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L'espansione dello scisto nei giacimenti clastici crea problemi significativi, con conseguente instabilità del pozzo. Per motivi ambientali, l'uso di fluidi di perforazione a base d'acqua con aggiunta di inibitori dello scisto è preferibile rispetto ai fluidi di perforazione a base di petrolio. I liquidi ionici (IL) hanno attirato molta attenzione come inibitori dello scisto grazie alle loro proprietà regolabili e alle forti caratteristiche elettrostatiche. Tuttavia, i liquidi ionici (IL) a base di imidazolile, ampiamente utilizzati nei fluidi di perforazione, si sono dimostrati tossici, non biodegradabili e costosi. I solventi eutettici di profondità (DES) sono considerati un'alternativa più economica e meno tossica ai liquidi ionici, ma non raggiungono ancora i requisiti di sostenibilità ambientale richiesti. Recenti progressi in questo campo hanno portato all'introduzione di solventi eutettici di profondità naturali (NADES), noti per la loro reale compatibilità ambientale. Questo studio ha esaminato i NADES, che contengono acido citrico (come accettore di legami idrogeno) e glicerolo (come donatore di legami idrogeno) come additivi per i fluidi di perforazione. I fluidi di perforazione a base di NADES sono stati sviluppati in conformità con la norma API 13B-1 e le loro prestazioni sono state confrontate con fluidi di perforazione a base di cloruro di potassio, liquidi ionici a base di imidazolio e fluidi di perforazione a base di cloruro di colina:urea-DES. Le proprietà fisico-chimiche dei NADES brevettati sono descritte in dettaglio. Le proprietà reologiche, la perdita di fluido e le proprietà di inibizione dello scisto del fluido di perforazione sono state valutate durante lo studio, ed è stato dimostrato che a una concentrazione del 3% di NADES, il rapporto tra sforzo di snervamento e viscosità plastica (YP/PV) è aumentato, lo spessore del fango è stato ridotto del 26% e il volume del filtrato è stato ridotto del 30,1%. In particolare, NADES ha raggiunto un impressionante tasso di inibizione dell'espansione del 49,14% e ha aumentato la produzione di scisto dell'86,36%. Questi risultati sono attribuiti alla capacità di NADES di modificare l'attività superficiale, il potenziale zeta e la spaziatura interstrato delle argille, che vengono discussi in questo articolo per comprenderne i meccanismi sottostanti. Si prevede che questo fluido di perforazione sostenibile rivoluzionerà il settore delle trivellazioni, offrendo un'alternativa non tossica, conveniente e altamente efficace ai tradizionali inibitori di corrosione dello scisto, aprendo la strada a pratiche di perforazione ecocompatibili.
Lo scisto è una roccia versatile che funge sia da fonte che da serbatoio di idrocarburi, e la sua struttura porosa1 offre il potenziale sia per la produzione che per lo stoccaggio di queste preziose risorse. Tuttavia, lo scisto è ricco di minerali argillosi come montmorillonite, smectite, caolinite e illite, che lo rendono soggetto a rigonfiamento se esposto all'acqua, con conseguente instabilità del pozzo durante le operazioni di perforazione2,3. Questi problemi possono portare a tempi non produttivi (NPT) e a una serie di problemi operativi, tra cui tubi bloccati, perdita di circolazione del fango, crollo del pozzo e incrostazioni dello scalpello, aumentando i tempi e i costi di recupero. Tradizionalmente, i fluidi di perforazione a base di petrolio (OBDF) sono stati la scelta preferita per le formazioni di scisto grazie alla loro capacità di resistere all'espansione dello scisto4. Tuttavia, l'uso di fluidi di perforazione a base di petrolio comporta costi più elevati e rischi ambientali. I fluidi di perforazione sintetici (SBDF) sono stati presi in considerazione come alternativa, ma la loro idoneità alle alte temperature è insoddisfacente. I fluidi di perforazione a base d'acqua (WBDF) rappresentano una soluzione interessante perché sono più sicuri, più ecologici e più convenienti dell'OBDF5. Diversi inibitori di scisto sono stati utilizzati per migliorare la capacità di inibizione di scisto del WBDF, inclusi inibitori tradizionali come cloruro di potassio, calce, silicato e polimero. Tuttavia, questi inibitori presentano limitazioni in termini di efficacia e impatto ambientale, soprattutto a causa dell'elevata concentrazione di K+ negli inibitori di cloruro di potassio e della sensibilità al pH dei silicati. 6 I ricercatori hanno esplorato la possibilità di utilizzare liquidi ionici come additivi per fluidi di perforazione per migliorare la reologia dei fluidi di perforazione e prevenire il rigonfiamento degli scisti e la formazione di idrati. Tuttavia, questi liquidi ionici, in particolare quelli contenenti cationi imidazolilici, sono generalmente tossici, costosi, non biodegradabili e richiedono processi di preparazione complessi. Per risolvere questi problemi, si è iniziato a cercare un'alternativa più economica ed ecologica, che ha portato alla nascita dei solventi eutettici profondi (DES). Il DES è una miscela eutettica formata da un donatore di legami a idrogeno (HBD) e un accettore di legami a idrogeno (HBA) a un rapporto molare e a una temperatura specifici. Queste miscele eutettiche hanno punti di fusione inferiori rispetto ai loro singoli componenti, principalmente a causa della delocalizzazione di carica causata dai legami a idrogeno. Molti fattori, tra cui l'energia reticolare, la variazione di entropia e le interazioni tra anioni e HBD, svolgono un ruolo chiave nell'abbassamento del punto di fusione del DES.
In studi precedenti, vari additivi sono stati aggiunti al fluido di perforazione a base d'acqua per risolvere il problema dell'espansione dello scisto. Ad esempio, Ofei et al. hanno aggiunto cloruro di 1-butil-3-metilimidazolio (BMIM-Cl), che ha ridotto significativamente lo spessore del fango (fino al 50%) e ha diminuito il valore YP/PV di 11 a diverse temperature. Huang et al. hanno utilizzato liquidi ionici (in particolare, bromuro di 1-esil-3-metilimidazolio e bromuro di 1,2-bis(3-esilimidazol-1-il)etano) in combinazione con particelle di Na-Bt e hanno ridotto significativamente il rigonfiamento dello scisto rispettivamente dell'86,43% e del 94,17%12. Inoltre, Yang et al. hanno utilizzato bromuro di 1-vinil-3-dodecilimidazolio e bromuro di 1-vinil-3-tetradecilimidazolio per ridurre il rigonfiamento dello scisto rispettivamente del 16,91% e del 5,81%. 13 Yang et al. hanno anche utilizzato bromuro di 1-vinil-3-etilimidazolio e hanno ridotto l'espansione dello scisto del 31,62% mantenendo il recupero dello scisto al 40,60%. 14 Inoltre, Luo et al. hanno utilizzato tetrafluoroborato di 1-ottil-3-metilimidazolio per ridurre il rigonfiamento dello scisto dell'80%. 15, 16 Dai et al. hanno utilizzato copolimeri di liquidi ionici per inibire lo scisto e hanno ottenuto un aumento del 18% nel recupero lineare rispetto agli inibitori amminici. 17
I liquidi ionici presentano alcuni svantaggi, che hanno spinto gli scienziati a cercare alternative più ecocompatibili, dando vita al DES. Hanjia è stato il primo a utilizzare solventi eutettici profondi (DES) costituiti da acido propionico cloruro di vinile (1:1), acido 3-fenilpropionico cloruro di vinile (1:2) e acido 3-mercaptopropionico + acido itaconico + cloruro di vinile (1:1:2), che hanno inibito il rigonfiamento della bentonite rispettivamente del 68%, 58% e 58%18. In un esperimento libero, MH Rasul ha utilizzato un rapporto 2:1 di glicerolo e carbonato di potassio (DES) e ha ridotto significativamente il rigonfiamento dei campioni di scisto dell'87%19,20. Ma ha utilizzato urea:cloruro di vinile per ridurre significativamente l'espansione dello scisto del 67%.21 Rasul et al. La combinazione di DES e polimero è stata utilizzata come inibitore dello scisto a doppia azione, ottenendo un eccellente effetto di inibizione dello scisto22.
Sebbene i solventi eutettici profondi (DES) siano generalmente considerati un'alternativa più ecologica ai liquidi ionici, contengono anche componenti potenzialmente tossici come i sali di ammonio, il che ne rende discutibile l'ecocompatibilità. Questo problema ha portato allo sviluppo di solventi eutettici profondi naturali (NADES). Sono ancora classificati come DES, ma sono composti da sostanze e sali naturali, tra cui cloruro di potassio (KCl), cloruro di calcio (CaCl2), sali di Epsom (MgSO4.7H2O) e altri. Le numerose potenziali combinazioni di DES e NADES aprono un ampio spettro di ricerca in questo settore e si prevede che troveranno applicazioni in una varietà di campi. Diversi ricercatori hanno sviluppato con successo nuove combinazioni di DES che si sono dimostrate efficaci in una varietà di applicazioni. Ad esempio, Naser et al. 2013 hanno sintetizzato DES a base di carbonato di potassio e ne hanno studiato le proprietà termofisiche, che hanno successivamente trovato applicazioni nei settori dell'inibizione degli idrati, degli additivi per fluidi di perforazione, della delignificazione e della nanofibrillazione. 23 Jordy Kim e colleghi hanno sviluppato NADES a base di acido ascorbico e ne hanno valutato le proprietà antiossidanti in varie applicazioni. 24 Christer et al. hanno sviluppato NADES a base di acido citrico e ne hanno identificato il potenziale come eccipiente per prodotti a base di collagene. 25 Liu Yi e colleghi hanno riassunto le applicazioni dei NADES come mezzi di estrazione e cromatografia in una revisione completa, mentre Misan et al. hanno discusso le applicazioni di successo dei NADES nel settore agroalimentare. È fondamentale che i ricercatori sui fluidi di perforazione inizino a prestare attenzione all'efficacia dei NADES nelle loro applicazioni. recenti. Nel 2023, Rasul et al. hanno utilizzato diverse combinazioni di solventi eutettici profondi naturali a base di acido ascorbico26, cloruro di calcio27, cloruro di potassio28 e sale di Epsom29 e hanno ottenuto un'impressionante inibizione e recupero dello scisto. Questo studio è uno dei primi a introdurre NADES (in particolare una formulazione a base di acido citrico e glicerolo) come inibitore di scisto ecologico ed efficace nei fluidi di perforazione a base d'acqua, che presenta un'eccellente stabilità ambientale, una migliore capacità di inibizione dello scisto e migliori prestazioni del fluido rispetto agli inibitori tradizionali come KCl, liquidi ionici a base di imidazolile e DES tradizionale.
Lo studio prevede la preparazione interna di NADES a base di acido citrico (CA), seguita da una caratterizzazione fisico-chimica dettagliata e dal suo utilizzo come additivo per fluidi di perforazione per valutarne le proprietà e la capacità di inibire il rigonfiamento. In questo studio, il CA fungerà da accettore di legami a idrogeno, mentre il glicerolo (Gly) fungerà da donatore di legami a idrogeno, selezionato in base ai criteri di screening MH per la formazione/selezione di NADES negli studi di inibizione dello scisto30. La spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier (FTIR), la diffrazione dei raggi X (XRD) e le misure del potenziale zeta (ZP) chiariranno le interazioni NADES-argilla e il meccanismo alla base dell'inibizione del rigonfiamento dell'argilla. Inoltre, questo studio confronterà il fluido di perforazione a base di CA NADES con DES32 a base di cloruro di 1-etil-3-metilimidazolio [EMIM]Cl7,12,14,17,31, KCl e cloruro di colina:urea (1:2) per investigare la loro efficacia nell'inibizione dello scisto e nel miglioramento delle prestazioni del fluido di perforazione.
Acido citrico (monoidrato), glicerolo (99 USP) e urea sono stati acquistati da EvaChem, Kuala Lumpur, Malesia. Cloruro di colina (>98%), [EMIM]Cl 98% e cloruro di potassio sono stati acquistati da Sigma Aldrich, Malesia. Le strutture chimiche di tutte le sostanze chimiche sono mostrate nella Figura 1. Il diagramma verde confronta le principali sostanze chimiche utilizzate in questo studio: liquido ionico imidazolilico, cloruro di colina (DES), acido citrico, glicerolo, cloruro di potassio e NADES (acido citrico e glicerolo). La tabella di ecocompatibilità delle sostanze chimiche utilizzate in questo studio è presentata nella Tabella 1. Nella tabella, ciascuna sostanza chimica è classificata in base a tossicità, biodegradabilità, costo e sostenibilità ambientale.
Strutture chimiche dei materiali utilizzati in questo studio: (a) acido citrico, (b) [EMIM]Cl, (c) cloruro di colina e (d) glicerolo.
I candidati donatori di legami idrogeno (HBD) e accettori di legami idrogeno (HBA) per lo sviluppo di NADES a base di CA (solvente eutettico profondo naturale) sono stati attentamente selezionati secondo i criteri di selezione MH 30, volti allo sviluppo di NADES come efficaci inibitori dello scisto. Secondo questo criterio, i componenti con un elevato numero di donatori e accettori di legami idrogeno e gruppi funzionali polari sono considerati idonei per lo sviluppo di NADES.
Inoltre, in questo studio sono stati selezionati per il confronto il liquido ionico [EMIM]Cl e il solvente eutettico profondo (DES) a base di cloruro di colina:urea, poiché sono ampiamente utilizzati come additivi per fluidi di perforazione33,34,35,36. È stato inoltre confrontato il cloruro di potassio (KCl) perché è un inibitore comune.
Acido citrico e glicerolo sono stati miscelati in diversi rapporti molari per ottenere miscele eutettiche. L'ispezione visiva ha mostrato che la miscela eutettica era un liquido omogeneo, trasparente e privo di torbidità, a indicare che il donatore di legami idrogeno (HBD) e l'accettore di legami idrogeno (HBA) erano stati miscelati correttamente in questa composizione eutettica. Sono stati condotti esperimenti preliminari per osservare il comportamento dipendente dalla temperatura del processo di miscelazione di HBD e HBA. Secondo la letteratura disponibile, la proporzione di miscele eutettiche è stata valutata a tre temperature specifiche superiori a 50 °C, 70 °C e 100 °C, indicando che la temperatura eutettica è solitamente compresa tra 50 e 80 °C. Una bilancia digitale Mettler è stata utilizzata per pesare accuratamente i componenti HBD e HBA, mentre una piastra riscaldante Thermo Fisher è stata utilizzata per riscaldare e agitare HBD e HBA a 100 giri al minuto in condizioni controllate.
Le proprietà termofisiche del nostro solvente eutettico profondo (DES) sintetizzato, tra cui densità, tensione superficiale, indice di rifrazione e viscosità, sono state misurate accuratamente in un intervallo di temperatura compreso tra 289,15 e 333,15 K. È importante notare che questo intervallo di temperatura è stato scelto principalmente a causa dei limiti delle apparecchiature esistenti. L'analisi completa ha incluso uno studio approfondito di diverse proprietà termofisiche di questa formulazione di NADES, rivelandone il comportamento in un intervallo di temperature. Concentrarsi su questo specifico intervallo di temperatura fornisce approfondimenti sulle proprietà dei NADES che sono di particolare importanza per numerose applicazioni.
La tensione superficiale del NADES così preparato è stata misurata nell'intervallo da 289,15 a 333,15 K utilizzando un misuratore di tensione interfacciale (IFT700). Le goccioline di NADES vengono formate in una camera riempita con un grande volume di liquido utilizzando un ago capillare in specifiche condizioni di temperatura e pressione. I moderni sistemi di imaging introducono parametri geometrici appropriati per calcolare la tensione interfacciale utilizzando l'equazione di Laplace.
È stato utilizzato un rifrattometro ATAGO per determinare l'indice di rifrazione di NADES appena preparati nell'intervallo di temperatura compreso tra 289,15 e 333,15 K. Lo strumento utilizza un modulo termico per regolare la temperatura e stimare il grado di rifrazione della luce, eliminando la necessità di un bagno d'acqua a temperatura costante. La superficie prismatica del rifrattometro deve essere pulita e la soluzione campione deve essere distribuita uniformemente su di essa. Calibrare con una soluzione standard nota, quindi leggere l'indice di rifrazione sullo schermo.
La viscosità del NADES così preparato è stata misurata nell'intervallo di temperatura compreso tra 289,15 e 333,15 K utilizzando un viscosimetro rotazionale Brookfield (di tipo criogenico) a una velocità di taglio di 30 giri/min e un mandrino di diametro 6. Il viscosimetro misura la viscosità determinando la coppia necessaria per ruotare il mandrino a velocità costante in un campione liquido. Dopo aver posizionato il campione sullo schermo sotto il mandrino e averlo serrato, il viscosimetro visualizza la viscosità in centipoise (cP), fornendo informazioni preziose sulle proprietà reologiche del liquido.
Un densimetro portatile DMA 35 Basic è stato utilizzato per determinare la densità di un solvente eutettico profondo naturale (NDEES) appena preparato nell'intervallo di temperatura compreso tra 289,15 e 333,15 K. Poiché il dispositivo non dispone di un riscaldatore integrato, è necessario preriscaldarlo alla temperatura specificata (± 2 °C) prima di utilizzare il densimetro NADES. Aspirare almeno 2 ml di campione attraverso la provetta e la densità verrà immediatamente visualizzata sullo schermo. È importante notare che, a causa dell'assenza di un riscaldatore integrato, i risultati della misurazione presentano un errore di ± 2 °C.
Per valutare il pH delle NADES appena preparate nell'intervallo di temperatura compreso tra 289,15 e 333,15 K, abbiamo utilizzato un pHmetro da banco Kenis. Poiché non è presente un dispositivo di riscaldamento integrato, le NADES sono state prima riscaldate alla temperatura desiderata (±2 °C) utilizzando una piastra riscaldante e poi misurate direttamente con un pHmetro. Immergere completamente la sonda del pHmetro nelle NADES e registrare il valore finale dopo che la lettura si è stabilizzata.
L'analisi termogravimetrica (TGA) è stata utilizzata per valutare la stabilità termica dei solventi eutettici profondi naturali (NADES). I campioni sono stati analizzati durante il riscaldamento. Utilizzando una bilancia ad alta precisione e monitorando attentamente il processo di riscaldamento, è stato generato un grafico della perdita di massa in funzione della temperatura. Il NADES è stato riscaldato da 0 a 500 °C a una velocità di 1 °C al minuto.
Per iniziare il processo, il campione NADES deve essere accuratamente miscelato, omogeneizzato e privato dell'umidità superficiale. Il campione preparato viene quindi inserito in una cuvetta TGA, solitamente realizzata in un materiale inerte come l'alluminio. Per garantire risultati accurati, gli strumenti TGA vengono calibrati utilizzando materiali di riferimento, in genere standard di peso. Una volta calibrati, l'esperimento TGA inizia e il campione viene riscaldato in modo controllato, solitamente a velocità costante. Il monitoraggio continuo della relazione tra peso del campione e temperatura è una parte fondamentale dell'esperimento. Gli strumenti TGA raccolgono dati su temperatura, peso e altri parametri come il flusso di gas o la temperatura del campione. Una volta completato l'esperimento TGA, i dati raccolti vengono analizzati per determinare la variazione del peso del campione in funzione della temperatura. Queste informazioni sono preziose per determinare gli intervalli di temperatura associati ai cambiamenti fisici e chimici nel campione, inclusi processi come fusione, evaporazione, ossidazione o decomposizione.
Il fluido di perforazione a base d'acqua è stato accuratamente formulato secondo lo standard API 13B-1 e la sua composizione specifica è elencata nella Tabella 2 a titolo di riferimento. Acido citrico e glicerolo (99 USP) sono stati acquistati da Sigma Aldrich, Malesia, per preparare il solvente eutettico naturale di profondità (NADES). Inoltre, anche il cloruro di potassio (KCl), un inibitore convenzionale per scisti, è stato acquistato da Sigma Aldrich, Malesia. Il cloruro di 1-etil, 3-metilimidazolio ([EMIM]Cl) con una purezza superiore al 98% è stato selezionato per il suo significativo effetto nel migliorare la reologia del fluido di perforazione e l'inibizione degli scisti, come confermato da studi precedenti. Sia KCl che ([EMIM]Cl) saranno utilizzati nell'analisi comparativa per valutare le prestazioni di inibizione degli scisti del NADES.
Molti ricercatori preferiscono utilizzare scaglie di bentonite per studiare il rigonfiamento degli scisti perché la bentonite contiene lo stesso gruppo "montmorillonite" che causa il rigonfiamento degli scisti. Ottenere veri campioni di carotaggio di scisti è difficile perché il processo di carotaggio destabilizza lo scisto, dando luogo a campioni che non sono interamente scisti ma contengono tipicamente una miscela di strati di arenaria e calcare. Inoltre, i campioni di scisto in genere sono privi dei gruppi montmorillonite che causano il rigonfiamento degli scisti e sono quindi inadatti agli esperimenti di inibizione del rigonfiamento.
In questo studio, abbiamo utilizzato particelle di bentonite ricostituita con un diametro di circa 2,54 cm. I granuli sono stati ottenuti pressando 11,5 grammi di polvere di bentonite sodica in una pressa idraulica a 1600 psi. Lo spessore dei granuli è stato misurato accuratamente prima di essere inseriti in un dilatometro lineare (LD). Le particelle sono state quindi immerse in campioni di fluido di perforazione, inclusi campioni di base e campioni iniettati con inibitori utilizzati per prevenire il rigonfiamento dello scisto. La variazione dello spessore dei granuli è stata quindi attentamente monitorata utilizzando il LD, con misurazioni registrate a intervalli di 60 secondi per 24 ore.
La diffrazione dei raggi X ha mostrato che la composizione della bentonite, in particolare la sua componente montmorillonite pari al 47%, è un fattore chiave per comprenderne le caratteristiche geologiche. Tra i componenti montmorillonitici della bentonite, la montmorillonite è il componente principale, rappresentando l'88,6% del totale. Il quarzo rappresenta il 29%, l'illite il 7% e il carbonato il 9%. Una piccola parte (circa il 3,2%) è una miscela di illite e montmorillonite. Contiene inoltre oligoelementi come Fe2O3 (4,7%), alluminosilicato d'argento (1,2%), muscovite (4%) e fosfato (2,3%). Sono inoltre presenti piccole quantità di Na2O (1,83%) e silicato di ferro (2,17%), il che consente di apprezzare appieno gli elementi costitutivi della bentonite e le loro rispettive proporzioni.
Questa sezione completa dello studio descrive in dettaglio le proprietà reologiche e di filtrazione di campioni di fluido di perforazione preparati utilizzando un solvente eutettico profondo naturale (NADES) e utilizzati come additivo a diverse concentrazioni (1%, 3% e 5%). I campioni di fanghi a base di NADES sono stati quindi confrontati e analizzati con campioni di fanghi costituiti da cloruro di potassio (KCl), CC:urea DES (cloruro di colina, solvente eutettico profondo:urea) e liquidi ionici. In questo studio sono stati trattati diversi parametri chiave, tra cui le letture di viscosità ottenute utilizzando un viscosimetro FANN prima e dopo l'esposizione a condizioni di invecchiamento a 100 °C e 150 °C. Le misurazioni sono state effettuate a diverse velocità di rotazione (3 giri/min, 6 giri/min, 300 giri/min e 600 giri/min), consentendo un'analisi completa del comportamento del fluido di perforazione. I dati ottenuti possono quindi essere utilizzati per determinare proprietà chiave come il punto di snervamento (YP) e la viscosità plastica (PV), che forniscono informazioni sulle prestazioni del fluido in diverse condizioni. I test di filtrazione ad alta pressione e alta temperatura (HPHT) a 400 psi e 150 °C (temperature tipiche nei pozzi ad alta temperatura) determinano le prestazioni di filtrazione (spessore della torta e volume del filtrato).
Questa sezione utilizza un'attrezzatura all'avanguardia, il dilatometro lineare Grace HPHT (M4600), per valutare approfonditamente le proprietà di inibizione del rigonfiamento dello scisto da parte dei nostri fluidi di perforazione a base d'acqua. L'LSM è una macchina all'avanguardia composta da due componenti: un compattatore a piastre e un dilatometro lineare (modello: M4600). Le piastre di bentonite sono state preparate per l'analisi utilizzando il compattatore Grace Core/Plate. L'LSM fornisce quindi dati immediati sul rigonfiamento di queste piastre, consentendo una valutazione completa delle proprietà di inibizione del rigonfiamento dello scisto. I test di espansione dello scisto sono stati condotti in condizioni ambientali, ovvero 25 °C e 1 psia.
I test di stabilità dello scisto prevedono un test chiave, spesso denominato test di recupero dello scisto, test di immersione dello scisto o test di dispersione dello scisto. Per iniziare questa valutazione, i detriti di scisto vengono separati su un setaccio BSS n. 6 e poi posizionati su un setaccio n. 10. I detriti vengono quindi inviati a un serbatoio di stoccaggio dove vengono miscelati con un fluido base e fango di perforazione contenente NADES (solvente eutettico naturale di profondità). Il passaggio successivo consiste nel posizionare la miscela in un forno per un intenso processo di laminazione a caldo, assicurando che i detriti e il fango siano completamente miscelati. Dopo 16 ore, i detriti vengono rimossi dalla polpa consentendo allo scisto di decomporre, con conseguente riduzione del peso dei detriti. Il test di recupero dello scisto è stato condotto dopo che i detriti di scisto erano stati conservati nel fango di perforazione a 150 °C e 1000 psi pollici entro 24 ore.
Per misurare il recupero del fango di scisto, lo abbiamo filtrato attraverso un setaccio più fine (40 mesh), quindi lo abbiamo lavato accuratamente con acqua e infine lo abbiamo essiccato in forno. Questa procedura meticolosa ci permette di stimare il fango recuperato rispetto al peso originale, calcolando infine la percentuale di fango di scisto recuperato con successo. La fonte dei campioni di scisto proviene dal distretto di Niah, distretto di Miri, Sarawak, Malesia. Prima dei test di dispersione e recupero, i campioni di scisto sono stati sottoposti a un'analisi approfondita di diffrazione dei raggi X (XRD) per quantificarne la composizione argillosa e confermarne l'idoneità ai test. La composizione minerale argillosa del campione è la seguente: illite 18%, caolinite 31%, clorite 22%, vermiculite 10% e mica 19%.
La tensione superficiale è un fattore chiave che controlla la penetrazione dei cationi dell'acqua nei micropori dello scisto tramite azione capillare, e verrà studiata in dettaglio in questa sezione. Questo articolo esamina il ruolo della tensione superficiale nella proprietà coesiva dei fluidi di perforazione, evidenziandone l'importante influenza sul processo di perforazione, in particolare sull'inibizione dello scisto. Abbiamo utilizzato un tensiometro interfacciale (IFT700) per misurare accuratamente la tensione superficiale dei campioni di fluido di perforazione, rivelando un aspetto importante del comportamento del fluido nel contesto dell'inibizione dello scisto.
Questa sezione discute in dettaglio la spaziatura degli strati d, ovvero la distanza interstrato tra strati di alluminosilicato e uno strato di alluminosilicato nelle argille. L'analisi ha riguardato campioni di fango umido contenenti NADES a base di CA all'1%, 3% e 5%, nonché DES a base di KCl al 3%, [EMIM]Cl al 3% e CC:urea al 3% per il confronto. Un diffrattometro a raggi X da banco all'avanguardia (D2 Phaser) operante a 40 mA e 45 kV con radiazione Cu-Kα (λ = 1,54059 Å) ha svolto un ruolo fondamentale nella registrazione dei picchi di diffrazione dei raggi X di campioni di Na-Bt sia umidi che secchi. L'applicazione dell'equazione di Bragg consente la determinazione accurata della spaziatura degli strati d, fornendo così preziose informazioni sul comportamento dell'argilla.
Questa sezione utilizza lo strumento avanzato Malvern Zetasizer Nano ZSP per misurare con precisione il potenziale zeta. Questa valutazione ha fornito informazioni preziose sulle caratteristiche di carica di campioni di fango diluiti contenenti NADES a base di CA all'1%, 3% e 5%, nonché DES a base di KCl al 3%, [EMIM]Cl al 3% e CC:urea al 3% per analisi comparative. Questi risultati contribuiscono alla nostra comprensione della stabilità dei composti colloidali e delle loro interazioni nei fluidi.
I campioni di argilla sono stati esaminati prima e dopo l'esposizione al solvente eutettico profondo naturale (NADES) utilizzando un microscopio elettronico a scansione a emissione di campo Zeiss Supra 55 VP (FESEM) dotato di spettroscopia a raggi X a dispersione di energia (EDX). La risoluzione dell'immagine era di 500 nm e l'energia del fascio di elettroni era di 30 kV e 50 kV. Il FESEM fornisce una visualizzazione ad alta risoluzione della morfologia superficiale e delle caratteristiche strutturali dei campioni di argilla. L'obiettivo di questo studio era quello di ottenere informazioni sull'effetto del NADES sui campioni di argilla confrontando le immagini ottenute prima e dopo l'esposizione.
In questo studio, la tecnologia di microscopia elettronica a scansione a emissione di campo (FESEM) è stata utilizzata per studiare l'effetto del NADES su campioni di argilla a livello microscopico. L'obiettivo di questo studio è quello di chiarire le potenziali applicazioni del NADES e il suo effetto sulla morfologia dell'argilla e sulla dimensione media delle particelle, fornendo preziose informazioni per la ricerca in questo campo.
In questo studio, le barre di errore sono state utilizzate per descrivere visivamente la variabilità e l'incertezza dell'errore percentuale medio (AMPE) nelle diverse condizioni sperimentali. Anziché rappresentare graficamente i singoli valori AMPE (poiché rappresentare graficamente i valori AMPE può oscurare le tendenze ed esagerare piccole variazioni), calcoliamo le barre di errore utilizzando la regola del 5%. Questo approccio garantisce che ogni barra di errore rappresenti l'intervallo entro il quale si prevede che rientrino l'intervallo di confidenza al 95% e il 100% dei valori AMPE, fornendo così un riepilogo più chiaro e conciso della distribuzione dei dati per ciascuna condizione sperimentale. L'utilizzo di barre di errore basate sulla regola del 5% migliora quindi l'interpretabilità e l'affidabilità delle rappresentazioni grafiche e contribuisce a fornire una comprensione più dettagliata dei risultati e delle loro implicazioni.
Nella sintesi di solventi eutettici profondi naturali (NADES), diversi parametri chiave sono stati attentamente studiati durante il processo di preparazione interno. Questi fattori critici includono temperatura, rapporto molare e velocità di miscelazione. I nostri esperimenti dimostrano che quando HBA (acido citrico) e HBD (glicerolo) vengono miscelati in un rapporto molare di 1:4 a 50 °C, si forma una miscela eutettica. La caratteristica distintiva della miscela eutettica è il suo aspetto trasparente e omogeneo e l'assenza di sedimenti. Pertanto, questo passaggio chiave evidenzia l'importanza del rapporto molare, della temperatura e della velocità di miscelazione, tra cui il rapporto molare è stato il fattore più influente nella preparazione di DES e NADES, come mostrato in Figura 2.
L'indice di rifrazione (n) esprime il rapporto tra la velocità della luce nel vuoto e la velocità della luce in un secondo mezzo più denso. L'indice di rifrazione è di particolare interesse per i solventi eutettici profondi naturali (NADES) quando si considerano applicazioni otticamente sensibili come i biosensori. L'indice di rifrazione dei NADES studiati a 25 °C era 1,452, un valore curiosamente inferiore a quello del glicerolo.
Vale la pena notare che l'indice di rifrazione dei NADES diminuisce con la temperatura e questa tendenza può essere accuratamente descritta dalla formula (1) e dalla Figura 3, con l'errore percentuale medio assoluto (AMPE) che raggiunge lo 0%. Questo comportamento dipendente dalla temperatura è spiegato dalla diminuzione della viscosità e della densità ad alte temperature, che fa sì che la luce viaggi attraverso il mezzo a una velocità maggiore, con conseguente riduzione del valore dell'indice di rifrazione (n). Questi risultati forniscono preziose informazioni sull'uso strategico dei NADES nella rilevazione ottica, evidenziandone il potenziale per le applicazioni nei biosensori.
La tensione superficiale, che riflette la tendenza della superficie di un liquido a minimizzare la propria area, è di grande importanza nella valutazione dell'idoneità dei solventi eutettici profondi naturali (NADES) per applicazioni basate sulla pressione capillare. Uno studio della tensione superficiale nell'intervallo di temperatura 25-60 °C fornisce informazioni preziose. A 25 °C, la tensione superficiale dei NADES a base di acido citrico era di 55,42 mN/m, significativamente inferiore a quella di acqua e glicerolo. La Figura 4 mostra che la tensione superficiale diminuisce significativamente con l'aumentare della temperatura. Questo fenomeno può essere spiegato da un aumento dell'energia cinetica molecolare e da una conseguente diminuzione delle forze attrattive intermolecolari.
L'andamento lineare decrescente della tensione superficiale osservato nei NADES studiati può essere ben espresso dall'equazione (2), che illustra la relazione matematica di base nell'intervallo di temperatura 25-60 °C. Il grafico in Figura 4 illustra chiaramente l'andamento della tensione superficiale in funzione della temperatura con un errore percentuale medio assoluto (AMPE) dell'1,4%, che quantifica l'accuratezza dei valori di tensione superficiale riportati. Questi risultati hanno importanti implicazioni per la comprensione del comportamento dei NADES e delle sue potenziali applicazioni.
Comprendere la dinamica della densità dei solventi eutettici profondi naturali (NADES) è fondamentale per facilitarne l'applicazione in numerosi studi scientifici. La densità dei NADES a base di acido citrico a 25 °C è di 1,361 g/cm3, superiore alla densità del glicerolo di partenza. Questa differenza può essere spiegata dall'aggiunta di un accettore di legami idrogeno (acido citrico) al glicerolo.
Prendendo come esempio il NADES a base di citrato, la sua densità scende a 1,19 g/cm3 a 60 °C. L'aumento di energia cinetica dovuto al riscaldamento provoca la dispersione delle molecole di NADES, che occupano un volume maggiore e quindi una diminuzione della densità. La diminuzione di densità osservata mostra una certa correlazione lineare con l'aumento di temperatura, che può essere correttamente espressa dalla formula (3). La Figura 5 presenta graficamente queste caratteristiche della variazione di densità del NADES con un errore percentuale medio assoluto (AMPE) dell'1,12%, che fornisce una misura quantitativa dell'accuratezza dei valori di densità riportati.
La viscosità è la forza di attrazione tra i diversi strati di un liquido in movimento e gioca un ruolo chiave nella comprensione dell'applicabilità dei solventi eutettici profondi naturali (NADES) in varie applicazioni. A 25 °C, la viscosità dei NADES era di 951 cP, superiore a quella del glicerolo.
La diminuzione osservata della viscosità con l'aumentare della temperatura è principalmente spiegata dall'indebolimento delle forze attrattive intermolecolari. Questo fenomeno si traduce in una diminuzione della viscosità del fluido, una tendenza chiaramente dimostrata nella Figura 6 e quantificata dall'Equazione (4). In particolare, a 60 °C, la viscosità scende a 898 cP con un errore percentuale medio complessivo (AMPE) dell'1,4%. Una comprensione dettagliata della dipendenza della viscosità dalla temperatura in NADES è di grande importanza per la sua applicazione pratica.
Il pH della soluzione, determinato dal logaritmo negativo della concentrazione di ioni idrogeno, è fondamentale, soprattutto in applicazioni sensibili al pH come la sintesi del DNA, pertanto il pH dei NADES deve essere attentamente studiato prima dell'uso. Prendendo come esempio i NADES a base di acido citrico, si può osservare un pH nettamente acido di 1,91, in netto contrasto con il pH relativamente neutro del glicerolo.
È interessante notare che il pH del solvente solubile in acido citrico deidrogenasi naturale (NADES) ha mostrato un andamento decrescente non lineare con l'aumentare della temperatura. Questo fenomeno è attribuito all'aumento delle vibrazioni molecolari che alterano l'equilibrio di H+ nella soluzione, portando alla formazione di ioni [H]+ e, a sua volta, a una variazione del valore di pH. Mentre il pH naturale dell'acido citrico varia da 3 a 5, la presenza di idrogeno acido nel glicerolo abbassa ulteriormente il pH a 1,91.
L'andamento del pH dei NADES a base di citrato nell'intervallo di temperatura compreso tra 25 e 60 °C può essere opportunamente rappresentato dall'equazione (5), che fornisce un'espressione matematica per l'andamento del pH osservato. La Figura 7 illustra graficamente questa interessante relazione, evidenziando l'effetto della temperatura sul pH dei NADES, che risulta essere pari all'1,4% per AMPE.
L'analisi termogravimetrica (TGA) del solvente eutettico profondo dell'acido citrico naturale (NADES) è stata condotta sistematicamente nell'intervallo di temperatura compreso tra temperatura ambiente e 500 °C. Come si può osservare dalle Figure 8a e b, la perdita di massa iniziale fino a 100 °C era dovuta principalmente all'acqua assorbita e all'acqua di idratazione associata all'acido citrico e al glicerolo puro. È stata osservata una significativa ritenzione di massa di circa l'88% fino a 180 °C, dovuta principalmente alla decomposizione dell'acido citrico in acido aconitico e alla successiva formazione di anidride metilmaleica (III) in seguito a ulteriore riscaldamento (Figura 8 b). Oltre i 180 °C, si è potuta osservare anche una chiara presenza di acroleina (acrilaldeide) nel glicerolo, come mostrato nella Figura 8b37.
L'analisi termogravimetrica (TGA) del glicerolo ha rivelato un processo di perdita di massa in due fasi. La fase iniziale (da 180 a 220 °C) comporta la formazione di acroleina, seguita da una significativa perdita di massa ad alte temperature, da 230 a 300 °C (Figura 8a). All'aumentare della temperatura, si formano in sequenza acetaldeide, anidride carbonica, metano e idrogeno. In particolare, solo il 28% della massa è stato trattenuto a 300 °C, suggerendo che le proprietà intrinseche di NADES 8(a)38,39 potrebbero essere difettose.
Per ottenere informazioni sulla formazione di nuovi legami chimici, sospensioni fresche di solventi eutettici profondi naturali (NADES) sono state analizzate mediante spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier (FTIR). L'analisi è stata eseguita confrontando lo spettro della sospensione di NADES con gli spettri di acido citrico puro (CA) e glicerolo (Gly). Lo spettro di CA ha mostrato picchi chiari a 1752 1/cm e 1673 1/cm, che rappresentano le vibrazioni di stiramento del legame C=O e sono anche caratteristiche di CA. Inoltre, è stato osservato uno spostamento significativo nella vibrazione di flessione dell'OH a 1360 1/cm nella regione dell'impronta digitale, come mostrato in Figura 9.
Analogamente, nel caso del glicerolo, gli spostamenti delle vibrazioni di stretching e bending degli OH sono stati rilevati rispettivamente a numeri d'onda di 3291 1/cm e 1414 1/cm. Ora, analizzando lo spettro dei NADES così preparati, è stato rilevato uno spostamento significativo nello spettro. Come mostrato in Figura 7, la vibrazione di stretching del legame C=O è passata da 1752 1/cm a 1720 1/cm e la vibrazione di bending del legame -OH del glicerolo è passata da 1414 1/cm a 1359 1/cm. Questi spostamenti nei numeri d'onda indicano la variazione di elettronegatività, che a sua volta indica la formazione di nuovi legami chimici nella struttura dei NADES.