KR20210058891A - 대전된 복합 재료, 합성 방법, 및 사용 방법 - Google Patents

대전된 복합 재료, 합성 방법, 및 사용 방법 Download PDF

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하스무크 에이. 파텔
아쇽 산트라
칼 탬리츠
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사우디 아라비안 오일 컴퍼니
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Abstract

본 개시내용의 구현예는 대전된 복합 재료를 생성하는 방법에 관한 것이다. 방법은 복합 재료를 합성하는 단계 및 복합 재료를 대전시켜 대전된 복합 재료를 생성하는 단계를 포함할 수 있다. 복합 재료는 무기 복합 성분 및 유기 성분을 포함할 수 있다. 유기 성분은 하나 이상의 1차 또는 2차 아민을 포함할 수 있다. 유기 성분은 무기 복합 성분과 공유결합으로 결합될 수 있다. 대전된 복합 재료는 양으로 대전될 수 있다.

Description

대전된 복합 재료, 합성 방법, 및 사용 방법
관련 출원에 대한 교차 참조
이 출원은 2018년 9월 13일에 출원된 미국 출원 일련 번호 제62/730,990호에 대해 우선권을 주장하며, 이의 전체 개시내용은 본원에 참조로 통합된다.
기술 분야
본 개시내용의 구현예는 일반적으로, 대전된 재료, 및 보다 구체적으로는, 지하 웰보어 유체(wellbore fluid)에서 이용되는 대전된 재료에 관한 것이다.
웰보어 건설 및 생성 절차는 드릴링(drilling), 완성, 매트릭스 자극, 파쇄(fracturing), 또는 기타 웰보어 건설 및 생성 증대 절차를 포함할 수 있다. 일부 웰보어 형성물은 점토계 광물로 구성될 수 있다. 일부 웰보어 건설 및 생성 절차는 수성 웰보어 유체를 이용할 수 있다. 일부 사례에서, 수성 웰보어 유체의 물은 점토계 광물을 수화하고 팽창시킬 수 있다. 그 결과, 일부 웰보어 형성물은 물에 의해 손상될 수 있다.
그 결과, 웰보어 유체 및 기타 웰보어 건설 및 생성 적용 시 사용하기 위한 점토 안정화 화합물에 대한 요구가 있다. "점토 팽윤 억제제" 또는 "셰일(shale) 억제제"로서 또한 지칭될 수 있는, 이러한 점토 안정화 화합물은 점토 안정화 화합물 또는 통상적인 점토 안정화 화합물이 없는 점토계 재료와 비교하여 감소된 팽창을 제공할 수 있다.
본 개시내용의 구현예는 대전된 복합 재료(charged composite material)를 제공함으로써 이들 점토 안정화 요구를 충족한다. 일부 구현예에서, 개시된 점토 팽창 억제제는 웰보어 적용을 위해 사용되는 유체에서 이용될 수 있다. 일부 구현예에서, 대전된 복합 재료는 웰보어 건설 및 생성 증대 작업 동안 점토계 재료가 팽창하는 것을 적어도 부분적으로 방지하는 데에 이용될 수 있다. 추가의 구현예에서, 개시된 점토 팽창 억제제는 수용성 또는 분산성 재료를 포함하는 부분적으로-수성 및 비-수성 유체에서 이용될 수 있다.
본 개시내용의 적어도 하나의 구현예에 따르면, 대전된 복합 재료를 생성하는 방법이 제공된다. 방법은 복합 재료를 합성하는 단계 및 복합 재료를 대전시켜 대전된 복합 재료를 생성하는 단계를 포함할 수 있다. 복합 재료는 무기 복합 성분 및 유기 성분을 포함할 수 있다. 유기 성분은 하나 이상의 1차 또는 2차 아민을 포함할 수 있다. 유기 성분은 무기 성분에 공유결합으로(covalently) 결합될 수 있다. 대전된 복합 재료는 양으로 대전될 수 있다.
본 개시내용의 적어도 또다른 구현예에 따르면, 웰보어 유체가 제공된다. 웰보어 유체는 수성 염기 유체 및 대전된 복합 재료를 포함할 수 있다. 대전된 복합 재료는 무기 복합 성분 및 유기 성분을 포함할 수 있다. 무기 복합 성분은 마그네슘 및 규소(silicon)를 포함할 수 있다. 유기 성분은 1차 또는 2차 아민을 포함할 수 있다. 유기 성분은 무기 복합 성분에 공유결합으로 결합될 수 있다.
본 개시내용의 적어도 하나의 구현예에 따르면, 대전된 복합 재료가 제공된다. 대전된 복합 재료는 무기 복합 성분 및 유기 성분을 포함할 수 있다. 무기 복합 성분은 마그네슘 및 규소를 포함할 수 있다. 유기 성분은 1차 또는 2차 아민 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 복합 재료는 양으로 대전될 수 있다. 유기 성분은 무기 복합 성분에 공유결합으로 결합될 수 있다.
이들 및 기타 구현예가 첨부된 도면과 함께 다음의 상세한 설명에서 보다 상세히 기재된다.
본 개시내용의 구체적인 구현예의 다음의 상세한 설명은 다음의 도면과 함께 읽을 때 가장 잘 이해될 수 있고, 여기서 비슷한 구조는 비슷한 참조 숫자로 표시되며, 이때:
도 1은 본 개시내용의 하나 이상의 구현예에 따른, 복합 재료의 도식적 묘사이다;
도 2는 본 개시내용의 하나 이상의 구현예에 따른, 대전된 복합 재료의 도식적 묘사이다;
도 3a는 억제제가 없는 예시적인 점토의 수화의 도식적 묘사이다;
도 3b는 유기 양이온만을 포함하는 통상적인 억제제가 있는 예시적인 점토의 수화의 도식적 묘사이다; 및
도 3c는 본 개시내용의 하나 이상의 구현예에 따른, 대전된 복합 재료를 포함하는 억제제가 있는 예시적인 점토의 수화의 도식적 묘사이다.
이제 본 출원의 구체적인 구현예가 기재될 것이다. 그러나, 개시내용은 상이한 형태로 구현될 수 있고 이 개시내용에 제시된 구현예에 제한되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 오히려, 이들 구현예는 이 개시내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 주제의 범주를 완전히 전달할 수 있도록 제공된다.
일반적으로, 대전된 복합 재료의 다양한 구현예, 대전된 복합 재료를 생성하는 방법, 및 대전된 복합 재료를 이용하는 방법이 이 개시내용에 기재된다.
이제 대전된 복합 재료의 구현예가 기재될 것이다. 일부 구현예에서, 대전된 복합 재료는 무기 복합 성분 및 유기 성분을 포함할 수 있다. 무기 복합 성분은 마그네슘 및 규소를 포함할 수 있다. 유기 성분은 1차 또는 2차 아민 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 유기 성분은 무기 복합 성분에 공유결합으로 결합될 수 있다. 대전된 복합 재료는 양으로 대전될 수 있다.
앞서 언급된 바와 같이, 하나 이상의 구현예에서, 무기 복합 성분은 마그네슘 및 규소를 포함할 수 있다. 추가의 구현예에서, 무기 복합 성분은 층상 마그네슘 규산염 재료를 포함할 수 있는데, 이는 마그네슘 또는 규소를 포함하는 재료의 하나 이상의 층을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 무기 복합 성분 중 존재하는 마그네슘은 팔면체 기하학적 구조를 가질 수 있다. 일부 구현예에서, 무기 복합 성분 중 존재하는 규소는 사면체 기하학적 구조를 가질 수 있다.
도 1은 층상 마그네슘 규산염 재료를 포함할 수 있는 (비대전된) 복합 재료의 구현예를 나타낸다. 도 1에 나타난 바와 같이, 일부 구현예에서, 마그네슘은 길게 된 내부 층 내에 존재할 수 있다. 추가의 구현예에서 및 도 1에 나타난 바와 같이, 마그네슘은 팔면체 기하학적 구조를 가질 수 있고 길게 된 내부 층 내에 존재할 수 있다. 여전히 도 1을 참조하면, 일부 구현예에서, 규소는 길게 된 내부 층의 하나의 측면 상의 제1 규소 외부 층 및 길게 된 내부 층의 반대쪽 측면 상의 제2 규소 외부 층 내에 존재할 수 있다. 추가의 구현예에서 및 도 1에 나타난 바와 같이, 규소는 제1 규소 외부 층, 제2 규소 외부 층 내에 존재하거나, 둘 다 사면체 기하학적 구조를 가질 수 있다.
일부 구현예에서, 대전된 복합 재료는 1 nm 내지 5 nm의 두께를 가질 수 있다. 다른 구현예에서, 대전된 복합 재료는 약 1 nm 내지 약 4 nm, 약 1 nm 내지 약 3 nm, 약 1 nm 내지 약 2 nm, 약 2 nm 내지 약 5 nm, 약 2 nm 내지 약 4 nm, 약 2 nm 내지 약 3 nm, 약 3 nm 내지 약 5 nm, 약 3 nm 내지 약 4 nm, 또는 약 5 nm 내지 약 5 nm의 두께를 가질 수 있다. 일부 구현예에서, 대전된 복합 재료는 약 10 nm 내지 약 2000 nm(2 마이크론), 약 50 nm 내지 약 1000 nm, 또는 약 100 nm 내지 약 500 nm의 측면 치수(lateral dimension)를 가질 수 있다. 구현예에서, 대전된 복합 재료의 전체 두께는 작용성 기의 길이에 따라 달라질 수 있다.
무기 복합 성분의 마그네슘은 마그네슘을 포함하는 재료로부터 유래될 수 있다. 일부 구현예에서, 마그네슘을 포함하는 재료는 마그네슘염일 수 있다. 추가의 구현예에서, 마그네슘염은 염화마그네슘, 질산마그네슘, 황산마그네슘, 또는 브롬화마그네슘일 수 있다. 일부 구체적인 구현예에서, 마그네슘을 포함하는 재료는 염화마그네슘 6수화물을 포함할 수 있다. 다른 구현예에서, 마그네슘을 포함하는 재료는 산화마그네슘 또는 수산화마그네슘을 포함할 수 있다.
일부 구현예에서, 마그네슘을 포함하는 재료는 자연적으로-발생하는 것일 수 있다. 예를 들어, 일부 구현예에서, 수산화마그네슘은 자연적으로-발생하는 광물, 예컨대 브루사이트(brucite)로부터 수득될 수 있다. 다른 구현예에서, 마그네슘을 포함하는 자연적으로-발생하는 재료는 마그네슘-풍부 고염 염수를 포함할 수 있는데, 이는 해수로부터의 염화나트륨 생성의 부산물일 수 있다.
무기 층의 규소는 규소를 포함하는 재료로부터 유래될 수 있다. 일부 구현예에서, 규소 공급원은 실란 또는 유기실란을 포함할 수 있다. 추가의 구현예에서, 유기실란은 알콕시, 예를 들어, 트리메톡시 또는 트리에톡시 유도체를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 실란 또는 유기실란은 아미노프로필트리에톡시실란, 3-(아미노페녹시)프로필트리에톡시실란, N-(2-아미노에틸)-3-아미노프로필트리메톡시실란, (3-아미노프로필)트리메톡시실란, 11-아미노운데실트리메톡시실란, N-(6-아미노헥실)아미노메틸트리메톡시실란, 및 N-(2-아미노에틸)-11-아미노운데실트리메톡시실란 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
일부 구현예에서, 무기 복합 성분은 몰 기준으로 약 0.7:1 내지 1.5:1 또는 1:1 내지 약 1.4:1의 규소 대 마그네슘 비율을 가질 수 있다. 추가의 구현예에서, 규소 대 마그네슘 비율은 몰 기준으로 약 1.33일 수 있다. 이론에 얽매이지 않고, 규소 대 마그네슘 비율은 대전된 복합 재료의 결정성(crystallinity)에 영향을 미칠 수 있는 것으로 여겨진다. 규소 대 마그네슘 비율이 몰 기준으로 약 1.33:1 초과 또는 미만일 때, 무기 복합 성분은 수산화마그네슘, 산화마그네슘, 실리카 재료 및 층상 마그네슘 규산염 중 어느 하나 이상을 포함하는 비정질 재료를 포함할 수 있다. 규소 대 마그네슘 비율이 몰 기준으로 약 1.33:1에 있을 때, 무기 복합 성분은 고순도의 층상 마그네슘 규소염을 포함할 수 있는 것으로 여겨진다. 본 개시내용에서 사용되는 바와 같이, "고순도"는 무기 복합 성분이 무기 복합 성분의 총 중량을 기준으로 적어도 50 중량 백분율(wt.%), 75 wt.%, 90 wt.%, 95 wt.%, 또는 99 wt.% 층상 마그네슘 규산염을 가질 수 있다는 것을 의미한다. 일부 적용법은 고순도의 층상 마그네슘 규산염이 있는 무기 복합 성분이 있는 대전된 복합 재료를 선호할 수 있다. 그러나, 일부 적용법은 또다른 순도의 층상 마그네슘 규산염을 필요로 할 수 있다.
일부 구현예에서, 무기 복합 성분은 1 나노미터(nm) 내지 5 nm의 두께를 가질 수 있다. 다른 구현예에서, 무기 복합 성분은 약 1 nm 내지 약 4 nm, 약 1 nm 내지 약 3 nm, 약 1 nm 내지 약 2 nm, 약 2 nm 내지 약 5 nm, 약 2 nm 내지 약 4 nm, 약 2 nm 내지 약 3 nm, 약 3 nm 내지 약 5 nm, 약 3 nm 내지 약 4 nm, 또는 약 5 nm 내지 약 5 nm의 두께를 가질 수 있다. 일부 구현예에서, 무기 복합 성분은 약 10 nm 내지 약 1000 nm, 약 50 nm 내지 약 500 nm, 또는 약 100 nm 내지 약 200 nm의 측면 치수를 가질 수 있다.
앞서 언급된 바와 같이, 구현예에서, 복합 재료는 유기 성분을 또한 포함할 수 있다. 다시 도 1을 참조하면, 일부 구현예에서, 유기 성분은 도 1에서 R로서 나타난, 1차 또는 2차 아민을 포함하는 하나 이상의 유기 작용성 기를 포함할 수 있다. 추가의 구현예에서, 1차 또는 2차 아민은 하나 이상의 알킬 또는 아릴 아민 모이어티를 포함할 수 있다.
앞서 언급된 바와 같이, 일부 구현예에서, 유기 성분은 무기 복합 성분의 규소 원자에 공유결합으로 결합될 수 있다.
앞서 언급된 바와 같이, 대전된 복합 재료는 대전될 수 있다. 일부 구현예에서, 대전된 복합 재료는 양으로 대전될 수 있다. 이론에 얽매이지 않고, 대전된 복합 재료 상의 양이온성 양전하는 대전된 복합 재료를 순-음으로 대전된 입자의 표면에 부착시킬 수 있다. 예를 들어, 순-음으로 대전된 입자는 본 개시내용에서 후속하여 기재되는 바와 같이, 점토계 재료 입자를 포함할 수 있다.
이제 대전된 복합 재료를 생성하는 방법이 기재될 것이다. 본 개시내용의 적어도 하나의 구현예에 따르면, 방법은 복합 재료를 합성하는 단계 및 복합 재료를 대전시켜 대전된 복합 재료를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
앞서 언급된 바와 같이, 일부 구현예에서, 복합 재료는 마그네슘 및 규소를 포함하는 무기 복합 성분을 포함할 수 있다. 예를 들어, 복합 재료를 합성하는 방법론은 도 1의 도식적 묘사 및 다음의 반응 (1)에 의해 요약될 수 있으며, 여기서 CM-N은 중성 복합 재료를 나타내고, 이는 속기로 다음과 같다:
Figure pct00001
(1)
일부 구현예에서, 마그네슘을 포함하는 재료는 용매 중 용해되어 용액을 생성할 수 있다. 추가의 구현예에서, 용매는 에탄올일 수 있다. 다음으로, 규소 공급원이 용액에 첨가될 수 있다. 일부 구현예에서, 아민 말단화된 실란이 규소 공급원일 수 있다. 규소 공급원은 실온에서, 또는 적어도 10℃, 적어도 15℃, 적어도 20℃, 적어도 25℃, 적어도 30℃, 또는 적어도 35℃의 온도에서 첨가될 수 있다.
일부 구현예에서, 마그네슘 공급원 및 규소 공급원은 규소 대 마그네슘 비율이 몰 기준으로 약 0.7:1 내지 1.5:1 또는 몰 기준으로 1:1 내지 약 1.4:1이도록 조합된다. 추가의 구현예에서, 규소 대 마그네슘 비율은 몰 기준으로 약 1.33:1일 수 있다.
일부 구현예에서, 용액의 pH는 10 및 12의 pH 사이로 유지될 수 있다. 일부 구현예에서, pH는 용액에 염기를 첨가함으로써 유지된다. 추가의 구현예에서, 염기는 수산화나트륨이다. 추가의 구현예에서, 염기는 교반하는 동안 첨가된다. 추가의 구현예에서, 염기는 교반하는 동안 약 30분 동안 첨가된다.
다른 구현예에서, 용액은 그후에 추가로 처리되어 반응 혼합물을 생성할 수 있다. 이론에 얽매이지 않고, 이러한 추가의 처리는 합성 시간을 증가시킬 수 있으며 그러므로 복합 재료의 결정성에 영향을 미칠 수 있다. 이론에 얽매이지 않고, 이러한 처리 단계 동안, (마그네슘을 포함하는) 팔면체 층의 양 측면 상의 사면체 층(실리케이트)의 축합은 층의 상대적으로 더 높은 팩킹(packing)을 촉진할 수 있는데, 이는 더 높은 결정성을 유발할 수 있는 것으로 여겨진다. 예를 들어, 추가의 처리는 교반을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 용액은 약 3시간 내지 약 4시간 동안 교반될 수 있다. 다른 구현예에서, 용액은 환류될 수 있다. 일부 구현예에서, 용액은 적어도 1일, 적어도 2일, 또는 약 1일 내지 약 2일 동안 환류될 수 있다. 용액은 적어도 3일 또는 약 3일 내지 약 15일 동안 환류될 수 있다. 다른 구현예에서, 용액은 냉각되고, 여과되고, 원심분리되어 그후에 반응 혼합물을 생성할 수 있다. 복합 재료의 결정성은 열수 조건 하에서 용액을 반응시킴으로써 증가될 수 있다. 폐쇄계(closed system) 하에서(예를 들어, 대기압보다 높은 압력에서) 반응 혼합물의 열수 반응은 무기 복합 재료의 상대적으로 더 높은 팩킹을 허용할 수 있는데, 이는 복합 재료의 상대적으로 더 높은 결정성을 유발할 수 있다. 다른 구현예에서, 복합 재료의 결정성은 마이크로파 조건 하에서 용액을 반응시킴으로써 증가될 수 있다.
일부 구현예에서, 반응 혼합물은 세척될 수 있다. 예를 들어, 반응 혼합물은 탈염수로 세척될 수 있다. 일부 구현예에서, 반응 혼합물은 1회 이상, 예를 들어, 3회 탈염수로 세척될 수 있다.
다른 구현예에서, 반응 혼합물은 건조되어 복합 재료를 생성할 수 있다. 일부 구현예에서, 반응 혼합물은 적어도 50℃, 적어도 60℃, 적어도 70℃, 또는 적어도 80℃의 온도에서 건조된다. 추가의 구현예에서, 반응 혼합물은 진공 하에서 건조될 수 있다.
복합 재료의 합성 동안, 유기 성분(예를 들어, 알킬/아릴 아민 모이어티)는 합성 반응 동안 무기 성분(예를 들어, 규소를 포함하는 제1 및 제2 층)의 규소 원자와 공유결합으로 연결될 수 있다. 이론에 얽매이지 않고, 합성 동안, 실란 또는 유기실란의 알콕시 기는 축합 반응 내내 내부 팔면체 층의 양쪽 측면 상에서 반응할 수 있다. 이에 따라 펜던트 알킬/아릴 아민 모이어티(예를 들어, 유기실란의 네번째 작용기)는 무기 성분과 공유결합으로 연결될 수 있다.
복합 재료의 합성 후, 복합 재료는 대전되어 대전된 복합 재료를 생성할 수 있다. 복합 재료를 합성하는 방법론은 도 2 및 다음의 반응 (2)에 의해 요약될 수 있으며, 여기서 CM-N는 중성 복합 재료를 속기로 나타내고, CM-C는 대전된 복합 재료를 속기로 나타낸다. 추가의 구현예에서, 복합 재료는 복합 재료의 유기 성분을 대전시킴으로써 대전될 수 있다. 추가의 구현예에서, 대전된 복합 재료는 양으로 대전될 수 있다.
Figure pct00002
(2)
대전된 복합 재료를 생성하는 일부 구현예에서, 복합 재료는 4차화(quarternization) 방법을 사용한 유기 성분의 1차 또는 2차 아민의 4차화를 통해 대전될 수 있다. 4차화 방법은 복합 재료를 할로겐화된 알킬 화합물로 처리하는 단계를 포함할 수 있다. 구현예에서, 할로겐화된 알킬 화합물은 식 RX의 화합물일 수 있으며, 여기서 R은 이상의 알킬 또는 아릴기를 포함할 수 있고 X는 하나 이상의 할로겐 또는 수산화물기를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 할로겐화된 알킬 화합물은 요오드화메틸(CH3I)일 수 있다. 복합 재료는 용매 중에서 혼합될 수 있다. 용매는 아세토니트릴, 메탄올, 에탄올, 또는 기타 극성 또는 비극성 용매를 포함할 수 있다. 용매에 대한 복합 재료의 양은 용액의 총 부피 당 약 1 wt.% 내지 약 40 wt.% 복합 재료, 용액의 부피 당 약 2 내지 약 20 wt.% 복합 재료, 또는 용액의 부피 당 약 5 wt.% 내지 약 10 wt.% 복합 재료의 범위에 이른다. 복합 재료에 대한 4차화 화합물의 양은 약 1(복합 재료) : 25(4차화 화합물), 약 1:15, 또는 약 1:10의 비율로 있을 수 있다. 용액은 약 10시간 내지 약 48시간 동안, 약 12시간 내지 약 30시간 동안, 또는 약 24시간 동안 환류될 수 있다. 4차화 반응의 온도는 사용되는 용매의 끓는점에 따라 다를 수 있다. 용액은 여과되고 용매로 세척될 수 있으며 건조하여 대전된 복합 재료를 생성할 수 있다. 일부 구현예에서, 건조는 적어도 50℃, 적어도 60℃, 적어도 70℃, 또는 적어도 80℃의 온도에서 될 수 있다. 일부 구현예에서, 건조는 진공 하에서 수행될 수 있다. 일부 구현예에서, 건조는 약 10시간 내지 약 48시간, 약 10시간 내지 약 24시간, 또는 약 24시간 내지 약 48시간에 될 수 있다.
대전된 복합 재료를 생성하는 다른 구현예에서, 복합 재료는 산성화(acidification) 방법에 의해 대전될 수 있다. 산성화 방법은 복합 재료의 1차 및 2차 아민을, 유기 또는 무기산을 포함하는 산 용액으로 산성화하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 유기 또는 무기산은 HCl, HNO3 , H2SO4 , HBr, HI, 또는 HS를 포함할 수 있다. 수용액에서 산의 양은 용액의 총 부피를 기준으로 약 1 wt.% 내지 약 20 wt.% 산, 용액의 부피 당 약 1 wt.% 내지 약 10 wt.% 산, 또는 용액의 부피 당 약 2 wt.% 내지 약 5 wt.% 산일 수 있다. 복합 재료에 대한 산 용액의 양은 약 1(복합 재료) : 25(산 용액), 약 1:15, 또는 약 1:10의 비율로 있을 수 있다. 산성화 반응은 약 2시간 내지 약 8시간, 약 2시간 내지 약 6시간, 약 2시간 내지 약 4시간, 약 4시간 내지 약 8시간, 약 4시간 내지 약 6시간, 또는 약 6시간 내지 약 8시간 동안 실온에서 수행될 수 있다. 산성화 반응 혼합물은 여과되거나 원심분리되어 침전물을 수득할 수 있다. 일부 구현예에서, 침전물은 탈염수로 세척될 수 있다. 일부 구현예에서, 침전물은 건조되어 대전된 복합 재료를 생성할 수 있다. 일부 구현예에서, 건조는 적어도 50℃, 적어도 60℃, 적어도 70℃, 또는 적어도 80℃의 온도에서 될 수 있다. 일부 구현예에서, 건조는 진공 하에서 수행될 수 있다. 일부 구현예에서, 건조는 약 10시간 내지 약 48시간, 약 10시간 내지 약 24시간, 또는 약 24시간 내지 약 48시간에 될 수 있다.
대전된 복합 재료를 생성하는 다른 구현예에서, 복합 재료는 염기 처리 방법에 의해 대전될 수 있다. 일부 구현예에서, 염기 처리 방법은 복합 재료를 NaOH 또는 KOH로 처리하는 단계를 포함할 수 있다. 수용액 중 염기의 양은 용액의 총 부피를 기준으로 약 1 wt.% 내지 약 20 wt.% 염기, 용액의 부피 당 약 1 wt.% 내지 약 10 wt.% 염기, 또는 용액의 부피 당 약 2 wt.% 내지 약 5 wt.% 염기일 수 있다. 염기 용액 대 복합 재료의 양은 약 1(복합 재료) : 25(염기 용액), 약 1:15, 또는 약 1:10의 비율로 있을 수 있다. 염기 처리 반응은 약 5분 내지 1시간, 약 2시간 내지 약 8시간, 약 2시간 내지 약 6시간, 약 2시간 내지 약 4시간, 약 4시간 내지 약 8시간, 약 4시간 내지 약 6시간, 또는 약 6시간 내지 약 8시간동안 실온에서 수행될 수 있다. 염기 처리 반응 혼합물은 여과되거나 원심 분리되어 침전물을 수득할 수 있다. 일부 구현예에서, 침전물은 건조되어 대전된 복합 재료를 생성할 수 있다. 일부 구현예에서, 건조는 적어도 50℃, 적어도 60℃, 적어도 70℃, 또는 적어도 80℃의 온도에서 될 수 있다. 일부 구현예에서, 건조는 진공 하에서 수행될 수 있다. 일부 구현예에서, 건조는 약 10시간 내지 약 48시간, 약 10시간 내지 약 24시간, 또는 약 24시간 내지 약 48시간에 될 수 있다.
이제 대전된 복합 재료를 포함하는 지하 웰보어 유체의 구현예가 기재될 것이다. 지하 웰보어 유체는 이제 기재될 대전된 복합 재료의 구현예를 포함할 수 있다. 지하 웰보어 유체는 수성 염기 유체 및 현재-기재된 대전된 복합 재료의 구현예를 포함할 수 있다.
일부 구현예에서, 지하 웰보어 유체는 수성 염기 유체를 포함할 수 있다. 수성 염기 유체는 중정석, 벤토나이트, 실리카 가루, 중합체, 점성증가제(viscosifier), 1차 또는 2차 유화제, 유체 손실 제어 첨가제, 유체 안정화제, 손실 순환 첨가제, 금속염, 또는 이들의 조합물을 포함할 수 있다. 구현예에서, 지하 웰보어 유체의 수성 염기 유체는 물을 포함할 수 있다.
이 개시내용에서 앞서 언급된 바와 같이, 웰보어 건설 및 생성 작업은 점토 팽창 억제제 또는 셰일 억제제를 이용할 수 있는데, 이는 웰보어 유체의 작동 및 적용에 영향을 미친다. 이제 도 3a-3c를 참조하면, 이론에 얽매이지 않고, 무기 복합 성분에 공유결합으로 부착된 대전된 유기 성분은 현재-개시된 대전된 복합 재료가 점토와 상호작용하여 점토의 수화를 줄이거나 심지어 제거할 수 있도록 허용할 수 있는 것으로 여겨진다(도 3c). 도 3a는 억제제가 없는 예시적인 점토의 수화의 도식적 묘사를 나타낸다; 도 3b는 유기 양이온만을 포함하는 통상적인 억제제가 있는 예시적인 점토의 수화의 도식적 묘사를 나타낸다; 그리고 도 3c는 본 개시내용의 하나 이상의 구현예에 따른, 대전된 복합 재료를 포함하는 억제제가 있는 예시적인 점토의 수화의 도식적 묘사를 나타낸다. 앞서 설명된 바와 같이, 점토는 셰일을 포함할 수 있으며, 순-음으로 대전된 입자를 가질 수 있다. 그 결과, 대전된 복합 재료 상의 양이온성 양전하가 대전 복합 재료를 점토 입자의 표면에 부착시킬 수 있는데, 이는 점토 입자가 수화되고 후속으로 팽창하는 것을 방지할 수 있다.
구체적으로 도 3b를 참조하면, 통상적인 점토 팽창 억제제는 유기 화합물만을 포함할 수 있다. 이러한 통상적인 억제제는 친환경적이지 않거나 살아있는 유기체에 유해하지 않을 수 있다. 이제 도 3c를 참조하면, 현재-개시된 대전된 복합 재료의 무기 복합 성분의 존재는 상대적으로 강한 필름(film) 형성을 제공할 수 있는데, 이는, 도 3b에 나타난 바와 같이, 점토 팽창 적용 시 이용될 때 유기 재료만을 포함하는 웰보어 유체와 비교하여 추가적인 코팅 내구력을 제공하는 것으로 여겨진다. 그 결과, 아민 작용기가 4차화되거나 이온화된, 현재-개시된 대전된 복합 재료는 점토가 팽창되는 것을 억제할 수 있고 통상적인 점토 팽창 억제제가 유기 화합물만을 포함할 수 있을 때와 비교하여 개선된 결과를 제공할 수 있는 필름을 형성하도록 점토와 상호작용할 수 있다(도 3b).
이론에 얽매이지 않고, 대전된 복합 재료의 보다 높은 결정성은 상대적으로 개선된 점토 안정화를 허용할 수 있다. 일부 구현예에서, 상대적으로 높은 결정성을 갖는 대전된 복합 재료는 점토 입자를 팽창으로부터 추가로 보호할 수 있다. 도 3a-3c를 다시 참조하면, 이론에 얽매이지 않고, 보다 낮은 결정성을 갖는 복합 재료는 복합 재료의 구조 내에 무질서의 존재를 나타낼 수 있다. 일부 구현예에서, 물은 무질서한 구조를 관통할 수 있으며 점토 입자의 팽창을 증가시킬 수 있다.
실시예
다음의 실시예는 본 개시내용의 특징을 예시하지만 본 개시내용의 범주를 제한하려는 의도는 아니다. 다음의 실험은 다양한 억제제 첨가제가 있는 웰보어 유체의 성능을 비교하였는데, 이중 일부는 현재-기재된 대전된 복합 재료의 실시예를 포함하였다.
비교 실시예 A - 억제제 사용 안함
비교 실시예 A는 팽창 억제제 첨가제를 포함하지 않은 웰보어 유체의 시료였다. 비교 실시예 A는 250 g의 물, 5.1 g의 벤토나이트, 및 24.9 g의 실리카 가루를 조합하고 혼합함으로써 제조하였다. 성분을 5분 동안 혼합하였다. 혼합 후, 재료를 15분 동안 정적 상태로 유지하여 비교 실시예 A를 생성하였다.
비교 실시예 B - 통상적인 억제제 사용
비교 실시예 A는 통상적인 팽창 억제제 첨가제를 포함하는 웰보어 유체의 시료였다. 비교 실시예 B는 250 g의 물, 5.1 g의 벤토나이트, 24.9 g의 실리카 가루, 및 2.5 g의 상업적으로-이용가능한 유기 억제제 첨가제인 염화콜린(cholin chloride)을 조합하고 혼합함으로써 제조하였다. 성분을 5분 동안 혼합하였다. 혼합 후, 재료를 15분 동안 정적 상태로 유지하여 비교 실시예 B를 생성하였다.
실시예 1 - 4차화를 통해 대전된, 대전된 복합 재료 사용
실시예 1은, 4차화를 통해 대전된, 현재-기재된 대전된 복합 재료의 구현예를 포함하는 웰보어 유체의 시료였다. 먼저, 복합 재료를 10.0 그램(g)의 염화마그네슘 6수화물을 250 밀리리터(mL)의 에탄올 중 용해하여 용액을 제조함으로써 합성하였다. 그후에, 15.0 mL의 아미노프로필트리에톡시실란을 교반하면서 실온에서 용액에 첨가하였다. 다음으로, 계속적인 교반과 함께 및 30분(min)의 시간에 걸쳐, 실온에서 용액이 10 내지 12의 pH를 가질 때까지 1 노말(N) NaOH 용액을 용액에 첨가하였다. 그후에 반응 혼합물을 대략 3시간 내지 4시간 동안 실온에서 계속적으로 교반하였고, 대략 2일 동안 환류하였다. 그후에 반응 혼합물을 냉각하고, 여과하고, 원심분리하였고, 100 mL의 탈염수로 3회 세척하였으며, 80℃, 진공 내에서 건조하여, 복합 재료인 흰색 재료를 수득하였다. 그후에 복합 재료를 4차화 방법을 사용하여 대전시켰다. 4차화 방법은 복합 재료의 시료를 요오드화메틸(CH3I)로 처리하는 단계를 포함하였다. 그후에, 요오드화메틸로 처리된 5.0 그램의 복합 재료를 50 mL 아세토니트릴 중에서 혼합하였다. 그후에 용액을 약 24시간 동안 환류하였다. 그후에 용액을 여과하였으며 더 많은 용매로 세척하였고 24시간 동안 80℃, 진공 하에서 건조하여 (4차화를 통해) 대전된 복합 재료를 생성하였다. 그후에, 2.5 g의 (4차화를 통해) 대전된 복합 재료를 250 g의 물, 5.1 g의 벤토나이트, 및 24.9 g의 실리카 가루와 조합하고 혼합하였다. 성분을 5분 동안 혼합하였다. 혼합 후, 재료를 15분 동안 정적 상태로 유지하여 실시예 1을 생성하였다.
실시예 2 - 산성화를 통해 대전된, 대전된 복합 재료 사용
실시예 2는 산성화를 통해 대전된, 현재-기재된 대전된 복합 재료의 구현예를 포함하는 웰보어 유체의 시료였다. 먼저, 복합 재료를 10.0 그램(g)의 염화마그네슘 6수화물을 250 밀리리터(mL)의 에탄올 중 용해하여 용액을 제조함으로써 합성하였다. 그후에, 15.0 mL의 아미노프로필트리에톡시실란을 교반하면서 실온에서 용액에 첨가하였다. 다음으로, 계속적인 교반과 함께 및 30분(min)의 시간에 걸쳐, 실온에서 용액이 10 내지 12의 pH를 가질 때까지 1 노말(N) NaOH 용액을 용액에 첨가하였다. 그후에 반응 혼합물을 대략 3시간 내지 4시간 동안 실온에서 계속적으로 교반하였고, 대략 2일 동안 환류하였다. 그후에 반응 혼합물을 냉각하고, 여과하고, 원심분리하였고, 100 mL의 탈염수로 3회 세척하였으며, 80℃, 진공 내에서 건조하여, 복합 재료인 흰색 재료를 수득하였다. 그후에 복합 재료를 산성화를 통해 대전시켰다. 산성화 방법은 복합 재료를 염산으로 처리하는 단계를 포함하였다 12.5 mL 증류수 중 분산된 복합 재료 0.5 g 및 7 mL의 1 N HCl 수용액을 교반하면서 실온에서 첨가하였다(pH 7-8). 반응 혼합물을 5시간 동안 교반하였고 생성물을 원심분리에 의해 분리하였으며 24시간 동안 80℃, 진공 하에서 건조하여 (산성화를 통해) 대전된 복합 재료를 생성하였다. 그후에, 2.5 g의 (산성화를 통해) 대전된 복합 재료를 250 g의 물, 5.1 g의 벤토나이트, 및 24.9 g의 실리카 가루와 조합하고 혼합하였다. 성분을 5분 동안 혼합하였다. 혼합 후, 재료를 15분 동안 정적 상태로 유지하여 실시예 2를 생성하였다.
실시예 3 - 염기 처리를 통해 대전된, 대전된 복합 재료 사용
실시예 3은 염기 처리를 통해 대전된, 현재-기재된 대전된 복합 재료의 구현예를 포함하는 웰보어 유체의 시료였다. 먼저, 복합 재료를 10.0 그램(g)의 염화마그네슘 6수화물을 250 밀리리터(mL)의 에탄올 중 용해하여 용액을 제조함으로써 합성하였다. 그후에, 15.0 mL의 아미노프로필트리에톡시실란을 교반하면서 실온에서 용액에 첨가하였다. 다음으로, 계속적인 교반과 함께 및 30분(min)의 시간에 걸쳐, 실온에서 용액이 10 내지 12의 pH를 가질 때까지 1 노말(N) NaOH 용액을 용액에 첨가하였다. 그후에 반응 혼합물을 대략 3시간 내지 4시간 동안 실온에서 계속적으로 교반하였고, 대략 2일 동안 환류하였다. 그후에 반응 혼합물을 냉각하고, 여과하고, 원심분리하였고, 100 mL의 탈염수로 3회 세척하였으며, 80℃, 진공 내에서 건조하여, 복합 재료인 흰색 재료를 수득하였다. 그후에 복합 재료를 염기 처리 방법을 통해 대전시켰다. 염기 처리 방법에서 복합 재료는 수산화나트륨으로 처리하였다. 17.5 mL 증류수 중 분산된 복합 재료 0.5 g 및 2 mL의 1 N HaOH 수용액을 실온에서 교반하면서 첨가하였다(pH 11 내지 12). 반응 혼합물을 5시간 동안 교반하였고 생성물을 원심분리에 의해 분리하였으며 24시간 동안 80℃, 진공 하에서 건조하여 (염기 처리를 통해) 대전된 복합 재료를 생성하였다. 그후에, 2.5 g의 (염기 처리를 통해) 대전된 복합 재료를 250 g의 물, 5.1 g의 벤토나이트, 및 24.9 g의 실리카 가루와 조합하고 혼합하였다. 성분을 5분 동안 혼합하였다. 혼합 후, 재료를 15분 동안 정적 상태로 유지하여 실시예 3을 생성하였다.
점토 팽창에 대한 대전된 복합 재료의 효과
점토 재료 중 팽창의 억제제로서 개시된 복합 재료의 효과를 관찰하기 위해, 점토 팽창 시험을 팬 모세관 흡입 타이머(Fann Capillary Suction Timer; CST)를 사용하여 수행하였다. 점토 팽창 시험을 수행하기 위해, 5 mL의 각각의 비교 실시예 A, 비교 실시예 B, 실시예 2, 및 실시예 3을 사용하였다. 흡입 타이머를 사용하는 모세관 흡입을 통해 필터 종이를 통과하는 물의 속도를 기록하였다. 점토 팽창 시험으로부터의 정규화된 결과가 표 1에 제공된다.
표 1. 실시예 2, 실시예 3, 비교 실시예 A, 및 비교 실시예 B에 대한 점토 팽창 시험 결과.
Figure pct00003
점토 팽창 시험의 결과는 점토 팽창 억제제를 갖지 않은 비교 실시예 A와 비교할 때 실시예 2 및 실시예 3이 우수한 항-팽창 특성을 나타내었다는 사실을 나타낸다. 추가적으로, 통상적인 점토 팽창 억제제와 비교할 때, 비교 실시예 B, 실시예 2 및 실시예 3은 근본적으로 동일한 성능을 내었다. 앞서 설명된 바와 같이, 웰보어 유체 및 기타 웰보어 건설 및 생성 적용 시 사용되는 점토 팽창 억제제 또는 셰일 억제제는 웰보어 건설 및 생성 증대 작업 동안 점토계 재료가 팽창하는 것을 적어도 부분적으로 방지하는 데에 이용될 수 있다. 어떤 억제제도 갖지 않은 비교 실시예 A는 CST 시험에서 필터 종이를 통과하는 물의 높은 속도를 나타내었다. 염화콜린(오로지 유기 억제제)를 포함한 비교 실시예 B는 여과 종이를 통과하는 물의 더 적은 속도를 나타내었다; 그러나, 염화콜린은 살아있는 유기체에 유해한 것으로 간주되므로, 실시예 2 및 3이 비교 실시예 B에 비해 개선된 결과를 나타내었다.
비교 실시예 C - 억제제 사용 안함
비교 실시예 C는 팽창 억제제 첨가제를 포함하지 않은 셰일/웰보어 유체 혼합물의 시료였다. 셰일은, 절단물을 벤치탑 조 크러셔(benchtop jaw crusher)를 이용해 또는 망치를 이용해 수동으로 작은 조각으로 깸으로써 피에르 II 셰일(Pierre II Shale) 절단물로부터 제조하였다. 그후에 깨진 절단물은 #4 크기 메쉬 스크린(0.187 인치)를 통과하였다. 그후에 #4 메쉬 스크린을 통과한 깨진 절단물은 #8 메쉬 스크린(0.0937 인치)를 통과하였다. #8 메쉬를 통과한 깨진 절단물은 버린 반면, #8 메쉬 스크린에 의해 유지된 5 그램의 깨진 절단물은 0.125 그램의 잔탄검, 및 58.3 그램의 합성 아라비아 해수[CaCl2(1.71 g/L), MgCl2(8.26 g/L), KCl(1.13 g/L), NaCl(41.72 g/L), NaHCO3(0.21 g/L), Na2SO4(6.12 g/L)]와 혼합하여 비교 실시예 C를 생성하였다.
비교 실시예 D - 통상적인 억제제 사용
비교 실시예 D는 통상적인 팽창 억제제 첨가제를 포함한 셰일/웰보어 유체 혼합물의 시료였다. 시료를 제조하기 위해, 5 그램의 셰일을 비교 실시예 C에 앞서 기재된 바와 같이 수득하였는데, 이는 0.125 그램의 잔탄검, 0.5 g의 상업적으로-이용가능한 유기 억제제 첨가제 염화콜린, 및 58.3 그램의 합성 아라비아 해수[CaCl2(1.71 g/L), MgCl2(8.26 g/L), KCl(1.13 g/L), NaCl(41.72 g/L), NaHCO3(0.21 g/L), Na2SO4(6.12 g/L)]와 혼합하여 비교 실시예 D를 생성하였다.
실시예 4 - 산성화를 통해 대전된, 대전된 복합 재료 사용
실시예 4는 산성화를 통해 대전된, 현재-기재된 대전된 복합 재료의 구현예를 포함하는 셰일/웰보어 유체 혼합물의 시료였다. 먼저, 복합 재료를 10.0 그램(g)의 염화마그네슘 6수화물을 250 밀리리터(mL)의 에탄올 중 용해하여 용액을 제조함으로써 합성하였다. 그후에, 15.0 mL의 아미노프로필트리에톡시실란을 교반하면서 실온에서 용액에 첨가하였다. 다음으로, 계속적인 교반과 함께 및 30분(min)의 시간에 걸쳐, 실온에서 용액이 10 내지 12의 pH를 가질 때까지 1 노말(N) NaOH 용액을 용액에 첨가하였다. 그후에 반응 혼합물을 대략 3시간 내지 4시간 동안 실온에서 계속적으로 교반하였고, 대략 2일 동안 환류하였다. 그후에 반응 혼합물을 냉각하고, 여과하고, 원심분리하였고, 100 mL의 탈염수로 3회 세척하였으며, 80℃, 진공 내에서 건조하여, 복합 재료인 흰색 재료를 수득하였다. 그후에 복합 재료를 산성화를 통해 대전시켰다. 산성화 방법은 복합 재료를 염산으로 처리하는 단계를 포함하였다 12.5 mL 증류수 중 분산된 복합 재료 0.5 g 및 7 mL의 1 N HCl 수용액을 실온에서 교반하면서 첨가하였다(pH 7-8). 반응 혼합물을 5시간 동안 교반하였고 생성물을 원심분리에 의해 분리하였으며 24시간 동안 80℃, 진공 하에서 건조하여 (산성화를 통해) 대전된 복합 재료를 생성하였다. 시료를 제조하기 위해, 5 그램의 셰일을 실시예 C에 앞서 기재된 바와 같이 수득하였는데, 이는 0.125 그램의 잔탄검, 0.5 g의 (산성화를 통해) 대전된 복합 재료, 및 58.3 그램의 합성 아라비아 해수[CaCl2(1.71 g/L), MgCl2(8.26 g/L), KCl(1.13 g/L), NaCl(41.72 g/L), NaHCO3(0.21 g/L), Na2SO4(6.12 g/L)]와 혼합하여 실시예 4를 생성하였다.
실시예 5 - 염기 처리를 통해 대전된, 대전된 복합 재료 사용
실시예 5는 염기 처리를 통해 대전된, 현재-기재된 대전된 복합 재료의 구현예를 포함하는 셰일/웰보어 유체 혼합물의 시료였다. 먼저, 복합 재료를 10.0 그램(g)의 염화마그네슘 6수화물을 250 밀리리터(mL)의 에탄올 중 용해하여 용액을 제조함으로써 합성하였다. 그후에, 15.0 mL의 아미노프로필트리에톡시실란을 교반하면서 실온에서 용액에 첨가하였다. 다음으로, 계속적인 교반과 함께 및 30분(min)의 시간에 걸쳐, 실온에서 용액이 10 내지 12의 pH를 가질 때까지 1 노말(N) NaOH 용액을 용액에 첨가하였다. 그후에 반응 혼합물을 대략 3시간 내지 4시간 동안 실온에서 계속적으로 교반하였고, 대략 2일 동안 환류하였다. 그후에 반응 혼합물을 냉각하고, 여과하고, 원심분리하였고, 100 mL의 탈염수로 3회 세척하였으며, 80℃, 진공 내에서 건조하여, 복합 재료인 흰색 재료를 수득하였다. 그후에 복합 재료를 염기 처리 방법을 통해 대전시켰다. 염기 처리 방법에서 복합 재료는 수산화나트륨으로 처리하였다. 17.5 mL 증류수 중 분산된 복합 재료 0.5 g 및 2 mL의 1 N HaOH 수용액을 실온에서 교반하면서 첨가하였다(pH 11 내지 12). 반응 혼합물을 5시간 동안 교반하였고 생성물을 원심분리에 의해 분리하였으며 24시간 동안 80℃, 진공 하에서 건조하여 (염기 처리를 통해) 대전된 복합 재료를 생성하였다. 시료를 제조하기 위해, 5 그램의 셰일을 실시예 C에 앞서 기재된 바와 같이 수득하였는데, 이는 0.125 그램의 잔탄검, 0.5 g의 (염기 처리를 통해) 대전된 복합 재료, 및 58.3 그램의 합성 아라비아 해수[CaCl2(1.71 g/L), MgCl2(8.26 g/L), KCl(1.13 g/L), NaCl(41.72 g/L), NaHCO3(0.21 g/L), Na2SO4(6.12 g/L)]와 혼합하여 실시예 5를 생성하였다.
셰일 분산에 대한 대전된 복합 재료의 효과
셰일 분산 시험을 사용하여 대전된 복합 재료의 효과를 추가로 분석하였다. 셰일 분산 시험은 비교 실시예 C, 비교 실시예 D, 실시예 4, 및 실시예 5 각각의 양을 개별적으로 80℉에서 16시간 동안 열간 압연함으로써 수행하였다. 16, 시간 후, 분산물을 #8 메쉬를 통과시켜 팽창되지 않은 임의의 셰일을 회수하였다. 셰일 분산 시험으로부터 회수된, 회수된 셰일의 양을 계산하였고, 결과가 표 2에 제공된다.
표 2. 실시예 4, 실시예 5, 비교 실시예 C, 및 비교 실시예 D에 대한 점토 팽창 시험 결과.
Figure pct00004
셰일 분산 시험의 결과는 억제제가 없는 유체 및 통상적인 유기 억제제가 있는 유체(각각 비교 실시예 C 및 D)로부터 회수된 셰일의 양이 대전된 복합 재료가 있는 유체(실시예 4 및 5)보다 적다는 것을 나타내었다. 대전된 복합 재료로 처리된 셰일(실시예 2 및 3)은 보다 우수한 셰일 회수율(대략 86%)를 나타내었으며, 그럼으로써 최소량의 점토 팽창을 나타내었다. 비교 실시예 D(염화콜린)은 대략 82%의 셰일 회수율을 나타내었으며, 그럼으로써 보다 많은 점토 팽창을 나타내었고, 비교 실시예 C(억제제 없음)은 셰일의 불량한 회수율(대략 64%)을 입증하였다. 이들 결과는 셰일 입자 주위의 무기 필름의 형성으로부터의 것인데, 이는 셰일의 수화를 감소시키는 것으로 여겨진다. 비교 실시예 C의 경우 셰일의 감소된 회수율은 물 분자가 셰일을 수화하여 셰일의 팽창 및 부식을 유발함을 나타내는 것으로 여겨진다. 그 결과, 대전된 복합 재료의 구현예는, 통상적인 억제제가 있는 웰보어 유체 및 억제제가 없는 유체와 비교하여 점토 팽창 억제제로서 개선된 결과를 제공하는 것으로 여겨진다.
본 개시내용은 하나 이상의 비-제한적인 양태를 포함한다. 제1 양태는 대전된 복합 재료를 생성하는 방법을 포함하며, 방법은: 복합 재료를 합성하는 단계로서, 복합 재료가 무기 복합 성분 및 유기 성분을 포함하는 단계; 및 복합 재료를 대전시켜 대전된 복합 재료를 생성하는 단계를 포함한다. 유기 성분은 하나 이상의 1차 또는 2차 아민을 포함할 수 있다; 유기 성분은 무기 복합 성분에 공유결합으로 결합될 수 있다. 대전된 복합 재료는 양으로 대전될 수 있다.
제2 양태는 복합 재료를 합성하는 단계가 마그네슘을 포함하는 재료 및 규소를 포함하는 재료를 조합하는 단계를 포함하는 것을 추가로 포함하는 제1 양태를 포함할 수 있다.
제3 양태는 1차 또는 2차 아민의 산성화에 의해 또는 염기 처리에 의해 복합 재료를 대전시키는 단계를 추가로 포함하는, 전술한 양태 중 임의의 것을 포함할 수 있다.
제4 양태는 1차 또는 2차 아민의 4차화에 의해 복합 재료를 대전시키는 단계를 추가로 포함하는, 전술한 양태 중 임의의 것을 포함할 수 있다.
제5 양태는 제2 내지 제4 양태 중 임의의 것을 포함할 수 있으며, 여기서 실란 또는 유기실란은 3-(아미노페녹시)프로필트리에톡시실란, N-(2-아미노에틸)-3-아미노프로필트리메톡시실란, (3-아미노프로필)트리메톡시실란, 11-아미노운데실트리메톡시실란, N-(6-아미노헥실)아미노메틸트리메톡시실란, 또는 N-(2-아미노에틸)-11-아미노운데실트리메톡시실란 중 어느 하나 이상을 포함한다.
제6 양태는: 수성 염기 유체; 마그네슘 및 규소를 포함하는 무기 복합 성분을 포함하는 대전된 복합 재료; 및 1차 및 2차 아민으로부터 선택되는 유기 성분을 포함하는 지하 웰보어 유체를 포함할 수 있다. 유기 성분은 무기 복합 성분에 공유결합으로 결합될 수 있다.
제7 양태는 제6 양태를 포함할 수 있으며, 여기서 무기 복합 성분은 마그네슘을 포함하는 내부 팔면체 층, 마그네슘을 포함하는 내부 팔면체 층의 하나의 측면 상의 규소를 포함하는 제1 사면체 외부 층, 및 마그네슘을 포함하는 내부 팔면체 층의 반대쪽 측면 상의 규소를 포함하는 제2 사면체 외부 층을 포함한다.
제8 양태는 제6 내지 제7 양태 중 임의의 것을 포함할 수 있으며, 여기서 복합 재료는 양으로 대전된다.
제9 양태는 제6 내지 제8 양태 중 임의의 것을 포함할 수 있으며, 여기서 제1 및 제2 아민은 알킬 또는 아릴 1차 및 2차 아민을 포함한다.
제10 양태는: 마그네슘 및 규소를 포함하는 무기 복합 성분, 하나 이상의 1차 또는 2차 아민을 포함하는 유기 성분을 포함하는 대전된 복합 재료를 포함할 수 있다. 복합 재료는 양으로 대전될 수 있으며, 유기 성분은 무기 복합 성분에 공유결합으로 결합될 수 있다.
제11 양태는 제10 양태를 포함할 수 있으며, 여기서 마그네슘은 팔면체 층 내에 존재한다.
제12 양태는 제10 내지 제11 양태 중 임의의 것을 포함할 수 있으며, 여기서 규소는 2개의 사면체 층 내에 존재한다.
제13 양태는 제10 내지 제12 양태 중 임의의 것을 포함할 수 있으며, 여기서 마그네슘 성분은 3-(아미노페녹시)프로필트리에톡시실란, N-(2-아미노에틸)-3-아미노프로필트리메톡시실란, (3-아미노프로필)트리메톡시실란, 11-아미노운데실트리메톡시실란, N-(6-아미노헥실)아미노메틸트리메톡시실란, 또는 N-(2-아미노에틸)-11-아미노운데실트리메톡시실란 중 어느 하나 이상을 포함한다.
제14 양태는 제10 내지 제13 양태 중 임의의 것을 포함할 수 있으며, 여기서 규소 대 마그네슘 비율은 0.7:1 내지 1.5:1이다.
제15 양태는 제10 내지 제14 양태 중 임의의 것을 포함할 수 있으며, 여기서 무기 복합 성분은 1 nm 내지 5 nm의 두께 및 50 nm 내지 500 nm의 측면 치수를 갖는다.
첨부된 청구범위에 정의된 본 개시내용의 범주를 벗어나지 않으면서 수정 및 변형이 가능하다는 사실은 명백할 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시내용의 일부 양태가 바람직한 것으로서 또는 특히 유리한 것으로서 식별되었지만, 본 개시내용이 이들 양태에 반드시 제한되는 것은 아니라는 점이 고려된다.

Claims (15)

  1. 대전된 복합 재료를 생성하는 방법으로서, 방법은:
    복합 재료를 합성하는 단계로서, 복합 재료가 무기 복합 성분 및 유기 성분을 포함하는 단계; 및
    상기 복합 재료를 대전시켜 대전된 복합 재료를 생성하는 단계를 포함하되,
    상기 유기 성분은 하나 이상의 1차 또는 2차 아민을 포함하고;
    상기 유기 성분은 무기 복합 성분에 공유결합으로 결합되고;
    상기 대전된 복합 재료는 양으로 대전되는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 복합 재료를 합성하는 단계는 마그네슘을 포함하는 재료 및 규소를 포함하는 재료를 조합하는 단계를 포함하는, 방법.
  3. 제1항에 있어서, 1차 또는 2차 아민의 산성화에 의해 또는 염기 처리에 의해 복합 재료를 대전시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  4. 제1항에 있어서, 1차 또는 2차 아민의 4차화에 의해 복합 재료를 대전시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  5. 제2항에 있어서, 상기 규소를 포함하는 재료는 3-(아미노페녹시)프로필트리에톡시실란, N-(2-아미노에틸)-3-아미노프로필트리메톡시실란, (3-아미노프로필)트리메톡시실란, 11-아미노운데실트리메톡시실란, N-(6-아미노헥실)아미노메틸트리메톡시실란, 또는 N-(2-아미노에틸)-11-아미노운데실트리메톡시실란 중 어느 하나 이상을 포함하는, 방법.
  6. 지하 웰보어 유체로서,
    수성 염기 유체; 및
    마그네슘 및 규소를 포함하는 무기 복합 성분; 및
    1차 및 2차 아민으로부터 선택되는 유기 성분을 포함하는
    대전된 복합 재료;를 포함하되,
    상기 유기 성분은 무기 성분에 공유결합으로 결합되는, 지하 웰보어 유체.
  7. 제6항에 있어서, 상기 무기 복합 성분은 마그네슘을 포함하는 내부 팔면체 층, 마그네슘을 포함하는 내부 팔면체 층의 하나의 측면 상의 규소를 포함하는 제1 사면체 외부 층, 및 마그네슘을 포함하는 내부 팔면체 층의 반대쪽 측면 상의 규소를 포함하는 제2 사면체 외부 층을 포함하는, 지하 웰보어 유체.
  8. 제6항에 있어서, 상기 복합 재료는 양으로 대전되는, 지하 웰보어 유체.
  9. 제6항에 있어서, 상기 1차 및 2차 아민은 알킬 또는 아릴 1차 및 2차 아민을 포함하는, 지하 웰보어 유체.
  10. 대전된 복합 재료로서,
    마그네슘 및 규소를 포함하는 무기 복합 성분, 및
    하나 이상의 1차 또는 2차 아민을 포함하는 유기 성분을 포함하되,
    상기 복합 재료는 양으로 대전되며;
    상기 유기 성분은 무기 복합 성분과 공유결합으로 결합되는, 대전된 복합 재료.
  11. 제10항에 있어서, 상기 마그네슘은 팔면체 층 내에 존재하는, 대전된 복합 재료.
  12. 제10항에 있어서, 상기 규소는 2개의 사면체 층 내에 존재하는, 대전된 복합 재료.
  13. 제10항에 있어서, 상기 마그네슘 성분은 3-(아미노페녹시)프로필트리에톡시실란, N-(2-아미노에틸)-3-아미노프로필트리메톡시실란, (3-아미노프로필)트리메톡시실란, 11-아미노운데실트리메톡시실란, N-(6-아미노헥실)아미노메틸트리메톡시실란, 또는 N-(2-아미노에틸)-11-아미노운데실트리메톡시실란 중 어느 하나 이상을 포함하는, 대전된 복합 재료.
  14. 제10항에 있어서, 상기 규소 대 마그네슘 비율은 0.7:1 내지 1.5:1인, 대전된 복합 재료.
  15. 제10항에 있어서, 상기 무기 복합 재료는 1 nm 내지 5 nm의 두께 및 50 nm 내지 500 nm의 측면 치수를 갖는, 대전된 복합 재료.
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