JP2021535274A - 合成官能化添加剤、合成方法、および使用方法 - Google Patents

Abstract

本開示の実施形態は、合成官能化添加剤の実施形態を対象とする。合成官能化添加剤は、層状ケイ酸マグネシウムを含み得る。層状ケイ酸マグネシウムは、少なくとも２つの異なる官能基に共有結合した第１の四面体ケイ酸塩層を含む第１の官能化ケイ酸塩層と、マグネシウムを含む八面体ブルーサイト層と、少なくとも２つの異なる官能基に共有結合した第２の四面体ケイ酸塩層を含む第２の官能化ケイ酸塩層とを含み得る。八面体ブルーサイト層は、第１の官能化ケイ酸塩層と第２の官能化ケイ酸塩層との間に配置され得る。第１の四面体ケイ酸塩層に共有結合された少なくとも２つの異なる官能基は、第２の四面体ケイ酸塩層に共有結合された少なくとも２つの異なる官能基と同じであっても異なっていてもよい。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１８年９月４日に出願された、“ＳＹＮＴＨＥＴＩＣ ＬＡＹＥＲＥＤ ＭＡＧＮＥＳＩＵＭ ＳＩＬＩＣＡＴＥＳ ＡＮＤ ＴＨＥＩＲ ＤＥＲＩＶＡＴＩＶＥＳ ＦＯＲ ＨＩＧＨ ＰＥＲＦＯＲＭＡＮＣＥ ＯＩＬ−ＢＡＳＥＤ ＤＲＩＬＬＩＮＧ ＦＬＵＩＤＳ”と題する米国出願第６２／７２６，５１２号の優先権を主張し、その開示全体は参照により組み込まれる。

本明細書に記載される実施形態は、概して、流体添加剤として使用するための組成物および方法、より具体的には、ダウンホール環境で掘削流体を強化するための組成物および方法に関する。

坑井の建設および生産手順には、掘削、仕上げ、マトリックス刺激、破砕、または他の坑井の建設および生産強化手順が含まれ得る。いくつかの坑井の建設および生産手順では、坑井流体を利用することができる。掘削流体には、水ベースの泥（ＷＢＭ）、油ベースの泥（ＯＢＭ）、および空気圧流体が含まれ、地下および油井の掘削ならびに仕上げ作業で利用することができる。

ＷＢＭは、他の掘削流体と比較した場合、いくつかの実施形態では、より経済的に実行可能であるか、より環境に優しいか、またはその両方であるなど、いくつかの固有の利点を有する。しかしながら、ＷＢＭは、高温高圧（ＨＴＨＰ）ダウンホール条件下での掘削中に薄化する場合がある。ＨＴＨＰ条件は、３００°Ｆ（１４９℃）を超える乱されていない底穴温度、および少なくとも０．８ｐｓｉ／ｆｔ（約１５．３ｌｂｍ／ｇａｌ）の間隙圧を有することで定義され得る。この薄化により、問題には、パイプの固着、ドリルビットの低い貫通率、およびドリル操作の高いトルク要件のうちの１つ以上が含まれ得る。

ベントナイト粘土、ポリマー、またはこれらの組み合わせは、ＷＢＭのレオロジー特性を維持するための試みにおいて利用され得る。しかしながら、ベントナイト粘土は、大量に添加してもＨＴＨＰでのそれらの効果が失われ得る。天然または合成のいずれかのポリマーは、温度の上昇に応じて粘度が低下または薄化し得る。

そのため、ＨＴＨＰ坑井でのＷＢＭのレオロジー特性および濾過挙動の安定性を改善し得る添加剤が必要とされている。本開示の実施形態は、合成官能化添加剤を提供することによってそれらの必要性を満たす。いくつかの実施形態では、開示される合成官能化添加剤は、坑井用途に使用される掘削流体において利用することができる。いくつかの実施形態では、合成官能化添加剤を利用して、ＨＴＨＰダウンホール条件下で掘削中に、掘削流体の薄化を少なくとも部分的に低減することができる。いくつかの実施形態では、本明細書に記載される合成官能化添加剤を含むＷＢＭは、ＷＢＭ中の他の添加剤（すなわち、ベントナイト粘土、ポリマー、またはこれらの組み合わせ）の数を低減しながら、改善されたレオロジー特性を示し得る。

本開示の少なくとも１つの実施形態によれば、合成官能化添加剤が提供される。合成官能化添加剤は、層状ケイ酸マグネシウムを含み得る。層状ケイ酸マグネシウムは、少なくとも２つの異なる官能基に共有結合した第１の四面体ケイ酸塩層を含む第１の官能化ケイ酸塩層と、マグネシウムを含む八面体ブルーサイト層と、少なくとも２つの異なる官能基に共有結合した第２の四面体ケイ酸塩層を含む第２の官能化ケイ酸塩層とを含み得る。八面体ブルーサイト層は、第１の官能化ケイ酸塩層と第２の官能化ケイ酸塩層との間に配置され得る。第１の四面体ケイ酸塩層に共有結合された少なくとも２つの異なる官能基は、第２の四面体ケイ酸塩層に共有結合された少なくとも２つの異なる官能基と同じであっても異なっていてもよい。

本開示の少なくとも１つの実施形態によれば、合成官能化添加剤を生成する方法が提供される。方法は、マグネシウム塩を流体媒体と混合して、マグネシウム含有流体を生成することと、第１のシランおよび第２のシランをマグネシウム含有流体に添加して、反応混合物を生成することと、水酸化物水溶液を反応混合物に添加して、反応混合物を生成することと、反応混合物を混合期間混合することと、反応混合物を還流期間還流して、生成物混合物を生成することと、生成物混合物を処理して、合成官能化添加剤を分離することとを含み得る。第１のシランおよび第２のシランは、異なる組成物を有し得る。合成官能化添加剤は、混合官能基を有する層状マグネシウムを含み得る。

本開示の少なくとも１つの実施形態によれば、掘削流体が提供される。掘削流体は、水性ベースの流体および合成官能化添加剤を含み得る。合成官能化添加剤は、層状ケイ酸マグネシウムを含み得る。層状ケイ酸マグネシウムは、少なくとも２つの異なる官能基に共有結合した第１の四面体ケイ酸塩層を含む第１の官能化ケイ酸塩層と、マグネシウムを含む八面体ブルーサイト層と、少なくとも２つの異なる官能基に共有結合した第２の四面体ケイ酸塩層を含む第２の官能化ケイ酸塩層とを含み得る。八面体ブルーサイト層は、第１の官能化ケイ酸塩層と第２の官能化ケイ酸塩層との間に配置され得る。第１の四面体ケイ酸塩層に共有結合された少なくとも２つの異なる官能基は、第２の四面体ケイ酸塩層に共有結合された少なくとも２つの異なる官能基と同じであっても異なっていてもよい。

これらおよび他の実施形態は、添付の図面と併せて以下の発明を実施するための形態においてより詳細に説明される。

本開示の特定の実施形態の以下の詳細な説明は、同様の構造が同様の参照番号で示されている以下の図面と併せて読むことで、最もよく理解することができる。

本開示の１つ以上の実施形態による、層状ケイ酸マグネシウムの概略図である。 モンモリロナイトナトリウムに富むベントナイトを含む従来の水ベースの掘削流体のゲル化メカニズムの概略図である。 従来の水ベースの掘削流体に対する過剰なアルカリもしくはアルカリ土類カチオンまたは有機カチオンの影響の概略図である。 本開示の１いつ以上実施形態による、合成官能化添加剤を含む掘削流体に対する過剰なアルカリもしくはアルカリ土類カチオンまたは有機カチオンの影響の概略図である。

本開示の実施形態は、合成官能化添加剤、それを生成する方法、および使用方法を対象とする。

全体を通して使用されるように、「ブルーサイト」は、モノマーの式ＭｇＯ（ＯＨ）₂を有するマグネシウムを指し得る。

全体を通して使用されるように、「八面体」は、８つの三角形の面、１２の直線縁、および６つの頂点を有する八面体を定義する結晶パターンを指し得る。

全体を通して使用されるように、「四面体」は、４つの三角形の面、６つの直線縁、および４つの頂点を有する四面体を定義する結晶パターンを指し得る。

全体を通して使用されるように、「シラン」は、少なくとも３つのアルコキシ基（酸素に結合したアルキル基）を含むケイ素化合物を指し得、第４の置換基は官能基を含み、第４のアルコキシ基であり得るか、または炭素含有化合物であり得る。

全体を通して使用されるように、「増粘剤」、「粘度調整剤」、および「レオロジー調整剤」は、流体に添加されるとレオロジー特性を変化させる化合物を指し得る。増粘剤を使用して、流体の粘度を増加することができる。

全体を通して使用されるように、「チキソトロピー」は、混合、振盪、剪断、または撹拌などの応力または温度変化が加えられたときに、流体またはゲルが粘度の減少を呈する傾向を指し得る。この特性は時間に依存し得る。チキソトロピー制御添加剤は、応力または温度変化が加えられたときの流体の粘度の減少を最小化し得る添加剤を含み得る。

全体を通して使用されるように、「懸濁添加剤」は、流体またはゲル中の固体粒子の沈降を低減し得る添加剤を指し得る。

全体を通して使用されるように、「レオロジーに依存しない挙動」とは、加えられた応力の変化により、粘度およびチキソトロピーなどのレオロジー特性の変化を経ない流体を指し得る。加えられる応力には、剪断応力、温度、およびそれらの組み合わせが含まれ得る。例えば、混合速度が増加または減少すると、加えられる応力の変化が発生する。レオロジーに依存しない挙動を呈する流体の例は、温度の変化による粘度の変化を経ない流体である。

本開示の実施形態は、合成官能化添加剤およびそれを生成する方法に関する。合成官能化添加剤は、四面体ケイ酸塩層に共有結合した混合官能基を有する層状ケイ酸マグネシウムを含み得る。本開示の１つ以上の実施形態による、層状ケイ酸マグネシウムの概略図を図１に示す。

層状ケイ酸マグネシウムの実施形態は、マグネシウムを含む物質を含み得る。いくつかの実施形態では、マグネシウムを含む物質は、マグネシウム塩であり得る。さらなる実施形態では、マグネシウム塩は、塩化マグネシウム、硝酸マグネシウム、硫酸マグネシウム、または臭化マグネシウムであり得る。いくつかの実施形態では、マグネシウムを含む物質は、塩化マグネシウム六水和物を含み得る。実施形態では、マグネシウムを含む物質は、酸化マグネシウムまたは水酸化マグネシウムを含み得る。

いくつかの実施形態では、マグネシウムを含む物質は、天然発生型であり得る。例えば、いくつかの実施形態では、水酸化マグネシウムは、ブルーサイトなどの天然発生型鉱物から得ることができる。他の実施形態では、マグネシウムを含む天然発生型物質は、海水からの塩化ナトリウム生成の副産物であり得るマグネシウムに富む苦い塩水を含み得る。

実施形態では、マグネシウムを含む物質は、２つの官能化ケイ酸塩層の間に配置された八面体ブルーサイトの層として存在し得る。いくつかの実施形態では、八面体ブルーサイトの層は、層状ケイ酸マグネシウムを生成するプロセスの一部として合成され得る。八面体ブルーサイト層は、マグネシウム塩を水酸化物水溶液と反応させることによって合成することができる。これらに限定されないが、塩化マグネシウム、塩化マグネシウム水和物、硝酸マグネシウム、硝酸マグネシウム水和物、臭化マグネシウム、臭化マグネシウム六水和物、およびそれらの組み合わせを含む、水酸化物と反応し得る任意のマグネシウム塩を使用することができる。塩化マグネシウム水和物は、化学式ＭｇＣｌ₂（Ｈ₂Ｏ）_x有し、式中、ｘは、２、４、６、８、および１２から選択される。硝酸マグネシウム水和物は、化学式Ｍｇ（ＮＯ₃）₂（Ｈ₂Ｏ）_yを有し、式中、ｙは、０、２、および６から選択される。実施形態では、水酸化物水溶液は、水中で水酸化物を含み得る。水酸化物は、水酸化物水溶液の総重量に基づいて、約２重量％〜約１０重量％の量で存在し得る。実施形態では、水酸化物は、水酸化物水溶液の総重量に基づいて、約２重量％〜約８重量％、約２重量％〜約６重量％、約２重量％〜約４重量％、約４重量％〜約１０重量％、約４重量％〜約８重量％、約４重量％〜約６重量％、約６重量％〜約１０重量％、約６重量％〜約１０重量％、または約８重量％〜約１０重量％の量で存在し得る。水酸化物は、塩と反応し得る任意の水酸化物であり得る。水酸化物の例には、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化アンモニウム、およびそれらの組み合わせが挙げられ得る。

層状ケイ酸マグネシウムの実施形態は、１つ以上の官能化ケイ酸塩層を含み得る。実施形態では、官能化ケイ酸塩層の各々は、四面体ケイ酸塩層および少なくとも２つの官能基を含む。実施形態では、少なくとも２つの官能基は、異なる化学構造を有することによって異なる。「官能基」への言及は、四面体ケイ酸塩層に結合された１つのタイプの官能基の複数の例と、代替的には四面体ケイ酸塩層に結合された複数のタイプの官能基の複数の例とを含むことが解釈されるべきである。理論に拘束されるものではないが、混合官能基を有することは、水性媒体中の水素結合を改善し得ると考えられている。いくつかの従来の方法では、水素結合を改善するためにアルカリ性溶液（ＮａＯＨ）を添加することができる。混合官能基の存在は、水素結合を活性化するために必要なアルカリ性溶液の量を低減する場合があり、したがって、ゲル強度を改善し得ると考えられている。

官能基は、四面体ケイ酸塩層に共有結合し得る。官能化ケイ酸塩層は、八面体ブルーサイトをシランと反応させることによって得ることができる。官能基を含み、四面体層を形成することができる任意のシランを使用することができる。シランは、水溶液、非水溶液、または液体として利用可能であり得る。層状ケイ酸マグネシウムにおいて使用するためのシランの例には、フェニルトリメトキシシラン、トリメトキシ（プロピル）シラン、トリメトキシメチルシラン、ヘキサデシルトリメトキシシラン、オクチルトリエトキシシラン、テトラエチルオルトシリケート、Ｎ−［３−（トリメトキシシリル）プロピル］エチレンジアミン、（３−アミノプロピル）トリエトキシシラン、式ＲＳｉ（ＯＲ”）₃を有するシラン、およびそれらの組み合わせが挙げられる。シランが式ＲＳｉ（ＯＲ”）₃を有する場合、Ｒ”は、メチル基（−ＣＨ₃）、エチル基（−Ｃ₂Ｈ₅）、およびそれらの組み合わせを含み得、Ｒは、アルキル基、アリール基、およびそれらの組み合わせを含み得る。アルキル基は、飽和基を有するアルキル基、不飽和基を有するアルキル基、機能性置換基を有するアルキル基、およびそれらの組み合わせを含み得る。アリール基は、飽和基を有するアリール基、不飽和基を有するアリール基、機能性置換基を有するアリール基、およびそれらの組み合わせを含み得る。機能性置換基には、アミン、カルボキシレート、アミド、アクリレート、チオール、ヒドロキシル、イソシアネート、メタクリレート、およびそれらの組み合わせが含まれ得る。機能製置換基は、鎖の末端に結合することができ、その間に結合することができ、それらの組み合わせであり得る。機能性置換基は、シランの官能基を形成する。少なくとも１つの実施形態では、層状ケイ酸マグネシウムにおいて使用するためのシランには、フェニルトリメトキシシラン、トリメトキシ（プロピル）シラン、トリメトキシメチルシラン、ヘキサデシルトリメトキシシラン、オクチルトリエトキシシラン、テトラエチルオルトシリケート、Ｎ−［３−（トリメトキシシリル）プロピル］エチレンジアミン、（３−アミノプロピル）トリエトキシシラン、およびそれらの組み合わせが含まれる。少なくとも１つの実施形態では、シランは、式ＲＳｉ（ＯＲ”）₃を有する。

シランは、所望の官能基に基づいて選択することができる。官能基は、ヒドロキシル基（−ＯＨ）、式（−ＣＨ₂（ＣＨ₂）_xＣＨ₃）を有する飽和アルキル基（式中、ｘは、０〜１８までの整数である）、フェニル基、アミン基、ジアミン基、カルボン酸基、アミド基、アクリレート基、チオール基、メタクリレート基、イソシアネート基、およびそれらの組み合わせを含み得る。表１に、いくつかのシランから生じる官能基を列挙する。

所望の官能基を含む少なくとも２つのシランから官能化ケイ酸塩層を生成することにより、官能基が層状ケイ酸マグネシウムの四面体ケイ酸塩層に共有結合される合成官能化添加剤が得られる。官能基が四面体ケイ酸塩層から八面体ブルーサイト層から離れて伸びるとき、官能基は、図１に示されるように、層状ケイ酸マグネシウム小板を分離するのに役立つ。

いくつかの実施形態では、層状ケイ酸マグネシウムは、モルで約０．７：１〜１．５：１または１：１〜約１．４：１のシリコン対マグネシウム比を有し得る。さらなる実施形態では、シリコン対マグネシウム比は、モルで約１．３３であり得る。理論に拘束されるものではないが、シリコン対マグネシウム比が合成官能化添加剤の結晶化度に影響し得ると考えられている。

いくつかの実施形態では、層状ケイ酸マグネシウムは、１ｎｍ〜５ｎｍの厚さを有し得る。他の実施形態では、層状ケイ酸マグネシウムは、約１ｎｍ〜約４ｎｍ、約１ｎｍ〜約３ｎｍ、約１ｎｍ〜約２ｎｍ、約２ｎｍ〜約５ｎｍ、約２ｎｍ〜約４ｎｍ、約２ｎｍ〜約３ｎｍ、約３ｎｍ〜約５ｎｍ、約３ｎｍ〜約４ｎｍ、または約５ｎｍ〜約５ｎｍの厚さを有し得る。いくつかの実施形態では、層状ケイ酸マグネシウムは、約１０ｎｍ〜約２０００ｎｍ（２ミクロン）、約５０ｎｍ〜約１０００ｎｍ、または約１００ｎｍ〜約５００ｎｍの横方向寸法を有し得る。実施形態では、層状ケイ酸マグネシウムの全体的な厚さは、官能基の長さに依存し得る。

ここで、合成官能化添加剤を生成する方法に説明する。前に述べられるように、いくつかの実施形態では、合成官能化添加剤は、層状ケイ酸マグネシウムを含み得る。例えば、層状ケイ酸マグネシウムを合成する方法論は、以下の反応（１）によって要約され得、ＬＭＳは、層状ケイ酸マグネシウムを略して表すものであり、
ＭｇＸＷ＋ＧＹＳｉ（Ｚ）₃→ＬＭＳ （式１）
式中、Ｘには、Ｃｌ₂、Ｂｒ₂、Ｉ₂、（ＯＨ）₂、Ｏ、ギ酸塩、クエン酸塩、または組み合わせが含まれ得、Ｗには、水分子および水和物が含まれ得、Ｇには、第一級アミン、第二級アミン、第三級アミン、ヒドロキシル、エポキシ、チオール、フェノール、アミノベンゼン、カルボキシレート、およびこれらの基の組み合わせが含まれ得、Ｙには、エチル、プロピル、エチレン、ジアミン、ジエチレン、チアミン、トリエチレンテトラミン、フェニル、または組み合わせが含まれ得、Ｚには、メトキシ、エタノール、イソプロピルアルコール、グリコール、エチレングリコール、または組み合わせが含まれ得る。実施形態では、反応は、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、または組み合わせを含むアルカリ；例えば、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、グリコール、エチレングリコール、または組み合わせを含むアルコール中で起こり得る。

現在記載されている方法の実施形態では、合成官能化添加剤は複製され、バッチ間で一貫した組成物をもたらし得る。一貫したかつ再現性のある結果は、有機粘土または有機的に修飾された層状物質など、天然源の不純物に晒される他の天然由来の添加剤よりも有利であり得る。さらに、現在記載されている方法は、結晶化度の変更など、生成物にある特定の結果を生み出すように操作することができる。有利なことに、合成官能化添加剤は、適用期間中の一貫性を提供し、使用および適用中の掘削流体配合物における追加の添加剤の必要性を低減または排除する。

実施形態では、ある量のマグネシウム塩を流体媒体と混合して、マグネシウム含有流体を生成することができる。金属酸化物または金属水酸化物反応物を懸濁するのに好適な任意の流体媒体。流体媒体は、水、アルコール、およびそれらの組み合わせを含み得る。アルコールの例には、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、および組み合わせが含まれ得る。マグネシウム塩の量は、マグネシウム含有流体の総重量に基づいて、約３重量％〜約１５重量％の範囲であり得る。他の実施形態では、マグネシウム塩の量は、マグネシウム含有流体の総重量に基づいて、約３重量％〜約１０重量％、約３重量％〜約５重量、約５重量％〜約１５重量％、約５重量％〜約１０重量％、または約１０重量％〜約１５重量％の範囲であり得る。

ある量の少なくとも２つのシランをマグネシウム含有流体に添加して、反応混合物を生成することができる。実施形態では、添加される少なくとも２つのシランの量は、反応混合物の総重量に基づいて、約３重量％〜約１５重量％の合計重量を有し得る。他の実施形態では、少なくとも２つのシランの量は、反応混合物の総重量に基づいて、約３重量％〜約１０重量％、約３重量％〜約５重量、約５重量％〜約１５重量％、約５重量％〜約１０重量％、または約１０重量％〜約１５重量％の合計重量であり得る。添加される少なくとも２つのシランの合計量は、層状ケイ酸マグネシウム中のシリコン対マグネシウムのモル比を、約０．７：１〜１．５：１、または１：１〜約１．４：１に維持するように決定することができる。少なくとも１つの実施形態では、添加される少なくとも２つのシランの合計量は、１．３３：１の層状ケイ酸マグネシウムにおけるシリコン対マグネシウムのモル比をもたらす。

マグネシウム含有流体に少なくとも２つのシランの量を添加することは、層状構造を有する合成官能化添加剤を生成する上で重要であり得ると考えられている。マグネシウム塩を少なくとも２つのシランに添加することによる混合順序の変更は、現在開示されている合成官能化添加剤の層状構造を有さないアモルファス物質を生成し得る。

ある量の水酸化物水溶液を反応混合物に添加して、反応混合物を生成することができる。実施形態では、八面体ブルーサイトの層の形成は、水酸化物水溶液の添加時に開始し得る。少なくとも２つのシランの加水分解は、水酸化物水溶液の添加時に開始し得る。いくつかの実施形態では、水酸化物水溶液は、水酸化ナトリウムである。水酸化物水溶液は、反応混合物のｐＨを調整し得る。水酸化物水溶液を反応混合物に添加して、目標のｐＨに到達させることができる。実施形態では、目標のｐＨは、約７〜約１２であり得る。いくつかの実施形態では、目標のｐＨは、約９〜約１０であり得る。さらなる実施形態では、水酸化物水溶液は、撹拌しながら添加される。さらなる実施形態では、水酸化物水溶液は、約３０分間撹拌しながら添加される。

実施形態では、添加ステップの各々は、摂氏約１０度（℃）〜約３５℃の範囲の温度で実施することができる。いくつかの実施形態では、添加ステップは、約２０℃〜約３０℃の温度で実施することができる。いくつかの実施形態では、添加ステップの各々は、周囲圧力で実施することができる。各添加ステップの後に、混合期間が続いてもよい。

反応混合物は、１つの反応容器で調製することができる。いくつかの実施形態では、反応容器は、混合物が添加ステップ中に絶えず撹拌されるように、撹拌機構を備えていてもよい。いくつかの実施形態では、反応容器にコンデンサーを備えてもよい。いくつかの実施形態では、反応容器は、熱水反応用に構成することができ、反応混合物は、還流条件で圧力を維持することができる。

反応混合物は、混合期間混合され得る。実施形態では、混合期間は、少なくとも３０分または少なくとも１時間であり得る。いくつかの実施形態では、混合期間は、約３０分〜約７２時間、約４〜約７２時間、約１２時間〜約７２時間、または約２４時間〜約４８時間であり得る。アルカリ性条件下で反応混合物を混合することにより、ブルーサイトの形成およびその後のシランの加水分解が可能になり得る。

混合期間に続いて、反応混合物を反応容器内で還流期間還流して、生成物混合物を生成することができる。還流期間は、少なくとも２時間であり得る。いくつかの実施形態では、還流期間は、約２時間〜約１週間（１６８時間）、約２時間〜約１４４時間、約２時間〜約１２０時間、約２時間〜約９６時間、約２時間〜約７２時間、約２時間〜約４８時間、または約２時間〜約２４時間であり得る。

還流期間中、反応容器内の温度は、還流状態まで増加され得る。還流状態は、反応混合物の沸点であり得、約２５℃〜約１１０℃であり得る。いくつかの実施形態では、還流状態は、約２５℃〜約１００℃、約２５℃〜約７５℃、約２５℃〜約５０℃、約５０℃〜約１１０℃、約５０℃〜約１００℃、約５０℃〜約７５℃、約７５℃〜約１１０℃、約７５℃〜約１００℃、または約１００℃〜約１１０℃であり得る。少なくとも２つのシランの縮合反応は、反応混合物中の温度が還流状態まで増加されたときに開始し得る。還流状態は、２つ以上のシランが反応して、八面体ブルーサイトの層のいずれかの側に混合官能基を有する四面体ケイ酸塩層を形成することを可能にし得、官能化合成添加剤をもたらす。シランの縮合反応は還流期間継続する。官能化ケイ酸塩層は、還流期間中に八面体ブルーサイトの層上に形成する。理論に拘束されるものではないが、還流状態は、官能化ケイ酸塩層の結晶化度を改善し得ると考えられている。実施形態では、還流期間の長さは、層状ケイ酸マグネシウムの結晶化度に影響し得る。いくつかの実施形態では、より長い還流期間は、横方向寸法の増加をもたらし得る。還流期間中の熱水反応は、横方向寸法の結晶化および成長を可能にし得る。いくつかの実施形態では、構成成分が沸騰すると、それらは、反応容器に備えられたコンデンサーに入り得る。

還流ステップに続いて、生成物混合物は、１つ以上の処理操作に晒され、固体層状ケイ酸マグネシウムを生成物混合物中の液体から分離して、合成官能化添加剤を生成し得る。処理操作には、生成物混合物の温度を低減すること、固形分を分離すること、固形分を洗浄すること、および真空下で固形分を乾燥させることが含まれ得る。固形分の分離は、濾過または遠心分離によって行われ得る。分離された固形分は、脱イオン水で洗浄することができる。いくつかの実施形態では、生成物混合物は、脱イオン水で２回以上、例えば、３回洗浄され得る。いくつかの実施形態では、真空下での固形分の乾燥は、高温または室温で行われ得る。実施形態では、生成物混合物は、少なくとも５０℃、少なくとも６０℃、少なくとも７０℃、または少なくとも８０℃の温度で乾燥される。

合成官能化添加剤の実施形態は、様々な用途で利用することができる。合成官能化添加剤は、増粘剤、チキソトロピー制御添加剤、懸濁添加剤、核剤添加剤、および放出速度制御添加剤として使用され得る。合成官能化添加剤は、坑井流体、塗料、インク、化粧品配合物、パーソナルケア配合物、熱可塑性または熱硬化性ポリマーからのナノ複合体の合成、および治療用配合物（徐放性）中の添加剤として使用され得る。坑井流体には、掘削流体、パッカー流体、循環不能である流体、生成流体、およびそれらの組み合わせが含まれ得る。坑井流体は、水性ベースの流体、油ベースの流体、またはそれらの組み合わせであり得る。実施形態では、合成官能化添加剤は、親有機性ナノシリカの代わりに使用され得る。

少なくとも１つの実施形態では、合成官能化添加剤を増粘剤として坑井流体と混合して、レオロジー修飾された坑井流体を生成することができる。坑井流体に添加される合成官能化添加剤の量は、約１グラム〜約１０グラムであり得る。他の実施形態では、坑井流体に添加される合成官能化添加剤の量は、約１グラム〜約５グラム、または約５グラム〜約１０グラムであり得る。レオロジー修飾された坑井流体中の合成官能化添加剤の量は、０．１％ｗ／ｖ〜２０％ｗ／ｖ、代替的には０．５％ｗ／ｖ〜５％ｗ／ｖ、代替的には１％ｗ／ｖ〜４％ｗ／ｖ、代替的には１．５％ｗ／ｖ〜３．５％ｗ／ｖの量であり得る。少なくとも１つの実施形態では、合成官能化添加剤の量は、２％ｗ／ｖである。レオロジー修飾された坑井流体は、坑井に注入され得る。

ここで、合成官能化添加剤を含む掘削流体の実施形態を説明する。合成官能化添加剤を含む掘削流体の実施形態は、高圧および高温条件下でレオロジーに依存しない挙動を呈し得、これは、掘削流体が、応力および温度に直面しても、粘度およびチキソトロピーなどのそれらの特性を維持し得ることを意味する。したがって、いくつかの実施形態では、合成官能化添加剤を含む掘削流体を利用して、ＨＴＨＰダウンホール条件下で掘削中に、掘削流体の薄化を少なくとも部分的に低減することができる。従来の掘削流体と比較した場合、合成官能化添加剤を含む掘削流体は、レオロジーに依存しない挙動を呈さない従来の掘削流体よりも応力の影響を受けにくい場合がある。合成官能化添加剤を含む掘削流体は、実施形態では、合成官能化添加剤の代わりに有機粘土などの従来のレオロジー調整剤を含む掘削流体と比較して、温度の変化による粘度の変化が少ない場合がある。

従来の掘削流体配合物の場合、配合物が十分な処理用途で所望のレオロジー特性を達成するために、いくつかの添加剤（すなわち、１０種類を超える）が必要とされ得る。従来の掘削流体では、レオロジー特性を維持する試みにおいて、親水性粘土（ベントナイト／モンモリロナイト／ヘクトライトを含む）が水ベースの掘削流体の増粘剤として用いられている。これらのタイプの粘土は、カチオン層状物質と称され得る。図２〜３に示されるように、これらの粘土を水に添加すると、ベントナイトのラメラ構造が破壊され得、個々のアルミノケイ酸塩小板が水中に分散される。しかしながら、ネットワーク構造（図２）は、他のカチオン、例えば、無機カチオン（Ｋ⁺、Ｃａ²⁺、Ｍｇ²⁺を含む）または有機カチオン（第四級アンモニウム塩）の存在下では安定でない場合がある。図３に示されるように、これらのカチオン種の存在下の層状物質は凝集を経て、したがってレオロジー特性を失う。したがって、スメクタイト粘土の使用は、掘削流体の用途において制限され得る。

本明細書に記載される合成官能化添加剤の実施形態は、混合官能基と四面体ケイ酸塩層との間に強い共有結合を有する層状ケイ酸マグネシウムを含み得る。理論に拘束されるものではないが、混合官能基と四面体ケイ酸塩層との間のこれらの共有結合は、従来の掘削流体と比較した場合、応力に対してより耐性があり、十分な処理プロセス中に無傷のままであり得ると考えられている。図４に示されるように、本明細書に記載される合成官能化添加剤を含む掘削流体は、アルカリもしくはアルカリ土類カチオンまたは有機カチオンの存在に関係なく、水性媒体中で安定したゲル化を示し得る。したがって、いくつかの実施形態では、現在開示されている合成官能化添加剤を含む掘削流体配合物は、従来の掘削流体配合物と比較した場合、所望のレオロジー特性を達成するための追加の添加剤の必要性を低減または排除し得る。いくつかの実施形態では、現在開示されている合成官能化添加剤を含む掘削流体配合物は、１０個未満または５個未満の追加の添加剤を含み得る。さらなる実施形態では、現在開示されている合成官能化添加剤を含む掘削流体配合物は、３個または４個の追加の添加剤を必要とし得る。追加の添加剤の例には、増粘剤（天然ポリマー、合成ポリマー、親水性粘土を含む）、頁岩抑制剤、循環喪失添加剤、流体損失添加剤、乳化剤、消泡剤、界面活性剤、ｐＨ制御化合物、潤滑剤、重量調節物質、および流体媒体（水、塩水、海水を含む）が挙げられ得る。

掘削流体は、水性ベースの流体および合成官能化添加剤の実施形態を含み得る。水性ベースの流体は、バライト、ベントナイト、シリカ粉、ポリマー、増粘剤、一次または二次乳化剤、流体損失制御添加剤、流体安定剤、循環喪失添加剤、金属塩、またはそれらの組み合わせを含み得る。実施形態では、地下坑井流体の水性ベースの流体は、水を含み得る。

実施形態では、合成官能化添加剤を含む掘削流体は、約１ ｌｂ／１００ｆｔ²〜約５ ｌｂ／１００ｆｔ²、約１ ｌｂ／１００ｆｔ²〜約４ ｌｂ／１００ｆｔ²、約１ ｌｂ／１００ｆｔ²〜約３ ｌｂ／１００ｆｔ²、約１ ｌｂ／１００ｆｔ²〜約２ ｌｂ／１００ｆｔ²、約２ ｌｂ／１００ｆｔ²〜約５ ｌｂ／１００ｆｔ²、約２ ｌｂ／１００ｆｔ²〜約４ ｌｂ／１００ｆｔ²、約２ ｌｂ／１００ｆｔ²〜約３ ｌｂ／１００ｆｔ²、約３ ｌｂ／１００ｆｔ²〜約５ ｌｂ／１００ｆｔ²、約３ ｌｂ／１００ｆｔ²〜約４ ｌｂ／１００ｆｔ²、または約４ ｌｂ／１００ｆｔ²〜約５ ｌｂ／１００ｆｔ²のゲル強度（７７°Ｆ〜５００°Ｆの温度で、１０秒間）を有し得る。実施形態では、合成官能化添加剤を含む掘削流体は、約５ ｌｂ／１００ｆｔ²〜約８０ ｌｂ／１００ｆｔ²、約５ ｌｂ／１００ｆｔ²〜約５０ ｌｂ／１００ｆｔ²、約５ ｌｂ／１００ｆｔ²〜約３０ ｌｂ／１００ｆｔ²、約５ ｌｂ／１００ｆｔ²〜約１０ ｌｂ／１００ｆｔ²、約１０ ｌｂ／１００ｆｔ²〜約８０ ｌｂ／１００ｆｔ²、約１０ ｌｂ／１００ｆｔ²〜約５０ ｌｂ／１００ｆｔ²、約１０ ｌｂ／１００ｆｔ²〜約３０ ｌｂ／１００ｆｔ²、約３０ ｌｂ／１００ｆｔ²〜約８０ ｌｂ／１００ｆｔ²、約３０ ｌｂ／１００ｆｔ²〜約５０ ｌｂ／１００ｆｔ²、または約５０ ｌｂ／１００ｆｔ²〜約８０ ｌｂ／１００ｆｔ²のゲル強度（７７°Ｆ〜５００°Ｆの温度で、１０分間）を有し得る。

実施形態では、合成官能化添加剤を含む掘削流体は、約１０センチポアズ（ｃＰ）〜約５０ｃＰの塑性粘度（７７°Ｆ〜５００°Ｆの温度で）を有し得る。いくつかの実施形態では、合成官能化添加剤を含む掘削流体は、約１０ｃＰ〜約４０ｃＰ、約１０ｃＰ〜約３０ｃＰ、約１０ｃＰ〜約２０ｃＰ、約２０ｃＰ〜約５０ｃＰ、約２０ｃＰ〜約４０ｃＰ、約２０ｃＰ〜約３０ｃＰ、約３０ｃＰ〜約５０ｃＰ、約５０ｃＰから約４０ｃＰ、または約４０ｃＰ〜約５０ｃＰの塑性粘度（７７°Ｆ〜５００°Ｆの温度で）を有し得る。

実施形態では、合成官能化添加剤を含む掘削流体は、約５ ｌｂ／１００ｆｔ²〜約３５ ｌｂ／１００ｆｔ²、約５ ｌｂ／１００ｆｔ²〜約２５ ｌｂ／１００ｆｔ²、約５ ｌｂ／１００ｆｔ²〜約１５ ｌｂ／１００ｆｔ²、約１５ ｌｂ／１００ｆｔ²〜約３５ ｌｂ／１００ｆｔ²、約１５ ｌｂ／１００ｆｔ²〜約２５ ｌｂ／１００ｆｔ²、または約２５ ｌｂ／１００ｆｔ²〜約３５ ｌｂ／１００ｆｔ²の降伏点（７７°Ｆ〜５００°Ｆの温度で）を有し得る。

実施形態では、合成機能性添加剤を含む掘削流体は、約０ ｌｂ／１００ｆｔ²〜約１０５ ｌｂ／１００ｆｔ²、約１０ ｌｂ／１００ｆｔ²〜約１０５ ｌｂ／１００ｆｔ²、約１０ ｌｂ／１００ｆｔ²〜約１００ ｌｂ／１００ｆｔ²、約１０ ｌｂ／１００ｆｔ²〜約７５ ｌｂ／１００ｆｔ²、約１０ ｌｂ／１００ｆｔ²〜約５０ ｌｂ／１００ｆｔ²、約１０ ｌｂ／１００ｆｔ²〜約２５ ｌｂ／１００ｆｔ²、約２５ ｌｂ／１００ｆｔ²〜約１００ ｌｂ／１００ｆｔ²、約２５ ｌｂ／１００ｆｔ²〜約７５ ｌｂ／１００ｆｔ²、約２５ ｌｂ／１００ｆｔ²〜約５０ ｌｂ／１００ｆｔ²、約５０ ｌｂ／１００ｆｔ²〜約１０５ ｌｂ／１００ｆｔ²、約５０ ｌｂ／１００ｆｔ²〜約１００ ｌｂ／１００ｆｔ²、約５０ ｌｂ／１００ｆｔ²〜約７５ ｌｂ／１００ｆｔ²、約７５ ｌｂ／１００ｆｔ²〜約１０５ ｌｂ／１００ｆｔ²、約７５ ｌｂ／１００ｆｔ²〜約１００ ｌｂ／１００ｆｔ²、または約１００ ｌｂ／１００ｆｔ²〜約１０５ ｌｂ／１００ｆｔ²の低剪断降伏点（７７°Ｆ〜５００°Ｆの温度で）を有し得る。

実施形態では、地層粘土または粘土鉱物（Ｃａ−モンモリロナイトを含む）と合成機能性添加剤を含む掘削流体との混合は、掘削流体の塑性粘度および降伏点に影響しない場合がある。地層粘土または粘土鉱物（Ｃａ−モンモリロナイトを含む）と混合した場合、合成官能化添加剤を含む掘削流体は、約１０ｃＰ〜約５０ｃＰ、約１０ｃＰ〜約４０ｃＰ、約１０ｃＰ〜約３０ｃＰ、約１０ｃＰ〜約２０ｃＰ、約２０ｃＰ〜約５０ｃＰ、約２０ｃＰ〜約４０ｃＰ、約２０ｃＰ〜約３０ｃＰ、約３０ｃＰ〜約５０ｃＰ、約５０ｃＰから約４０ｃＰ、または約４０ｃＰ〜約５０ｃＰの塑性粘度（７７°Ｆ〜５００°Ｆの温度で）を有し得る。地層粘土または粘土鉱物（Ｃａ−モンモリロナイトを含む）と混合した場合、合成機能性添加剤を含む掘削流体は、約０ ｌｂ／１００ｆｔ²〜約１１０ ｌｂ／１００ｆｔ²、約１０ ｌｂ／１００ｆｔ²〜約１００ ｌｂ／１００ｆｔ²、約１０ ｌｂ／１００ｆｔ²〜約７５ ｌｂ／１００ｆｔ²、約１０ ｌｂ／１００ｆｔ²〜約５０ ｌｂ／１００ｆｔ²、約１０ ｌｂ／１００ｆｔ²〜約２５ ｌｂ／１００ｆｔ²、約２５ ｌｂ／１００ｆｔ²〜約１００ ｌｂ／１１０ｆｔ²、約２５ ｌｂ／１００ｆｔ²〜約１００ ｌｂ／１００ｆｔ²、約２５ ｌｂ／１００ｆｔ²〜約７５ ｌｂ／１００ｆｔ²、約２５ ｌｂ／１００ｆｔ²〜約５０ ｌｂ／１００ｆｔ²、約５０ ｌｂ／１００ｆｔ²〜約１１０ ｌｂ／１００ｆｔ²、約５０ ｌｂ／１００ｆｔ²〜約１００ ｌｂ／１００ｆｔ²、約５０ ｌｂ／１００ｆｔ²〜約７５ ｌｂ／１００ｆｔ²、約７５ ｌｂ／１００ｆｔ²〜約１１０ ｌｂ／１００ｆｔ²、約７５ ｌｂ／１００ｆｔ²〜約１００ ｌｂ／１００ｆｔ²、または約１００ ｌｂ／１００ｆｔ²〜約１１０ ｌｂ／１００ｆｔ²の降伏点（７７°Ｆ〜５００°Ｆの温度で）を有し得る。

試験方法
ゲル強度
ゲル強度は、試験される物質が静止状態に維持されている間の定義された期間の後に、低減された剪断速度で測定された剪断応力を指す。低減した剪断速度での剪断応力は、ＡＰＩの静的ゲル強度測定に関する推奨実務（Recommended Practice On Determining the Static Gel Strength）（ＲＰ１０Ｂ−６／ＩＳＯ１０４２６−６：２００８）に記載される試験方法に従って、３ｒｐｍなどの低減した毎分回転数（「ｒｐｍ」）で動作するＦＡＮＮ（登録商標）モデル３５粘度計などの標準レオメーターを周囲圧力で使用して測定することができる。ゲル強度を測定するために、掘削流体を粘度計のスピンドルと接触させ、粘度計を６００毎分回転数（ｒｐｍ）で操作することによって、掘削流体を最初に撹拌する。その後、粘度計を一定期間（期間）オフにする。１０秒のゲル強度の場合、期間は１０秒であり、１０分のゲル強度の場合、期間は１０分である。ゲル強度を測定するための他の期間が、ゲル強度の測定値に対して基準時間として使用され得ることが理解されるべきである。その期間の間、掘削流体は静止して静止状態となる。期間が終了すると、粘度計を、例えば、３ｒｐｍなどの低減された速度で再びオンにして、低減された剪断速度を生成する。次いで、粘度計の読み取り値が得られる。掘削流体のゲル強度を、１００平方フィートあたりの重量ポンド（ｌｂｆ／１００ｆｔ²）の単位で報告する。

レオロジー特性（塑性粘度、降伏点、低剪断降伏点、および見かけの粘度）
掘削流体のレオロジー特性は、ビンガムの塑性流動挙動に基づいてモデル化することができる。掘削流体のレオロジー挙動は、異なる剪断速度で組成物の剪断応力を測定することによって決定することができ、これは、例えば、３ｒｐｍ、６ｒｐｍ、１００ｒｐｍ、２００ｒｐｍ、３００ｒｐｍ、または６００ｒｐｍで動作するＦＡＮＮ（登録商標）モデル３５粘度計を使用して組成物の剪断応力、剪断速度、またはその両方を測定することによって達成することができる。掘削流体のレオロジーは、ビンガム塑性レオロジーモデルのパラメータである、塑性粘度（ＰＶ）および降伏点（ＹＰ）から評価され得る。ＰＶは、組成物の固形分間の機械的相互作用に起因する流動に対する組成物の抵抗に関連があり、無限の剪断速度に外挿された組成物の粘度を表す。掘削流体のＰＶは、３００毎分回転（ｒｐｍ）および６００ｒｐｍのスピンドル速度ＦＡＮＮ（登録商標）モデル３５粘度計を使用して、掘削流体の剪断応力を測定し、後に示される方程式２（式２）に従って、６００ｒｐｍの粘度測定値から３００ｒｐｍの粘度測定値を差し引くことによって推定することができる。掘削流体について決定されたＰＶ値は、本開示ではセンチポアズ（ｃＰ）の単位で示される。
ＰＶ＝（６００ｒｐｍでの粘度）−（３００ｒｐｍでの粘度） （式２）

掘削流体の降伏点（ＹＰ）は、静止状態から流体を移動するために必要な応力の量を表す。ＹＰは、ビンガム塑性レオロジーモデルを剪断速度ゼロに外挿することによって決定される。掘削流体のＹＰは、式２によるＰＶから、後に示される方程式３（式３）に従って３００ｒｐｍで測定した剪断応力からのＰＶを差し引くことによって推定することができる。
ＹＰ＝（３００ｒｐｍの読み取り値）−ＰＶ （式３）

ＹＰは、１００平方フィートあたりの重量ポンド（ｌｂｆ／１００ｆｔ²）など、面積あたりの力として表される。

掘削流体の低剪断降伏点（ＬＳＹＰ）は、周囲圧力で標準的なレオメーターを使用して測定することができる。掘削流体のＬＳＹＰは、３ｒｐｍおよび６ｒｐｍのスピンドル速度で、後に示される方程式４（式４）に従って、ＦＡＮＮ（登録商標）モデル３５粘度計を使用して掘削流体の剪断応力を測定することによって推定することができる。掘削流体について決定されたＬＳＹＰ値は、本開示では、１００平方フィートあたりの重量ポンド（ｌｂｆ／１００ｆｔ²）の単位で示される。
低剪断降伏点（ＬＳＹＰ）＝２＊（３ｒｐｍの読み取り値）−（６ｒｐｍの読み取り値） （式４）

掘削流体の見かけの粘度は、周囲圧力で標準的なレオメーターを使用して測定することができる。掘削流体の見かけの粘度は、６００ｒｐｍ、後に示される方程式５（式５）のスピンドル速度でＦＡＮＮ（登録商標）モデル３５粘度計を使用して掘削流体の剪断応力を測定することによって推定することができる。掘削流体について決定された見かけの粘度値は、本開示では、１００平方フィートあたりの重量ポンド（ｌｂｆ／１００ｆｔ²）の単位で示される。
見かけの粘度＝（６００ｒｐｍの読み取り値）／２ （式５）

以下の例は、本開示の特徴を示しているが、開示の範囲を限定することを意図するものではない。以下の実験では、様々な抑制剤添加剤を使用した坑井流体の性能を比較し、その一部は、現在説明されている合成官能化添加剤の例を含んだ。

実施例１−合成官能化添加剤の合成
実施例１では、１つ以上のシロキサンを使用した。試料１−１、１−２、１−３、および１−４では、２つのシロキサンの比率を変化させた。実施例１において、使用されたシロキサンは、混合官能基を有する合成官能化添加剤を得るために、アミノプロピルトリエトキシシランおよびテトラエチルオルトシリケートを含んでいた。

試料１−１、１−２、１−３、および１−４ならびに比較試料１−Ａおよび１−Ｂに基づいて、アミン官能基と組み合わせたヒドロキシル基の存在が、水性媒体中で水素結合を改善し得ることが観察された。本開示において以前に述べられるように、一般に、アルカリ性溶液（ＮａＯＨ）を添加して、水素結合を改善することができる。混合官能基が存在する場合、水素結合を活性化するために必要なアルカリ性溶液の量は、最小化され得る。比較実施例１−Ａ（−ＮＨ₂）および比較実施例１−Ａ（−ＯＨ）は、後でより詳細に説明され、それぞれが１つのみの異なる官能基を有する。比較実施例１−Ａのアミン末端層状ケイ酸マグネシウムは、アルカリ性条件でゲル構造を形成する可能性があると考えられている。しかしながら、比較実施例１−Ｂのヒドロキシル末端層状ケイ酸マグネシウムは、いかなる活性剤にも関係なく、ゲル構造を形成することができないと考えられている。

試料１−１
試料１−１を生成するために、塩化マグネシウム六水和物（９．９６ｇ）を２００ｍＬのエタノールに溶解した。続いて、アミノプロピルトリエトキシシラン（１１．７ｇ）およびオルトケイ酸テトラエチル（２．５ｇ）を、室温（２０〜３０℃）で撹拌しながら添加した。１時間の期間にわたって継続的に撹拌しながら、室温でｐＨが１０〜１２に達するまで、１Ｎ ＮａＯＨ溶液を添加した。反応混合物をこの条件で３〜４時間撹拌し、続いて４３時間還流した。次いで、反応混合物を冷却し、濾過／遠心分離し、脱イオン水（１００ｍＬ、３回）で洗浄し、真空中８０℃で乾燥させて、試料１−１を得た。

試料１−２
試料１−２を生成するために、塩化マグネシウム六水和物（９．９６ｇ）を２００ｍＬのエタノールに溶解した。続いて、アミノプロピルトリエトキシシラン（７．２ｇ）およびオルトケイ酸テトラエチル（６．８ｇ）を、室温（２０〜３０℃）で撹拌しながら添加した。１時間の期間にわたって継続的に撹拌しながら、室温でｐＨが１０〜１２に達するまで、１Ｎ ＮａＯＨ溶液を添加した。反応混合物をこの条件で３〜４時間撹拌し、続いて４３時間還流した。次いで、反応混合物を冷却し、濾過／遠心分離し、脱イオン水（１００ｍＬ、３回）で洗浄し、真空中８０℃で乾燥させて、試料１−２を得た。

試料１−３
試料１−３を生成するために、塩化マグネシウム六水和物（９．９６ｇ）を２００ｍＬのエタノールに溶解した。続いて、アミノプロピルトリエトキシシラン（９．５ｇ）およびオルトケイ酸テトラエチル（４．６ｇ）を、室温（２０〜３０℃）で撹拌しながら添加した。１時間の期間にわたって継続的に撹拌しながら、室温でｐＨが１０〜１２に達するまで、１Ｎ ＮａＯＨ溶液を添加した。反応混合物をこの条件で３〜４時間撹拌し、続いて４３時間還流した。次いで、反応混合物を冷却し、濾過／遠心分離し、脱イオン水（１００ｍＬ、３回）で洗浄し、真空中８０℃で乾燥させて、試料１−３を得た。

試料１−４
試料１−４を生成するために、塩化マグネシウム六水和物（９．９６ｇ）を２００ｍＬのエタノールに溶解した。続いて、アミノプロピルトリエトキシシラン（４．９ｇ）およびオルトケイ酸テトラエチル（９．０ｇ）を、室温（２０〜３０℃）で撹拌しながら添加した。１時間の期間にわたって継続的に撹拌しながら、室温でｐＨが１０〜１２に達するまで、１Ｎ ＮａＯＨ溶液を添加した。反応混合物をこの条件で３〜４時間撹拌し、続いて４３時間還流した。反応混合物を冷却し、濾過／遠心分離し、脱イオン水（１００ｍＬ、３回）で洗浄し、真空中８０℃で乾燥させて、試料１−４を得た。

比較試料１−Ａ
比較試料１−Ａを生成するために、塩化マグネシウム六水和物（９．９６ｇ）を２００ｍＬのエタノールに溶解した。続いて、アミノプロピルトリエトキシシラン（１４．４ｇ）を室温（２０〜３０℃）で撹拌しながら添加した。１時間の期間にわたって継続的に撹拌しながら、室温でｐＨが１０〜１２に達するまで、１Ｎ ＮａＯＨ溶液を添加した。反応混合物をこの条件で３〜４時間撹拌し、続いて４３時間還流した。反応混合物を冷却し、濾過／遠心分離し、脱イオン水（１００ｍＬ、３回）で洗浄し、真空中８０℃で乾燥させて、試料１−５を得た。

比較試料１−Ｂ
比較試料１−Ｂを生成するために、塩化マグネシウム六水和物（９．９６ｇ）を２００ｍＬのエタノールに溶解した。続いて、テトラエチルオルトシリケート（１３．５ｇ）を室温（２０〜３０℃）で撹拌しながら添加した。１時間の期間にわたって継続的に撹拌しながら、室温でｐＨが１０〜１２に達するまで、１Ｎ ＮａＯＨ溶液を添加した。反応混合物をこの条件で３〜４時間撹拌し、続いて４３時間還流した。反応混合物を冷却し、濾過／遠心分離し、脱イオン水（１００ｍＬ、３回）で洗浄し、真空中８０℃で乾燥させて、試料１−６を得た。

実施例２−掘削流体の調製
実施例２において、比較試料２−Ａならびに試料２−１、２−２、２−３、および２−の掘削流体を、後に記載されるように調製した。

比較試料２−Ａ（合成官能化添加剤なし）
比較試料２−Ａ（合成官能化添加剤を有さない）を生成するために、キサンタンガム（０．３６ｇ）を水（２３４ｇ）に溶解し、８０℃で５時間静止状態で維持した。次いで、溶液を冷却した。次いで、バライト（６５．５２ｇ）を冷却した溶液に添加し、室温で５分間剪断混合した。次いで、混合物を１６時間熱間圧延した。９０℃でエージングした比較試料２−Ａの配合を表２に示す。

試料２−１（合成官能化添加剤を含む）
試料２−１を生成するために、前述の実施例１の試料１−１（４．３ｇ）を水（２３１ｇ）に添加し、１０分間剪断混合した。次いで、水酸化ナトリウム（１．５ｇ）を添加し、混合物を１０分間剪断混合した。次いで、キサンタンガム（０．３６ｇ）を添加し、１０分間剪断混合した。次いで、溶液を８０℃で５時間静止状態で維持し、次いで冷却した。次いで、バライト（６３．６ｇ）を冷却した溶液に添加し、それを室温で５分間剪断混合し、１６時間熱間圧延した。９０℃でエージングした試料２−１の配合を表３に示す。

試料２−２（合成官能化添加剤を含む）
試料２−２を生成するために、前述の実施例１の試料１−１（４．３ｇ）を水（２１３ｇ）に添加し、１０分間剪断混合した。次いで、水酸化ナトリウム（１．５ｇ）を添加し、混合物を１０分間剪断混合した。次いで、キサンタンガム（０．３６ｇ）を添加し、１０分間剪断混合した。次いで、溶液を８０℃で５時間静止状態で維持し、次いで冷却した。次いで、バライト（１４２ｇ）を冷却した溶液に添加し、それを室温で５分間剪断混合し、１６時間熱間圧延した。９０℃でエージングした試料２−２の配合を表４に示す。

試料２−３（合成官能化添加剤を含む）
試料２−３を生成するために、前述の実施例１の試料１−１（４．３ｇ）を水（２３１ｇ）に添加し、１０分間剪断混合した。次いで、水酸化ナトリウム（１．５ｇ）を添加し、混合物を１０分間剪断混合した。次いで、キサンタンガム（０．３６ｇ）を添加し、１０分間剪断混合した。次いで、溶液を８０℃で５時間静止状態で維持し、次いで冷却した。バライト（６３．６ｇ）を冷却した溶液に添加し、それを室温で５分間剪断混合した。次いで、Ｃａ−モンモリロナイト（Ｃａ−ＭＭＴ）（１５ｇ）を添加し、５分間剪断混合し、１６時間熱間圧延した。９０℃でエージングした試料２−３の配合を表５に示す。

試料２−４（合成官能化添加剤を含む）
試料２−５を生成するために、前述の実施例１の試料１−１（４．３ｇ）を水（２１３ｇ）に添加し、１０分間剪断混合した。次いで、水酸化ナトリウム（１．５ｇ）を添加し、１０分間剪断混合した。次いで、キサンタンガム（０．３６ｇ）を添加し、１０分間剪断混合した。溶液を８０℃で５時間静止状態で維持し、冷却した。バライト（１４２ｇ）を冷却した溶液に添加し、それを室温で５分間剪断混合した。Ｃａ−モンモリロナイト（Ｃａ−ＭＭＴ）（１５ｇ）を添加し、５分間剪断混合し、１６時間熱間圧延した。９０℃でエージングした試料２−４の配合を表６に示す。

実施例３−掘削流体の分析：
比較試料２−Ａならびに試料２−１、２−２、２−３、および２−の掘削流体を、周囲圧力でレオメーターを使用して試験した。レオロジー特性の測定は、７７°Ｆ〜１８０°Ｆの範囲の異なる温度で行った。レオロジーパラメータ（塑性粘度、見かけの粘度、降伏点、低剪断降伏点）は、本開示で以前に提供される試験方法に従ってレオメーターから収集されたデータから導き出された。

比較試料２−Ａ、試料２−１、および試料２−２の掘削流体に対する合成官能化添加剤の影響を観察するために、ゲル化特性を分析した。結果を後の表７に示す。

表７に示されるように、合成官能化添加剤を含む試料２−１および２−２のゲル化（１０秒および１０分）は、合成官能化添加剤を含まない比較試料２−Ａと比較した場合により高かった。温度上昇に対するこのゲル化のこの増加は、１４０°Ｆ後に見かけのプラトーに達することも観察された。

比較試料２−Ａ、試料２−１、および試料２−２の掘削流体に対する合成官能化添加剤の影響を観察するために、レオロジー特性を分析した。結果を後の表８に示す。

表８に示されるように、試料２−１および２−２のレオロジー特性（塑性粘度（ＰＶ）、降伏点（ＹＰ）、および低剪断降伏点（ＬＳＹＰ））は、どちらも合成官能化添加剤を有し、合成官能化添加剤を含まない比較試料２−Ａと比較した場合、改善されていた。また、ＰＶ、ＹＰ、およびＬＳＹＰが増加し、１４０°Ｆ後に安定することも観察された。

地層粘土または粘土鉱物によって汚染されている掘削流体に対する合成官能化添加剤の影響を観察するために、試料２−３および試料２−４のレオロジー特性を分析した。したがって、試料２−３および試料２−４の掘削流体には、掘削流体内の地層の混合を再現するためにＣａ−モンモリロナイトを含めた。結果を後の表９に示す。

表９に示されるように、試料２−３および２−４のレオロジー特性（塑性粘度（ＰＶ）および降伏点（ＹＰ））は、どちらも合成官能化添加剤を有し、Ｃａ−モンモリロナイトの存在によって悪影響を受けなかった。

添付の特許請求の範囲で定義された開示の範囲から逸脱することなく、変更および変形が可能であることは明らかであろう。より具体的には、本開示のいくつかの態様が好ましくはまたは特に有利であると本明細書で特定されるが、本開示は必ずしもこれらの態様に限定されないことに留意すべきである。

本開示は、１つ以上の非限定的な態様を含む。第１の態様は、合成官能化添加剤を生成する方法を含み得、方法は、マグネシウム塩を流体媒体と混合して、マグネシウム含有流体を生成することと、第１のシランおよび第２のシランをマグネシウム含有流体に添加して、反応混合物を生成することであって、第１のシランおよび第２のシランが異なる組成物を有する、生成することと、水酸化物水溶液を反応混合物に添加して、反応混合物を生成することと、反応混合物を混合期間混合することと、反応混合物を還流期間還流して、生成物混合物を生成することと、生成物混合物を処理して、合成官能化添加剤を分離することと、を含み得、合成官能化添加剤は、混合官能基を有する層状マグネシウムを含む。

第２の態様は、第１のシランおよび第２のシランが、フェニルトリメトキシシラン、トリメトキシ（プロピル）シラン、トリメトキシメチルシラン、ヘキサデシルトリメトキシシラン、オクチルトリエトキシシラン、テトラエチルオルトシリケート、Ｎ−［３−（トリメトキシシリル）プロピル］エチレンジアミン、（３−アミノプロピル）トリエトキシシラン、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される、第１の態様を含み得る。

第３の態様は、第１のシラン、第２のシラン、およびマグネシウム含有流体に１つ以上の追加のシランを添加して、反応混合物を生成することをさらに含む、先行する態様のうちのいずれかを含み得る。

第４の態様は、マグネシウム塩が、塩化マグネシウム、硝酸マグネシウム、臭化マグネシウム、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される、先行する態様のうちのいずれかを含み得る。

第５の態様は、マグネシウム含有流体が、マグネシウム含有流体の総重量に基づいて、３重量％および１５重量％のマグネシウム塩を含む、先行する態様のうちのいずれかを含み得る。

第６の態様は、流体媒体が、水、アルコール、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される、先行する態様のうちのいずれかを含み得る。

第７の態様は、反応混合物が、反応混合物の総重量に基づいて、３重量％〜１２重量％の第１のシランおよび第２のシランを含む、先行する態様のうちのいずれかを含み得る。

第８の態様は、合成官能化添加剤中のシリコン対マグネシウムのモル比が、モルで０．７：１〜１．５：１の範囲である、先行する態様のうちのいずれかを含み得る。

第９の態様は、水酸化物水溶液が、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化アンモニウム、および組み合わせからなる群から選択される、先行する態様のうちのいずれかを含み得る。

第１０の態様は、水酸化物水溶液が反応混合物に添加されて、７〜１２のｐＨを有する反応混合物を生成する、先行する態様のうちのいずれかを含み得る。

第１１の態様は、還流期間が２時間〜１週間である、先行する態様のうちのいずれかを含み得る。

第１２の態様は、混合官能基が、ヒドロキシル基（−ＯＨ）；式（−ＣＨ₂（ＣＨ₂）_xＣＨ₃）を有する飽和アルキル基（式中、ｘは、０〜１８までの整数である）；フェニル基；アミン基；ジアミン基；カルボン酸基；アミド基；アクリレート基；チオール基；メタクリレート基；イソシアネート基；および組み合わせからなる群から選択される、先行する態様のうちのいずれかを含み得る。

第１３の態様は、合成官能化添加剤を分離するために生成物混合物を処理することが、生成物混合物の温度を低減することと、固形物分離器において、生成物混合物中の固形分を生成物混合物中の液体から分離することであって、固形分分離器が、フィルターユニットおよび遠心分離機からなる群から選択される、分離することと、固形分分離器で分離された固形分を乾燥させて、合成官能化添加剤を生成することとをさらに含む、先行する態様のうちのいずれかを含み得る。

第１４の態様は、合成官能化添加剤であって、少なくとも２つの異なる官能基に共有結合した第１の四面体ケイ酸塩層を含む第１の官能化ケイ酸塩層と、マグネシウムを含む八面体ブルーサイト層と、少なくとも２つの異なる官能基に共有結合した第２の四面体ケイ酸塩層を含む第２の官能化ケイ酸塩層とを含む層状ケイ酸マグネシウムを含む、合成官能化添加剤を含み得、八面体ブルーサイト層は、第１の官能化ケイ酸塩層と第２の官能化ケイ酸塩層との間に配置されており、第１の四面体ケイ酸塩層に共有結合された少なくとも２つの異なる官能基は、第２の四面体ケイ酸塩層に共有結合された少なくとも２つの異なる官能基と同じまたは異なる。

第１５の態様は、層状ケイ酸マグネシウムの厚さが、少なくとも１ナノメートルであり、層状ケイ酸マグネシウムの横方向寸法が、２ｎｍ〜５ミクロンである、第１４の態様を含み得る。

第１６の態様は、第１の四面体ケイ酸塩層、第２の四面体ケイ酸塩層、またはその両方に共有結合された少なくとも２つの異なる官能基が、ヒドロキシル基（−ＯＨ）、式（−ＣＨ₂（ＣＨ₂）_xＣＨ₃）を有する飽和アルキル基（式中、ｘは、０〜１８までの整数である）、フェニル基、アミン基、ジアミン基、カルボン酸基、アミド基、アクリレート基、チオール基、メタクリレート基、イソシアネート基、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される、第１４または第１５の態様を含み得る。

第１７の態様は、水性ベースの流体と、合成官能化添加剤であって、少なくとも２つの異なる官能基に共有結合した第１の四面体ケイ酸塩層を含む第１の官能化ケイ酸塩層と、マグネシウムを含む八面体ブルーサイト層と、少なくとも２つの異なる官能基に共有結合した第２の四面体ケイ酸塩層を含む第２の官能化ケイ酸塩層と、を含む層状ケイ酸マグネシウムを含む、合成官能化添加剤と、を含む掘削流体を含み得、八面体ブルーサイト層は、第１の官能化ケイ酸塩層と第２の官能化ケイ酸塩層との間に配置されており、第１の四面体ケイ酸塩層に共有結合された少なくとも２つの異なる官能基は、第２の四面体ケイ酸塩層に共有結合された少なくとも２つの異なる官能基と同じまたは異なる。

第１８の態様は、第１の四面体ケイ酸塩層、第２の四面体ケイ酸塩層、またはその両方に共有結合された少なくとも２つの異なる官能基が、ヒドロキシル基（−ＯＨ）、式（−ＣＨ₂（ＣＨ₂）_xＣＨ₃）を有する飽和アルキル基（式中、ｘは、０〜１８までの整数である）、フェニル基、アミン基、ジアミン基、カルボン酸基、アミド基、アクリレート基、チオール基、メタクリレート基、イソシアネート基、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される、第１７の態様を含み得る。

第１９の態様は、合成官能化添加剤の量が０．１％ｗ／ｖ〜２０％ｗ／ｖである、第１７および第１８の態様のいずれかを含み得る。

第２０の態様は、掘削流体が１０ｃＰを超える塑性粘度を有する、第１７〜１９の態様のうちのいずれかを含み得る。

Claims (15)

1. 合成官能化添加剤を生成する方法であって、
   マグネシウム塩を流体媒体と混合して、マグネシウム含有流体を生成することと、
   第１のシランおよび第２のシランを前記マグネシウム含有流体に添加して、反応物混合物を生成することであって、前記第１のシランおよび前記第２のシランが異なる組成物を有する、生成することと、
   前記反応物混合物に水酸化物水溶液を添加して、反応混合物を生成することと、
   前記反応混合物を混合期間混合することと、
   前記反応混合物を還流期間還流して、生成物混合物を生成することと、
   前記生成物混合物を処理して、前記合成官能化添加剤を分離することと、を含み、
   前記合成官能化添加剤が、混合官能基を有する層状マグネシウムを含む、方法。
2. 前記第１のシランおよび前記第２のシランが、フェニルトリメトキシシラン、トリメトキシ（プロピル）シラン、トリメトキシメチルシラン、ヘキサデシルトリメトキシシラン、オクチルトリエトキシシラン、テトラエチルオルトシリケート、Ｎ−［３−（トリメトキシシリル）プロピル］エチレンジアミン、（３−アミノプロピル）トリエトキシシラン、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１のシラン、前記第２のシラン、および前記マグネシウム含有流体に１つ以上の追加のシランを添加して、前記反応混合物を生成することをさらに含む、請求項１および２のいずれかに記載の方法。
4. 前記マグネシウム含有流体が、前記マグネシウム含有流体の総重量に基づいて、３重量％および１５重量％のマグネシウム塩を含む、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
5. 前記反応混合物が、前記反応混合物の総重量に基づいて、３重量％〜１２重量％の前記第１のシランおよび前記第２のシランを含む、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
6. 前記合成官能化添加剤中のシリコーン対マグネシウムのモル比が、モルで０．７：１〜１．５：１の範囲である、請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
7. 前記混合官能基が、ヒドロキシル基（−ＯＨ）、式（−ＣＨ₂（ＣＨ₂）_xＣＨ₃）を有する飽和アルキル基（式中、ｘは、０〜１８までの整数である）、フェニル基、アミン基、ジアミン基、カルボン酸基、アミド基、アクリレート基、チオール基、メタクリレート基、イソシアネート基、および組み合わせからなる群から選択される、請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
8. 前記合成官能化添加剤を分離するために生成物混合物を処理することが、
   前記生成物混合物の温度を低減することと、
   固形分分離器において、前記生成物混合物中の固形分を前記生成物混合物中の液体から分離することであって、前記固形分分離器が、フィルターユニットおよび遠心分離機からなる群から選択される、分離することと、
   前記固形分分離器で分離された前記固形分を乾燥させて、前記合成官能化添加剤を生成することと、をさらに含む、請求項１〜７のいずれかに記載の方法。
9. 合成官能化添加剤であって、
   層状ケイ酸マグネシウムであって、
   少なくとも２つの異なる官能基に共有結合した第１の四面体ケイ酸塩層を含む第１の官能化ケイ酸塩層と、
   マグネシウムを含む八面体ブルーサイト層と、
   少なくとも２つの異なる官能基に共有結合した第２の四面体ケイ酸塩層を含む第２の官能化ケイ酸塩層と、を含む、層状ケイ酸マグネシウムを含み、
   前記八面体ブルーサイト層が、前記第１の官能化ケイ酸塩層と前記第２の官能化ケイ酸塩層との間に配置されており、
   前記第１の四面体ケイ酸塩層に共有結合された前記少なくとも２つの異なる官能基が、前記第２の四面体ケイ酸塩層に共有結合された前記少なくとも２つの異なる官能基と同じまたは異なる、合成官能化添加剤。
10. 前記層状ケイ酸マグネシウムの厚さが、少なくとも１ナノメートルであり、前記層状ケイ酸マグネシウムの横方向寸法が、２ｎｍ〜５ミクロンである、請求項９に記載の組成物。
11. 前記第１の四面体ケイ酸塩層、前記第２の四面体ケイ酸塩層、またはその両方に共有結合された前記少なくとも２つの異なる官能基が、ヒドロキシル基（−ＯＨ）、式（−ＣＨ₂（ＣＨ₂）_xＣＨ₃）を有する飽和アルキル基（式中、ｘは、０〜１８までの整数である）、フェニル基、アミン基、ジアミン基、カルボン酸基、アミド基、アクリレート基、チオール基、メタクリレート基、イソシアネート基、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項９および１０のいずれかに記載の組成物。
12. 掘削流体であって、
    水系ベースの流体と、
    合成官能化添加剤であって、
    少なくとも２つの異なる官能基に共有結合した第１の四面体ケイ酸塩層を含む第１の官能化ケイ酸塩層と、
    マグネシウムを含む八面体ブルーサイト層と、
    少なくとも２つの異なる官能基に共有結合した第２の四面体ケイ酸塩層を含む第２の官能化ケイ酸塩層と、を含む層状ケイ酸マグネシウムを含む、合成官能化添加剤と、を含み、
    前記八面体ブルーサイト層が、前記第１の官能化ケイ酸塩層と前記第２の官能化ケイ酸塩層との間に配置されており、
    前記第１の四面体ケイ酸塩層に共有結合された前記少なくとも２つの異なる官能基が、前記第２の四面体ケイ酸塩層に共有結合された前記少なくとも２つの異なる官能基と同じまたは異なる、掘削流体。
13. 前記第１の四面体ケイ酸塩層、前記第２の四面体ケイ酸塩層、またはその両方に共有結合された前記少なくとも２つの異なる官能基が、ヒドロキシル基（−ＯＨ）、式（−ＣＨ₂（ＣＨ₂）_xＣＨ₃）を有する飽和アルキル基（式中、ｘは、０〜１８までの整数である）、フェニル基、アミン基、ジアミン基、カルボン酸基、アミド基、アクリレート基、チオール基、メタクリレート基、イソシアネート基、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項１２に記載の掘削流体。
14. 前記合成官能化添加剤の量が、０．１％ｗ／ｖ〜２０％ｗ／ｖである、請求項１２または１３のいずれかに記載の方法。
15. 前記掘削流体が、１０ｃＰを超える塑性粘度を有する、請求項１２〜１４のいずれかに記載の方法。

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