JP6179470B2 - Underground treatment composition - Google Patents
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- Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
Description
本発明は、耐塩性が高く、優れた止水性を有する地下層処理用組成物に関する。 The present invention relates to a composition for treating an underground layer having high salt resistance and excellent water stopping properties.
地下の層または区域に存在しているガス、石油、および水のような天然資源は、通常は掘削孔中に掘削流体を循環させながら地下層まで掘削孔を掘ることで回収される。石油、ガスの回収では、フラクチャリング流体、泥水、セメンチング流体、 ウェルコントロール流体(well control fluid)、ウェルキル流体(well kill fluid)、酸フラクチャリング流体(acid fracturing fluid)、酸分流流体(acid diverting fluid)、刺激流体(stimulation fluid)、サンドコントロール流体(sand control fluid)、仕上げ流体(completion fluid)、ウェルボーン石化流体(wellbore consolidation fluid)、レメディエーション処理流体(remediation treatment fluid)、スペーサー流体(spacer fluid)、掘削流体(drilling fluid)、フラクチャリングパッキング流体(frac-packing fluid)、水適合流体(water conformance fluid)、または砂利パッキング流体(gravel packing fluid)等の地下層の処理のための流体が使用される。 Natural resources such as gas, oil, and water that are present in the underground layer or area are usually recovered by drilling the drilling hole to the underground layer while circulating the drilling fluid through the drilling hole. For oil and gas recovery, fracturing fluid, mud, cementing fluid, well control fluid, well kill fluid, acid fracturing fluid, acid diverting fluid ), Stimulation fluid, sand control fluid, completion fluid, wellbore consolidation fluid, remediation treatment fluid, spacer fluid ), Drilling fluids, frac-packing fluids, water conformance fluids, or gravel packing fluids, etc. Is done.
地下層処理用流体には、逸泥防止剤、比重剤、分散剤、界面活性剤、粘度調整剤、増粘剤などの添加物が配合されている、例えば、泥水では、ドリルと坑壁との摩擦低減、ビットの冷却、砕かれた岩石の搬出、掘削作業中の逸水や逸泥の防止、掘進により形成される坑壁の崩壊防止などの目的で、ベントナイト、雲母、消石灰、カルボシキシメチルセルロース、シリコーン樹脂等を、水や有機溶剤等の液状担体に分散して調製される。 Additives such as anti-mudging agents, specific gravity agents, dispersants, surfactants, viscosity modifiers, thickeners, etc. are added to the underground layer treatment fluid. For bentonite, mica, slaked lime, and carbosi for the purpose of reducing friction, cooling bits, carrying out crushed rocks, preventing water and mud during excavation, and preventing collapsing of pit walls It is prepared by dispersing xymethyl cellulose, silicone resin, etc. in a liquid carrier such as water or an organic solvent.
掘削する地層中に粘土鉱物が含まれている場合、坑井処理流体中の水に反応して膨潤を起こし、崩壊するなどのトラブルが発生する。そこで、粘土鉱物の水和膨潤を抑制するために、坑井処理流体に多量の塩を配合する処方がある。また、清水が入手しにくい場所では、海水などの塩濃度の高い分散溶媒を使用することとなり、坑井処理流体用の添加物には耐塩性が求められている。また、セメンチング流体ではセメント成分由来のカルシウムイオンが多量に存在する。 When clay minerals are contained in the stratum to be excavated, problems such as swelling and collapse occur in response to water in the well treatment fluid. Therefore, there is a prescription in which a large amount of salt is added to the well treatment fluid in order to suppress hydration swelling of the clay mineral. In addition, in a place where fresh water is difficult to obtain, a dispersion solvent having a high salt concentration such as seawater is used, and salt resistance is required for additives for well treatment fluids. In addition, the cementing fluid contains a large amount of calcium ions derived from the cement component.
一方、このような用途における増粘剤の成分として、微細なセルロース繊維(特許文献1)、酸加水分解法にて製造したセルロースナノウィスカー(特許文献2)が知られている。またナノ結晶性セルロースを含む地下層処理のための組成物が提案されている(特許文献3)。さらに、近年、セルロースの結晶性を維持したまま、ナノサイズの微細セルロース繊維を製造する画期的な方法が開発された(非特許文献1)。この方法では、セルロース繊維表面にアルデヒド基やカルボキシル基を導入した後、機械処理により微細なセルロース繊維を生成させる。この方法で得られる微細セルロース繊維は、高い結晶性に加え、セルロースナノウィスカーに比べて長い繊維が得られ、水中で高粘度のゲルとなりうる。この方法で製造した微細セルロース繊維を化粧品用増粘剤や掘削用増粘剤に使用することが提案されている(特許文献4、5)。 On the other hand, fine cellulose fibers (Patent Document 1) and cellulose nanowhiskers (Patent Document 2) produced by an acid hydrolysis method are known as components of the thickener in such applications. Moreover, the composition for the underground layer process containing nanocrystalline cellulose is proposed (patent document 3). Furthermore, in recent years, an innovative method for producing nano-sized fine cellulose fibers while maintaining the crystallinity of cellulose has been developed (Non-patent Document 1). In this method, after introducing an aldehyde group or a carboxyl group to the surface of the cellulose fiber, fine cellulose fiber is generated by mechanical treatment. In addition to high crystallinity, fine cellulose fibers obtained by this method can be obtained as long fibers as compared to cellulose nanowhiskers, and can be a highly viscous gel in water. It has been proposed to use fine cellulose fibers produced by this method as a thickener for cosmetics or a thickener for excavation (Patent Documents 4 and 5).
しかしながら、上記の微細セルロース繊維は表面をアニオン化処理しており、塩水中に存在する陽イオンと容易に反応し、凝集を引き起こす。その結果、増粘性や止水性などの効果が十分でなくなる。また、表面修飾を行わない微細セルロース繊維は微細化の程度が十分でなく、その結果、増粘性も不十分である。
本発明の課題は、耐塩性の高い、優れた止水性を有する地下層処理用組成物を提供することにある。
However, the surface of the fine cellulose fiber described above is anionized and easily reacts with cations present in the salt water to cause aggregation. As a result, effects such as thickening and water stopping properties are not sufficient. In addition, fine cellulose fibers not subjected to surface modification are not sufficiently refined, and as a result, the viscosity increase is insufficient.
An object of the present invention is to provide a composition for treating an underground layer having high salt resistance and excellent water-stopping property.
本発明者らは上記課題を解決するために鋭意検討した。その結果、カチオン変性された微細繊維セルロースを地下層処理用組成物として流体に配合することにより、塩存在下ににおいて高い粘度を維持し、優れた止水性を発揮することを見出し、本発明を完成させるに至った。 The present inventors diligently studied to solve the above problems. As a result, it has been found that by blending cation-modified fine fiber cellulose into a fluid as a composition for treating an underground layer, it maintains a high viscosity in the presence of salt and exhibits excellent water-stopping properties. It came to complete.
即ち、本発明によれば、以下の発明が提供される。
[1] カチオン基を0.15〜1.8mmol/g有する微細セルロース繊維を含有する、地下層処理用組成物。
[2] 微細セルロース繊維の繊維幅が200nm以下である、1に記載の組成物。
[3] アルカリ性の地下層処理用流体に添加して使用するための、1または2に記載の組成物。
[4] 耐塩性を有する、1〜3のいずれか1項に記載の組成物。
[5] 止水性を有する、1〜4のいずれか1項に記載の組成物。
[6] フラクチャリング流体、泥水、セメンチング流体、 ウェルコントロール流体(well control fluid)、ウェルキル流体(well kill fluid)、酸フラクチャリング流体(acid fracturing fluid)、酸分流流体(acid diverting fluid)、刺激流体(stimulation fluid)、サンドコントロール流体(sand control fluid)、仕上げ流体(completion fluid)、ウェルボーン石化流体(wellbore consolidation fluid)、レメディエーション処理流体(remediation treatment fluid)、スペーサー流体(spacer fluid)、掘削流体(drilling fluid)、フラクチャリングパッキング流体(frac-packing fluid)、水適合流体(water conformance fluid)、または砂利パッキング流体(gravel packing fluid)に添加して使用するための、1〜5のいずれか1項に記載の組成物。
[7] 1〜6のいずれか1項に記載の組成物を含み、セルロース繊維の固形分濃度が0.05〜2質量%である、地下層処理用流体。
[8] 1〜6のいずれか1項に記載の組成物、ならびに加重材、粘度調整剤、分散剤、凝集剤、逸泥防止剤、pH制御剤、摩擦低減剤、水和膨張制御剤、乳化剤、界面活性剤、殺生物剤、消泡剤、スケール防止剤、腐食防止剤、温度安定剤、樹脂コート剤、亀裂支持材、塩、およびプロパントからなる群から選択されるいずれかを含む、地下層処理用流体。
[9] 1〜6のいずれか1項に記載の組成物、およびアニオン性の添加剤を含む、地下層処理用流体。
[10] アニオン性の添加剤が鉱物である、9に記載の地下層処理用流体。
[11] フラクチャリング流体、泥水またはセメンチング流体である、7〜10のいずれか1項に記載の流体。
[12] 1〜6のいずれか1項に記載の組成物、または7〜11のいずれか1項に記載の流体を用いる、地下層の処理方法。
[13] 1〜6のいずれか1項に記載の組成物、または7〜11のいずれか1項に記載の流体を用いる、石油資源の生産方法。
[14] カチオン基を0.15〜1.8mmol/g有する微細セルロース繊維の水分散液を流体に添加する工程を含む、地下層処理用流体の製造方法。
[15] 微細セルロース繊維の分散液を濃縮、または乾燥させ、得られた濃縮液または乾燥物を水系溶媒に再分散させて再分散液を得る工程を含む、1〜7のいずれか1項に記載の組成物の製造方法。
[16] 濃縮が、濃縮剤および/または乾燥機により実施される、15に記載の製造方法。
That is, according to the present invention, the following inventions are provided.
[1] A composition for treating an underground layer containing fine cellulose fibers having a cationic group of 0.15 to 1.8 mmol / g.
[2] The composition according to 1, wherein the fiber width of the fine cellulose fibers is 200 nm or less.
[3] The composition according to 1 or 2 for use by adding to an alkaline underground fluid.
[4] The composition according to any one of 1 to 3, which has salt resistance.
[5] The composition according to any one of 1 to 4, which has a water-stopping property.
[6] Fracturing fluid, mud, cementing fluid, well control fluid, well kill fluid, acid fracturing fluid, acid diverting fluid, stimulation fluid (Stimulation fluid), sand control fluid, completion fluid, wellbore consolidation fluid, remediation treatment fluid, spacer fluid, drilling fluid 1 to 5 for use in addition to (drilling fluid), frac-packing fluid, water conformance fluid, or gravel packing fluid The composition according to item.
[7] A fluid for underground layer treatment, comprising the composition according to any one of 1 to 6, wherein the solid content concentration of the cellulose fiber is 0.05 to 2% by mass.
[8] The composition according to any one of 1 to 6, and a weighting agent, a viscosity modifier, a dispersant, a flocculant, a mud prevention agent, a pH control agent, a friction reducing agent, a hydration expansion controlling agent, Including any selected from the group consisting of emulsifiers, surfactants, biocides, antifoams, scale inhibitors, corrosion inhibitors, temperature stabilizers, resin coating agents, crack supports, salts, and proppants, Fluid for underground layer treatment.
[9] A fluid for treating an underground layer, comprising the composition according to any one of 1 to 6 and an anionic additive.
[10] The underground layer treatment fluid according to 9, wherein the anionic additive is a mineral.
[11] The fluid according to any one of 7 to 10, which is a fracturing fluid, mud water, or a cementing fluid.
[12] A method for treating an underground layer using the composition according to any one of 1 to 6 or the fluid according to any one of 7 to 11.
[13] A method for producing petroleum resources, wherein the composition according to any one of 1 to 6 or the fluid according to any one of 7 to 11 is used.
[14] A method for producing an underground layer treatment fluid, comprising adding an aqueous dispersion of fine cellulose fibers having a cationic group of 0.15 to 1.8 mmol / g to the fluid.
[15] The method according to any one of 1 to 7, comprising a step of concentrating or drying a dispersion of fine cellulose fibers and redispersing the obtained concentrated solution or dried product in an aqueous solvent to obtain a redispersion. A method for producing the composition described.
[16] The production method according to 15, wherein the concentration is performed by a concentration agent and / or a dryer.
本発明はまた、以下を提供する。
[1] カチオン基を0.15〜1.8mmol/g有する微細セルロース繊維を含有する組成物の、地下層の処理における使用。
[2] 微細セルロース繊維の繊維幅が200nm以下である、1に記載の使用。
[3] 組成物をアルカリ性の地下層処理用流体に添加して使用する、1または2に記載の使用。
[4] 組成物が耐塩性を有する、1〜3のいずれか1項に記載の使用。
[5] 組成物が止水性を有する、1〜4のいずれか1項に記載の使用。
[6] 組成物を、フラクチャリング流体、泥水、セメンチング流体、 ウェルコントロール流体(well control fluid)、ウェルキル流体(well kill fluid)、酸フラクチャリング流体(acid fracturing fluid)、酸分流流体(acid diverting fluid)、刺激流体(stimulation fluid)、サンドコントロール流体(sand control fluid)、仕上げ流体(completion fluid)、ウェルボーン石化流体(wellbore consolidation fluid)、レメディエーション処理流体(remediation treatment fluid)、スペーサー流体(spacer fluid)、掘削流体(drilling fluid)、フラクチャリングパッキング流体(frac-packing fluid)、水適合流体(water conformance fluid)、または砂利パッキング流体(gravel packing fluid)に添加して使用する、1〜5のいずれか1項に記載の使用。
[7] 1〜6のいずれか1項に定義された組成物の、地下層処理用流体における使用であって、流体中のセルロース繊維の固形分濃度が0.05〜2質量%である、使用。
[8] 1〜6のいずれか1項に定義された組成物の、加重材、粘度調整剤、分散剤、凝集剤、逸泥防止剤、pH制御剤、摩擦低減剤、水和膨張制御剤、乳化剤、界面活性剤、殺生物剤、消泡剤、スケール防止剤、腐食防止剤、温度安定剤、樹脂コート剤、亀裂支持材、塩、およびプロパントからなる群から選択されるいずれかとの、地下層処理用流体における使用。
[9] 1〜6のいずれか1項に定義された組成物と、アニオン性の添加剤との、地下層処理用流体における使用。
[10] アニオン性の添加剤が鉱物である、9に記載の使用。
[11] 流体が、フラクチャリング流体、泥水またはセメンチング流体である、7〜9のいずれか1項に記載の使用。
The present invention also provides the following.
[1] Use of a composition containing fine cellulose fibers having a cationic group of 0.15 to 1.8 mmol / g in the treatment of an underground layer.
[2] The use according to 1, wherein the fine cellulose fiber has a fiber width of 200 nm or less.
[3] The use according to 1 or 2, wherein the composition is used by adding it to an alkaline underground fluid.
[4] The use according to any one of 1 to 3, wherein the composition has salt resistance.
[5] The use according to any one of 1 to 4, wherein the composition has a water-stopping property.
[6] The composition is divided into fracturing fluid, mud, cementing fluid, well control fluid, well kill fluid, acid fracturing fluid, acid diverting fluid. ), Stimulation fluid, sand control fluid, completion fluid, wellbore consolidation fluid, remediation treatment fluid, spacer fluid ), Drilling fluid, frac-packing fluid, water conformance fluid, or gravel packing fluid, any of 1-5 Or use according to item 1.
[7] Use of the composition defined in any one of 1 to 6 in an underground layer treatment fluid, wherein a solid content concentration of cellulose fibers in the fluid is 0.05 to 2% by mass. use.
[8] A weighting material, a viscosity modifier, a dispersant, a flocculant, an anti-mudging agent, a pH control agent, a friction reducing agent, a hydration expansion control agent of the composition defined in any one of 1 to 6 Any one selected from the group consisting of an emulsifier, a surfactant, a biocide, an antifoaming agent, a scale inhibitor, a corrosion inhibitor, a temperature stabilizer, a resin coating agent, a crack support material, a salt, and a proppant. Use in subsurface fluids.
[9] Use of the composition defined in any one of 1 to 6 and an anionic additive in a fluid for underground layer treatment.
[10] The use according to 9, wherein the anionic additive is a mineral.
[11] The use according to any one of 7 to 9, wherein the fluid is a fracturing fluid, a muddy water, or a cementing fluid.
本発明はさらに、以下を提供する。
[1] カチオン基を0.15〜1.8mmol/g有する微細セルロース繊維を含有する組成物で、地下層を処理する、地下層の処理方法。
[2] 微細セルロース繊維の繊維幅が200nm以下である、1に記載の方法。
[3] 組成物をアルカリ性の地下層処理用流体に添加して使用する、1または2に記載の方法。
[4] 組成物が耐塩性を有する、1〜3のいずれか1項に記載の方法。
[5] 組成物が止水性を有する、1〜4のいずれか1項に記載の方法。
[6] 組成物を、フラクチャリング流体、泥水、セメンチング流体、 ウェルコントロール流体(well control fluid)、ウェルキル流体(well kill fluid)、酸フラクチャリング流体(acid fracturing fluid)、酸分流流体(acid diverting fluid)、刺激流体(stimulation fluid)、サンドコントロール流体(sand control fluid)、仕上げ流体(completion fluid)、ウェルボーン石化流体(wellbore consolidation fluid)、レメディエーション処理流体(remediation treatment fluid)、スペーサー流体(spacer fluid)、掘削流体(drilling fluid)、フラクチャリングパッキング流体(frac-packing fluid)、水適合流体(water conformance fluid)、または砂利パッキング流体(gravel packing fluid)に添加して使用する、1〜5のいずれか1項に記載の方法。
[7] 1〜6のいずれか1項に定義された組成物を含み、セルロース繊維の固形分濃度が0.05〜2質量%である流体で、地下層を処理する、地下層の処理方法。
[8] 1〜6のいずれか1項に記載の組成物、ならびに加重材、粘度調整剤、分散剤、凝集剤、逸泥防止剤、pH制御剤、摩擦低減剤、水和膨張制御剤、乳化剤、界面活性剤、殺生物剤、消泡剤、スケール防止剤、腐食防止剤、温度安定剤、樹脂コート剤、亀裂支持材、塩、およびプロパントからなる群から選択されるいずれかを含む流体で、地下層を処理する、地下層の処理方法。
[9] 1〜6のいずれか1項に定義されたの組成物、およびアニオン性の添加剤を含む流体で、地下層を処理する、地下層の処理方法。
[10] アニオン性の添加剤が鉱物である、9に記載の地下層の処理方法。
[11] 流体が、フラクチャリング流体、泥水またはセメンチング流体である、7〜10のいずれか1項に記載の方法。
The present invention further provides the following.
[1] A method for treating an underground layer, wherein the underground layer is treated with a composition containing fine cellulose fibers having a cationic group of 0.15 to 1.8 mmol / g.
[2] The method according to 1, wherein the fine cellulose fiber has a fiber width of 200 nm or less.
[3] The method according to 1 or 2, wherein the composition is used after being added to an alkaline underground fluid.
[4] The method according to any one of 1 to 3, wherein the composition has salt resistance.
[5] The method according to any one of 1 to 4, wherein the composition has a water-stopping property.
[6] The composition is divided into fracturing fluid, mud, cementing fluid, well control fluid, well kill fluid, acid fracturing fluid, acid diverting fluid. ), Stimulation fluid, sand control fluid, completion fluid, wellbore consolidation fluid, remediation treatment fluid, spacer fluid ), Drilling fluid, frac-packing fluid, water conformance fluid, or gravel packing fluid, any of 1-5 The method according to claim 1.
[7] A method for treating an underground layer, comprising the composition defined in any one of 1 to 6 and treating the underground layer with a fluid having a solid content concentration of cellulose fibers of 0.05 to 2% by mass. .
[8] The composition according to any one of 1 to 6, and a weighting agent, a viscosity modifier, a dispersant, a flocculant, a mud prevention agent, a pH control agent, a friction reducing agent, a hydration expansion controlling agent, Fluid containing any one selected from the group consisting of emulsifiers, surfactants, biocides, antifoams, scale inhibitors, corrosion inhibitors, temperature stabilizers, resin coating agents, crack supports, salts, and proppants In the underground layer processing method.
[9] A method for treating an underground layer, wherein the underground layer is treated with a fluid containing the composition defined in any one of 1 to 6 and an anionic additive.
[10] The method for treating an underground layer according to 9, wherein the anionic additive is a mineral.
[11] The method according to any one of 7 to 10, wherein the fluid is a fracturing fluid, a muddy water, or a cementing fluid.
本発明により、耐塩性の高く、優れた止水性を有する地下層処理用組成物が提供される。 According to the present invention, a composition for treating an underground layer having high salt resistance and excellent water-stopping properties is provided.
以下、本発明について更に詳細に説明する。なお、本明細書に記載される材料、方法および数値範囲などの説明は、発明の実施態様を例示したものであり、当該材料、方法および数値範囲などに発明の範囲を限定することを意図したものではない。また、それ以外の材料、方法および数値範囲などの使用を除外するものでもない。
範囲「X〜Y」は、両端の値を含む。「%」は、特に記載した場合を除き、質量に基づく割合を表す。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail. Note that the descriptions of materials, methods, numerical ranges, and the like described in this specification are only examples of embodiments of the invention, and are intended to limit the scope of the invention to the materials, methods, numerical ranges, and the like. It is not a thing. Nor does it exclude the use of other materials, methods and numerical ranges.
The range “X to Y” includes both end values. “%” Represents a ratio based on mass, unless otherwise specified.
[微細セルロース繊維含有組成物]
本発明においては、セルロース原料を化学的処理および解繊処理することによって得られる、カチオン基を有する微細セルロース繊維を使用することができる。
[Fine cellulose fiber-containing composition]
In this invention, the fine cellulose fiber which has a cationic group obtained by carrying out the chemical process and the fibrillation process of a cellulose raw material can be used.
<微細セルロース繊維>
セルロース原料としては、製紙用パルプ、コットンリンターやコットンリントなどの綿系パルプ、麻、麦わら、バガスなどの非木材系パルプ、ホヤや海草などから単離されるセルロースなどが挙げられるが、特に限定されない。これらの中でも、入手のしやすさという点で、製紙用パルプが好ましいが、特に限定されない。製紙用パルプとしては、広葉樹クラフトパルプ(晒クラフトパルプ(LBKP)、未晒クラフトパルプ(LUKP)、酸素漂白クラフトパルプ(LOKP)など)、針葉樹クラフトパルプ(晒クラフトパルプ(NBKP)、未晒クラフトパルプ(NUKP)、酸素漂白クラフトパルプ(NOKP)など)が挙げられる。また、サルファイトパルプ(SP)、ソーダパルプ(AP)等の化学パルプ、セミケミカルパルプ(SCP)、ケミグラウンドウッドパルプ(CGP)等の半化学パルプ、砕木パルプ(GP)、サーモメカニカルパルプ(TMP、BCTMP)等の機械パルプ、楮、三椏、麻、ケナフ等を原料とする非木材パルプ、古紙を原料とする脱墨パルプが挙げられるが、特に限定されない。これらの中でも、より入手しやすいことから、クラフトパルプ、脱墨パルプ、サルファイトパルプが好ましいが、特に限定されない。セルロース原料は1種を単独で用いてもよいし、2種以上混合して用いてもよい。
<Fine cellulose fiber>
Examples of cellulose raw materials include paper pulp, cotton pulp such as cotton linter and cotton lint, non-wood pulp such as hemp, straw, and bagasse, cellulose isolated from sea squirts and seaweed, etc., but are not particularly limited. . Among these, paper pulp is preferable in terms of availability, but is not particularly limited. Paper pulp includes hardwood kraft pulp (bleached kraft pulp (LBKP), unbleached kraft pulp (LUKP), oxygen bleached kraft pulp (LOKP), etc.), softwood kraft pulp (bleached kraft pulp (NBKP), unbleached kraft pulp) (NUKP), oxygen bleached kraft pulp (NOKP), etc.). Also, chemical pulp such as sulfite pulp (SP) and soda pulp (AP), semi-chemical pulp such as semi-chemical pulp (SCP) and chemiground wood pulp (CGP), groundwood pulp (GP), thermomechanical pulp (TMP) , BCTMP), etc., non-wood pulp made from cocoons, cocoons, hemp, kenaf, etc., and deinked pulp made from waste paper, but are not particularly limited. Among these, kraft pulp, deinked pulp, and sulfite pulp are preferable because they are more easily available, but are not particularly limited. A cellulose raw material may be used individually by 1 type, and may be used in mixture of 2 or more types.
本発明でセルロース繊維というときは、特に記載した場合を除き、粗大セルロース繊維と微細セルロース繊維とを含む。 In the present invention, the term “cellulose fiber” includes coarse cellulose fibers and fine cellulose fibers unless otherwise specified.
粗大セルロース繊維(単に、粗大繊維ということもある。)の平均繊維幅は、電子顕微鏡で観察して、例えば1μm以上であり、好ましくは5μm以上であり、より好ましくは10μm以上である。 The average fiber width of coarse cellulose fibers (sometimes simply referred to as coarse fibers) is, for example, 1 μm or more, preferably 5 μm or more, more preferably 10 μm or more, as observed with an electron microscope.
微細セルロース繊維(単に、微細繊維ということもある。)の平均繊維幅は、電子顕微鏡で観察して、好ましくは2〜1000nm、より好ましくは2〜100nmであり、より好ましくは2〜50nmであり、さらに好ましくは2nm以上10nm未満であるが、特に限定されない。微細セルロース繊維の平均繊維幅が2nm未満であると、セルロース分子として水に溶解しているため、微細セルロース繊維としての物性(強度や剛性、寸法安定性)が発現しなくなる。ここで、微細セルロース繊維がI型結晶構造をとっていることは、グラファイトで単色化したCuKα(λ=1.5418Å)を用いた広角X線回折写真より得られる回折プロファイルにおいて同定できる。具体的には、2θ=14〜17°付近と2θ=22〜23°付近の2箇所の位置に典型的なピークをもつことから同定することができる。 The average fiber width of fine cellulose fibers (sometimes simply referred to as fine fibers) is preferably 2 to 1000 nm, more preferably 2 to 100 nm, and more preferably 2 to 50 nm, as observed with an electron microscope. More preferably, it is 2 nm or more and less than 10 nm, but is not particularly limited. When the average fiber width of the fine cellulose fiber is less than 2 nm, the physical properties (strength, rigidity, dimensional stability) as the fine cellulose fiber are not exhibited because the cellulose molecule is dissolved in water. Here, it can be identified in the diffraction profile obtained from the wide angle X-ray diffraction photograph using CuKα (λ = 1.54184) monochromatized with graphite that the fine cellulose fiber has the I-type crystal structure. Specifically, it can be identified by having typical peaks at two positions near 2θ = 14-17 ° and 2θ = 22-23 °.
セルロース繊維の電子顕微鏡観察による繊維幅の測定は以下のようにして行う。濃度0.05〜0.1質量%のセルロース繊維の水系懸濁液を調製し、該懸濁液を親水化処理したカーボン膜被覆グリッド上にキャストしてTEM観察用試料とする。幅の広い繊維を含む場合には、ガラス上にキャストした表面のSEM像を観察してもよい。構成する繊維の幅に応じて1000倍、5000倍、10000倍あるいは50000倍のいずれかの倍率で電子顕微鏡画像による観察を行う。但し、試料、観察条件や倍率は下記の条件を満たすように調整する。 Measurement of the fiber width of the cellulose fiber by electron microscope observation is performed as follows. An aqueous suspension of cellulose fibers having a concentration of 0.05 to 0.1% by mass is prepared, and the suspension is cast on a carbon film-coated grid subjected to a hydrophilic treatment to obtain a sample for TEM observation. When a wide fiber is included, an SEM image of the surface cast on glass may be observed. Observation with an electron microscope image is performed at a magnification of 1000 times, 5000 times, 10000 times, or 50000 times depending on the width of the constituent fibers. However, the sample, observation conditions, and magnification are adjusted to satisfy the following conditions.
(1)観察画像内の任意箇所に一本の直線Xを引き、該直線Xに対し、20本以上の繊維が交差する。
(2)同じ画像内で該直線と垂直に交差する直線Yを引き、該直線Yに対し、20本以上の繊維が交差する。
(1) One straight line X is drawn at an arbitrary location in the observation image, and 20 or more fibers intersect the straight line X.
(2) A straight line Y perpendicular to the straight line is drawn in the same image, and 20 or more fibers intersect the straight line Y.
上記条件を満足する観察画像に対し、直線X、直線Yと交錯する繊維の幅を目視で読み取る。こうして少なくとも重なっていない表面部分の画像を3組以上観察し、各々の画像に対して、直線X、直線Yと交錯する繊維の幅を読み取る。このように少なくとも20本×2×3=120本の繊維幅を読み取る。セルロース繊維の平均繊維幅(単に、「繊維幅」ということもある。)はこのように読み取った繊維幅の平均値である。 The width of the fiber that intersects with the straight line X and the straight line Y is visually read from the observation image that satisfies the above conditions. In this way, at least three sets of images of the surface portion that do not overlap each other are observed, and the width of the fiber intersecting with the straight line X and the straight line Y is read for each image. Thus, at least 20 × 2 × 3 = 120 fiber widths are read. The average fiber width of cellulose fibers (sometimes simply referred to as “fiber width”) is an average value of the fiber widths read in this way.
微細セルロース繊維の繊維長は特に限定されないが、1〜1000μmが好ましく、5〜800μmがさらに好ましく、10〜600μmが特に好ましい。繊維長が1μm未満になると、微細繊維シートを形成し難くなる。1000μmを超えると微細繊維のスラリー粘度が非常に高くなり、扱いづらくなる。繊維長は、TEM、SEM、AFMによる画像解析より求めることができる。 Although the fiber length of a fine cellulose fiber is not specifically limited, 1-1000 micrometers is preferable, 5-800 micrometers is more preferable, and 10-600 micrometers is especially preferable. When the fiber length is less than 1 μm, it is difficult to form a fine fiber sheet. If it exceeds 1000 μm, the slurry viscosity of the fine fibers becomes very high and it becomes difficult to handle. The fiber length can be obtained by image analysis using TEM, SEM, or AFM.
<化学的処理>
セルロース原料の化学的処理の方法は、微細繊維を得ることができる方法である限り特に限定されない。例えば、セルロースまたは繊維原料中の官能基と共有結合を形成し得る化合物による処理などが挙げられるがこれらに限定されない。
<Chemical treatment>
The method of chemical treatment of the cellulose raw material is not particularly limited as long as it is a method capable of obtaining fine fibers. Examples thereof include, but are not limited to, treatment with a compound capable of forming a covalent bond with a functional group in cellulose or a fiber raw material.
特開2011−162608号公報に記載されている四級アンモニウム基を有する化合物による処理は、繊維中の水酸基と四級アンモニウム基を有するカチオン化剤とを反応させて、該繊維をカチオン変性する方法である。 The treatment with a compound having a quaternary ammonium group described in JP 2011-162608 A is a method of reacting a hydroxyl group in a fiber with a cationizing agent having a quaternary ammonium group to cation-modify the fiber. It is.
カチオン化反応工程に供するパルプの固形分濃度は50〜100質量%であることが好ましく、70〜100質量%であることがより好ましく、90〜100質量%であることがさらに好ましい。パルプの固形分濃度が前記範囲であれば、セルロースとカチオン化剤の反応効率が高まり、より低コストで微細セルロース繊維を製造できる。パルプ固形分濃度が前記下限値未満であると、後述するカチオン化反応時におけるパルプの固形分濃度を所定値以上にすることが困難になる。 The solid content concentration of the pulp subjected to the cationization reaction step is preferably 50 to 100% by mass, more preferably 70 to 100% by mass, and still more preferably 90 to 100% by mass. If the solid content concentration of the pulp is within the above range, the reaction efficiency between the cellulose and the cationizing agent is increased, and fine cellulose fibers can be produced at a lower cost. When the pulp solid content concentration is less than the lower limit, it is difficult to set the solid content concentration of the pulp during the cationization reaction described later to a predetermined value or more.
下記にカチオン化微細セルロース繊維を製造する方法の一例を記載するが、カチオン化の方法は下記に限定されない。
(カチオン化反応工程)
本実施形態におけるカチオン化反応工程は、パルプにカチオン化剤およびアルカリ化合物を添加して反応させて、カチオン化パルプを得る工程である。具体的には、パルプに含まれるセルロースのヒドロキシ基にカチオン化剤をアルカリ化合物共存下で反応させて、カチオン化パルプを得る。
Although an example of the method of manufacturing a cationized fine cellulose fiber is described below, the method of cationization is not limited to the following.
(Cationization reaction process)
The cationization reaction step in the present embodiment is a step of obtaining a cationized pulp by adding a cationizing agent and an alkali compound to the pulp and reacting them. Specifically, a cationized pulp is obtained by reacting a cationizing agent with a hydroxy group of cellulose contained in the pulp in the presence of an alkali compound.
カチオン化剤としては、四級アンモニウム基と、セルロースのヒドロキシ基と反応する基とを有するものを用いることができる。セルロースのヒドロキシ基と反応する基としては、エポキシ基、ハロヒドリンの構造を有する官能基、ビニル基、ハロゲン基等が挙げられる。
カチオン化剤の具体例としては、グリシジルトリメチルアンモニウムクロリド、3−クロロ−2−ヒドロキシプロピルトリメチルアンモニウムクロリドなどのグリシジルトリアルキルアンモニウムハライド或いはそのハロヒドリン型の化合物が挙げられる。
As the cationizing agent, one having a quaternary ammonium group and a group that reacts with a hydroxy group of cellulose can be used. Examples of the group that reacts with the hydroxy group of cellulose include an epoxy group, a functional group having a halohydrin structure, a vinyl group, and a halogen group.
Specific examples of the cationizing agent include glycidyltrialkylammonium halides such as glycidyltrimethylammonium chloride and 3-chloro-2-hydroxypropyltrimethylammonium chloride or halohydrin type compounds thereof.
カチオン化剤の添加量は特に制限されないが、パルプ絶乾質量1gあたりのカチオン化剤添加量が物質量で0.3〜10mmolであることが好ましく、0.9〜4.8mmolであることがより好ましく、1.6〜3.0mmolであることがさらに好ましい。カチオン化剤の添加量が前記下限値以上であれば、微細セルロース繊維の収率をより高くできる。しかし、前記上限値を超えると、カチオン化反応時におけるパルプの固形分濃度を所定値以上にすることが困難になる。また、カチオン化剤のコストが高くなる。 The addition amount of the cationizing agent is not particularly limited, but the addition amount of the cationizing agent per 1 g of the pulp dry mass is preferably 0.3 to 10 mmol, and preferably 0.9 to 4.8 mmol. More preferably, it is 1.6-3.0 mmol. If the addition amount of the cationizing agent is not less than the lower limit, the yield of fine cellulose fibers can be further increased. However, when the upper limit is exceeded, it becomes difficult to make the solid content concentration of the pulp during the cationization reaction equal to or higher than a predetermined value. In addition, the cost of the cationizing agent increases.
カチオン化工程に使用するアルカリ化合物は、カチオン化反応の促進に寄与するものである。アルカリ化合物は、無機アルカリ化合物であってもよいし、有機アルカリ化合物であってもよい。 The alkali compound used in the cationization step contributes to the promotion of the cationization reaction. The alkali compound may be an inorganic alkali compound or an organic alkali compound.
無機アルカリ化合物としては、アルカリ金属の水酸化物またはアルカリ土類金属の水酸化物、アルカリ金属の炭酸塩またはアルカリ土類金属の炭酸塩、アルカリ金属のリン酸塩またはアルカリ土類金属のリン酸塩が挙げられる。
アルカリ金属の水酸化物としては、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムが挙げられる。アルカリ土類金属の水酸化物としては、水酸化カルシウムが挙げられる。
アルカリ金属の炭酸塩としては炭酸リチウム、炭酸水素リチウム、炭酸カリウム、炭酸水素カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウムが挙げられる。アルカリ土類金属の炭酸塩としては、炭酸カルシウムなどが挙げられる。
アルカリ金属のリン酸塩としては、リン酸リチウム、リン酸カリウム、リン酸3ナトリウム、リン酸水素2ナトリウムなどが挙げられる。アルカリ土類金属のリン酸塩としては、リン酸カルシウム、リン酸水素カルシウムなどが挙げられる。
Examples of inorganic alkali compounds include alkali metal hydroxides or alkaline earth metal hydroxides, alkali metal carbonates or alkaline earth metal carbonates, alkali metal phosphates or alkaline earth metal phosphoric acids. Salt.
Examples of the alkali metal hydroxide include lithium hydroxide, sodium hydroxide, and potassium hydroxide. Examples of the alkaline earth metal hydroxide include calcium hydroxide.
Examples of the alkali metal carbonate include lithium carbonate, lithium hydrogen carbonate, potassium carbonate, potassium hydrogen carbonate, sodium carbonate, and sodium hydrogen carbonate. Examples of the alkaline earth metal carbonate include calcium carbonate.
Examples of the alkali metal phosphate include lithium phosphate, potassium phosphate, trisodium phosphate, and disodium hydrogen phosphate. Examples of alkaline earth metal phosphates include calcium phosphate and calcium hydrogen phosphate.
有機アルカリ化合物としては、アンモニア、脂肪族アミン、芳香族アミン、脂肪族アンモニウム、芳香族アンモニウム、複素環式化合物およびその水酸化物、炭酸塩、リン酸塩等が挙げられる。例えば、アンモニア、ヒドラジン、メチルアミン、エチルアミン、ジエチルアミン、トリエチルアミン、プロピルアミン、ジプロピルアミン、ブチルアミン、ジアミノエタン、ジアミノプロパン、ジアミノブタン、ジアミノペンタン、ジアミノヘキサン、シクロヘキシルアミン、アニリン、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド、テトラエチルアンモニウムヒドロキシド、テトラプロピルアンモニウムヒドロキシド、テトラブチルアンモニウムヒドロキシド、ベンジルトリメチルアンモニウムヒドロキシド、ピリジン、N,N−ジメチル−4−アミノピリジン、炭酸アンモニウム、炭酸水素アンモニウム、リン酸水素2アンモニウム等が挙げられる。
上記アルカリ化合物は1種単独でもよいし、2種以上を組み合わせてもよい。
Examples of the organic alkali compounds include ammonia, aliphatic amines, aromatic amines, aliphatic ammoniums, aromatic ammoniums, heterocyclic compounds and their hydroxides, carbonates, and phosphates. For example, ammonia, hydrazine, methylamine, ethylamine, diethylamine, triethylamine, propylamine, dipropylamine, butylamine, diaminoethane, diaminopropane, diaminobutane, diaminopentane, diaminohexane, cyclohexylamine, aniline, tetramethylammonium hydroxide, Tetraethylammonium hydroxide, tetrapropylammonium hydroxide, tetrabutylammonium hydroxide, benzyltrimethylammonium hydroxide, pyridine, N, N-dimethyl-4-aminopyridine, ammonium carbonate, ammonium hydrogen carbonate, diammonium hydrogen phosphate, etc. Can be mentioned.
The said alkali compound may be single 1 type, and may combine 2 or more types.
上記アルカリ化合物の中でも、カチオン化反応がより起こりやすくなり、且つ、低コストであることから、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムが好ましい。
アルカリ化合物の量はアルカリ化合物の種類に応じて異なるが、例えば、パルプ絶乾質量に対して1〜10質量%の範囲内とされる。
Among the above alkali compounds, sodium hydroxide and potassium hydroxide are preferable because the cationization reaction is more likely to occur and the cost is low.
Although the quantity of an alkali compound changes according to the kind of alkali compound, it shall be in the range of 1-10 mass% with respect to a pulp absolute dry mass, for example.
カチオン化剤およびアルカリ化合物は、パルプに容易に添加できることから、溶液化することが好ましい。溶液化する場合に使用する溶媒としては水または有機溶媒のいずれであってもよいが、極性溶媒(水、アルコール等の極性有機溶媒)が好ましく、少なくとも水を含む水系溶媒がより好ましい。 Since the cationizing agent and the alkali compound can be easily added to the pulp, it is preferable to form a solution. The solvent used for the solution may be either water or an organic solvent, but a polar solvent (polar organic solvent such as water or alcohol) is preferable, and an aqueous solvent containing at least water is more preferable.
本製造方法では、カチオン化反応開始時のパルプ絶乾質量1gあたりの溶媒物質量を5〜150mmolにすることが好ましい。該溶媒の物質量は、5〜80mmolにすることがより好ましく、5〜60mmolにすることがさらに好ましい。カチオン化反応開始時のパルプ絶乾質量1gあたりの溶媒物質量を前記上限値より高くすると、カチオン化剤と水等の溶媒の反応が、カチオン化剤とセルロースとの反応と競合するため、カチオン化の反応効率が低下して微細セルロース繊維の収率が低くなる。一方、カチオン化反応開始時のパルプ絶乾質量1gあたりの溶媒物質量が前記下限値未満であると、パルプにカチオン化剤が均一に浸透しにくくなって、カチオン化反応が起こりにくくなる。
カチオン化反応時のパルプの固形分濃度を前記範囲にするためには、例えば、固形分濃度が高い(すなわち、水分が少ない)パルプを用いればよい。また、カチオン化剤およびアルカリ化合物の溶液に含まれる溶媒量を少なくすることが好ましい。
In this production method, it is preferable that the solvent substance amount per 1 g of the pulp dry mass at the start of the cationization reaction is 5 to 150 mmol. The substance amount of the solvent is more preferably 5 to 80 mmol, and further preferably 5 to 60 mmol. When the amount of the solvent substance per 1 g of pulp dry mass at the start of the cationization reaction is higher than the upper limit, the reaction between the cationizing agent and a solvent such as water competes with the reaction between the cationizing agent and cellulose. The reaction efficiency is reduced, and the yield of fine cellulose fibers is reduced. On the other hand, when the amount of the solvent substance per 1 g of the pulp dry mass at the start of the cationization reaction is less than the lower limit, the cationizing agent does not easily penetrate into the pulp, and the cationization reaction hardly occurs.
In order to set the solid content concentration of the pulp during the cationization reaction within the above range, for example, a pulp having a high solid content concentration (that is, low moisture content) may be used. Moreover, it is preferable to reduce the amount of solvent contained in the solution of the cationizing agent and the alkali compound.
カチオン化工程における反応温度は、20〜200℃の範囲内であることが好ましく、40〜100℃の範囲内であることがより好ましい。反応温度が前記下限値以上であれば、充分な反応性が得られ、前記上限値以下であれば、反応を容易に制御できる。また、反応後のパルプの着色を抑える効果もある。
カチオン化反応の時間は、パルプやカチオン化剤の種類、パルプ固形分濃度、反応温度等によって異なるが、通常、0.5〜3時間の範囲内である。
The reaction temperature in the cationization step is preferably in the range of 20 to 200 ° C, more preferably in the range of 40 to 100 ° C. If the reaction temperature is not less than the lower limit, sufficient reactivity can be obtained, and if the reaction temperature is not more than the upper limit, the reaction can be easily controlled. In addition, there is an effect of suppressing coloring of the pulp after the reaction.
The time for the cationization reaction varies depending on the type of pulp and cationizing agent, the pulp solid content concentration, the reaction temperature, etc., but is usually in the range of 0.5 to 3 hours.
カチオン化反応は密閉系で行ってもよいし、開放系で行っても構わない。また、反応中に溶媒を蒸散させ、反応終了時のパルプ絶乾質量1gあたりの溶媒物質量が反応開始時に比べて低くなっても構わない。 The cationization reaction may be performed in a closed system or an open system. Further, the solvent may be evaporated during the reaction, and the amount of the solvent substance per 1 g of the pulp dry mass at the end of the reaction may be lower than that at the start of the reaction.
<洗浄工程>
洗浄工程は、カチオン化パルプを洗浄して、残留したカチオン化剤およびアルカリ化合物やパルプの分解物を除去する工程である。
具体的に、洗浄工程では、パルプを洗浄するために通常使用される各種洗浄機、例えば、フィルター洗浄機、ドラム洗浄機、ベルト洗浄機、ディフューザー洗浄機、フィルタープレス、スクリュープレスなどを用いることができる。これらのうちでも、洗浄後の脱水性に優れることから、フィルタープレス、スクリュープレスなどのプレス洗浄機が好ましい。
<Washing process>
The washing step is a step of washing the cationized pulp to remove the remaining cationizing agent, alkali compound, and pulp decomposition products.
Specifically, in the washing step, various washing machines usually used for washing pulp, for example, a filter washing machine, a drum washing machine, a belt washing machine, a diffuser washing machine, a filter press, a screw press, and the like may be used. it can. Among these, a press washer such as a filter press or a screw press is preferable because of excellent dewaterability after washing.
<酸添加工程>
酸添加工程は、洗浄工程において洗浄したカチオン化パルプに酸を添加して作用させる工程である。酸添加工程を有すると、微細化工程における解繊性がより高くなって、微細セルロース繊維の収率がより高くなる。
カチオン化パルプに添加する酸は無機酸であってもよいし、有機酸であってもよい。 無機酸の具体例としては、塩酸、硫酸、硝酸、リン酸、臭化水素酸、フッ化水素酸、ホウ酸等が挙げられる。
有機酸の具体例としては、蟻酸、酢酸、プロピオン酸、酪酸、ラウリン酸、ステアリン酸、安息香酸、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、マレイン酸、クエン酸等のカルボン酸、およびメタンスルホン酸、ベンゼンスルホン酸、トシル酸等のスルホン酸等が挙げられる。 酸添加工程によってカチオン化パルプのpHを1〜9にすることが好ましく、3〜5にすることがより好ましい。pHを前記上限値以下にすると、酸添加による解繊性向上効果をさらに向上させることができる。また、pHを前記上限値以下にすると、酸の添加量が多くなり、セルロースに導入されたカチオン基に、酸を形成するアニオンが対イオンとして付加しやすくなる。セルロースに導入されたカチオン基に、酸を形成するアニオンが付加すると、セルロース同士の静電的な反発力がより大きくなり、その点からも、解繊性がより高くなると思われる。
一方、pHを前記下限値未満にすると、微細化に使用する装置を腐食させるおそれがある。
また、酸添加工程において、過剰の酸を加えた場合は、後述する微細化工程の前に、もう一度洗浄工程を含んでもよい。
<Acid addition process>
The acid addition step is a step of adding an acid to the cationized pulp washed in the washing step. When it has an acid addition process, the defibration property in a refinement | miniaturization process becomes higher, and the yield of a fine cellulose fiber becomes higher.
The acid added to the cationized pulp may be an inorganic acid or an organic acid. Specific examples of the inorganic acid include hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid, phosphoric acid, hydrobromic acid, hydrofluoric acid, boric acid and the like.
Specific examples of the organic acid include formic acid, acetic acid, propionic acid, butyric acid, lauric acid, stearic acid, benzoic acid, oxalic acid, malonic acid, succinic acid, maleic acid, carboxylic acid such as citric acid, and methanesulfonic acid, Examples thereof include sulfonic acids such as benzenesulfonic acid and tosylic acid. It is preferable to make pH of a cationized pulp into 1-9 by an acid addition process, and it is more preferable to set it as 3-5. When the pH is set to the upper limit value or less, the effect of improving the defibration effect by adding an acid can be further improved. Moreover, when pH is made into the said upper limit or less, the addition amount of an acid increases and it becomes easy to add the anion which forms an acid as a counter ion to the cationic group introduce | transduced into the cellulose. When an anion that forms an acid is added to a cationic group introduced into cellulose, the electrostatic repulsion between the celluloses becomes larger, and it is considered that the defibration property becomes higher from that point.
On the other hand, if the pH is less than the lower limit, the device used for miniaturization may be corroded.
Further, in the acid addition step, when an excess acid is added, a washing step may be included once again before the miniaturization step described later.
<解繊処理工程>
前記で得られた化学的処理した微細繊維を、解繊処理工程で解繊処理することができる。解繊処理工程では、通常、解繊処理装置を用いて、繊維を解繊処理して、微細繊維含有スラリーを得るが、処理装置、処理方法は、特に限定されない。
解繊処理装置としては、高速解繊機、グラインダー(石臼型粉砕機)、高圧ホモジナイザーや超高圧ホモジナイザー、高圧衝突型粉砕機、ボールミル、ビーズミルなどを使用できる。あるいは、解繊処理装置としては、ディスク型リファイナー、コニカルリファイナー、二軸混練機、振動ミル、高速回転下でのホモミキサー、超音波分散機、またはビーターなど、湿式粉砕する装置等を使用することもできる。解繊処理装置は、上記に限定されるものではない。
<Defibration process>
The chemically treated fine fibers obtained above can be defibrated in the defibrating process. In the defibrating process, the fiber is usually defibrated using a defibrating apparatus to obtain a fine fiber-containing slurry, but the processing apparatus and the processing method are not particularly limited.
As the defibrating apparatus, a high-speed defibrator, a grinder (stone mill type pulverizer), a high-pressure homogenizer, an ultra-high pressure homogenizer, a high-pressure collision type pulverizer, a ball mill, a bead mill, or the like can be used. Alternatively, as a defibrating apparatus, a device for wet grinding such as a disk type refiner, a conical refiner, a twin-screw kneader, a vibration mill, a homomixer under high-speed rotation, an ultrasonic disperser, or a beater should be used. You can also. The defibrating apparatus is not limited to the above.
好ましい解繊処理方法としては、粉砕メディアの影響が少なく、コンタミの心配が少ない高速解繊機、高圧ホモジナイザーや超高圧ホモジナイザーが挙げられるが、特に限定されない。 Preferable defibrating methods include, but are not limited to, a high-speed defibrator, a high-pressure homogenizer, and an ultrahigh-pressure homogenizer that are less affected by the grinding media and less worried about contamination.
解繊処理の際には、繊維原料を水と有機溶媒を単独または組み合わせて希釈してスラリー状にすることが好ましいが、特に限定されない。分散媒としては、水の他に、極性有機溶剤を使用することができる。好ましい極性有機溶剤としては、アルコール類、ケトン類、エーテル類、ジメチルスルホキシド(DMSO)、ジメチルホルムアミド(DMF)、若しくはジメチルアセトアミド(DMAc)等が挙げられるが、特に限定されない。アルコール類としては、メタノール、エタノール、n−プロパノール、イソプロパノール、n−ブタノール、若しくはt−ブチルアルコール等が挙げられる。ケトン類としては、アセトン若しくはメチルエチルケトン(MEK)等が挙げられる。エーテル類としては、ジエチルエーテル若しくはテトラヒドロフラン(THF)等が挙げられる。分散媒は1種であってもよいし、2種以上でもよい。また、分散媒中に繊維原料以外の固形分、例えば水素結合性のある尿素などを含んでも構わない。 In the defibrating process, it is preferable to dilute the fiber raw material with water and an organic solvent alone or in combination to form a slurry, but there is no particular limitation. As the dispersion medium, in addition to water, a polar organic solvent can be used. Preferable polar organic solvents include, but are not limited to, alcohols, ketones, ethers, dimethyl sulfoxide (DMSO), dimethylformamide (DMF), dimethylacetamide (DMAc), and the like. Examples of alcohols include methanol, ethanol, n-propanol, isopropanol, n-butanol, and t-butyl alcohol. Examples of ketones include acetone and methyl ethyl ketone (MEK). Examples of ethers include diethyl ether and tetrahydrofuran (THF). The dispersion medium may be one type or two or more types. Further, the dispersion medium may contain a solid content other than the fiber raw material, such as urea having hydrogen bonding property.
カチオン化微細セルロース繊維を製造する場合の具体例について、さらに詳しく下記に記載する。微細化するカチオン化パルプは、通常、分散媒中に分散されて分散液とされる。分散液とした場合には、カチオン化パルプ分散液の固形分濃度を0.1〜20質量%にすることが好ましく、0.5〜10質量%にすることがより好ましい。カチオン化パルプ分散液の固形分濃度を前記下限値以上にすれば、微細化処理の効率が向上し、前記上限値以下にすれば、微細化処理装置内での閉塞を防止できる。
希釈するための分散媒としては、水、有機溶媒、水と有機溶媒との混合物が挙げられる。
Specific examples for producing cationized fine cellulose fibers are described in more detail below. The cationized pulp to be refined is usually dispersed in a dispersion medium to form a dispersion. In the case of a dispersion, the solid content concentration of the cationized pulp dispersion is preferably 0.1 to 20% by mass, and more preferably 0.5 to 10% by mass. If the solid content concentration of the cationized pulp dispersion is set to the lower limit value or more, the efficiency of the fine processing is improved, and if the solid content concentration is set to the upper limit value or less, blockage in the micro processing apparatus can be prevented.
Examples of the dispersion medium for dilution include water, an organic solvent, and a mixture of water and an organic solvent.
微細化工程では、微細セルロース繊維の平均繊維幅が2〜1000nm、好ましくは2〜100nm、より好ましくは2〜50nm、さらに好ましくは2〜30nm、特に好ましくは2〜15nmになるように解繊して微細化する。 微細セルロース繊維の平均繊維幅を前記範囲にするためには、解繊時間、解繊のためにカチオン化パルプに付与する剪断力等を適宜調整すればよい。 In the refinement step, the fine cellulose fibers are defibrated so that the average fiber width is 2 to 1000 nm, preferably 2 to 100 nm, more preferably 2 to 50 nm, still more preferably 2 to 30 nm, and particularly preferably 2 to 15 nm. And refine. In order to set the average fiber width of the fine cellulose fibers in the above range, the defibration time, the shearing force applied to the cationized pulp for defibration, and the like may be appropriately adjusted.
<他の実施形態>
上記実施形態の製造方法では、洗浄工程、酸添加工程を有していたが、洗浄工程、酸添加工程は任意の工程であり、少なくとも一方を省略しても構わない。すなわち、カチオン化工程の後に微細化工程をおこなってもよいし、洗浄工程の後に微細化工程をおこなってもよいし、カチオン化工程の後に酸添加工程をおこなってもよい。
<Other embodiments>
In the manufacturing method of the said embodiment, although it had the washing | cleaning process and the acid addition process, a washing | cleaning process and an acid addition process are arbitrary processes, You may abbreviate | omit at least one. That is, a micronization process may be performed after the cationization process, a micronization process may be performed after the washing process, or an acid addition process may be performed after the cationization process.
<カチオン基量>
本発明に用いるセルロース繊維におけるカチオン基の導入量は特に限定されない。セルロース繊維1g(乾燥重量)当たり、例えば0.1〜2.0mmol/gとすることができ、0.15〜1.8mmol/gが好ましい。このような量であれば、高塩濃度の地下層処理用流体に添加した場合においても凝集が抑制され、分散された状態を保つことができるからである。なお、カチオン基の導入量は、セルロース繊維に含まれる窒素量を、微量窒素分析装置(例えば、ダイアインスツルメンツ製 TN-110)を用いて測定することで定量することができる。この場合、単位質量あたりのカチオン基物質量(mmol/g)は、カチオン基を含有する微細セルロース繊維1gあたりの窒素含有量(g)をカチオン基に含まれる窒素原子数と窒素の原子量で除することで求められる。
<Cation group amount>
The amount of cationic groups introduced into the cellulose fiber used in the present invention is not particularly limited. For example, 0.1 g to 2.0 mmol / g can be used per 1 g (dry weight) of cellulose fiber, and 0.15 to 1.8 mmol / g is preferable. This is because such an amount can suppress aggregation and maintain a dispersed state even when added to a high salt concentration underground layer treatment fluid. The amount of cationic groups introduced can be quantified by measuring the amount of nitrogen contained in the cellulose fiber using a trace nitrogen analyzer (for example, TN-110 manufactured by Dia Instruments). In this case, the cation group substance amount (mmol / g) per unit mass is obtained by dividing the nitrogen content (g) per gram of fine cellulose fiber containing a cation group by the number of nitrogen atoms contained in the cation group and the atomic weight of nitrogen. Is required.
<組成物の特性>
前記で得られたカチオン基を有する微細セルロース繊維を含有する地下層処理用組成物は、高い耐塩性を有し、優れた止水性を有する。
地下層処理用組成物が耐塩性を有するとは、塩を含んだ坑井処理流体と混合した場合に、流体の粘度を維持できることをいう。維持される泥水の粘度は、下記の方法で測定した際の測定値が、850mPa・s以上であることをいう。粘度は、好ましくは950mPa・s以上であり、より好ましくは20000mPa・s以上である。
<Characteristics of composition>
The composition for underground layer treatment containing the fine cellulose fiber having a cationic group obtained as described above has high salt resistance and excellent water-stopping property.
The underground layer treatment composition having salt resistance means that the viscosity of the fluid can be maintained when mixed with a well treatment fluid containing salt. The viscosity of the muddy water to be maintained means that the measured value when measured by the following method is 850 mPa · s or more. The viscosity is preferably 950 mPa · s or more, more preferably 20000 mPa · s or more.
粘度の測定:
繊維固形分が0・4質量%となるように水で希釈し、希釈液1000mLに対してベントナイト(例えば、クニゲルV1、クニミネ工業株式会社)を50g添加して十分に攪拌後、静置し、十分に水和した泥水を作液する。次いで、NaCl 15質量%、CaCl2 2質量%となるように添加し、さらに水酸化ナトリウムをpH12になるように添加し、繊維固形分が0・4質量%の、高塩濃度・アルカリ性の泥水得る。得られた液について、25℃にてB型粘度計(例えば、BLOOKFIELD社製、アナログ粘度計T−LVT)を用いて、回転数3rpm(3分)で粘度を測定する。
Viscosity measurement:
Dilute with water so that the fiber solids content is 0.4% by mass, add 50 g of bentonite (for example, Kunigel V1, Kunimine Kogyo Co., Ltd.) to 1000 mL of the diluted solution, stir well, and let stand. Make a well-hydrated mud solution. Next, NaCl is added in an amount of 15% by mass and CaCl 2 is 2% by mass, and sodium hydroxide is further added so as to have a pH of 12, and the solid content of the fiber is 0.4% by mass. obtain. The viscosity of the obtained liquid is measured at 25 ° C. using a B-type viscometer (for example, analog viscometer T-LVT manufactured by BLOOKFIELD) at a rotation speed of 3 rpm (3 minutes).
地下層処理用組成物が高い止水性を有するとは、下記の止水性試験を行った際の濾水量が、30ml以下であることをいう。濾水量は、好ましくは20ml以下であり、より好ましくは10ml以下である。 That the composition for underground layer treatment has high water-stopping means that the amount of drainage when the following water-stopping test is performed is 30 ml or less. The amount of drainage is preferably 20 ml or less, more preferably 10 ml or less.
止水性試験:
上述の、繊維固形分が0・4質量%の高塩濃度・アルカリ性の泥水200mLを、25℃にてAPI規格による濾過試験器を使用して、室温下で30分間、3kg/cm2Gの加圧を行ったときの濾水量を測定する。
Water-stop test:
The above-described 200 mL of high salt concentration / alkaline mud water with a fiber solid content of 0.4% by mass at 25 ° C. using an API standard filtration tester for 30 minutes at room temperature for 3 kg / cm 2 G Measure the amount of drainage when pressure is applied.
なお、一般には、pHが8.0を超え、11.0以下である場合を弱アルカリ性ということがあるが、本発明に関し、アルカリ性というときは、pHが8.0を超える場合をいい、好ましくは、pH11.0を超える場合をいう。本発明に関し、高塩濃度というときは、塩類を(複数種類の塩類を含む場合は総量で)1質量%以上、より好ましくは3質量%以上含む場合をいう。 In general, the case where the pH is more than 8.0 and 11.0 or less may be called weak alkalinity. However, in the present invention, the term “alkaline” means that the pH exceeds 8.0, preferably Means when the pH exceeds 11.0. In the context of the present invention, the term “high salt concentration” refers to a case where the salt is contained in an amount of 1% by mass or more, more preferably 3% by mass or more (in the total amount when plural kinds of salts are contained).
〔用途〕
<組成物としての用途>
本発明の、カチオン基を有する微細セルロース繊維を含有する地下層処理用組成物(単に、「本発明の微細セルロース繊維を含有する地下層処理用組成物」または「本発明の組成物」ということもある。)は、流体に添加することにより流体の特性を種々に改変しうるので、そのような特性を活かした種々の目的において使用することができる。本発明の微細セルロース繊維を含有する組成物の使用目的(用途)は、地下層処理に関連する限り、特に限定されないが、例えば下記を挙げることができる。
[Use]
<Use as composition>
The composition for underground layer treatment containing the fine cellulose fiber having a cationic group of the present invention (simply referred to as “the composition for underground layer treatment containing the fine cellulose fiber of the present invention” or “the composition of the present invention”). Can be used for various purposes that take advantage of such properties, since the properties of the fluid can be variously modified by adding to the fluid. Although the use purpose (use) of the composition containing the fine cellulose fiber of the present invention is not particularly limited as long as it relates to the underground layer treatment, for example, the following can be mentioned.
本発明の微細セルロース繊維を含有する組成物は、優れた耐塩性を発揮し、高い塩濃度の流体においても粘度が低下しないため、塩が大量に添加されるインヒビテッド泥水やフラクチャリング流体において、増粘剤として使用できる。 The composition containing the fine cellulose fiber of the present invention exhibits excellent salt resistance and does not decrease in viscosity even in a fluid having a high salt concentration. Therefore, the composition is increased in an inhibitory mud or a fracturing fluid to which a large amount of salt is added. Can be used as a sticking agent.
本発明の微細セルロース繊維を含有する組成物はまた、優れた止水性を発揮しうるので、地下層処理用流体において逸泥防止剤、脱水調節剤として使用できる。 Since the composition containing the fine cellulose fiber of the present invention can also exhibit excellent water-stopping properties, it can be used as an anti-sludge agent and a dehydration regulator in an underground layer treatment fluid.
本発明の微細セルロース繊維を含有する組成物は、チキソトロピー性を有することから、泥水に使用した際には、優れた坑壁形成能を発揮しうる。またセメンチング流体に使用した際には、セメント圧入を容易にすることができる。したがって、坑壁形成剤またはセメンチング調節剤として使用できる。 Since the composition containing the fine cellulose fiber of the present invention has thixotropic properties, it can exhibit excellent pit wall forming ability when used in muddy water. Further, when used as a cementing fluid, cement press-in can be facilitated. Therefore, it can be used as a pit wall forming agent or a cementing regulator.
本発明の微細セルロース繊維を含有する組成物はまた、地下層処理用流体において微細繊維のネットワーク間にオイルの液滴が捕捉されることで乳化機能を発現しうることから、乳化剤としての使用が期待できる。具体的には、エマルション系の地下層処理用流体への使用や、地下層処理用流体に配合されるエマルション物質の安定化に使用できる。本発明の微細セルロース繊維を含有する組成物は、高温、例えば300℃までの環境下でも使用できる。微細セルロース繊維の分解温度は300℃であり、また、高い結晶性に起因し、融点やガラス転移点をもたないため、一般的な樹脂のようなヘタリがない。そのため、高深水の坑井でも使用できる。 The composition containing the fine cellulose fibers of the present invention can also exhibit an emulsifying function by capturing oil droplets between the fine fiber networks in the underground layer treatment fluid, and therefore can be used as an emulsifier. I can expect. Specifically, it can be used for the use of an emulsion-based underground layer treatment fluid or the stabilization of an emulsion substance blended in the underground layer treatment fluid. The composition containing the fine cellulose fiber of the present invention can be used even in an environment of high temperature, for example, up to 300 ° C. The decomposition temperature of the fine cellulose fiber is 300 ° C., and because it has high crystallinity and does not have a melting point or a glass transition point, there is no settling like a general resin. Therefore, it can be used even in high deep water wells.
本発明の微細セルロース繊維を含有する組成物は、適切な分散媒に分散させて用いることができる。分散媒は微細セルロース繊維を分散することができるものであれば特に限定されず、水、有機溶剤、油(例えば、軽油、ミネラルオイル、合成油、食用油、非食用油)等を用いることができる。 The composition containing the fine cellulose fiber of the present invention can be used by being dispersed in an appropriate dispersion medium. The dispersion medium is not particularly limited as long as it can disperse fine cellulose fibers, and water, organic solvent, oil (for example, light oil, mineral oil, synthetic oil, edible oil, non-edible oil) or the like may be used. it can.
本発明の本発明の微細セルロース繊維を含有する組成物は、固形物、スラリー、乾燥物、濃縮(ゲル化も含む)物等の種々の形態とすることができる。使用される際には水系の分散媒に分散されることから、分散が容易なように、加工されていてもよい。濃縮する際、その方法は特に限定されないが、例えば、微細繊維を含有する液に濃縮剤を添加する方法、一般に用いられる乾燥機を用いる方法等が挙げられる。また、公知の方法、例えばWO2014/024876、WO2012/107642、およびWO2013/121086に記載された方法を用いることができる。 The composition containing the fine cellulose fiber of the present invention can be in various forms such as a solid, a slurry, a dried product, and a concentrated (including gelled) product. Since it is dispersed in an aqueous dispersion medium when used, it may be processed to facilitate dispersion. When concentrating, the method is not particularly limited, and examples thereof include a method of adding a concentrating agent to a liquid containing fine fibers, a method using a commonly used dryer, and the like. Moreover, a well-known method, for example, the method described in WO2014 / 024876, WO2012 / 107642, and WO2013 / 121086 can be used.
本発明の組成物に含有される微細セルロース繊維は、ブレーカーを用いて分解させることができる。分解させることで粘度のコントロールや地下層への残存を防ぐことができる。ブレーカーとしては、セルロース繊維を分解できる種々の成分が利用できる。例えば、過硫酸アンモニウム、過硫酸ナトリウム等の酸化剤、塩酸や硫酸等の酸、およびセルラーゼ等の酵素が挙げられるが、これらに限定されない。 The fine cellulose fiber contained in the composition of the present invention can be decomposed using a breaker. By decomposing it, it is possible to control the viscosity and prevent it from remaining in the underground layer. As the breaker, various components capable of decomposing cellulose fibers can be used. Examples include, but are not limited to, oxidizing agents such as ammonium persulfate and sodium persulfate, acids such as hydrochloric acid and sulfuric acid, and enzymes such as cellulase.
本発明の組成物に含有される微細セルロース繊維は、粘性効果等の向上を狙って、架橋させることができる。架橋剤としては、セルロース繊維を架橋できる種々の成分が利用できる。例えば、ホウ酸塩、水酸化カリウム、硝酸塩、ジルコニウム、チタン等が挙げられるが、これらに限定されない。 The fine cellulose fiber contained in the composition of the present invention can be crosslinked with the aim of improving the viscosity effect and the like. As the crosslinking agent, various components capable of crosslinking the cellulose fiber can be used. Examples include, but are not limited to, borate, potassium hydroxide, nitrate, zirconium, titanium and the like.
<流体>
本発明の組成物は、上述のように、増粘、逸泥防止、脱水調節、乳化、坑壁形成、セメンチング調節のために使用でき、また温度、酸、アルカリ、塩に対して耐性があるため、地下層処理、例えば、坑井掘削において使用される各種の流体に添加して使用することができる。このような流体には、フラクチャリング流体、泥水、セメンチング流体、ウェルコントロール流体(well control fluid)、ウェルキル流体(well kill fluid)、酸フラクチャリング流体(acid fracturing fluid)、酸分流流体(acid diverting fluid)、刺激流体(stimulation fluid)、サンドコントロール流体(sand control fluid)、仕上げ流体(completion fluid)、ウェルボーン石化流体(wellbore consolidation fluid)、レメディエーション処理流体(remediation treatment fluid)、スペーサー流体(spacer fluid)、掘削流体(drilling fluid)、フラクチャリングパッキング流体(frac-packing fluid)、水適合流体(water conformance fluid)、砂利パッキング流体(gravel packing fluid)等が含まれる。
<Fluid>
As described above, the composition of the present invention can be used for thickening prevention, mud prevention, dewatering control, emulsification, pit wall formation, cementing control, and resistance to temperature, acid, alkali and salt. Therefore, it can be used by adding to various fluids used in underground layer processing, for example, well drilling. Such fluids include fracturing fluid, mud, cementing fluid, well control fluid, well kill fluid, acid fracturing fluid, acid diverting fluid ), Stimulation fluid, sand control fluid, completion fluid, wellbore consolidation fluid, remediation treatment fluid, spacer fluid ), Drilling fluid, frac-packing fluid, water conformance fluid, gravel packing fluid and the like.
本発明の微細セルロース繊維を含有する組成物を流体に含有させて用いる場合、含有量は、意図した効果が発揮される限り特に限定されない。典型的には、流体は、セルロース繊維を固形分濃度で(セルロース繊維の総量として)、0.005〜10質量%、好ましくは0.01〜5質量%で含有しうる。より好ましくは、耐塩性、止水性を十分に発揮できるとの観点からは、流体中のセルロース繊維の固形分濃度は、0.05〜2質量%である。 When the composition containing the fine cellulose fiber of the present invention is contained in a fluid and used, the content is not particularly limited as long as the intended effect is exhibited. Typically, the fluid may contain cellulose fibers at a solids concentration (as the total amount of cellulose fibers) in the range of 0.005 to 10% by weight, preferably 0.01 to 5% by weight. More preferably, the solid content concentration of the cellulose fiber in the fluid is 0.05 to 2% by mass from the viewpoint of sufficiently exhibiting salt resistance and waterstop.
<流体中の他の成分>
本発明により提供される流体は、本発明の微細セルロース繊維を含有する組成物のほか、従来の地下層処理のための流体に添加される各種の成分を含有し得る。添加される成分の例として、鉱物、加重材、粘度調整剤、分散剤、凝集剤、逸泥防止剤、脱水調節剤、pH制御剤、摩擦低減剤、水和膨張制御剤、乳化剤、界面活性剤、殺生物剤、消泡剤、スケール防止剤、腐食防止剤、温度安定剤、樹脂コート剤、亀裂支持材、塩およびプロパントを挙げることができるが、これらに限定されない。また、添加される成分は、一種のみならず、二種以上であってもよい。
<Other components in the fluid>
In addition to the composition containing the fine cellulose fiber of the present invention, the fluid provided by the present invention may contain various components added to the fluid for conventional underground formation treatment. Examples of ingredients added include minerals, weighting agents, viscosity modifiers, dispersants, flocculants, anti-mudging agents, dehydration regulators, pH control agents, friction reducers, hydration expansion control agents, emulsifiers, surface activity Include, but are not limited to, agents, biocides, antifoams, scale inhibitors, corrosion inhibitors, temperature stabilizers, resin coating agents, crack supports, salts and proppants. Moreover, the component added may be not only one type but also two or more types.
カチオン化微細セルロース繊維はアニオン性の添加剤と共存することにより、お互いに結合し、粘度のコントロールや止水性の向上が期待できる。アニオン性の添加剤として、カルボキシメチルセルロース、キサンタンガム、グァーガムなどの増粘剤の他、アニオン性の鉱物、アニオン性の界面活性剤などを挙げることができるが、これらに限定されない。 The cationized fine cellulose fibers coexist with an anionic additive to bond with each other, and it can be expected that the viscosity is controlled and the water stoppage is improved. Examples of the anionic additive include, but are not limited to, thickeners such as carboxymethylcellulose, xanthan gum, and guar gum, anionic minerals, anionic surfactants, and the like.
アニオン性の鉱物が、カチオン性の微細セルロース繊維と共存することにより、お互いに結合し、粘度の向上や泥壁膜の強度向上などが期待できる。アニオン性の鉱物として、ベントナイト(モンモリロナイト)、カオリナイト、ハロイサイト、メタハロイサイト、イライト、バーミキュライト、モンモリロナイト、クロライト、アロフェン、腐植を挙げることができるが、これらに限定されない。 When an anionic mineral coexists with a cationic fine cellulose fiber, they are bonded to each other, and an improvement in viscosity and an improvement in the strength of the mud wall film can be expected. Examples of the anionic mineral include, but are not limited to, bentonite (montmorillonite), kaolinite, halloysite, metahalloysite, illite, vermiculite, montmorillonite, chlorite, allophane, and humus.
加重材は流体の比重を高め、裸坑壁の安定やガス、水等の噴出を防止するために用いられる。加重材としてはバライトやヘマタイト等の鉱物を使用できるが、これらに限定されない。 The weighting material is used for increasing the specific gravity of the fluid and preventing the stability of the bare pit wall and the ejection of gas, water and the like. Minerals such as barite and hematite can be used as the weighting material, but are not limited thereto.
粘度調整剤はゲル化剤、増粘剤、調泥剤とも呼ばれ、流体の粘度を最適化するために用いられる。このための成分として、ベントナイト、アタバルジャイト、セピオライト、合成スクメタイト等の鉱物類の他、水溶性である天然および合成のポリマーが使用される。水溶性ポリマーの好ましい例の一つは、天然多糖由来のものである。粘度調整剤の具体例としては、天然物または天然物由来のものとして、グァーガムおよびグァーガム誘導体、メチルセルロース、エチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、ヒドロキシエチルメチルセルロース、グリオキザール付加ヒドロキシプロピルメチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、およびカルボキシルエチルセルロース等の水溶性セルロース誘導体、アラビアガム、アルギン酸およびそのエステル類、アルギン酸塩、エレミ樹脂、ガティガム、カラギナン、カラヤガム、カロブビーンガム、増粘多糖類、タマリンドガム、トラガントガム、デンプングリコール酸塩、デンプン酸塩、ファーセレラン、ブドウ糖、ブドウ糖多糖類、ショ糖、キサンタンガム等が挙げられるが、これらに限定されない。合成高分子としては、加水分解ポリアクリルアミド(PHPAポリマー)、ポリビニルアルコール、ポリアクリレート系ポリマー等が挙げられるが、これらに限定されない。 Viscosity modifiers are also called gelling agents, thickeners, and mud adjusters, and are used to optimize the viscosity of fluids. In addition to minerals such as bentonite, attabargite, sepiolite, and synthetic sukumite, water-soluble natural and synthetic polymers are used as components for this purpose. One preferred example of the water-soluble polymer is derived from a natural polysaccharide. Specific examples of viscosity modifiers include guar gum and guar gum derivatives, methylcellulose, ethylcellulose, hydroxyethylcellulose, hydroxypropylmethylcellulose, hydroxyethylmethylcellulose, glyoxal-added hydroxypropylmethylcellulose, carboxymethylcellulose, and carboxyl as natural products or derived from natural products Water-soluble cellulose derivatives such as ethyl cellulose, gum arabic, alginic acid and its esters, alginate, elemi resin, gati gum, carrageenan, caraya gum, carob bean gum, thickening polysaccharide, tamarind gum, tragacanth gum, starch glycolate, starch salt, Examples include far cerulean, glucose, glucose polysaccharides, sucrose, xanthan gum, But it is not limited to these. Examples of the synthetic polymer include, but are not limited to, hydrolyzed polyacrylamide (PHPA polymer), polyvinyl alcohol, and polyacrylate polymer.
逸泥防止剤は、地下層処理用流体の流出を防止するために用いられる。逸泥防止剤として、おがくず、わら、セロファン、セメント、パルプ繊維、ポリ乳酸、ポリグリコール酸、ポリアリレート等を使用できるが、これらに限定されない。 The anti-sludge agent is used to prevent the underground layer treatment fluid from flowing out. Sawdust, straw, cellophane, cement, pulp fiber, polylactic acid, polyglycolic acid, polyarylate and the like can be used as the anti-sludge agent, but are not limited thereto.
脱水調節剤は脱水の減少をはかり、坑壁の保護を強化するために使用される。脱水調節剤としては、スルホン化アスファルト誘導体、デンプン誘導体、ポリアリレート、ポリアニオニックセルロース系ポリマー等が使用されるが、これらに限定されない。 Dehydration modifiers are used to reduce dehydration and to enhance the protection of the walls. Examples of the dehydration regulator include, but are not limited to, sulfonated asphalt derivatives, starch derivatives, polyarylate, polyanionic cellulose-based polymers, and the like.
乳化剤は、一方の液体中にそれとは通常混合しにくい他方の液体を分散させるために用いられる。乳化剤としては、グリセリンエステル、サポニン、ショ糖脂肪酸エステル、レシチン、ポリエチレングリコール、ポリオキシエチレンセチルエーテル、ポリオキシエチレンオレイルエーテル、ポリオキシエチレンステアリルエーテル、ポリオキシエチレンラウリルエーテル、ポリオキシエチレンオクチルドデシルエーテル、ポリオキシエチレンデシルテトラデシルエーテル、ポリオキシエチレンベヘニルエーテル、カプリン酸エチル、パルミチン酸セチル、ステアリン酸ステアリル、オクタン酸セチル、イソステアリン酸ヘキシルデシル、イソノナン酸オクチル、イソノナン酸ドデシル、ステアリン酸グリセリン、パルミチン酸グリセリン、トリ(カプリル酸カプリン酸)グリセリン、モノステアリン酸ソルビタン、オレイン酸ソルビタン、ステアリン酸プロピレングリコール、オレイン酸プロピレングリコール、ラウリン酸プロピレングリコール、ステアリン酸グリコール、ジオレイン酸グリコール、モノステアリン酸ポリエチレングリコール、イソステアリン酸ポリオキシエチレングリコール、ラウリン酸ポリオキシエチレン硬化ヒマシ油、ポリオキシエチレン硬化ヒマシ油、ポリオキシエチレンソルビタン脂肪酸エステル、ジメチルコンコポリオールが挙げられるが、これらに限定されない。 An emulsifier is used to disperse in one liquid the other liquid, which is usually difficult to mix with it. As an emulsifier, glycerin ester, saponin, sucrose fatty acid ester, lecithin, polyethylene glycol, polyoxyethylene cetyl ether, polyoxyethylene oleyl ether, polyoxyethylene stearyl ether, polyoxyethylene lauryl ether, polyoxyethylene octyldodecyl ether, Polyoxyethylene decyl tetradecyl ether, polyoxyethylene behenyl ether, ethyl caprate, cetyl palmitate, stearyl stearate, cetyl octanoate, hexyldecyl isostearate, octyl isononanoate, dodecyl isononanoate, glyceryl stearate, glyceryl palmitate , Tri (caprylic acid capric acid) glycerin, sorbitan monostearate, sorbitan oleate, Propylene glycol tearate, propylene glycol oleate, propylene glycol laurate, glycol stearate, glycol dioleate, polyethylene glycol monostearate, polyoxyethylene glycol isostearate, polyoxyethylene hydrogenated castor oil, polyoxyethylene hydrogenated castor Examples include, but are not limited to, oils, polyoxyethylene sorbitan fatty acid esters, and dimethylconcopolyols.
プロパントは、0.5mm程度の固形物であり、フラクチャリング等の際に割れ目に押し込まれ、支持体となって割れ目を閉じないようにするために用いられる。プロパントの例として、砂、ガラスビーズ、セラミック粒子および樹脂被覆した砂等が挙げられるが、これらに限定されない。 Propant is a solid of about 0.5 mm, and is used to prevent the crack from being closed by being pushed into the crack during fracturing or the like. Examples of proppants include, but are not limited to, sand, glass beads, ceramic particles and resin-coated sand.
(泥水)
好ましい実施態様の一つは、本発明の微細セルロース繊維を含有する組成物を含む、坑井掘削の際に使用される泥水である。泥水におけるセルロース繊維の含有量は、意図した効果が発揮される限り特に限定されない。泥水は、セルロース繊維を固形分濃度で(セルロース繊維の総量として)、例えば0.004〜40質量%含有し、0.04〜4質量%含有することが好ましく、0.08〜2質量%含有することがより好ましい。
(muddy water)
One preferred embodiment is mud used during well drilling, comprising a composition containing the fine cellulose fibers of the present invention. The cellulose fiber content in the muddy water is not particularly limited as long as the intended effect is exhibited. The muddy water contains cellulose fibers at a solid content concentration (as the total amount of cellulose fibers), for example, 0.004 to 40% by mass, preferably 0.04 to 4% by mass, and preferably 0.08 to 2% by mass. More preferably.
坑井掘削の際に使用される泥水は、一般に、堀屑を坑底から除去し、地上へ運搬するために使用される。また、泥水は、坑井内の圧力を制御して意図しない流体の坑井内への流入や地上への噴出を防止し、また坑壁を保護して地下層の崩壊を防ぎ、さらにドリルストリングと坑壁との摩擦を減らし、坑井内機器を冷却する役割も有する。堀屑やガスを運搬することにより、地下の情報を提供する役割も有する。泥水には、ベントナイト泥水、リグノスルホネート泥水、KClポリマー泥水、油系泥水等があるが、本実施態様により各種の泥水が提供される。 The mud used for well excavation is generally used to remove the moat from the bottom of the well and transport it to the ground. The mud also controls the pressure in the well to prevent unintended flow of fluid into the well and ejection to the ground, and protects the well wall to prevent the collapse of the underground layer. It also reduces the friction with the walls and cools downhole equipment. It also has the role of providing underground information by transporting moat and gas. The muddy water includes bentonite muddy water, lignosulfonate muddy water, KCl polymer muddy water, oil-based muddy water, and the like, and various muddy waters are provided by this embodiment.
一般に、ベントナイト泥水は安価で取扱いが容易であるが、塩分やセメントに弱く、ゲル化しやすい。これらの決定を補うため、従来、カルボキシメチルセルロース等が添加されることがあるが、本発明により、より高い性能のベントナイト泥水が提供されうる。 In general, bentonite mud is inexpensive and easy to handle, but it is weak against salt and cement and easily gelled. In order to supplement these determinations, carboxymethylcellulose or the like may conventionally be added, but the present invention can provide bentonite mud with higher performance.
本実施態様により、本発明の微細セルロース繊維を含有する組成物を含む、分散系泥水が提供される。このような泥水は、分散剤して従来のリグノスルホネート(リグニンスルホン酸ということもある。)やリグナイト(フミン酸誘導体)、pH調整剤(例えば、水酸化ナトリウム)、加重材を含有しうる。本実施態様により提供される分散系の泥水は、泥岩の保護機能、粘性や比重のコントロールの容易性、温度(一般のリグノスルホネート泥水の使用温度は約175℃、リグナイト泥水の使用温度は約190℃といわれる。)、塩、セメント等による耐力が、従来のリグノスルホネート泥水に比較して、より高められていることが期待できる。 According to this embodiment, a dispersion mud containing the composition containing the fine cellulose fiber of the present invention is provided. Such muddy water may contain a conventional lignosulfonate (sometimes referred to as lignin sulfonic acid), lignite (humic acid derivative), a pH adjuster (for example, sodium hydroxide), and a weighting agent as a dispersant. The dispersion mud provided by this embodiment has a mudstone protection function, easy control of viscosity and specific gravity, temperature (usually lignosulfonate mud is used at a temperature of about 175 ° C., lignite mud is used at a temperature of about 190 It can be expected that the yield strength of salt, cement, etc. is further enhanced compared to conventional lignosulfonate mud.
本実施態様により提供される泥水は、KCl泥水としても構成できる。Kイオンは粘土類の膨潤や分散を抑制する作用に非常に優れていることが知られている。その一方で凝集力が強すぎるために、従来はKイオンを大量に含んだ液中でも増粘性や保護コロイド性を発揮しうる、キタンサンガムや部分加水分解ポリアクリルアミド(PHPA)ポリマーと組み合わせて用いられてきた。本実施態様においては、キタンサンガムやPHPAと共にまたはそれらに代えて、本発明により提供される微細セルロース繊維を含有する組成物を用いることができる。本実施態様により提供されるKCl泥水は、泥岩の保護機能、粘性や比重のコントロールの容易性、塩やセメント等による耐力が、従来のKCl−ポリマー泥水と比較して、より高められていると期待できる。 The mud provided by this embodiment can also be configured as KCl mud. It is known that K ions are very excellent in the action of suppressing the swelling and dispersion of clays. On the other hand, it has been used in combination with chitansan gum and partially hydrolyzed polyacrylamide (PHPA) polymer, which can exhibit thickening and protective colloid properties even in liquids containing a large amount of K ions because of its cohesive strength. It was. In the present embodiment, a composition containing fine cellulose fibers provided by the present invention can be used together with or in place of the chitansan gum and PHPA. The KCl mud provided by the present embodiment has a mudstone protection function, ease of control of viscosity and specific gravity, and proof strength due to salt, cement, etc., as compared with the conventional KCl-polymer mud. I can expect.
本実施態様により提供される泥水は、油系泥水としても構成できる。油系泥水には、油分95%以上のオイルマッド、さらに15〜35%の水および乳化剤を用いて調製した油中水型の乳化物であるインバートエマルジョンオイルマッドが含まれる。油系泥水は、一般に、水系の泥水に比較して、泥岩層の水和・膨潤の抑制、高温安定性、潤滑性、油層への水の浸入による生産性障害の防止、金属腐食を起こしにくい、腐敗による劣化が少ない等の利点がある。本実施態様により、これらの特性を生かしつつ、さらに改良された油系泥水が提供されると期待できる。 The muddy water provided by this embodiment can also be configured as an oil-based muddy water. The oil-based muddy water includes an invert emulsion oil mud, which is an oil mud having an oil content of 95% or more, and a water-in-oil emulsion prepared using 15 to 35% water and an emulsifier. In general, oil-based mud is less susceptible to hydration and swelling of the mudstone layer, high-temperature stability, lubricity, prevention of productivity failure due to water intrusion into the oil layer, and metal corrosion less than water-based mud. There are advantages such as little deterioration due to corruption. By this embodiment, it can be expected that an improved oil-based mud is provided while taking advantage of these characteristics.
(フラクチャリング流体)
好ましい実施態様の一つは、本発明の微細セルロース繊維を含有する組成物を含む、水圧破砕において使用されるフラクチャリング流体である。フラクチャリング流体は地層の崩壊を防ぐため、高濃度の塩が添加されている。さらにグァーガム等の増粘剤の架橋反応を促進するため、高アルカリ性に調整されることがある。本発明の微細セルロース繊維は耐塩性、耐アルカリ性に優れるため、フラクチャリング流体には好適である。フラクチャリング流体におけるセルロース繊維の含有量は、意図した効果が発揮される限り特に限定されない。フラクチャリング流体は、セルロース繊維を固形分濃度で(セルロース繊維の総量として)、例えば0.002〜20質量%含有し、0.02〜2質量%含有することが好ましく、0.04〜1質量%含有することがより好ましい。
(Fracturing fluid)
One preferred embodiment is a fracturing fluid used in hydraulic fracturing comprising a composition containing the fine cellulose fibers of the present invention. The fracturing fluid is added with a high concentration of salt to prevent the collapse of the formation. Furthermore, in order to promote the crosslinking reaction of thickeners such as guar gum, it may be adjusted to be highly alkaline. Since the fine cellulose fiber of the present invention is excellent in salt resistance and alkali resistance, it is suitable for a fracturing fluid. The content of the cellulose fiber in the fracturing fluid is not particularly limited as long as the intended effect is exhibited. The fracturing fluid contains cellulose fibers at a solid content concentration (as the total amount of cellulose fibers), for example, 0.002 to 20% by mass, preferably 0.02 to 2% by mass, and preferably 0.04 to 1% by mass. % Content is more preferable.
フラクチャリング流体は、一般に、溶剤または分散媒として、水や有機溶剤を90〜95質量%程度含有し、プロパント(支持体)を5〜9質量%程度含有する。さらに場合により、ゲル化剤、スケール防止剤、岩石等を溶解するための酸、摩擦低減剤等の種々の添加剤を0.5〜1質量%程度含有する。これらの成分および添加剤は、本実施態様により提供されるフラクチャリング流体も同様の範囲で含有することができる。 The fracturing fluid generally contains about 90 to 95% by mass of water or an organic solvent as a solvent or dispersion medium, and about 5 to 9% by mass of proppant (support). Further, in some cases, it contains about 0.5 to 1% by mass of various additives such as gelling agents, scale inhibitors, acids for dissolving rocks, friction reducing agents and the like. These components and additives can also contain the fracturing fluid provided by this embodiment in a similar range.
微細セルロース繊維は、フラクチャリング流体において、プロパントの安定分散に加え、架橋反応による更なる粘度の向上や、使用後に分解して流体の粘度を低下させたりすることで柔軟な粘度コントロールを行うことができる。また、フラクチャリング流体において分解性の逸泥防止剤としての利用も可能である。逸泥を防止することで、坑内で圧力をかかりやすくできるため、より良い亀裂を形成させることができる。通常の逸泥防止剤をフラクチャリング流体に添加すると、ガスの産出流路を塞いでしまう恐れがあるが、微細セルロース繊維からなる逸泥防止剤は、使用後に分解すれば、産出流路を塞ぐことがない。 In addition to the stable dispersion of proppant in the fracturing fluid, the fine cellulose fibers can be used for flexible viscosity control by further improving the viscosity due to the crosslinking reaction or by decomposing after use to lower the viscosity of the fluid. it can. It can also be used as a degradable anti-sludge agent in a fracturing fluid. By preventing the mud, it is possible to easily apply pressure in the mine, so that a better crack can be formed. Adding normal anti-sludge agent to the fracturing fluid may block the gas production flow path, but the anti-sludge agent made of fine cellulose fibers will block the production flow path if it decomposes after use. There is nothing.
(セメンチング流体)
好ましい実施態様の一つは、本発明の微細セルロース繊維を含有する組成物を含む、セメンチング流体である。セメンチング流体におけるセルロース繊維の含有量は、意図した効果が発揮される限り特に限定されない。セメンチング流体は、セルロース繊維を固形分濃度で(セルロース繊維の総量として)、例えば0.001〜40質量%含有し、0.01〜20質量%含有することが好ましく、0.05〜5質量%含有することがより好ましい。
(Cementing fluid)
One preferred embodiment is a cementing fluid comprising a composition containing the fine cellulose fibers of the present invention. The cellulose fiber content in the cementing fluid is not particularly limited as long as the intended effect is exhibited. The cementing fluid contains cellulose fibers at a solid content concentration (as the total amount of cellulose fibers), for example, 0.001 to 40 mass%, preferably 0.01 to 20 mass%, preferably 0.05 to 5 mass%. It is more preferable to contain.
セメンチング流体には、ケイ酸三カルシウム等の一般用セメントや高温度の坑井に使用するクラスGセメント等の高温度耐久性セメントを使用することができる。セメンチング時間の最適化のために、セメント速硬剤やセメント遅硬剤等の固結剤を添加剤として使用することができる。また、セメント分散剤、流動性改善剤、低比重、低脱水セメント添加剤等も使用することができる。その他には、脱水調節剤、強度安定剤、加重材、置換効率の改善や坑内洗浄のためのセメントスペーサー添加剤、坑壁洗浄を行うケミカルウォッシュ添加剤、セメントスラリー消泡剤、スケール防止剤、逸泥防止剤、アルミン酸カルシウム、ポリ燐酸ナトリウム、フライアッシュ、発泡剤、泡安定剤、及び泡を形成するに十分な量のガス等が添加されうる。セメンチング流体が硬化したものに弾力性を与えるためには、流体は、必要に応じて不活性で粉砕されたゴムの粒子を含んでいてもよい。 The cementing fluid may be a general-purpose cement such as tricalcium silicate or a high temperature durable cement such as a class G cement used for high temperature wells. In order to optimize the cementing time, a caking agent such as a cement fast hardener or a cement slow hardener can be used as an additive. Cement dispersants, fluidity improvers, low specific gravity, low dehydrated cement additives, and the like can also be used. Others include dehydration regulators, strength stabilizers, weighting materials, cement spacer additives for improved replacement efficiency and underground cleaning, chemical wash additives for wall cleaning, cement slurry defoamers, scale inhibitors, Anti-sludge agent, calcium aluminate, sodium polyphosphate, fly ash, foaming agent, foam stabilizer, and a sufficient amount of gas to form foam may be added. In order to provide elasticity to the cured cementing fluid, the fluid may optionally include inert and ground rubber particles.
微細セルロース繊維は水中で三次元ネットワークを形成し、微細な物質であっても安定分散させることができる。例えば、セメンチング流体では、10μm以下のセメント粒子が存在している。微細セルロース繊維は10μm以下の粒子であっても安定分散させることができる。また、疎水性の粒子も水中に安定分散させることができ、例えば、疎水処理された顔料粒子、鉱物等も安定分散させることができる。また、微細セルロース繊維は親水性が高いため、セメンチング流体の水分離を抑えることができる。耐塩性も高いため、カルシウム分を多く含むセメンチング流体との相性も良好である。 The fine cellulose fibers form a three-dimensional network in water, and even fine substances can be stably dispersed. For example, cement particles of 10 μm or less are present in the cementing fluid. Even if the fine cellulose fiber is a particle of 10 μm or less, it can be stably dispersed. Hydrophobic particles can also be stably dispersed in water, for example, hydrophobically treated pigment particles, minerals, and the like can be stably dispersed. Moreover, since the fine cellulose fiber has high hydrophilicity, water separation of the cementing fluid can be suppressed. Since salt resistance is also high, compatibility with a cementing fluid containing a large amount of calcium is also good.
また、地熱坑井のような二酸化炭素を含む高温井戸では、塩水を含む二酸化炭素の存在下で劣化しないセメンチング流体が望まれる。また、地熱坑井やそれに類する井戸で用いられるセメント組成物は軽量、例えば約9.5〜約14ポンド/ガロン(約1.14〜約1.68g/cm3)の範囲の密度であることが好ましい。本実施態様により、提供されるセメンチング流体を、このような密度範囲に構成することもできる。 Further, in a high temperature well containing carbon dioxide such as a geothermal well, a cementing fluid that does not deteriorate in the presence of carbon dioxide containing salt water is desired. Also, the cement composition used in geothermal wells and similar wells is lightweight, for example having a density in the range of about 9.5 to about 14 pounds / gallon (about 1.14 to about 1.68 g / cm 3 ). Is preferred. According to this embodiment, the provided cementing fluid can also be configured in such a density range.
〔地下層の処理方法、石油資源の生産方法〕
本発明はまた、本発明の組成物または上述の流体を用いた、地下層の処理方法を提供する。地下層(地層ということもある。)には、海底の地下層も含まれる。
[Treatment method of underground layer, production method of petroleum resources]
The present invention also provides a method for treating an underground formation using the composition of the present invention or the fluid described above. Underground layers (sometimes referred to as geological formations) include undersea subsurface layers.
地下層の処理には、種々の目的で使用する坑井の掘削が含まれる。坑井には、試掘井(exploratory well またはwildcat)、評価井(appraisal well)、探鉱井(exploratory wellまたはexploration well)、探掘井(delineation well)、開発井(development well)、生産井、圧入井(injection well)、観測井(observation well)、サービス井(service well)等が含まれるが、これらに限定されない。 Subsurface processing includes drilling of wells used for various purposes. Wells include exploratory well or wildcat, appraisal well, exploratory well, exploration well, delineation well, development well, production well, injection Examples include, but are not limited to, injection wells, observation wells, service wells, and the like.
また、地下層の処理には、下記のものが含まれる。
・セメンチング:主として坑井を掘った後、ケーシングと坑壁との隙間にセメントを充填してケーシングを固定するために行われる。
・坑井調査、検層作業(well logging): これには、泥水検層が含まれる。泥水検層は、循環している掘削泥水中の、ガスや掘り屑を観察、分析するものであり、それにより油ガス層を早期に察知し、また掘削中の岩相を知ることができる。
・石油資源の回収:これには、水攻法(water flooding)、ケミカル攻法(chemical flooding)が含まれる。
・坑井刺激:坑壁や坑井周辺の貯留層の性状を改善し、生産性の向上を図ること等を目的に行われる。これには、塩酸等を用いて洗浄する、酸処理(acidizing)、貯留層に亀裂を生じさせて流体の流路を確保する水圧破砕(hydraulic fracturing、hydrofracturing、fracking)が含まれる。さらに、砂層からの生産の場合の、砂の坑井への流入や砂を含む流体がチュービングや設備に被害を与えることを防止するための、砂対策(sand control)、樹脂を含む流体を地下層に圧入して砂岩を固める樹脂強化(plastic consolidation)等が含まれる。
・水系泥水、油系泥水、ケミカル・フルイド(chemical fluid)またはブライン(brine))を用いた坑井仕上げ。
・浸透率の低いタイトな地下層に通り道(割れ目、フラクチャ)を作るための、高圧のフラクチャリング流体を使用したフラクチャリング。
・坑井改修(well workover)。
・廃坑処理。
Moreover, the following are contained in the process of an underground layer.
・ Cementing: This is mainly performed to fix the casing by filling the gap between the casing and the wall of the well after digging the well.
-Well survey, well logging: This includes mud logging. The muddy water logging is for observing and analyzing gas and swarf in the circulating drilling mud, so that the oil and gas layer can be detected at an early stage and the lithology being excavated can be known.
• Petroleum resource recovery: This includes water flooding and chemical flooding.
-Well stimulation: This is done for the purpose of improving productivity by improving the properties of the wells and reservoirs around the wells. This includes washing with hydrochloric acid or the like, acidizing, and hydraulic fracturing (hydrofracturing, fracking) that creates a crack in the reservoir to ensure fluid flow. Furthermore, in the case of production from the sand layer, sand control and sand-containing fluids are used to prevent sand from flowing into the wells and preventing sand-containing fluids from damaging tubing and equipment. Includes plastic consolidation, which presses into the bed to harden the sandstone.
-Well finishing using water-based mud, oil-based mud, chemical fluid or brine.
-Fracturing using high-pressure fracturing fluid to create passages (breaks, fractures) in tight underground layers with low permeability.
-Well workover.
・ Abandoned mine treatment.
本発明はまた、本発明により得られる組成物または流体を用いた、石油資源(petroleum) の生産方法を提供する。石油資源とは、地下に存在する、固体、液体、気体のすべての鉱物性炭化水素を指す。石油資源の典型的な例は、一般的な区分である液体の石油(oil)と気体の天然ガスである。また石油資源には、在来型の石油(oil)、天然ガスのほか、タイトサンドガス、シェールオイル、タイトオイル、重質油、超重質油、シェールガス、炭層ガス、ビチュメン、ヘビーオイル、オイルサンド、オイルシェール、メタンハイドレートが含まれる。 The present invention also provides a method for producing petroleum resources using the composition or fluid obtained according to the present invention. Petroleum resources refer to all mineral, hydrocarbons, solids, liquids and gases that exist underground. Typical examples of petroleum resources are the general categories of liquid oil and gaseous natural gas. Petroleum resources include conventional oil (oil), natural gas, tight sand gas, shale oil, tight oil, heavy oil, super heavy oil, shale gas, coal seam gas, bitumen, heavy oil, oil. Contains sand, oil shale and methane hydrate.
以下の実施例により本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例によって限定されるものではない。 The present invention will be described in more detail with reference to the following examples, but the present invention is not limited to these examples.
(製造例1)
針葉樹晒クラフトパルプ(NBKP)を抄き上げたシート(固形分濃度90質量%)を絶乾質量で4.0g相当分取した。ハンドミキサー(大阪ケミカル製、ラボミルサーPLUS)を用い、回転数20,000rpmで15秒処理して綿状のフラッフィングパルプ(固形分濃度90質量%)にした。
次いで、カチオン化剤(カチオマスターG、四日市合成株式会社製、グリシジルトリメチルアンモニウムクロリド、純分73.1質量%、含水率20.2質量%)0.4gと1.5Nの水酸化ナトリウム水溶液2.8gとを混合した。得られたカチオン化剤混合液を、スプレーを用いて、前記フラッフィングパルプに添加し、ポリ塩化ビニリデン製の袋の中に入れ、その袋を手で揉むことにより、混合液をパルプに均一に浸透させて、反応用試料を調製した。この反応用試料のpHは25℃で13であった。
その後、袋内の空気を除去し、80℃で1時間反応させて、カチオン化パルプを得た。 得られたカチオン化パルプに400mlのイオン交換水を加え、攪拌しながら洗浄した後、脱水した。その洗浄・脱水の処理を4回繰り返し、4回目の脱水の後、洗浄したカチオン化パルプに0.1N塩酸とイオン交換水を添加して、pH4、固形分濃度0.5質量%のカチオン化パルプ分散液を得た。 次いで、そのカチオン化パルプ分散液を、高速回転解繊処理装置(エムテクニック社製、クレアミックス−2.2S)を用いて、21500回転/分の条件で30分間解繊処理して、カチオン化微細セルロース繊維1を得た。
(Production Example 1)
A sheet (solid content concentration: 90% by mass) made of softwood bleached kraft pulp (NBKP) was taken out in an amount corresponding to 4.0 g in an absolutely dry mass. Using a hand mixer (manufactured by Osaka Chemical Co., Ltd., Labo Milcer PLUS), it was treated at a rotation speed of 20,000 rpm for 15 seconds to form cotton-like fluffing pulp (solid content concentration 90 mass%).
Next, 0.4 g of a cationizing agent (Kachio Master G, manufactured by Yokkaichi Chemical Co., Ltd., glycidyltrimethylammonium chloride, pure content: 73.1% by mass, moisture content: 20.2% by mass) and 1.5N aqueous sodium hydroxide solution 2 .8 g was mixed. The resulting cationizing agent mixture is added to the fluffing pulp using a spray, placed in a polyvinylidene chloride bag, and the bag is manually squeezed to make the mixture uniformly into the pulp. The sample for reaction was prepared by infiltration. The pH of this reaction sample was 13 at 25 ° C.
Then, the air in a bag was removed and it was made to react at 80 degreeC for 1 hour, and the cationized pulp was obtained. 400 ml of ion-exchanged water was added to the resulting cationized pulp, washed with stirring, and then dehydrated. The washing / dehydration process is repeated four times, and after the fourth dehydration, 0.1N hydrochloric acid and ion-exchanged water are added to the washed cationized pulp to obtain a cationization having a pH of 4 and a solid content concentration of 0.5% by mass. A pulp dispersion was obtained. Next, the cationized pulp dispersion was fibrillated by using a high-speed rotating defibrating apparatus (Cleamix-2.2S, manufactured by MTechnic Co., Ltd.) for 30 minutes at 21500 rpm. A fine cellulose fiber 1 was obtained.
(製造例2)
カチオン化剤混合液を、カチオン化剤0.6gと1.3Nの水酸化ナトリウム水溶液3.2gとを混合して得たものに変更した以外は製造例1と同様にして、カチオン化微細セルロース繊維2を得た。
(Production Example 2)
The cationized fine cellulose was prepared in the same manner as in Production Example 1 except that the cationizing agent mixture was changed to one obtained by mixing 0.6 g of the cationizing agent and 3.2 g of a 1.3N aqueous sodium hydroxide solution. Fiber 2 was obtained.
(製造例3)
カチオン化剤混合液を、カチオン化剤4.0gと1.3Nの水酸化ナトリウム水溶液3.2gとを混合して得たものに変更した以外は製造例1と同様にして、カチオン化微細セルロース繊維3を得た。
(Production Example 3)
A cationized fine cellulose was prepared in the same manner as in Production Example 1 except that the cationizing agent mixture was changed to a mixture obtained by mixing 4.0 g of a cationizing agent and 3.2 g of a 1.3N sodium hydroxide aqueous solution. Fiber 3 was obtained.
(製造例4)
カチオン化剤混合液を、カチオン化剤6.0gと1.3Nの水酸化ナトリウム水溶液3.2gとを混合して得たものに変更した以外は製造例1と同様にして、カチオン化微細セルロース繊維4を得た。
(Production Example 4)
A cationized fine cellulose was prepared in the same manner as in Production Example 1 except that the cationizing agent mixture was changed to one obtained by mixing 6.0 g of a cationizing agent and 3.2 g of a 1.3N sodium hydroxide aqueous solution. Fiber 4 was obtained.
(製造例5)
カチオン化剤混合液を、カチオン化剤15.0gと1.3Nの水酸化ナトリウム水溶液15.0gとを混合して得たものに変更した以外は製造例1と同様にして、カチオン化微細セルロース繊維5を得た。
(Production Example 5)
Cationized fine cellulose was prepared in the same manner as in Production Example 1 except that the cationizing agent mixture was changed to one obtained by mixing 15.0 g of cationizing agent and 15.0 g of a 1.3N aqueous sodium hydroxide solution. Fiber 5 was obtained.
(実験例1)
製造例1で製造したカチオン化微細セルロース繊維1を含有する懸濁液を、繊維固形分濃度が0.4質量%となるように希釈した。希釈液1000mLに対してベントナイト(クニゲルV1、クニミネ工業株式会社)を50g添加して3000rpmで60分間攪拌後、24時間静置して十分に水和した泥水を作液した。その後、NaCl濃度が、15質量%、CaCl2濃度が、2質量%となるように添加し、水酸化ナトリウムをpH12になるように添加して、下記の方法(粘度の測定)で粘度を測定した。また、得られた泥水を用いて下記の方法(止水性試験)で濾水量を測定した。結果を表1に示す。
(Experimental example 1)
The suspension containing the cationized fine cellulose fiber 1 produced in Production Example 1 was diluted so that the fiber solid content concentration was 0.4% by mass. 50 g of bentonite (Kunigel V1, Kunimine Kogyo Co., Ltd.) was added to 1000 mL of the diluted solution, stirred at 3000 rpm for 60 minutes, and then allowed to stand for 24 hours to produce fully hydrated mud water. Then, the NaCl concentration is added to 15% by mass, the CaCl 2 concentration is added to 2% by mass, sodium hydroxide is added to have a pH of 12, and the viscosity is measured by the following method (measurement of viscosity). did. Moreover, the amount of drainage was measured by the following method (water-stop test) using the obtained muddy water. The results are shown in Table 1.
(実験例2)
実験例1において、カチオン化微細セルロース繊維1の代わりに製造例2で製造したカチオン化微細セルロース繊維2を用いた以外は全て実験例1と同様の方法で試験した。
(Experimental example 2)
In Experimental Example 1, all tests were performed in the same manner as in Experimental Example 1 except that the cationized fine cellulose fiber 2 produced in Production Example 2 was used instead of the cationized fine cellulose fiber 1.
(実験例3)
実験例1において、カチオン化微細セルロース繊維1の代わりに製造例3で製造したカチオン化微細セルロース繊維3を用いた以外は全て実験例1と同様の方法で試験した。
(Experimental example 3)
In Experimental Example 1, all tests were performed in the same manner as in Experimental Example 1 except that the cationized fine cellulose fiber 3 produced in Production Example 3 was used instead of the cationized fine cellulose fiber 1.
(実験例4)
実験例1において、カチオン化微細セルロース繊維1の代わりに製造例4で製造したカチオン化微細セルロース繊維4を用いた以外は全て実験例1と同様の方法で試験した。
(Experimental example 4)
In Experimental Example 1, all tests were performed in the same manner as in Experimental Example 1 except that the cationized fine cellulose fiber 4 produced in Production Example 4 was used instead of the cationized fine cellulose fiber 1.
(実験例5)
実験例1において、カチオン化微細セルロース繊維1の代わりに製造例5で製造したカチオン化微細セルロース繊維5を用いた以外は全て実験例1と同様の方法で試験した。
(Experimental example 5)
In Experimental Example 1, all tests were performed in the same manner as in Experimental Example 1 except that the cationized fine cellulose fiber 5 produced in Production Example 5 was used instead of the cationized fine cellulose fiber 1.
(実験例6)
微細セルロース繊維の代わりにカルボキシメチルセルロース(500.0〜900.0 mPa・s(2 質量%、 溶媒:水、25 ℃)、東京化成工業株式会社)を添加して0.4質量%の希釈液を用いた以外は実験例1と同様の方法で試験した。
(Experimental example 6)
Carboxymethyl cellulose (500.0 to 900.0 mPa · s (2% by mass, solvent: water, 25 ° C.), Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) was added in place of the fine cellulose fiber, and a 0.4% by mass diluent was used. Were tested in the same manner as in Experimental Example 1.
(試験方法)
<カチオン基量の測定>
(Test method)
<Measurement of cationic group amount>
カチオン基の含有量は、微細セルロース繊維に含まれる窒素量を、微量窒素分析装置(例えば、ダイアインスツルメンツ製 TN-110)を用いて測定することで定量することができる。この場合、単位質量あたりのカチオン基物質量(mmol/g)は、カチオン基を含有する微細セルロース繊維1gあたりの窒素含有量(g)をカチオン基に含まれる窒素原子数と窒素の原子量で除することで求められる。 The content of the cationic group can be quantified by measuring the amount of nitrogen contained in the fine cellulose fiber using a trace nitrogen analyzer (for example, TN-110 manufactured by Dia Instruments). In this case, the cation group substance amount (mmol / g) per unit mass is obtained by dividing the nitrogen content (g) per gram of fine cellulose fiber containing a cation group by the number of nitrogen atoms contained in the cation group and the atomic weight of nitrogen. Is required.
<粘度の測定>
得られた泥水について、25℃にてB型粘度計(BLOOKFIELD社製、アナログ粘度計T−LVT)を用いて回転数3rpm(3分)で粘度を測定した。
<Measurement of viscosity>
The viscosity of the obtained muddy water was measured at 25 ° C. using a B-type viscometer (manufactured by BLOOKFIELD, analog viscometer T-LVT) at a rotation speed of 3 rpm (3 minutes).
<止水性試験>
得られた泥水200mLを25℃にてAPI規格による濾過試験器を使用して、室温下30分間、3kg/cm2Gの加圧を行ったときの濾水量を測定した。すなわち濾水量が少ないほど、止水性能が良好であるといえる。
<Water-stop test>
200 mL of the obtained muddy water was measured at 25 ° C. using a filtration tester according to the API standard, and the amount of filtrate when 3 kg / cm 2 G was pressurized at room temperature for 30 minutes was measured. That is, it can be said that the smaller the amount of drainage, the better the water stop performance.
結果を下表に示した。 The results are shown in the table below.
表1に示すように、カチオン化微細セルロース繊維2〜4(実験例2〜4)を高塩濃度の泥水と混合した場合、高い粘度を維持し、かつ高い止水性を有することが確認できた。 As shown in Table 1, when cationized fine cellulose fibers 2 to 4 (Experimental Examples 2 to 4) were mixed with high salt concentration mud water, it was confirmed that the high viscosity was maintained and the water stopping property was high. .
本発明により、地下層処理で用いる塩濃度の高い泥水に微細セルロース繊維が配合される。本発明は、高い粘度が維持され、高い止水性を発揮することが期待される、地下層の処理のために特に有用である。 According to the present invention, fine cellulose fibers are blended in muddy water having a high salt concentration used in underground layer treatment. The present invention is particularly useful for the treatment of underground formations where high viscosity is maintained and high water stopping properties are expected.
Claims (17)
(粘度の測定方法)
繊維固形分が0.4質量%となるように水で希釈し、希釈液1000mLに対してベントナイトを50g添加して十分に攪拌後、静置し、十分に水和した泥水を作液し、次いで、NaCl 15質量%、CaCl2 2質量%となるように添加し、さらに水酸化ナトリウムをpH12になるように添加し、繊維固形分が0.4質量%の泥水を得、得られた液について、25℃にてB型粘度計を用いて、回転数3rpm、3分で粘度を測定する。 The composition according to any one of claims 1 to 6, wherein the viscosity measured by the following measurement method is 20000 mPa · s or more.
(Measurement method of viscosity)
Dilute with water so that the fiber solids content is 0.4% by mass, add 50 g of bentonite to 1000 mL of the diluted solution, stir well, let it stand, and make a fully hydrated mud solution, Next, NaCl is added in an amount of 15% by mass and CaCl 2 is 2% by mass, and sodium hydroxide is further added so as to have a pH of 12, whereby a muddy water having a fiber solid content of 0.4% by mass is obtained. The viscosity is measured at 25 ° C. using a B-type viscometer at 3 rpm for 3 minutes.
得られた濃縮物または乾燥物を水系溶媒に再分散させて再分散液を得る
工程を含む、請求項1〜7のいずれか1項に記載の組成物の製造方法。 Concentrate or dry the fine cellulose fiber dispersion,
Method of manufacturing resulting concentrate or dry product is redispersed in an aqueous solvent comprises obtaining re-dispersion composition according to any one of claims 1-7.
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