Terima kasih telah mengunjungi nature.com. Versi peramban yang Anda gunakan memiliki dukungan CSS yang terbatas. Untuk pengalaman terbaik, kami sarankan menggunakan versi peramban terbaru (atau menonaktifkan mode kompatibilitas di Internet Explorer). Selain itu, untuk memastikan dukungan berkelanjutan, situs ini tidak akan menyertakan gaya atau JavaScript.
Ekspansi serpihan batuan di reservoir klastik menimbulkan masalah signifikan, yang menyebabkan ketidakstabilan lubang bor. Untuk alasan lingkungan, penggunaan fluida pengeboran berbasis air dengan tambahan inhibitor serpihan batuan lebih disukai daripada fluida pengeboran berbasis minyak. Cairan ionik (IL) telah menarik banyak perhatian sebagai inhibitor serpihan batuan karena sifatnya yang dapat disesuaikan dan karakteristik elektrostatiknya yang kuat. Namun, cairan ionik (IL) berbasis imidazolil, yang banyak digunakan dalam fluida pengeboran, telah terbukti beracun, tidak dapat terurai secara hayati, dan mahal. Pelarut eutektik dalam (DES) dianggap sebagai alternatif yang lebih hemat biaya dan kurang beracun daripada cairan ionik, tetapi masih belum memenuhi persyaratan keberlanjutan lingkungan. Kemajuan terbaru di bidang ini telah mengarah pada pengenalan pelarut eutektik dalam alami (NADES), yang dikenal karena keramahan lingkungannya yang sebenarnya. Studi ini meneliti NADES, yang mengandung asam sitrat (sebagai penerima ikatan hidrogen) dan gliserol (sebagai donor ikatan hidrogen) sebagai aditif fluida pengeboran. Cairan pengeboran berbasis NADES dikembangkan sesuai dengan API 13B-1 dan kinerjanya dibandingkan dengan cairan pengeboran berbasis kalium klorida, cairan ionik berbasis imidazolium, dan cairan pengeboran berbasis kolin klorida:urea-DES. Sifat fisikokimia NADES yang dipatenkan dijelaskan secara rinci. Sifat reologi, kehilangan cairan, dan sifat penghambatan serpihan batuan dari cairan pengeboran dievaluasi selama penelitian, dan ditunjukkan bahwa pada konsentrasi 3% NADES, rasio tegangan luluh/viskositas plastis (YP/PV) meningkat, ketebalan lapisan lumpur berkurang sebesar 26%, dan volume filtrat berkurang sebesar 30,1%. Yang penting, NADES mencapai tingkat penghambatan ekspansi yang mengesankan sebesar 49,14% dan meningkatkan produksi serpihan batuan sebesar 86,36%. Hasil ini dikaitkan dengan kemampuan NADES untuk memodifikasi aktivitas permukaan, potensial zeta, dan jarak antar lapisan lempung, yang dibahas dalam makalah ini untuk memahami mekanisme yang mendasarinya. Cairan pengeboran berkelanjutan ini diharapkan dapat merevolusi industri pengeboran dengan menyediakan alternatif yang tidak beracun, hemat biaya, dan sangat efektif dibandingkan dengan penghambat korosi serpihan batuan tradisional, sehingga membuka jalan bagi praktik pengeboran yang ramah lingkungan.
Batuan serpih merupakan batuan serbaguna yang berfungsi sebagai sumber dan reservoir hidrokarbon, dan struktur berporinya¹ ​​memberikan potensi untuk produksi dan penyimpanan sumber daya berharga ini. Namun, batuan serpih kaya akan mineral lempung seperti montmorillonit, smektit, kaolinit, dan illit, yang membuatnya rentan mengembang ketika terpapar air, sehingga menyebabkan ketidakstabilan lubang bor selama operasi pengeboran²,³. Masalah ini dapat menyebabkan waktu non-produktif (NPT) dan sejumlah masalah operasional termasuk pipa macet, hilangnya sirkulasi lumpur, runtuhnya lubang bor, dan pengotoran mata bor, yang meningkatkan waktu dan biaya pemulihan. Secara tradisional, fluida pengeboran berbasis minyak (OBDF) telah menjadi pilihan utama untuk formasi batuan serpih karena kemampuannya untuk menahan ekspansi batuan serpih⁴. Namun, penggunaan fluida pengeboran berbasis minyak menimbulkan biaya yang lebih tinggi dan risiko lingkungan. Fluida pengeboran berbasis sintetis (SBDF) telah dipertimbangkan sebagai alternatif, tetapi kesesuaiannya pada suhu tinggi tidak memuaskan. Cairan pengeboran berbasis air (WBDF) merupakan solusi yang menarik karena lebih aman, lebih ramah lingkungan, dan lebih hemat biaya daripada OBDF5. Berbagai inhibitor serpihan telah digunakan untuk meningkatkan kemampuan penghambatan serpihan WBDF, termasuk inhibitor tradisional seperti kalium klorida, kapur, silikat, dan polimer. Namun, inhibitor ini memiliki keterbatasan dalam hal efektivitas dan dampak lingkungan, terutama karena konsentrasi K+ yang tinggi dalam inhibitor kalium klorida dan sensitivitas pH silikat. 6 Para peneliti telah mengeksplorasi kemungkinan penggunaan cairan ionik sebagai aditif cairan pengeboran untuk meningkatkan reologi cairan pengeboran dan mencegah pembengkakan serpihan dan pembentukan hidrat. Namun, cairan ionik ini, terutama yang mengandung kation imidazolil, umumnya beracun, mahal, tidak dapat terurai secara hayati, dan memerlukan proses persiapan yang kompleks. Untuk mengatasi masalah ini, orang mulai mencari alternatif yang lebih ekonomis dan ramah lingkungan, yang menyebabkan munculnya pelarut eutektik dalam (DES). DES adalah campuran eutektik yang terbentuk dari donor ikatan hidrogen (HBD) dan akseptor ikatan hidrogen (HBA) pada rasio molar dan suhu tertentu. Campuran eutektik ini memiliki titik leleh yang lebih rendah daripada komponen individualnya, terutama karena delokalisasi muatan yang disebabkan oleh ikatan hidrogen. Banyak faktor, termasuk energi kisi, perubahan entropi, dan interaksi antara anion dan HBD, memainkan peran kunci dalam menurunkan titik leleh DES.
Dalam penelitian sebelumnya, berbagai aditif ditambahkan ke fluida pengeboran berbasis air untuk mengatasi masalah ekspansi serpihan batuan. Misalnya, Ofei dkk. menambahkan 1-butil-3-metilimidazolium klorida (BMIM-Cl), yang secara signifikan mengurangi ketebalan lapisan lumpur (hingga 50%) dan menurunkan nilai YP/PV sebesar 11 pada suhu yang berbeda. Huang dkk. menggunakan cairan ionik (khususnya, 1-heksil-3-metilimidazolium bromida dan 1,2-bis(3-heksilimidazol-1-il)etana bromida) dalam kombinasi dengan partikel Na-Bt dan secara signifikan mengurangi pembengkakan serpihan batuan masing-masing sebesar 86,43% dan 94,17%¹². Selain itu, Yang dkk. menggunakan 1-vinil-3-dodecilimidazolium bromida dan 1-vinil-3-tetradecilimidazolium bromida untuk mengurangi pembengkakan serpihan batuan masing-masing sebesar 16,91% dan 5,81%. 13 Yang dkk. juga menggunakan 1-vinil-3-etilimidazolium bromida dan mengurangi ekspansi serpihan batuan sebesar 31,62% sambil mempertahankan perolehan serpihan batuan sebesar 40,60%. 14 Selain itu, Luo dkk. menggunakan 1-oktil-3-metilimidazolium tetrafluoroborat untuk mengurangi pembengkakan serpihan batuan sebesar 80%. 15, 16 Dai dkk. menggunakan kopolimer cairan ionik untuk menghambat serpihan batuan dan mencapai peningkatan perolehan linier sebesar 18% dibandingkan dengan penghambat amina. 17
Cairan ionik sendiri memiliki beberapa kekurangan, yang mendorong para ilmuwan untuk mencari alternatif yang lebih ramah lingkungan daripada cairan ionik, dan dengan demikian DES lahir. Hanjia adalah orang pertama yang menggunakan pelarut eutektik dalam (DES) yang terdiri dari asam vinil klorida propionat (1:1), asam vinil klorida 3-fenilpropionat (1:2), dan asam 3-merkaptopropionat + asam itakonat + vinil klorida (1:1:2), yang menghambat pembengkakan bentonit masing-masing sebesar 68%, 58%, dan 58%18. Dalam percobaan bebas, MH Rasul menggunakan rasio gliserol dan kalium karbonat (DES) 2:1 dan secara signifikan mengurangi pembengkakan sampel serpihan batuan sebesar 87%19,20. Ma menggunakan urea:vinil klorida untuk secara signifikan mengurangi ekspansi serpihan batuan sebesar 67%.21 Rasul dkk. Kombinasi DES dan polimer digunakan sebagai penghambat serpihan batuan aksi ganda, yang mencapai efek penghambatan serpihan batuan yang sangat baik22.
Meskipun pelarut eutektik dalam (deep eutectic solvents/DES) umumnya dianggap sebagai alternatif yang lebih ramah lingkungan daripada cairan ionik, pelarut ini juga mengandung komponen yang berpotensi beracun seperti garam amonium, yang membuat keramahan lingkungannya dipertanyakan. Masalah ini telah menyebabkan pengembangan pelarut eutektik dalam alami (natural deep eutectic solvents/NADES). NADES masih diklasifikasikan sebagai DES, tetapi terdiri dari zat dan garam alami, termasuk kalium klorida (KCl), kalsium klorida (CaCl2), garam Epsom (MgSO4.7H2O), dan lainnya. Banyaknya kombinasi potensial antara DES dan NADES membuka ruang lingkup yang luas untuk penelitian di bidang ini dan diharapkan dapat diaplikasikan di berbagai bidang. Beberapa peneliti telah berhasil mengembangkan kombinasi DES baru yang terbukti efektif dalam berbagai aplikasi. Misalnya, Naser dkk. pada tahun 2013 mensintesis DES berbasis kalium karbonat dan mempelajari sifat termofisikanya, yang kemudian diaplikasikan di bidang penghambatan hidrat, aditif cairan pengeboran, delignifikasi, dan nanofibrilasi. 23 Jordy Kim dan rekan-rekannya mengembangkan NADES berbasis asam askorbat dan mengevaluasi sifat antioksidannya dalam berbagai aplikasi. 24 Christer dkk. mengembangkan NADES berbasis asam sitrat dan mengidentifikasi potensinya sebagai eksipien untuk produk kolagen. 25 Liu Yi dan rekan-rekannya merangkum aplikasi NADES sebagai media ekstraksi dan kromatografi dalam tinjauan komprehensif, sementara Misan dkk. membahas aplikasi NADES yang sukses di sektor agribisnis. Sangat penting bagi para peneliti fluida pengeboran untuk mulai memperhatikan efektivitas NADES dalam aplikasi mereka. Baru-baru ini, pada tahun 2023, Rasul dkk. menggunakan berbagai kombinasi pelarut eutektik dalam alami berbasis asam askorbat26, kalsium klorida27, kalium klorida28 dan garam Epsom29 dan mencapai penghambatan serpihan dan pemulihan serpihan yang mengesankan. Studi ini merupakan salah satu studi pertama yang memperkenalkan NADES (khususnya formulasi berbasis asam sitrat dan gliserol) sebagai penghambat serpihan batuan yang ramah lingkungan dan efektif dalam cairan pengeboran berbasis air, yang memiliki stabilitas lingkungan yang sangat baik, kemampuan penghambatan serpihan batuan yang lebih baik, dan kinerja cairan yang lebih baik dibandingkan dengan penghambat tradisional seperti KCl, cairan ionik berbasis imidazolil, dan DES tradisional.
Studi ini akan melibatkan persiapan NADES berbasis asam sitrat (CA) secara internal, diikuti dengan karakterisasi fisikokimia secara detail dan penggunaannya sebagai aditif fluida pengeboran untuk mengevaluasi sifat fluida pengeboran dan kemampuan penghambatan pembengkakannya. Dalam studi ini, CA akan bertindak sebagai penerima ikatan hidrogen sementara gliserol (Gly) akan bertindak sebagai donor ikatan hidrogen yang dipilih berdasarkan kriteria penyaringan MH untuk pembentukan/pemilihan NADES dalam studi penghambatan serpihan batuan30. Spektroskopi inframerah transformasi Fourier (FTIR), difraksi sinar-X (XRD), dan pengukuran potensial zeta (ZP) akan menjelaskan interaksi NADES-lempung dan mekanisme yang mendasari penghambatan pembengkakan lempung. Selain itu, studi ini akan membandingkan fluida pengeboran berbasis CA NADES dengan DES32 berbasis 1-etil-3-metilimidazolium klorida [EMIM]Cl7,12,14,17,31, KCl dan kolin klorida:urea (1:2) untuk menyelidiki efektivitasnya dalam penghambatan serpihan batuan dan peningkatan kinerja fluida pengeboran.
Asam sitrat (monohidrat), gliserol (99 USP), dan urea dibeli dari EvaChem, Kuala Lumpur, Malaysia. Kolin klorida (>98%), [EMIM]Cl 98%, dan kalium klorida dibeli dari Sigma Aldrich, Malaysia. Struktur kimia semua bahan kimia ditunjukkan pada Gambar 1. Diagram hijau membandingkan bahan kimia utama yang digunakan dalam penelitian ini: cairan ionik imidazolil, kolin klorida (DES), asam sitrat, gliserol, kalium klorida, dan NADES (asam sitrat dan gliserol). Tabel ramah lingkungan dari bahan kimia yang digunakan dalam penelitian ini disajikan pada Tabel 1. Dalam tabel tersebut, setiap bahan kimia dinilai berdasarkan toksisitas, biodegradabilitas, biaya, dan keberlanjutan lingkungan.
Struktur kimia dari bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini: (a) asam sitrat, (b) [EMIM]Cl, (c) kolin klorida, dan (d) gliserol.
Kandidat donor ikatan hidrogen (HBD) dan akseptor ikatan hidrogen (HBA) untuk pengembangan NADES berbasis CA (pelarut eutektik dalam alami) dipilih dengan cermat sesuai dengan kriteria seleksi MH 30, yang ditujukan untuk pengembangan NADES sebagai penghambat serpihan batuan yang efektif. Menurut kriteria ini, komponen dengan jumlah donor dan akseptor ikatan hidrogen yang besar serta gugus fungsional polar dianggap cocok untuk pengembangan NADES.
Selain itu, cairan ionik [EMIM]Cl dan pelarut eutektik dalam (DES) kolin klorida:urea dipilih untuk perbandingan dalam penelitian ini karena banyak digunakan sebagai aditif fluida pengeboran33,34,35,36. Selain itu, kalium klorida (KCl) dibandingkan karena merupakan inhibitor umum.
Asam sitrat dan gliserol dicampur dalam rasio molar yang berbeda untuk mendapatkan campuran eutektik. Inspeksi visual menunjukkan bahwa campuran eutektik tersebut berupa cairan homogen dan transparan tanpa kekeruhan, yang mengindikasikan bahwa donor ikatan hidrogen (HBD) dan akseptor ikatan hidrogen (HBA) berhasil dicampur dalam komposisi eutektik ini. Percobaan pendahuluan dilakukan untuk mengamati perilaku proses pencampuran HBD dan HBA yang bergantung pada suhu. Menurut literatur yang tersedia, proporsi campuran eutektik dievaluasi pada tiga suhu spesifik di atas 50 °C, 70 °C, dan 100 °C, yang menunjukkan bahwa suhu eutektik biasanya berada dalam kisaran 50–80 °C. Neraca digital Mettler digunakan untuk menimbang komponen HBD dan HBA secara akurat, dan pelat pemanas Thermo Fisher digunakan untuk memanaskan dan mengaduk HBD dan HBA pada 100 rpm dalam kondisi terkontrol.
Sifat termofisik pelarut eutektik dalam (DES) yang kami sintesis, termasuk densitas, tegangan permukaan, indeks bias, dan viskositas, diukur secara akurat pada rentang suhu 289,15 hingga 333,15 K. Perlu dicatat bahwa rentang suhu ini dipilih terutama karena keterbatasan peralatan yang ada. Analisis komprehensif mencakup studi mendalam tentang berbagai sifat termofisik formulasi NADES ini, yang mengungkapkan perilakunya pada berbagai suhu. Fokus pada rentang suhu spesifik ini memberikan wawasan tentang sifat-sifat NADES yang sangat penting untuk sejumlah aplikasi.
Tegangan permukaan NADES yang telah disiapkan diukur dalam rentang 289,15 hingga 333,15 K menggunakan alat pengukur tegangan antarmuka (IFT700). Tetesan NADES dibentuk dalam ruang yang diisi dengan volume cairan yang besar menggunakan jarum kapiler di bawah kondisi suhu dan tekanan tertentu. Sistem pencitraan modern memperkenalkan parameter geometris yang sesuai untuk menghitung tegangan antarmuka menggunakan persamaan Laplace.
Refraktometer ATAGO digunakan untuk menentukan indeks bias NADES yang baru disiapkan pada rentang suhu 289,15 hingga 333,15 K. Instrumen ini menggunakan modul termal untuk mengatur suhu guna memperkirakan derajat pembiasan cahaya, sehingga menghilangkan kebutuhan akan penangas air bersuhu konstan. Permukaan prisma refraktometer harus dibersihkan dan larutan sampel harus didistribusikan secara merata di atasnya. Kalibrasi dengan larutan standar yang diketahui, lalu baca indeks bias dari layar.
Viskositas NADES yang telah disiapkan diukur pada rentang suhu 289,15 hingga 333,15 K menggunakan viskometer putar Brookfield (tipe kriogenik) pada laju geser 30 rpm dan ukuran spindel 6. Viskometer mengukur viskositas dengan menentukan torsi yang diperlukan untuk memutar spindel pada kecepatan konstan dalam sampel cair. Setelah sampel ditempatkan pada saringan di bawah spindel dan dikencangkan, viskometer menampilkan viskositas dalam centipoise (cP), memberikan informasi berharga tentang sifat reologi cairan tersebut.
Alat pengukur densitas portabel DMA 35 Basic digunakan untuk menentukan densitas pelarut eutektik dalam alami (NDEES) yang baru disiapkan dalam rentang suhu 289,15–333,15 K. Karena alat ini tidak memiliki pemanas internal, alat harus dipanaskan terlebih dahulu hingga suhu yang ditentukan (± 2 °C) sebelum digunakan. Ambil setidaknya 2 ml sampel melalui tabung, dan densitas akan langsung ditampilkan di layar. Perlu dicatat bahwa karena tidak adanya pemanas internal, hasil pengukuran memiliki kesalahan ± 2 °C.
Untuk mengevaluasi pH NADES yang baru disiapkan dalam rentang suhu 289,15–333,15 K, kami menggunakan pH meter Kenis tipe benchtop. Karena tidak ada alat pemanas bawaan, NADES terlebih dahulu dipanaskan hingga suhu yang diinginkan (±2 °C) menggunakan hotplate dan kemudian diukur langsung dengan pH meter. Celupkan sepenuhnya probe pH meter ke dalam NADES dan catat nilai akhir setelah pembacaan stabil.
Analisis termogravimetri (TGA) digunakan untuk mengevaluasi stabilitas termal pelarut eutektik alami (NADES). Sampel dianalisis selama pemanasan. Dengan menggunakan timbangan presisi tinggi dan memantau proses pemanasan secara cermat, grafik kehilangan massa terhadap suhu dihasilkan. NADES dipanaskan dari 0 hingga 500 °C dengan laju 1 °C per menit.
Untuk memulai proses, sampel NADES harus dicampur secara menyeluruh, dihomogenkan, dan kelembapan permukaannya dihilangkan. Sampel yang telah disiapkan kemudian ditempatkan dalam kuvet TGA, yang biasanya terbuat dari bahan inert seperti aluminium. Untuk memastikan hasil yang akurat, instrumen TGA dikalibrasi menggunakan bahan referensi, biasanya standar berat. Setelah dikalibrasi, percobaan TGA dimulai dan sampel dipanaskan secara terkontrol, biasanya dengan laju konstan. Pemantauan terus menerus terhadap hubungan antara berat sampel dan suhu merupakan bagian penting dari percobaan. Instrumen TGA mengumpulkan data tentang suhu, berat, dan parameter lain seperti aliran gas atau suhu sampel. Setelah percobaan TGA selesai, data yang dikumpulkan dianalisis untuk menentukan perubahan berat sampel sebagai fungsi suhu. Informasi ini sangat berharga dalam menentukan rentang suhu yang terkait dengan perubahan fisik dan kimia dalam sampel, termasuk proses seperti peleburan, penguapan, oksidasi, atau dekomposisi.
Cairan pengeboran berbasis air diformulasikan dengan cermat sesuai dengan standar API 13B-1, dan komposisi spesifiknya tercantum dalam Tabel 2 sebagai referensi. Asam sitrat dan gliserol (99 USP) dibeli dari Sigma Aldrich, Malaysia untuk menyiapkan pelarut eutektik dalam alami (NADES). Selain itu, inhibitor serpihan konvensional kalium klorida (KCl) juga dibeli dari Sigma Aldrich, Malaysia. 1-etil, 3-metilimidazolium klorida ([EMIM]Cl) dengan kemurnian lebih dari 98% dipilih karena efeknya yang signifikan dalam meningkatkan reologi cairan pengeboran dan penghambatan serpihan, yang telah dikonfirmasi dalam penelitian sebelumnya. Baik KCl maupun ([EMIM]Cl) akan digunakan dalam analisis komparatif untuk mengevaluasi kinerja penghambatan serpihan NADES.
Banyak peneliti lebih memilih menggunakan serpihan bentonit untuk mempelajari pembengkakan serpihan batuan karena bentonit mengandung gugus "montmorillonit" yang sama yang menyebabkan pembengkakan serpihan batuan. Mendapatkan sampel inti serpihan batuan asli merupakan tantangan karena proses pengambilan inti batuan mendestabilisasi serpihan batuan, sehingga menghasilkan sampel yang tidak seluruhnya berupa serpihan batuan tetapi biasanya mengandung campuran lapisan batupasir dan batugamping. Selain itu, sampel serpihan batuan biasanya kekurangan gugus montmorillonit yang menyebabkan pembengkakan serpihan batuan dan oleh karena itu tidak cocok untuk eksperimen penghambatan pembengkakan.
Dalam penelitian ini, kami menggunakan partikel bentonit rekonstitusi dengan diameter sekitar 2,54 cm. Granul dibuat dengan menekan 11,5 gram bubuk natrium bentonit dalam mesin pres hidrolik pada tekanan 1600 psi. Ketebalan granul diukur secara akurat sebelum ditempatkan dalam dilatometer linier (LD). Partikel kemudian direndam dalam sampel fluida pengeboran, termasuk sampel dasar dan sampel yang disuntikkan dengan inhibitor yang digunakan untuk mencegah pembengkakan serpihan batuan. Perubahan ketebalan granul kemudian dipantau dengan cermat menggunakan LD, dengan pengukuran dicatat setiap 60 detik selama 24 jam.
Difraksi sinar-X menunjukkan bahwa komposisi bentonit, terutama komponen montmorillonitnya yang berjumlah 47%, merupakan faktor kunci dalam memahami karakteristik geologisnya. Di antara komponen montmorillonit dalam bentonit, montmorillonit adalah komponen utama, yang menyumbang 88,6% dari total komponen. Sementara itu, kuarsa menyumbang 29%, illit 7%, dan karbonat 9%. Sebagian kecil (sekitar 3,2%) merupakan campuran illit dan montmorillonit. Selain itu, mengandung unsur jejak seperti Fe2O3 (4,7%), perak aluminosilikat (1,2%), muskovit (4%), dan fosfat (2,3%). Selain itu, terdapat sejumlah kecil Na2O (1,83%) dan besi silikat (2,17%), yang memungkinkan untuk sepenuhnya memahami unsur-unsur penyusun bentonit dan proporsi masing-masing.
Bagian studi komprehensif ini merinci sifat reologi dan filtrasi sampel fluida pengeboran yang disiapkan menggunakan pelarut eutektik dalam alami (NADES) dan digunakan sebagai aditif fluida pengeboran pada berbagai konsentrasi (1%, 3%, dan 5%). Sampel bubur berbasis NADES kemudian dibandingkan dan dianalisis dengan sampel bubur yang terdiri dari kalium klorida (KCl), CC:urea DES (pelarut eutektik dalam kolin klorida:urea), dan cairan ionik. Sejumlah parameter kunci dibahas dalam studi ini, termasuk pembacaan viskositas yang diperoleh menggunakan viskometer FANN sebelum dan sesudah terpapar kondisi penuaan pada suhu 100°C dan 150°C. Pengukuran dilakukan pada kecepatan putaran yang berbeda (3 rpm, 6 rpm, 300 rpm, dan 600 rpm) yang memungkinkan analisis komprehensif perilaku fluida pengeboran. Data yang diperoleh kemudian dapat digunakan untuk menentukan sifat-sifat kunci seperti titik leleh (YP) dan viskositas plastis (PV), yang memberikan wawasan tentang kinerja fluida dalam berbagai kondisi. Pengujian filtrasi tekanan tinggi suhu tinggi (HPHT) pada 400 psi dan 150°C (suhu tipikal di sumur bersuhu tinggi) menentukan kinerja filtrasi (ketebalan lapisan endapan dan volume filtrat).
Bagian ini menggunakan peralatan canggih, Grace HPHT Linear Dilatometer (M4600), untuk mengevaluasi secara menyeluruh sifat penghambatan pembengkakan serpihan batuan dari fluida pengeboran berbasis air kami. LSM adalah mesin canggih yang terdiri dari dua komponen: pemadat pelat dan dilatometer linier (model: M4600). Pelat bentonit disiapkan untuk analisis menggunakan Grace Core/Plate Compactor. LSM kemudian memberikan data pembengkakan langsung pada pelat-pelat ini, memungkinkan evaluasi komprehensif terhadap sifat penghambatan pembengkakan serpihan batuan. Uji ekspansi serpihan batuan dilakukan dalam kondisi ambien, yaitu, 25°C dan 1 psia.
Pengujian stabilitas serpihan batuan melibatkan uji kunci yang sering disebut sebagai uji pemulihan serpihan batuan, uji kemiringan serpihan batuan, atau uji dispersi serpihan batuan. Untuk memulai evaluasi ini, serpihan batuan dipisahkan pada saringan BSS #6 dan kemudian ditempatkan pada saringan #10. Serpihan tersebut kemudian dimasukkan ke dalam tangki penampung di mana mereka dicampur dengan cairan dasar dan lumpur pengeboran yang mengandung NADES (Natural Deep Eutectic Solvent). Langkah selanjutnya adalah menempatkan campuran tersebut dalam oven untuk proses penggulungan panas intensif, memastikan bahwa serpihan dan lumpur tercampur secara menyeluruh. Setelah 16 jam, serpihan dipisahkan dari bubur dengan membiarkan serpihan batuan terurai, yang mengakibatkan pengurangan berat serpihan. Uji pemulihan serpihan batuan dilakukan setelah serpihan batuan ditahan dalam lumpur pengeboran pada suhu 150°C dan tekanan 1000 psi dalam waktu 24 jam.
Untuk mengukur perolehan kembali lumpur serpih, kami menyaringnya melalui saringan yang lebih halus (40 mesh), kemudian mencucinya secara menyeluruh dengan air, dan akhirnya mengeringkannya dalam oven. Prosedur yang teliti ini memungkinkan kami untuk memperkirakan lumpur yang diperoleh kembali dibandingkan dengan berat aslinya, dan pada akhirnya menghitung persentase lumpur serpih yang berhasil diperoleh kembali. Sumber sampel serpih berasal dari Distrik Niah, Distrik Miri, Sarawak, Malaysia. Sebelum uji dispersi dan perolehan kembali, sampel serpih tersebut dianalisis secara menyeluruh menggunakan difraksi sinar-X (XRD) untuk mengukur komposisi lempungnya dan memastikan kesesuaiannya untuk pengujian. Komposisi mineral lempung sampel adalah sebagai berikut: illit 18%, kaolinit 31%, klorit 22%, vermikulit 10%, dan mika 19%.
Tegangan permukaan merupakan faktor kunci yang mengendalikan penetrasi kation air ke dalam mikropori serpihan batuan melalui aksi kapiler, yang akan dipelajari secara detail di bagian ini. Makalah ini mengkaji peran tegangan permukaan dalam sifat kohesif fluida pengeboran, menyoroti pengaruh pentingnya pada proses pengeboran, terutama penghambatan serpihan batuan. Kami menggunakan tensiometer antarmuka (IFT700) untuk mengukur tegangan permukaan sampel fluida pengeboran secara akurat, yang mengungkapkan aspek penting dari perilaku fluida dalam konteks penghambatan serpihan batuan.
Bagian ini membahas secara detail jarak antar lapisan d, yaitu jarak antar lapisan aluminosilikat dalam lempung. Analisis mencakup sampel lumpur basah yang mengandung 1%, 3%, dan 5% CA NADES, serta 3% KCl, 3% [EMIM]Cl, dan 3% CC:DES berbasis urea untuk perbandingan. Difraktometer sinar-X benchtop canggih (D2 Phaser) yang beroperasi pada 40 mA dan 45 kV dengan radiasi Cu-Kα (λ = 1,54059 Å) memainkan peran penting dalam merekam puncak difraksi sinar-X dari sampel Na-Bt basah dan kering. Penerapan persamaan Bragg memungkinkan penentuan jarak antar lapisan d secara akurat, sehingga memberikan informasi berharga tentang perilaku lempung.
Bagian ini menggunakan instrumen Malvern Zetasizer Nano ZSP yang canggih untuk mengukur potensial zeta secara akurat. Evaluasi ini memberikan informasi berharga tentang karakteristik muatan sampel lumpur encer yang mengandung 1%, 3%, dan 5% CA NADES, serta 3% KCl, 3% [EMIM]Cl, dan 3% CC:DES berbasis urea untuk analisis komparatif. Hasil ini berkontribusi pada pemahaman kita tentang stabilitas senyawa koloid dan interaksinya dalam fluida.
Sampel tanah liat diperiksa sebelum dan setelah terpapar pelarut eutektik dalam alami (NADES) menggunakan mikroskop elektron pemindaian emisi medan Zeiss Supra 55 VP (FESEM) yang dilengkapi dengan sinar-X dispersif energi (EDX). Resolusi pencitraan adalah 500 nm dan energi berkas elektron adalah 30 kV dan 50 kV. FESEM memberikan visualisasi resolusi tinggi dari morfologi permukaan dan fitur struktural sampel tanah liat. Tujuan penelitian ini adalah untuk memperoleh informasi tentang pengaruh NADES pada sampel tanah liat dengan membandingkan gambar yang diperoleh sebelum dan setelah terpapar.
Dalam penelitian ini, teknologi mikroskop elektron pemindaian emisi medan (FESEM) digunakan untuk menyelidiki pengaruh NADES pada sampel tanah liat pada tingkat mikroskopis. Tujuan penelitian ini adalah untuk menjelaskan potensi aplikasi NADES dan pengaruhnya terhadap morfologi tanah liat dan ukuran partikel rata-rata, yang akan memberikan informasi berharga untuk penelitian di bidang ini.
Dalam penelitian ini, batang kesalahan (error bar) digunakan untuk menggambarkan secara visual variabilitas dan ketidakpastian dari rata-rata persentase kesalahan (AMPE) di seluruh kondisi eksperimental. Alih-alih memplot nilai AMPE individual (karena memplot nilai AMPE dapat mengaburkan tren dan melebih-lebihkan variasi kecil), kami menghitung batang kesalahan menggunakan aturan 5%. Pendekatan ini memastikan bahwa setiap batang kesalahan mewakili interval di mana interval kepercayaan 95% dan 100% dari nilai AMPE diharapkan berada, sehingga memberikan ringkasan yang lebih jelas dan ringkas tentang distribusi data untuk setiap kondisi eksperimental. Dengan demikian, penggunaan batang kesalahan berdasarkan aturan 5% meningkatkan interpretasi dan keandalan representasi grafis serta membantu memberikan pemahaman yang lebih rinci tentang hasil dan implikasinya.
Dalam sintesis pelarut eutektik dalam alami (NADES), beberapa parameter kunci dipelajari dengan cermat selama proses persiapan internal. Faktor-faktor kritis ini meliputi suhu, rasio molar, dan kecepatan pencampuran. Eksperimen kami menunjukkan bahwa ketika HBA (asam sitrat) dan HBD (gliserol) dicampur dengan rasio molar 1:4 pada suhu 50°C, terbentuk campuran eutektik. Ciri khas campuran eutektik adalah penampilannya yang transparan dan homogen, serta tidak adanya endapan. Dengan demikian, langkah kunci ini menyoroti pentingnya rasio molar, suhu, dan kecepatan pencampuran, di mana rasio molar merupakan faktor yang paling berpengaruh dalam pembuatan DES dan NADES, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.
Indeks bias (n) menyatakan perbandingan kecepatan cahaya dalam ruang hampa dengan kecepatan cahaya dalam medium kedua yang lebih padat. Indeks bias sangat penting untuk pelarut eutektik alami (NADES) ketika mempertimbangkan aplikasi yang sensitif secara optik seperti biosensor. Indeks bias NADES yang dipelajari pada suhu 25 °C adalah 1,452, yang menariknya lebih rendah daripada gliserol.
Perlu dicatat bahwa indeks bias NADES menurun seiring dengan suhu, dan tren ini dapat dijelaskan secara akurat oleh rumus (1) dan Gambar 3, dengan kesalahan persentase rata-rata absolut (AMPE) mencapai 0%. Perilaku yang bergantung pada suhu ini dijelaskan oleh penurunan viskositas dan densitas pada suhu tinggi, yang menyebabkan cahaya merambat melalui medium dengan kecepatan lebih tinggi, sehingga menghasilkan nilai indeks bias (n) yang lebih rendah. Hasil ini memberikan wawasan berharga tentang penggunaan strategis NADES dalam penginderaan optik, menyoroti potensinya untuk aplikasi biosensor.
Tegangan permukaan, yang mencerminkan kecenderungan permukaan cairan untuk meminimalkan luasnya, sangat penting dalam menilai kesesuaian pelarut eutektik alami (NADES) untuk aplikasi berbasis tekanan kapiler. Studi tentang tegangan permukaan dalam kisaran suhu 25–60 °C memberikan informasi yang berharga. Pada 25 °C, tegangan permukaan NADES berbasis asam sitrat adalah 55,42 mN/m, yang secara signifikan lebih rendah daripada air dan gliserol. Gambar 4 menunjukkan bahwa tegangan permukaan menurun secara signifikan seiring dengan peningkatan suhu. Fenomena ini dapat dijelaskan oleh peningkatan energi kinetik molekuler dan penurunan gaya tarik antarmolekul selanjutnya.
Tren penurunan linier tegangan permukaan yang diamati pada NADES yang dipelajari dapat diungkapkan dengan baik oleh persamaan (2), yang menggambarkan hubungan matematis dasar dalam rentang suhu 25–60 °C. Grafik pada Gambar 4 dengan jelas menggambarkan tren tegangan permukaan terhadap suhu dengan kesalahan persentase rata-rata absolut (AMPE) sebesar 1,4%, yang mengukur akurasi nilai tegangan permukaan yang dilaporkan. Hasil ini memiliki implikasi penting untuk memahami perilaku NADES dan potensi aplikasinya.
Memahami dinamika densitas pelarut eutektik dalam alami (NADES) sangat penting untuk memfasilitasi penerapannya dalam berbagai studi ilmiah. Densitas NADES berbasis asam sitrat pada 25°C adalah 1,361 g/cm³, yang lebih tinggi daripada densitas gliserol induknya. Perbedaan ini dapat dijelaskan oleh penambahan akseptor ikatan hidrogen (asam sitrat) ke gliserol.
Mengambil NADES berbasis sitrat sebagai contoh, densitasnya turun menjadi 1,19 g/cm3 pada 60°C. Peningkatan energi kinetik saat pemanasan menyebabkan molekul NADES terdispersi, sehingga menempati volume yang lebih besar, yang mengakibatkan penurunan densitas. Penurunan densitas yang diamati menunjukkan korelasi linier tertentu dengan peningkatan suhu, yang dapat dinyatakan dengan tepat oleh rumus (3). Gambar 5 menyajikan secara grafis karakteristik perubahan densitas NADES ini dengan kesalahan persentase rata-rata absolut (AMPE) sebesar 1,12%, yang memberikan ukuran kuantitatif dari akurasi nilai densitas yang dilaporkan.
Viskositas adalah gaya tarik menarik antara lapisan-lapisan cairan yang bergerak dan memainkan peran kunci dalam memahami penerapan pelarut eutektik alami (NADES) dalam berbagai aplikasi. Pada suhu 25 °C, viskositas NADES adalah 951 cP, yang lebih tinggi daripada viskositas gliserol.
Penurunan viskositas yang diamati seiring peningkatan suhu terutama dijelaskan oleh melemahnya gaya tarik antarmolekul. Fenomena ini mengakibatkan penurunan viskositas fluida, tren yang jelas ditunjukkan pada Gambar 6 dan dikuantifikasi oleh Persamaan (4). Perlu dicatat, pada 60°C, viskositas turun menjadi 898 cP dengan kesalahan persentase rata-rata keseluruhan (AMPE) sebesar 1,4%. Pemahaman yang detail tentang ketergantungan viskositas terhadap suhu pada NADES sangat penting untuk aplikasi praktisnya.
pH larutan, yang ditentukan oleh logaritma negatif dari konsentrasi ion hidrogen, sangat penting, terutama dalam aplikasi yang sensitif terhadap pH seperti sintesis DNA, sehingga pH NADES harus dipelajari dengan cermat sebelum digunakan. Mengambil contoh NADES berbasis asam sitrat, pH yang sangat asam yaitu 1,91 dapat diamati, yang sangat kontras dengan pH gliserol yang relatif netral.
Menariknya, pH pelarut dehidrogenase asam sitrat alami (NADES) menunjukkan tren penurunan non-linier seiring peningkatan suhu. Fenomena ini dikaitkan dengan peningkatan getaran molekuler yang mengganggu keseimbangan H+ dalam larutan, menyebabkan pembentukan ion [H]+ dan, pada gilirannya, perubahan nilai pH. Sementara pH alami asam sitrat berkisar antara 3 hingga 5, keberadaan hidrogen asam dalam gliserol semakin menurunkan pH menjadi 1,91.
Perilaku pH NADES berbasis sitrat dalam rentang suhu 25–60 °C dapat diwakili dengan tepat oleh persamaan (5), yang memberikan ekspresi matematis untuk tren pH yang diamati. Gambar 7 secara grafis menggambarkan hubungan menarik ini, menyoroti pengaruh suhu terhadap pH NADES, yang dilaporkan sebesar 1,4% untuk AMPE.
Analisis termogravimetri (TGA) dari pelarut eutektik asam sitrat alami (NADES) dilakukan secara sistematis pada rentang suhu dari suhu kamar hingga 500 °C. Seperti yang terlihat pada Gambar 8a dan b, kehilangan massa awal hingga 100 °C terutama disebabkan oleh air yang terserap dan air hidrasi yang terkait dengan asam sitrat dan gliserol murni. Retensi massa yang signifikan sekitar 88% diamati hingga 180 °C, yang terutama disebabkan oleh dekomposisi asam sitrat menjadi asam akonitat dan pembentukan metilmaleat anhidrida(III) selanjutnya setelah pemanasan lebih lanjut (Gambar 8b). Di atas 180 °C, kemunculan akrolein (akrilaldehida) yang jelas dalam gliserol juga dapat diamati, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8b37.
Analisis termogravimetri (TGA) gliserol mengungkapkan proses kehilangan massa dua tahap. Tahap awal (180 hingga 220 °C) melibatkan pembentukan akrolein, diikuti oleh kehilangan massa yang signifikan pada suhu tinggi dari 230 hingga 300 °C (Gambar 8a). Seiring peningkatan suhu, asetaldehida, karbon dioksida, metana, dan hidrogen terbentuk secara berurutan. Perlu dicatat, hanya 28% massa yang tersisa pada 300 °C, menunjukkan bahwa sifat intrinsik NADES 8(a)38,39 mungkin cacat.
Untuk memperoleh informasi tentang pembentukan ikatan kimia baru, suspensi pelarut eutektik alami (NADES) yang baru disiapkan dianalisis dengan spektroskopi inframerah transformasi Fourier (FTIR). Analisis dilakukan dengan membandingkan spektrum suspensi NADES dengan spektrum asam sitrat (CA) dan gliserol (Gly) murni. Spektrum CA menunjukkan puncak yang jelas pada 1752 1/cm dan 1673 1/cm, yang mewakili vibrasi regangan ikatan C=O dan juga merupakan karakteristik CA. Selain itu, pergeseran signifikan pada vibrasi tekukan OH pada 1360 1/cm diamati di wilayah sidik jari, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 9.
Demikian pula, dalam kasus gliserol, pergeseran vibrasi peregangan dan pembengkokan OH ditemukan pada bilangan gelombang 3291 1/cm dan 1414 1/cm, masing-masing. Sekarang, dengan menganalisis spektrum NADES yang telah disiapkan, ditemukan pergeseran yang signifikan dalam spektrum. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7, vibrasi peregangan ikatan C=O bergeser dari 1752 1/cm ke 1720 1/cm dan vibrasi pembengkokan ikatan -OH gliserol bergeser dari 1414 1/cm ke 1359 1/cm. Pergeseran bilangan gelombang ini menunjukkan perubahan elektronegativitas, yang mengindikasikan pembentukan ikatan kimia baru dalam struktur NADES.