nature.com'u ziyaret ettiğiniz için teşekkür ederiz. Kullandığınız tarayıcı sürümünün CSS desteği sınırlıdır. En iyi deneyim için, en son tarayıcı sürümünü kullanmanızı (veya Internet Explorer'da uyumluluk modunu kapatmanızı) öneririz. Ayrıca, sürekli desteği sağlamak için bu sitede stil veya JavaScript yer almayacaktır.
Klastik rezervuarlarda şeyl genleşmesi, kuyu deliği dengesizliğine yol açan önemli sorunlar yaratmaktadır. Çevresel nedenlerle, şeyl inhibitörleri eklenmiş su bazlı sondaj sıvısının kullanımı, petrol bazlı sondaj sıvısına tercih edilmektedir. İyonik sıvılar (IL'ler), ayarlanabilir özellikleri ve güçlü elektrostatik özellikleri nedeniyle şeyl inhibitörleri olarak büyük ilgi görmüştür. Bununla birlikte, sondaj sıvılarında yaygın olarak kullanılan imidazolil bazlı iyonik sıvılar (IL'ler) toksik, biyolojik olarak parçalanamaz ve pahalı oldukları kanıtlanmıştır. Derin ötektik çözücüler (DES), iyonik sıvılara göre daha uygun maliyetli ve daha az toksik bir alternatif olarak kabul edilmektedir, ancak yine de gerekli çevresel sürdürülebilirliği sağlamamaktadırlar. Bu alandaki son gelişmeler, gerçek anlamda çevre dostu olmalarıyla bilinen doğal derin ötektik çözücülerin (NADES) tanıtılmasına yol açmıştır. Bu çalışma, sondaj sıvısı katkı maddeleri olarak sitrik asit (hidrojen bağı alıcısı olarak) ve gliserol (hidrojen bağı vericisi olarak) içeren NADES'leri araştırmıştır. API 13B-1 standardına uygun olarak geliştirilen NADES bazlı sondaj sıvıları, potasyum klorür bazlı sondaj sıvıları, imidazolium bazlı iyonik sıvılar ve kolin klorür:üre-DES bazlı sondaj sıvılarıyla karşılaştırılmıştır. Tescilli NADES'lerin fizikokimyasal özellikleri ayrıntılı olarak açıklanmıştır. Çalışma sırasında sondaj sıvısının reolojik özellikleri, sıvı kaybı ve şist inhibisyon özellikleri değerlendirilmiş ve %3 NADES konsantrasyonunda akma gerilimi/plastik viskozite oranının (YP/PV) arttığı, çamur keki kalınlığının %26 azaldığı ve filtrat hacminin %30,1 azaldığı gösterilmiştir. Özellikle, NADES %49,14'lük etkileyici bir genleşme inhibisyon oranı elde etmiş ve şist üretimini %86,36 artırmıştır. Bu sonuçlar, NADES'in kilin yüzey aktivitesini, zeta potansiyelini ve ara katman aralığını değiştirme yeteneğine bağlanmaktadır ve bu mekanizmalar bu makalede ele alınarak anlaşılmaktadır. Bu sürdürülebilir sondaj sıvısının, geleneksel kaya korozyon inhibitörlerine toksik olmayan, uygun maliyetli ve son derece etkili bir alternatif sunarak sondaj endüstrisinde devrim yaratması ve çevre dostu sondaj uygulamalarının önünü açması bekleniyor.
Şeyl, hem hidrokarbon kaynağı hem de rezervuarı görevi gören çok yönlü bir kayaçtır ve gözenekli yapısı¹ bu değerli kaynakların hem üretimi hem de depolanması için potansiyel sağlar. Bununla birlikte, şeyl, montmorillonit, smektit, kaolinit ve illit gibi kil mineralleri bakımından zengindir ve bu da suya maruz kaldığında şişmeye yatkın hale gelmesine ve sondaj işlemleri sırasında kuyu deliğinde dengesizliğe yol açmasına neden olur²⁻³. Bu sorunlar, verimsiz zaman (NPT) ve sıkışmış borular, çamur sirkülasyonunun kaybı, kuyu deliğinin çökmesi ve matkap ucunun kirlenmesi gibi bir dizi operasyonel probleme yol açarak geri kazanım süresini ve maliyetini artırabilir. Geleneksel olarak, şeyl genleşmesine karşı direnç gösterme yetenekleri nedeniyle şeyl oluşumları için tercih edilen seçenek petrol bazlı sondaj sıvıları (OBDF) olmuştur⁴. Bununla birlikte, petrol bazlı sondaj sıvılarının kullanımı daha yüksek maliyetler ve çevresel riskler içermektedir. Sentetik bazlı sondaj sıvıları (SBDF) bir alternatif olarak düşünülmüştür, ancak yüksek sıcaklıklardaki uygunlukları yetersizdir. Su bazlı sondaj sıvıları (WBDF), OBDF5'e göre daha güvenli, çevre dostu ve daha uygun maliyetli oldukları için cazip bir çözümdür. WBDF'nin şeyl inhibisyon yeteneğini artırmak için potasyum klorür, kireç, silikat ve polimer gibi geleneksel inhibitörler de dahil olmak üzere çeşitli şeyl inhibitörleri kullanılmıştır. Bununla birlikte, bu inhibitörlerin özellikle potasyum klorür inhibitörlerindeki yüksek K+ konsantrasyonu ve silikatların pH duyarlılığı nedeniyle etkinlik ve çevresel etki açısından sınırlamaları vardır. 6 Araştırmacılar, sondaj sıvısı reolojisini iyileştirmek ve şeyl şişmesini ve hidrat oluşumunu önlemek için iyonik sıvıların sondaj sıvısı katkı maddesi olarak kullanılması olasılığını araştırmışlardır. Bununla birlikte, bu iyonik sıvılar, özellikle imidazolil katyonları içerenler, genellikle toksik, pahalı, biyolojik olarak parçalanamaz ve karmaşık hazırlama süreçleri gerektirir. Bu sorunları çözmek için insanlar daha ekonomik ve çevre dostu bir alternatif aramaya başlamış ve bu da derin ötektik çözücülerin (DES) ortaya çıkmasına yol açmıştır. DES, belirli bir molar oranda ve sıcaklıkta bir hidrojen bağı vericisi (HBD) ve bir hidrojen bağı alıcısı (HBA) tarafından oluşturulan ötektik bir karışımdır. Bu ötektik karışımların erime noktaları, esas olarak hidrojen bağlarının neden olduğu yük dağılımı nedeniyle, bileşenlerinden daha düşüktür. Kafes enerjisi, entropi değişimi ve anyonlar ile HBD arasındaki etkileşimler de dahil olmak üzere birçok faktör, DES'in erime noktasını düşürmede önemli rol oynar.
Önceki çalışmalarda, şeyl genleşme sorununu çözmek için su bazlı sondaj sıvısına çeşitli katkı maddeleri eklenmiştir. Örneğin, Ofei ve ark. 1-butil-3-metilimidazolium klorür (BMIM-Cl) ekleyerek çamur kekinin kalınlığını önemli ölçüde ( %50'ye kadar) azaltmış ve farklı sıcaklıklarda YP/PV değerini 11 düşürmüştür. Huang ve ark., Na-Bt parçacıklarıyla birlikte iyonik sıvılar (özellikle 1-heksil-3-metilimidazolium bromür ve 1,2-bis(3-heksilimidazol-1-il)etan bromür) kullanmış ve şeyl şişmesini sırasıyla %86,43 ve %94,17 oranında önemli ölçüde azaltmıştır.12 Ayrıca, Yang ve ark. Yang ve ark., sırasıyla %16,91 ve %5,81 oranında şeyl şişmesini azaltmak için 1-vinil-3-dodesilimidazolium bromür ve 1-vinil-3-tetradesilimidazolium bromür kullandı. 13 Yang ve ark. ayrıca 1-vinil-3-etilimidazolium bromür kullandı ve şeyl geri kazanımını %40,60'ta korurken şeyl genişlemesini %31,62 oranında azalttı. 14 Ek olarak, Luo ve ark., şeyl şişmesini %80 oranında azaltmak için 1-oktil-3-metilimidazolium tetrafloroborat kullandı. 15, 16 Dai ve ark., şeyli inhibe etmek için iyonik sıvı kopolimerleri kullandı ve amin inhibitörlerine kıyasla doğrusal geri kazanımda %18'lik bir artış elde etti. 17
İyonik sıvıların kendilerinin bazı dezavantajları vardır; bu da bilim insanlarını iyonik sıvılara daha çevre dostu alternatifler aramaya yöneltmiş ve böylece DES ortaya çıkmıştır. Hanjia, vinil klorür propiyonik asit (1:1), vinil klorür 3-fenilpropiyonik asit (1:2) ve 3-merkaptopropiyonik asit + itakonik asit + vinil klorür (1:1:2)'den oluşan derin ötektik çözücüleri (DES) kullanan ilk kişi olmuş ve bu çözücüler bentonitin şişmesini sırasıyla %68, %58 ve %58 oranında engellemiştir.18 Serbest bir deneyde, MH Rasul, gliserol ve potasyum karbonatın (DES) 2:1 oranını kullanarak şist numunelerinin şişmesini %87 oranında önemli ölçüde azaltmıştır.19,20 Ma, üre:vinil klorür kullanarak şist genişlemesini %67 oranında önemli ölçüde azaltmıştır.21 Rasul vd., DES ve polimer kombinasyonunu çift etkili şist inhibitörü olarak kullanmış ve mükemmel şist inhibisyon etkisi elde etmiştir.22
Derin ötektik çözücüler (DES), genellikle iyonik sıvılara göre daha çevreci bir alternatif olarak kabul edilse de, amonyum tuzları gibi potansiyel olarak toksik bileşenler de içerirler; bu da çevre dostu olmalarını sorgulanır hale getirir. Bu sorun, doğal derin ötektik çözücülerin (NADES) geliştirilmesine yol açmıştır. Bunlar hala DES olarak sınıflandırılır, ancak potasyum klorür (KCl), kalsiyum klorür (CaCl2), Epsom tuzu (MgSO4.7H2O) ve diğerleri dahil olmak üzere doğal maddeler ve tuzlardan oluşurlar. DES ve NADES'in çok sayıda potansiyel kombinasyonu, bu alanda geniş bir araştırma alanı açmakta ve çeşitli alanlarda uygulama bulması beklenmektedir. Birçok araştırmacı, çeşitli uygulamalarda etkili olduğu kanıtlanmış yeni DES kombinasyonları geliştirmeyi başarmıştır. Örneğin, Naser vd. 2013, potasyum karbonat bazlı DES sentezlemiş ve termofiziksel özelliklerini incelemiştir; bu da daha sonra hidrat inhibisyonu, sondaj sıvısı katkı maddeleri, lignin giderme ve nanofibrilasyon alanlarında uygulama bulmuştur. 23 Jordy Kim ve çalışma arkadaşları, askorbik asit bazlı NADES geliştirdi ve çeşitli uygulamalarda antioksidan özelliklerini değerlendirdi. 24 Christer ve arkadaşları, sitrik asit bazlı NADES geliştirdi ve kolajen ürünleri için yardımcı madde olarak potansiyelini belirledi. 25 Liu Yi ve çalışma arkadaşları, kapsamlı bir incelemede NADES'in ekstraksiyon ve kromatografi ortamı olarak uygulamalarını özetlerken, Misan ve arkadaşları NADES'in tarım-gıda sektöründeki başarılı uygulamalarını ele aldı. Sondaj sıvısı araştırmacılarının, uygulamalarında NADES'in etkinliğine dikkat etmeye başlamaları zorunludur. Son zamanlarda, 2023 yılında Rasul ve arkadaşları, askorbik asit26, kalsiyum klorür27, potasyum klorür28 ve Epsom tuzu29 bazlı doğal derin ötektik çözücülerin farklı kombinasyonlarını kullanarak etkileyici şeyl inhibisyonu ve şeyl geri kazanımı elde etti. Bu çalışma, NADES'i (özellikle sitrik asit ve gliserol bazlı formülasyonunu) su bazlı sondaj sıvılarında çevre dostu ve etkili bir şeyl inhibitörü olarak tanıtan ilk çalışmalardan biridir. Bu formülasyon, KCl, imidazolil bazlı iyonik sıvılar ve geleneksel DES gibi geleneksel inhibitörlere kıyasla mükemmel çevresel kararlılık, geliştirilmiş şeyl inhibisyon yeteneği ve geliştirilmiş sıvı performansı özelliklerine sahiptir.
Bu çalışma, sitrik asit (CA) bazlı NADES'in kurum içi hazırlanmasını, ardından detaylı fizikokimyasal karakterizasyonunu ve sondaj sıvısı özelliklerini ve şişmeyi önleme yeteneğini değerlendirmek için sondaj sıvısı katkı maddesi olarak kullanımını içerecektir. Bu çalışmada, CA hidrojen bağı alıcısı, gliserol (Gly) ise hidrojen bağı vericisi olarak görev yapacak ve bu seçim, şeyl inhibisyon çalışmalarında NADES oluşumu/seçimi için MH tarama kriterlerine göre yapılacaktır. Fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi (FTIR), X-ışını kırınımı (XRD) ve zeta potansiyeli (ZP) ölçümleri, NADES-kil etkileşimlerini ve kil şişmesinin önlenmesinin altında yatan mekanizmayı aydınlatacaktır. Ek olarak, bu çalışma, şeyl oluşumunu engellemedeki etkinliklerini ve sondaj sıvısı performansını iyileştirmelerini araştırmak amacıyla, CA NADES bazlı sondaj sıvısını 1-etil-3-metilimidazolium klorür [EMIM]Cl7,12,14,17,31, KCl ve kolin klorür:üre (1:2) bazlı DES32 ile karşılaştıracaktır.
Sitrik asit (monohidrat), gliserol (%99 USP) ve üre, Kuala Lumpur, Malezya'daki EvaChem firmasından satın alındı. Kolin klorür (>%98), [EMIM]Cl %98 ve potasyum klorür ise Sigma Aldrich, Malezya firmasından satın alındı. Tüm kimyasalların kimyasal yapıları Şekil 1'de gösterilmiştir. Yeşil diyagram, bu çalışmada kullanılan başlıca kimyasalları karşılaştırmaktadır: imidazolil iyonik sıvı, kolin klorür (DES), sitrik asit, gliserol, potasyum klorür ve NADES (sitrik asit ve gliserol). Bu çalışmada kullanılan kimyasalların çevre dostu olma tablosu Tablo 1'de sunulmuştur. Tabloda, her kimyasal toksisite, biyolojik bozunabilirlik, maliyet ve çevresel sürdürülebilirlik açısından derecelendirilmiştir.
Bu çalışmada kullanılan malzemelerin kimyasal yapıları: (a) sitrik asit, (b) [EMIM]Cl, (c) kolin klorür ve (d) gliserol.
Doğal derin ötektik çözücü (CA) bazlı NADES'lerin geliştirilmesi için hidrojen bağı verici (HBD) ve hidrojen bağı alıcı (HBA) adayları, etkili şeyl inhibitörleri olarak NADES'lerin geliştirilmesi amacıyla belirlenen MH 30 seçim kriterlerine göre dikkatlice seçilmiştir. Bu kritere göre, çok sayıda hidrojen bağı verici ve alıcısının yanı sıra polar fonksiyonel gruplara sahip bileşenler, NADES geliştirilmesi için uygun kabul edilmektedir.
Ek olarak, bu çalışmada karşılaştırma için iyonik sıvı [EMIM]Cl ve kolin klorür:üre derin ötektik çözücü (DES) seçilmiştir çünkü bunlar sondaj sıvısı katkı maddeleri olarak yaygın olarak kullanılmaktadır33,34,35,36. Ayrıca, yaygın bir inhibitör olduğu için potasyum klorür (KCl) de karşılaştırılmıştır.
Sitrik asit ve gliserol, ötektik karışımlar elde etmek için farklı molar oranlarda karıştırıldı. Görsel inceleme, ötektik karışımın bulanıklık içermeyen homojen, şeffaf bir sıvı olduğunu gösterdi; bu da hidrojen bağı vericisinin (HBD) ve hidrojen bağı alıcısının (HBA) bu ötektik bileşimde başarıyla karıştırıldığını gösteriyor. HBD ve HBA'nın karıştırma işleminin sıcaklığa bağlı davranışını gözlemlemek için ön deneyler yapıldı. Mevcut literatüre göre, ötektik karışımların oranı 50 °C, 70 °C ve 100 °C'nin üzerindeki üç spesifik sıcaklıkta değerlendirildi ve ötektik sıcaklığın genellikle 50-80 °C aralığında olduğu belirlendi. HBD ve HBA bileşenlerini doğru bir şekilde tartmak için bir Mettler dijital terazi kullanıldı ve HBD ve HBA'yı kontrollü koşullar altında 100 rpm'de ısıtmak ve karıştırmak için bir Thermo Fisher ısıtıcı plaka kullanıldı.
Sentezlenen derin ötektik çözücümüzün (DES) yoğunluk, yüzey gerilimi, kırılma indisi ve viskozite gibi termofiziksel özellikleri, 289,15 ila 333,15 K sıcaklık aralığında doğru bir şekilde ölçülmüştür. Bu sıcaklık aralığının öncelikle mevcut ekipmanın sınırlamaları nedeniyle seçildiğini belirtmek gerekir. Kapsamlı analiz, bu NADES formülasyonunun çeşitli termofiziksel özelliklerinin derinlemesine incelenmesini ve bunların çeşitli sıcaklık aralıklarındaki davranışlarını ortaya koymuştur. Bu özel sıcaklık aralığına odaklanmak, bir dizi uygulama için özellikle önemli olan NADES özelliklerine dair bilgiler sağlamaktadır.
Hazırlanan NADES'in yüzey gerilimi, bir arayüzey gerilimi ölçer (IFT700) kullanılarak 289,15 ila 333,15 K aralığında ölçülmüştür. NADES damlacıkları, belirli sıcaklık ve basınç koşulları altında, kılcal bir iğne kullanılarak büyük hacimli bir sıvı ile dolu bir haznede oluşturulur. Modern görüntüleme sistemleri, Laplace denklemini kullanarak arayüzey gerilimini hesaplamak için uygun geometrik parametreler sunmaktadır.
Yeni hazırlanmış NADES'in kırılma indeksini 289,15 ila 333,15 K sıcaklık aralığında belirlemek için bir ATAGO refraktometresi kullanıldı. Cihaz, ışığın kırılma derecesini tahmin etmek için sıcaklığı düzenleyen bir termal modül kullanır ve sabit sıcaklıkta su banyosuna olan ihtiyacı ortadan kaldırır. Refraktometrenin prizma yüzeyi temizlenmeli ve numune çözeltisi üzerine eşit şekilde dağıtılmalıdır. Bilinen bir standart çözelti ile kalibrasyon yapıldıktan sonra, kırılma indeksi ekrandan okunmalıdır.
Hazırlanan NADES'in viskozitesi, 289,15 ila 333,15 K sıcaklık aralığında, 30 rpm kesme hızı ve 6 mil boyutuyla Brookfield döner viskozimetre (kriyojenik tip) kullanılarak ölçülmüştür. Viskozimetre, sıvı numunede mili sabit bir hızda döndürmek için gereken torku belirleyerek viskoziteyi ölçer. Numune milin altındaki eleğe yerleştirildikten ve sıkıştırıldıktan sonra, viskozimetre viskoziteyi santipoise (cP) cinsinden göstererek sıvının reolojik özellikleri hakkında değerli bilgiler sağlar.
Yeni hazırlanmış doğal derin ötektik çözücünün (NDEES) yoğunluğunu 289,15–333,15 K sıcaklık aralığında belirlemek için taşınabilir bir yoğunluk ölçer DMA 35 Basic kullanılmıştır. Cihazda dahili ısıtıcı bulunmadığından, NDEES yoğunluk ölçeri kullanılmadan önce belirtilen sıcaklığa (± 2 °C) önceden ısıtılmalıdır. Tüpten en az 2 ml numune çekildiğinde, yoğunluk anında ekranda görüntülenecektir. Dahili ısıtıcının olmaması nedeniyle ölçüm sonuçlarında ± 2 °C hata payı olduğunu belirtmekte fayda vardır.
Yeni hazırlanmış NADES'in pH değerini 289,15–333,15 K sıcaklık aralığında değerlendirmek için Kenis marka masaüstü pH metre kullandık. Dahili ısıtma cihazı bulunmadığından, NADES önce bir ısıtıcı plaka kullanılarak istenen sıcaklığa (±2 °C) ısıtıldı ve ardından doğrudan pH metre ile ölçüldü. pH metre probu NADES'e tamamen daldırıldı ve okuma sabitlendikten sonra son değer kaydedildi.
Termogravimetrik analiz (TGA), doğal derin ötektik çözücülerin (NADES) termal kararlılığını değerlendirmek için kullanıldı. Numuneler ısıtma sırasında analiz edildi. Yüksek hassasiyetli bir terazi kullanılarak ve ısıtma işlemi dikkatlice izlenerek, kütle kaybı ile sıcaklık arasındaki ilişkiyi gösteren bir grafik oluşturuldu. NADES, dakikada 1 °C hızla 0'dan 500 °C'ye kadar ısıtıldı.
İşleme başlamak için, NADES numunesi iyice karıştırılmalı, homojenleştirilmeli ve yüzeyindeki nem giderilmelidir. Hazırlanan numune daha sonra, genellikle alüminyum gibi inert bir malzemeden yapılmış bir TGA küvetine yerleştirilir. Doğru sonuçlar elde etmek için, TGA cihazları genellikle ağırlık standartları olan referans malzemeler kullanılarak kalibre edilir. Kalibrasyon tamamlandıktan sonra, TGA deneyi başlar ve numune kontrollü bir şekilde, genellikle sabit bir hızda ısıtılır. Numune ağırlığı ve sıcaklık arasındaki ilişkinin sürekli olarak izlenmesi deneyin önemli bir parçasıdır. TGA cihazları sıcaklık, ağırlık ve gaz akışı veya numune sıcaklığı gibi diğer parametreler hakkında veri toplar. TGA deneyi tamamlandıktan sonra, toplanan veriler, numune ağırlığındaki değişimin sıcaklığa bağlı olarak belirlenmesi için analiz edilir. Bu bilgi, erime, buharlaşma, oksidasyon veya ayrışma gibi süreçler de dahil olmak üzere, numunedeki fiziksel ve kimyasal değişikliklerle ilişkili sıcaklık aralıklarının belirlenmesinde değerlidir.
Su bazlı sondaj sıvısı, API 13B-1 standardına göre özenle formüle edilmiş olup, spesifik bileşimi referans olarak Tablo 2'de listelenmiştir. Doğal derin ötektik çözücü (NADES) hazırlamak için sitrik asit ve gliserol (%99 USP) Sigma Aldrich, Malezya'dan satın alınmıştır. Ayrıca, geleneksel şist inhibitörü potasyum klorür (KCl) de Sigma Aldrich, Malezya'dan satın alınmıştır. Sondaj sıvısının reolojisini ve şist inhibisyonunu iyileştirmedeki önemli etkisi önceki çalışmalarda doğrulandığı için %98'den fazla saflığa sahip 1-etil, 3-metilimidazolium klorür ([EMIM]Cl) seçilmiştir. NADES'in şist inhibisyon performansını değerlendirmek için karşılaştırmalı analizde hem KCl hem de ([EMIM]Cl) kullanılacaktır.
Birçok araştırmacı, şeyl şişmesini incelemek için bentonit pullarını kullanmayı tercih eder çünkü bentonit, şeyl şişmesine neden olan aynı "montmorillonit" grubunu içerir. Gerçek şeyl karot örnekleri elde etmek zordur çünkü karot alma işlemi şeyli destabilize eder ve sonuç olarak tamamen şeyl olmayan, tipik olarak kumtaşı ve kireçtaşı katmanlarının karışımını içeren örnekler elde edilir. Ayrıca, şeyl örneklerinde genellikle şeyl şişmesine neden olan montmorillonit grupları bulunmaz ve bu nedenle şişme inhibisyonu deneyleri için uygun değildirler.
Bu çalışmada, çapı yaklaşık 2,54 cm olan yeniden oluşturulmuş bentonit parçacıkları kullanılmıştır. Granüller, 11,5 gram sodyum bentonit tozunun hidrolik presle 1600 psi basınç altında sıkıştırılmasıyla elde edilmiştir. Granüllerin kalınlığı, doğrusal dilatometreye (LD) yerleştirilmeden önce hassas bir şekilde ölçülmüştür. Daha sonra parçacıklar, baz örnekleri ve şeyl şişmesini önlemek için kullanılan inhibitörlerle enjekte edilmiş örnekler de dahil olmak üzere sondaj sıvısı örneklerine daldırılmıştır. Granül kalınlığındaki değişim daha sonra LD kullanılarak dikkatlice izlenmiş ve ölçümler 24 saat boyunca 60 saniyelik aralıklarla kaydedilmiştir.
X-ışını kırınımı, bentonitin bileşiminin, özellikle %47'lik montmorillonit bileşeninin, jeolojik özelliklerini anlamada kilit bir faktör olduğunu göstermiştir. Bentonitin montmorillonit bileşenleri arasında, montmorillonit toplam bileşenlerin %88,6'sını oluşturan ana bileşendir. Bu arada, kuvars %29, illit %7 ve karbonat %9 oranındadır. Küçük bir kısmı (yaklaşık %3,2) illit ve montmorillonit karışımından oluşmaktadır. Ayrıca, Fe2O3 (%4,7), gümüş alüminosilikat (%1,2), muskovit (%4) ve fosfat (%2,3) gibi eser elementler içermektedir. Ek olarak, az miktarda Na2O (%1,83) ve demir silikat (%2,17) da mevcuttur; bu da bentonitin bileşen elementlerini ve bunların oranlarını tam olarak anlamayı mümkün kılmaktadır.
Bu kapsamlı çalışma bölümü, doğal derin ötektik çözücü (NADES) kullanılarak hazırlanan ve farklı konsantrasyonlarda (%1, %3 ve %5) sondaj sıvısı katkı maddesi olarak kullanılan sondaj sıvısı örneklerinin reolojik ve filtrasyon özelliklerini detaylandırmaktadır. NADES bazlı bulamaç örnekleri daha sonra potasyum klorür (KCl), CC:üre DES (kolin klorür derin ötektik çözücü:üre) ve iyonik sıvılardan oluşan bulamaç örnekleriyle karşılaştırılmış ve analiz edilmiştir. Bu çalışmada, 100°C ve 150°C'de yaşlandırma koşullarına maruz kalmadan önce ve sonra FANN viskozimetre kullanılarak elde edilen viskozite ölçümleri de dahil olmak üzere bir dizi önemli parametre ele alınmıştır. Ölçümler, sondaj sıvısının davranışının kapsamlı bir analizine olanak tanıyan farklı dönüş hızlarında (3 rpm, 6 rpm, 300 rpm ve 600 rpm) alınmıştır. Elde edilen veriler daha sonra, çeşitli koşullar altında sıvı performansına ilişkin bilgi sağlayan akma noktası (YP) ve plastik viskozite (PV) gibi temel özellikleri belirlemek için kullanılabilir. 400 psi ve 150°C'de (yüksek sıcaklık kuyularında tipik sıcaklıklar) yapılan yüksek basınç yüksek sıcaklık (HPHT) filtrasyon testleri, filtrasyon performansını (kek kalınlığı ve süzüntü hacmi) belirler.
Bu bölümde, su bazlı sondaj sıvılarımızın şeyl şişmesini önleme özelliklerini kapsamlı bir şekilde değerlendirmek için son teknoloji ürünü ekipman olan Grace HPHT Lineer Dilatometre (M4600) kullanılmıştır. LSM, iki bileşenden oluşan son teknoloji ürünü bir makinedir: bir plaka sıkıştırıcı ve bir lineer dilatometre (model: M4600). Bentonit plakaları, Grace Çekirdek/Plaka Sıkıştırıcı kullanılarak analiz için hazırlanmıştır. LSM daha sonra bu plakalarda anında şişme verileri sağlayarak şeylin şişmesini önleme özelliklerinin kapsamlı bir şekilde değerlendirilmesine olanak tanır. Şeyl genleşme testleri ortam koşullarında, yani 25°C ve 1 psia'da gerçekleştirilmiştir.
Şeyl stabilitesi testleri, genellikle şeyl geri kazanım testi, şeyl daldırma testi veya şeyl dağılım testi olarak adlandırılan önemli bir testi içerir. Bu değerlendirmeye başlamak için, şeyl kırıntıları #6 BSS eleğinde ayrılır ve ardından #10 eleğe yerleştirilir. Kırıntılar daha sonra bir tutma tankına beslenir ve burada NADES (Doğal Derin Ötektik Çözücü) içeren bir baz sıvı ve sondaj çamuru ile karıştırılır. Bir sonraki adım, kırıntıların ve çamurun iyice karışmasını sağlamak için karışımı yoğun bir sıcak haddeleme işlemi için bir fırına yerleştirmektir. 16 saat sonra, şeylin ayrışmasına izin verilerek kırıntılar hamurdan çıkarılır ve bu da kırıntı ağırlığında bir azalmaya neden olur. Şeyl geri kazanım testi, şeyl kırıntıları 150°C ve 1000 psi'de sondaj çamurunda 24 saat bekletildikten sonra gerçekleştirildi.
Şeyl çamurunun geri kazanımını ölçmek için, onu daha ince bir elekten (40 mesh) süzdük, ardından suyla iyice yıkadık ve son olarak fırında kuruttuk. Bu zahmetli işlem, geri kazanılan çamuru orijinal ağırlığa kıyasla tahmin etmemizi ve nihayetinde başarılı bir şekilde geri kazanılan şeyl çamurunun yüzdesini hesaplamamızı sağlar. Şeyl örneklerinin kaynağı Malezya, Sarawak, Miri Bölgesi, Niah Bölgesi'dir. Dağılım ve geri kazanım testlerinden önce, şeyl örnekleri kil bileşimlerini nicelleştirmek ve test için uygunluklarını doğrulamak amacıyla kapsamlı bir X-ışını kırınımı (XRD) analizine tabi tutuldu. Örneklerin kil mineral bileşimi şu şekildedir: illit %18, kaolinit %31, klorit %22, vermikülit %10 ve mika %19.
Yüzey gerilimi, su katyonlarının kılcal etki yoluyla şeyl mikro gözeneklerine nüfuzunu kontrol eden önemli bir faktördür ve bu bölümde detaylı olarak incelenecektir. Bu makale, sondaj sıvılarının kohezyon özelliğinde yüzey geriliminin rolünü inceleyerek, özellikle şeyl inhibisyonu olmak üzere sondaj sürecindeki önemli etkisini vurgulamaktadır. Sondaj sıvısı örneklerinin yüzey gerilimini doğru bir şekilde ölçmek için bir arayüzey gerilim ölçer (IFT700) kullandık ve şeyl inhibisyonu bağlamında sıvı davranışının önemli bir yönünü ortaya koyduk.
Bu bölümde, killerdeki alüminosilikat katmanları ile bir alüminosilikat katmanı arasındaki katmanlar arası mesafe olan d-katman aralığı ayrıntılı olarak ele alınmaktadır. Analiz, %1, %3 ve %5 CA NADES içeren ıslak çamur örneklerinin yanı sıra karşılaştırma amacıyla %3 KCl, %3 [EMIM]Cl ve %3 CC:üre bazlı DES örneklerini de kapsamıştır. Hem ıslak hem de kuru Na-Bt örneklerinin X-ışını kırınım piklerinin kaydedilmesinde, 40 mA ve 45 kV'de Cu-Kα radyasyonu (λ = 1,54059 Å) ile çalışan son teknoloji ürünü bir masaüstü X-ışını difraktometresi (D2 Phaser) kritik bir rol oynamıştır. Bragg denkleminin uygulanması, d-katman aralığının doğru bir şekilde belirlenmesini sağlayarak kil davranışı hakkında değerli bilgiler sunmaktadır.
Bu bölümde, zeta potansiyelini doğru bir şekilde ölçmek için gelişmiş Malvern Zetasizer Nano ZSP cihazı kullanılmıştır. Bu değerlendirme, %1, %3 ve %5 CA NADES içeren seyreltik çamur örneklerinin yanı sıra karşılaştırmalı analiz için %3 KCl, %3 [EMIM]Cl ve %3 CC:üre bazlı DES içeren örneklerin yük özelliklerine ilişkin değerli bilgiler sağlamıştır. Bu sonuçlar, kolloidal bileşiklerin stabilitesi ve sıvılardaki etkileşimleri hakkındaki anlayışımıza katkıda bulunmaktadır.
Kil örnekleri, doğal derin ötektik çözücüye (NADES) maruz kalmadan önce ve sonra, enerji dağılımlı X-ışını (EDX) ile donatılmış bir Zeiss Supra 55 VP alan emisyonlu taramalı elektron mikroskobu (FESEM) kullanılarak incelenmiştir. Görüntüleme çözünürlüğü 500 nm, elektron ışın enerjisi ise 30 kV ve 50 kV idi. FESEM, kil örneklerinin yüzey morfolojisi ve yapısal özelliklerinin yüksek çözünürlüklü görselleştirilmesini sağlar. Bu çalışmanın amacı, maruz kalmadan önce ve sonra elde edilen görüntüleri karşılaştırarak NADES'in kil örnekleri üzerindeki etkisi hakkında bilgi edinmektir.
Bu çalışmada, NADES'in kil örnekleri üzerindeki etkisini mikroskobik düzeyde incelemek için alan emisyonlu taramalı elektron mikroskobu (FESEM) teknolojisi kullanılmıştır. Bu çalışmanın amacı, NADES'in potansiyel uygulamalarını ve kil morfolojisi ve ortalama parçacık boyutu üzerindeki etkisini aydınlatarak, bu alandaki araştırmalar için değerli bilgiler sağlamaktır.
Bu çalışmada, deneysel koşullar boyunca ortalama yüzde hata (AMPE) değişkenliğini ve belirsizliğini görsel olarak tanımlamak için hata çubukları kullanılmıştır. Bireysel AMPE değerlerini çizmek yerine (çünkü AMPE değerlerini çizmek eğilimleri gizleyebilir ve küçük varyasyonları abartabilir), %5 kuralını kullanarak hata çubukları hesapladık. Bu yaklaşım, her hata çubuğunun %95 güven aralığının ve AMPE değerlerinin %100'ünün düşmesinin beklendiği aralığı temsil etmesini sağlayarak, her deneysel koşul için veri dağılımının daha net ve özlü bir özetini sunar. %5 kuralına dayalı hata çubuklarının kullanılması, grafiksel gösterimlerin yorumlanabilirliğini ve güvenilirliğini artırır ve sonuçların ve bunların etkilerinin daha ayrıntılı bir şekilde anlaşılmasına yardımcı olur.
Doğal derin ötektik çözücülerin (NADES) sentezinde, kurum içi hazırlama sürecinde birkaç önemli parametre dikkatlice incelenmiştir. Bu kritik faktörler arasında sıcaklık, molar oran ve karıştırma hızı yer almaktadır. Deneylerimiz, HBA (sitrik asit) ve HBD (gliserol) 50°C'de 1:4 molar oranında karıştırıldığında ötektik bir karışım oluştuğunu göstermektedir. Ötektik karışımın ayırt edici özelliği, şeffaf, homojen görünümü ve tortu içermemesidir. Bu nedenle, bu önemli adım, molar oran, sıcaklık ve karıştırma hızının önemini vurgulamaktadır; bunlar arasında molar oran, Şekil 2'de gösterildiği gibi, DES ve NADES'in hazırlanmasında en etkili faktör olmuştur.
Kırılma indisi (n), ışığın vakumdaki hızının, daha yoğun ikinci bir ortamdaki ışık hızına oranını ifade eder. Kırılma indisi, biyosensörler gibi optik olarak hassas uygulamalar düşünüldüğünde, doğal derin ötektik çözücüler (NADES) için özellikle önemlidir. İncelenen NADES'in 25 °C'deki kırılma indisi 1,452'dir ve bu değer, ilginç bir şekilde gliserolün kırılma indisinden daha düşüktür.
NADES'in kırılma indeksinin sıcaklıkla azaldığını ve bu eğilimin, mutlak ortalama yüzde hatasının (AMPE) %0'a ulaşmasıyla formül (1) ve Şekil 3 ile doğru bir şekilde tanımlanabileceğini belirtmekte fayda var. Bu sıcaklığa bağlı davranış, yüksek sıcaklıklarda viskozite ve yoğunluğun azalmasıyla açıklanmaktadır; bu da ışığın ortamdan daha yüksek bir hızda geçmesine ve daha düşük bir kırılma indeksi (n) değerine yol açmasına neden olur. Bu sonuçlar, NADES'in optik algılamada stratejik kullanımına ilişkin değerli bilgiler sağlamakta ve biyosensör uygulamaları için potansiyellerini vurgulamaktadır.
Sıvı yüzeyinin alanını en aza indirme eğilimini yansıtan yüzey gerilimi, doğal derin ötektik çözücülerin (NADES) kılcal basınç temelli uygulamalar için uygunluğunu değerlendirmede büyük önem taşır. 25–60 °C sıcaklık aralığında yüzey gerilimi üzerine yapılan bir çalışma değerli bilgiler sağlar. 25 °C'de, sitrik asit bazlı NADES'in yüzey gerilimi 55,42 mN/m olup, su ve gliserolünkinden önemli ölçüde daha düşüktür. Şekil 4, yüzey geriliminin sıcaklık artışıyla önemli ölçüde azaldığını göstermektedir. Bu olgu, moleküler kinetik enerjideki artış ve ardından moleküller arası çekim kuvvetlerindeki azalma ile açıklanabilir.
İncelenen NADES'lerde gözlemlenen yüzey geriliminin doğrusal olarak azalan eğilimi, 25–60 °C sıcaklık aralığında temel matematiksel ilişkiyi gösteren denklem (2) ile iyi bir şekilde ifade edilebilir. Şekil 4'teki grafik, %1,4'lük mutlak ortalama yüzde hatası (AMPE) ile yüzey geriliminin sıcaklıkla olan eğilimini açıkça göstermekte olup, bu da bildirilen yüzey gerilimi değerlerinin doğruluğunu nicelendirmektedir. Bu sonuçlar, NADES'lerin davranışını ve potansiyel uygulamalarını anlamak için önemli çıkarımlara sahiptir.
Doğal derin ötektik çözücülerin (NADES) yoğunluk dinamiklerini anlamak, bunların çok sayıda bilimsel çalışmada uygulanmasını kolaylaştırmak için çok önemlidir. Sitrik asit bazlı NADES'in 25°C'deki yoğunluğu 1,361 g/cm³ olup, ana gliserolün yoğunluğundan daha yüksektir. Bu fark, gliserole bir hidrojen bağı alıcısının (sitrik asit) eklenmesiyle açıklanabilir.
Sitrat bazlı NADES'i örnek olarak alırsak, yoğunluğu 60°C'de 1,19 g/cm³'e düşer. Isıtma üzerine kinetik enerjideki artış, NADES moleküllerinin dağılmasına ve daha büyük bir hacim kaplamasına neden olarak yoğunlukta bir azalmaya yol açar. Gözlemlenen yoğunluk azalması, sıcaklık artışıyla belirli bir doğrusal korelasyon göstermektedir ve bu, formül (3) ile uygun şekilde ifade edilebilir. Şekil 5, bildirilen yoğunluk değerlerinin doğruluğunun nicel bir ölçüsünü sağlayan %1,12'lik mutlak ortalama yüzde hatası (AMPE) ile NADES yoğunluk değişiminin bu özelliklerini grafiksel olarak sunmaktadır.
Viskozite, hareket halindeki bir sıvının farklı katmanları arasındaki çekim kuvvetidir ve doğal derin ötektik çözücülerin (NADES) çeşitli uygulamalardaki kullanılabilirliğini anlamada önemli bir rol oynar. 25 °C'de NADES'in viskozitesi 951 cP olup, gliserolün viskozitesinden daha yüksektir.
Gözlemlenen viskozitedeki sıcaklık artışıyla birlikteki azalma, esas olarak moleküller arası çekim kuvvetlerinin zayıflamasıyla açıklanmaktadır. Bu fenomen, akışkanın viskozitesinde bir azalmaya neden olur; bu eğilim Şekil 6'da açıkça gösterilmiş ve Denklem (4) ile nicelendirilmiştir. Özellikle, 60°C'de viskozite, %1,4'lük genel ortalama yüzde hatası (AMPE) ile 898 cP'ye düşmektedir. NADES'te viskozite-sıcaklık bağımlılığının ayrıntılı olarak anlaşılması, pratik uygulaması için büyük önem taşımaktadır.
Hidrojen iyonu konsantrasyonunun negatif logaritması ile belirlenen çözeltinin pH değeri, özellikle DNA sentezi gibi pH'a duyarlı uygulamalarda kritik öneme sahiptir; bu nedenle NADES'in pH değeri kullanımdan önce dikkatlice incelenmelidir. Sitrik asit bazlı NADES'i örnek olarak alırsak, gliserolün nispeten nötr pH değerinin aksine, belirgin şekilde asidik bir pH değeri olan 1,91 gözlemlenebilir.
İlginç bir şekilde, doğal sitrik asit dehidrojenaz çözünür çözücüsünün (NADES) pH değeri, artan sıcaklıkla doğrusal olmayan bir düşüş eğilimi göstermiştir. Bu olgu, çözeltideki H+ dengesini bozan ve [H]+ iyonlarının oluşumuna ve dolayısıyla pH değerinde bir değişikliğe yol açan artan moleküler titreşimlere bağlanmaktadır. Sitrik asidin doğal pH değeri 3 ile 5 arasında değişirken, gliseroldeki asidik hidrojenin varlığı pH'ı 1,91'e kadar düşürmektedir.
25–60 °C sıcaklık aralığında sitrat bazlı NADES'in pH davranışı, gözlemlenen pH eğilimi için matematiksel bir ifade sağlayan denklem (5) ile uygun şekilde temsil edilebilir. Şekil 7, bu ilginç ilişkiyi grafiksel olarak göstermekte ve AMPE için %1,4 olarak bildirilen NADES'in pH'ı üzerindeki sıcaklığın etkisini vurgulamaktadır.
Doğal sitrik asit derin ötektik çözücüsünün (NADES) termogravimetrik analizi (TGA), oda sıcaklığından 500 °C'ye kadar olan sıcaklık aralığında sistematik olarak gerçekleştirilmiştir. Şekil 8a ve b'den görülebileceği gibi, 100 °C'ye kadar olan ilk kütle kaybı esas olarak emilen su ve sitrik asit ile saf gliserol ile ilişkili hidrasyon suyundan kaynaklanmaktadır. 180 °C'ye kadar yaklaşık %88'lik önemli bir kütle korunumu gözlemlenmiştir; bu, esas olarak sitrik asidin akonitik aside ayrışmasından ve daha fazla ısıtma üzerine metilmaleik anhidrit(III) oluşumundan kaynaklanmaktadır (Şekil 8b). 180 °C'nin üzerinde, Şekil 8b37'de gösterildiği gibi, gliserolde akrolein (akrilaldehit)in belirgin bir şekilde ortaya çıkışı da gözlemlenebilir.
Gliserolün termogravimetrik analizi (TGA), iki aşamalı bir kütle kaybı sürecini ortaya çıkardı. İlk aşama (180 ila 220 °C), akrolein oluşumunu içerirken, bunu 230 ila 300 °C arasındaki yüksek sıcaklıklarda önemli bir kütle kaybı izledi (Şekil 8a). Sıcaklık arttıkça, sırasıyla asetaldehit, karbondioksit, metan ve hidrojen oluşur. Dikkat çekici bir şekilde, 300 °C'de kütlenin yalnızca %28'i korunmuştur; bu da NADES 8(a)38,39'un içsel özelliklerinin kusurlu olabileceğini düşündürmektedir.
Yeni kimyasal bağların oluşumu hakkında bilgi edinmek için, taze hazırlanmış doğal derin ötektik çözücü süspansiyonları (NADES), Fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi (FTIR) ile analiz edildi. Analiz, NADES süspansiyonunun spektrumunun saf sitrik asit (CA) ve gliserol (Gly) spektrumlarıyla karşılaştırılmasıyla gerçekleştirildi. CA spektrumu, C=O bağının gerilme titreşimlerini temsil eden ve aynı zamanda CA'ya özgü olan 1752 1/cm ve 1673 1/cm'de belirgin tepe noktaları gösterdi. Ek olarak, Şekil 9'da gösterildiği gibi, parmak izi bölgesinde 1360 1/cm'de OH bükülme titreşiminde önemli bir kayma gözlemlendi.
Benzer şekilde, gliserol durumunda, OH germe ve bükme titreşimlerinin kaymaları sırasıyla 3291 1/cm ve 1414 1/cm dalga sayılarında bulunmuştur. Şimdi, hazırlanan NADES'in spektrumunu analiz ederek, spektrumda önemli bir kayma bulunmuştur. Şekil 7'de gösterildiği gibi, C=O bağının germe titreşimi 1752 1/cm'den 1720 1/cm'ye ve gliserolün -OH bağının bükme titreşimi 1414 1/cm'den 1359 1/cm'ye kaymıştır. Dalga sayılarındaki bu kaymalar, elektronegatiflikteki değişimi gösterir ve bu da NADES yapısında yeni kimyasal bağların oluşumunu gösterir.