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La expansión de lutitas en yacimientos clásticos genera problemas significativos, lo que provoca la inestabilidad del pozo. Por razones ambientales, se prefiere el uso de fluidos de perforación a base de agua con inhibidores de lutitas añadidos en lugar de fluidos a base de petróleo. Los líquidos iónicos (LI) han atraído mucha atención como inhibidores de lutitas debido a sus propiedades ajustables y sus fuertes características electrostáticas. Sin embargo, los líquidos iónicos (LI) a base de imidazolilo, ampliamente utilizados en fluidos de perforación, han demostrado ser tóxicos, no biodegradables y costosos. Los solventes eutécticos profundos (DES) se consideran una alternativa más rentable y menos tóxica a los líquidos iónicos, pero aún no cumplen con la sostenibilidad ambiental requerida. Avances recientes en este campo han llevado a la introducción de solventes eutécticos profundos naturales (NADES), conocidos por su gran respeto al medio ambiente. Este estudio investigó los NADES, que contienen ácido cítrico (como aceptor de enlaces de hidrógeno) y glicerol (como donante de enlaces de hidrógeno) como aditivos para fluidos de perforación. Los fluidos de perforación basados ​​en NADES se desarrollaron de acuerdo con la norma API 13B-1 y su rendimiento se comparó con fluidos de perforación basados ​​en cloruro de potasio, líquidos iónicos basados ​​en imidazolio y fluidos de perforación basados ​​en cloruro de colina:urea-DES. Las propiedades fisicoquímicas de los NADES patentados se describen en detalle. Durante el estudio se evaluaron las propiedades reológicas, la pérdida de fluido y las propiedades de inhibición de lutitas del fluido de perforación, y se demostró que, a una concentración del 3% de NADES, la relación tensión de fluencia/viscosidad plástica (YP/PV) aumentó, el espesor de la torta de lodo se redujo en un 26% y el volumen de filtrado se redujo en un 30,1%. Cabe destacar que NADES logró una impresionante tasa de inhibición de la expansión del 49,14% y aumentó la producción de lutitas en un 86,36%. Estos resultados se atribuyen a la capacidad de NADES para modificar la actividad superficial, el potencial zeta y el espaciamiento entre capas de arcillas, que se discuten en este documento para comprender los mecanismos subyacentes. Se espera que este fluido de perforación sustentable revolucione la industria de la perforación al proporcionar una alternativa no tóxica, rentable y altamente efectiva a los inhibidores de corrosión de esquisto tradicionales, allanando el camino para prácticas de perforación respetuosas con el medio ambiente.
La lutita es una roca versátil que sirve tanto como fuente como reservorio de hidrocarburos, y su estructura porosa1 ofrece el potencial tanto para la producción como para el almacenamiento de estos valiosos recursos. Sin embargo, la lutita es rica en minerales arcillosos como la montmorillonita, la esmectita, la caolinita y la illita, lo que la hace propensa a hincharse al exponerse al agua, lo que provoca inestabilidad en el pozo durante las operaciones de perforación2,3. Estos problemas pueden generar tiempo improductivo (NPT) y diversos problemas operativos, como atascos de tuberías, pérdida de circulación del lodo, colapso del pozo y ensuciamiento de la broca, lo que aumenta el tiempo y el costo de recuperación. Tradicionalmente, los fluidos de perforación a base de petróleo (OBDF) han sido la opción preferida para las formaciones de lutita debido a su capacidad para resistir la expansión de la lutita4. Sin embargo, el uso de fluidos de perforación a base de petróleo conlleva mayores costos y riesgos ambientales. Los fluidos de perforación de base sintética (SBDF) se han considerado como una alternativa, pero su idoneidad a altas temperaturas es insatisfactoria. Los fluidos de perforación a base de agua (WBDF) son una solución atractiva por ser más seguros, ecológicos y rentables que los OBDF5. Se han utilizado diversos inhibidores de lutitas para mejorar la capacidad de inhibición de lutitas de los WBDF, incluyendo inhibidores tradicionales como el cloruro de potasio, la cal, el silicato y los polímeros. Sin embargo, estos inhibidores presentan limitaciones en cuanto a su eficacia e impacto ambiental, especialmente debido a la alta concentración de K+ en los inhibidores de cloruro de potasio y a la sensibilidad al pH de los silicatos. 6 Los investigadores han explorado la posibilidad de utilizar líquidos iónicos como aditivos para fluidos de perforación a fin de mejorar la reología de estos fluidos y prevenir la expansión de las lutitas y la formación de hidratos. Sin embargo, estos líquidos iónicos, especialmente los que contienen cationes imidazolilo, suelen ser tóxicos, costosos, no biodegradables y requieren procesos de preparación complejos. Para solucionar estos problemas, se comenzó a buscar una alternativa más económica y ecológica, lo que condujo al surgimiento de los disolventes eutécticos profundos (DES). El DES es una mezcla eutéctica formada por un donante de enlaces de hidrógeno (HBD) y un aceptor de enlaces de hidrógeno (HBA) a una relación molar y temperatura específicas. Estas mezclas eutécticas tienen puntos de fusión más bajos que sus componentes individuales, principalmente debido a la deslocalización de carga causada por los enlaces de hidrógeno. Muchos factores, como la energía reticular, el cambio de entropía y las interacciones entre aniones y HBD, desempeñan un papel clave en la reducción del punto de fusión del DES.
En estudios previos, se añadieron varios aditivos al fluido de perforación a base de agua para resolver el problema de la expansión de la lutita. Por ejemplo, Ofei et al. añadieron cloruro de 1-butil-3-metilimidazolio (BMIM-Cl), que redujo significativamente el espesor de la torta de lodo (hasta un 50%) y disminuyó el valor de YP/PV en 11 a diferentes temperaturas. Huang et al. utilizaron líquidos iónicos (específicamente, bromuro de 1-hexil-3-metilimidazolio y bromuro de 1,2-bis(3-hexilimidazol-1-il)etano) en combinación con partículas de Na-Bt y redujeron significativamente la hinchazón de la lutita en un 86,43% y un 94,17%, respectivamente12. Además, Yang et al. utilizaron bromuro de 1-vinil-3-dodecilimidazolio y bromuro de 1-vinil-3-tetradecilimidazolio para reducir la hinchazón de la lutita en un 16,91% y un 5,81%, respectivamente. 13 Yang et al. También se utilizó bromuro de 1-vinil-3-etilimidazolio y se redujo la expansión de la lutita en un 31,62 %, manteniendo la recuperación de la lutita en un 40,60 %. 14 Además, Luo et al. utilizaron tetrafluoroborato de 1-octil-3-metilimidazolio para reducir la expansión de la lutita en un 80 %. 15, 16 Dai et al. utilizaron copolímeros líquidos iónicos para inhibir la lutita y lograron un aumento del 18 % en la recuperación lineal en comparación con los inhibidores de amina. 17
Los líquidos iónicos en sí mismos tienen algunas desventajas, lo que impulsó a los científicos a buscar alternativas más respetuosas con el medio ambiente a los líquidos iónicos, y así nació DES. Hanjia fue el primero en utilizar disolventes eutécticos profundos (DES) que consisten en ácido propiónico de cloruro de vinilo (1:1), ácido 3-fenilpropiónico de cloruro de vinilo (1:2) y ácido 3-mercaptopropiónico + ácido itacónico + cloruro de vinilo (1:1:2), que inhibieron el hinchamiento de la bentonita en un 68%, 58% y 58%, respectivamente18. En un experimento libre, MH Rasul utilizó una proporción 2:1 de glicerol y carbonato de potasio (DES) y redujo significativamente el hinchamiento de las muestras de esquisto en un 87%19,20. Ma utilizó urea:cloruro de vinilo para reducir significativamente la expansión de la pizarra en un 67%.21 Rasul et al. La combinación de DES y polímero se utilizó como un inhibidor de esquisto de doble acción, que logró un excelente efecto de inhibición de esquisto22.
Aunque los disolventes eutécticos profundos (DES) se consideran generalmente una alternativa más ecológica a los líquidos iónicos, también contienen componentes potencialmente tóxicos, como las sales de amonio, lo que cuestiona su compatibilidad con el medio ambiente. Este problema ha impulsado el desarrollo de disolventes eutécticos profundos naturales (NADES). Si bien aún se clasifican como DES, están compuestos de sustancias y sales naturales, como cloruro de potasio (KCl), cloruro de calcio (CaCl₂), sales de Epsom (MgSO₄·7H₂O) y otras. Las numerosas combinaciones potenciales de DES y NADES abren un amplio campo de investigación en esta área y se espera que encuentren aplicaciones en diversos campos. Varios investigadores han desarrollado con éxito nuevas combinaciones de DES que han demostrado su eficacia en diversas aplicaciones. Por ejemplo, Naser et al. (2013) sintetizaron DES a base de carbonato de potasio y estudiaron sus propiedades termofísicas, que posteriormente encontraron aplicaciones en las áreas de inhibición de hidratos, aditivos para fluidos de perforación, deslignificación y nanofibrilación. 23 Jordy Kim y colaboradores desarrollaron NADES basados ​​en ácido ascórbico y evaluaron sus propiedades antioxidantes en diversas aplicaciones. 24 Christer et al. desarrollaron NADES basados ​​en ácido cítrico e identificaron su potencial como excipiente para productos de colágeno. 25 Liu Yi y colaboradores resumieron las aplicaciones de NADES como medios de extracción y cromatografía en una revisión exhaustiva, mientras que Misan et al. analizaron las aplicaciones exitosas de NADES en el sector agroalimentario. Es imperativo que los investigadores de fluidos de perforación comiencen a prestar atención a la efectividad de NADES en sus aplicaciones. reciente. En 2023, Rasul et al. utilizaron diferentes combinaciones de solventes eutécticos profundos naturales basados ​​en ácido ascórbico26, cloruro de calcio27, cloruro de potasio28 y sal de Epsom29 y lograron una impresionante inhibición y recuperación de lutitas. Este estudio es uno de los primeros estudios en introducir NADES (particularmente una formulación basada en ácido cítrico y glicerol) como un inhibidor de esquisto eficaz y respetuoso con el medio ambiente en fluidos de perforación a base de agua, que presenta una excelente estabilidad ambiental, una capacidad de inhibición de esquisto mejorada y un mejor rendimiento del fluido en comparación con inhibidores tradicionales como KCl, líquidos iónicos a base de imidazolilo y DES tradicional.
El estudio implicará la preparación interna de NADES a base de ácido cítrico (CA) seguida de una caracterización fisicoquímica detallada y su uso como aditivo para fluidos de perforación para evaluar las propiedades del fluido de perforación y su capacidad de inhibición del hinchamiento. En este estudio, CA actuará como un aceptor de enlaces de hidrógeno, mientras que el glicerol (Gly) actuará como un donante de enlaces de hidrógeno seleccionado con base en los criterios de selección de MH para la formación/selección de NADES en estudios de inhibición de lutitas30. Las mediciones de espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR), difracción de rayos X (XRD) y potencial zeta (ZP) dilucidarán las interacciones NADES-arcilla y el mecanismo subyacente a la inhibición del hinchamiento de la arcilla. Además, este estudio comparará el fluido de perforación a base de CA NADES con DES32 a base de cloruro de 1-etil-3-metilimidazolio [EMIM]Cl7,12,14,17,31, KCl y cloruro de colina:urea (1:2) para investigar su eficacia en la inhibición de lutitas y mejorar el rendimiento del fluido de perforación.
El ácido cítrico (monohidrato), el glicerol (99 USP) y la urea se adquirieron en EvaChem, Kuala Lumpur, Malasia. El cloruro de colina (>98%), el [EMIM]Cl 98% y el cloruro de potasio se adquirieron en Sigma Aldrich, Malasia. Las estructuras químicas de todos los productos químicos se muestran en la Figura 1. El diagrama verde compara los principales productos químicos utilizados en este estudio: líquido iónico de imidazolilo, cloruro de colina (DES), ácido cítrico, glicerol, cloruro de potasio y NADES (ácido cítrico y glicerol). La tabla de compatibilidad ecológica de los productos químicos utilizados en este estudio se presenta en la Tabla 1. En la tabla, cada producto químico se clasifica en función de su toxicidad, biodegradabilidad, coste y sostenibilidad ambiental.
Estructuras químicas de los materiales utilizados en este estudio: (a) ácido cítrico, (b) [EMIM]Cl, (c) cloruro de colina y (d) glicerol.
Los candidatos a donantes y aceptores de enlaces de hidrógeno (HBD) y aceptores de enlaces de hidrógeno (HBA) para el desarrollo de NADES basados ​​en CA (disolventes eutécticos naturales profundos) se seleccionaron cuidadosamente según los criterios de selección MH 30, diseñados para el desarrollo de NADES como inhibidores eficaces de esquisto. Según este criterio, los componentes con un gran número de donantes y aceptores de enlaces de hidrógeno, así como grupos funcionales polares, se consideran adecuados para el desarrollo de NADES.
Además, en este estudio se seleccionaron el líquido iónico [EMIM]Cl y el disolvente eutéctico profundo (DES) cloruro de colina:urea, debido a su amplio uso como aditivos para fluidos de perforación33,34,35,36. Además, se comparó el cloruro de potasio (KCl) por ser un inhibidor común.
Se mezclaron ácido cítrico y glicerol en diferentes proporciones molares para obtener mezclas eutécticas. La inspección visual mostró que la mezcla eutéctica era un líquido homogéneo, transparente y sin turbidez, lo que indica que el donante de enlaces de hidrógeno (HBD) y el aceptor de enlaces de hidrógeno (HBA) se mezclaron correctamente en esta composición eutéctica. Se realizaron experimentos preliminares para observar el comportamiento dependiente de la temperatura del proceso de mezcla de HBD y HBA. De acuerdo con la literatura disponible, la proporción de mezclas eutécticas se evaluó a tres temperaturas específicas por encima de 50 °C, 70 °C y 100 °C, lo que indica que la temperatura eutéctica generalmente está en el rango de 50-80 °C. Se utilizó una balanza digital Mettler para pesar con precisión los componentes de HBD y HBA, y una placa calefactora Thermo Fisher para calentar y agitar el HBD y el HBA a 100 rpm en condiciones controladas.
Las propiedades termofísicas de nuestro disolvente eutéctico profundo (DES) sintetizado, incluyendo densidad, tensión superficial, índice de refracción y viscosidad, se midieron con precisión en un rango de temperatura de 289,15 a 333,15 K. Cabe destacar que este rango de temperatura se eligió principalmente debido a las limitaciones del equipo existente. El análisis exhaustivo incluyó un estudio exhaustivo de diversas propiedades termofísicas de esta formulación de NADES, revelando su comportamiento en un rango de temperaturas. Centrarse en este rango de temperatura específico proporciona información sobre las propiedades de los NADES que son de particular importancia para diversas aplicaciones.
La tensión superficial de los NADES recién preparados se midió en un rango de 289,15 a 333,15 K con un tensiómetro interfacial (IFT700). Las gotas de NADES se forman en una cámara llena de un gran volumen de líquido mediante una aguja capilar, en condiciones específicas de temperatura y presión. Los sistemas de imagen modernos introducen parámetros geométricos adecuados para calcular la tensión interfacial mediante la ecuación de Laplace.
Se utilizó un refractómetro ATAGO para determinar el índice de refracción de NADES recién preparados en un rango de temperatura de 289,15 a 333,15 K. El instrumento utiliza un módulo térmico para regular la temperatura y estimar el grado de refracción de la luz, eliminando así la necesidad de un baño de agua a temperatura constante. La superficie del prisma del refractómetro debe limpiarse y la solución de muestra debe distribuirse uniformemente sobre ella. Calibre con una solución estándar conocida y luego lea el índice de refracción en la pantalla.
La viscosidad de los NADES recién preparados se midió en un rango de temperatura de 289,15 a 333,15 K utilizando un viscosímetro rotacional Brookfield (tipo criogénico) a una velocidad de cizallamiento de 30 rpm y un husillo de 6 mm. El viscosímetro mide la viscosidad determinando el par necesario para girar el husillo a velocidad constante en una muestra líquida. Tras colocar la muestra en la pantalla debajo del husillo y apretarla, el viscosímetro muestra la viscosidad en centipoises (cP), lo que proporciona información valiosa sobre las propiedades reológicas del líquido.
Se utilizó un densímetro portátil DMA 35 Basic para determinar la densidad de un disolvente eutéctico natural profundo (NDEES) recién preparado en un rango de temperatura de 289,15 a 333,15 K. Dado que el dispositivo no incorpora un calentador, debe precalentarse a la temperatura especificada (± 2 °C) antes de usar el densímetro NADES. Extraiga al menos 2 ml de muestra a través del tubo y la densidad se mostrará inmediatamente en la pantalla. Cabe destacar que, debido a la falta de un calentador, los resultados de la medición tienen un error de ± 2 °C.
Para evaluar el pH de NADES recién preparados en el rango de temperatura de 289,15 a 333,15 K, utilizamos un medidor de pH de sobremesa Kenis. Dado que no incorpora un dispositivo de calentamiento, primero calentamos el NADES a la temperatura deseada (±2 °C) con una placa calefactora y luego lo medimos directamente con un medidor de pH. Sumerja completamente la sonda del medidor de pH en NADES y registre el valor final una vez que la lectura se haya estabilizado.
Se utilizó análisis termogravimétrico (TGA) para evaluar la estabilidad térmica de disolventes eutécticos naturales profundos (NADES). Las muestras se analizaron durante el calentamiento. Utilizando una balanza de alta precisión y monitoreando cuidadosamente el proceso de calentamiento, se generó una gráfica de pérdida de masa en función de la temperatura. Los NADES se calentaron de 0 a 500 °C a una velocidad de 1 °C por minuto.
Para comenzar el proceso, la muestra NADES debe mezclarse completamente, homogeneizarse y eliminarse la humedad superficial. La muestra preparada se coloca en una cubeta de TGA, generalmente hecha de un material inerte como el aluminio. Para garantizar resultados precisos, los instrumentos de TGA se calibran utilizando materiales de referencia, generalmente estándares de peso. Una vez calibrados, comienza el experimento de TGA y la muestra se calienta de forma controlada, generalmente a una velocidad constante. El monitoreo continuo de la relación entre el peso de la muestra y la temperatura es fundamental en el experimento. Los instrumentos de TGA recopilan datos sobre la temperatura, el peso y otros parámetros como el flujo de gas o la temperatura de la muestra. Una vez finalizado el experimento de TGA, los datos recopilados se analizan para determinar el cambio en el peso de la muestra en función de la temperatura. Esta información es valiosa para determinar los rangos de temperatura asociados con los cambios físicos y químicos en la muestra, incluyendo procesos como la fusión, la evaporación, la oxidación o la descomposición.
El fluido de perforación a base de agua se formuló cuidadosamente de acuerdo con el estándar API 13B-1, y su composición específica se detalla en la Tabla 2 como referencia. Se adquirieron ácido cítrico y glicerol (99 USP) de Sigma Aldrich, Malasia, para preparar el solvente eutéctico profundo natural (NADES). Además, el inhibidor de lutitas convencional, cloruro de potasio (KCl), también se adquirió de Sigma Aldrich, Malasia. Se seleccionó el cloruro de 1-etil, 3-metilimidazolio ([EMIM]Cl) con una pureza de más del 98% debido a su efecto significativo en la mejora de la reología del fluido de perforación y la inhibición de lutitas, lo cual se confirmó en estudios previos. Tanto KCl como ([EMIM]Cl) se utilizarán en el análisis comparativo para evaluar el rendimiento de inhibición de lutitas de NADES.
Muchos investigadores prefieren usar escamas de bentonita para estudiar la expansión de la lutita, ya que esta contiene el mismo grupo "montmorillonita" que la causa. Obtener muestras reales de núcleos de lutita es difícil, ya que el proceso de extracción de núcleos la desestabiliza, lo que resulta en muestras que no son completamente lutitas, sino que suelen contener una mezcla de capas de arenisca y caliza. Además, las muestras de lutita suelen carecer de los grupos montmorillonita que causan la expansión de la lutita y, por lo tanto, no son aptas para experimentos de inhibición de la expansión.
En este estudio, utilizamos partículas de bentonita reconstituida con un diámetro aproximado de 2,54 cm. Los gránulos se obtuvieron prensando 11,5 gramos de polvo de bentonita sódica en una prensa hidráulica a 1600 psi. El espesor de los gránulos se midió con precisión antes de colocarlos en un dilatómetro lineal (LD). Posteriormente, las partículas se sumergieron en muestras de fluido de perforación, incluyendo muestras de base y muestras inyectadas con inhibidores utilizados para prevenir la expansión de la lutita. El cambio en el espesor de los gránulos se monitoreó cuidadosamente mediante el LD, con mediciones registradas a intervalos de 60 segundos durante 24 horas.
La difracción de rayos X mostró que la composición de la bentonita, especialmente su componente de montmorillonita del 47%, es un factor clave para comprender sus características geológicas. Entre los componentes de montmorillonita de la bentonita, la montmorillonita es el componente principal, representando el 88,6% del total de componentes. Mientras tanto, el cuarzo representa el 29%, la illita el 7% y el carbonato el 9%. Una pequeña parte (aproximadamente el 3,2%) es una mezcla de illita y montmorillonita. Además, contiene oligoelementos como Fe2O3 (4,7%), aluminosilicato de plata (1,2%), moscovita (4%) y fosfato (2,3%). Además, están presentes pequeñas cantidades de Na2O (1,83%) y silicato de hierro (2,17%), lo que permite apreciar completamente los elementos constituyentes de la bentonita y sus respectivas proporciones.
Esta sección de estudio integral detalla las propiedades reológicas y de filtración de muestras de fluido de perforación preparadas con solvente eutéctico profundo natural (NADES) y utilizadas como aditivo para fluidos de perforación en diferentes concentraciones (1%, 3% y 5%). Las muestras de lodo basadas en NADES se compararon y analizaron con muestras de lodo compuestas de cloruro de potasio (KCl), CC:urea DES (solvente eutéctico profundo de cloruro de colina:urea) y líquidos iónicos. En este estudio se abordaron varios parámetros clave, incluyendo lecturas de viscosidad obtenidas con un viscosímetro FANN antes y después de la exposición a condiciones de envejecimiento a 100 °C y 150 °C. Las mediciones se tomaron a diferentes velocidades de rotación (3 rpm, 6 rpm, 300 rpm y 600 rpm), lo que permitió un análisis exhaustivo del comportamiento del fluido de perforación. Los datos obtenidos pueden utilizarse para determinar propiedades clave como el punto de fluencia (YP) y la viscosidad plástica (PV), que proporcionan información sobre el rendimiento del fluido en diversas condiciones. Las pruebas de filtración de alta presión y alta temperatura (HPHT) a 400 psi y 150 °C (temperaturas típicas en pozos de alta temperatura) determinan el rendimiento de la filtración (espesor de la torta y volumen del filtrado).
Esta sección utiliza equipo de última generación, el dilatómetro lineal Grace HPHT (M4600), para evaluar exhaustivamente las propiedades de inhibición de hinchamiento de la lutita de nuestros fluidos de perforación a base de agua. El LSM es una máquina de vanguardia que consta de dos componentes: un compactador de placas y un dilatómetro lineal (modelo: M4600). Se prepararon placas de bentonita para su análisis utilizando el compactador de núcleos/placas Grace. El LSM proporciona datos inmediatos de hinchamiento en estas placas, lo que permite una evaluación exhaustiva de las propiedades de inhibición de hinchamiento de la lutita. Las pruebas de expansión de la lutita se realizaron en condiciones ambientales de 25 °C y 1 psia.
Las pruebas de estabilidad de la lutita implican una prueba clave, a menudo denominada prueba de recuperación de lutita, prueba de inmersión de lutita o prueba de dispersión de lutita. Para comenzar esta evaluación, los recortes de lutita se separan en una criba BSS n.° 6 y luego se colocan en una criba n.° 10. Posteriormente, los recortes se introducen en un tanque de almacenamiento donde se mezclan con un fluido base y lodo de perforación que contiene NADES (solvente eutéctico natural profundo). El siguiente paso es colocar la mezcla en un horno para un intenso proceso de laminación en caliente, asegurando que los recortes y el lodo estén completamente mezclados. Después de 16 horas, los recortes se separan de la pulpa permitiendo que la lutita se descomponga, lo que resulta en una reducción de su peso. La prueba de recuperación de lutita se realizó después de que los recortes de lutita se mantuvieran en lodo de perforación a 150 °C y 1000 psi por pulgada cuadrada durante 24 horas.
Para medir la recuperación del lodo de esquisto, lo filtramos a través de un tamiz más fino (malla 40), luego lo lavamos a fondo con agua y finalmente lo secamos en un horno. Este minucioso procedimiento nos permite estimar el lodo recuperado en comparación con el peso original, calculando finalmente el porcentaje de lodo de esquisto recuperado con éxito. La fuente de las muestras de esquisto es del distrito de Niah, distrito de Miri, Sarawak, Malasia. Antes de las pruebas de dispersión y recuperación, las muestras de esquisto se sometieron a un exhaustivo análisis de difracción de rayos X (DRX) para cuantificar su composición de arcilla y confirmar su idoneidad para las pruebas. La composición mineral de arcilla de la muestra es la siguiente: ilita 18%, caolinita 31%, clorita 22%, vermiculita 10% y mica 19%.
La tensión superficial es un factor clave que controla la penetración de cationes de agua en los microporos de la lutita mediante capilaridad, lo cual se estudiará en detalle en esta sección. Este artículo examina el papel de la tensión superficial en la propiedad cohesiva de los fluidos de perforación, destacando su importante influencia en el proceso de perforación, especialmente en la inhibición de la lutita. Se utilizó un tensiómetro interfacial (IFT700) para medir con precisión la tensión superficial de muestras de fluido de perforación, lo que reveló un aspecto importante del comportamiento del fluido en el contexto de la inhibición de la lutita.
Esta sección analiza en detalle el espaciamiento de la capa d, que es la distancia entre capas de aluminosilicato y una capa de aluminosilicato en arcillas. El análisis abarcó muestras de lodo húmedo con 1%, 3% y 5% de NADES de CA, así como 3% de KCl, 3% de [EMIM]Cl y 3% de DES basado en CC:urea para fines comparativos. Un difractómetro de rayos X de sobremesa de última generación (D2 Phaser), que opera a 40 mA y 45 kV con radiación Cu-Kα (λ = 1,54059 Å), desempeñó un papel fundamental en el registro de los picos de difracción de rayos X de muestras de Na-Bt húmedas y secas. La aplicación de la ecuación de Bragg permite determinar con precisión el espaciamiento de la capa d, lo que proporciona información valiosa sobre el comportamiento de la arcilla.
Esta sección utiliza el avanzado instrumento Malvern Zetasizer Nano ZSP para medir con precisión el potencial zeta. Esta evaluación proporcionó información valiosa sobre las características de carga de muestras de lodo diluido que contienen 1 %, 3 % y 5 % de CA NADES, así como 3 % de KCl, 3 % de [EMIM]Cl y 3 % de DES basado en CC:urea para el análisis comparativo. Estos resultados contribuyen a nuestra comprensión de la estabilidad de los compuestos coloidales y sus interacciones en fluidos.
Las muestras de arcilla se examinaron antes y después de la exposición a un disolvente eutéctico profundo natural (NADES) utilizando un microscopio electrónico de barrido de emisión de campo (FESEM) Zeiss Supra 55 VP equipado con rayos X de energía dispersiva (EDX). La resolución de la imagen fue de 500 nm y la energía del haz de electrones, de 30 kV y 50 kV. El FESEM proporciona una visualización de alta resolución de la morfología superficial y las características estructurales de las muestras de arcilla. El objetivo de este estudio fue obtener información sobre el efecto de los NADES en las muestras de arcilla mediante la comparación de las imágenes obtenidas antes y después de la exposición.
En este estudio, se utilizó la tecnología de microscopía electrónica de barrido por emisión de campo (FESEM) para investigar el efecto de NADES en muestras de arcilla a nivel microscópico. El objetivo es dilucidar las posibles aplicaciones de NADES y su efecto en la morfología y el tamaño medio de partícula de la arcilla, lo que aportará información valiosa para la investigación en este campo.
En este estudio, se utilizaron barras de error para describir visualmente la variabilidad e incertidumbre del error porcentual medio (AMPE) en las distintas condiciones experimentales. En lugar de representar gráficamente los valores de AMPE individuales (ya que esto puede ocultar tendencias y exagerar pequeñas variaciones), calculamos las barras de error utilizando la regla del 5%. Este enfoque garantiza que cada barra de error represente el intervalo dentro del cual se espera que se encuentren el intervalo de confianza del 95% y el 100% de los valores de AMPE, lo que proporciona un resumen más claro y conciso de la distribución de los datos para cada condición experimental. El uso de barras de error basadas en la regla del 5% mejora la interpretabilidad y la fiabilidad de las representaciones gráficas y facilita una comprensión más detallada de los resultados y sus implicaciones.
En la síntesis de disolventes eutécticos profundos naturales (NADES), se estudiaron cuidadosamente varios parámetros clave durante el proceso de preparación interna. Estos factores críticos incluyen la temperatura, la relación molar y la velocidad de mezclado. Nuestros experimentos muestran que al mezclar HBA (ácido cítrico) y HBD (glicerol) en una relación molar de 1:4 a 50 °C, se forma una mezcla eutéctica. La característica distintiva de la mezcla eutéctica es su aspecto transparente y homogéneo, y la ausencia de sedimentos. Por lo tanto, este paso clave resalta la importancia de la relación molar, la temperatura y la velocidad de mezclado, siendo la relación molar el factor más influyente en la preparación de DES y NADES, como se muestra en la Figura 2.
El índice de refracción (n) expresa la relación entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad de la luz en un segundo medio más denso. El índice de refracción es de especial interés para los disolventes eutécticos profundos naturales (NADES) al considerar aplicaciones ópticamente sensibles como los biosensores. El índice de refracción de los NADES estudiados a 25 °C fue de 1,452, curiosamente inferior al del glicerol.
Cabe destacar que el índice de refracción de NADES disminuye con la temperatura. Esta tendencia se puede describir con precisión mediante la fórmula (1) y la Figura 3, donde el error porcentual medio absoluto (AMPE) alcanza el 0 %. Este comportamiento dependiente de la temperatura se explica por la disminución de la viscosidad y la densidad a altas temperaturas, lo que provoca que la luz viaje a través del medio a mayor velocidad, lo que resulta en un valor de índice de refracción (n) más bajo. Estos resultados proporcionan información valiosa sobre el uso estratégico de NADES en la detección óptica, destacando su potencial para aplicaciones en biosensores.
La tensión superficial, que refleja la tendencia de la superficie de un líquido a minimizar su área, es fundamental para evaluar la idoneidad de los disolventes eutécticos naturales profundos (NADES) para aplicaciones basadas en presión capilar. Un estudio de la tensión superficial en el rango de temperatura de 25 a 60 °C proporciona información valiosa. A 25 °C, la tensión superficial de los NADES basados ​​en ácido cítrico fue de 55,42 mN/m, significativamente inferior a la del agua y el glicerol. La Figura 4 muestra que la tensión superficial disminuye significativamente al aumentar la temperatura. Este fenómeno se explica por un aumento de la energía cinética molecular y una consiguiente disminución de las fuerzas de atracción intermoleculares.
La tendencia lineal decreciente de la tensión superficial observada en los NADES estudiados se puede expresar mediante la ecuación (2), que ilustra la relación matemática básica en el rango de temperatura de 25 a 60 °C. El gráfico de la Figura 4 muestra claramente la tendencia de la tensión superficial con la temperatura, con un error porcentual medio absoluto (AMPE) del 1,4 %, lo que cuantifica la precisión de los valores de tensión superficial reportados. Estos resultados tienen implicaciones importantes para comprender el comportamiento de los NADES y sus posibles aplicaciones.
Comprender la dinámica de densidad de los disolventes eutécticos naturales profundos (NADES) es crucial para facilitar su aplicación en numerosos estudios científicos. La densidad de los NADES basados ​​en ácido cítrico a 25 °C es de 1,361 g/cm³, superior a la del glicerol original. Esta diferencia se explica por la adición de un aceptor de enlaces de hidrógeno (ácido cítrico) al glicerol.
Tomando como ejemplo los NADES basados ​​en citrato, su densidad disminuye a 1,19 g/cm³ a ​​60 °C. El aumento de la energía cinética al calentarse provoca la dispersión de las moléculas de NADES, lo que las hace ocupar un mayor volumen y, por consiguiente, una disminución de la densidad. La disminución observada de la densidad muestra cierta correlación lineal con el aumento de la temperatura, que puede expresarse correctamente mediante la fórmula (3). La Figura 5 presenta gráficamente estas características del cambio de densidad de NADES con un error porcentual medio absoluto (AMPE) del 1,12 %, lo que proporciona una medida cuantitativa de la precisión de los valores de densidad reportados.
La viscosidad es la fuerza de atracción entre las diferentes capas de un líquido en movimiento y desempeña un papel fundamental para comprender la aplicabilidad de los disolventes eutécticos profundos naturales (NADES) en diversas aplicaciones. A 25 °C, la viscosidad de los NADES fue de 951 cP, superior a la del glicerol.
La disminución observada de la viscosidad al aumentar la temperatura se explica principalmente por el debilitamiento de las fuerzas de atracción intermoleculares. Este fenómeno produce una disminución de la viscosidad del fluido, una tendencia claramente demostrada en la Figura 6 y cuantificada mediante la Ecuación (4). Cabe destacar que, a 60 °C, la viscosidad desciende a 898 cP con un error porcentual medio (AMPE) global del 1,4 %. Comprender en detalle la dependencia de la viscosidad con la temperatura en NADES es fundamental para su aplicación práctica.
El pH de la solución, determinado por el logaritmo negativo de la concentración de iones hidrógeno, es crucial, especialmente en aplicaciones sensibles al pH, como la síntesis de ADN. Por lo tanto, es fundamental estudiar cuidadosamente el pH de los NADES antes de su uso. Por ejemplo, los NADES basados ​​en ácido cítrico presentan un pH marcadamente ácido de 1,91, lo que contrasta marcadamente con el pH relativamente neutro del glicerol.
Curiosamente, el pH del disolvente soluble natural de la deshidrogenasa del ácido cítrico (NADES) mostró una tendencia decreciente no lineal con el aumento de la temperatura. Este fenómeno se atribuye al aumento de las vibraciones moleculares que alteran el equilibrio de H+ en la solución, lo que provoca la formación de iones [H]+ y, a su vez, un cambio en el valor del pH. Si bien el pH natural del ácido cítrico oscila entre 3 y 5, la presencia de hidrógeno ácido en el glicerol reduce aún más el pH, a 1,91.
El comportamiento del pH de los NADES basados ​​en citrato en el rango de temperatura de 25 a 60 °C se puede representar adecuadamente mediante la ecuación (5), que proporciona una expresión matemática para la tendencia del pH observada. La Figura 7 representa gráficamente esta interesante relación, destacando el efecto de la temperatura en el pH de los NADES, que se reporta en un 1,4 % para AMPE.
El análisis termogravimétrico (TGA) del disolvente eutéctico profundo de ácido cítrico natural (NADES) se realizó sistemáticamente en un rango de temperatura de temperatura ambiente a 500 °C. Como se puede observar en las Figuras 8a y b, la pérdida de masa inicial hasta 100 °C se debió principalmente al agua absorbida y al agua de hidratación asociada con el ácido cítrico y el glicerol puro. Se observó una retención de masa significativa de aproximadamente el 88 % hasta 180 °C, que se debió principalmente a la descomposición del ácido cítrico en ácido aconítico y la posterior formación de anhídrido metilmaleico (III) tras un calentamiento adicional (Figura 8 b). Por encima de 180 °C, también se pudo observar una clara aparición de acroleína (acrilaldehído) en el glicerol, como se muestra en la Figura 8b37.
El análisis termogravimétrico (TGA) del glicerol reveló un proceso de pérdida de masa en dos etapas. La etapa inicial (180 a 220 °C) implica la formación de acroleína, seguida de una pérdida de masa significativa a altas temperaturas, de 230 a 300 °C (Figura 8a). A medida que aumenta la temperatura, se forman secuencialmente acetaldehído, dióxido de carbono, metano e hidrógeno. Cabe destacar que solo el 28 % de la masa se retuvo a 300 °C, lo que sugiere que las propiedades intrínsecas del NADES 8(a)38,39 podrían ser deficientes.
Para obtener información sobre la formación de nuevos enlaces químicos, se analizaron suspensiones recién preparadas de disolventes eutécticos naturales profundos (NADES) mediante espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR). El análisis se realizó comparando el espectro de la suspensión de NADES con los espectros de ácido cítrico (AC) y glicerol (Gly) puros. El espectro de AC mostró picos claros a 1752 1/cm y 1673 1/cm, que representan las vibraciones de estiramiento del enlace C=O y también son características del AC. Además, se observó un desplazamiento significativo en la vibración de flexión del OH a 1360 1/cm en la región de la huella dactilar, como se muestra en la Figura 9.
De forma similar, en el caso del glicerol, se observaron desplazamientos en las vibraciones de estiramiento y flexión del enlace OH con números de onda de 3291 µg/cm y 1414 µg/cm, respectivamente. Al analizar el espectro de los NADES recién preparados, se observó un desplazamiento significativo. Como se muestra en la Figura 7, la vibración de estiramiento del enlace C=O se desplazó de 1752 µg/cm a 1720 µg/cm, y la vibración de flexión del enlace -OH del glicerol se desplazó de 1414 µg/cm a 1359 µg/cm. Estos desplazamientos en los números de onda indican el cambio de electronegatividad, lo que a su vez indica la formación de nuevos enlaces químicos en la estructura de los NADES.