JP2022500535A - 荷電複合材料、合成方法、および使用方法 - Google Patents

Abstract

本開示の実施形態は、荷電複合材料を生成する方法に関する。この方法は、複合材料を合成することと、複合材料を帯電させて、荷電複合材料を生成することと、を含み得る。複合材料は、無機複合成分および有機成分を含み得る。有機成分は、１つ以上の第一級または第二級アミンを含み得る。有機成分は、無機複合成分に共有結合し得る。荷電複合材料は、正に帯電し得る。

Description

関連出願の相互参照

本出願は、２０１８年９月１３日に出願された米国特許出願番号第６２／７３０，９９０号の優先権を主張し、その開示全体は、参照により本明細書に組み込まれる。

本開示の実施形態は、一般に、荷電材料に関し、より具体的には、地中の坑井流体に利用される荷電材料に関する。

坑井構築および生産技法は、掘削、竣工、マトリックス刺激、破砕、または他の坑井構築および生産強化技法を含み得る。いくつかの坑井層は、粘土ベースの鉱物から構成され得る。いくつかの坑井構築および生産技法では、水性の坑井流体を利用し得る。場合によっては、水性の坑井流体の水が、粘土ベースの鉱物を水和し、膨潤させ得る。そのため、いくつかの坑井層は、水によって損傷を受け得る。

そのため、坑井流体ならびに他の坑井構築および生産用途に使用するための粘土安定化化合物が必要とされている。このような粘土安定化化合物は、「粘土膨潤抑制剤」または「シェール抑制剤」とも呼ばれ得、粘土安定化化合物または従来の粘土安定化化合物を含まない粘土ベースの材料と比較して、膨潤を低減し得る。

本開示の実施形態は、荷電複合材料を提供することによって、これらの粘土安定化の必要性を満たす。いくつかの実施形態では、開示された粘土膨潤抑制剤が、坑井用途用に使用される流体に利用され得る。いくつかの実施形態では、荷電複合材料を利用して、坑井構築および生産強化の作業中に粘土ベースの材料が膨潤するのを少なくとも部分的に防止し得る。さらなる実施形態では、開示された粘土膨潤抑制剤は、水溶性または分散性材料を含む部分的に水性および非水性の流体に利用され得る。

本開示の少なくとも１つの実施形態によれば、荷電複合材料を生成する方法が提供される。この方法は、複合材料を合成することと、複合材料を帯電させて、荷電複合材料を生成することと、を含み得る。複合材料は、無機複合成分および有機成分を含み得る。有機成分は、１つ以上の第一級または第二級アミンを含み得る。有機成分は、無機成分に共有結合し得る。荷電複合材料は、正に帯電し得る。

本開示の少なくとも別の実施形態によれば、坑井流体が提供される。坑井流体は、水性ベースの流体および荷電複合材料を含み得る。荷電複合材料は、無機複合成分および有機成分を含み得る。無機複合成分は、マグネシウムおよびシリコンを含み得る。有機成分は、第一級または第二級アミンを含み得る。有機成分は、無機複合成分に共有結合し得る。

本開示の少なくとも１つの実施形態によれば、荷電複合材料が提供される。荷電複合材料は、無機複合成分および有機成分を含み得る。無機複合成分は、マグネシウムおよびシリコンを含み得る。有機成分は、１つ以上の第一級または第二級アミンを含み得る。複合材料は、正に帯電し得る。有機成分は、無機複合成分に共有結合し得る。

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により、同類の構造が同類の参照番号で示されている以下の図面と併せて読むと、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、複合材料の概略図である。 本開示の１つ以上の実施形態による、荷電複合材料の概略図である。 抑制剤を含まない例示的な粘土の水和の概略図である。 有機カチオンのみを含む従来の抑制剤による例示的な粘土の水和の概略図である。 本開示の１つ以上の実施形態による、荷電複合材料を含む抑制剤による例示的な粘土の水和の概略図である。

ここで、本出願の特定の実施形態を説明する。しかしながら、本開示は、異なる形態で具体化され得、本開示に記載された実施形態に限定されるものとして解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、本開示が徹底的かつ完全であり、主題の範囲を当業者に十分に伝えるように提供される。

一般に、本開示に記載されるのは、荷電複合材料の様々な実施形態、荷電複合材料を生成する方法、および荷電複合材料を利用する方法である。

ここで、荷電複合材料の実施形態を説明する。いくつかの実施形態では、荷電複合材料は、無機複合成分および有機成分を含み得る。無機複合成分は、マグネシウムおよびシリコンを含み得る。有機成分は、１つ以上の第一級または第二級アミンを含み得る。有機成分は、無機複合成分に共有結合し得る。帯電複合材料は、正に帯電し得る。

前述のように、１つ以上の実施形態では、無機複合成分は、マグネシウムおよびシリコンを含み得る。さらなる実施形態では、無機複合成分は、層状のケイ酸マグネシウム材料を含み得、層状のケイ酸マグネシウム材料は、マグネシウムまたはシリコンを含む材料の１つ以上の層を含み得る。いくつかの実施形態では、無機複合成分中に存在するマグネシウムが八面体の形状を有し得る。いくつかの実施形態では、無機複合成分中に存在するシリコンが四面体の形状を有し得る。

図１は、層状のケイ酸マグネシウム材料を含み得る複合材料（非帯電）の実施形態を示す。図１に示すように、いくつかの実施形態では、マグネシウムは細長い内部層に存在し得る。さらなる実施形態では、図１に示すように、マグネシウムは八面体の形状を有し、細長い内部層に存在し得る。さらに図１を参照すると、いくつかの実施形態では、シリコンは細長い内部層の片側の第１のシリコン外部層、および細長い内部層の反対側の第２のシリコン外部層に存在し得る。さらなる実施形態では、図１に示すように、第１のシリコン外部層、第２のシリコン外部層、またはその両方に存在するシリコンは四面体の形状を有し得る。

いくつかの実施形態では、荷電複合材料が１ｎｍ〜５ｎｍの厚さを有し得る。他の実施形態では、荷電複合材料は、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、荷電複合材料は、約１０ｎｍ〜約２０００ｎｍ（２ミクロン）、約５０ｎｍ〜約１０００ｎｍ、または約１００ｎｍ〜約５００ｎｍの横方向の寸法を有し得る。実施形態では、荷電複合材料の全体の厚さは、官能基の長さに依存し得る。

無機複合成分のマグネシウムは、マグネシウムを含む材料から誘導し得る。いくつかの実施形態では、マグネシウムを含む材料が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。いくつかの特定の実施形態では、マグネシウムを含む材料が塩化マグネシウム六水和物を含み得る。他の実施形態では、マグネシウムを含む材料は、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材料は、天然に存在し得る。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に存在する鉱物から採取し得る。他の実施形態では、マグネシウムを含む天然に存在する材料は、マグネシウムに富むにがりの塩水を含み得、マグネシウムに富むにがりの塩水は、海水による塩化ナトリウム生成の副産物であり得る。

無機層のシリコンは、シリコンを含む材料から採取し得る。いくつかの実施形態では、シリコン源は、シランまたはオルガノシランを含み得る。さらなる実施形態では、オルガノシランは、アルコキシ、例えば、トリメトキシまたはトリエトキシ誘導体を含み得る。いくつかの実施形態では、シランまたはオルガノシランは、アミノプロピルトリエトキシシラン、３−（アミノフェノキシ）プロピルトリエトキシシラン、Ｎ−（２−アミノエチル）−３−アミノプロピルトリメトキシシラン、（３−アミノプロピル）トリメトキシシラン、１１−アミノウンデシルトリメトキシシラン、Ｎ−（６−アミノヘキシル）アミノメチルトリメトキシシラン、およびＮ−（２−アミノエチル）−１１−アミノウンデシルトリメトキシシランのうちの１つ以上を含み得る。

いくつかの実施形態では、無機複合成分は、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の比を有し得る。さらなる実施形態では、シリコン対マグネシウムの比は、モルで約１．３３であり得る。理論に束縛されるものではないが、シリコン対マグネシウムの比は、荷電複合材料の結晶化度に影響を及ぼし得ると考えられる。シリコン対マグネシウムの比が、モルで約１．３３：１以上またはそれ未満である場合、無機複合材料成分は、水酸化マグネシウム、酸化マグネシウム、シリカ材料、および層状のケイ酸マグネシウムのうちの１つ以上を含む非晶質材料を含み得る。シリコン対マグネシウムの比が、モルで約１．３３：１である場合、無機複合成分は、高純度の層状のケイ酸マグネシウムを含み得ると考えられる。本開示で使用される場合、「高純度」とは、無機複合成分が、無機複合成分の総重量に基づいて、少なくとも５０重量パーセント（重量％）、７５重量％、９０重量％、９５重量％、または９９重量％の層状のケイ酸マグネシウムを有し得ることを意味する。いくつかの用途では、高純度の層状のケイ酸マグネシウムによる無機複合成分を備えた荷電複合材料が好まれ得る。しかしながら、いくつかの用途では、別の純度の層状のケイ酸マグネシウムを必要とし得る。

いくつかの実施形態では、無機複合成分は、１ナノメートル（ｎｍ）〜５ｎｍの厚さを有し得る。他の実施形態では、無機複合成分は、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、無機複合成分は、約１０ｎｍ〜約１０００ｎｍ、約５０ｎｍ〜約５００ｎｍ、または約１００ｎｍ〜約２００ｎｍの横方向の寸法を有し得る。

前述のように、実施形態では、複合材料はまた、有機成分を含み得る。再び図１を参照すると、いくつかの実施形態では、有機成分は、第一級または第二級アミンを含む１つ以上の有機官能基を含み得、１つ以上の有機官能基は図１においてＲと表される。さらなる実施形態では、第一級または第二級アミンは、１つ以上のアルキルまたはアリールアミン部分を含み得る。

前述のように、いくつかの実施形態では、有機成分は無機複合成分のシリコン原子に共有結合し得る。

前述のように、荷電複合材料は、帯電し得る。いくつかの実施形態では、荷電複合材料は、正に帯電し得る。理論に束縛されるものではないが、荷電複合材料上の陽イオンの正電荷は、正味の負に帯電した粒子の表面に荷電複合材料を付着させ得る。例えば、正味の負に帯電した粒子は、本開示で後述するように、粘土ベースの材料粒子を含み得る。

ここで、荷電複合材料を生成する方法を説明する。本開示の少なくとも１つの実施形態によれば、方法には、複合材料を合成することと、複合材料を帯電させて荷電複合材料を生成することと、が含まれ得る。

前述のように、いくつかの実施形態では、複合材料は、マグネシウムおよびシリコンを含む無機複合成分を含み得る。例えば、複合材料を合成する方法を、図１の概略図および以下の反応（１）によって要約し得、ここで、略称のＣＭ−Ｎは中性複合材料を表す：
ＭｇＣｌ_２・６Ｈ_２Ｏ＋Ｈ_２Ｎ（ＣＨ_２）_３Ｓｉ（ＯＣ_２Ｈ_５）_３→ＣＭ−Ｎ（１）

いくつかの実施形態では、マグネシウムを含む材料を溶媒に溶解して、溶液を生成し得る。さらなる実施形態では、溶媒はエタノールであり得る。次に、シリコン源を溶液に加え得る。いくつかの実施形態では、アミン末端シランは、シリコン源であり得る。シリコン源を、室温、もしくは少なくとも１０℃、少なくとも１５℃、少なくとも２０℃、少なくとも２５℃、少なくとも３０℃、または少なくとも３５℃の温度で加え得る。

いくつかの実施形態では、マグネシウム源およびシリコン源は、シリコン対マグネシウムの比がモルで約０．７：１〜１．５：１またはモルで１：１〜約１．４：１であるように組み合わされる。さらなる実施形態では、シリコン対マグネシウムの比は、モルで約１．３３：１であり得る。

いくつかの実施形態では、溶液のｐＨは、１０〜１２のｐＨに維持され得る。いくつかの実施形態では、ｐＨは、溶液に塩基を加えることによって維持される。さらなる実施形態では、塩基は水酸化ナトリウムである。さらなる実施形態では、塩基は撹拌とともに加えられる。さらなる実施形態では、塩基は約３０分間撹拌するとともに加えられる。

他の実施形態では、次いで、溶液をさらに処理して、反応混合物を生成し得る。理論に束縛されるものではないが、このようなさらなる処理は、合成時間を増加させ、したがって、複合材料の結晶化度に影響を及ぼし得る。理論に束縛されるものではないが、このような処理工程の間に、八面体層（マグネシウムを含む）の両面上の四面体層（ケイ酸塩）の縮合は、層の比較的より密な充填を促進し得、これはより高い結晶化度をもたらし得ると考えられる。例えば、さらなる処理は撹拌を含み得る。いくつかの実施形態では、溶液を約３〜約４時間撹拌し得る。他の実施形態では、溶液を還流し得る。いくつかの実施形態では、溶液は、少なくとも１日間、少なくとも２日間、または約１日〜約２日間還流され得る。溶液は、少なくとも３日間、または約３日間〜約１５日間還流され得る。他の実施形態では、溶液は、冷却され、濾過され、遠心分離され、次いで、反応混合物を生成し得る。複合材料の結晶化度は、熱水条件下で溶液を反応させることによって増強され得る。閉鎖系（例えば、大気圧より高い圧力）下での反応混合物の熱水反応は、無機複合材料成分の比較的より密な充填を可能にし得、比較的より密な充填は複合材料の比較的より高い結晶化度をもたらし得る。他の実施形態では、複合材料の結晶化度は、マイクロ波条件下で溶液を反応させることによって増強され得る。

いくつかの実施形態では、反応混合物を洗浄し得る。例えば、反応混合物を脱イオン水で洗浄し得る。いくつかの実施形態では、反応混合物を脱イオン水で２回以上、例えば３回洗浄し得る。

他の実施形態では、反応混合物を乾燥させて、複合材料を生成し得る。いくつかの実施形態では、反応混合物を、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℃の温度で乾燥させる。さらなる実施形態では、反応混合物を真空下で乾燥させ得る。

複合材料の合成中に、有機成分（例えば、アルキル／アリールアミン部分）は、合成反応中の無機成分のシリコン原子（例えば、シリコンを含む第１および第２の層）に共有結合するようになり得る。理論に束縛されるものではないが、合成中に、シランまたはオルガノシランのアルコキシ基は、縮合反応によって内側の八面体層の両側に反応し得る。したがって、ペンダント型アルキル／アリールアミン部分（例えば、オルガノシランの第４の官能基）は、無機成分と共有結合するようになり得る。

複合材料を合成した後、複合材料が帯電して、荷電複合材料を生成し得る。複合材料を合成する方法論を、図２および以下の反応（２）によって要約し得、ここで、略称のＣＭ−Ｎは中性複合材料を表し、略称のＣＭ−Ｃは荷電複合材料を表す。さらなる実施形態では、複合材料は、複合材料の有機成分を帯電することによって、帯電させ得る。さらなる実施形態では、荷電複合材料は、正に帯電し得る。
ＣＭ−Ｎ→ＣＭ−Ｃ （２）

荷電複合材料を生成するいくつかの実施形態では、複合材料を、四級化法を使用して、有機成分の第一級または第二級アミンの四級化を介して帯電し得る。四級化法には、複合材料をハロゲン化アルキル化合物で処理することが含まれ得る。実施形態では、ハロゲン化アルキル化合物は、式ＲＸの化合物であり得、式中、Ｒは１つ以上のアルキル基またはアリール基を含み得、Ｘは１つ以上のハロゲン基または水酸化物基を含み得る。いくつかの実施形態では、ハロゲン化アルキル化合物はヨウ化メチル（ＣＨ_３Ｉ）であり得る。複合材料は、溶媒中で混合し得る。溶媒は、アセトニトリル、メタノール、エタノール、または他の極性もしくは非極性溶媒を含み得る。溶媒に対する複合材料の量は、溶液の総体積当たり約１重量％〜約４０重量％の複合材料、溶液の体積当たり約２〜約２０重量％の複合材料、または溶液の体積当たり約５重量％〜約１０重量％の複合材料の範囲である。複合材料に対する四級化化合物の量は、約１（複合材料）：２５（四級化化合物）、約１：１５、または約１：１０の比率であり得る。溶液は、約１０時間〜約４８時間、約１２時間〜約３０時間、または約２４時間還流され得る。四級化反応の温度は、使用される溶媒の沸点に依存し得る。溶液を濾過し、溶媒で洗浄し、乾燥させて、荷電複合材料を生成し得る。いくつかの実施形態では、乾燥は、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℃の温度であり得る。いくつかの実施形態では、乾燥は真空下で行われ得る。いくつかの実施形態では、乾燥は、約１０時間〜約４８時間、約１０時間〜約２４時間、または約２４時間〜約４８時間であり得る。

荷電複合材料を生成する他の実施形態では、複合材料は酸性化法によって帯電され得る。酸性化法は、複合材料の第一級および第二級アミンを、有機酸または無機酸を含む酸溶液で酸性化することを含み得る。いくつかの実施形態では、有機酸または無機酸は、ＨＣｌ、ＨＮＯ_３、Ｈ_２ＳＯ_４、ＨＢｒ、ＨＩ、またはＨＳを含み得る。水溶液中の酸の量は、溶液の総体積に基づいて約１重量％〜約２０重量％の酸、溶液の体積当たり約１重量％〜約１０重量％の酸、または溶液の体積当たり約２重量％〜約５重量％の酸であり得る。複合材料に対する酸溶液の量は、約１（複合材料）：２５（酸溶液）、約１：１５、または約１：１０の比であり得る。酸性化反応を、室温で約２時間〜約８時間、約２時間〜約６時間、約２時間〜約４時間、約４時間〜約８時間、約４時間〜約６時間、または約６時間〜約８時間実施し得る。酸性化反応混合物を濾過または遠心分離して沈殿物を採取し得る。いくつかの実施形態では、沈殿物を脱イオン水で洗浄し得る。いくつかの実施形態では、沈殿物を乾燥させて、荷電複合材料を生成し得る。いくつかの実施形態では、乾燥は、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℃の温度であり得る。いくつかの実施形態では、乾燥は真空下で行われ得る。いくつかの実施形態では、乾燥は、約１０時間〜約４８時間、約１０時間〜約２４時間、または約２４時間〜約４８時間であり得る。

荷電複合材料を生成する他の実施形態では、複合材料は塩基処理法によって帯電され得る。いくつかの実施形態では、塩基処理方法は、複合材料をＮａＯＨまたはＫＯＨで処理することを含み得る。水溶液中の塩基の量は、溶液の総体積に基づいて約１重量％〜約２０重量％の塩基、溶液の体積当たり約１重量％〜約１０重量％の塩基、または溶液の体積当たり約２重量％〜約５重量％の塩基であり得る。複合材料に対する塩基溶液の量は、約１（複合材料）：２５（塩基溶液）、約１：１５、または約１：１０の比であり得る。塩基処理反応は、室温で、約５分〜１時間、約２時間〜約８時間、約２時間〜約６時間、約２時間〜約４時間、約４時間〜約８時間、約４時間〜約６時間、または約６時間〜約８時間実施し得る。塩基処理反応混合物を濾過または遠心分離して、沈殿物を採取し得る。いくつかの実施形態では、沈殿物を乾燥させて、荷電複合材料を生成し得る。いくつかの実施形態では、乾燥は、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℃の温度であり得る。いくつかの実施形態では、乾燥は真空下で行われ得る。いくつかの実施形態では、乾燥は、約１０時間〜約４８時間、約１０時間〜約２４時間、または約２４時間〜約４８時間であり得る。

ここで、荷電複合材料を含む地中の坑井流体の実施形態を説明する。地中の坑井流体は、次に説明される荷電複合材料の実施形態を含み得る。地中の坑井流体は、水性塩基流体および前述の荷電複合材料の実施形態を含み得る。

いくつかの実施形態では、地中の坑井流体が水性基礎流体を含み得る。水性塩基流体は、バライト、ベントナイト、シリカ粉末、ポリマ、増粘剤、一次もしくは二次乳化剤、流体損失制御添加剤、流体安定剤、損失循環添加剤、金属塩、またはそれらの組合せを含み得る。実施形態では、地中の坑井流体の水性基礎流体は水を含み得る。

本開示で前述したように、坑井構築および生産作業には、粘土膨潤抑制剤またはシェール抑制剤が利用され得、粘土膨潤抑制剤またはシェール抑制剤は、坑井流体の作業および用途に影響を及ぼす。ここで図３Ａ〜図３Ｃを参照すると、理論に束縛されるものではないが、無機複合成分に共有結合した荷電有機成分は、本開示の荷電複合材料が粘土と相互作用して、粘土の水和を低減させるか、またはなくすことさえ可能にし得ると考えられる（図３Ｃ）。図３Ａは、抑制剤を含まない例示的な粘土の水和の概略図を示し、図３Ｂは、有機カチオンのみを含む従来の抑制剤による例示的な粘土の水和の概略図を示し、図３Ｃは、本開示の１つ以上の実施形態による荷電複合材料を含む抑制剤による例示的な粘土の水和の概略図を示す。既に説明したように、粘土はシェールを含み、正味の負に帯電した粒子を有し得る。このように、荷電複合材料上の陽イオンの正電荷は、粘土粒子の表面に荷電複合材料を付着させ得、荷電複合材料は、粘土粒子が水和し、その後膨潤するのを防止し得る。

特に図３Ｂを参照すると、従来の粘土膨潤抑制剤は、有機化合物のみを含み得る。このような従来の抑制剤は、環境にやさしくないか、または生体に有害でない場合がある。ここで図３Ｃを参照すると、本開示の荷電複合材料の無機複合成分の存在が、比較的より強固なフィルム形成を提供し得、より強固なフィルム形成は、図３Ｂに示すように、有機物を含むだけの坑井流体と比較して、粘土の膨潤用途で利用されるときには、追加の被覆強度を提供すると考えられる。このように、アミン官能基が四級化またはイオン化されている本開示の荷電複合材料は、有機化合物のみを含み得る従来の粘土膨潤抑制剤と比較する場合、粘土が膨潤するのを抑制し得るフィルムを形成するために粘土と相互作用して、改善された結果を提供し得る（図３Ｂ）。

理論に束縛されるものではないが、荷電複合材料の結晶化度がより高まると、比較的改善された粘土安定化を可能にし得る。いくつかの実施態様では、比較的より高い結晶化度を備えた荷電複合材料は、膨潤から粘土粒子をさらに保護し得る。再び図３Ａ〜図３Ｃを参照すると、理論に束縛されるものではないが、より低い結晶化度を備えた複合材料は、複合材料の構造における乱れの存在を示唆し得る。いくつかの実施形態では、水は不規則構造を通じて浸透し得、粘土粒子の膨潤を増大し得る。

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、様々な抑制添加剤で坑井流体の性能が比較され、様々な抑制添加剤のうちいくつかは、前述の荷電複合材料の実施例を含む。

比較例Ａ−抑制剤を不使用
比較例Ａは、膨潤抑制添加剤を含まない坑井流体のサンプルであった。比較例Ａは、２５０ｇの水、５．１ｇのベントナイト、および２４．９ｇのシリカ粉末を組み合わせて、混合することによって調製した。成分を５分間混合した。混合後、材料を１５分間静置し、比較例Ａを生成した。

比較例Ｂ−従来の抑制剤を使用
比較例Ａは、従来の膨潤抑制添加剤を含む坑井流体のサンプルであった。比較例Ｂは、２５０ｇの水、５．１ｇのベントナイト、２４．９ｇのシリカ粉末、および２．５ｇの市販の有機抑制添加剤である塩化コリンを組み合わせて混合することによって調製した。成分を５分間混合した。混合後、材料を１５分間静置し、比較例Ｂを生成した。

実施例１：四級化を介して帯電した荷電複合材料を使用
実施例１は、四級化を介して帯電した前述の荷電複合材料の実施形態を含む坑井流体のサンプルであった。第１に、複合材料を、塩化マグネシウム六水和物１０．０グラム（ｇ）をエタノール２５０ミリリットル（ｍＬ）に溶解した溶液を調製することによって合成した。次いで、１５．０ｍＬのアミノプロピルトリエトキシシランを、撹拌しながら室温で溶液に加えた。次に、連続的に撹拌しながら、３０分間（分）にわたって、溶液が室温で１０〜１２のｐＨを有するまで、１規定（Ｎ）のＮａＯＨ溶液を溶液に加えた。次いで、反応混合物を、室温で約３〜４時間連続的に撹拌し、約２日間還流した。次いで、反応混合物を冷却し、濾過し、遠心分離し、１００ｍＬの脱イオン水で３回洗浄し、８０℃の真空で乾燥させて、複合材料であった白色物質を採取した。次いで、複合材料を、四級化法を使用して帯電した。四級化法は、複合材料のサンプルをヨウ化メチル（ＣＨ_３Ｉ）で処理することを含んでいた。次いで、ヨウ化メチルで処理した５．０グラムの複合材料をアセトニトリル５０ｍＬ中で混合した。次いで、溶液を約２４時間還流した。次いで、溶液を濾過し、より多くの溶媒で洗浄し、真空下８０℃で２４時間乾燥させて、荷電複合材料を（四級化を介して）生成した。次いで、２．５ｇの（四級化を介した）荷電複合材料を、２５０ｇの水、５．１ｇのベントナイト、および２４．９ｇのシリカ粉末と組み合わせて混合した。成分を５分間混合した。混合後、材料を１５分間静置し、実施例１を生成した。

実施例２−酸性化を介して帯電した荷電複合材料の使用
実施例２は、酸性化介して帯電した前述の荷電複合材料の実施形態を含む坑井流体のサンプルであった。第１に、複合材料を、塩化マグネシウム六水和物１０．０グラム（ｇ）をエタノール２５０ミリリットル（ｍＬ）に溶解した溶液を調製することによって合成した。次いで、１５．０ｍＬのアミノプロピルトリエトキシシランを、撹拌しながら室温で溶液に加えた。次に、連続的に撹拌しながら、３０分間（分）にわたって、溶液が室温で１０〜１２のｐＨを有するまで、１規定（Ｎ）のＮａＯＨ溶液を溶液に加えた。次いで、反応混合物を、室温で約３〜４時間連続的に撹拌し、約２日間還流した。次いで、反応混合物を冷却し、濾過し、遠心分離し、１００ｍＬの脱イオン水で３回洗浄し、８０℃の真空で乾燥させて、複合材料であった白色物質を採取した。次いで、複合材料を、酸性化を介して帯電した。酸性化法は、１２．５ｍＬの蒸留水中に分散させた０．５ｇの複合材料を、塩酸を用いて複合材料を処理することを含み、７ｍＬの１ＮのＨＣｌ水溶液を室温で撹拌しながら加えた（ｐＨ７〜８）。反応混合物を５時間撹拌し、生成物を遠心分離により分離し、８０℃の真空下で２４時間乾燥させて、（酸性化を介して）荷電複合材料を生成した。次いで、２．５ｇの（酸性化を介した）荷電複合材料を、２５０ｇの水、５．１ｇのベントナイト、および２４．９ｇのシリカ粉末と組み合わせて混合した。成分を５分間混合した。混合後、材料を１５分間静置し、実施例２を生成した。

実施例３−塩基処理を介して帯電した荷電複合材料の使用
実施例３は、塩基処理介して帯電した前述の荷電複合材料の実施形態を含む坑井流体のサンプルであった。第１に、複合材料を、塩化マグネシウム六水和物１０．０グラム（ｇ）をエタノール２５０ミリリットル（ｍＬ）に溶解した溶液を調製することによって合成した。次いで、１５．０ｍＬのアミノプロピルトリエトキシシランを、撹拌しながら室温で溶液に加えた。次に、連続的に撹拌しながら、３０分間（分）にわたって、溶液が室温で１０〜１２のｐＨを有するまで、１規定（Ｎ）のＮａＯＨ溶液を溶液に加えた。次いで、反応混合物を、室温で約３〜４時間連続的に撹拌し、約２日間還流した。次いで、反応混合物を冷却し、濾過し、遠心分離し、１００ｍＬの脱イオン水で３回洗浄し、８０℃の真空で乾燥させて、複合材料であった白色物質を採取した。次いで、複合材料を、塩基処理法を介して帯電させた。複合材料を塩基処理法の際に水酸化ナトリウムで処理した。１７．５ｍＬの蒸留水および２ｍＬの１ＮのＮａＯＨ水溶液に分散させた０．５ｇの複合材料を、室温で撹拌しながら加えた（ｐＨ１１〜１２）。反応混合物を５時間撹拌し、生成物を遠心分離により分離し、８０℃の真空下で２４時間乾燥させて、（塩基処理を介して）荷電複合材料を生成した。次いで、２．５ｇの（塩基処理を介した）荷電複合材料を、２５０ｇの水、５．１ｇのベントナイト、および２４．９ｇのシリカ粉末と組み合わせて混合した。成分を５分間混合した。混合後、材料を１５分間静置し、実施例３を生成した。

粘土膨潤に関する荷電複合材料の効果
粘土材料中の膨潤の抑制剤として開示された複合材料の効果を観察するために、Ｆａｎｎ社の毛管吸引タイマー（ＣＳＴ）を使用して粘土膨潤試験を行った。粘土膨潤試験を行うために、比較例Ａ、比較例Ｂ、実施例２、および実施例３の各々の５ｍＬを使用した。吸引タイマーを使用した毛管吸引を介して濾紙を通過する水の速度を記録した。粘土膨潤試験からの正規化結果を表１に提供する。

粘土膨潤試験の結果は、実施例２および実施例３が、粘土膨潤抑制剤を有していなかった比較例Ａと比較した場合、優れた抗膨潤特性を呈したことを示す。追加的に、従来の粘土膨潤抑制剤と比較した場合、比較例Ｂ、実施例２、および実施例３は、基本的には同じ性能をもたらした。既に説明したように、坑井流体ならびに他の坑井構築および生産用途に使用される粘土膨潤抑制剤またはシェール抑制剤を利用して、坑井構築および生産強化の作業中に粘土ベースの材料が膨潤するのを少なくとも部分的に防止し得る。いずれの抑制剤も有さない比較例Ａは、ＣＳＴ試験において濾紙を通過する水の速度が速いことを示した。塩化コリン（単独の有機抑制剤）を含む比較例Ｂは、濾紙を通過する水の速度がより遅かったことを示したが、塩化コリンは生体に有害であると考えられているので、実施例２および実施例３は比較例Ｂよりも改善された結果を示した。

比較例Ｃ−抑制剤を不使用
比較例Ｃは、膨潤抑制添加物を含まないシェール／坑井流体混合物のサンプルであった。シェールを、卓上ジョークラッシャーで、またはハンマーにより手で掘削片を小片に破砕することによって、ピエールＩＩシェールの掘削片から調製した。次いで、破砕した掘削片を＃４サイズのメッシュスクリーン（０．１８７インチ）に通過させた。次いで、＃４のメッシュスクリーンを通過した破砕した掘削片を、＃８のメッシュスクリーン（０．０９３７インチ）上を通過させた。＃８のメッシュを通過した破砕された掘削片を廃棄し、＃８のメッシュスクリーンにより残留した破砕された掘削片５グラムを、キサンタムガム０．１２５グラム、および人工アラビア海水［ＣａＣｌ_２（１．７１ｇ／Ｌ）、ＭｇＣｌ_２（８．２６ｇ／Ｌ）、ＫＣｌ（１．１３ｇ／Ｌ）、ＮａＣｌ（４１．７２ｇ／Ｌ）、ＮａＨＣＯ_３（０．２１ｇ／Ｌ）、Ｎａ_２ＳＯ_４（６．１２ｇ／Ｌ）］５８．３グラムと混合して、比較例Ｃを生成した。

比較例Ｄ−従来の抑制剤を使用
比較例Ｄは、従来の膨潤抑制添加剤を含むシェール／坑井流体混合物のサンプルであった。サンプルを調製するために、比較例Ｃで前述したように採取したシェール５グラムを、キサンタムガム０．１２５グラム、市販の有機抑制添加剤の塩化コリン０．５ｇ、および人工アラビア海水［ＣａＣｌ_２（１．７１ｇ／Ｌ）、ＭｇＣｌ_２（８．２６ｇ／Ｌ）、ＫＣｌ（１．１３ｇ／Ｌ）、ＮａＣｌ（４１．７２ｇ／Ｌ）、ＮａＨＣＯ_３（０．２１ｇ／Ｌ）、Ｎａ_２ＳＯ_４（６．１２ｇ／Ｌ）］５８．３グラムと混合して、比較例Ｄを生成した。

実施例４−酸性化を介して帯電した荷電複合材料の使用
実施例４は、酸性化を介して帯電した前述の荷電複合材料の実施形態を含むシェール／坑井流体混合物のサンプルであった。第１に、複合材料を、塩化マグネシウム六水和物１０．０グラム（ｇ）をエタノール２５０ミリリットル（ｍＬ）に溶解した溶液を調製することによって合成した。次いで、１５．０ｍＬのアミノプロピルトリエトキシシランを、撹拌しながら室温で溶液に加えた。次に、連続的に撹拌しながら、３０分間（分）にわたって、溶液が室温で１０〜１２のｐＨを有するまで、１規定（Ｎ）のＮａＯＨ溶液を溶液に加えた。次いで、反応混合物を、室温で約３〜４時間連続的に撹拌し、約２日間還流した。次いで、反応混合物を冷却し、濾過し、遠心分離し、１００ｍＬの脱イオン水で３回洗浄し、８０℃の真空で乾燥させて、複合材料であった白色物質を採取した。次いで、複合材料を、酸性化を介して帯電させた。酸性化法は、１２．５ｍＬの蒸留水中に分散させた０．５ｇの複合材料を、塩酸を用いて複合材料を処理することを含み、７ｍＬの１ＮのＨＣｌ水溶液を室温で撹拌しながら加えた（ｐＨ７〜８）。反応混合物を５時間撹拌し、生成物を遠心分離により分離し、８０℃の真空下で２４時間乾燥させて、（酸性化を介して）荷電複合材料を生成した。サンプルを調製するために、比較例Ｃで前述したように採取したシェール５グラムを、キサンタムガム０．１２５グラム、（酸性化を介した）荷電複合材料０．５ｇ、および人工アラビア海水［ＣａＣｌ_２（１．７１ｇ／Ｌ）、ＭｇＣｌ_２（８．２６ｇ／Ｌ）、ＫＣｌ（１．１３ｇ／Ｌ）、ＮａＣｌ（４１．７２ｇ／Ｌ）、ＮａＨＣＯ_３（０．２１ｇ／Ｌ）、Ｎａ_２ＳＯ_４（６．１２ｇ／Ｌ）］５８．３グラムと混合して、実施例４を生成した。

実施例５−塩基処理を介して帯電した荷電複合材料の使用
実施例５は、塩基処理を介して帯電した前述の帯電複合材料の実施形態を含むシェール／坑井流体混合物のサンプルであった。第１に、複合材料を、塩化マグネシウム六水和物１０．０グラム（ｇ）をエタノール２５０ミリリットル（ｍＬ）に溶解した溶液を調製することによって合成した。次いで、１５．０ｍＬのアミノプロピルトリエトキシシランを、撹拌しながら室温で溶液に加えた。次に、連続的に撹拌しながら、３０分間（分）にわたって、溶液が室温で１０〜１２のｐＨを有するまで、１規定（Ｎ）のＮａＯＨ溶液を溶液に加えた。次いで、反応混合物を、室温で約３〜４時間連続的に撹拌し、約２日間還流した。次いで、反応混合物を冷却し、濾過し、遠心分離し、１００ｍＬの脱イオン水で３回洗浄し、８０℃の真空で乾燥させて、複合材料であった白色物質を採取した。次いで、複合材料を、塩基処理法を介して帯電させた。複合材料を塩基処理法の際に水酸化ナトリウムで処理した。１７．５ｍＬの蒸留水および２ｍＬの１ＮのＮａＯＨ水溶液に分散させた０．５ｇの複合材料を、室温で撹拌しながら加えた（ｐＨ１１〜１２）。反応混合物を５時間撹拌し、生成物を遠心分離により分離し、８０℃の真空下で２４時間乾燥させて、（塩基処理を介して）荷電複合材料を生成した。サンプルを調製するために、比較例Ｃで前述したように採取したシェール５グラムを、キサンタムガム０．１２５グラム、（塩基処理を介した）荷電複合材料０．５ｇ、および人工アラビア海水［ＣａＣｌ_２（１．７１ｇ／Ｌ）、ＭｇＣｌ_２（８．２６ｇ／Ｌ）、ＫＣｌ（１．１３ｇ／Ｌ）、ＮａＣｌ（４１．７２ｇ／Ｌ）、ＮａＨＣＯ_３（０．２１ｇ／Ｌ）、Ｎａ_２ＳＯ_４（６．１２ｇ／Ｌ）］５８．３グラムと混合して、実施例５を生成した。

シェール分散に関する荷電複合材料の効果
荷電複合材料の効果を、シェール分散試験を使用してさらに分析した。シェール分散試験は、比較例Ｃ、比較例Ｄ、実施例４、および実施例５の量を各々個別に８０°Ｆで１６時間熱間圧延することによって行った。１６時間後、分散体を＃８のメッシュに通して、膨潤していない任意のシェールを回収した。シェール分散試験から回収したシェールの回収量を計算し、その結果を表２に提供する。

シェール分散試験の結果は、抑制剤のない流体および従来の有機抑制剤を伴う流体（それぞれ比較例Ｃおよび比較例Ｄ）から回収されたシェールの量が、荷電複合材料を伴う流体（実施例４および実施例５）よりも少ないことを示した。荷電複合材料で処理したシェール（実施例２および実施例３）は、シェール回収率がより高く（約８６％）示され、それによって粘土膨潤の量が最小であることを示した。比較例Ｄ（塩化コリン）は、約８２％のシェール回収率を示し、それによってより多くの粘土膨潤を示し、比較例Ｃ（抑制剤なし）は、シェールの回収率が低い（約６４％）ことを実証した。これらの結果は、シェール粒子の周囲の無機膜の形成によるもので、無機膜の形成がシェールの水和を減少させたと考えられる。比較例Ｃに対するシェールの回収率の低下は、水分子がシェールを水和し、シェールの膨潤および浸食をもたらすことを示したと考えられる。このように、荷電複合材料の実施形態は、従来の抑制剤を伴う坑井流体および抑制剤のない流体を比較して、粘土膨潤抑制剤として改善された結果を提供すると考えられる。

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、荷電複合材料を生成する方法を含み得、方法は、複合材料を合成することであって、複合材料は無機複合成分および有機成分を含む、合成することと、複合材料を帯電させて、荷電複合材料を生成することと、を含む。有機成分は、１つ以上の第一級または第二級アミンを含み得る。有機成分は、無機複合成分に共有結合し得る。荷電複合材料は、正に帯電し得る。

第２の態様は第１の態様を含み得、マグネシウムを含む材料とシリコンを含む材料とを組み合わせることを含む複合材料を合成することをさらに含む。

第３の態様は、前述の態様のいずれかを含み得、第一級または第二級アミンの酸性化または塩基処理によって、複合材料を帯電させることをさらに含む。

第４の態様は、前述の態様のいずれかを含み得、第一級または第二級アミンの四級化によって複合材料を帯電させることをさらに含む。

第５の態様は、第２〜第４の態様のいずれかを含み得、シランまたはオルガノシランが、３−（アミノフェノキシ）プロピルトリエトキシシラン、Ｎ−（２−アミノエチル）−３−アミノプロピルトリメトキシシラン、（３−アミノプロピル）トリメトキシシラン、１１−アミノウンデシルトリメトキシシラン、Ｎ−（６−アミノヘキシル）アミノメチルトリメトキシシラン、またはＮ−（２−アミノエチル）−１１−アミノウンデシルトリメトキシシランのうちの１つ以上を含む。

第６の態様は、水性塩基流体と、マグネシウムおよびシリコンを含む無機複合成分、ならびに第一級および第二級アミンから選択される有機成分を含む荷電複合材料と、を含む地中の坑井流体を含み得る。有機成分は、無機複合成分に共有結合し得る。

第７の態様は、第６の態様を含み得、無機複合成分がマグネシウムを含む内部八面体層と、マグネシウムを含む内部八面体層の片側のシリコンを含む第１の四面体外部層と、マグネシウムを含む内部八面体層の反対側のシリコンを含む第２の四面体外部層と、を含む。

第８の態様は、第６〜第７の態様のいずれかを含み得、複合材料が正に帯電している。

第９の態様は、第６〜第８の態様のいずれかを含み得、第一級および第二級アミンが、アルキル基またはアリール基の第一級および第二級アミンを含む。

第１０の態様は、、マグネシウムおよびシリコンを含む無機複合成分、および１つ以上の第一級または第二級アミンを含む有機成分を含む、荷電複合材料を含み得る。複合材料は、正に帯電し得、有機成分が無機複合成分に共有結合し得る。

第１１の態様は、第１０の態様を含み得、マグネシウムが八面体層中に存在する。

第１２の態様は、第１０〜第１１の態様のいずれかを含み得、シリコンが２つの四面体層中に存在する。

第１３の態様は、第１０〜第１２の態様のいずれかを含み得、マグネシウム成分が、３−（アミノフェノキシ）プロピルトリエトキシシラン、Ｎ−（２−アミノエチル）−３−アミノプロピルトリメトキシシラン、（３−アミノプロピル）トリメトキシシラン、１１−アミノウンデシルトリメトキシシラン、Ｎ−（６−アミノヘキシル）アミノメチルトリメトキシシラン、またはＮ−（２−アミノエチル）−１１−アミノウンデシルトリメトキシシランのうち１つ以上を含む。

第１４の態様は、第１０〜第１３の態様のいずれかを含み得、シリコン対マグネシウムの比が、０．７：１〜１．５：１である。

第１５の態様は、第１０〜第１４の態様のいずれかを含み得、無機複合成分が１ｎｍ〜５ｎｍの厚さ、および５０ｎｍ〜５００ｎｍの横方向の寸法を有する。

添付の特許請求の範囲に定義される本開示の範囲から逸脱することなく、修正および変更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は、好ましいまたは特に有利であると特定されるが、本開示は必ずしもこれらの態様に限定されないことが考慮されている。

Claims (15)

1. 荷電複合材料を生成する方法であって、前記方法は、
   複合材料を合成することであって、前記複合材料が、無機複合成分および有機成分を含む、合成することと、
   前記複合材料を帯電させて、荷電複合材料を生成することと、
   を含み
   前記有機成分が１つ以上の第一級または第二級アミンを含み、
   前記有機成分が前記無機複合成分に共有結合し、
   前記荷電複合材料が正に帯電する、方法。
2. 前記複合材料を合成することが、マグネシウムを含む材料とシリコンを含む材料とを組み合わせることを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記第一級または第二級アミンの酸性化または塩基処理によって前記複合材料を帯電させることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記第一級または第二級アミンの四級化によって前記複合材料を帯電させることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記シリコンを含む材料が、３−（アミノフェノキシ）プロピルトリエトキシシラン、Ｎ−（２−アミノエチル）−３−アミノプロピルトリメトキシシラン、（３−アミノプロピル）トリメトキシシラン、１１−アミノウンデシルトリメトキシシラン、Ｎ−（６−アミノヘキシル）アミノメチルトリメトキシシラン、またはＮ−（２−アミノエチル）−１１−アミノウンデシルトリメトキシシランのうちの１つ以上を含む、請求項２に記載の方法。
6. 地中の坑井流体であって、
   水性塩基流体と、
   荷電複合材料であって、
   マグネシウムおよびシリコンを含む無機複合成分、ならびに
   第一級および第二級アミンから選択される有機成分を含む、荷電複合材料と、
   を含み、
   前記有機成分が、前記無機成分に共有結合する、地中の坑井流体。
7. 前記無機複合成分が、マグネシウムを含む内部八面体層と、前記マグネシウムを含む内部八面体層の片側のシリコンを含む第１の四面体外部層と、前記マグネシウムを含む内部八面体層の反対側のシリコンを含む第２の四面体外部層と、を含む、請求項６に記載の地中の坑井流体。
8. 前記複合材料が、正に帯電する、請求項６に記載の地中の坑井流体。
9. 前記第一級および第二級アミンが、アルキル基またはアリール基の第一級および第二級アミンを含む、請求項６に記載の地中の坑井流体。
10. 荷電複合材料であって、
    マグネシウムおよびシリコンを含む無機複合成分と、
    １つ以上の第一級または第二級アミンを含む有機成分と、
    を含み、
    前記複合材料が正に帯電し、
    前記有機成分が前記無機複合成分に共有結合する、荷電複合材料。
11. 前記マグネシウムが、八面体層中に存在する、請求項１０に記載の荷電複合材料。
12. 前記シリコンが、２つの四面体層中に存在する、請求項１０に記載の荷電複合材料。
13. 前記マグネシウム成分が、３−（アミノフェノキシ）プロピルトリエトキシシラン、Ｎ−（２−アミノエチル）−３−アミノプロピルトリメトキシシラン、（３−アミノプロピル）トリメトキシシラン、１１−アミノウンデシルトリメトキシシラン、Ｎ−（６−アミノヘキシル）アミノメチルトリメトキシシラン、またはＮ−（２−アミノエチル）−１１−アミノウンデシルトリメトキシシランのうちの１つ以上を含む、請求項１０に記載の荷電複合材料。
14. シリコン対マグネシウムの比が、０．７：１〜１．５：１である、請求項１０に記載の荷電複合材料。
15. 前記無機複合成分が、１ｎｍ〜５ｎｍの厚さ、および５０ｎｍ〜５００ｎｍの横方向の寸法を有する、請求項１０に記載の荷電複合材料。

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