión de NADES cos espectros de ácido cítrico puro (CA) e glicerol (Gly). O espectro de CA mostrou picos claros a 1752 1/cm e 1673 1/cm, que representan as vibracións de estiramento da ligazón C=O e tamén son características do CA. Ademais, observouse un cambio significativo na vibración de flexión OH a 1360 1/cm na rexión da impresión dixital, como se mostra na Figura 9.
Do mesmo xeito, no caso do glicerol, os desprazamentos nas vibracións de estiramento e flexión dos OH atopáronse en números de onda de 3291 1/cm e 1414 1/cm, respectivamente. Agora, ao analizar o espectro dos NADES preparados, atopouse un desprazamento significativo no espectro. Como se mostra na Figura 7, a vibración de estiramento do enlace C=O desprazouse de 1752 1/cm a 1720 1/cm e a vibración de flexión do enlace -OH do glicerol desprazouse de 1414 1/cm a 1359 1/cm. Estes desprazamentos nos números de onda indican o cambio na electronegatividade, o que indica a formación de novos enlaces químicos na estrutura dos NADES.