WO2015037672A1 - ビニルアルコール系重合体及びその製造方法、掘削泥水用添加剤、掘削泥水、掘削セメントスラリー用添加剤、並びに掘削セメントスラリー - Google Patents

ビニルアルコール系重合体及びその製造方法、掘削泥水用添加剤、掘削泥水、掘削セメントスラリー用添加剤、並びに掘削セメントスラリー Download PDF

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    • C08F2810/50Chemical modification of a polymer wherein the polymer is a copolymer and the modification is taking place only on one or more of the monomers present in minority

Definitions

  • the present invention relates to a specific vinyl alcohol polymer crosslinked by a specific structure, a method for producing the same, an additive for drilling mud useful for well drilling applications containing the vinyl alcohol polymer, drilling mud,
  • the present invention relates to an additive for drilling cement slurry and a drilling cement slurry.
  • drilling mud and drilling cement slurry In wells for collecting oil and natural gas reserves, it has long been known to use drilling mud and drilling cement slurry.
  • the function of drilling mud is to carry drilled rocks and debris, lubricate bits and drill pipes, fill holes in porous ground, and offset reservoir pressure caused by hydrostatic pressure. Is mentioned.
  • Such drilling muds are required to have a high specific gravity, which is preferably achieved by adding barite, salt or clay.
  • the drilling mud is also required to have temperature stability and appropriate flow characteristics that are not significantly affected by changes in electrolyte concentration. In order to satisfy these performances, adjustment of the viscosity of the drilling mud and suppression of dissipation of moisture contained in the drilling mud (hereinafter sometimes referred to as dehydration) can be mentioned.
  • excavation cement slurry is used to harden a tubular void portion between a formation and a casing pipe installed in a well with a cement material.
  • a drilling cement slurry is pumped into a tubular void portion between the formation and the casing pipe, and the tubular void portion is filled with the drilling cement slurry sequentially from the bottom of the borehole and hardened.
  • Drilling cement slurry needs to be easy to pump. That is, it is required to have a very low viscosity and not separate.
  • additives include cement hardeners, cement retarders, dispersants, cement dehydration reducers, low specific gravity additives, high specific gravity additives, cement expansion materials, cement strength stabilizers, quartzite powder, and the like. These additives are used in combination depending on well conditions and purpose.
  • Patent Document 1 discloses a method using a vinyl alcohol polymer having a saponification degree of 95 mol% or more
  • Patent Document 2 discloses a method using a vinyl alcohol polymer having a saponification degree of 92 mol% or less. ing.
  • the dehydration reduction performance is particularly insufficient at a high temperature, or the viscosity of the excavated cement slurry is increased, which makes it difficult to feed by a pump.
  • Patent Document 3 uses a vinyl alcohol polymer crosslinked with melamine-formaldehyde
  • Patent Document 4 includes acetalization reaction, etc.
  • the use of a vinyl alcohol polymer produced by crosslinking the hydroxyl group of a vinyl alcohol polymer is disclosed in Patent Document 5, and the use of a vinyl alcohol polymer produced by pH sensitive crosslinking such as boron ions is disclosed in Patent Document 5.
  • Patent Document 5 uses a vinyl alcohol polymer produced by crosslinking the hydroxyl group of a vinyl alcohol polymer
  • Patent Document 5 uses a vinyl alcohol polymer produced by pH sensitive crosslinking such as boron ions.
  • a certain effect has been obtained in improving dehydration reduction performance at high temperatures.
  • it is necessary to react with a crosslinking agent after producing a water-soluble vinyl alcohol polymer, which is economically effective. is not.
  • An object of the present invention is to provide a crosslinked vinyl alcohol polymer capable of improving dehydration and viscosity increase at high temperature in drilling mud and drilling cement slurry used for applications such as well drilling. To do.
  • Another object of the present invention is to provide a method for producing a vinyl alcohol polymer, which can provide the crosslinked vinyl alcohol polymer economically and advantageously.
  • the present invention provides an additive for drilling mud, an additive for drilling mud, an additive for drilling cement slurry, and a drilling cement slurry, which are useful for well drilling applications, etc., containing the above-mentioned crosslinked vinyl alcohol polymer. Objective.
  • the present inventors have improved dehydration and viscosity increase at high temperatures according to a water-insoluble vinyl alcohol polymer crosslinked with a specific structure. It was found that drilling mud and drilling cement slurry can be easily obtained, and further studies were made based on the findings to complete the present invention.
  • the present invention Vinyl alcohol heavy polymer which is cross-linked by the structure represented by the following formula (1) and / or disulfide structure and is not completely dissolved when added to water at a concentration of 4% by mass and stirred at 95 ° C. for 3 hours. It is a coalescence.
  • the vinyl alcohol polymer is preferably in the form of a powder, and more preferably passes through a 10 mesh sieve according to JIS standards.
  • the present invention also includes the following method for producing a vinyl alcohol polymer.
  • the drilling mud and drilling cement slurry containing the vinyl alcohol polymer of the present invention can effectively fill, for example, a hole in a porous ground, and the dehydration on the wall of the formation is effectively suppressed. It is considered that excellent characteristics in well drilling applications such as
  • the reaction in each of the above methods may be performed under solvent-free conditions or in the presence of a solvent.
  • the type of the solvent is not particularly limited, but a compound having two or more mercapto groups in one molecule and / or a compound having two or more epoxy groups in one molecule When these are used, a solvent capable of dissolving or swelling them is preferable.
  • the solvent include alcohols such as methanol, ethanol, n-propyl alcohol and n-butyl alcohol; aromatic hydrocarbons such as benzene, toluene and xylene; ethers such as tetrahydrofuran, dioxane and diethyl ether. Aliphatic hydrocarbons such as n-hexane, and the like. These solvents may be used alone or in combination of two or more.
  • the compound having two or more mercapto groups in one molecule that can be used as a crosslinking agent is not particularly limited.
  • “Cup Cure” 3-800LC manufactured by BASF
  • “Polythiol” QE- 340M manufactured by Toray Fine Chemical Co., Ltd.
  • “Thicol LP” manufactured by Toray Fine Chemical Co., Ltd.
  • “Karenzu MT” PE1 manufactured by Showa Denko KK
  • “Karenzu MT” BD1 manufactured by Showa Denko KK
  • “Karenzu MT” NR1 Manufactured by Showa Denko
  • trimethylolethane tris 3-mercaptobutyrate
  • Such drilling mud is manufactured by mixing the mud quality, water, and the drilling mud additive. Specifically, the drilling mud is manufactured by adding the additive for drilling mud and optional components as necessary, based on a water-clay suspension in which mud is dispersed and suspended in the water. can do.
  • mud examples include bentonite, attapulgite, selenite, hydrous magnesium silicate, etc., among which bentonite is preferable.
  • Portland cement is stipulated in JIS R5210: 2009, specifically, ordinary Portland cement, early-strength Portland cement, ultra-early strength Portland cement, moderately hot Portland cement, low heat Portland cement, sulfate resistant Portland cement, low Alkaline type Portland cement is mentioned.
  • mixed cement those specified in JIS R5211-15213: 2009, specifically, blast furnace cement, fly ash cement, and silica cement may be mentioned.
  • Special cements include those based on Portland cement, those in which the composition and particle size composition of Portland cement are changed, and those that are different from Portland cement.
  • Examples of the special cement based on Portland cement include expansive cement, two-component low heat-generating cement, and three-component low heat-generating cement.
  • Examples of special cements that change the composition and particle size composition of Portland cement include white Portland cement, cement-based solidified material (geo-cement), ultrafine particle cement, and high belite cement.
  • Examples of the special cement having a component different from that of Portland cement include ultrafast cement, alumina cement, phosphate cement, and air-hardening cement.
  • the liquid agent is selected according to the type of the curable powder, and examples thereof include water, a solvent, and a mixture thereof, but water is generally used.
  • the ratio of the curable powder and the liquid agent in the drilling cement slurry may be appropriately determined according to the specific gravity of the target slurry, the strength of the cured body, and the like.
  • the mass ratio (W / C) of water and cement is 0.25 or more from the viewpoint of the specific gravity of the slurry and the strength of the hardened body. 1.00 or less is preferable and 0.30 or more and 0.80 or less is more preferable.
  • the dispersant examples include anionic polymers such as naphthalene sulfonic acid formalin condensate, melamine sulfonic acid formalin condensate, and polycarboxylic acid polymer, among which naphthalene sulfonic acid formalin condensate is preferable.
  • the content of the dispersing agent is usually 0.05% by mass (BWOC) or more and 2% by mass (BWOC) or less, preferably 0.2% by mass (BWOC) or more and 1% by mass (BWOC) or less.
  • the antifoaming agent examples include alcohol alkylene oxide adducts, fatty acid alkylene oxide adducts, polypropylene glycol, fatty acid soaps, silicon compounds, and the like, among which silicon compounds are preferable.
  • the content of the defoaming agent is usually 0.0001% by mass (BWOC) or more and 0.1% by mass (BWOC) or less, preferably 0.001% by mass (BWOC) or more and 0.05% by mass (BWOC) or less. It is.
  • the above PVAc methanol solution was charged into a 1 L reaction vessel so that the mass of PVAc was 50 g, and the concentration was adjusted to 30% by adding methanol, and then a compound having two or more mercapto groups in one molecule ( As a crosslinking agent), 4.0 g of “Polythiol” QE-340M manufactured by Toray Fine Chemical Co., Ltd. was charged. Under this condition, the molar ratio of the epoxy group present in the reaction solution to the mercapto group used ([number of moles of epoxy group] / [number of moles of mercapto group]) is 1/1.
  • the temperature of the reaction solution was adjusted to 40 ° C., and an NaOH methanol solution (10 mass%) so that the alkali molar ratio ([number of moles of NaOH] / [number of moles of vinyl ester units constituting PVAc]) was 0.05. Concentration) was added to carry out the saponification reaction.
  • the gel-like material obtained 60 minutes after the start of the reaction was pulverized and then dried at 100 ° C. for 3 hours with a hot air dryer.
  • the obtained dry powder was further pulverized by a pulverizer, and 10 g of a powdery vinyl alcohol polymer passing through a 30 mesh sieve was collected when a JIS standard sieve was used.
  • the dewatering amount of this drilling mud was measured under high temperature and high pressure.
  • the measurement was performed by using an HPHT Filter Press Series 387 manufactured by Fann Instrument Co., Ltd., injecting the drilling mud into the cell adjusted to a temperature of 150 ° C., and letting it stand for 1 hour. Measurements were made at 500 psi. The amount of dehydration for 30 minutes was 12 mL.
  • Comparative Example 1 shows an evaluation result of drilling mud without adding a vinyl alcohol polymer.
  • the amount of dehydration was as much as 150 mL.
  • Comparative Examples 5 and 6 show the results of adding commercially available water-soluble vinyl alcohol polymer PVA-117 (saponification degree 98.5 mol%, polymerization degree 1700) manufactured by Kuraray.
  • PVA-117 saponification degree 98.5 mol%, polymerization degree 1700
  • the viscosity of the prepared drilling mud was as low as 60 mPa ⁇ s, but the amount of dewatering was relatively large at 30 mL or more.
  • PVA-117 was dissolved in water and added in advance
  • the viscosity was very high at 10,000 mPa ⁇ s and the dehydration amount was 30 mL or more.
  • the vinyl alcohol polymer was crosslinked using a reaction between an epoxy group and a mercapto group, or using a coupling reaction between mercapto groups. It was “soluble” in water at 0 ° C.
  • the viscosity of the prepared drilling mud was as low as 61 mPa ⁇ s or 63 mPa ⁇ s, but the dewatering amount was 30 mL or more in both cases.
  • the water-insoluble vinyl alcohol polymer crosslinked by the structure represented by the formula (1) and / or the disulfide structure of the present invention was used for the preparation of drilling mud.
  • the viscosity is low, and dehydration at high temperature is suppressed, which is very useful.
  • Example 8 (Preparation of cement slurry) 4 g of the vinyl alcohol polymer powder prepared in Example 1 was added to 320 g of ion-exchanged water, 800 g of well class H cement, 4 g of naphthalenesulfonic acid formalin condensate sodium salt (“Daxad-19” manufactured by Dipersity Technologies), and Cement slurry (S-1) was prepared by adding 0.16 g of lignin sulfonic acid sodium salt ("Keling 32L” manufactured by Lignotech USA) to a juice mixer and stirring and mixing. The addition amount of the vinyl alcohol polymer powder was 0.5% by mass based on the mass of cement (BWOC).
  • Comparative Example 11 A cement slurry was prepared in the same manner as in Example 8 except that PVA-124 manufactured by Kuraray Co., Ltd. (saponification degree: 98.5 mol%, polymerization degree: 2400, passing through a 30-mesh sieve according to JIS standards) was used.
  • Plastic viscosity (PV) and yield value (YV) were measured according to the method described in “Appendix H” of “API 10” (American Institute Specification 10) after adjusting the temperature of the cement slurry to 25 ° C. or 90 ° C.
  • the plastic viscosity (PV) and the yield value (YV) were calculated by the following equations.
  • Plastic viscosity (PV) (300 rpm reading-100 rpm reading) x 1.5
  • Yield value (YV) (300 rpm reading-plastic viscosity)
  • Dehydrated amount The amount of dewatering was measured as the amount of cement slurry adjusted to 90 ° C. for 30 minutes under the condition of a differential pressure of 1000 psi according to the method described in “Appendix H” of “API10” (American Institute Specification 10). .
  • the cement slurry of Example 8 was excellent in viscosity, and the amount of dehydration at 90 ° C. was 22 mL, and dehydration at high temperature was suppressed.

Abstract

 本発明は、下記式(1)で表される構造及び/又はジスルフィド構造により架橋されたビニルアルコール系重合体であって、4質量%の濃度となるように水に添加し95℃で3時間撹拌した際に完溶しない、ビニルアルコール系重合体である。なお、式(1)中、R、R及びRは、それぞれ独立して、水素原子又は置換基を有してもよい炭素数8以下の炭化水素基を表す。本発明は、当該ビニルアルコール系重合体を含有する掘削泥水用添加剤、当該ビニルアルコール系重合体が添加された掘削泥水、当該ビニルアルコール系重合体を含有する掘削セメントスラリー用添加剤、及び当該ビニルアルコール系重合体が添加された掘削セメントスラリーも含む。

Description

ビニルアルコール系重合体及びその製造方法、掘削泥水用添加剤、掘削泥水、掘削セメントスラリー用添加剤、並びに掘削セメントスラリー
 本発明は、特定の構造により架橋された特定のビニルアルコール系重合体、その製造方法、並びに当該ビニルアルコール系重合体を含有する坑井掘削用途等で有用な掘削泥水用添加剤、掘削泥水、掘削セメントスラリー用添加剤及び掘削セメントスラリーに関する。
 石油及び天然ガス埋蔵物を採収するための坑井では、古くより掘削泥水及び掘削セメントスラリーを使用することが公知となっている。掘削泥水の働きとしては、掘削された岩片及び掘削屑を運搬すること、ビット及びドリルパイプを潤滑すること、多孔質の地盤の穴を埋めること、並びに静水圧により生ずる貯留層圧力を相殺することが挙げられる。このような掘削泥水には高い比重を有することが要求され、これは、好ましくは、バライト、塩又はクレーを添加することによって達成される。また、掘削泥水には、温度安定性を有すること及び電解質の濃度変化に大きな影響を受けない適切な流動特性を有することも要求される。これらの性能を満たすためには掘削泥水の粘度を調整すること、及び掘削泥水に含まれる水分の散逸(以下、脱水と称することもある)を抑制することが挙げられる。そこで、通常は、ポリマー類、具体的には例えば、デンプン、デンプンエーテル(カルボキシメチルデンプン等)、カルボキシメチルセルロース、カルボキシメチルヒドロキシエチルセルロースなどを添加剤として添加する方法が採用される。しかし、これらの添加剤は、掘削泥水の粘度を極端に上昇させ、ポンプによる注入を困難にする場合がある。さらに、約120℃を超える温度(デンプン及びその誘導体の場合)又は140~150℃の温度(カルボキシメチルセルロース及びカルボキシメチルヒドロキシエチルセルロースの場合)では脱水の抑制が十分でないという不都合がある。
 一方、掘削セメントスラリーは、地層と坑井内に設置されたケーシングパイプとの間の管状空隙部分をセメント材料で固めるために用いられている。一般には、地層とケーシングパイプとの間の管状空隙部分に掘削セメントスラリーをポンプで送入し、当該掘削セメントスラリーでこの管状空隙部分を坑底から順に充填し、硬化する。これにより、ケーシングパイプが坑井内に固定され、坑井内の内壁が保護される。掘削セメントスラリーは、ポンプによる注入が容易である必要がある。つまり極めて低い粘度を有し、また分離しないことが求められる。
 従来、坑井のセメンチングに使用する掘削セメントスラリーには、各種添加剤を添加したものが使用されている。これらの添加剤としては、セメント速硬剤、セメント遅硬剤、分散剤、セメント脱水減少剤、低比重添加材、高比重添加材、セメント膨張材、セメント強度安定材、珪石粉等が挙げられ、坑井条件と目的に応じてこれら添加剤が組み合わされて用いられている。
 坑井のセメンチングにおいては、材料分離や坑井内の亀裂に逸失するなどして、セメンチング部分に欠陥を生じやすい。従来、クルミ殻、綿実、粘土鉱物、高分子化合物などを添加して対処しており、中でもビニルアルコール系重合体はよく知られた脱水減少防止剤である。特許文献1には、けん化度が95モル%以上のビニルアルコール系重合体を使用する方法が、また特許文献2にはけん化度92モル%以下のビニルアルコール系重合体を使用する方法が開示されている。しかし、これらの方法においても、特に高温における脱水減少性能が不十分であったり、掘削セメントスラリーの粘度を上昇させ、ポンプによる送入が困難となる場合がある。
 高温での脱水減少性能や、掘削セメントスラリーの粘度上昇を改良するために、特許文献3にはメラミン-ホルムアルデヒドにより架橋されたビニルアルコール系重合体の使用が、特許文献4にはアセタール化反応等でビニルアルコール系重合体の水酸基を架橋して生成するビニルアルコール系重合体の使用が、特許文献5にはホウ素イオン等、pHに敏感な架橋により生成するビニルアルコール系重合体の使用が開示されている。いずれの場合も高温での脱水減少性能改良には一定の効果を得ているが、水溶性のビニルアルコール系重合体をいったん製造した後に架橋剤と反応させることが必要であり、経済的に有効ではない。
米国特許第4569395号明細書 米国特許第4967839号明細書 米国特許第5061387号明細書 米国特許第6656266号明細書 米国特許第6739806号明細書
 本発明は坑井掘削などの用途に使用される掘削泥水や掘削セメントスラリーにおいて、高温での脱水や粘度上昇を改良することのできる、架橋されたビニルアルコール系重合体を提供することを目的とする。また本発明は、当該架橋されたビニルアルコール系重合体を経済的に優位に提供することもできる、ビニルアルコール系重合体の製造方法を提供することを目的とする。さらに本発明は上記の架橋されたビニルアルコール系重合体を含有する、坑井掘削用途等で有用な掘削泥水用添加剤、掘削泥水、掘削セメントスラリー用添加剤及び掘削セメントスラリーを提供することを目的とする。
 本発明者らは上記の目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、特定の構造により架橋された水に不溶のビニルアルコール系重合体によれば、高温での脱水や粘度上昇が改良された掘削泥水や掘削セメントスラリーが容易に得られることを見出し、当該知見に基づいてさらに検討を重ねて本発明を完成させた。
 すなわち、本発明は、
 下記式(1)で表される構造及び/又はジスルフィド構造により架橋されており、4質量%の濃度となるように水に添加し95℃で3時間撹拌した際に完溶しないビニルアルコール系重合体である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000002
 式(1)中、R、R及びRは、それぞれ独立して、水素原子又は置換基を有してもよい炭素数8以下の炭化水素基を表す。
 当該ビニルアルコール系重合体は、粉末状であることが好ましく、JIS規格で10メッシュの篩を通過することがより好ましい。
 上記式(1)で表される構造により架橋されたビニルアルコール系重合体は、上記式(1)で表される構造が、エポキシ基とメルカプト基との反応で形成されたもの(以下、ビニルアルコール系重合体(A)ともいう)であることが好ましい。
 上記ジスルフィド構造により架橋されたビニルアルコール系重合体は、上記ジスルフィド構造が、メルカプト基同士のカップリング反応で形成されたもの(以下、ビニルアルコール系重合体(B)ともいう)であることが好ましい。
 本発明は、以下のビニルアルコール系重合体の製造方法も含む。
 ビニルアルコール系重合体(A)の製造方法であって、側鎖にエポキシ基を有する第1ビニルアルコール系重合体と、1分子中に2つ以上のメルカプト基を有する第1化合物とを反応させる工程(a)を有するビニルアルコール系重合体の製造方法。
 ビニルアルコール系重合体(A)の製造方法であって、側鎖にメルカプト基を有する第2ビニルアルコール系重合体と、1分子中に2つ以上のエポキシ基を有する第2化合物とを反応させる工程(b)を有するビニルアルコール系重合体の製造方法。
 ビニルアルコール系重合体(B)の製造方法であって、側鎖にメルカプト基を有する第2ビニルアルコール系重合体同士を反応させる工程(c)を有するビニルアルコール系重合体の製造方法。
 上記反応工程(a)として、上記第1化合物の存在下、アルカリ触媒を用いて側鎖にエポキシ基を有する第1ビニルエステル系重合体をけん化することにより、ビニルエステル単位におけるけん化反応と、エポキシ基とメルカプト基との反応とを同時に進行させることが好ましい。
 上記反応工程(b)として、上記第2化合物の存在下、アルカリ触媒を用いて側鎖にチオエステル基を有する第2ビニルエステル系重合体をけん化することにより、ビニルエステル単位におけるけん化反応と、チオエステル基におけるけん化反応により生じるメルカプト基とエポキシ基との反応とを同時に進行させることが好ましい。
 上記反応工程(c)として、アルカリ触媒を用いて側鎖にチオエステル基を有する第2ビニルエステル系重合体をけん化することにより、ビニルエステル単位におけるけん化反応と、チオエステル基におけるけん化反応により生じるメルカプト基同士のカップリング反応とを同時に進行させることが好ましい。
 本発明は、
 当該ビニルアルコール系重合体を含有する掘削泥水用添加剤、
 当該ビニルアルコール系重合体が添加された掘削泥水、
 当該ビニルアルコール系重合体を含有する掘削セメントスラリー用添加剤、及び
 当該ビニルアルコール系重合体が添加された掘削セメントスラリーも含む。
 本発明によれば、坑井掘削などの用途に使用される掘削泥水や掘削セメントスラリーにおいて、高温での脱水や粘度上昇を改良することのできる、架橋されたビニルアルコール系重合体が提供される。また本発明によれば、当該架橋されたビニルアルコール系重合体を経済的に優位に提供することもできる、ビニルアルコール系重合体の製造方法が提供される。さらに、本発明によれば、上記架橋されたビニルアルコール系重合体を含有する、坑井掘削用途等で有用な掘削泥水用添加剤、掘削泥水、掘削セメントスラリー用添加剤及び掘削セメントスラリーが提供される。
 以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
(ビニルアルコール系重合体)
 本発明のビニルアルコール系重合体は、上記式(1)で表される構造及び/又はジスルフィド構造により架橋されており、当該ビニルアルコール系重合体は、4質量%となるように水に添加し95℃で3時間撹拌した際に完溶しない(水に不溶な成分が残る)ものである。このような特定の構造により架橋された水に不溶のビニルアルコール系重合体を用いることにより、高温での脱水や粘度上昇が改良された掘削泥水や掘削セメントスラリーが容易に得られる。本発明を何ら限定するものではないが、この理由としては、水に不溶の上記ビニルアルコール系重合体が、掘削泥水や掘削セメントスラリー中において水分をまとって存在するためと考えられ、そして、これにより、本発明のビニルアルコール系重合体を含有する掘削泥水や掘削セメントスラリーは、例えば、多孔質の地盤の穴を効果的に埋めることができる、地層の壁面での脱水が効果的に抑制される等の、坑井掘削用途における優れた特性を示すことができるものと考えられる。
 上記式(1)で表される構造において、R、R及びRは、それぞれ独立して、水素原子又は置換基を有してもよい炭素数8以下の炭化水素基である。本発明の効果がより顕著に奏されることから、それぞれ独立して、水素原子又は置換基を有していない炭素数8以下の炭化水素基であることが好ましく、それぞれ独立して、水素原子、メチル基、エチル基、プロピル基又はブチル基であることがより好ましく、いずれも水素原子であることがさらに好ましい。なお、置換基としては、ハロゲン原子などが挙げられる。
 本発明のビニルアルコール系重合体が、上記式(1)で表される構造により架橋されたものである場合において、当該構造は、エポキシ基とメルカプト基との反応で形成されたものであることが、本発明のビニルアルコール系重合体の調製が容易であることなどから好ましい。当該反応は、エポキシ基及びメルカプト基の存在下、必要に応じて加熱したり、触媒を加えたりするなどして行うことができる。
 また、本発明のビニルアルコール系重合体がジスルフィド構造(-S-S-)により架橋されたものである場合において、当該構造は、メルカプト基同士のカップリング反応で形成されたものであることが、本発明のビニルアルコール系重合体の調製が容易であることなどから好ましい。当該カップリング反応は、メルカプト基の存在下、加熱処理することにより行うことができる。加熱処理の条件としては、例えば、反応温度:50~180℃の範囲内、及び、反応時間:0.5~20時間の範囲内とすることができる。当該カップリング反応は酸素の存在により加速されるため、加熱処理は酸素(O)濃度1~20体積%の範囲で行われるのが好ましい。また、この反応はアルカリ触媒を用いたビニルエステル単位におけるけん化反応と同時に行うことができる。
 本発明のビニルアルコール系重合体の代表例としては、上記式(1)で表される構造及び/又はジスルフィド構造を有する単位以外の部分が、ビニルアルコール単位のみ、又はビニルアルコール単位とビニルエステル単位のみから実質的になるものが挙げられる。
 本発明のビニルアルコール系重合体の形態は特に限定されないが、後述する坑井掘削用途での使用を考えると粉末状が好ましい。粉末の大きさは特に限定されないが、JIS規格で10メッシュの篩を通過することが好ましく、JIS規格で16メッシュの篩を通過することがより好ましく、JIS規格で30メッシュの篩を通過することが特に好ましい。このような粉末状のビニルアルコール系重合体は、掘削泥水用添加剤(その添加により所望の掘削泥水とするための添加剤)又は掘削セメントスラリー用添加剤(その添加により所望の掘削セメントスラリーとするための添加剤)として用いた場合、高温での脱水を十分抑制することが容易になる。
(ビニルアルコール系重合体の製造方法)
 本発明のビニルアルコール系重合体の製造方法に特に制限はないが、以下の方法によれば本発明のビニルアルコール系重合体が容易に得られることから好ましい。すなわち、本発明のビニルアルコール系重合体が上記式(1)で表される構造により架橋されたもの(ビニルアルコール系重合体(A))である場合において、当該ビニルアルコール系重合体は、
1.側鎖にエポキシ基を有する第1ビニルアルコール系重合体と、1分子中に2つ以上のメルカプト基を有する第1化合物とを反応させる工程(a)を有する方法;又は
2.側鎖にメルカプト基を有する第2ビニルアルコール系重合体と、1分子中に2つ以上のエポキシ基を有する第2化合物とを反応させる工程(b)を有する方法;
により製造することが好ましい。その他、
3.側鎖にエポキシ基及びメルカプト基の両方を有する第3ビニルアルコール系重合体同士を反応させる工程(x)を有する方法;
により製造することもできる。
 一方、本発明のビニルアルコール系重合体がジスルフィド構造により架橋されたもの(ビニルアルコール系重合体(B))である場合において、当該ビニルアルコール系重合体は、
4.側鎖にメルカプト基を有する第2ビニルアルコール系重合体同士を反応させる工程(c)を有する方法;
により製造することが好ましい。3.及び4.の場合において、反応させるビニルアルコール系重合体は同じ種類のものであっても異なる種類のものであってもどちらでもよい。
 上記の各方法における反応は、無溶媒条件下で行っても、溶媒の存在下で行ってもどちらでもよい。溶媒の存在下で行う場合、その溶媒の種類に特に制限はないが、1分子中に2つ以上のメルカプト基を有する化合物、及び/又は、1分子中に2つ以上のエポキシ基を有する化合物を使用する場合には、これらを溶解又は膨潤させることのできる溶媒が好ましい。具体的な溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、n-プロピルアルコール、n-ブチルアルコール等のアルコール類;ベンゼン、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素類;テトラヒドロフラン、ジオキサン、ジエチルエーテル等のエーテル類;n-ヘキサン等の脂肪族炭化水素類などが挙げられ、これらの溶媒は1種を単独で用いても、2種以上を併用してもよい。
 上記の各方法における反応条件は、エポキシ基の構造やメルカプト基の構造などにより異なるが、通常、溶媒を使用する場合における各種ビニルアルコール系重合体(側鎖にエポキシ基を有するビニルアルコール系重合体、側鎖にメルカプト基を有するビニルアルコール系重合体、又は、側鎖にエポキシ基及びメルカプト基の両方を有するビニルアルコール系重合体)の濃度:5~90質量%、エポキシ基とメルカプト基とを反応させる場合におけるエポキシ基とメルカプト基とのモル比([エポキシ基のモル数]/[メルカプト基のモル数]):0.1~2.0、反応温度:0~250℃、反応時間:0.01~20時間の各範囲から適宜選択するのがよい。また、上記の各方法において、3級アミン(例えばトリエチルアミン、ピリジン等)、ホスフィン(例えばトリブチルホスフィン、トリフェニルホスフィン等)、水酸化ナトリウム、テトラエチルアンモニウムヒドロオキサイド、ナトリウムメチラート等の塩基性化合物を、反応触媒として用いることが好ましい。
 上記した、側鎖にエポキシ基を有するビニルアルコール系重合体、側鎖にメルカプト基を有するビニルアルコール系重合体、並びに、側鎖にエポキシ基及びメルカプト基の両方を有するビニルアルコール系重合体(以下、これらを「側鎖にエポキシ基及び/又はメルカプト基を有するビニルアルコール系重合体」と総称することがある)は、それぞれ、側鎖にエポキシ基を有するビニルエステル系重合体、側鎖にチオエステル基を有するビニルエステル系重合体、並びに、側鎖にエポキシ基及びチオエステル基の両方を有するビニルエステル系重合体(以下、これらを「側鎖にエポキシ基及び/又はチオエステル基を有するビニルエステル系重合体」と総称することがある)を、例えばアルカリ触媒を用いてけん化することにより得ることができる。そのため、本発明のビニルアルコール系重合体は、これらの側鎖にエポキシ基及び/又はチオエステル基を有するビニルエステル系重合体が有するビニルエステル単位におけるけん化反応と、チオエステル基におけるけん化反応により生じるメルカプト基とエポキシ基との反応とを、あるいは、これらの側鎖にエポキシ基及び/又はチオエステル基を有するビニルエステル系重合体が有するビニルエステル単位におけるけん化反応と、チオエステル基におけるけん化反応により生じるメルカプト基同士のカップリング反応とを、同時に(一つの反応系で)進行させることにより製造することができる。このような方法によれば、比較的簡単な操作により本発明のビニルアルコール系重合体が得られ、経済的であることから好ましい。このような方法の具体例としては、以下の方法が挙げられる。
 すなわち、本発明のビニルアルコール系重合体が上記式(1)で表される構造により架橋されたもの(ビニルアルコール系重合体(A))である場合において、当該ビニルアルコール系重合体は、
a.上記反応工程(a)として、1分子中に2つ以上のメルカプト基を有する化合物(第1化合物)の存在下で、アルカリ触媒を用いて側鎖にエポキシ基を有する第1ビニルエステル系重合体をけん化することにより、第1ビニルエステル系重合体が有するビニルエステル単位におけるけん化反応と、エポキシ基とメルカプト基との反応とを同時に進行させる方法;又は
b.上記反応工程(b)として、1分子中に2つ以上のエポキシ基を有する化合物(第2化合物)の存在下で、アルカリ触媒を用いて側鎖にチオエステル基を有する第2ビニルエステル系重合体をけん化することにより、第2ビニルエステル系重合体が有するビニルエステル単位におけるけん化反応と、チオエステル基におけるけん化反応により生じるメルカプト基とエポキシ基との反応とを同時に進行させる方法;
により製造することが好ましい。
 また、上記反応工程(x)として、アルカリ触媒を用いて、側鎖にエポキシ基及びチオエステル基の両方を有する第3ビニルエステル系重合体をけん化することにより、第3ビニルエステル系重合体が有するビニルエステル単位におけるけん化反応と、チオエステル基におけるけん化反応により生じるメルカプト基とエポキシ基との反応とを同時に進行させる方法;
により製造することもできる。
 一方、本発明のビニルアルコール系重合体がジスルフィド構造により架橋されたもの(ビニルアルコール系重合体(B))である場合において、当該ビニルアルコール系重合体は、
c.上記反応工程(c)として、アルカリ触媒を用いて側鎖にチオエステル基を有する第2ビニルエステル系重合体をけん化することにより、第2ビニルエステル系重合体が有するビニルエステル単位におけるけん化反応と、チオエステル基におけるけん化反応により生じるメルカプト基同士のカップリング反応とを同時に進行させる方法;
により製造することが好ましい。
 ビニルエステル単位におけるけん化反応と、チオエステル基におけるけん化反応により生じるメルカプト基とエポキシ基との反応とを、あるいは、ビニルエステル単位におけるけん化反応と、チオエステル基におけるけん化反応により生じるメルカプト基同士のカップリング反応とを、同時に進行させることにより本発明のビニルアルコール系重合体を製造する場合において、これらの反応は、無溶媒条件下で行っても、溶媒の存在下で行っても、どちらでもよい。溶媒の存在下で行う場合、その溶媒の種類に特に制限はないが、1分子中に2つ以上のメルカプト基を有する化合物、及び/又は、1分子中に2つ以上のエポキシ基を有する化合物を使用する場合には、これらを溶解又は膨潤させることのできる溶媒が好ましい。具体的な溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、n-プロピルアルコール、n-ブチルアルコール等のアルコール類;ベンゼン、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素類;テトラヒドロフラン、ジオキサン、ジエチルエーテル等のエーテル類;n-ヘキサン等の脂肪族炭化水素類などが挙げられ、これらの溶媒は1種を単独で用いても、2種以上を併用してもよい。
 ビニルエステル単位におけるけん化反応と、チオエステル基におけるけん化反応により生じるメルカプト基とエポキシ基との反応とを、あるいは、ビニルエステル単位におけるけん化反応と、チオエステル基におけるけん化反応により生じるメルカプト基同士のカップリング反応とを、同時に進行させることにより本発明のビニルアルコール系重合体を製造する場合において、上記のアルカリ触媒としては、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、ナトリウムメトキシドなどが挙げられ、水酸化ナトリウムが好ましい。
 ビニルエステル単位におけるけん化反応と、チオエステル基におけるけん化反応により生じるメルカプト基とエポキシ基との反応とを、あるいは、ビニルエステル単位におけるけん化反応と、チオエステル基におけるけん化反応により生じるメルカプト基同士のカップリング反応とを、同時に進行させることにより本発明のビニルアルコール系重合体を製造する場合において、反応条件は、エポキシ基の構造やチオエステル基の構造などにより異なるが、通常、溶媒を使用する場合の各種ビニルエステル系重合体(側鎖にエポキシ基を有するビニルエステル系重合体、側鎖にチオエステル基を有するビニルエステル系重合体、又は、側鎖にエポキシ基及びチオエステル基の両方を有するビニルエステル系重合体)の濃度:5~90質量%、アルカリ触媒とビニルエステル単位とのモル比([アルカリ触媒のモル数]/[ビニルエステル単位のモル数]):0.01~1.2、エポキシ基とメルカプト基とを反応させる場合のエポキシ基と使用されるチオエステル基とのモル比([エポキシ基のモル数]/[チオエステル基のモル数]):0.1~2.0、反応温度:20~180℃、反応時間:0.1~20時間の各範囲から適宜選択するのがよい。
 上記の側鎖にエポキシ基を有するビニルアルコール系重合体の製造方法は特に限定されないが、ビニルエステルとエポキシ基含有ビニル化合物とを共重合した後、得られた側鎖にエポキシ基を有するビニルエステル系重合体をけん化する方法が好適である。エポキシ基含有ビニル化合物としては、例えば、アリルグリシジルエーテル、メタリルグリシジルエーテル、ブタジエンモノエポキサイド、1,2-エポキシ-5-ヘキセン、1,2-エポキシ-7-オクテン、1,2-エポキシ-9-デセン、8-ヒドロキシ-6,7-エポキシ-1-オクテン、8-アセトキシ-6,7-エポキシ-1-オクテン、N-(2,3-エポキシ)プロピルアクリルアミド、N-(2,3-エポキシ)プロピルメタクリルアミド、4-アクリルアミドフェニルグリシジルエーテル、3-アクリルアミドフェニルグリシジルエーテル、4-メタクリルアミドフェニルグリシジルエーテル、3-メタクリルアミドフェニルグリシジルエーテル、N-グリシドキシメチルアクリルアミド、N-グリシドキシメチルメタクリルアミド、N-グリシドキシエチルアクリルアミド、N-グリシドキシエチルメタクリルアミド、N-グリシドキシプロピルアクリルアミド、N-グリシドキシプロピルメタクリルアミド、N-グリシドキシブチルアクリルアミド、N-グリシドキシブチルメタクリルアミド、4-アクリルアミドメチル-2,5-ジメチル-フェニルグリシジルエーテル、4-メタクリルアミドメチル-2,5-ジメチル-フェニルグリシジルエーテル、アクリルアミドプロピルジメチル(2,3-エポキシ)プロピルアンモニウムクロリド、メタクリルアミドプロピルジメチル(2,3-エポキシ)プロピルアンモニウムクロリド、メタクリル酸グリシジルなどが挙げられる。
 上記の側鎖にメルカプト基を有するビニルアルコール系重合体の製造方法は特に限定されないが、ビニルエステルとチオエステル基含有ビニル化合物とを共重合した後、得られた側鎖にチオエステル基を有するビニルエステル系重合体をけん化する方法が好適である。チオエステル基含有ビニル化合物としては、例えば、下記式(2)で表される化合物などが挙げられる。
 CH(R)=C(R)-X-S-C(=O)-R   (2)
 上記式(2)において、Rは、水素原子又はカルボキシル基であり、Rは、水素原子、メチル基、カルボキシル基又はカルボキシメチル基であり、Xは、炭素原子及び水素原子を含みかつ窒素原子及び/又は酸素原子を含んでいてもよい炭素数1~22の2価の基であり、Rは、水素原子又は炭素数1~8の炭化水素基(メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基等)である。Rがカルボキシル基である場合、当該カルボキシル基は、共重合及びけん化後に、隣接するビニルアルコール単位の水酸基と環を形成することができる。同様に、Rがカルボキシル基又はカルボキシメチル基である場合、当該カルボキシル基又はカルボキシメチル基は、共重合及びけん化後に、隣接するビニルアルコール単位の水酸基と環を形成することができる。
 上記式(2)で表される化合物としては、チオ酢酸S-8-ノネン-1-イルエステル、チオ酢酸S-7-オクテン-1-イルエステル、チオ酢酸S-6-ヘプテン-1-イルエステル、チオ酢酸S-5-ヘキセン-1-イルエステル、チオ酢酸S-4-ペンテン-1-イルエステル、チオ酢酸S-3-ブテン-1-イルエステル等のチオ酢酸アルキレンエステルなどを挙げることができる。
 ビニルエステルの種類に特に制限はなく、例えば、蟻酸ビニル、酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、酪酸ビニル、イソ酪酸ビニル、ピバリン酸ビニル、バーサチック酸ビニル、カプロン酸ビニル、カプリル酸ビニル、カプリン酸ビニル、ラウリン酸ビニル、パルミチン酸ビニル、ステアリン酸ビニル、オレイン酸ビニル、安息香酸ビニルなどが挙げられる。経済的観点からは酢酸ビニルが好ましい。
 ビニルエステルと、エポキシ基含有ビニル化合物及び/又はチオエステル基含有ビニル化合物との共重合の方法としては、例えば、塊状重合法、溶液重合法、懸濁重合法、乳化重合法など任意の重合方法を採用することができる。また、共重合は、無溶媒又はアルコール系溶媒の存在下で行うことができる。その中でも、無溶媒の塊状重合法あるいはアルコール系溶媒を用いた溶液重合法が好適に採用される。アルコール系溶媒は特に限定されないが、例えば、メタノール、エタノール、プロパノールなどを単独で、あるいは2種以上混合して用いることができる。共重合の方式は特に限定されず、回分重合、半回分重合、連続重合、半連続重合のいずれでもよい。
 共重合する際の温度(共重合温度)は特に限定されない。共重合温度は、0~200℃が好ましく、30~140℃がより好ましい。当該温度が0℃以上の場合は、十分な重合速度を得やすい。当該温度が200℃以下の場合は、使用する酢酸ビニルや多官能単量体の分解を十分抑制することができる。
 共重合温度の制御方法は特に限定されない。当該制御方法としては、例えば、重合速度の制御により、重合により生成する熱と、重合容器表面からの放熱とのバランスをとる方法が挙げられる。また、適当な熱媒を用いた外部ジャケットにより制御する方法も挙げられる。安全性の面からは、後者の方法が好ましい。
 共重合する際に使用される重合開始剤は、重合方法に応じて、公知の開始剤(例えばアゾ系開始剤、過酸化物系開始剤、レドックス系開始剤など)から適宜選択すればよい。アゾ系開始剤としては、例えば、2,2’-アゾビスイソブチロニトリル、2,2’-アゾビス(2,4-ジメチルバレロニトリル)、2,2’-アゾビス(4-メトキシ-2,4-ジメチルバレロニトリル)などが挙げられる。過酸化物系開始剤としては、例えば、ジイソプロピルパーオキシジカーボネート、ジ-2-エチルヘキシルパーオキシジカーボネート、ジエトキシエチルパーオキシジカーボネート等のパーカーボネート化合物;t-ブチルパーオキシネオデカネート、α-クミルパーオキシネオデカネート、t-ブチルパーオキシデカネート等のパーエステル化合物;アセチルシクロヘキシルスルホニルパーオキシド;2,4,4-トリメチルペンチル-2-パーオキシフェノキシアセテートなどが挙げられる。これらの開始剤に、過硫酸カリウム、過硫酸アンモニウム、過酸化水素などを組み合わせて開始剤としてもよい。レドックス系開始剤としては、例えば、上記過酸化物と、亜硫酸水素ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、酒石酸、L-アスコルビン酸、ロンガリット等の還元剤とを組み合わせた開始剤などが挙げられる。共重合を高温で行った場合に、酢酸ビニルの分解に起因する着色が見られることがある。その場合、着色の防止を目的として、酒石酸のような酸化防止剤を、ビニルエステルに対して1~100ppm程度、重合系に添加すればよい。
 ビニルエステルと、エポキシ基含有ビニル化合物及び/又はチオエステル基含有ビニル化合物との共重合に際して、本発明の趣旨を損なわない範囲で、これら以外の他の単量体をさらに共重合してもよい。当該他の単量体としては、例えば、エチレン、プロピレン等のα-オレフィン類;(メタ)アクリル酸及びその塩;(メタ)アクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸エチル、(メタ)アクリル酸n-プロピル、(メタ)アクリル酸i-プロピル、(メタ)アクリル酸n-ブチル、(メタ)アクリル酸i-ブチル、(メタ)アクリル酸t-ブチル、(メタ)アクリル酸2-エチルヘキシル、(メタ)アクリル酸ドデシル、(メタ)アクリル酸オクタデシル等の(メタ)アクリル酸エステル類;(メタ)アクリルアミド;N-メチル(メタ)アクリルアミド、N-エチル(メタ)アクリルアミド、N,N-ジメチル(メタ)アクリルアミド、ジアセトン(メタ)アクリルアミド、(メタ)アクリルアミドプロパンスルホン酸及びその塩、(メタ)アクリルアミドプロピルジメチルアミン及びその塩又はその4級塩、N-メチロール(メタ)アクリルアミド及びその誘導体等の(メタ)アクリルアミド誘導体;メチルビニルエーテル、エチルビニルエーテル、n-プロピルビニルエーテル、i-プロピルビニルエーテル、n-ブチルビニルエーテル、i-ブチルビニルエーテル、t-ブチルビニルエーテル、ドデシルビニルエーテル、ステアリルビニルエーテル等のビニルエーテル類;アクリロニトリル、メタクリロニトリル等のニトリル類;塩化ビニル、フッ化ビニル等のハロゲン化ビニル類;塩化ビニリデン、フッ化ビニリデン等のハロゲン化ビニリデン類;酢酸アリル、塩化アリル等のアリル化合物;マレイン酸、イタコン酸、フマル酸等の不飽和ジカルボン酸及びその塩又はそのエステル;ビニルトリメトキシシラン等のビニルシリル化合物;酢酸イソプロペニルなどが挙げられる。このような他の単量体の共重合量は、得られるビニルエステル系重合体を構成する全構造単位のモル数に基づいて、通常5モル%以下である。
 ビニルエステルと、エポキシ基含有ビニル化合物及び/又はチオエステル基含有ビニル化合物との共重合は、得られるビニルエステル系重合体の重合度を調節することなどを目的として、本発明の趣旨を損なわない範囲で、連鎖移動剤の存在下で行ってもよい。連鎖移動剤としては、例えば、アセトアルデヒド、プロピオンアルデヒド等のアルデヒド類;アセトン、メチルエチルケトン等のケトン類;2-ヒドロキシエタンチオール等のメルカプタン類;トリクロロエチレン、パークロロエチレン等のハロゲン化炭化水素類などが挙げられる。中でも、アルデヒド類及びケトン類が好適に用いられる。連鎖移動剤の添加量は、添加する連鎖移動剤の連鎖移動定数、及び目的とするビニルアルコール系重合体の重合度に応じて決定すればよいが、一般にビニルエステルに対して0.1~10質量%程度が望ましい。
 ビニルエステルと、エポキシ基含有ビニル化合物及び/又はチオエステル基含有ビニル化合物とを共重合することによって得られた側鎖にエポキシ基及び/又はチオエステル基を有するビニルエステル系重合体の重合度は特に制限されないが、例えば500~4000の範囲内とすることができる。
 ビニルエステルと、エポキシ基含有ビニル化合物及び/又はチオエステル基含有ビニル化合物とを共重合することによって得られた側鎖にエポキシ基及び/又はチオエステル基を有するビニルエステル系重合体において、最終的に得られるビニルアルコール系重合体を水に不溶とする観点などから、当該ビニルエステル系重合体を構成する全構造単位のモル数に対する、エポキシ基含有ビニル化合物に由来する単位の含有率(導入量)は、架橋の構造にもよるが、0.2~10モル%の範囲内であることが好ましく、0.3~5モル%の範囲内であることがより好ましい。また、当該ビニルエステル系重合体を構成する全構造単位のモル数に対する、チオエステル基含有ビニル化合物に由来する単位の含有率(導入量)は、架橋の構造にもよるが、0.2~15モル%の範囲内であることが好ましく、0.6~10モル%の範囲内であることがより好ましく、0.8~5モル%の範囲内であることがさらに好ましい。
 ビニルエステルと、エポキシ基含有ビニル化合物及び/又はチオエステル基含有ビニル化合物とを共重合することによって得られた側鎖にエポキシ基及び/又はチオエステル基を有するビニルエステル系重合体は、そのまま、上記したa.~d.等の方法において使用される側鎖にエポキシ基及び/又はチオエステル基を有するビニルエステル系重合体として用いることができる。一方、当該側鎖にエポキシ基及び/又はチオエステル基を有するビニルエステル系重合体をけん化すれば、上記した、側鎖にエポキシ基及び/又はメルカプト基を有するビニルアルコール系重合体が得られる。
 ビニルエステルと、エポキシ基含有ビニル化合物及び/又はチオエステル基含有ビニル化合物とを共重合することによって得られた側鎖にエポキシ基及び/又はチオエステル基を有するビニルエステル系重合体のけん化方法は特に限定されず、公知のけん化方法を採用することができる。例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、ナトリウムメトキシドなどの塩基性触媒やp-トルエンスルホン酸などの酸性触媒を用いたけん化反応(加アルコール分解反応を含む)が挙げられる。この反応に使用しうる溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール等のアルコール類;酢酸メチル、酢酸エチル等のエステル類;アセトン、メチルエチルケトン等のケトン類:ベンゼン、トルエン等の芳香族炭化水素などが挙げられる。これらの溶媒は1種を単独で、又は2種以上を組み合わせて用いることができる。中でも、メタノール又はメタノール/酢酸メチル混合溶液を溶媒とし、水酸化ナトリウムを触媒としてけん化することが簡便であり好ましい。
 架橋剤として使用することのできる上記の1分子中に2つ以上のメルカプト基を有する化合物としては特に限定されないが、例えば、「カップキュア」3-800LC(BASF社製)、「ポリチオール」QE-340M(東レ・ファインケミカル社製)、「チオコールLP」(東レ・ファインケミカル社製)、「カレンズMT」PE1(昭和電工社製)、「カレンズMT」BD1(昭和電工社製)、「カレンズMT」NR1(昭和電工社製)、トリメチロールプロパン トリス(3-メルカプトブチレート)、トリメチロールエタン トリス(3-メルカプトブチレート)などが挙げられる。
 架橋剤として使用することのできる上記の1分子中に2つ以上のエポキシ基を有する化合物としては特に限定されないが、例えば、1,4-ブタンジオールジグリシジルエーテル、1,6-ヘキサンジオールジグリシジルエーテル、シクロヘキサンジメタノールジグリシジルエーテル、トリメチロールプロパンジグリシジルエーテル、トリメチロールプロパントリグリシジルエーテル、エチレングリコールジグリシジルエーテル、ジエチレングリコールジグリシジルエーテル、ポリエチレングリコールジグリシジルエーテル、グリセリンジグリシジルエーテル、グリセリントリグリシジルエーテル、ジグリセリンジグリシジルエーテル、ジグリセリントリグリシジルエーテル、ジグリセリンテトラグリシジルエーテル、ポリグリセリンポリグリシジルエーテルなどが挙げられる。架橋剤は、1種を単独で又は2種以上を併用して用いることができる。
(掘削泥水用添加剤)
 本発明の掘削泥水用添加剤は、本発明のビニルアルコール系重合体を含有するものであり、その添加により所望の掘削泥水とすることのできる添加剤である。また、ビニルアルコール系重合体は粉末状態で含有されることが望ましい。本発明の掘削泥水用添加剤は、本発明のビニルアルコール系重合体のみからなっていても、各種添加剤等を含有していてもどちらでもよい。本発明の掘削泥水用添加剤における本発明のビニルアルコール系重合体の含有率は、例えば、50質量%以上(より好ましくは80質量%以上)とすることができる。
(掘削泥水及びその製造方法)
 本発明の掘削泥水は、例えば掘削された岩片や掘削屑等の運搬、ビットやドリルパイプの潤滑性向上、多孔質地盤の穴の埋設、静水圧により生ずる貯留層圧力(岩盤からの圧力)の相殺等の役割を果たすものである。この掘削泥水は、上記の掘削泥水用添加剤を含有し、用水及び泥質を主成分とする。当該掘削泥水は、本発明の効果を損なわない範囲で任意成分を含んでいてもよい。
 このような掘削泥水は、泥質、用水、当該掘削泥水用添加剤を混合することで製造される。具体的には、当該掘削泥水は、用水に泥質を分散、懸濁させた水-粘土懸濁液をベースに、当該掘削泥水用添加剤、必要に応じて任意成分を添加することにより製造することができる。
 当該掘削泥水における当該ビニルアルコール系重合体の含有量としては、0.5kg/m以上40kg/m以下が好ましく、3kg/m以上30kg/m以下がより好ましい。
(泥質)
 泥質としては、例えばベントナイト、アタパルジャイト、セリナイト、含水マグネシウムケイ酸塩等が挙げられ、中でもベントナイトが好ましい。
 当該掘削泥水における泥質の配合割合としては、当該掘削泥水に用いる用水1kgに対して、泥質5g~300gが好ましく、10g~200gがより好ましい。
(任意成分)
 任意成分としては、公知の添加剤を使用することができ、例えば、炭素数2~12のα-オレフィンと無水マレイン酸の共重合体若しくはその誘導体(例えば、マレイン酸アミド、マレイン酸イミド)、又はそのアルカリ中和物等の水溶液;分散剤、pH調整剤、消泡剤、増粘剤等が挙げられる。炭素数2~12のα-オレフィンと無水マレイン酸の共重合体若しくはその誘導体としては、例えばエチレン、プロピレン、ブテン-1、イソブテン、ジイソブチレン等のα-オレフィンと無水マレイン酸の共重合体又はその誘導体(例えば、クラレ社の「イソバン」)が挙げられ、分散剤としては、例えばフミン酸系分散剤、リグニン系分散剤等が挙げられ、中でもスルホン酸塩を含有するリグニン系分散剤が好ましい。
(掘削セメントスラリー用添加剤)
 本発明の掘削セメントスラリー用添加剤は、本発明のビニルアルコール系重合体を含有するものであり、その添加により所望の掘削セメントスラリーとすることのできる添加剤である。また、ビニルアルコール系重合体は粉末状態で含有されることが望ましい。本発明の掘削セメントスラリー用添加剤は、本発明のビニルアルコール系重合体のみからなっていても、各種添加剤等を含有していてもどちらでもよい。本発明の掘削セメントスラリー用添加剤における本発明のビニルアルコール系重合体の含有率は、例えば、50質量%以上(より好ましくは80質量%以上)とすることができる。 
(掘削セメントスラリー及びその製造方法)
 本発明の掘削セメントスラリーは、例えば地層と坑井内に設置されたケーシングパイプとの間の管状空隙部分に注入、硬化させることにより、ケーシングパイプの坑井内への固定、坑井内の内壁の保護のために使用される。この掘削セメントスラリーは、当該掘削スラリー用添加剤、硬化性粉末及び液剤を含有する。当該掘削セメントスラリーは、本発明の効果を阻害しない範囲で、任意成分を含有してもよい。
 このような掘削セメントスラリーは、当該掘削スラリー用添加剤、液剤及び硬化性粉末、必要に応じて任意成分を添加し、攪拌機等を用いて混合することで製造される。
 但し、当該掘削セメントスラリーにおいて、掘削スラリー用添加剤として添加されるビニルアルコール系重合体粉末の粒子サイズは特に制限は無いが、JIS規格で10メッシュの篩を通過することが好ましく、JIS規格で16メッシュの篩を通過することがより好ましく、JIS規格で30メッシュの篩を通過することが特に好ましい。ビニルアルコール系重合体粉末の粒子サイズが30メッシュの篩を通過する大きさであると、このような粒子サイズのビニルアルコール系重合体を含有するセメントスラリーは、高温におけるセメントスラリーからの脱水をより抑制できる。
 当該掘削セメントスラリーにおけるビニルアルコール系重合体粉末の含有量としては、0.1質量%(BWOC)以上2.0質量%(BWOC)以下が好ましく、0.2質量%(BWOC)以上1.0質量%(BWOC)以下がより好ましい。なお、BWOC(By Weight Of Cement)は、セメント質量基準であることを意味する。
(硬化性粉末)
 硬化性粉末としては、例えばポルトランドセメント、混合セメント、エコセメント、特殊セメント等が挙げられ、水と反応して固形化する水硬性セメントが好ましく、当該セメントスラリーを掘削用に使用する場合、地熱井セメント、油井セメントが好ましい。
 ポルトランドセメントとしては、JIS R5210:2009に規定のもの、具体的には、普通ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメント、超早強ポルトランドセメント、中庸熱ポルトランドセメント、低熱ポルトランドセメント、耐硫酸塩ポルトランドセメント、低アルカリ形ポルトランドセメントが挙げられる。
 混合セメントとしては、JIS R5211~5213:2009に規定のもの、具体的には、高炉セメント、フライアッシュセメント、シリカセメントが挙げられる。
 特殊セメントとしては、ポルトランドセメントをベースにしたもの、ポルトランドセメントの成分や粒度構成を変えたもの、及びポルトランドセメントとは異なる成分のものが含まれる。ポルトランドセメントをベースにした特殊セメントとしては、膨張性のセメント、2成分系の低発熱セメント、3成分系の低発熱セメントが挙げられる。ポルトランドセメントの成分や粒度構成を変えた特殊セメントとしては、白色ポルトランドセメント、セメント系固化材(ジオセメント)、超微粒子セメント、高ビーライト系セメントが挙げられる。ポルトランドセメントとは異なる成分の特殊セメントとしては、超速硬セメント、アルミナセメント、リン酸セメント、気硬性セメントが挙げられる。
(液剤)
 液剤としては、硬化性粉末の種類等に応じて選択され、例えば水、溶剤、これらの混合物が挙げられるが、一般に水が使用される。
 当該掘削セメントスラリーにおける硬化性粉末と液剤との比率は、目的とするスラリーの比重や硬化体の強度等に応じて適宜決定すればよい。例えば、当該掘削セメントスラリーを水硬性セメントにより掘削セメントスラリーとして構成する場合、水とセメントとの質量比(W/C)としては、スラリーの比重、硬化体の強度の観点から、0.25以上1.00以下が好ましく、0.30以上0.80以下がより好ましい。
(任意成分)
 任意成分としては、分散剤、遅延剤、消泡剤を含有することができ、これら以外の添加剤を含んでいてもよい。
 分散剤としては、例えばナフタレンスルホン酸ホルマリン縮合物、メラミンスルホン酸ホルマリン縮合物、ポリカルボン酸系ポリマー等のアニオン性高分子などが挙げられ、中でも、ナフタレンスルホン酸ホルマリン縮合物が好ましい。分散剤の含有量は、通常0.05質量%(BWOC)以上2質量%(BWOC)以下であり、好ましくは0.2質量%(BWOC)以上1質量%(BWOC)以下である。
 遅延剤としては、例えばオキシカルボン酸やその塩、単糖や多糖等の糖類が挙げられ、中でも、糖類が好ましい。遅延剤の含有量は、通常0.005質量%(BWOC)以上1質量%(BWOC)以下であり、好ましくは0.02質量%(BWOC)以上0.3質量%(BWOC)以下である。
 消泡剤としては、例えばアルコールアルキレンオキシド付加物、脂肪酸アルキレンオキシド付加物、ポリプロピレングリコール、脂肪酸石鹸、シリコン系化合物等が挙げられ、中でも、シリコン系化合物が好ましい。消泡剤の含有量は、通常0.0001質量%(BWOC)以上0.1質量%(BWOC)以下であり、好ましくは0.001質量%(BWOC)以上0.05質量%(BWOC)以下である。
(その他の添加剤)
 当該掘削セメントスラリーは、用途、組成等を考慮して、例えばセメント速硬剤、低比重添加材、高比重添加材、発泡剤、ひび割れ低減剤、気泡剤、AE剤、セメント膨張材、セメント強度安定材、珪石粉、シリカフューム、フライアッシュ、石灰石粉、砕砂等の細骨材、砕石等の粗骨材、中空バルーン等の添加剤を含有していてもよい。また、これらの添加剤は、1種を単独で使用しても、2種以上を併用してもよい。
 以下、実施例及び比較例により、本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例により何ら限定されるものではない。
実施例1
(ビニルアルコール系重合体の製造)
 撹拌機、窒素導入口、添加剤導入口及び開始剤添加口を備えた3L反応槽に酢酸ビニル1200g、メタノール400g、エポキシ基含有ビニル化合物としてアリルグリシジルエーテル16.1gを仕込み、60℃に昇温した後、30分間窒素バブリングにより系中を窒素置換した。上記の反応槽内温を60℃に調整し、2,2’-アゾビス(イソブチロニトリル)1.5gを加えて重合を開始した。重合中は重合温度を60℃に維持し、5時間後に重合率が40%に達したところで冷却して重合を停止した。次いで、減圧下にて未反応の酢酸ビニルを除去し、ポリ酢酸ビニル(PVAc)のメタノール溶液を得た。こうして得られたPVAcのメタノール溶液の一部を用いて、良溶媒としてアセトン、貧溶媒としてヘキサンを用いた再沈殿精製を5回行い、真空乾燥により乾燥させた後、得られたPVAcを重クロロホルムへ溶解させてH-NMRの測定を実施した。得られたNMRスペクトルからアリルグリシジルエーテルの導入量は1.0モル%と算出された。
 上記PVAcのメタノール溶液をPVAcの質量が50gとなるように1L反応槽に仕込み、メタノールを加えることにより濃度を30質量%に調整した後、1分子中に2つ以上のメルカプト基を有する化合物(架橋剤)として、東レ・ファインケミカル社製の「ポリチオール」QE-340Mを4.0g仕込んだ。この条件で反応液中に存在するエポキシ基と使用されたメルカプト基のモル比([エポキシ基のモル数]/[メルカプト基のモル数])は1/1である。反応液の温度を40℃に調整し、アルカリモル比([NaOHのモル数]/[PVAcを構成するビニルエステル単位のモル数])が0.05となるようにNaOHメタノール溶液(10質量%濃度)を添加してけん化反応を実施した。反応開始から60分後に得られたゲル状物を粉砕した後、熱風乾燥機にて100℃で3時間乾燥を行った。得られた乾燥粉末を粉砕機によりさらに粉砕し、JIS規格の篩を用いた際に30メッシュの篩を通過する粉末状のビニルアルコール系重合体10gを採取した。
(ビニルアルコール系重合体の水溶性)
 上記で得られたビニルアルコール系重合体を、500mL容のビーカーにあらかじめ入れておいた95℃の水300g中に、4質量%の濃度となるように投入し、水が蒸発しないようにしながら、3cm長のバーを備えたマグネチックスターラーを用いて、95℃の条件下で回転数280rpmで3時間攪拌し、ビニルアルコール系重合体が完溶(完全に溶解)するか否かを評価した。完溶の場合は「可溶」と判定し、完溶しない場合は「不溶」と判定した。実施例1では、3時間撹拌後においても不溶な粒子が観察されたため、「不溶」と判定した。
(掘削泥水の調製)
 ハミルトンビーチミキサーのカップにイオン交換水300mLを取り、ベントナイト(テルナイト社製「テルゲルE」)18gを加えて充分攪拌した後、ベントナイトを充分に膨潤させるために24時間放置した。このベントナイトの分散液に上記で得られたビニルアルコール系重合体1.5gを掘削泥水用添加剤として添加して掘削泥水を得た。
(掘削泥水の特性評価)
 上記で得られた掘削泥水を25℃に調温して、その粘度をB型粘度計を用いて測定したところ、58mPa・sであった。次にこの掘削泥水の、高温・高圧下での脱水量の測定を行った。当該測定は、Fann Instrument社製、HPHT Filter Press Series387を用い、温度150℃に調整したセル内部に掘削泥水を投入し、1時間放置した後、セル上部と下部から圧力をかけ、その差圧が500psiの条件下で測定を行った。30分間の脱水量は12mLであった。
実施例2~7
 掘削泥水の調製に用いたビニルアルコール系重合体を表1に示すものに変更したこと以外は実施例1と同様にして掘削泥水を調製し、その特性評価を行った。その結果を表1に示す。なお、使用された共重合体単量体中のチオエステル基は、メルカプト基に変換されるものとして、メルカプト基の添加量に算入している。いずれのビニルアルコール系重合体を用いた場合も、調製した掘削泥水の粘度は低く、また150℃での脱水量が20mL以下と非常に少なく抑えられている。
比較例1~8
 掘削泥水の調製に用いたビニルアルコール系重合体を表1に示すものに変更したこと以外は実施例1と同様にして掘削泥水を調製し、その特性評価を行った。その結果を表1に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
 比較例1はビニルアルコール系重合体を添加しない掘削泥水の評価結果を示している。脱水量が150mL超と非常に多い結果であった。
 比較例2~4では、市販の水溶性ビニルアルコール系重合体である、クラレ社製のPVA-224(けん化度88モル%、重合度2400)又はPVA-224S(けん化度88モル%、重合度2400、JIS規格で83メッシュの篩を通過するもの)を添加した結果を示している。いずれの場合も調製した掘削泥水の粘度が10,000mPa・s超と非常に高く、また脱水量も30mL以上と比較的多い結果であった。なお、比較例4では、PVA-224をあらかじめ水に溶解して添加した。
 比較例5及び6では、市販の水溶性ビニルアルコール系重合体である、クラレ社製のPVA-117(けん化度98.5モル%、重合度1700)を添加した結果を示している。粒子サイズ30メッシュパスの粉末を添加した場合(比較例5)、調製した掘削泥水の粘度は60mPa・sと低いが、脱水量は30mL以上と比較的多い結果であった。一方、PVA-117をあらかじめ水に溶解して添加した場合(比較例6)は、粘度が10,000mPa・s超と非常に高く、また脱水量も30mL以上と比較的多い結果であった。
 比較例7及び8では、エポキシ基とメルカプト基との反応を利用して、又は、メルカプト基同士のカップリング反応を利用して、ビニルアルコール系重合体を架橋したが、架橋度が小さく、95℃の水に「可溶」であった。また調製した掘削泥水の粘度は61mPa・s又は63mPa・sと低いが、脱水量はいずれも30mL以上と比較的多い結果であった。
 上記実施例で示されているとおり、本発明の、式(1)で表される構造及び/又はジスルフィド構造により架橋された水に不溶のビニルアルコール系重合体は、掘削泥水の調製に用いた場合、粘度が低く、また高温での脱水が抑制され非常に有用である。
実施例8
(セメントスラリーの調製)
 実施例1で作成したビニルアルコール系重合体粉末4gを、イオン交換水320g、坑井用クラスHセメント800g、ナフタレンスルホン酸ホルマリン縮合物ナトリウム塩(Dipersity Technologies社の「Daxad-19」)4g、及びリグニンスルホン酸ナトリウム塩(Lignotech USA社の「Keling 32L」)0.16gと共にジュースミキサーに投入し、攪拌混合してセメントスラリー(S-1)を調製した。なお、ビニルアルコール系重合体粉末粉末の添加量は、セメントの質量基準(BWOC)で0.5質量%とした。
比較例9
 クラレ社製PVA-224(けん化度88モル%、重合度2400、JIS規格で30メッシュの篩を通過するもの)を使用した以外は実施例8と同様にしてセメントスラリーを調製した。
比較例10
 クラレ社製PVA-224S(けん化度88モル%、重合度2400、JIS規格で83メッシュの篩を通過するもの)を使用した以外は実施例8と同様にしてセメントスラリーを調製した。
比較例11
 クラレ社製PVA-124(けん化度98.5モル%、重合度2400、JIS規格で30メッシュの篩を通過するもの)を使用した以外は実施例8と同様にしてセメントスラリーを調製した。
(評価)
 実施例8及び比較例9~11のセメントスラリーについて、下記手法に従い粘性及び脱水量を評価した。評価結果を表2に示す。
(粘性)
 粘性は、プラスチック粘性(PV)及びイールドバリュー(YV)として評価した。プラスチック粘性(PV)は、セメントスラリー中に含まれている固形分の機械的摩擦によって生じる流動抵抗値である。イールドバリュー(YV)は、流体が流動状態にあるとき、流動を続けるのに必要なせん断力であって、セメントスラリー中に含まれている固体粒子間のけん引力によって生じる流動抵抗である。
 プラスチック粘性(PV)及びイールドバリュー(YV)は、セメントスラリーを25℃又は90℃に調温し、「API10」(American Institute Specification 10)の「Appendix H」に記載の方法に従い測定した。なお、プラスチック粘性(PV)及びイールドバリュー(YV)は、次式によって算出した。
  プラスチック粘性(PV)=(300rpmの読み-100rpmの読み)×1.5
  イールドバリュー(YV)=(300rpmの読み-プラスチック粘性)
(脱水量)
 脱水量は、「API10」(American Institute Specification 10)の「Appendix H」に記載の方法に従い、90℃に調温したセメントスラリーが差圧1000psiの条件下で30分間に脱水される量として測定した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
 表2の結果から明らかなように、実施例8のセメントスラリーは、粘性に優れ、90℃での脱水量がそれぞれ22mLであり高温での脱水が抑制されていた。
 一方、比較例9~11のセメントスラリーは、水溶性のビニルアルコール系重合体粉末を用いているためか、90℃でのセメントスラリーの脱水を十分に抑制できなかった。
 

Claims (15)

  1.  下記式(1)で表される構造及び/又はジスルフィド構造により架橋されており、4質量%の濃度となるように水に添加し95℃で3時間撹拌した際に完溶しないビニルアルコール系重合体。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-C000001
    (式(1)中、R、R及びRは、それぞれ独立して、水素原子又は置換基を有してもよい炭素数8以下の炭化水素基を表す。)
  2.  粉末状である請求項1に記載のビニルアルコール系重合体。
  3.  JIS規格で10メッシュの篩を通過する請求項2に記載のビニルアルコール系重合体。
  4.  上記式(1)で表される構造により架橋されたビニルアルコール系重合体であり、上記式(1)で表される構造が、エポキシ基とメルカプト基との反応で形成されたものである請求項1、請求項2又は請求項3に記載のビニルアルコール系重合体。
  5.  上記ジスルフィド構造により架橋されたビニルアルコール系重合体であり、上記ジスルフィド構造が、メルカプト基同士のカップリング反応で形成されたものである請求項1、請求項2又は請求項3に記載のビニルアルコール系重合体。
  6.  請求項4に記載のビニルアルコール系重合体の製造方法であって、側鎖にエポキシ基を有する第1ビニルアルコール系重合体と、1分子中に2つ以上のメルカプト基を有する第1化合物とを反応させる工程を有するビニルアルコール系重合体の製造方法。
  7.  請求項4に記載のビニルアルコール系重合体の製造方法であって、側鎖にメルカプト基を有する第2ビニルアルコール系重合体と、1分子中に2つ以上のエポキシ基を有する第2化合物とを反応させる工程を有するビニルアルコール系重合体の製造方法。
  8.  請求項5に記載のビニルアルコール系重合体の製造方法であって、側鎖にメルカプト基を有する第2ビニルアルコール系重合体同士を反応させる工程を有するビニルアルコール系重合体の製造方法。
  9.  上記反応工程として、上記第1化合物の存在下、アルカリ触媒を用いて側鎖にエポキシ基を有する第1ビニルエステル系重合体をけん化することにより、ビニルエステル単位におけるけん化反応と、エポキシ基とメルカプト基との反応とを同時に進行させる請求項6に記載のビニルアルコール系重合体の製造方法。
  10.  上記反応工程として、上記第2化合物の存在下、アルカリ触媒を用いて側鎖にチオエステル基を有する第2ビニルエステル系重合体をけん化することにより、ビニルエステル単位におけるけん化反応と、チオエステル基におけるけん化反応により生じるメルカプト基とエポキシ基との反応とを同時に進行させる請求項7に記載のビニルアルコール系重合体の製造方法。
  11.  上記反応工程として、アルカリ触媒を用いて側鎖にチオエステル基を有する第2ビニルエステル系重合体をけん化することにより、ビニルエステル単位におけるけん化反応と、チオエステル基におけるけん化反応により生じるメルカプト基同士のカップリング反応とを同時に進行させる請求項8に記載のビニルアルコール系重合体の製造方法。
  12.  請求項1から請求項5のいずれか1項に記載のビニルアルコール系重合体を含有する掘削泥水用添加剤。
  13.  請求項1から請求項5のいずれか1項に記載のビニルアルコール系重合体が添加された掘削泥水。
  14.  請求項1から請求項5のいずれか1項に記載のビニルアルコール系重合体を含有する掘削セメントスラリー用添加剤。
  15.  請求項1から請求項5のいずれか1項に記載のビニルアルコール系重合体が添加された掘削セメントスラリー。
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