Cảm ơn bạn đã truy cập nature.com. Phiên bản trình duyệt bạn đang sử dụng có hỗ trợ CSS hạn chế. Để có trải nghiệm tốt nhất, chúng tôi khuyên bạn nên sử dụng phiên bản trình duyệt mới nhất (hoặc tắt chế độ tương thích trong Internet Explorer). Ngoài ra, để đảm bảo hỗ trợ liên tục, trang web này sẽ không bao gồm các kiểu định dạng hoặc JavaScript.
Sự giãn nở của đá phiến trong các tầng chứa trầm tích tạo ra những vấn đề nghiêm trọng, dẫn đến sự mất ổn định giếng khoan. Vì lý do môi trường, việc sử dụng dung dịch khoan gốc nước có thêm chất ức chế đá phiến được ưu tiên hơn so với dung dịch khoan gốc dầu. Các chất lỏng ion (ILs) đã thu hút nhiều sự chú ý như chất ức chế đá phiến do tính chất có thể điều chỉnh và đặc tính tĩnh điện mạnh mẽ của chúng. Tuy nhiên, các chất lỏng ion gốc imidazolyl (ILs), được sử dụng rộng rãi trong dung dịch khoan, đã được chứng minh là độc hại, không phân hủy sinh học và đắt tiền. Dung môi eutectic sâu (DES) được coi là một giải pháp thay thế tiết kiệm chi phí hơn và ít độc hại hơn so với chất lỏng ion, nhưng chúng vẫn chưa đáp ứng được yêu cầu về tính bền vững môi trường. Những tiến bộ gần đây trong lĩnh vực này đã dẫn đến sự ra đời của các dung môi eutectic sâu tự nhiên (NADES), được biết đến với tính thân thiện với môi trường thực sự. Nghiên cứu này đã khảo sát các NADES, chứa axit citric (như chất nhận liên kết hydro) và glycerol (như chất cho liên kết hydro) làm chất phụ gia cho dung dịch khoan. Dung dịch khoan gốc NADES được phát triển theo tiêu chuẩn API 13B-1 và hiệu suất của chúng được so sánh với dung dịch khoan gốc kali clorua, dung dịch ion gốc imidazolium và dung dịch khoan gốc choline clorua:urea-DES. Các tính chất lý hóa của NADES độc quyền được mô tả chi tiết. Các tính chất lưu biến, tổn thất chất lỏng và khả năng ức chế đá phiến của dung dịch khoan đã được đánh giá trong nghiên cứu, và kết quả cho thấy ở nồng độ 3% NADES, tỷ lệ ứng suất chảy/độ nhớt dẻo (YP/PV) tăng lên, độ dày lớp bùn giảm 26% và thể tích dịch lọc giảm 30,1%. Đặc biệt, NADES đạt được tỷ lệ ức chế giãn nở ấn tượng là 49,14% và tăng sản lượng đá phiến lên 86,36%. Những kết quả này được cho là do khả năng của NADES trong việc điều chỉnh hoạt tính bề mặt, điện thế zeta và khoảng cách giữa các lớp của đất sét, được thảo luận trong bài báo này để hiểu rõ các cơ chế cơ bản. Loại dung dịch khoan bền vững này được kỳ vọng sẽ tạo ra cuộc cách mạng trong ngành công nghiệp khoan bằng cách cung cấp một giải pháp thay thế không độc hại, tiết kiệm chi phí và hiệu quả cao cho các chất ức chế ăn mòn đá phiến truyền thống, mở đường cho các hoạt động khoan thân thiện với môi trường.
Đá phiến là một loại đá đa năng, vừa là nguồn vừa là bể chứa hydrocarbon, và cấu trúc xốp của nó1 mang lại tiềm năng cho cả sản xuất và lưu trữ các nguồn tài nguyên quý giá này. Tuy nhiên, đá phiến rất giàu khoáng chất sét như montmorillonite, smectite, kaolinite và illite, khiến nó dễ bị trương nở khi tiếp xúc với nước, dẫn đến sự mất ổn định giếng khoan trong quá trình khoan2,3. Những vấn đề này có thể dẫn đến thời gian không hiệu quả (NPT) và hàng loạt các vấn đề vận hành bao gồm kẹt ống, mất tuần hoàn bùn, sụp đổ giếng khoan và bám bẩn mũi khoan, làm tăng thời gian và chi phí phục hồi. Theo truyền thống, dung dịch khoan gốc dầu (OBDF) là lựa chọn ưu tiên cho các tầng đá phiến do khả năng chống lại sự giãn nở của đá phiến4. Tuy nhiên, việc sử dụng dung dịch khoan gốc dầu kéo theo chi phí cao hơn và rủi ro môi trường. Dung dịch khoan gốc tổng hợp (SBDF) đã được xem xét như một giải pháp thay thế, nhưng tính phù hợp của chúng ở nhiệt độ cao lại không đạt yêu cầu. Dung dịch khoan gốc nước (WBDF) là một giải pháp hấp dẫn vì chúng an toàn hơn, thân thiện với môi trường hơn và tiết kiệm chi phí hơn so với OBDF5. Nhiều chất ức chế đá phiến đã được sử dụng để tăng cường khả năng ức chế đá phiến của WBDF, bao gồm các chất ức chế truyền thống như kali clorua, vôi, silicat và polyme. Tuy nhiên, các chất ức chế này có những hạn chế về hiệu quả và tác động đến môi trường, đặc biệt là do nồng độ K+ cao trong chất ức chế kali clorua và độ nhạy pH của silicat.⁶ Các nhà nghiên cứu đã khám phá khả năng sử dụng chất lỏng ion làm chất phụ gia cho dung dịch khoan để cải thiện tính lưu biến của dung dịch khoan và ngăn ngừa sự trương nở đá phiến và sự hình thành hydrat. Tuy nhiên, các chất lỏng ion này, đặc biệt là những chất chứa cation imidazolyl, thường độc hại, đắt tiền, không phân hủy sinh học và đòi hỏi quy trình điều chế phức tạp. Để giải quyết những vấn đề này, người ta bắt đầu tìm kiếm một giải pháp thay thế kinh tế hơn và thân thiện với môi trường hơn, dẫn đến sự xuất hiện của dung môi eutectic sâu (DES). DES là một hỗn hợp eutectic được hình thành bởi chất cho liên kết hydro (HBD) và chất nhận liên kết hydro (HBA) ở tỷ lệ mol và nhiệt độ cụ thể. Các hỗn hợp eutectic này có điểm nóng chảy thấp hơn các thành phần riêng lẻ của chúng, chủ yếu là do sự phân tán điện tích gây ra bởi liên kết hydro. Nhiều yếu tố, bao gồm năng lượng mạng tinh thể, sự thay đổi entropy và tương tác giữa các anion và HBD, đóng vai trò quan trọng trong việc làm giảm điểm nóng chảy của DES.
Trong các nghiên cứu trước đây, nhiều chất phụ gia đã được thêm vào dung dịch khoan gốc nước để giải quyết vấn đề giãn nở đá phiến. Ví dụ, Ofei et al. đã thêm 1-butyl-3-methylimidazolium chloride (BMIM-Cl), giúp giảm đáng kể độ dày lớp bùn (lên đến 50%) và giảm giá trị YP/PV xuống 11 ở các nhiệt độ khác nhau. Huang et al. đã sử dụng chất lỏng ion (cụ thể là 1-hexyl-3-methylimidazolium bromide và 1,2-bis(3-hexylimidazol-1-yl)ethane bromide) kết hợp với các hạt Na-Bt và giảm đáng kể sự trương nở của đá phiến lần lượt là 86,43% và 94,17%.¹² Ngoài ra, Yang et al. đã sử dụng 1-vinyl-3-dodecylimidazolium bromide và 1-vinyl-3-tetradecylimidazolium bromide để giảm sự trương nở của đá phiến lần lượt là 16,91% và 5,81%.¹³ Yang et al. Ngoài ra, họ cũng sử dụng 1-vinyl-3-ethylimidazolium bromide và giảm sự giãn nở của đá phiến sét xuống 31,62% trong khi vẫn duy trì tỷ lệ thu hồi đá phiến sét ở mức 40,60%. 14 Thêm vào đó, Luo et al. đã sử dụng 1-octyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate để giảm sự trương nở của đá phiến sét xuống 80%. 15, 16 Dai et al. đã sử dụng các chất đồng trùng hợp lỏng ion để ức chế đá phiến sét và đạt được mức tăng 18% về tỷ lệ thu hồi tuyến tính so với các chất ức chế amin. 17
Bản thân các chất lỏng ion có một số nhược điểm, điều này đã thúc đẩy các nhà khoa học tìm kiếm các giải pháp thay thế thân thiện với môi trường hơn cho chất lỏng ion, và do đó DES ra đời. Hanjia là người đầu tiên sử dụng dung môi eutectic sâu (DES) bao gồm vinyl clorua axit propionic (1:1), vinyl clorua axit 3-phenylpropionic (1:2) và axit 3-mercaptopropionic + axit itaconic + vinyl clorua (1:1:2), giúp ức chế sự trương nở của bentonit lần lượt là 68%, 58% và 58%¹⁸. Trong một thí nghiệm tự do, MH Rasul đã sử dụng tỷ lệ 2:1 giữa glycerol và kali cacbonat (DES) và giảm đáng kể sự trương nở của các mẫu đá phiến sét xuống 87%^19,20. Ma đã sử dụng urê:vinyl clorua để giảm đáng kể sự giãn nở của đá phiến sét xuống 67%.²¹ Rasul và cộng sự đã sử dụng sự kết hợp giữa DES và polyme như một chất ức chế đá phiến sét tác động kép, đạt được hiệu quả ức chế đá phiến sét tuyệt vời²².
Mặc dù dung môi eutectic sâu (DES) thường được coi là một lựa chọn thay thế thân thiện với môi trường hơn so với chất lỏng ion, nhưng chúng cũng chứa các thành phần có khả năng gây độc hại như muối amoni, điều này khiến tính thân thiện với môi trường của chúng bị đặt dấu hỏi. Vấn đề này đã dẫn đến sự phát triển của dung môi eutectic sâu tự nhiên (NADES). Chúng vẫn được phân loại là DES, nhưng được cấu tạo từ các chất và muối tự nhiên, bao gồm kali clorua (KCl), canxi clorua (CaCl2), muối Epsom (MgSO4.7H2O) và các chất khác. Vô số sự kết hợp tiềm năng giữa DES và NADES mở ra phạm vi nghiên cứu rộng lớn trong lĩnh vực này và được kỳ vọng sẽ tìm thấy ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Một số nhà nghiên cứu đã phát triển thành công các sự kết hợp DES mới đã được chứng minh là hiệu quả trong nhiều ứng dụng. Ví dụ, Naser và cộng sự (2013) đã tổng hợp DES dựa trên kali cacbonat và nghiên cứu các tính chất nhiệt vật lý của nó, sau đó tìm thấy ứng dụng trong các lĩnh vực ức chế hydrat, phụ gia dung dịch khoan, khử lignin và tạo sợi nano. 23 Jordy Kim và các cộng sự đã phát triển NADES dựa trên axit ascorbic và đánh giá các đặc tính chống oxy hóa của nó trong nhiều ứng dụng khác nhau. 24 Christer và cộng sự đã phát triển NADES dựa trên axit citric và xác định tiềm năng của nó như một tá dược cho các sản phẩm collagen. 25 Liu Yi và các cộng sự đã tổng kết các ứng dụng của NADES như môi trường chiết xuất và sắc ký trong một bài đánh giá toàn diện, trong khi Misan và cộng sự đã thảo luận về các ứng dụng thành công của NADES trong lĩnh vực nông thực phẩm. Điều cần thiết là các nhà nghiên cứu về dung dịch khoan cần bắt đầu chú ý đến hiệu quả của NADES trong các ứng dụng của họ. Gần đây, vào năm 2023, Rasul và cộng sự đã sử dụng các kết hợp khác nhau của dung môi eutectic sâu tự nhiên dựa trên axit ascorbic26, canxi clorua27, kali clorua28 và muối Epsom29 và đạt được khả năng ức chế và thu hồi đá phiến ấn tượng. Nghiên cứu này là một trong những nghiên cứu đầu tiên giới thiệu NADES (đặc biệt là công thức gốc axit citric và glycerol) như một chất ức chế đá phiến thân thiện với môi trường và hiệu quả trong dung dịch khoan gốc nước, với đặc điểm là độ ổn định môi trường tuyệt vời, khả năng ức chế đá phiến được cải thiện và hiệu suất dung dịch được nâng cao so với các chất ức chế truyền thống như KCl, chất lỏng ion gốc imidazolyl và DES truyền thống.
Nghiên cứu này sẽ bao gồm việc tự chuẩn bị NADES gốc axit citric (CA), tiếp theo là đặc tính lý hóa chi tiết và việc sử dụng nó như một chất phụ gia trong dung dịch khoan để đánh giá các đặc tính của dung dịch khoan và khả năng ức chế trương nở của nó. Trong nghiên cứu này, CA sẽ hoạt động như một chất nhận liên kết hydro trong khi glycerol (Gly) sẽ hoạt động như một chất cho liên kết hydro được lựa chọn dựa trên tiêu chí sàng lọc MH để hình thành/lựa chọn NADES trong các nghiên cứu ức chế đá phiến sét30. Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR), nhiễu xạ tia X (XRD) và các phép đo điện thế zeta (ZP) sẽ làm sáng tỏ sự tương tác giữa NADES và đất sét cũng như cơ chế ức chế trương nở đất sét. Ngoài ra, nghiên cứu này sẽ so sánh dung dịch khoan gốc CA NADES với DES32 dựa trên 1-ethyl-3-methylimidazolium chloride [EMIM]Cl7,12,14,17,31, KCl và choline chloride:urea (1:2) để điều tra hiệu quả của chúng trong việc ức chế đá phiến sét và cải thiện hiệu suất dung dịch khoan.
Axit citric (monohydrat), glycerol (99 USP) và urê được mua từ EvaChem, Kuala Lumpur, Malaysia. Choline clorua (>98%), [EMIM]Cl 98% và kali clorua được mua từ Sigma Aldrich, Malaysia. Cấu trúc hóa học của tất cả các hóa chất được thể hiện trong Hình 1. Sơ đồ màu xanh lá cây so sánh các hóa chất chính được sử dụng trong nghiên cứu này: chất lỏng ion imidazolyl, choline clorua (DES), axit citric, glycerol, kali clorua và NADES (axit citric và glycerol). Bảng đánh giá mức độ thân thiện với môi trường của các hóa chất được sử dụng trong nghiên cứu này được trình bày trong Bảng 1. Trong bảng, mỗi hóa chất được đánh giá dựa trên độc tính, khả năng phân hủy sinh học, chi phí và tính bền vững môi trường.
Cấu trúc hóa học của các vật liệu được sử dụng trong nghiên cứu này: (a) axit citric, (b) [EMIM]Cl, (c) choline chloride và (d) glycerol.
Các chất cho liên kết hydro (HBD) và chất nhận liên kết hydro (HBA) tiềm năng để phát triển NADES dựa trên CA (dung môi eutectic sâu tự nhiên) đã được lựa chọn cẩn thận theo tiêu chí lựa chọn MH 30, nhằm mục đích phát triển NADES như chất ức chế đá phiến hiệu quả. Theo tiêu chí này, các thành phần có số lượng lớn chất cho và nhận liên kết hydro cũng như các nhóm chức phân cực được coi là phù hợp cho việc phát triển NADES.
Ngoài ra, dung dịch ion [EMIM]Cl và dung môi eutectic sâu choline chloride:urea (DES) được chọn để so sánh trong nghiên cứu này vì chúng được sử dụng rộng rãi làm chất phụ gia cho dung dịch khoan33,34,35,36. Thêm vào đó, kali clorua (KCl) cũng được so sánh vì nó là một chất ức chế phổ biến.
Axit citric và glycerol được trộn với nhau theo các tỷ lệ mol khác nhau để thu được hỗn hợp eutectic. Quan sát bằng mắt thường cho thấy hỗn hợp eutectic là một chất lỏng đồng nhất, trong suốt, không bị đục, cho thấy chất cho liên kết hydro (HBD) và chất nhận liên kết hydro (HBA) đã được trộn thành công trong thành phần eutectic này. Các thí nghiệm sơ bộ đã được tiến hành để quan sát sự phụ thuộc nhiệt độ của quá trình trộn HBD và HBA. Theo các tài liệu hiện có, tỷ lệ hỗn hợp eutectic được đánh giá ở ba nhiệt độ cụ thể trên 50 °C, 70 °C và 100 °C, cho thấy nhiệt độ eutectic thường nằm trong khoảng 50–80 °C. Cân điện tử Mettler được sử dụng để cân chính xác các thành phần HBD và HBA, và bếp điện Thermo Fisher được sử dụng để làm nóng và khuấy HBD và HBA ở tốc độ 100 vòng/phút trong điều kiện được kiểm soát.
Các tính chất nhiệt vật lý của dung môi eutectic sâu (DES) tổng hợp của chúng tôi, bao gồm mật độ, sức căng bề mặt, chiết suất và độ nhớt, đã được đo chính xác trong phạm vi nhiệt độ từ 289,15 đến 333,15 K. Cần lưu ý rằng phạm vi nhiệt độ này được chọn chủ yếu do những hạn chế của thiết bị hiện có. Phân tích toàn diện bao gồm nghiên cứu chuyên sâu về các tính chất nhiệt vật lý khác nhau của công thức NADES này, cho thấy hành vi của chúng trong một phạm vi nhiệt độ. Việc tập trung vào phạm vi nhiệt độ cụ thể này cung cấp những hiểu biết sâu sắc về các tính chất của NADES có tầm quan trọng đặc biệt đối với một số ứng dụng.
Sức căng bề mặt của NADES được điều chế được đo trong khoảng nhiệt độ từ 289,15 đến 333,15 K bằng máy đo sức căng bề mặt (IFT700). Các giọt NADES được tạo thành trong một buồng chứa một lượng lớn chất lỏng bằng kim mao dẫn dưới các điều kiện nhiệt độ và áp suất cụ thể. Các hệ thống hình ảnh hiện đại đưa ra các thông số hình học thích hợp để tính toán sức căng bề mặt bằng phương trình Laplace.
Máy đo chiết suất ATAGO được sử dụng để xác định chiết suất của dung dịch NADES mới pha chế trong khoảng nhiệt độ từ 289,15 đến 333,15 K. Thiết bị này sử dụng mô-đun nhiệt để điều chỉnh nhiệt độ nhằm ước tính độ khúc xạ của ánh sáng, loại bỏ nhu cầu sử dụng bể nước ổn định nhiệt độ. Bề mặt lăng kính của máy đo chiết suất cần được làm sạch và dung dịch mẫu cần được phân bố đều trên đó. Hiệu chuẩn bằng dung dịch chuẩn đã biết, sau đó đọc chiết suất từ ​​màn hình.
Độ nhớt của NADES được điều chế được đo trong khoảng nhiệt độ từ 289,15 đến 333,15 K bằng máy đo độ nhớt quay Brookfield (loại đông lạnh) ở tốc độ cắt 30 vòng/phút và kích thước trục quay là 6. Máy đo độ nhớt đo độ nhớt bằng cách xác định mô-men xoắn cần thiết để quay trục quay ở tốc độ không đổi trong mẫu chất lỏng. Sau khi mẫu được đặt trên lưới lọc dưới trục quay và siết chặt, máy đo độ nhớt sẽ hiển thị độ nhớt tính bằng centipoise (cP), cung cấp thông tin có giá trị về các tính chất lưu biến của chất lỏng.
Máy đo mật độ cầm tay DMA 35 Basic được sử dụng để xác định mật độ của dung môi eutectic sâu tự nhiên (NDEES) mới pha chế trong khoảng nhiệt độ 289,15–333,15 K. Do thiết bị không có bộ phận gia nhiệt tích hợp, nên cần phải làm nóng trước đến nhiệt độ quy định (± 2 °C) trước khi sử dụng máy đo mật độ NADES. Hút ít nhất 2 ml mẫu qua ống, và mật độ sẽ được hiển thị ngay lập tức trên màn hình. Cần lưu ý rằng do thiếu bộ phận gia nhiệt tích hợp, kết quả đo có sai số ± 2 °C.
Để đánh giá độ pH của dung dịch NADES mới pha trong khoảng nhiệt độ 289,15–333,15 K, chúng tôi đã sử dụng máy đo pH để bàn Kenis. Do máy không có thiết bị gia nhiệt tích hợp, nên trước tiên chúng tôi đã làm nóng dung dịch NADES đến nhiệt độ mong muốn (±2 °C) bằng bếp điện, sau đó đo trực tiếp bằng máy đo pH. Nhúng hoàn toàn đầu dò của máy đo pH vào dung dịch NADES và ghi lại giá trị cuối cùng sau khi chỉ số ổn định.
Phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) được sử dụng để đánh giá độ ổn định nhiệt của dung môi eutectic sâu tự nhiên (NADES). Các mẫu được phân tích trong quá trình gia nhiệt. Sử dụng cân có độ chính xác cao và theo dõi cẩn thận quá trình gia nhiệt, đồ thị biểu diễn sự giảm khối lượng theo nhiệt độ đã được tạo ra. NADES được gia nhiệt từ 0 đến 500 °C với tốc độ 1 °C mỗi phút.
Để bắt đầu quy trình, mẫu NADES phải được trộn kỹ, đồng nhất và loại bỏ độ ẩm bề mặt. Mẫu đã chuẩn bị sau đó được đặt trong cốc đo TGA, thường được làm bằng vật liệu trơ như nhôm. Để đảm bảo kết quả chính xác, các thiết bị TGA được hiệu chuẩn bằng vật liệu tham chiếu, thường là các chuẩn trọng lượng. Sau khi hiệu chuẩn, thí nghiệm TGA bắt đầu và mẫu được gia nhiệt một cách có kiểm soát, thường ở tốc độ không đổi. Việc theo dõi liên tục mối quan hệ giữa trọng lượng mẫu và nhiệt độ là một phần quan trọng của thí nghiệm. Các thiết bị TGA thu thập dữ liệu về nhiệt độ, trọng lượng và các thông số khác như lưu lượng khí hoặc nhiệt độ mẫu. Sau khi thí nghiệm TGA hoàn tất, dữ liệu thu thập được sẽ được phân tích để xác định sự thay đổi trọng lượng mẫu theo nhiệt độ. Thông tin này rất có giá trị trong việc xác định phạm vi nhiệt độ liên quan đến các thay đổi vật lý và hóa học trong mẫu, bao gồm các quá trình như nóng chảy, bay hơi, oxy hóa hoặc phân hủy.
Dung dịch khoan gốc nước được pha chế cẩn thận theo tiêu chuẩn API 13B-1, và thành phần cụ thể của nó được liệt kê trong Bảng 2 để tham khảo. Axit citric và glycerol (99 USP) được mua từ Sigma Aldrich, Malaysia để chuẩn bị dung môi eutectic sâu tự nhiên (NADES). Ngoài ra, chất ức chế đá phiến thông thường kali clorua (KCl) cũng được mua từ Sigma Aldrich, Malaysia. 1-ethyl, 3-methylimidazolium chloride ([EMIM]Cl) với độ tinh khiết hơn 98% được lựa chọn do tác dụng đáng kể của nó trong việc cải thiện tính lưu biến của dung dịch khoan và khả năng ức chế đá phiến, điều này đã được xác nhận trong các nghiên cứu trước đây. Cả KCl và ([EMIM]Cl) sẽ được sử dụng trong phân tích so sánh để đánh giá hiệu quả ức chế đá phiến của NADES.
Nhiều nhà nghiên cứu thích sử dụng các mảnh bentonit để nghiên cứu sự trương nở của đá phiến vì bentonit chứa cùng nhóm “montmorillonit” gây ra hiện tượng trương nở đá phiến. Việc thu được các mẫu lõi đá phiến thực sự rất khó khăn vì quá trình lấy mẫu lõi làm mất ổn định đá phiến, dẫn đến các mẫu không hoàn toàn là đá phiến mà thường chứa hỗn hợp các lớp đá sa thạch và đá vôi. Ngoài ra, các mẫu đá phiến thường thiếu nhóm montmorillonit gây ra hiện tượng trương nở đá phiến và do đó không phù hợp cho các thí nghiệm ức chế trương nở.
Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã sử dụng các hạt bentonit tái tạo có đường kính khoảng 2,54 cm. Các hạt được tạo ra bằng cách ép 11,5 gam bột bentonit natri trong máy ép thủy lực ở áp suất 1600 psi. Độ dày của các hạt được đo chính xác trước khi đặt vào máy đo độ giãn nở tuyến tính (LD). Sau đó, các hạt được ngâm trong các mẫu dung dịch khoan, bao gồm các mẫu cơ bản và các mẫu được bơm chất ức chế dùng để ngăn ngừa sự trương nở của đá phiến. Sự thay đổi độ dày của hạt sau đó được theo dõi cẩn thận bằng máy đo LD, với các phép đo được ghi lại sau mỗi 60 giây trong 24 giờ.
Phân tích nhiễu xạ tia X cho thấy thành phần của bentonit, đặc biệt là thành phần montmorillonit chiếm 47%, là yếu tố then chốt trong việc hiểu rõ đặc điểm địa chất của nó. Trong các thành phần montmorillonit của bentonit, montmorillonit là thành phần chính, chiếm 88,6% tổng thành phần. Trong khi đó, thạch anh chiếm 29%, illit chiếm 7% và cacbonat chiếm 9%. Một phần nhỏ (khoảng 3,2%) là hỗn hợp của illit và montmorillonit. Ngoài ra, nó còn chứa các nguyên tố vi lượng như Fe2O3 (4,7%), aluminosilicat bạc (1,2%), muscovit (4%) và phosphat (2,3%). Thêm vào đó, có một lượng nhỏ Na2O (1,83%) và silicat sắt (2,17%), giúp hiểu rõ hơn về các nguyên tố cấu thành của bentonit và tỷ lệ tương ứng của chúng.
Phần nghiên cứu toàn diện này mô tả chi tiết các đặc tính lưu biến và lọc của các mẫu dung dịch khoan được điều chế bằng dung môi eutectic sâu tự nhiên (NADES) và được sử dụng làm chất phụ gia cho dung dịch khoan ở các nồng độ khác nhau (1%, 3% và 5%). Các mẫu bùn dựa trên NADES sau đó được so sánh và phân tích với các mẫu bùn bao gồm kali clorua (KCl), CC:urea DES (dung môi eutectic sâu choline chloride:urea) và chất lỏng ion. Một số thông số chính đã được đề cập trong nghiên cứu này, bao gồm các chỉ số độ nhớt thu được bằng máy đo độ nhớt FANN trước và sau khi tiếp xúc với điều kiện lão hóa ở 100°C và 150°C. Các phép đo được thực hiện ở các tốc độ quay khác nhau (3 vòng/phút, 6 vòng/phút, 300 vòng/phút và 600 vòng/phút), cho phép phân tích toàn diện hành vi của dung dịch khoan. Dữ liệu thu được sau đó có thể được sử dụng để xác định các đặc tính chính như điểm chảy (YP) và độ nhớt dẻo (PV), cung cấp cái nhìn sâu sắc về hiệu suất của dung dịch trong các điều kiện khác nhau. Các thử nghiệm lọc áp suất cao, nhiệt độ cao (HPHT) ở mức 400 psi và 150°C (nhiệt độ điển hình trong các giếng nhiệt độ cao) xác định hiệu suất lọc (độ dày lớp cặn và thể tích dịch lọc).
Phần này sử dụng thiết bị hiện đại, máy đo độ giãn nở tuyến tính Grace HPHT (M4600), để đánh giá kỹ lưỡng các đặc tính ức chế trương nở của dung dịch khoan gốc nước của chúng tôi đối với đá phiến sét. Máy đo độ giãn nở tuyến tính (LSM) là một thiết bị hiện đại gồm hai thành phần: máy nén tấm và máy đo độ giãn nở tuyến tính (mẫu: M4600). Các tấm bentonit được chuẩn bị để phân tích bằng máy nén lõi/tấm Grace. Sau đó, LSM cung cấp dữ liệu trương nở tức thời trên các tấm này, cho phép đánh giá toàn diện các đặc tính ức chế trương nở của đá phiến sét. Các thử nghiệm giãn nở đá phiến sét được tiến hành trong điều kiện môi trường xung quanh, tức là 25°C và 1 psia.
Thử nghiệm độ ổn định của đá phiến bao gồm một thử nghiệm quan trọng thường được gọi là thử nghiệm thu hồi đá phiến, thử nghiệm độ nghiêng đá phiến hoặc thử nghiệm phân tán đá phiến. Để bắt đầu đánh giá này, các mảnh đá phiến được phân tách trên sàng BSS số 6 và sau đó được đặt trên sàng số 10. Sau đó, các mảnh đá phiến được đưa vào bể chứa, nơi chúng được trộn với chất lỏng cơ bản và bùn khoan có chứa NADES (dung môi eutectic sâu tự nhiên). Bước tiếp theo là đặt hỗn hợp vào lò nung để thực hiện quá trình cán nóng mạnh, đảm bảo rằng các mảnh đá phiến và bùn được trộn đều. Sau 16 giờ, các mảnh đá phiến được loại bỏ khỏi hỗn hợp bằng cách cho phép đá phiến phân hủy, dẫn đến giảm trọng lượng của các mảnh đá phiến. Thử nghiệm thu hồi đá phiến được tiến hành sau khi các mảnh đá phiến được giữ trong bùn khoan ở 150°C và 1000 psi.inch trong vòng 24 giờ.
Để đo lường hiệu suất thu hồi bùn đá phiến, chúng tôi đã lọc bùn qua lưới lọc mịn hơn (40 mesh), sau đó rửa kỹ bằng nước và cuối cùng sấy khô trong lò. Quy trình tỉ mỉ này cho phép chúng tôi ước tính lượng bùn thu hồi được so với trọng lượng ban đầu, từ đó tính toán được tỷ lệ phần trăm bùn đá phiến được thu hồi thành công. Nguồn mẫu đá phiến đến từ huyện Niah, huyện Miri, Sarawak, Malaysia. Trước khi tiến hành các thử nghiệm phân tán và thu hồi, các mẫu đá phiến đã được phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) kỹ lưỡng để định lượng thành phần khoáng sét và xác nhận tính phù hợp của chúng cho thử nghiệm. Thành phần khoáng sét của mẫu như sau: illit 18%, kaolinit 31%, clorit 22%, vermiculit 10% và mica 19%.
Sức căng bề mặt là yếu tố then chốt kiểm soát sự thẩm thấu của các cation nước vào các lỗ rỗng siêu nhỏ trong đá phiến sét thông qua hiện tượng mao dẫn, và vấn đề này sẽ được nghiên cứu chi tiết trong phần này. Bài báo này xem xét vai trò của sức căng bề mặt trong tính chất liên kết của dung dịch khoan, nhấn mạnh ảnh hưởng quan trọng của nó đến quá trình khoan, đặc biệt là quá trình ức chế đá phiến sét. Chúng tôi đã sử dụng máy đo sức căng bề mặt (IFT700) để đo chính xác sức căng bề mặt của các mẫu dung dịch khoan, qua đó làm sáng tỏ một khía cạnh quan trọng của hành vi chất lỏng trong bối cảnh ức chế đá phiến sét.
Phần này thảo luận chi tiết về khoảng cách giữa các lớp d, là khoảng cách giữa các lớp aluminosilicat và một lớp aluminosilicat trong đất sét. Phân tích bao gồm các mẫu bùn ướt chứa 1%, 3% và 5% CA NADES, cũng như 3% KCl, 3% [EMIM]Cl và 3% DES gốc CC:urea để so sánh. Máy nhiễu xạ tia X để bàn hiện đại (D2 Phaser) hoạt động ở 40 mA và 45 kV với bức xạ Cu-Kα (λ = 1,54059 Å) đóng vai trò quan trọng trong việc ghi lại các đỉnh nhiễu xạ tia X của cả mẫu Na-Bt ướt và khô. Việc áp dụng phương trình Bragg cho phép xác định chính xác khoảng cách giữa các lớp d, từ đó cung cấp thông tin có giá trị về hành vi của đất sét.
Phần này sử dụng thiết bị Malvern Zetasizer Nano ZSP tiên tiến để đo chính xác điện thế zeta. Việc đánh giá này cung cấp thông tin có giá trị về đặc tính điện tích của các mẫu bùn loãng chứa 1%, 3% và 5% CA NADES, cũng như 3% KCl, 3% [EMIM]Cl và 3% DES gốc CC:urea để phân tích so sánh. Những kết quả này góp phần vào sự hiểu biết của chúng ta về tính ổn định của các hợp chất keo và sự tương tác của chúng trong chất lỏng.
Các mẫu đất sét được kiểm tra trước và sau khi tiếp xúc với dung môi eutectic sâu tự nhiên (NADES) bằng kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường Zeiss Supra 55 VP (FESEM) được trang bị phân tích tia X tán xạ năng lượng (EDX). Độ phân giải hình ảnh là 500 nm và năng lượng chùm tia điện tử là 30 kV và 50 kV. FESEM cung cấp hình ảnh độ phân giải cao về hình thái bề mặt và các đặc điểm cấu trúc của các mẫu đất sét. Mục tiêu của nghiên cứu này là thu thập thông tin về tác động của NADES lên các mẫu đất sét bằng cách so sánh các hình ảnh thu được trước và sau khi tiếp xúc.
Trong nghiên cứu này, công nghệ kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FESEM) được sử dụng để nghiên cứu ảnh hưởng của NADES lên các mẫu đất sét ở cấp độ vi mô. Mục tiêu của nghiên cứu này là làm sáng tỏ các ứng dụng tiềm năng của NADES và ảnh hưởng của nó đến hình thái và kích thước hạt trung bình của đất sét, từ đó cung cấp thông tin có giá trị cho các nghiên cứu trong lĩnh vực này.
Trong nghiên cứu này, các thanh lỗi được sử dụng để mô tả trực quan sự biến động và độ không chắc chắn của sai số phần trăm trung bình (AMPE) giữa các điều kiện thí nghiệm. Thay vì vẽ biểu đồ các giá trị AMPE riêng lẻ (vì việc vẽ biểu đồ các giá trị AMPE có thể che khuất xu hướng và phóng đại các biến động nhỏ), chúng tôi tính toán các thanh lỗi bằng cách sử dụng quy tắc 5%. Cách tiếp cận này đảm bảo rằng mỗi thanh lỗi biểu thị khoảng mà trong đó khoảng tin cậy 95% và 100% giá trị AMPE dự kiến ​​sẽ nằm, từ đó cung cấp một bản tóm tắt rõ ràng và súc tích hơn về phân bố dữ liệu cho mỗi điều kiện thí nghiệm. Việc sử dụng các thanh lỗi dựa trên quy tắc 5% do đó cải thiện khả năng diễn giải và độ tin cậy của các biểu diễn đồ họa và giúp cung cấp sự hiểu biết chi tiết hơn về kết quả và ý nghĩa của chúng.
Trong quá trình tổng hợp dung môi eutectic sâu tự nhiên (NADES), một số thông số quan trọng đã được nghiên cứu kỹ lưỡng trong quá trình điều chế nội bộ. Các yếu tố quan trọng này bao gồm nhiệt độ, tỷ lệ mol và tốc độ trộn. Thí nghiệm của chúng tôi cho thấy khi trộn HBA (axit citric) và HBD (glycerol) với tỷ lệ mol 1:4 ở 50°C, một hỗn hợp eutectic được hình thành. Đặc điểm nổi bật của hỗn hợp eutectic là tính trong suốt, đồng nhất và không có cặn. Do đó, bước quan trọng này nhấn mạnh tầm quan trọng của tỷ lệ mol, nhiệt độ và tốc độ trộn, trong đó tỷ lệ mol là yếu tố ảnh hưởng nhất đến quá trình điều chế DES và NADES, như thể hiện trong Hình 2.
Chỉ số khúc xạ (n) biểu thị tỷ lệ giữa tốc độ ánh sáng trong chân không và tốc độ ánh sáng trong một môi trường thứ hai, đậm đặc hơn. Chỉ số khúc xạ đặc biệt quan trọng đối với các dung môi eutectic sâu tự nhiên (NADES) khi xem xét các ứng dụng nhạy cảm với quang học như cảm biến sinh học. Chỉ số khúc xạ của NADES được nghiên cứu ở 25 °C là 1,452, điều thú vị là nó thấp hơn so với glycerol.
Điều đáng chú ý là chỉ số khúc xạ của NADES giảm theo nhiệt độ, và xu hướng này có thể được mô tả chính xác bằng công thức (1) và Hình 3, với sai số phần trăm trung bình tuyệt đối (AMPE) đạt 0%. Hành vi phụ thuộc vào nhiệt độ này được giải thích bởi sự giảm độ nhớt và mật độ ở nhiệt độ cao, khiến ánh sáng truyền qua môi trường với tốc độ cao hơn, dẫn đến giá trị chỉ số khúc xạ (n) thấp hơn. Những kết quả này cung cấp những hiểu biết có giá trị về việc sử dụng chiến lược NADES trong cảm biến quang học, làm nổi bật tiềm năng của chúng trong các ứng dụng cảm biến sinh học.
Sức căng bề mặt, phản ánh xu hướng giảm thiểu diện tích bề mặt chất lỏng, có tầm quan trọng lớn trong việc đánh giá tính phù hợp của dung môi eutectic sâu tự nhiên (NADES) cho các ứng dụng dựa trên áp suất mao dẫn. Nghiên cứu về sức căng bề mặt trong khoảng nhiệt độ 25–60 °C cung cấp thông tin có giá trị. Ở 25 °C, sức căng bề mặt của NADES gốc axit citric là 55,42 mN/m, thấp hơn đáng kể so với nước và glycerol. Hình 4 cho thấy sức căng bề mặt giảm đáng kể khi nhiệt độ tăng. Hiện tượng này có thể được giải thích bằng sự tăng năng lượng động học phân tử và sự giảm lực hút giữa các phân tử sau đó.
Xu hướng giảm tuyến tính của sức căng bề mặt quan sát được trong NADES được nghiên cứu có thể được thể hiện rõ bằng phương trình (2), minh họa mối quan hệ toán học cơ bản trong phạm vi nhiệt độ 25–60 °C. Đồ thị trong Hình 4 thể hiện rõ xu hướng sức căng bề mặt theo nhiệt độ với sai số phần trăm trung bình tuyệt đối (AMPE) là 1,4%, định lượng độ chính xác của các giá trị sức căng bề mặt được báo cáo. Những kết quả này có ý nghĩa quan trọng đối với việc hiểu hành vi của NADES và các ứng dụng tiềm năng của nó.
Hiểu rõ động lực học mật độ của các dung môi eutectic sâu tự nhiên (NADES) là rất quan trọng để tạo điều kiện thuận lợi cho việc ứng dụng chúng trong nhiều nghiên cứu khoa học. Mật độ của NADES gốc axit citric ở 25°C là 1,361 g/cm3, cao hơn mật độ của glycerol ban đầu. Sự khác biệt này có thể được giải thích bằng việc bổ sung chất nhận liên kết hydro (axit citric) vào glycerol.
Lấy NADES gốc citrate làm ví dụ, mật độ của nó giảm xuống còn 1,19 g/cm3 ở 60°C. Sự gia tăng động năng khi đun nóng khiến các phân tử NADES phân tán, chiếm thể tích lớn hơn, dẫn đến giảm mật độ. Sự giảm mật độ quan sát được cho thấy mối tương quan tuyến tính nhất định với sự gia tăng nhiệt độ, có thể được biểu thị chính xác bằng công thức (3). Hình 5 trình bày đồ họa các đặc điểm này của sự thay đổi mật độ NADES với sai số phần trăm trung bình tuyệt đối (AMPE) là 1,12%, cung cấp thước đo định lượng về độ chính xác của các giá trị mật độ được báo cáo.
Độ nhớt là lực hút giữa các lớp khác nhau của chất lỏng chuyển động và đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu rõ khả năng ứng dụng của dung môi eutectic sâu tự nhiên (NADES) trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Ở 25 °C, độ nhớt của NADES là 951 cP, cao hơn so với glycerol.
Sự giảm độ nhớt quan sát được khi nhiệt độ tăng chủ yếu được giải thích bởi sự suy yếu của lực hút giữa các phân tử. Hiện tượng này dẫn đến sự giảm độ nhớt của chất lỏng, một xu hướng được thể hiện rõ ràng trong Hình 6 và được định lượng bằng Phương trình (4). Đáng chú ý, ở 60°C, độ nhớt giảm xuống còn 898 cP với sai số phần trăm trung bình tổng thể (AMPE) là 1,4%. Hiểu biết chi tiết về sự phụ thuộc của độ nhớt vào nhiệt độ trong NADES rất quan trọng đối với ứng dụng thực tiễn của nó.
Độ pH của dung dịch, được xác định bằng logarit âm của nồng độ ion hydro, rất quan trọng, đặc biệt trong các ứng dụng nhạy cảm với pH như tổng hợp DNA, do đó độ pH của NADES phải được nghiên cứu kỹ lưỡng trước khi sử dụng. Lấy NADES gốc axit citric làm ví dụ, có thể quan sát thấy độ pH khá axit là 1,91, trái ngược hoàn toàn với độ pH tương đối trung tính của glycerol.
Điều thú vị là, độ pH của dung môi hòa tan dehydrogenase axit citric tự nhiên (NADES) cho thấy xu hướng giảm không tuyến tính khi nhiệt độ tăng. Hiện tượng này được cho là do sự gia tăng dao động phân tử làm phá vỡ sự cân bằng H+ trong dung dịch, dẫn đến sự hình thành các ion [H]+ và, do đó, làm thay đổi giá trị pH. Trong khi độ pH tự nhiên của axit citric nằm trong khoảng từ 3 đến 5, sự hiện diện của hydro axit trong glycerol làm giảm độ pH xuống còn 1,91.
Hành vi pH của NADES gốc citrate trong phạm vi nhiệt độ 25–60 °C có thể được biểu diễn một cách thích hợp bằng phương trình (5), cung cấp biểu thức toán học cho xu hướng pH quan sát được. Hình 7 mô tả đồ họa mối quan hệ thú vị này, làm nổi bật ảnh hưởng của nhiệt độ đến pH của NADES, được báo cáo là 1,4% đối với AMPE.
Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) của dung môi eutectic sâu axit citric tự nhiên (NADES) được thực hiện một cách có hệ thống trong phạm vi nhiệt độ từ nhiệt độ phòng đến 500 °C. Như có thể thấy từ Hình 8a và b, sự mất khối lượng ban đầu lên đến 100 °C chủ yếu là do nước hấp thụ và nước hydrat hóa liên quan đến axit citric và glycerol nguyên chất. Sự giữ lại khối lượng đáng kể khoảng 88% được quan sát thấy lên đến 180 °C, chủ yếu là do sự phân hủy axit citric thành axit aconitic và sự hình thành tiếp theo của anhydrit metylmaleic(III) khi tiếp tục đun nóng (Hình 8 b). Trên 180 °C, sự xuất hiện rõ ràng của acrolein (acrylaldehyde) trong glycerol cũng có thể được quan sát thấy, như thể hiện trong Hình 8b37.
Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) của glycerol cho thấy quá trình mất khối lượng diễn ra theo hai giai đoạn. Giai đoạn đầu (180 đến 220 °C) liên quan đến sự hình thành acrolein, tiếp theo là sự mất khối lượng đáng kể ở nhiệt độ cao từ 230 đến 300 °C (Hình 8a). Khi nhiệt độ tăng, acetaldehyde, carbon dioxide, methane và hydro được hình thành tuần tự. Đáng chú ý, chỉ có 28% khối lượng được giữ lại ở 300 °C, cho thấy các đặc tính nội tại của NADES 8(a)38,39 có thể bị khiếm khuyết.
Để thu thập thông tin về sự hình thành các liên kết hóa học mới, các huyền phù dung môi eutectic sâu tự nhiên (NADES) mới được điều chế đã được phân tích bằng quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR). Phân tích được thực hiện bằng cách so sánh phổ của huyền phù NADES với phổ của axit citric (CA) và glycerol (Gly) nguyên chất. Phổ CA cho thấy các đỉnh rõ ràng ở 1752 1/cm và 1673 1/cm, đại diện cho các dao động kéo giãn của liên kết C=O và cũng là đặc trưng của CA. Ngoài ra, một sự dịch chuyển đáng kể trong dao động uốn OH ở 1360 1/cm đã được quan sát thấy trong vùng vân tay, như thể hiện trong Hình 9.
Tương tự, trong trường hợp glycerol, sự dịch chuyển của dao động kéo giãn và uốn cong OH được tìm thấy ở các số sóng lần lượt là 3291 1/cm và 1414 1/cm. Giờ đây, bằng cách phân tích phổ của NADES được điều chế, một sự dịch chuyển đáng kể trong phổ đã được tìm thấy. Như thể hiện trong Hình 7, dao động kéo giãn của liên kết C=O dịch chuyển từ 1752 1/cm đến 1720 1/cm và dao động uốn cong của liên kết -OH của glycerol dịch chuyển từ 1414 1/cm đến 1359 1/cm. Những sự dịch chuyển số sóng này cho thấy sự thay đổi độ âm điện, điều này chỉ ra sự hình thành các liên kết hóa học mới trong cấu trúc của NADES.