nature.com сайтына кіргеніңіз үшін рақмет. Сіз пайдаланып отырған браузер нұсқасында CSS қолдауы шектеулі. Ең жақсы тәжірибе алу үшін браузердің соңғы нұсқасын пайдалануды (немесе Internet Explorer бағдарламасында үйлесімділік режимін өшіруді) ұсынамыз. Сонымен қатар, үздіксіз қолдауды қамтамасыз ету үшін бұл сайтта стильдер немесе JavaScript болмайды.
Тақтатастың кеңеюі ұңғыма діңінің тұрақсыздығына әкелетін елеулі проблемалар тудырады. Экологиялық себептерге байланысты мұнай негізіндегі бұрғылау сұйықтығына қарағанда, тақтатас ингибиторлары қосылған су негізіндегі бұрғылау сұйықтығын пайдалану артықшылық болып табылады. Иондық сұйықтықтар (ИС) реттелетін қасиеттері мен күшті электростатикалық сипаттамаларына байланысты тақтатас ингибиторлары ретінде көпшіліктің назарын аударды. Дегенмен, бұрғылау сұйықтықтарында кеңінен қолданылатын имидазолил негізіндегі иондық сұйықтықтар (ИС) улы, биологиялық ыдырамайтын және қымбат екені дәлелденді. Терең эвтектикалық еріткіштер (ТЭС) иондық сұйықтықтарға тиімдірек және аз уытты балама болып саналады, бірақ олар әлі де қажетті экологиялық тұрақтылыққа сәйкес келмейді. Бұл саладағы соңғы жетістіктер шынайы экологиялық тазалығымен танымал табиғи терең эвтектикалық еріткіштердің (НАЭС) енгізілуіне әкелді. Бұл зерттеу бұрғылау сұйықтығының қоспалары ретінде лимон қышқылын (сутектік байланыс акцепторы ретінде) және глицеринді (сутектік байланыс доноры ретінде) қамтитын НЭС-терді зерттеді. NADES негізіндегі бұрғылау сұйықтықтары API 13B-1 стандартына сәйкес әзірленді және олардың өнімділігі калий хлориді негізіндегі бұрғылау сұйықтықтарымен, имидазолий негізіндегі иондық сұйықтықтармен және холин хлориді:мочевина-DES негізіндегі бұрғылау сұйықтықтарымен салыстырылды. Меншікті NADES-тердің физика-химиялық қасиеттері егжей-тегжейлі сипатталған. Зерттеу барысында бұрғылау сұйықтығының реологиялық қасиеттері, сұйықтықтың жоғалуы және тақтатастың тежелу қасиеттері бағаланды және 3% NADES концентрациясында шығымдылық кернеуі/пластикалық тұтқырлық қатынасы (YP/PV) артқаны, балшық торының қалыңдығы 26%-ға, ал сүзінді көлемі 30,1%-ға азайғаны көрсетілді. Атап айтқанда, NADES 49,14%-ға әсерлі кеңею тежелу жылдамдығына қол жеткізді және тақтатас өндірісін 86,36%-ға арттырды. Бұл нәтижелер NADES-тің негізгі механизмдерді түсіну үшін осы мақалада талқыланатын саздардың беттік белсенділігін, дзета потенциалын және қабаттар аралық аралығын өзгерту қабілетіне байланысты. Бұл тұрақты бұрғылау сұйықтығы дәстүрлі тақтатас коррозиясының ингибиторларына улы емес, үнемді және жоғары тиімді балама ұсыну арқылы бұрғылау саласында төңкеріс жасайды деп күтілуде, бұл экологиялық таза бұрғылау тәжірибелеріне жол ашады.
Тақтатас – көмірсутектердің көзі және қоймасы ретінде қызмет ететін әмбебап тау жынысы, және оның кеуекті құрылымы1 осы құнды ресурстарды өндіруге және сақтауға мүмкіндік береді. Дегенмен, тақтатас монтмориллонит, смектит, каолинит және иллит сияқты саз минералдарына бай, олар суға ұшыраған кезде ісінуге бейім етеді, бұл бұрғылау жұмыстары кезінде ұңғыма діңінің тұрақсыздығына әкеледі2,3. Бұл мәселелер өнімді емес уақытқа (NPT) және құбырлардың тұрып қалуы, ерітінді айналымының жоғалуы, ұңғыма діңінің құлауы және биттердің ластануы сияқты көптеген пайдалану мәселелеріне әкелуі мүмкін, бұл қалпына келтіру уақыты мен құнын арттырады. Дәстүрлі түрде мұнай негізіндегі бұрғылау сұйықтықтары (OBDF) тақтатас формациялары үшін тақтатастың кеңеюіне қарсы тұру қабілетіне байланысты артықшылықты таңдау болып табылады4. Дегенмен, мұнай негізіндегі бұрғылау сұйықтықтарын пайдалану жоғары шығындар мен экологиялық тәуекелдерді тудырады. Синтетикалық негізіндегі бұрғылау сұйықтықтары (SBDF) балама ретінде қарастырылды, бірақ олардың жоғары температурадағы жарамдылығы қанағаттанарлықсыз. Су негізіндегі бұрғылау сұйықтықтары (WBDF) тартымды шешім болып табылады, себебі олар OBDF5-ке қарағанда қауіпсіз, экологиялық таза және үнемді. WBDF тақтатас ингибирлеу қабілетін арттыру үшін әртүрлі тақтатас ингибиторлары, соның ішінде калий хлориді, әк, силикат және полимер сияқты дәстүрлі ингибиторлар қолданылды. Дегенмен, бұл ингибиторлардың тиімділігі мен қоршаған ортаға әсері жағынан шектеулері бар, әсіресе калий хлориді ингибиторларындағы жоғары K+ концентрациясы және силикаттардың рН сезімталдығына байланысты. 6 Зерттеушілер бұрғылау сұйықтығының реологиясын жақсарту және тақтатастың ісінуін және гидрат түзілуін болдырмау үшін иондық сұйықтықтарды бұрғылау сұйықтығының қоспалары ретінде пайдалану мүмкіндігін зерттеді. Дегенмен, бұл иондық сұйықтықтар, әсіресе имидазолил катиондары бар сұйықтықтар, әдетте улы, қымбат, биологиялық ыдырамайды және күрделі дайындау процестерін қажет етеді. Бұл мәселелерді шешу үшін адамдар үнемді және экологиялық таза балама іздей бастады, бұл терең эвтектикалық еріткіштердің (DES) пайда болуына әкелді. DES - сутектік байланыс доноры (HBD) және сутектік байланыс акцепторы (HBA) арқылы белгілі бір молярлық қатынаста және температурада түзілген эвтектикалық қоспа. Бұл эвтектикалық қоспалардың жеке компоненттеріне қарағанда балқу температурасы төмен, бұл негізінен сутектік байланыстардан туындаған зарядтың делокализациясына байланысты. Торлы энергия, энтропияның өзгеруі және аниондар мен HBD арасындағы өзара әрекеттесулерді қоса алғанда, көптеген факторлар DES балқу температурасын төмендетуде маңызды рөл атқарады.
Алдыңғы зерттеулерде тақтатастың кеңею мәселесін шешу үшін су негізіндегі бұрғылау сұйықтығына әртүрлі қоспалар қосылды. Мысалы, Офей және т.б. 1-бутил-3-метилимидазолий хлоридін (BMIM-Cl) қосты, бұл балшық торының қалыңдығын айтарлықтай азайтты (50%-ға дейін) және әртүрлі температурада YP/PV мәнін 11%-ға төмендетті. Хуан және т.б. иондық сұйықтықтарды (атап айтқанда, 1-гексил-3-метилимидазолий бромиді және 1,2-бис(3-гексилимидазол-1-ил)этан бромиді) Na-Bt бөлшектерімен бірге қолданды және тақтатастың ісінуін тиісінше 86,43% және 94,17%-ға айтарлықтай төмендетті12. Сонымен қатар, Ян және т.б. тақтатастың ісінуін тиісінше 16,91% және 5,81%-ға азайту үшін 1-винил-3-додецилимидазолий бромидін және 1-винил-3-тетрадецилимидазолий бромидін қолданды. 13 Ян және т.б. сонымен қатар 1-винил-3-этилимидазолий бромидін қолданып, тақтатастың кеңеюін 31,62%-ға төмендетті, ал тақтатастың қалпына келуін 40,60% деңгейінде сақтады.14 Сонымен қатар, Луо және т.б. тақтатастың ісінуін 80%-ға төмендету үшін 1-октил-3-метилимидазолий тетрафторборатын қолданды.15,16 Дай және т.б. тақтатастың ісінуін тежеу ​​үшін иондық сұйық сополимерлерді қолданды және амин ингибиторларымен салыстырғанда сызықтық қалпына келтіруді 18%-ға арттырды.17
Иондық сұйықтықтардың өздерінің кейбір кемшіліктері бар, бұл ғалымдарды иондық сұйықтықтарға экологиялық таза баламаларды іздеуге итермеледі, осылайша DES пайда болды. Ханцзя винилхлоридті пропион қышқылынан (1:1), винилхлоридті 3-фенилпропион қышқылынан (1:2) және 3-меркаптопропион қышқылы + итакон қышқылы + винилхлоридтен (1:1:2) тұратын терең эвтектикалық еріткіштерді (DES) алғаш рет қолданды, бұл бентониттің ісінуін тиісінше 68%, 58% және 58% тежеді18. Еркін экспериментте М.Х.Расул глицерин мен калий карбонатының (DES) 2:1 қатынасын қолданды және тақтатас үлгілерінің ісінуін 87%-ға айтарлықтай төмендетті19,20. Ма тақтатастың кеңеюін 67%-ға айтарлықтай төмендету үшін мочевина:винилхлоридті қолданды.21 Расул және т.б. DES пен полимердің үйлесімі қос әсерлі тақтатас ингибиторы ретінде пайдаланылды, бұл тақтатастың тежелуінің тамаша әсеріне қол жеткізді22.
Терең эвтектикалық еріткіштер (ТЭЕ) әдетте иондық сұйықтықтарға экологиялық таза балама болып саналғанымен, олардың құрамында аммоний тұздары сияқты улы компоненттер де бар, бұл олардың экологиялық тазалығына күмән тудырады. Бұл мәселе табиғи терең эвтектикалық еріткіштердің (ТЭЕ) дамуына әкелді. Олар әлі де ТЭЕ ретінде жіктеледі, бірақ табиғи заттар мен тұздардан, соның ішінде калий хлоридінен (KCl), кальций хлоридінен (CaCl2), Эпсом тұздарынан (MgSO4.7H2O) және басқалардан тұрады. ТЭЕ мен ТЭЕ-нің көптеген ықтимал комбинациялары осы саладағы зерттеулер үшін кең ауқымды ашады және әртүрлі салаларда қолданылуы күтілуде. Бірнеше зерттеушілер әртүрлі қолданбаларда тиімділігі дәлелденген жаңа ТЭЕ комбинацияларын сәтті әзірледі. Мысалы, Насер және т.б. 2013 жылы калий карбонатына негізделген ТЭЕ синтездеп, оның термофизикалық қасиеттерін зерттеді, олар кейіннен гидрат ингибирлеуі, бұрғылау сұйықтығының қоспалары, делигнификация және нанофибрилляция салаларында қолданылды. 23 Джорди Ким және оның әріптестері аскорбин қышқылына негізделген NADES жасап шығарды және оның әртүрлі қолданбалардағы антиоксиданттық қасиеттерін бағалады. 24 Кристер және т.б. лимон қышқылына негізделген NADES жасап шығарды және оның коллаген өнімдеріне арналған қосымша зат ретіндегі әлеуетін анықтады. 25 Лю Йи және оның әріптестері кешенді шолуда NADES-тің экстракция және хроматография ортасы ретінде қолданылуын қорытындылады, ал Мисан және т.б. NADES-тің ауыл шаруашылығы-азық-түлік секторындағы сәтті қолданылуын талқылады. Бұрғылау ерітіндісін зерттеушілер өз қолданбаларында NADES тиімділігіне назар аудара бастауы өте маңызды. жақында. 2023 жылы Расул және т.б. аскорбин қышқылына26, кальций хлоридіне27, калий хлоридіне28 және Эпсом тұзына29 негізделген табиғи терең эвтектикалық еріткіштердің әртүрлі комбинацияларын қолданды және тақтатастың тежелуіне және тақтатастың қалпына келуіне әсерлі қол жеткізді. Бұл зерттеу NADES (әсіресе лимон қышқылы мен глицерин негізіндегі формула) су негізіндегі бұрғылау сұйықтықтарында экологиялық таза және тиімді тақтатас ингибиторы ретінде енгізілген алғашқы зерттеулердің бірі болып табылады, ол тамаша экологиялық тұрақтылыққа, тақтатас ингибирлеу қабілетінің жақсаруына және KCl, имидазолил негізіндегі иондық сұйықтықтар және дәстүрлі DES сияқты дәстүрлі ингибиторлармен салыстырғанда сұйықтықтың жақсартылған өнімділігіне ие.
Зерттеу лимон қышқылына (CA) негізделген NADES-ті ішкі дайындауды, содан кейін егжей-тегжейлі физика-химиялық сипаттаманы және бұрғылау сұйықтығының қасиеттерін және оның ісінуін тежеу ​​қабілетін бағалау үшін бұрғылау сұйықтығының қоспасы ретінде пайдалануды қамтиды. Бұл зерттеуде CA сутектік байланыстың акцепторы ретінде әрекет етеді, ал глицерин (Gly) тақтатас ингибирлеу зерттеулерінде NADES түзілуі/іріктеуіне арналған MH скрининг критерийлеріне негізделген сутектік байланыстың доноры ретінде әрекет етеді30. Фурье түрлендіруші инфрақызыл спектроскопиясы (FTIR), рентгендік дифракция (XRD) және дзета-потенциал (ZP) өлшеулері NADES-саз өзара әрекеттесуін және саздың ісінуін тежеудің негізгі механизмін анықтайды. Сонымен қатар, бұл зерттеу тақтатас ингибирлеуіндегі тиімділігін және бұрғылау сұйықтығының өнімділігін жақсартуды зерттеу үшін CA NADES негізіндегі бұрғылау сұйықтығын 1-этил-3-метилимидазолий хлориді [EMIM]Cl7,12,14,17,31, KCl және холин хлориді:мочевина (1:2) негізіндегі DES32-мен салыстырады.
Лимон қышқылы (моногидрат), глицерин (99 USP) және мочевина Малайзияның Куала-Лумпур қаласындағы EvaChem компаниясынан сатып алынды. Холин хлориді (>98%), [EMIM]Cl 98% және калий хлориді Малайзияның Sigma Aldrich компаниясынан сатып алынды. Барлық химиялық заттардың химиялық құрылымдары 1-суретте көрсетілген. Жасыл диаграмма осы зерттеуде қолданылған негізгі химиялық заттарды салыстырады: имидазолил иондық сұйықтық, холин хлориді (DES), лимон қышқылы, глицерин, калий хлориді және NADES (лимон қышқылы және глицерин). Бұл зерттеуде қолданылған химиялық заттардың экологиялық тазалық кестесі 1-кестеде көрсетілген. Кестеде әрбір химиялық зат уыттылық, биологиялық ыдырау, құны және қоршаған ортаның тұрақтылығы негізінде бағаланады.
Бұл зерттеуде қолданылған материалдардың химиялық құрылымдары: (a) лимон қышқылы, (b) [EMIM]Cl, (c) холин хлориді және (d) глицерин.
CA (табиғи терең эвтектикалық еріткіш) негізіндегі NADES әзірлеуге арналған сутектік байланыс доноры (HBD) және сутектік байланыс акцепторы (HBA) кандидаттары тиімді тақтатас ингибиторлары ретінде NADES әзірлеуге арналған MH 30 таңдау критерийлеріне сәйкес мұқият таңдалды. Осы критерийге сәйкес, сутектік байланыс донорлары мен акцепторларының көп саны, сондай-ақ полярлық функционалды топтары бар компоненттер NADES әзірлеуге жарамды деп саналады.
Сонымен қатар, осы зерттеуде салыстыру үшін иондық сұйықтық [EMIM]Cl және холин хлориді:мочевина терең эвтектикалық еріткіші (DES) таңдалды, себебі олар бұрғылау сұйықтығына қоспалар ретінде кеңінен қолданылады33,34,35,36. Сонымен қатар, калий хлориді (KCl) салыстырылды, себебі ол кең таралған ингибитор болып табылады.
Эвтектикалық қоспаларды алу үшін лимон қышқылы мен глицерин әртүрлі молярлық қатынаста араластырылды. Көзбен шолу эвтектикалық қоспаның біртекті, мөлдір сұйықтық екенін көрсетті, бұл сутектік байланыс доноры (HBD) мен сутектік байланыс акцепторы (HBA) осы эвтектикалық құрамда сәтті араластырылғанын көрсетеді. HBD және HBA араластыру процесінің температураға тәуелділігін бақылау үшін алдын ала тәжірибелер жүргізілді. Қолжетімді әдебиеттерге сәйкес, эвтектикалық қоспалардың үлесі 50 °C, 70 °C және 100 °C жоғары үш нақты температурада бағаланды, бұл эвтектикалық температураның әдетте 50-80 °C аралығында болатынын көрсетеді. HBD және HBA компоненттерін дәл өлшеу үшін Mettler сандық таразы пайдаланылды, ал HBD және HBA бақыланатын жағдайларда 100 айн/мин жылдамдықпен қыздыру және араластыру үшін Thermo Fisher ыстық плитасы пайдаланылды.
Біздің синтезделген терең эвтектикалық еріткіштің (DES) термофизикалық қасиеттері, соның ішінде тығыздық, беттік керілу, сыну көрсеткіші және тұтқырлық 289,15-тен 333,15 К-ге дейінгі температура диапазонында дәл өлшенді. Айта кету керек, бұл температура диапазоны негізінен қолданыстағы жабдықтың шектеулеріне байланысты таңдалды. Кешенді талдау осы NADES формуласының әртүрлі термофизикалық қасиеттерін терең зерттеуді қамтыды, олардың температура диапазонындағы мінез-құлқын анықтады. Осы нақты температура диапазонына назар аудару бірқатар қолданбалар үшін ерекше маңызды NADES қасиеттері туралы түсінік береді.
Дайындалған NADES беттік керілуі 289,15-тен 333,15 К-ге дейінгі диапазонда бетаралық керілу өлшегішін (IFT700) пайдаланып өлшенді. NADES тамшылары белгілі бір температура мен қысым жағдайында капиллярлық ине арқылы көп көлемді сұйықтықпен толтырылған камерада түзіледі. Қазіргі заманғы бейнелеу жүйелері Лаплас теңдеуін пайдаланып бетаралық керілуді есептеу үшін тиісті геометриялық параметрлерді енгізеді.
Жаңа дайындалған NADES сыну көрсеткішін 289,15-тен 333,15 К-ге дейінгі температура диапазонында анықтау үшін ATAGO рефрактометрі пайдаланылды. Құрал жарықтың сыну дәрежесін бағалау үшін температураны реттеу үшін термиялық модульді пайдаланады, бұл тұрақты температурадағы су ваннасының қажеттілігін жояды. Рефрактометрдің призмалық бетін тазалап, үлгі ерітіндісін оған біркелкі тарату керек. Белгілі стандартты ерітіндімен калибрлеңіз, содан кейін экраннан сыну көрсеткішін оқыңыз.
Дайындалған NADES тұтқырлығы 289,15-тен 333,15 К-ге дейінгі температура диапазонында Брукфилд айналмалы вискозиметрін (криогендік типті) пайдаланып, 30 айн/мин ығысу жылдамдығымен және шпиндель өлшемі 6-мен өлшенді. Вискозиметр тұтқырлықты сұйық үлгіде шпиндельді тұрақты жылдамдықпен айналдыру үшін қажетті моментті анықтау арқылы өлшейді. Үлгі шпиндельдің астындағы экранға қойылып, тартылғаннан кейін, вискозиметр тұтқырлықты сантипуазбен (cP) көрсетеді, бұл сұйықтықтың реологиялық қасиеттері туралы құнды ақпарат береді.
Жаңа дайындалған табиғи терең эвтектикалық еріткіштің (NDEES) тығыздығын 289,15–333,15 К температура диапазонында анықтау үшін DMA 35 Basic портативті тығыздық өлшегіші пайдаланылды. Құрылғыда кіріктірілген қыздырғыш болмағандықтан, NADES тығыздық өлшегішін қолданар алдында оны көрсетілген температураға (± 2 °C) дейін қыздыру керек. Түтік арқылы кемінде 2 мл үлгіні алыңыз, сонда тығыздық экранда бірден көрсетіледі. Кіріктірілген қыздырғыштың болмауына байланысты өлшеу нәтижелерінде ± 2 °C қателік бар екенін атап өткен жөн.
Жаңа дайындалған NADES рН мәнін 289,15–333,15 К температура диапазонында бағалау үшін біз Kenis үстел үсті рН өлшегішін қолдандық. Кіріктірілген қыздыру құрылғысы болмағандықтан, NADES алдымен қыздырғыш плитаны пайдаланып қажетті температураға (±2 °C) дейін қыздырылды, содан кейін рН өлшегішпен тікелей өлшенді. рН өлшегіш зондын NADES-ке толығымен батырыңыз және көрсеткіш тұрақтанғаннан кейін соңғы мәнді жазып алыңыз.
Табиғи терең эвтектикалық еріткіштердің (NADES) термиялық тұрақтылығын бағалау үшін термогравиметриялық талдау (TGA) қолданылды. Үлгілер қыздыру кезінде талданды. Жоғары дәлдіктегі балансты пайдаланып және қыздыру процесін мұқият бақылай отырып, массаның жоғалуына температураның графигі жасалды. NADES 0-ден 500 °C-қа дейін минутына 1 °C жылдамдықпен қыздырылды.
Процесті бастау үшін NADES үлгісі мұқият араластырылып, гомогенделіп, беткі ылғалды кетіру керек. Дайындалған үлгі әдетте алюминий сияқты инертті материалдан жасалған TGA кюветіне орналастырылады. Дәл нәтижелерге қол жеткізу үшін TGA құралдары эталондық материалдарды, әдетте салмақ стандарттарын пайдаланып калибрленеді. Калибрленгеннен кейін TGA эксперименті басталады және үлгі бақыланатын түрде, әдетте тұрақты жылдамдықпен қыздырылады. Үлгі салмағы мен температура арасындағы байланысты үздіксіз бақылау эксперименттің маңызды бөлігі болып табылады. TGA құралдары температура, салмақ және газ ағыны немесе үлгі температурасы сияқты басқа параметрлер туралы деректерді жинайды. TGA эксперименті аяқталғаннан кейін жиналған деректер үлгі салмағының өзгеруін температура функциясы ретінде анықтау үшін талданады. Бұл ақпарат балқу, булану, тотығу немесе ыдырау сияқты процестерді қоса алғанда, үлгідегі физикалық және химиялық өзгерістермен байланысты температура диапазондарын анықтауда құнды.
Су негізіндегі бұрғылау сұйықтығы API 13B-1 стандартына сәйкес мұқият тұжырымдалған және оның нақты құрамы анықтама үшін 2-кестеде келтірілген. Лимон қышқылы мен глицерин (99 USP) табиғи терең эвтектикалық еріткішті (NADES) дайындау үшін Малайзияның Sigma Aldrich компаниясынан сатып алынды. Сонымен қатар, дәстүрлі тақтатас ингибиторы калий хлориді (KCl) Малайзияның Sigma Aldrich компаниясынан да сатып алынды. Бұрғылау сұйықтығының реологиясын және тақтатастың тежелуін жақсартудағы айтарлықтай әсеріне байланысты 98%-дан астам тазалығы бар 1-этил, 3-метилимидазолий хлориді ([EMIM]Cl) таңдалды, бұл алдыңғы зерттеулерде расталды. NADES тақтатастың тежелу өнімділігін бағалау үшін салыстырмалы талдауда KCl және ([EMIM]Cl) екеуі де қолданылады.
Көптеген зерттеушілер тақтатастың ісінуін зерттеу үшін бентонит үлпектерін пайдалануды жөн көреді, себебі бентонит құрамында тақтатастың ісінуін тудыратын сол «монтмориллонит» тобы бар. Нақты тақтатас өзегінің үлгілерін алу қиын, себебі өзек алу процесі тақтатастың тұрақсыздығын тудырады, нәтижесінде толығымен тақтатас емес, бірақ әдетте құмтас пен әктас қабаттарының қоспасынан тұратын үлгілер пайда болады. Сонымен қатар, тақтатас үлгілерінде әдетте тақтатастың ісінуін тудыратын монтмориллонит топтары болмайды және сондықтан ісінуді тежеу ​​​​тәжірибелеріне жарамсыз.
Бұл зерттеуде біз диаметрі шамамен 2,54 см болатын қалпына келтірілген бентонит бөлшектерін қолдандық. Түйіршіктер гидравликалық престе 1600 psi қысыммен 11,5 грамм натрий бентонит ұнтағын басу арқылы жасалды. Түйіршіктердің қалыңдығы сызықтық дилатометрге (LD) орналастырмас бұрын дәл өлшенді. Содан кейін бөлшектер негізгі үлгілерді және тақтатастың ісінуін болдырмау үшін қолданылатын ингибиторлармен енгізілген үлгілерді қоса алғанда, бұрғылау сұйықтығының үлгілеріне батырылды. Содан кейін түйіршік қалыңдығының өзгеруі LD көмегімен мұқият бақыланды, өлшемдер 24 сағат бойы 60 секундтық аралықпен жазылды.
Рентгендік дифракция бентониттің құрамы, әсіресе оның 47% монтмориллонит компоненті, оның геологиялық сипаттамаларын түсінуде маңызды фактор екенін көрсетті. Бентониттің монтмориллонит компоненттерінің ішінде монтмориллонит негізгі компонент болып табылады, жалпы компоненттердің 88,6%-ын құрайды. Сонымен қатар, кварц 29%, иллит 7% және карбонат 9% құрайды. Аз ғана бөлігі (шамамен 3,2%) иллит пен монтмориллонит қоспасынан тұрады. Сонымен қатар, оның құрамында Fe2O3 (4,7%), күміс алюмосиликаты (1,2%), мусковит (4%) және фосфат (2,3%) сияқты микроэлементтер бар. Сонымен қатар, аз мөлшерде Na2O (1,83%) және темір силикаты (2,17%) бар, бұл бентониттің құрамдас элементтерін және олардың тиісті пропорцияларын толық бағалауға мүмкіндік береді.
Бұл кешенді зерттеу бөлімінде табиғи терең эвтектикалық еріткішті (NADES) пайдаланып дайындалған және әртүрлі концентрацияларда (1%, 3% және 5%) бұрғылау сұйықтығы қоспасы ретінде қолданылатын бұрғылау сұйықтығы үлгілерінің реологиялық және сүзу қасиеттері егжей-тегжейлі сипатталған. Содан кейін NADES негізіндегі шлам үлгілері калий хлоридінен (KCl), CC:мочевина DES (холин хлоридінің терең эвтектикалық еріткіші:мочевина) және иондық сұйықтықтардан тұратын шлам үлгілерімен салыстырылып, талданды. Бұл зерттеуде бірқатар негізгі параметрлер қарастырылды, соның ішінде 100°C және 150°C температурада қартаю жағдайларына ұшырамас бұрын және кейін FANN вискозиметрі арқылы алынған тұтқырлық көрсеткіштері. Өлшеулер бұрғылау сұйықтығының мінез-құлқын кешенді талдауға мүмкіндік беретін әртүрлі айналу жылдамдықтарында (3 айн/мин, 6 айн/мин, 300 айн/мин және 600 айн/мин) жүргізілді. Содан кейін алынған деректерді әртүрлі жағдайларда сұйықтықтың өнімділігі туралы түсінік беретін шығымдылық нүктесі (YP) және пластикалық тұтқырлық (PV) сияқты негізгі қасиеттерді анықтау үшін пайдалануға болады. 400 psi және 150°C (жоғары температуралы ұңғымалардағы әдеттегі температура) кезіндегі жоғары қысымды жоғары температуралы (ЖТТ) сүзу сынақтары сүзу өнімділігін (торттың қалыңдығы және сүзінді көлемі) анықтайды.
Бұл бөлімде су негізіндегі бұрғылау сұйықтықтарымыздың тақтатастың ісінуін тежеу ​​қасиеттерін мұқият бағалау үшін Grace HPHT сызықтық дилатометрі (M4600) заманауи жабдық қолданылады. LSM - екі компоненттен тұратын заманауи машина: пластиналы тығыздағыш және сызықтық дилатометр (модель: M4600). Бентонит пластиналары Grace Core/Plate Compactor көмегімен талдауға дайындалды. Содан кейін LSM осы пластиналар бойынша ісіну туралы дереу деректерді береді, бұл тақтатастың ісінуін тежеу ​​қасиеттерін кешенді бағалауға мүмкіндік береді. Тақтатастың кеңею сынақтары қоршаған орта жағдайында, яғни 25°C және 1 psia температурада жүргізілді.
Тақтатастың тұрақтылығын тексеру көбінесе тақтатастың қалпына келу сынағы, тақтатастың шөгу сынағы немесе тақтатастың дисперсия сынағы деп аталатын негізгі сынақты қамтиды. Бұл бағалауды бастау үшін тақтатас шламдары №6 BSS елегінде бөлініп, №10 елегіне орналастырылады. Содан кейін шламдар ұстағыш резервуарға беріледі, онда олар негізгі сұйықтықпен және NADES (табиғи терең эвтектикалық еріткіш) бар бұрғылау ерітіндісімен араластырылады. Келесі қадам - ​​қоспаны пешке қарқынды ыстық илемдеу процесі үшін салу, шламдар мен ерітіндінің мұқият араласуын қамтамасыз ету. 16 сағаттан кейін шламдар тақтатастың ыдырауына мүмкіндік беру арқылы целлюлозадан алынады, нәтижесінде шламдардың салмағы азаяды. Тақтатастың қалпына келу сынағы тақтатас шламдары бұрғылау ерітіндісінде 24 сағат ішінде 150°C және 1000 psi. дюймде ұсталғаннан кейін жүргізілді.
Тақтатас балшығының қалпына келуін өлшеу үшін біз оны жұқа тордан (40 тор) сүзіп, содан кейін сумен мұқият жуып, соңында пеште кептірдік. Бұл күрделі процедура қалпына келтірілген балшықты бастапқы салмақпен салыстыруға, сайып келгенде, сәтті қалпына келтірілген тақтатас балшығының пайызын есептеуге мүмкіндік береді. Тақтатас үлгілерінің көзі Малайзияның Саравак қаласы, Мири ауданындағы Ниах ауданынан алынған. Дисперсия және қалпына келтіру сынақтарынан бұрын тақтатас үлгілері саз құрамын сандық анықтау және сынауға жарамдылығын растау үшін мұқият рентгендік дифракция (XRD) талдауынан өтті. Үлгінің саз минералды құрамы келесідей: иллит 18%, каолинит 31%, хлорит 22%, вермикулит 10% және слюда 19%.
Беттік керілу - су катиондарының капиллярлық әсер арқылы тақтатас микрокеуектеріне енуін бақылайтын негізгі фактор, ол осы бөлімде егжей-тегжейлі қарастырылады. Бұл мақалада бұрғылау сұйықтықтарының когезиялық қасиетіндегі беттік керілудің рөлі қарастырылады, оның бұрғылау процесіне, әсіресе тақтатастың тежелуіне маңызды әсерін атап өтеді. Біз бұрғылау сұйықтық үлгілерінің беттік керілуін дәл өлшеу үшін бетаралық тензиометрді (IFT700) қолдандық, бұл тақтатастың тежелуі аясында сұйықтықтың мінез-құлқының маңызды аспектісін ашады.
Бұл бөлімде d-қабат аралығы егжей-тегжейлі талқыланады, бұл саздардағы алюмосиликат қабаттары мен бір алюмосиликат қабаты арасындағы қабаттар аралық қашықтық. Талдау салыстыру үшін 1%, 3% және 5% CA NADES бар ылғалды балшық үлгілерін, сондай-ақ 3% KCl, 3% [EMIM]Cl және 3% CC:мочевина негізіндегі DES қамтыды. Cu-Kα сәулеленуімен (λ = 1.54059 Å) 40 мА және 45 кВ кернеуде жұмыс істейтін заманауи үстелдік рентгендік дифрактометр (D2 Phaser) ылғалды және құрғақ Na-Bt үлгілерінің рентгендік дифракция шыңдарын тіркеуде маңызды рөл атқарды. Брэгг теңдеуін қолдану d-қабат аралығын дәл анықтауға мүмкіндік береді, осылайша саздың мінез-құлқы туралы құнды ақпарат береді.
Бұл бөлімде дзета потенциалын дәл өлшеу үшін озық Malvern Zetasizer Nano ZSP құралы қолданылады. Бұл бағалау салыстырмалы талдау үшін 1%, 3% және 5% CA NADES, сондай-ақ 3% KCl, 3% [EMIM]Cl және 3% CC:мочевина негізіндегі DES бар сұйылтылған балшық үлгілерінің заряд сипаттамалары туралы құнды ақпарат берді. Бұл нәтижелер коллоидты қосылыстардың тұрақтылығын және олардың сұйықтықтардағы өзара әрекеттесуін түсінуге ықпал етеді.
Саз үлгілері табиғи терең эвтектикалық еріткішпен (NADES) әсер етуден бұрын және кейін энергия дисперсиялық рентген сәулесімен (EDX) жабдықталған Zeiss Supra 55 VP далалық эмиссиялық сканерлеуші ​​электронды микроскоп (FESEM) арқылы зерттелді. Бейнелеу ажыратымдылығы 500 нм, ал электронды сәуле энергиясы 30 кВ және 50 кВ болды. FESEM саз үлгілерінің беткі морфологиясы мен құрылымдық ерекшеліктерін жоғары ажыратымдылықта визуализациялауды қамтамасыз етеді. Бұл зерттеудің мақсаты әсер етуден бұрын және кейін алынған кескіндерді салыстыру арқылы саз үлгілеріне NADES әсері туралы ақпарат алу болды.
Бұл зерттеуде NADES-тің саз үлгілеріне микроскопиялық деңгейде әсерін зерттеу үшін далалық эмиссиялық сканерлеуші ​​​​электронды микроскопия (FESEM) технологиясы қолданылды. Бұл зерттеудің мақсаты - NADES-тің әлеуетті қолданылуын және оның саз морфологиясы мен орташа бөлшектердің өлшеміне әсерін анықтау, бұл осы саладағы зерттеулер үшін құнды ақпарат береді.
Бұл зерттеуде қателік жолақтары тәжірибелік жағдайлардағы орташа пайыздық қателіктің (AMPE) өзгергіштігі мен белгісіздігін көрнекі түрде сипаттау үшін пайдаланылды. Жеке AMPE мәндерін салудың орнына (AMPE мәндерін салу үрдістерді жасырып, шағын ауытқуларды асыра көрсетуі мүмкін болғандықтан), біз қателік жолақтарын 5% ережесін пайдаланып есептейміз. Бұл тәсіл әрбір қателік жолағының 95% сенімділік аралығы мен AMPE мәндерінің 100%-ы түсуі күтілетін аралықты білдіретінін қамтамасыз етеді, осылайша әрбір тәжірибелік жағдай үшін деректердің таралуының анық және қысқаша мазмұнын береді. 5% ережесіне негізделген қателік жолақтарын пайдалану графикалық көріністердің түсіндірілуі мен сенімділігін жақсартады және нәтижелер мен олардың салдарын егжей-тегжейлі түсінуге көмектеседі.
Табиғи терең эвтектикалық еріткіштерді (NADES) синтездеу кезінде, ішкі дайындау процесінде бірнеше негізгі параметрлер мұқият зерттелді. Бұл маңызды факторларға температура, молярлық қатынас және араластыру жылдамдығы жатады. Біздің тәжірибелеріміз HBA (лимон қышқылы) және HBD (глицерин) 50°C температурада 1:4 молярлық қатынаста араластырылған кезде эвтектикалық қоспа түзілетінін көрсетеді. Эвтектикалық қоспаның ерекшелігі - оның мөлдір, біртекті көрінісі және тұнбаның болмауы. Осылайша, бұл негізгі қадам молярлық қатынастың, температураның және араластыру жылдамдығының маңыздылығын көрсетеді, олардың ішінде молярлық қатынас DES және NADES дайындауда ең ықпалды фактор болды, 2-суретте көрсетілгендей.
Сыну көрсеткіші (n) вакуумдағы жарық жылдамдығының екінші, тығыз ортадағы жарық жылдамдығына қатынасын білдіреді. Сыну көрсеткіші биосенсорлар сияқты оптикалық сезімтал қолданбаларды қарастырған кезде табиғи терең эвтектикалық еріткіштер (NADES) үшін ерекше қызығушылық тудырады. Зерттелген NADES-тің 25 °C температурадағы сыну көрсеткіші 1,452 болды, бұл глицеринге қарағанда қызықты түрде төмен.
NADES сыну көрсеткіші температурамен төмендейтінін және бұл үрдісті (1) формуламен және 3-суретпен дәл сипаттауға болатынын атап өткен жөн, абсолютті орташа пайыздық қателік (AMPE) 0%-ға жетеді. Бұл температураға тәуелді мінез-құлық жоғары температурада тұтқырлық пен тығыздықтың төмендеуімен түсіндіріледі, бұл жарықтың орта арқылы жоғары жылдамдықпен өтуіне әкеледі, нәтижесінде сыну көрсеткіші (n) мәні төмендейді. Бұл нәтижелер NADES-ті оптикалық зондтауда стратегиялық пайдалану туралы құнды түсініктер береді, олардың биосенсорлық қолдану әлеуетін көрсетеді.
Сұйық бетінің ауданын азайтуға бейімділігін көрсететін беттік керілу табиғи терең эвтектикалық еріткіштердің (NADES) капиллярлық қысымға негізделген қолданбаларға жарамдылығын бағалауда үлкен маңызға ие. 25-60 °C температура диапазонындағы беттік керілуді зерттеу құнды ақпарат береді. 25 °C температурада лимон қышқылына негізделген NADES беттік керілуі 55,42 мН/м болды, бұл су мен глицеринге қарағанда айтарлықтай төмен. 4-суретте беттік керілу температураның жоғарылауымен айтарлықтай төмендейтіні көрсетілген. Бұл құбылысты молекулалық кинетикалық энергияның артуымен және кейіннен молекулааралық тартымды күштердің төмендеуімен түсіндіруге болады.
Зерттелген NADES-те байқалған беттік керілудің сызықтық төмендеу үрдісін (2) теңдеумен жақсы көрсетуге болады, ол 25-60 °C температура диапазонындағы негізгі математикалық байланысты көрсетеді. 4-суреттегі график абсолютті орташа пайыздық қателік (AMPE) 1,4% болатын температура кезінде беттік керілу үрдісін анық көрсетеді, бұл есептелген беттік керілу мәндерінің дәлдігін сандық түрде көрсетеді. Бұл нәтижелер NADES-тің әрекетін және оның әлеуетті қолданылуын түсіну үшін маңызды салдарға ие.
Табиғи терең эвтектикалық еріткіштердің (NADES) тығыздық динамикасын түсіну оларды көптеген ғылыми зерттеулерде қолдануды жеңілдету үшін өте маңызды. Лимон қышқылына негізделген NADES тығыздығы 25°C температурада 1,361 г/см3 құрайды, бұл бастапқы глицериннің тығыздығынан жоғары. Бұл айырмашылықты глицеринге сутектік байланыс акцепторының (лимон қышқылы) қосылуымен түсіндіруге болады.
Мысал ретінде цитрат негізіндегі NADES-ті алсақ, оның тығыздығы 60°C температурада 1,19 г/см3-ке дейін төмендейді. Қыздыру кезінде кинетикалық энергияның артуы NADES молекулаларының таралуына әкеліп соғады, бұл олардың үлкен көлемді алып, тығыздықтың төмендеуіне әкеледі. Тығыздықтың байқалған төмендеуі температураның артуымен белгілі бір сызықтық корреляцияны көрсетеді, оны (3) формуламен дұрыс көрсетуге болады. 5-суретте NADES тығыздығының өзгеруінің осы сипаттамалары 1,12% абсолютті орташа пайыздық қателікпен (AMPE) графикалық түрде көрсетілген, бұл көрсетілген тығыздық мәндерінің дәлдігінің сандық өлшемін қамтамасыз етеді.
Тұтқырлық - қозғалыстағы сұйықтықтың әртүрлі қабаттары арасындағы тартымды күш және табиғи терең эвтектикалық еріткіштердің (NADES) әртүрлі қолданбаларда қолданылуын түсінуде маңызды рөл атқарады. 25 °C температурада NADES тұтқырлығы 951 cP болды, бұл глицеринге қарағанда жоғары.
Температураның жоғарылауымен тұтқырлықтың төмендеуі негізінен молекулааралық тартымды күштердің әлсіреуімен түсіндіріледі. Бұл құбылыс сұйықтықтың тұтқырлығының төмендеуіне әкеледі, бұл үрдіс 6-суретте айқын көрсетілген және (4) теңдеуімен сандық түрде анықталады. Атап айтқанда, 60°C температурада тұтқырлық 898 cP дейін төмендейді, жалпы орташа пайыздық қателік (AMPE) 1,4% құрайды. NADES-тегі тұтқырлықтың температураға тәуелділігін егжей-тегжейлі түсіну оны практикалық қолдану үшін өте маңызды.
Сутегі иондарының концентрациясының теріс логарифмімен анықталатын ерітіндінің рН мәні, әсіресе ДНҚ синтезі сияқты рН-ға сезімтал қолданбаларда өте маңызды, сондықтан NADES рН-ын қолданар алдында мұқият зерттеу керек. Лимон қышқылына негізделген NADES-ті мысал ретінде алсақ, глицериннің салыстырмалы түрде бейтарап рН-ына күрт қарама-қайшы келетін 1,91 айқын қышқыл рН-ын байқауға болады.
Қызығы, табиғи лимон қышқылы дегидрогеназасында еритін еріткіштің (NADES) рН мәні температураның жоғарылауымен сызықтық емес төмендеу үрдісін көрсетті. Бұл құбылыс ерітіндідегі H+ тепе-теңдігін бұзатын молекулалық тербелістердің жоғарылауына байланысты, бұл [H]+ иондарының пайда болуына және өз кезегінде рН мәнінің өзгеруіне әкеледі. Лимон қышқылының табиғи рН мәні 3-тен 5-ке дейін ауытқып тұрса, глицериндегі қышқыл сутегінің болуы рН-ты одан әрі 1,91-ге дейін төмендетеді.
Цитрат негізіндегі NADES-тің 25-60 °C температура диапазонындағы рН мінез-құлқын (5) теңдеуімен тиісті түрде көрсетуге болады, ол байқалған рН үрдісінің математикалық өрнегін береді. 7-суретте бұл қызықты байланыс графикалық түрде көрсетілген, температураның NADES рН-на әсерін көрсетеді, ол AMPE үшін 1,4% құрайды деп хабарланған.
Табиғи лимон қышқылының терең эвтектикалық еріткішінің (NADES) термогравиметриялық талдауы (TGA) бөлме температурасынан 500 °C дейінгі температура диапазонында жүйелі түрде жүргізілді. 8a және b суреттерінен көрініп тұрғандай, 100 °C-қа дейінгі бастапқы масса жоғалту негізінен сіңірілген суға және лимон қышқылымен және таза глицеринмен байланысты гидратациялық суға байланысты болды. 180 °C-қа дейін шамамен 88% массаның айтарлықтай сақталуы байқалды, бұл негізінен лимон қышқылының аконит қышқылына ыдырауына және одан әрі қыздыру кезінде метилмалеин ангидридінің (III) түзілуіне байланысты болды (8b сурет). 180 °C-тан жоғары температурада глицеринде акролеиннің (акрилальдегид) айқын көрінуі де байқалды, бұл 8b37 суретте көрсетілген.
Глицериннің термогравиметриялық талдауы (TGA) екі сатылы масса жоғалту процесін анықтады. Бастапқы кезең (180-ден 220 °C-қа дейін) акролеиннің түзілуін қамтиды, содан кейін 230-дан 300 °C-қа дейінгі жоғары температурада айтарлықтай масса жоғалту жүреді (8a-сурет). Температура жоғарылаған сайын ацетальдегид, көмірқышқыл газы, метан және сутегі бірінен соң бірі түзіледі. Айта кету керек, 300 °C температурада массаның тек 28%-ы ғана сақталған, бұл NADES 8(a)38,39-дың ішкі қасиеттері ақаулы болуы мүмкін екенін көрсетеді.
Жаңа химиялық байланыстардың түзілуі туралы ақпарат алу үшін табиғи терең эвтектикалық еріткіштердің (NADES) жаңа дайындалған суспензиялары Фурье түрлендіру инфрақызыл спектроскопиясы (FTIR) арқылы талданды. Талдау NADES суспензиясының спектрін таза лимон қышқылының (CA) және глицериннің (Gly) спектрлерімен салыстыру арқылы жүргізілді. CA спектрі 1752 1/см2 және 1673 1/см2-де айқын шыңдарды көрсетті, олар C=O байланысының созылу тербелістерін білдіреді және CA-ға да тән. Сонымен қатар, 9-суретте көрсетілгендей, саусақ ізі аймағында 1360 1/см2-де OH иілу тербелісінің айтарлықтай ығысуы байқалды.
Сол сияқты, глицерин жағдайында OH созылу және иілу тербелістерінің ығысулары сәйкесінше 3291 1/см және 1414 1/см толқын сандарында анықталды. Енді дайындалған NADES спектрін талдау арқылы спектрде айтарлықтай ығысу анықталды. 7-суретте көрсетілгендей, C=O байланысының созылу тербелісі 1752 1/см-ден 1720 1/см-ге дейін, ал глицериннің -OH байланысының иілу тербелісі 1414 1/см-ден 1359 1/см-ге дейін ығысты. Толқын сандарының бұл ығысулары электртерістіктің өзгеруін көрсетеді, бұл NADES құрылымында жаңа химиялық байланыстардың пайда болуын көрсетеді.