nature.com saytına daxil olduğunuz üçün təşəkkür edirik. İstifadə etdiyiniz brauzer versiyasında CSS dəstəyi məhduddur. Ən yaxşı təcrübə üçün ən son brauzer versiyasından istifadə etməyi (və ya Internet Explorer-də uyğunluq rejimini söndürməyi) tövsiyə edirik. Bundan əlavə, davamlı dəstəyi təmin etmək üçün bu saytda stillər və ya JavaScript olmayacaq.
Qatı yataqlarda şist genişlənməsi əhəmiyyətli problemlər yaradır və quyu lüləsinin qeyri-sabitliyinə səbəb olur. Ətraf mühit səbəblərinə görə, əlavə şist inhibitorları olan su əsaslı qazma mayesinin istifadəsi neft əsaslı qazma mayesindən daha çox üstünlük təşkil edir. İon mayeləri (İM) tənzimlənən xüsusiyyətləri və güclü elektrostatik xüsusiyyətlərinə görə şist inhibitorları kimi çox diqqət çəkib. Bununla belə, qazma mayelərində geniş istifadə olunan imidazolil əsaslı ion mayeləri (İM) zəhərli, bioloji parçalanmayan və bahalı olduğu sübut edilmişdir. Dərin evtektik həlledicilər (DES) ion mayelərinə daha səmərəli və daha az zəhərli alternativ hesab olunur, lakin onlar yenə də tələb olunan ətraf mühit dayanıqlığına cavab vermir. Bu sahədəki son irəliləyişlər əsl ekoloji təmizliyi ilə tanınan təbii dərin evtektik həlledicilərin (NADES) tətbiqinə səbəb olmuşdur. Bu tədqiqatda qazma mayesi əlavələri kimi limon turşusu (hidrogen rabitəsi qəbuledicisi kimi) və qliserol (hidrogen rabitəsi donoru kimi) ehtiva edən NADES-lər araşdırılmışdır. NADES əsaslı qazma mayeləri API 13B-1 standartına uyğun olaraq hazırlanmış və onların performansı kalium xlorid əsaslı qazma mayeləri, imidazolium əsaslı ion mayeləri və xolin xlorid:karbamid-DES əsaslı qazma mayeləri ilə müqayisə edilmişdir. Mülkiyyətçi NADES-lərin fiziki-kimyəvi xüsusiyyətləri ətraflı təsvir edilmişdir. Tədqiqat zamanı qazma mayesinin reoloji xüsusiyyətləri, maye itkisi və şist inhibisiya xüsusiyyətləri qiymətləndirilmiş və 3% NADES konsentrasiyasında məhsuldarlıq gərginliyi/plastik özlülük nisbətinin (YP/PV) artdığı, palçıq tortunun qalınlığının 26% azaldığı və filtrat həcminin 30,1% azaldığı göstərilmişdir. Xüsusilə, NADES təsirli genişlənmə inhibisiya sürətini 49,14% əldə etmiş və şist istehsalını 86,36% artırmışdır. Bu nəticələr NADES-in əsas mexanizmləri anlamaq üçün bu məqalədə müzakirə olunan gillərin səth aktivliyini, zeta potensialını və təbəqələrarası boşluğunu dəyişdirmək qabiliyyətinə aiddir. Bu dayanıqlı qazma mayesinin ənənəvi şist korroziya inhibitorlarına toksik olmayan, səmərəli və yüksək effektiv alternativ təmin etməklə qazma sənayesində inqilab yaratması və ekoloji cəhətdən təmiz qazma təcrübələrinə yol açması gözlənilir.
Şist həm karbohidrogen mənbəyi, həm də ehtiyatı kimi xidmət edən çox yönlü bir süxurdur və onun məsaməli quruluşu1 bu qiymətli ehtiyatların həm istehsalı, həm də saxlanması üçün potensial yaradır. Bununla belə, şist montmorillonit, smektit, kaolinit və illit kimi gil mineralları ilə zəngindir ki, bu da suya məruz qaldıqda şişməyə meylli olur və bu da qazma əməliyyatları zamanı quyu lüləsinin qeyri-sabitliyinə səbəb olur2,3. Bu problemlər qeyri-məhsuldar vaxta (NPT) və boruların ilişib qalması, palçıq dövranının itirilməsi, quyu lüləsinin çökməsi və çuxurların çirklənməsi də daxil olmaqla bir sıra əməliyyat problemlərinə səbəb ola bilər ki, bu da bərpa müddətini və xərcləri artırır. Ənənəvi olaraq, şist genişlənməsinə müqavimət göstərmək qabiliyyətinə görə neft əsaslı qazma mayeləri (OBDF) şist formasiyaları üçün üstünlük verilən seçim olmuşdur4. Lakin, neft əsaslı qazma mayelərinin istifadəsi daha yüksək xərclər və ekoloji risklər yaradır. Sintetik əsaslı qazma mayeləri (SBDF) alternativ kimi nəzərdən keçirilmişdir, lakin onların yüksək temperaturda uyğunluğu qənaətbəxş deyil. Su əsaslı qazma mayeləri (SBDF) cəlbedici bir həlldir, çünki onlar OBDF5-dən daha təhlükəsiz, daha ekoloji cəhətdən təmiz və daha səmərəlidirlər. WBDF-nin şist inhibisiya qabiliyyətini artırmaq üçün müxtəlif şist inhibitorlarından, o cümlədən kalium xlorid, əhəng, silikat və polimer kimi ənənəvi inhibitorlardan istifadə edilmişdir. Lakin, bu inhibitorların effektivliyi və ətraf mühitə təsiri baxımından məhdudiyyətləri var, xüsusən də kalium xlorid inhibitorlarında yüksək K+ konsentrasiyası və silikatların pH həssaslığı səbəbindən. 6 Tədqiqatçılar qazma mayesinin reologiyasını yaxşılaşdırmaq və şist şişkinliyinin və hidrat əmələ gəlməsinin qarşısını almaq üçün ion mayelərindən qazma mayesi əlavələri kimi istifadə imkanlarını araşdırdılar. Lakin, bu ion mayeləri, xüsusən də imidazolil kationları olanlar, ümumiyyətlə zəhərli, bahalı, bioloji parçalanmayan və mürəkkəb hazırlıq prosesləri tələb edir. Bu problemləri həll etmək üçün insanlar daha iqtisadi və ekoloji cəhətdən təmiz alternativ axtarmağa başladılar ki, bu da dərin evtektik həlledicilərin (DES) ortaya çıxmasına səbəb oldu. DES, müəyyən bir molar nisbətdə və temperaturda hidrogen rabitəsi donoru (HBD) və hidrogen rabitəsi akseptoru (HBA) tərəfindən əmələ gələn evtektik qarışıqdır. Bu evtektik qarışıqlar, əsasən hidrogen rabitələrinin yaratdığı yük delokalizasiyasına görə fərdi komponentlərinə nisbətən daha aşağı ərimə nöqtələrinə malikdir. DES-in ərimə nöqtəsinin aşağı salınmasında qəfəs enerjisi, entropiya dəyişikliyi və anionlarla HBD arasındakı qarşılıqlı təsirlər də daxil olmaqla bir çox amillər əsas rol oynayır.
Əvvəlki tədqiqatlarda şist genişlənməsi problemini həll etmək üçün su əsaslı qazma mayesinə müxtəlif qatqılar əlavə edilmişdir. Məsələn, Ofei və digərləri 1-butil-3-metilimidazolium xlorid (BMIM-Cl) əlavə etmişlər ki, bu da palçıq tortunun qalınlığını əhəmiyyətli dərəcədə azaltmış (50%-ə qədər) və müxtəlif temperaturlarda YP/PV dəyərini 11 azaltmışdır. Huang və digərləri ion mayelərini (xüsusən də 1-heksil-3-metilimidazolium bromid və 1,2-bis(3-heksilimidazol-1-il)etan bromid) Na-Bt hissəcikləri ilə birlikdə istifadə etmiş və şist şişkinliyini müvafiq olaraq 86,43% və 94,17% əhəmiyyətli dərəcədə azaltmışdır12. Bundan əlavə, Yang və digərləri şist şişkinliyini müvafiq olaraq 16,91% və 5,81% azaltmaq üçün 1-vinil-3-dodesilimidazolium bromid və 1-vinil-3-tetradesilimidazolium bromiddən istifadə etmişdirlər. 13 Yang və digərləri. həmçinin 1-vinil-3-etilimidazolium bromiddən istifadə edərək şist genişlənməsini 31,62% azaltmış, şist bərpasını isə 40,60% səviyyəsində saxlamışdır.14 Bundan əlavə, Luo və digərləri şist şişkinliyini 80% azaltmaq üçün 1-oktil-3-metilimidazolium tetrafluoroboratdan istifadə etmişdir.15,16 Dai və digərləri şist inhibə etmək üçün ion maye kopolimerlərindən istifadə etmiş və amin inhibitorları ilə müqayisədə xətti bərpada 18% artım əldə etmişdir.17
İon mayelərinin özlərinin bəzi çatışmazlıqları var ki, bu da alimləri ion mayelərinə daha ekoloji cəhətdən təmiz alternativlər axtarmağa sövq etdi və beləliklə, DES yarandı. Hanjia, vinil xlorid propion turşusundan (1:1), vinil xlorid 3-fenilpropion turşusundan (1:2) və 3-merkaptopropion turşusu + itakon turşusu + vinil xloriddən (1:1:2) ibarət dərin evtektik həlledicilərdən (DES) ilk istifadə edən şirkət oldu ki, bu da bentonitin şişməsini müvafiq olaraq 68%, 58% və 58% inhibə etdi18. Sərbəst bir təcrübədə MH Rəsul 2:1 nisbətində qliserol və kalium karbonatdan (DES) istifadə etdi və şist nümunələrinin şişməsini 87% əhəmiyyətli dərəcədə azaltdı19,20. Ma şist genişlənməsini 67% əhəmiyyətli dərəcədə azaltmaq üçün karbamid:vinil xloriddən istifadə etdi.21 Rəsul və digərləri. DES və polimerin kombinasiyası ikiqat təsirli şist inhibitoru kimi istifadə edildi və bu da əla şist inhibitor effekti əldə etdi22.
Dərin evtektik həlledicilər (DES) ümumiyyətlə ion mayelərinə daha ekoloji cəhətdən təmiz alternativ hesab edilsə də, onların tərkibində ammonium duzları kimi potensial zəhərli komponentlər də var ki, bu da onların ekoloji cəhətdən təmizliyini şübhə altına alır. Bu problem təbii dərin evtektik həlledicilərin (NADES) inkişafına səbəb olmuşdur. Onlar hələ də DES kimi təsnif edilir, lakin kalium xlorid (KCl), kalsium xlorid (CaCl2), Epsom duzları (MgSO4.7H2O) və digərləri daxil olmaqla təbii maddələrdən və duzlardan ibarətdir. DES və NADES-in çoxsaylı potensial kombinasiyaları bu sahədə tədqiqatlar üçün geniş imkanlar açır və müxtəlif sahələrdə tətbiq tapması gözlənilir. Bir neçə tədqiqatçı müxtəlif tətbiqlərdə effektiv olduğunu sübut edən yeni DES kombinasiyalarını uğurla inkişaf etdirmişdir. Məsələn, Naser və digərləri 2013-cü ildə kalium karbonat əsaslı DES sintez etmiş və onun termofiziki xüsusiyyətlərini öyrənmişlər ki, bu da sonradan hidrat inhibisyonu, qazma mayesi əlavələri, delignifikasiya və nanofibrillyasiya sahələrində tətbiq tapmışdır. 23 Jordy Kim və həmkarları askorbin turşusu əsaslı NADES hazırlamış və onun müxtəlif tətbiqlərdə antioksidan xüsusiyyətlərini qiymətləndirmişlər. 24 Christer və digərləri limon turşusu əsaslı NADES hazırlamış və onun kollagen məhsulları üçün köməkçi maddə kimi potensialını müəyyən etmişlər. 25 Liu Yi və həmkarları NADES-in ekstraksiya və xromatoqrafiya mühiti kimi tətbiqlərini hərtərəfli bir araşdırmada ümumiləşdirmişlər, Misan və digərləri isə NADES-in kənd təsərrüfatı-qida sektorunda uğurlu tətbiqlərini müzakirə etmişlər. Qazma mayesi tədqiqatçılarının tətbiqlərində NADES-in effektivliyinə diqqət yetirməyə başlamaları vacibdir. 2023-cü ildə Rəsul və digərləri askorbin turşusu26, kalsium xlorid27, kalium xlorid28 və Epsom duzu29 əsasında təbii dərin evtektik həlledicilərin müxtəlif kombinasiyalarından istifadə etmiş və təsirli şist inhibisiyası və şist bərpasına nail olmuşlar. Bu tədqiqat, KCl, imidazolil əsaslı ion mayeləri və ənənəvi DES kimi ənənəvi inhibitorlarla müqayisədə əla ekoloji stabillik, təkmilləşdirilmiş şist inhibisiya qabiliyyəti və təkmilləşdirilmiş maye performansı ilə xarakterizə olunan NADES-i (xüsusilə limon turşusu və qliserol əsaslı formulasiyanı) su əsaslı qazma mayelərində ekoloji cəhətdən təmiz və effektiv şist inhibitoru kimi təqdim edən ilk tədqiqatlardan biridir.
Tədqiqat, limon turşusu (CA) əsaslı NADES-in daxili hazırlanmasını, ardınca ətraflı fiziki-kimyəvi xarakteristikasını və qazma mayesinin xüsusiyyətlərini və şişkinliyin qarşısını alma qabiliyyətini qiymətləndirmək üçün qazma mayesi əlavəsi kimi istifadəsini əhatə edəcək. Bu tədqiqatda CA hidrogen rabitəsi qəbuledicisi, qliserol (Gly) isə şist inhibisiya tədqiqatlarında NADES əmələ gəlməsi/seçimi üçün MH skrininq meyarlarına əsasən seçilmiş hidrogen rabitəsi donoru kimi çıxış edəcək30. Furye çevrilmə infraqırmızı spektroskopiyası (FTIR), rentgen difraksiyası (XRD) və zeta potensialı (ZP) ölçmələri NADES-gil qarşılıqlı təsirlərini və gil şişkinliyinin qarşısını alma mexanizmini aydınlaşdıracaq. Bundan əlavə, bu tədqiqat, şist inhibisiyasında və qazma mayesinin performansını yaxşılaşdırmaqda effektivliyini araşdırmaq üçün CA NADES əsaslı qazma mayesini 1-etil-3-metilimidazolium xlorid [EMIM]Cl7,12,14,17,31, KCl və xolin xlorid:karbamid (1:2) əsasında DES32 ilə müqayisə edəcək.
Limon turşusu (monohidrat), qliserol (99 USP) və karbamid Malayziyanın Kuala Lumpur şəhərindəki EvaChem şirkətindən alınıb. Xolin xlorid (>98%), [EMIM]Cl 98% və kalium xlorid Malayziyanın Sigma Aldrich şəhərindən alınıb. Bütün kimyəvi maddələrin kimyəvi strukturları Şəkil 1-də göstərilib. Yaşıl diaqram bu tədqiqatda istifadə olunan əsas kimyəvi maddələri müqayisə edir: imidazolil ion mayesi, xolin xlorid (DES), limon turşusu, qliserol, kalium xlorid və NADES (limon turşusu və qliserol). Bu tədqiqatda istifadə olunan kimyəvi maddələrin ekoloji cəhətdən təmizlik cədvəli Cədvəl 1-də təqdim olunub. Cədvəldə hər bir kimyəvi maddə toksiklik, bioloji parçalanma, qiymət və ətraf mühitin davamlılığına əsasən qiymətləndirilir.
Bu tədqiqatda istifadə olunan materialların kimyəvi strukturları: (a) limon turşusu, (b) [EMIM]Cl, (c) xolin xlorid və (d) qliserol.
CA (təbii dərin evtektik həlledici) əsaslı NADES-lərin inkişafı üçün hidrogen rabitəsi donoru (HBD) və hidrogen rabitəsi akseptoru (HBA) namizədləri, effektiv şist inhibitorları kimi NADES-lərin inkişafı üçün nəzərdə tutulmuş MH 30 seçim meyarlarına uyğun olaraq diqqətlə seçilmişdir. Bu meyarlara əsasən, çox sayda hidrogen rabitəsi donoru və akseptoru, eləcə də polyar funksional qrupları olan komponentlər NADES-lərin inkişafı üçün uyğun hesab olunur.
Bundan əlavə, bu tədqiqatda müqayisə üçün ion mayesi [EMIM]Cl və xolin xlorid:karbamid dərin evtektik həlledici (DES) seçilmişdir, çünki onlar qazma mayesi əlavələri kimi geniş istifadə olunur33,34,35,36. Bundan əlavə, kalium xlorid (KCl) ümumi inhibitor olduğu üçün müqayisə edilmişdir.
Evtektik qarışıqlar əldə etmək üçün limon turşusu və qliserin müxtəlif molar nisbətlərdə qarışdırıldı. Vizual yoxlama evtektik qarışığın bulanıqlığı olmayan homogen, şəffaf bir maye olduğunu göstərdi ki, bu da hidrogen rabitəsi donoru (HBD) və hidrogen rabitəsi akseptorunun (HBA) bu evtektik tərkibdə uğurla qarışdırıldığını göstərir. HBD və HBA-nın qarışdırma prosesinin temperaturdan asılı davranışını müşahidə etmək üçün ilkin təcrübələr aparıldı. Mövcud ədəbiyyata əsasən, evtektik qarışıqların nisbəti 50 °C, 70 °C və 100 °C-dən yuxarı üç spesifik temperaturda qiymətləndirildi ki, bu da evtektik temperaturun adətən 50-80 °C aralığında olduğunu göstərir. HBD və HBA komponentlərini dəqiq çəkmək üçün Mettler rəqəmsal tərəzisi, HBD və HBA-nı isə nəzarətli şəraitdə 100 dövr/dəq sürətlə qızdırmaq və qarışdırmaq üçün Thermo Fisher qızdırıcı lövhəsi istifadə edildi.
Sintez etdiyimiz dərin evtektik həlledicinin (DES) termofiziki xüsusiyyətləri, o cümlədən sıxlıq, səth gərginliyi, sınma indeksi və özlülük, 289,15 ilə 333,15 K arasında temperatur diapazonunda dəqiq ölçülmüşdür. Qeyd etmək lazımdır ki, bu temperatur diapazonu əsasən mövcud avadanlıqların məhdudiyyətləri səbəbindən seçilmişdir. Hərtərəfli təhlil bu NADES formulunun müxtəlif termofiziki xüsusiyyətlərinin dərindən öyrənilməsini əhatə edir və onların müxtəlif temperatur diapazonlarında davranışlarını aşkar edir. Bu spesifik temperatur diapazonuna diqqət yetirmək, bir sıra tətbiqlər üçün xüsusi əhəmiyyət kəsb edən NADES xüsusiyyətləri haqqında məlumat verir.
Hazırlanmış NADES-in səthi gərginliyi sətharası gərginlik ölçən cihaz (IFT700) istifadə edilərək 289,15 ilə 333,15 K arasında ölçülmüşdür. NADES damcıları müəyyən temperatur və təzyiq şəraitində kapilyar iynə istifadə edərək böyük həcmdə maye ilə doldurulmuş kamerada əmələ gəlir. Müasir görüntüləmə sistemləri Laplas tənliyindən istifadə edərək sətharası gərginliyi hesablamaq üçün müvafiq həndəsi parametrlər tətbiq edir.
289.15 ilə 333.15 K arasında temperatur diapazonunda yeni hazırlanmış NADES-in sınma əmsalını təyin etmək üçün ATAGO refraktometrindən istifadə edilmişdir. Cihaz, işığın sınma dərəcəsini qiymətləndirmək üçün temperaturu tənzimləmək üçün termal moduldan istifadə edir və sabit temperaturlu su vannasına ehtiyacı aradan qaldırır. Refraktometrin prizma səthi təmizlənməli və nümunə məhlulu onun üzərində bərabər paylanmalıdır. Məlum standart məhlul ilə kalibrləyin və sonra ekrandan sınma əmsalını oxuyun.
Hazırlanmış NADES-in özlülüyü, 30 dövr/dəq kəsmə sürəti və 6 mil ölçüsündə Brookfield fırlanma viskozimetri (kriogen tipli) istifadə edilərək 289,15 ilə 333,15 K arasında temperatur diapazonunda ölçüldü. Viskozimetr, maye nümunəsində mili sabit sürətlə fırlatmaq üçün tələb olunan fırlanma momentini təyin etməklə özlülüyü ölçür. Nümunə milin altındakı ekrana qoyulduqdan və sıxıldıqdan sonra, viskozimetr özlülüyü santipoise (cP) ilə göstərir və mayenin reoloji xüsusiyyətləri haqqında dəyərli məlumat verir.
289.15–333.15 K temperatur diapazonunda təzə hazırlanmış təbii dərin evtektik həlledicinin (NDEES) sıxlığını təyin etmək üçün portativ sıxlıq ölçən cihaz DMA 35 Basic istifadə edilmişdir. Cihazda quraşdırılmış qızdırıcı olmadığı üçün NADES sıxlıq ölçən cihazından istifadə etməzdən əvvəl göstərilən temperatura (± 2 °C) qədər qızdırılmalıdır. Borudan ən azı 2 ml nümunə çəkin və sıxlıq dərhal ekranda göstəriləcək. Qeyd etmək lazımdır ki, quraşdırılmış qızdırıcının olmaması səbəbindən ölçmə nəticələrində ± 2 °C xətası var.
Yeni hazırlanmış NADES-in pH-nı 289.15–333.15 K temperatur diapazonunda qiymətləndirmək üçün Kenis masaüstü pH ölçən cihazından istifadə etdik. Daxili istilik cihazı olmadığı üçün NADES əvvəlcə qızdırıcı lövhədən istifadə edərək istənilən temperatura (±2 °C) qədər qızdırıldı və sonra birbaşa pH ölçən cihazla ölçüldü. pH ölçən cihazı NADES-ə tamamilə batırın və göstərici sabitləşdikdən sonra son dəyəri qeyd edin.
Təbii dərin evtektik həlledicilərin (NADES) istilik stabilliyini qiymətləndirmək üçün termoqravimetrik analiz (TGA) istifadə edilmişdir. Nümunələr qızdırma zamanı təhlil edilmişdir. Yüksək dəqiqlikli tarazlıqdan istifadə edərək və qızdırma prosesini diqqətlə izləyərək kütlə itkisinin temperatura qarşı qrafiki yaradılmışdır. NADES dəqiqədə 1 °C sürətlə 0-dan 500 °C-yə qədər qızdırılmışdır.
Prosesə başlamaq üçün NADES nümunəsi yaxşıca qarışdırılmalı, homogenləşdirilməli və səth nəmliyi təmizlənməlidir. Hazırlanmış nümunə daha sonra adətən alüminium kimi inert materialdan hazırlanmış TGA küvetinə yerləşdirilir. Dəqiq nəticələri təmin etmək üçün TGA cihazları istinad materiallarından, adətən çəki standartlarından istifadə edərək kalibrlənir. Kalibrləndikdən sonra TGA təcrübəsi başlayır və nümunə adətən sabit sürətlə idarə olunan şəkildə qızdırılır. Nümunə çəkisi ilə temperatur arasındakı əlaqənin davamlı monitorinqi təcrübənin əsas hissəsidir. TGA cihazları temperatur, çəki və qaz axını və ya nümunə temperaturu kimi digər parametrlər haqqında məlumat toplayır. TGA təcrübəsi başa çatdıqdan sonra toplanan məlumatlar nümunə çəkisindəki dəyişikliyi temperaturun funksiyası kimi müəyyən etmək üçün təhlil edilir. Bu məlumat ərimə, buxarlanma, oksidləşmə və ya parçalanma kimi proseslər də daxil olmaqla, nümunədəki fiziki və kimyəvi dəyişikliklərlə əlaqəli temperatur diapazonlarının müəyyən edilməsində dəyərlidir.
Su əsaslı qazma mayesi API 13B-1 standartına uyğun olaraq diqqətlə formula edilmişdir və onun xüsusi tərkibi istinad üçün Cədvəl 2-də verilmişdir. Təbii dərin evtektik həlledicini (NADES) hazırlamaq üçün Malayziyanın Sigma Aldrich şəhərindən limon turşusu və qliserol (99 USP) alınmışdır. Bundan əlavə, ənənəvi şist inhibitoru kalium xlorid (KCl) də Malayziyanın Sigma Aldrich şəhərindən alınmışdır. Əvvəlki tədqiqatlarda təsdiqlənmiş qazma mayesinin reologiyasını və şist inhibisiyasını yaxşılaşdırmaqda əhəmiyyətli təsiri olduğuna görə 98%-dən çox təmizliyə malik 1-etil, 3-metilimidazolium xlorid ([EMIM]Cl) seçilmişdir. NADES-in şist inhibisiya performansını qiymətləndirmək üçün müqayisəli təhlildə həm KCl, həm də ([EMIM]Cl) istifadə ediləcək.
Bir çox tədqiqatçı şist şişkinliyini öyrənmək üçün bentonit lopalarından istifadə etməyə üstünlük verir, çünki bentonit şist şişkinliyinə səbəb olan eyni "montmorillonit" qrupunu ehtiva edir. Əsl şist nüvəsi nümunələrinin əldə edilməsi çətindir, çünki nüvənin çıxarılması prosesi şistin sabitliyini pozur və nəticədə tamamilə şist olmayan, lakin adətən qumdaşı və əhəng daşı təbəqələrinin qarışığından ibarət nümunələr əmələ gəlir. Bundan əlavə, şist nümunələrində adətən şist şişkinliyinə səbəb olan montmorillonit qrupları yoxdur və buna görə də şişkinliyin qarşısının alınması təcrübələri üçün yararsızdır.
Bu tədqiqatda, diametri təxminən 2,54 sm olan bərpa olunmuş bentonit hissəciklərindən istifadə etdik. Qranullar 11,5 qram natrium bentonit tozunun hidravlik presdə 1600 psi təzyiqdə basılması ilə hazırlanmışdır. Qranulların qalınlığı xətti dilatometrə (XD) yerləşdirilməzdən əvvəl dəqiq ölçülmüşdür. Daha sonra hissəciklər əsas nümunələr və şist şişməsinin qarşısını almaq üçün istifadə edilən inhibitorlarla vurulan nümunələr də daxil olmaqla qazma mayesi nümunələrinə batırılmışdır. Daha sonra qranul qalınlığındakı dəyişiklik XD istifadə edərək diqqətlə izlənildi və ölçmələr 24 saat ərzində 60 saniyəlik fasilələrlə qeyd edildi.
Rentgen difraksiyası göstərdi ki, bentonitin tərkibi, xüsusən də onun 47% montmorillonit komponenti, onun geoloji xüsusiyyətlərini anlamaqda əsas amildir. Bentonitin montmorillonit komponentləri arasında montmorillonit əsas komponentdir və ümumi komponentlərin 88,6%-ni təşkil edir. Bu arada, kvars 29%, illit 7% və karbonat 9% təşkil edir. Kiçik bir hissəsi (təxminən 3,2%) illit və montmorillonit qarışığıdır. Bundan əlavə, tərkibində Fe2O3 (4,7%), gümüş alüminosilikat (1,2%), muskovit (4%) və fosfat (2,3%) kimi iz elementləri var. Bundan əlavə, az miqdarda Na2O (1,83%) və dəmir silikat (2,17%) mövcuddur ki, bu da bentonitin tərkib elementlərini və onların müvafiq nisbətlərini tam qiymətləndirməyə imkan verir.
Bu əhatəli tədqiqat bölməsində təbii dərin evtektik həlledicidən (NADES) istifadə edilərək hazırlanmış və müxtəlif konsentrasiyalarda (1%, 3% və 5%) qazma mayesi əlavəsi kimi istifadə edilən qazma mayesi nümunələrinin reoloji və filtrasiya xüsusiyyətləri ətraflı şəkildə izah olunur. Daha sonra NADES əsaslı şlam nümunələri kalium xloriddən (KCl), CC:karbamid DES (xolin xlorid dərin evtektik həlledici:karbamid) və ion mayelərindən ibarət şlam nümunələri ilə müqayisə edilmiş və təhlil edilmişdir. Bu tədqiqatda bir sıra əsas parametrlər, o cümlədən 100°C və 150°C-də yaşlanma şəraitinə məruz qalmadan əvvəl və sonra FANN viskozimetrindən istifadə edərək əldə edilən özlülük göstəriciləri əhatə olunmuşdur. Ölçmələr müxtəlif fırlanma sürətlərində (3 dövr/dəq, 6 dövr/dəq, 300 dövr/dəq və 600 dövr/dəq) aparılmışdır ki, bu da qazma mayesinin davranışının hərtərəfli təhlilinə imkan verir. Əldə edilən məlumatlar daha sonra müxtəlif şəraitdə mayenin performansı haqqında məlumat verən məhsuldarlıq nöqtəsi (YP) və plastik özlülük (PV) kimi əsas xüsusiyyətləri müəyyən etmək üçün istifadə edilə bilər. 400 psi və 150°C-də (yüksək temperaturlu quyularda tipik temperaturlar) yüksək təzyiqli yüksək temperatur (HPHT) filtrasiya sınaqları filtrasiya performansını (tort qalınlığı və filtrat həcmi) müəyyən edir.
Bu bölmədə su əsaslı qazma mayelərimizin şist şişkinliyinin qarşısını alma xüsusiyyətlərini hərtərəfli qiymətləndirmək üçün ən müasir avadanlıq olan Grace HPHT Xətti Dilatometrindən (M4600) istifadə olunur. LSM iki komponentdən ibarət olan ən müasir bir maşındır: lövhə sıxıcısı və xətti dilatometr (model: M4600). Bentonit lövhələri Grace Core/Late Compactor istifadə edərək təhlil üçün hazırlanmışdır. Daha sonra LSM bu lövhələr üzərində dərhal şişkinlik məlumatları təqdim edir və şist şişkinliyinin qarşısını alma xüsusiyyətlərinin hərtərəfli qiymətləndirilməsinə imkan verir. Şist genişlənmə sınaqları ətraf mühit şəraitində, yəni 25°C və 1 psia temperaturda aparılmışdır.
Şist sabitliyi sınağı, tez-tez şist bərpa sınağı, şist çökmə sınağı və ya şist dispersiya sınağı adlandırılan əsas sınağı əhatə edir. Bu qiymətləndirməyə başlamaq üçün şist şlamları #6 BSS ekranında ayrılır və sonra #10 ekranına yerləşdirilir. Daha sonra şlamlar saxlama çəninə verilir və burada onlar əsas maye və NADES (Təbii Dərin Evtektik Həlledici) tərkibli qazma məhlulu ilə qarışdırılır. Növbəti addım qarışığı intensiv isti yayma prosesi üçün sobaya qoymaq və şlamların və məhlulun yaxşıca qarışdırılmasını təmin etməkdir. 16 saatdan sonra şlamlar şist parçalanmasına icazə verilərək sellülozdan çıxarılır və nəticədə şlamların çəkisi azalır. Şist bərpa sınağı, şist şlamları 24 saat ərzində 150°C və 1000 psi. düym qazma məhlulunda saxlanıldıqdan sonra aparılmışdır.
Şist palçıqının bərpasını ölçmək üçün onu daha incə bir süzgəcdən (40 mesh) süzdük, sonra su ilə yaxşıca yuduq və nəhayət sobada qurutduq. Bu əziyyətli prosedur bizə bərpa olunmuş palçığı orijinal çəki ilə müqayisə etməyə və nəticədə uğurla bərpa olunmuş şist palçıqının faizini hesablamağa imkan verir. Şist nümunələrinin mənbəyi Malayziyanın Saravak şəhərinin Miri rayonundakı Niah rayonundandır. Dispersiya və bərpa sınaqlarından əvvəl şist nümunələri gil tərkibini ölçmək və sınaq üçün uyğunluğunu təsdiqləmək üçün hərtərəfli rentgen difraksiyası (XRD) analizinə məruz qaldı. Nümunənin gil mineral tərkibi aşağıdakı kimidir: illit 18%, kaolinit 31%, xlorit 22%, vermikulit 10% və slyuda 19%.
Səth gərginliyi, kapilyar təsir vasitəsilə su kationlarının şist mikroməsamələrinə nüfuz etməsini idarə edən əsas amildir və bu bölmədə ətraflı araşdırılacaq. Bu məqalədə səth gərginliyinin qazma mayelərinin koheziya xüsusiyyətindəki rolunu araşdırır və onun qazma prosesinə, xüsusən də şist inhibisyonuna əhəmiyyətli təsirini vurğulayır. Qazma mayesi nümunələrinin səth gərginliyini dəqiq ölçmək üçün sətharası tenziometrdən (IFT700) istifadə etdik və şist inhibisyonu kontekstində maye davranışının vacib bir aspektini ortaya qoyduq.
Bu bölmədə gillərdə alüminosilikat təbəqələri ilə bir alüminosilikat təbəqəsi arasındakı təbəqələrarası məsafə olan d-qat aralığı ətraflı müzakirə olunur. Təhlil müqayisə üçün 1%, 3% və 5% CA NADES tərkibli yaş palçıq nümunələrini, eləcə də 3% KCl, 3% [EMIM]Cl və 3% CC:karbamid əsaslı DES-i əhatə etmişdir. Cu-Kα şüalanması (λ = 1.54059 Å) ilə 40 mA və 45 kV-da işləyən ən müasir masaüstü rentgen difraktometri (D2 Phaser) həm yaş, həm də quru Na-Bt nümunələrinin rentgen difraksiya piklərinin qeyd edilməsində mühüm rol oynamışdır. Bragg tənliyinin tətbiqi d-qat aralığının dəqiq müəyyən edilməsinə imkan verir və bununla da gil davranışı haqqında dəyərli məlumatlar verir.
Bu bölmədə zeta potensialını dəqiq ölçmək üçün qabaqcıl Malvern Zetasizer Nano ZSP cihazından istifadə olunur. Bu qiymətləndirmə müqayisəli təhlil üçün 1%, 3% və 5% CA NADES, eləcə də 3% KCl, 3% [EMIM]Cl və 3% CC:karbamid əsaslı DES ehtiva edən durulaşdırılmış palçıq nümunələrinin yük xüsusiyyətləri haqqında dəyərli məlumatlar təqdim etmişdir. Bu nəticələr kolloid birləşmələrin sabitliyini və onların mayelərdəki qarşılıqlı təsirlərini anlamağımıza kömək edir.
Gil nümunələri, enerji dispersiyaedici rentgen (EDX) ilə təchiz olunmuş Zeiss Supra 55 VP sahə emissiya skanlama elektron mikroskopu (FESEM) istifadə edərək təbii dərin evtektik həllediciyə (NADES) məruz qalmadan əvvəl və sonra araşdırıldı. Görüntüləmə qətnaməsi 500 nm, elektron şüa enerjisi isə 30 kV və 50 kV idi. FESEM, gil nümunələrinin səth morfologiyasının və struktur xüsusiyyətlərinin yüksək qətnaməli vizuallaşdırılmasını təmin edir. Bu tədqiqatın məqsədi məruz qalmadan əvvəl və sonra əldə edilən şəkilləri müqayisə etməklə NADES-in gil nümunələrinə təsiri haqqında məlumat əldə etmək idi.
Bu tədqiqatda, NADES-in gil nümunələrinə mikroskopik səviyyədə təsirini araşdırmaq üçün sahə emissiyası skanlama elektron mikroskopiyası (FESEM) texnologiyasından istifadə edilmişdir. Bu tədqiqatın məqsədi NADES-in potensial tətbiqlərini və onun gil morfologiyasına və orta hissəcik ölçüsünə təsirini aydınlaşdırmaqdır ki, bu da bu sahədə tədqiqatlar üçün dəyərli məlumat verəcəkdir.
Bu tədqiqatda, eksperimental şəraitdə orta faiz xətasının (AMPE) dəyişkənliyini və qeyri-müəyyənliyini vizual olaraq təsvir etmək üçün xəta zolaqlarından istifadə edilmişdir. Fərdi AMPE dəyərlərini çəkmək əvəzinə (AMPE dəyərlərini çəkmək tendensiyaları gizlədə və kiçik dəyişiklikləri şişirtdə bilər), xəta zolaqlarını 5% qaydasından istifadə edərək hesablayırıq. Bu yanaşma, hər bir xəta zolağının 95% etibarlılıq intervalının və AMPE dəyərlərinin 100%-nin düşməsinin gözlənilən intervalı təmsil etməsini təmin edir və bununla da hər bir eksperimental şərt üçün məlumat paylanmasının daha aydın və daha qısa xülasəsini təmin edir. Beləliklə, 5% qaydasına əsaslanan xəta zolaqlarından istifadə qrafik təsvirlərin şərh olunmasını və etibarlılığını artırır və nəticələrin və onların təsirlərinin daha ətraflı başa düşülməsinə kömək edir.
Təbii dərin evtektik həlledicilərin (NADES) sintezində, daxili hazırlıq prosesi zamanı bir neçə əsas parametr diqqətlə öyrənilmişdir. Bu vacib amillərə temperatur, molar nisbəti və qarışdırma sürəti daxildir. Təcrübələrimiz göstərir ki, HBA (limon turşusu) və HBD (qliserin) 50°C-də 1:4 molar nisbətində qarışdırıldıqda evtektik qarışıq əmələ gəlir. Evtektik qarışığın fərqləndirici xüsusiyyəti onun şəffaf, homogen görünüşü və çöküntünün olmamasıdır. Beləliklə, bu əsas addım molar nisbətinin, temperaturun və qarışdırma sürətinin əhəmiyyətini vurğulayır ki, bunlar arasında Şəkil 2-də göstərildiyi kimi, molar nisbət DES və NADES-in hazırlanmasında ən təsirli amil olmuşdur.
Sınma indeksi (n) vakuumdakı işığın sürətinin ikinci, daha sıx mühitdəki işığın sürətinə nisbətini ifadə edir. Sınma indeksi, biosensorlar kimi optik həssas tətbiqləri nəzərdən keçirərkən təbii dərin evtektik həlledicilər (NADES) üçün xüsusilə maraq doğurur. Tədqiq olunan NADES-in 25 °C-də sınma indeksi 1,452 idi ki, bu da qliserolunkundan maraqlı dərəcədə aşağıdır.
Qeyd etmək lazımdır ki, NADES-in refraktiv əmsalı temperaturla azalır və bu tendensiya (1) düsturu və Şəkil 3 ilə dəqiq təsvir edilə bilər, mütləq orta faiz xətası (AMPE) isə 0%-ə çatır. Bu temperaturdan asılı davranış yüksək temperaturda özlülüyün və sıxlığın azalması ilə izah olunur ki, bu da işığın mühitdən daha yüksək sürətlə keçməsinə səbəb olur və nəticədə refraktiv əmsalı (n) dəyəri daha aşağı olur. Bu nəticələr NADES-in optik sensorda strateji istifadəsi ilə bağlı dəyərli məlumatlar verir və onların biosensor tətbiqləri üçün potensialını vurğulayır.
Maye səthinin sahəsini minimuma endirmək meylini əks etdirən səth gərginliyi, kapilyar təzyiqə əsaslanan tətbiqlər üçün təbii dərin evtektik həlledicilərin (NADES) uyğunluğunun qiymətləndirilməsində böyük əhəmiyyət kəsb edir. 25-60 °C temperatur diapazonunda səth gərginliyinin öyrənilməsi dəyərli məlumatlar verir. 25 °C-də limon turşusu əsaslı NADES-in səth gərginliyi 55,42 mN/m təşkil edir ki, bu da su və qliserolun səth gərginliyindən xeyli aşağıdır. Şəkil 4 göstərir ki, səth gərginliyi temperaturun artması ilə əhəmiyyətli dərəcədə azalır. Bu fenomen molekulyar kinetik enerjinin artması və sonradan molekullararası cəlbedici qüvvələrin azalması ilə izah edilə bilər.
Tədqiq olunan NADES-də müşahidə olunan səthi gərginliyin xətti azalma meyli, 25-60 °C temperatur diapazonunda əsas riyazi əlaqəni göstərən (2) tənliyi ilə yaxşı ifadə edilə bilər. Şəkil 4-dəki qrafik, bildirilən səthi gərginlik dəyərlərinin dəqiqliyini kəmiyyətcə göstərən mütləq orta faiz xətası (AMPE) 1,4% olan temperaturla səthi gərginlik meylini aydın şəkildə təsvir edir. Bu nəticələr NADES-in davranışını və potensial tətbiqlərini anlamaq üçün mühüm əhəmiyyət kəsb edir.
Təbii dərin evtektik həlledicilərin (NADES) sıxlıq dinamikasını anlamaq, onların çoxsaylı elmi tədqiqatlarda tətbiqini asanlaşdırmaq üçün çox vacibdir. 25°C-də limon turşusu əsaslı NADES-in sıxlığı 1,361 q/sm3-dür ki, bu da ana qliserolun sıxlığından yüksəkdir. Bu fərq qliserola hidrogen rabitəsi akseptorunun (limon turşusu) əlavə edilməsi ilə izah edilə bilər.
Sitrat əsaslı NADES-i nümunə götürsək, onun sıxlığı 60°C-də 1,19 q/sm3-ə düşür. Qızdırıldıqda kinetik enerjinin artması NADES molekullarının dağılmasına səbəb olur və bu da onların daha böyük həcmdə yer tutmasına və nəticədə sıxlığın azalmasına səbəb olur. Sıxlığın müşahidə edilən azalması temperaturun artması ilə müəyyən bir xətti korrelyasiya göstərir ki, bu da (3) düsturu ilə düzgün ifadə edilə bilər. Şəkil 5-də NADES sıxlıq dəyişikliyinin bu xüsusiyyətləri qrafik olaraq 1,12% mütləq orta faiz xətası (AMPE) ilə təqdim olunur ki, bu da bildirilən sıxlıq dəyərlərinin dəqiqliyinin kəmiyyət ölçüsünü təmin edir.
Özlülük hərəkətdə olan mayenin müxtəlif təbəqələri arasındakı cazibə qüvvəsidir və təbii dərin evtektik həlledicilərin (NADES) müxtəlif tətbiqlərdə tətbiq olunmasının başa düşülməsində əsas rol oynayır. 25 °C-də NADES-in özlülüyü 951 cP idi ki, bu da qliserolun özlülüyündən yüksəkdir.
Temperaturun artması ilə müşahidə edilən özlülükdə azalma əsasən molekullararası cəlbedici qüvvələrin zəifləməsi ilə izah olunur. Bu fenomen mayenin özlülüyünün azalmasına səbəb olur ki, bu da Şəkil 6-da aydın şəkildə göstərilən və (4) tənliyi ilə ölçülən bir tendensiyadır. Xüsusilə, 60°C-də özlülük 898 cP-yə qədər düşür və ümumi orta faiz xətası (AMPE) 1,4% təşkil edir. NADES-də özlülük və temperatur asılılığının ətraflı başa düşülməsi onun praktik tətbiqi üçün böyük əhəmiyyət kəsb edir.
Hidrogen ion konsentrasiyasının mənfi loqarifmi ilə təyin olunan məhlulun pH dəyəri, xüsusən də DNT sintezi kimi pH-a həssas tətbiqlərdə çox vacibdir, buna görə də NADES-in pH dəyəri istifadə etməzdən əvvəl diqqətlə öyrənilməlidir. Nümunə olaraq limon turşusu əsaslı NADES-i götürsək, qliserolun nisbətən neytral pH-ından kəskin şəkildə fərqli olan 1,91-ə bərabər olan açıq şəkildə turşulu pH müşahidə edilə bilər.
Maraqlıdır ki, təbii limon turşusu dehidrogenaz həll olan həlledicinin (NADES) pH-ı temperaturun artması ilə qeyri-xətti azalma meyli göstərib. Bu fenomen məhluldakı H+ balansını pozan və [H]+ ionlarının əmələ gəlməsinə və öz növbəsində pH dəyərinin dəyişməsinə səbəb olan molekulyar titrəmələrin artması ilə əlaqələndirilir. Limon turşusunun təbii pH-ı 3 ilə 5 arasında dəyişsə də, qliserolda turşu hidrogeninin olması pH-ı daha da 1,91-ə endirir.
Sitrat əsaslı NADES-in 25-60 °C temperatur diapazonunda pH davranışı (5) tənliyi ilə uyğun şəkildə təmsil oluna bilər ki, bu da müşahidə olunan pH trendi üçün riyazi ifadə təmin edir. Şəkil 7-də bu maraqlı əlaqə qrafik şəkildə təsvir edilmişdir və temperaturun NADES-in pH-na təsirini vurğulayır ki, bu da AMPE üçün 1,4% təşkil edir.
Təbii limon turşusu dərin evtektik həlledicisinin (NADES) termoqravimetrik analizi (TGA) otaq temperaturundan 500 °C-yə qədər temperatur diapazonunda sistematik şəkildə aparılmışdır. Şəkil 8a və b-dən göründüyü kimi, 100 °C-yə qədər ilkin kütlə itkisi əsasən udulmuş su və limon turşusu və təmiz qliserinlə əlaqəli hidratasiya suyu ilə əlaqədardır. 180 °C-yə qədər təxminən 88% kütlə saxlanması müşahidə edilmişdir ki, bu da əsasən limon turşusunun akonit turşusuna parçalanması və sonrakı qızdırma zamanı metilmalein anhidridinin (III) əmələ gəlməsi ilə əlaqədardır (Şəkil 8b). Şəkil 8b37-də göstərildiyi kimi, 180 °C-dən yuxarı temperaturda qliserində akroleinin (akrilalehid) aydın şəkildə görünməsi də müşahidə edilə bilər.
Qliserolun termoqravimetrik analizi (TGA) iki mərhələli kütlə itkisi prosesini aşkar etdi. İlkin mərhələ (180-220 °C) akroleinin əmələ gəlməsini, ardınca isə 230-300 °C yüksək temperaturda əhəmiyyətli kütlə itkisini əhatə edir (Şəkil 8a). Temperatur artdıqca asetaldehid, karbon qazı, metan və hidrogen ardıcıl olaraq əmələ gəlir. Xüsusilə, kütlənin yalnız 28%-i 300 °C-də saxlanılıb ki, bu da NADES 8(a)38,39-un daxili xüsusiyyətlərinin qüsurlu ola biləcəyini göstərir.
Yeni kimyəvi rabitələrin əmələ gəlməsi haqqında məlumat əldə etmək üçün təbii dərin evtektik həlledicilərin (NADES) yeni hazırlanmış suspenziyaları Furye transform infraqırmızı spektroskopiyası (FTIR) ilə təhlil edilmişdir. Təhlil NADES suspenziyasının spektrini təmiz limon turşusu (CA) və qliserol (Gly) spektrləri ilə müqayisə etməklə aparılmışdır. CA spektri 1752 1/sm3 və 1673 1/sm3-də aydın piklər göstərmişdir ki, bunlar C=O rabitəsinin dartılma titrəmələrini təmsil edir və CA üçün də xarakterikdir. Bundan əlavə, Şəkil 9-da göstərildiyi kimi, barmaq izi bölgəsində 1360 1/sm3-də OH əyilmə titrəməsində əhəmiyyətli bir dəyişiklik müşahidə edilmişdir.
Eynilə, qliserol halında, OH dartılma və əyilmə vibrasiyalarının sürüşmələri müvafiq olaraq 3291 1/sm və 1414 1/sm dalğa ədədlərində aşkar edilmişdir. Hazırlanmış NADES spektrini təhlil etməklə spektrdə əhəmiyyətli bir dəyişiklik aşkar edilmişdir. Şəkil 7-də göstərildiyi kimi, C=O rabitəsinin dartılma vibrasiyası 1752 1/sm-dən 1720 1/sm-ə, qliserolun -OH rabitəsinin əyilmə vibrasiyası isə 1414 1/sm-dən 1359 1/sm-ə dəyişmişdir. Dalğa ədədlərindəki bu sürüşmələr elektromənfilikdəki dəyişikliyi göstərir ki, bu da NADES strukturunda yeni kimyəvi rabitələrin əmələ gəlməsini göstərir.