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La expansión de la lutita en yacimientos clásticos genera problemas significativos, provocando inestabilidad en el pozo. Por razones ambientales, se prefiere el uso de fluidos de perforación a base de agua con inhibidores de lutita añadidos en lugar de fluidos de perforación a base de aceite. Los líquidos iónicos (LI) han atraído mucha atención como inhibidores de lutita debido a sus propiedades ajustables y 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 disolventes eutécticos profundos (DES) se consideran una alternativa más rentable y menos tóxica que los líquidos iónicos, pero aún no cumplen con los requisitos de sostenibilidad ambiental. Los avances recientes en este campo han llevado a la introducción de disolventes eutécticos profundos naturales (NADES), conocidos por su verdadera reciprocidad ambiental. Este estudio investigó los NADES, que contienen ácido cítrico (como aceptor de enlaces de hidrógeno) y glicerol (como donador 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. Se describen en detalle las propiedades fisicoquímicas de los NADES patentados. 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 de 3 % de NADES, la relación de esfuerzo 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 los NADES lograron una impresionante tasa de inhibición de la expansión del 49,14 % y aumentaron la producción de lutitas en un 86,36 %. Estos resultados se atribuyen a la capacidad de los NADES para modificar la actividad superficial, el potencial zeta y el espaciado interlaminar de las arcillas, lo cual se analiza en este artículo para comprender los mecanismos subyacentes. Se espera que este fluido de perforación sostenible revolucione la industria de la perforación al proporcionar una alternativa no tóxica, rentable y altamente eficaz a los inhibidores de corrosión de esquisto tradicionales, allanando el camino hacia prácticas de perforación respetuosas con el medio ambiente.
La lutita es una roca versátil que sirve como fuente y reservorio de hidrocarburos, y su estructura porosa1 proporciona el potencial para la producción y el almacenamiento de estos valiosos recursos. Sin embargo, la lutita es rica en minerales arcillosos como montmorillonita, esmectita, caolinita e 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 una serie de problemas operativos, incluyendo tuberías atascadas, pérdida de circulación de 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 aceite (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 aceite implica mayores costos y riesgos ambientales. Los fluidos de perforación a base de sintéticos (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 porque son más seguros, más respetuosos con el medio ambiente y más rentables que el OBDF5. Se han utilizado varios inhibidores de lutitas para mejorar la capacidad de inhibición de lutitas de los WBDF, incluidos los inhibidores tradicionales como el cloruro de potasio, la cal, el silicato y el polímero. Sin embargo, estos inhibidores tienen limitaciones en términos de eficacia e impacto ambiental, especialmente debido a la alta concentración de K+ en los inhibidores de cloruro de potasio y la sensibilidad al pH de los silicatos. 6 Los investigadores han explorado la posibilidad de utilizar líquidos iónicos como aditivos para fluidos de perforación para mejorar la reología del fluido de perforación y prevenir la hinchazón de la lutita y la formación de hidratos. Sin embargo, estos líquidos iónicos, especialmente los que contienen cationes imidazolilo, son generalmente tóxicos, caros, no biodegradables y requieren procesos de preparación complejos. Para resolver estos problemas, se comenzó a buscar una alternativa más económica y respetuosa con el medio ambiente, lo que llevó al surgimiento de los disolventes eutécticos profundos (DES). El DES es una mezcla eutéctica formada por un donador de enlaces de hidrógeno (HBD) y un aceptor de enlaces de hidrógeno (HBA) en una proporción molar y temperatura específicas. Estas mezclas eutécticas presentan puntos de fusión más bajos que sus componentes individuales, principalmente debido a la deslocalización de carga causada por los enlaces de hidrógeno. Diversos factores, como la energía reticular, el cambio de entropía y las interacciones entre aniones y HBD, influyen decisivamente en la disminución del punto de fusión del DES.
En estudios previos, se agregaron 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. agregaron 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 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, reduciendo la expansión de la lutita en un 31,62% y 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 hinchazón de la lutita en un 80%.¹⁵,¹⁶ Dai et al. utilizaron copolímeros de 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, y así nació el DES. Hanjia fue el primero en utilizar disolventes eutécticos profundos (DES) compuestos de cloruro de vinilo y ácido propiónico (1:1), cloruro de vinilo y ácido 3-fenilpropiónico (1:2), y ácido 3-mercaptopropiónico + ácido itacónico + cloruro de vinilo (1:1:2), que inhibieron la hinchazón 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 la hinchazón de muestras de esquisto en un 87%19,20. Ma utilizó urea:cloruro de vinilo para reducir significativamente la expansión del esquisto 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 del 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 pone en duda su carácter ecológico. Este problema ha impulsado el desarrollo de disolventes eutécticos profundos naturales (NADES). Si bien 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), entre otras. Las numerosas combinaciones potenciales de DES y NADES abren un amplio campo de investigación y se espera que encuentren aplicaciones en diversos ámbitos. 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 un DES a base de carbonato de potasio y estudiaron sus propiedades termofísicas, que posteriormente encontraron aplicaciones en la inhibición de hidratos, aditivos para fluidos de perforación, deslignificación y nanofibrilación. 23 Jordy Kim y colaboradores desarrollaron NADES a base de ácido ascórbico y evaluaron sus propiedades antioxidantes en diversas aplicaciones. 24 Christer et al. desarrollaron NADES a base de 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. discutieron 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 a base de ácido ascórbico26, cloruro de calcio27, cloruro de potasio28 y sal de Epsom29 y lograron una impresionante inhibición y recuperación de esquisto. Este estudio es uno de los primeros en introducir los NADES (en particular, formulaciones a base de 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 mayor capacidad de inhibición de esquisto y un mejor rendimiento del fluido en comparación con los inhibidores tradicionales como el KCl, los líquidos iónicos a base de imidazolilo y los DES tradicionales.
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 de hinchamiento. En este estudio, el CA actuará como aceptor de enlaces de hidrógeno, mientras que el glicerol (Gly) actuará como donador de enlaces de hidrógeno, seleccionado en base a los criterios de selección de MH para la formación/selección de NADES en estudios de inhibición de lutitas30. La espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR), la difracción de rayos X (XRD) y las mediciones de potencial zeta (ZP) dilucidarán las interacciones NADES-arcilla y el mecanismo subyacente a la inhibición del hinchamiento de la arcilla. Adicionalmente, 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 efectividad en la inhibición de lutitas y la mejora del rendimiento del fluido de perforación.
El ácido cítrico (monohidrato), el glicerol (99 USP) y la urea se adquirieron de EvaChem, Kuala Lumpur, Malasia. El cloruro de colina (>98%), el [EMIM]Cl 98% y el cloruro de potasio se adquirieron de 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 sostenibilidad ambiental de los productos químicos utilizados en este estudio se presenta en la Tabla 1. En la tabla, cada producto químico se clasifica según su toxicidad, biodegradabilidad, costo 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 donadores y aceptores de enlaces de hidrógeno (HBD y HBA) para el desarrollo de NADES basados ​​en CA (disolvente eutéctico profundo natural) se seleccionaron cuidadosamente según los criterios de selección MH 30, que buscan desarrollar NADES como inhibidores eficaces de esquistos. De acuerdo con este criterio, los componentes con un gran número de donadores y aceptores de enlaces de hidrógeno, así como con 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) de cloruro de colina:urea para su comparación, ya que se utilizan ampliamente como aditivos para fluidos de perforación33,34,35,36. Asimismo, se comparó el cloruro de potasio (KCl) porque es 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 y transparente sin turbidez, lo que indica que el donador de enlaces de hidrógeno (HBD) y el aceptor de enlaces de hidrógeno (HBA) se mezclaron con éxito en esta composición eutéctica. Se realizaron experimentos preliminares para observar el comportamiento dependiente de la temperatura del proceso de mezcla de HBD y HBA. Según 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 suele estar en el rango de 50–80 °C. Se utilizó una balanza digital Mettler para pesar con precisión los componentes HBD y HBA, y una placa calefactora Thermo Fisher se utilizó para calentar y agitar el HBD y el HBA a 100 rpm bajo 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 seleccionó principalmente debido a las limitaciones del equipo disponible. El análisis exhaustivo incluyó un estudio en profundidad 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 valiosa 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 el rango de 289,15 a 333,15 K utilizando un medidor de tensión interfacial (IFT700). Las gotas de NADES se forman en una cámara llena de un gran volumen de líquido mediante una aguja capilar bajo 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 soluciones NADES recién preparadas en el rango de temperatura de 289,15 a 333,15 K. El instrumento emplea un módulo térmico para regular la temperatura y estimar el grado de refracción de la luz, eliminando 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, a continuación, lea el índice de refracción en la pantalla.
La viscosidad de los NADES preparados se midió en el 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 tamaño 6. El viscosímetro mide la viscosidad determinando el par necesario para girar el husillo a velocidad constante en una muestra líquida. Una vez colocada la muestra en la rejilla bajo el husillo y ajustada, 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 profundo natural (NDEES) recién preparado en el rango de temperatura de 289,15 a 333,15 K. Dado que el dispositivo no cuenta con un calentador incorporado, es necesario precalentarlo a la temperatura especificada (± 2 °C) antes de su uso. Se deben introducir al menos 2 ml de muestra en el tubo y la densidad se mostrará inmediatamente en la pantalla. Cabe destacar que, debido a la falta de un calentador incorporado, los resultados de la medición presentan un margen de error de ± 2 °C.
Para evaluar el pH de NADES recién preparado en el rango de temperatura de 289,15 a 333,15 K, utilizamos un medidor de pH de sobremesa Kenis. Dado que no cuenta con un dispositivo de calentamiento integrado, primero calentamos NADES a la temperatura deseada (±2 °C) con una placa calefactora y luego medimos el pH directamente con el medidor. 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 el análisis termogravimétrico (ATG) para evaluar la estabilidad térmica de disolventes eutécticos profundos naturales (NADES). Las muestras se analizaron durante el calentamiento. Mediante una balanza de alta precisión y un control riguroso del proceso de calentamiento, se generó una gráfica de pérdida de masa en función de la temperatura. El NADES se calentó de 0 a 500 °C a una velocidad de 1 °C por minuto.
Para comenzar el proceso, la muestra NADES debe mezclarse y homogeneizarse completamente, eliminando la humedad superficial. La muestra preparada se coloca en una cubeta de TGA, generalmente fabricada con un material inerte como el aluminio. Para garantizar resultados precisos, los instrumentos de TGA se calibran utilizando materiales de referencia, normalmente patrones 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 para el experimento. Los instrumentos de TGA recopilan datos sobre temperatura, 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 la variación del 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 según la norma API 13B-1, y su composición específica se detalla en la Tabla 2. Se adquirieron ácido cítrico y glicerol (99 USP) de Sigma Aldrich, Malasia, para preparar el disolvente eutéctico profundo natural (NADES). Asimismo, se adquirió cloruro de potasio (KCl), un inhibidor de lutitas convencional, también de Sigma Aldrich, Malasia. Se seleccionó cloruro de 1-etil,3-metilimidazolio ([EMIM]Cl) con una pureza superior al 98% debido a su notable efecto en la mejora de la reología del fluido de perforación y la inhibición de lutitas, lo cual se confirmó en estudios previos. Tanto el KCl como el [EMIM]Cl se utilizarán en el análisis comparativo para evaluar el rendimiento de inhibición de lutitas del NADES.
Muchos investigadores prefieren usar escamas de bentonita para estudiar la hinchazón de la lutita, ya que la bentonita contiene el mismo grupo de compuestos de la montmorillonita que provoca dicha hinchazón. Obtener muestras reales de núcleos de lutita es difícil porque el proceso de extracción desestabiliza la lutita, lo que da como resultado muestras que no son completamente de lutita, sino que suelen contener una mezcla de arenisca y caliza. Además, las muestras de lutita generalmente carecen de los compuestos de la montmorillonita que causan la hinchazón y, por lo tanto, no son adecuadas para experimentos de inhibición de la hinchazón.
En este estudio, utilizamos partículas de bentonita reconstituida con un diámetro aproximado de 2,54 cm. Los gránulos se obtuvieron comprimiendo 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 (DL). Posteriormente, las partículas se sumergieron en muestras de fluido de perforación, incluyendo muestras base y muestras inyectadas con inhibidores para prevenir la hinchazón de la lutita. El cambio en el espesor de los gránulos se monitorizó cuidadosamente mediante el DL, registrando las mediciones 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 (47%), es un factor clave para comprender sus características geológicas. Entre los componentes de la bentonita, la montmorillonita es el componente principal, representando el 88,6% del total. Mientras tanto, el cuarzo representa el 29%, la illita el 7% y el carbonato el 9%. Una pequeña parte (alrededor del 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%). Asimismo, se encuentran pequeñas cantidades de Na₂O (1,83%) y silicato de hierro (2,17%), lo que permite apreciar plenamente los elementos constituyentes de la bentonita y sus respectivas proporciones.
Esta sección de estudio exhaustivo detalla las propiedades reológicas y de filtración de muestras de fluido de perforación preparadas con disolvente eutéctico profundo natural (NADES) y utilizadas como aditivo en diferentes concentraciones (1%, 3% y 5%). Posteriormente, las muestras de lodo con base en NADES se compararon y analizaron con muestras de lodo compuestas de cloruro de potasio (KCl), CC:urea DES (disolvente eutéctico profundo de cloruro de colina:urea) y líquidos iónicos. En este estudio se abordaron varios parámetros clave, incluyendo las 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 realizaron 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 se pueden utilizar 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 a alta presión y alta temperatura (HPHT, por sus siglas en inglés) 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 un equipo de última generación, el dilatómetro lineal Grace HPHT (M4600), para evaluar exhaustivamente las propiedades de inhibición de la hinchazón de la lutita de nuestros fluidos de perforación a base de agua. El LSM es una máquina de última generación que consta de dos componentes: un compactador de placas y un dilatómetro lineal (modelo: M4600). Se prepararon placas de bentonita para el análisis utilizando el compactador de núcleos/placas Grace. El LSM proporciona datos inmediatos de hinchazón en estas placas, lo que permite una evaluación integral de las propiedades de inhibición de la hinchazón de la lutita. Las pruebas de expansión de la lutita se realizaron en condiciones ambientales, es decir, a 25 °C y 1 psia.
Las pruebas de estabilidad de lutitas incluyen una prueba clave conocida como prueba de recuperación de lutitas, prueba de inclinación de lutitas o prueba de dispersión de lutitas. Para comenzar esta evaluación, los recortes de lutita se separan en una malla BSS n.° 6 y luego se colocan en una malla 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 (disolvente eutéctico profundo natural). El siguiente paso es colocar la mezcla en un horno para un proceso de laminación en caliente intenso, lo que garantiza que los recortes y el lodo se mezclen completamente. Después de 16 horas, los recortes se retiran de la pulpa permitiendo que la lutita se descomponga, lo que resulta en una reducción del peso de los recortes. La prueba de recuperación de lutitas se realizó después de que los recortes de lutita se mantuvieran en lodo de perforación a 150 °C y 1000 psi·pulg² durante 24 horas.
Para medir la recuperación del lodo de esquisto, lo filtramos a través de una malla fina (40), 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 así el porcentaje de lodo de esquisto recuperado con éxito. La fuente de las muestras de esquisto es el distrito de Niah, distrito de Miri, Sarawak, Malasia. Antes de las pruebas de dispersión y recuperación, las muestras de esquisto se sometieron a un análisis exhaustivo de difracción de rayos X (DRX) para cuantificar su composición arcillosa y confirmar su idoneidad para las pruebas. La composición mineral arcillosa de la muestra es la siguiente: illita 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 acción capilar, lo cual se estudiará en detalle en esta sección. Este artículo analiza el papel de la tensión superficial en la cohesión de los fluidos de perforación, destacando su importante influencia en el proceso de perforación, especialmente en la inhibición por lutita. Utilizamos un tensiómetro interfacial (IFT700) para medir con precisión la tensión superficial de muestras de fluido de perforación, revelando un aspecto importante del comportamiento del fluido en el contexto de la inhibición por lutita.
Esta sección analiza en detalle el espaciado de la capa d, que es la distancia interlaminar entre capas de aluminosilicato y una capa de aluminosilicato en arcillas. El análisis abarcó muestras de lodo húmedo que contenían 1%, 3% y 5% de CA NADES, así como 3% de KCl, 3% de [EMIM]Cl y 3% de DES a base de CC:urea para comparación. Un difractómetro de rayos X de sobremesa de última generación (D2 Phaser) que operaba 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 las muestras de Na-Bt húmedas y secas. La aplicación de la ecuación de Bragg permite la determinación precisa del espaciado de la capa d, proporcionando así 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 contenían 1%, 3% y 5% de CA NADES, así como 3% de KCl, 3% de [EMIM]Cl y 3% de CC:DES a base de urea para 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) mediante un microscopio electrónico de barrido de emisión de campo (FESEM) Zeiss Supra 55 VP equipado con espectroscopia de rayos X de energía dispersiva (EDX). La resolución de imagen fue de 500 nm y la energía del haz de electrones fue 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 del NADES en las muestras de arcilla comparando las imágenes obtenidas antes y después de la exposición.
En este estudio, se utilizó la microscopía electrónica de barrido por emisión de campo (FESEM) para investigar el efecto de los NADES en muestras de arcilla a nivel microscópico. El objetivo es dilucidar las posibles aplicaciones de los NADES y su efecto en la morfología de la arcilla y el tamaño promedio de partícula, 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 graficar valores individuales de AMPE (ya que esto puede ocultar tendencias y exagerar pequeñas variaciones), calculamos las barras de error mediante 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 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 contribuye a 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 interno. Estos factores críticos incluyen la temperatura, la relación molar y la velocidad de mezcla. Nuestros experimentos muestran que cuando se mezclan 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 apariencia transparente y homogénea, y la ausencia de sedimentos. Por lo tanto, este paso clave resalta la importancia de la relación molar, la temperatura y la velocidad de mezcla, entre las cuales la relación molar fue 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 particular interés para los disolventes eutécticos profundos naturales (NADES) al considerar aplicaciones ópticamente sensibles, como los biosensores. El índice de refracción del NADES estudiado a 25 °C fue de 1,452, un valor notablemente inferior al del glicerol.
Cabe destacar que el índice de refracción de los NADES disminuye con la temperatura, y esta tendencia se puede describir con precisión mediante la fórmula (1) y la Figura 3, con un error porcentual medio absoluto (AMPE) del 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 atraviese el medio a mayor velocidad, resultando en un menor valor del índice de refracción (n). Estos resultados aportan información valiosa para el uso estratégico de los NADES en la detección óptica, resaltando su potencial para aplicaciones en biosensores.
La tensión superficial, que refleja la tendencia de la superficie de un líquido a minimizar su área, es de gran importancia para evaluar la idoneidad de los disolventes eutécticos profundos naturales (NADES) en aplicaciones basadas en la 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 a base de ácido cítrico fue de 55,42 mN/m, significativamente menor que la del agua y el glicerol. La figura 4 muestra que la tensión superficial disminuye significativamente al aumentar la temperatura. Este fenómeno puede explicarse 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 adecuadamente 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 importantes implicaciones para la comprensión del comportamiento de los NADES y sus posibles aplicaciones.
Comprender la dinámica de densidad de los disolventes eutécticos profundos naturales (NADES) es fundamental para facilitar su aplicación en numerosos estudios científicos. La densidad de los NADES a base de ácido cítrico a 25 °C es de 1,361 g/cm³, superior a la del glicerol. Esta diferencia se explica por la adición de un aceptor de enlaces de hidrógeno (ácido cítrico) al glicerol.
Tomando como ejemplo los NADES a base de citrato, su densidad disminuye a 1,19 g/cm³ a ​​60 °C. El aumento de la energía cinética al calentar provoca la dispersión de las moléculas de NADES, lo que hace que ocupen un mayor volumen y, en consecuencia, disminuye su densidad. Esta disminución observada en la densidad muestra una correlación lineal con el aumento de la temperatura, la cual puede expresarse adecuadamente mediante la fórmula (3). La Figura 5 presenta gráficamente estas características del cambio de densidad de los 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 distintas 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 en la viscosidad al aumentar la temperatura se explica principalmente por el debilitamiento de las fuerzas de atracción intermoleculares. Este fenómeno resulta en una disminución de la viscosidad del fluido, una tendencia que se muestra claramente en la Figura 6 y se cuantifica mediante la Ecuación (4). Cabe destacar que, a 60 °C, la viscosidad desciende a 898 cP con un error porcentual medio global (AMPE) del 1,4 %. Un conocimiento detallado de la dependencia de la viscosidad con la temperatura en los NADES es de gran importancia para su aplicación práctica.
El pH de la solución, determinado por el logaritmo negativo de la concentración de iones hidrógeno, es fundamental, especialmente en aplicaciones sensibles al pH como la síntesis de ADN. Por ello, es necesario estudiar cuidadosamente el pH de los NADES antes de su uso. Tomando como ejemplo los NADES a base de ácido cítrico, se observa un pH claramente ácido de 1,91, en marcado contraste con el pH relativamente neutro del glicerol.
Curiosamente, el pH del disolvente soluble en ácido cítrico deshidrogenasa natural (NADES) mostró una tendencia decreciente no lineal al aumentar la temperatura. Este fenómeno se atribuye al incremento de las vibraciones moleculares, que alteran el equilibrio de H+ en la solución, lo que conduce a la formación de iones [H]+ y, a su vez, a 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 a base de citrato en el rango de temperatura de 25 a 60 °C puede representarse adecuadamente mediante la ecuación (5), que proporciona una expresión matemática para la tendencia de pH observada. La figura 7 ilustra gráficamente esta interesante relación, destacando el efecto de la temperatura sobre el pH de los NADES, que se reporta en un 1,4 % para el AMPE.
Se realizó sistemáticamente un análisis termogravimétrico (TGA) del disolvente eutéctico profundo de ácido cítrico natural (NADES) en el rango de temperatura desde la temperatura ambiente hasta los 500 °C. Como se puede observar en las figuras 8a y b, la pérdida de masa inicial hasta los 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 los 180 °C, que se debió principalmente a la descomposición del ácido cítrico en ácido aconítico y la posterior formación de anhídrido metilmaleico(III) al continuar el calentamiento (Figura 8b). Por encima de los 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 se retuvo el 28 % de la masa a 300 °C, lo que sugiere que las propiedades intrínsecas de NADES 8(a)38,39 podrían ser defectuosas.
Para obtener información sobre la formación de nuevos enlaces químicos, se analizaron suspensiones recién preparadas de disolventes eutécticos profundos naturales (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 (CA) y glicerol (Gly) puros. El espectro de CA mostró picos claros en 1752 1/cm y 1673 1/cm, que representan las vibraciones de estiramiento del enlace C=O y son también características del CA. Además, se observó un desplazamiento significativo en la vibración de flexión del OH en 1360 1/cm en la región de huella dactilar, como se muestra en la Figura 9.
De manera similar, en el caso del glicerol, se encontraron desplazamientos de las vibraciones de estiramiento y flexión del grupo OH en los números de onda de 3291 1/cm y 1414 1/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 1/cm a 1720 1/cm y la vibración de flexión del enlace -OH del glicerol se desplazó de 1414 1/cm a 1359 1/cm. Estos desplazamientos en los números de onda indican un cambio en la electronegatividad, lo que sugiere la formación de nuevos enlaces químicos en la estructura de los NADES.