JPH0657244A

JPH0657244A - 掘削流体添加剤

Info

Publication number: JPH0657244A
Application number: JP21682092A
Authority: JP
Inventors: Kozo Honda; 宏造本多; Takaya Hori; 孝矢堀; Masao Hoshino; 政夫星野
Original assignee: Telnite Co Ltd
Current assignee: Telnite Co Ltd
Priority date: 1992-08-14
Filing date: 1992-08-14
Publication date: 1994-03-01

Abstract

(57)【要約】【目的】掘削流体の分散特性に優れ、高温・高圧環境
下においても、掘削流体の流動特性に優れ、脱水抑制機
能にも優れた掘削流体の添加剤を提供する。【構成】リグニン系物質１００重量部に、タンニン系
物質１〜５０重量部、リグナイト系物質１〜２００重量
部、及びエチレン系不飽和脂肪酸ビニールモノマー５〜
１５０重量部を混合し、全固形分濃度１０〜５０重量％
の水溶液に調整後、ｐＨ５．０〜１０．０に調整し、重
合開始剤を１〜１０重量部を添加し、重合反応して得ら
れる掘削流体添加剤。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、石油、ガス、地熱蒸気
井、その他高温下に遭遇する各種坑井の掘削に使用され
る水−粘土系掘削流体の添加剤に関する。詳細には、リ
グニンスルフォン酸、タンニン、リグナイトの各種有機
塩類物質と、水溶液で重合可能な官能基を含むモノマー
類を、重合開始剤の存在下で共重合反応して得られるも
ので、掘削流体の分散特性に優れ、高温・高圧環境下に
おいても、掘削流体の流動特性を改善し、脱水抑制機能
にも優れた掘削流体の添加剤に関する。

【０００２】

【従来の技術】坑井を掘削する方法として、掘削機械の
作動原理から、古くから基本的にロータリー式、パーカ
ッション式、スピンドル方式等があるが、逐次改良を重
ね、近年においては、ロータリー方式が、あらゆる面で
その機能が認められ、掘削機械の大勢を占めるようにな
っている。このロータリー式掘削技術は、中空のパイプ
（ドリルストリング）の下端に“錐（ビット）”を取り
付けたパイプを回転させることによって、ビットで地層
の岩石を砕き、掘削流体（以下掘削泥水という）で、砕
かれた岩石の掘屑を坑内から地表まで運搬する方法であ
る。

【０００３】それに用いる掘削泥水は、ビットによって
砕かれた掘屑を連続的に坑内から除去する以外に幾つか
の役割がある。それは、地層からの石油、ガス、地熱蒸
気等の流体が噴出しないように地層の圧力をコントロー
ルすること、坑壁との摩擦抵抗を小さくすること、坑壁
に薄くて強固な泥壁を作り、坑井の崩壊を防止すると共
に、油層、ガス層、蒸気層等、に対する生産障害を極力
少なくする等である。もし、坑壁面で地層圧と泥水圧と
の差によって脱水作用を受け泥壁が形成され、脱水が多
くなれば、壁が厚くなり、それが坑井の掘進率に影響
し、差圧抑留を起こし、頁岩の崩壊、張り付き、口径の
拡大等の障害が起こるケースがある。よって、坑井条件
に適合した分散特性、脱水特性をもつ泥水にするために
添加剤を使用することは、極めて重要である。一般に掘
削泥水は、非常に多くの機能が要求され、適確に機能
し、坑井を安定にして掘進率に寄与する必要がある。近
年、多くの坑井の掘削が難しくなる傾向にあり、高温高
圧条件下においても安定した掘削泥水を得るために、優
れた特性を有する掘削泥水添加剤が望まれている。

【０００４】従来の掘削泥水の組成は、地層の状況に応
じて決定されるが、基本的な泥水組成は次のようなもの
である。（１）ベントナイト等の天然粘土鉱物、ＣＭＣ、又はア
クリル酸類等の合成ポリマーを主体にした泥水組成（２）（１）の泥水組成にリグニンスルフォン酸誘導
体、またはリグナイト誘導体、もしくはこれらの複合塩
を添加する泥水組成（３）無機合成ポリマー、又は有機合成ポリマーもしく
はこれらの混合タイプの泥水組成。これらの基本泥水に用いられているその他の掘削泥水添
加剤としては、リン酸塩類、タンニン類、とそれらの誘
導体などが使用され、さらに技術の進歩性により、リグ
ニンスルフォン酸誘導体であるフェロクロムリグノスル
フォネート、リグナイト誘導体であるクロムリグナイト
ナトリウムなどが使用され、掘削泥水の大勢を占めてい
るのが現状である。

【０００５】これらの掘削泥水添加剤は、重金属を含ん
でいることから、環境汚染、公害などから、使用面で制
限され、一定の範囲内に限り使用することができるのみ
である。従って、これらの諸問題の発生のないポリマー
類を主体にした掘削泥水が、坑井温度の低温度から高温
度領域の広い範囲を使用できるように改良されてきてい
る。しかしながら、これらポリマー類は、掘削泥水のレ
オロジー特性の安定性を容易に得ることが難しく、高比
重、高ソリッド、高温等の、掘削環境下で坑井温度１２
０℃以上で安定性を失う。更に、Ｃａ⁺⁺，Ｍｇ⁺⁺等のア
ルカリ土類金属イオンや他の２価以上の陽イオンにより
掘削泥水添加剤が不活性化し、掘削泥水の機能を失う等
の使用面でも相当問題があるのが現状である。

【０００６】最近、石油、ガス掘削井において、深度が
深くなり、最高坑底温度も２００℃を越える場合が多く
なってきている。また、地熱掘削井では、深度が浅くと
も最高坑底温度が３００℃を越える場合もある。掘削泥
水の環境を長期的安定に維持することは、坑井条件が掘
進率と共に刻々変化する等の点で難しい。それは、掘削
泥水の組成成分が変質し、掘削泥水の粘性上昇、ゲル
化、及び脱水量の増加などのレオロジー特性が変化する
ことである。掘削条件が高温下でも、安定な掘削泥水の
レオロジー特性を維持し、坑壁での脱水調整特性、及び
地層中の各塩類による掘削泥水の汚染に対して抵抗力を
向上させる掘削泥水添加剤の開発が切望されている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、重金属を含ま
ない掘削泥水添加剤である。また、本発明の掘削泥水添
加剤を添加した掘削泥水は、安定性のある良好な分散特
性を維持し、掘削泥水の脱水量を少なくし坑壁面での泥
壁形成効果を大きくする。そして高温、高圧環境下にお
いても優れたレオロジー特性を長期的に保つことができ
る。

【０００８】その要旨は、リグニン系物質１００重量部
に、タンニン系物質１〜５０重量部、リグナイト系物質
１〜２００重量部、エチレン系不飽和脂肪酸ビニールモ
ノマー５〜１５０重量部加え、これらを全固形分濃度１
０〜５０重量％の水溶液として、これをｐＨ５．０〜１
０．０に保ち、重合開始剤を１〜１０重量部添加して重
合反応せしめ、これを乾燥粉末化して得られた共重合反
応物からなる水−粘土系掘削流体に添加する掘削泥水添
加剤にある。

【０００９】本発明の掘削泥水添加剤は、掘削泥水にお
いて、掘削泥水の流動特性を安定に保ち、坑壁の崩壊を
防止し、地層中から溶出してくる陽イオンによる汚染に
対しての掘削泥水の劣化を防止し、カッテング類（掘
屑）の膨潤を抑制し、地表への運搬を容易にし、掘進率
を向上せしめるのに貢献する。

【００１０】本発明の掘削泥水添加剤を得るための重合
反応は、リグニング系物質１００重量部に、タンニン系
物質１〜５０重量部、リグナイト系物質１〜２００重要
部、エチレン系不飽和脂肪酸ビニールモノマー５〜１５
０重量部加え、これらを全固形分濃度１０〜５０重量％
とし、好ましくは２０〜４０重量％となるような水溶液
とする。次いで水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、又
は、水酸化アンモニウム等を用いて、ｐＨ５．０〜１
０．０に調整したのち、重合開始剤を１〜１０重量部添
加し、反応開始温度を３０〜１００℃にして重合反応を
行う。この重合反応の反応温度は、重合開始剤の種類に
よって適時に選択できる。これら反応組成物を用いて水
溶液重合させる際に、ビニールモノマーの重合技術のフ
リーラジカル型が応用でき、本発明の反応は、水媒体中
で行うのが好ましい。

【００１１】本発明によるリグニン系物質としては、木
材、タケ、ワラ等の木化した植物組成中の主要成分のひ
とつで、Ｃ₆−Ｃ₃結合フェニールプロパン単量体骨格
で構成され、それぞれ縮合してできた網状高分子化合物
である。化学構造はまだ明らかなされていないが、構成
単位として芳香族構造を有している。パルプ製造廃液か
ら抽出し、褐色ないし淡褐色を示し、水、水酸化ナトリ
ウム、水酸化カリウム等のアルカリ溶液に可溶で、エー
テル、ベンゼンなどには不溶の物質である。

【００１２】タンニン系物質としては、植物界に広く分
布している植物タンニンを意味し、分子量６００〜２０
００程度の複雑な構造を有する物質で、ポリオキシフェ
ニルを基本骨格とし、アルカリ分解するとフェノール
類、フェノールカルボン酸などが得られるものと定義ず
けされている。代表的なものにケーブラチョタンニン、
ワットルタンニン、チェストナットタンニン等がある。
これらのタンニン類は、加水分解型のピロガロール物質
及び、縮合型のカテコール物質に分類される。ピロガロ
ール型は、没食子酸、ポリオキシジフェン酸などと糖類
とがデプシド結合を形成したものである。カテコール型
は、カテキン、ロイコアンドシアンなどが複数に縮合し
た構造を有するものである。また、植物性タンニン類ば
かりでなく、一般に合成タンニンと称せられる物質も用
いることができる。これらのうち、とくに縮合型植物性
タンニンが好ましい。タンニン系物質は、リグニン系物
質１００重量部に対し１〜５０重量部用いるが、好まし
くは５〜４０重量部、さらに好ましくは８〜３５重量部
用いる。

【００１３】リグナイト系物質は、草炭、亜炭、褐炭な
どの若年炭類、またはこれらを硝酸などの酸化剤で酸化
分解したものから得られるアルカリ可溶、酸不溶の不定
形高分子有機酸、または、アルカリ金属塩またはアンモ
ニウム塩である。これは一般にフミン酸、再生フミン酸
またはニトロフミン酸もしくはこれらの塩類など（以下
「フミン酸」という）と称せられている物質である。と
くに、灰分の少ないフミン酸が好ましい。このフミン酸
は、その化学的分子構造がまだ明らかにされていない有
機酸で、「アルカリ可溶、酸不溶の不定形高分子有機
酸」と定義（科学大辞典）されている物質である。これ
はリグニン系物質１００重量部に対し１〜２００重量部
用いるが、好ましくは１０〜１２０重量部、さらに好ま
しくは１５〜８０重量部用いられる。

【００１４】エチレン系不飽和脂肪酸ビニールモノマー
は、アクリル酸、メタクリル酸、アクリル酸アルキルエ
ステル、アクリル酸ヒドロキシアルキルエステル、アク
リルアミド、アクリルニトリルなどのモノマーから選ば
れた１種もしくは、２種以上のモノマーを使用すること
ができる。また、アクリル酸、メタクリル酸などの酸型
のエチレン系不飽和脂肪酸ビニールモノマーとしては、
ナトリウムカリウムなどのアルカリ金属塩またはアンモ
ニウム塩などを使用することも有効である。これらは、
リグニン系物質１００重量部に対して５〜１５０重量部
用いられるが、好ましくは１０〜１３０重量部であり、
さらに好ましくは１５〜９０重量部である。

【００１５】重合開始剤は、過硫酸アンモニウム、過硫
酸カリウム等の無機塩類、有機過酸化物、アゾ系化合
物、過酸化水素等のフリーラジカル型重合開始剤、また
は酸化剤もしくは還元剤と併用するとレドックス系開始
剤も使用することができる。こうして得られた共重合体
含有溶液を噴霧乾燥等によって粉末として掘削添加剤と
する。

【００１６】共重合反応における反応温度は、用いる重
合開始剤に対応して３０〜１００℃の広い範囲内におい
て適時選択する。共重合反応の適正な濃度は、得られる
水溶液共重合物の取扱の容易性及び生産性の観点から共
重合反応終了後に１０〜５０重量％となることが良く、
好ましい濃度範囲は２０〜４０重量％である。共重合反
応の反応ｐＨは、水溶液重合の可能な範囲内であればそ
れほど限定はないが、その範囲はｐＨ５．０〜１０．０
であり、好ましくはｐＨ６．０〜９．０である。この重
合反応は、重合開始剤を添加すると反応に伴って、発
熱、及び反応粘度が上昇する。そして、反応粘度が最大
に到達した時点を重合反応の終了とする。最大の反応粘
度は、反応系の出発物質、濃度、温度制御、などの諸条
件によって支配される。

【００１７】このようにして得られた水溶性共重合反応
物は、掘削泥水を耐熱、耐塩性等の向上に大きく効果を
発揮する物である。本発明の掘削泥水添加剤は、掘削中
に遭遇する坑井条件の温度並びに圧力等の要因に従い、
また、掘削泥水の汚染状況によって掘削泥水への添加を
変化させることが必要である。その添加量は、通常、掘
削泥水あたり、約０．５〜１０．０％の添加量で使用す
ることが好ましい。その添加量は、日常的な泥水試験の
結果によって決定される。

【００１８】こうして得られる本発明の掘削泥水添加剤
は、ベース泥水としての構成は、水１００重量部に対し
て、粘土鉱物を１〜２０重量部添加してなる粘土懸濁液
１００重量部に、０．５〜１０．０重量部添加すること
により掘削泥水、並びに高温高圧環境下でも掘削泥水の
流動特性を安定に維持することができる。

【００１９】上記、泥水に用いる粘土類には、カリオン
（カオリナイト、ハロイサイト等）ベントナイト（モン
モリロナイト等）イライト、アタバルジャイト、セピオ
ライト等があり、石綿類も同じ目的で使用できる。ま
た、高圧地層を掘削する場合には、掘削泥水の比重を高
くしなければならないが、この比重を高くするために硫
酸バリウム、炭酸バリウム、もしくは酸化鉄、またはこ
れらの混合物を加重剤としても良く、それによって掘削
泥水の流動特性を損なうことはない。更にこれらの掘削
泥水には、本発明の掘削泥水添加剤の他に、通常用いら
れている分散剤、脱水減少剤、並びに界面活性剤、既知
の添加剤（増粘剤、潤滑剤、逸泥防止剤あるいは油分
等）等も、本発明の掘削泥水添加剤に対して不活性であ
ることにより、適宜に使用することができる。

【００２０】

【実施例】

〔実施例−１〕機械的攪拌装置、温度計、還流冷却器、
及び不活性ガス流入口等を装備した２Ｌセパラブルフラ
スコに、３３．５％アクリル酸ナトリウムモノマーを４
７３．２ｇ、水１６１ｇ、天然フミン酸を無水換算で７
８ｇ添加し、水酸化ナトリウム１１．２ｇを加えて、温
度８５℃〜９０℃で３０分中和反応する。この中和反応
液を３０％濃度に調整した。この水溶液のｐＨは９．５
であった。次に、４９．４０重量％濃度のリグニング水
溶液９７２ｇ、タンニンを無水換算で４２ｇ添加し、温
度７５〜８０℃で調整し３０分間反応した。その後、２
５重量％硫酸１８ｇを注入した。この反応液のｐＨは
６．４７、濃度は４０．９重量％であった。次に、セパ
ラブルフラスコ内を窒素ガスで置換し、温度を８０℃に
調整したのち、重合開始剤として１５％過酸化水素水８
０ｇを毎分１．２６ｍｌの流入で添加して４５分間重合
反応を行う。この反応は、重合にともない反応液の粘度
が上昇し、発熱を生じ温度は上昇した。重合反応終了後
３０分間攪拌し放冷した。この液状分散液の粘度は反応
前の３８ＣＰＳから２５０ＣＰＳまで上昇した。これを
噴霧乾燥して、本発明品−１を得た。

【００２１】〔実施例−２〕実施例−１で用いたセパル
ブルフラスコに、３３．５％メタクリル酸ナトリウムモ
ノマーを４７３．２ｇ、水２４３ｇ、ニトロフミン酸を
無水換算で２７０ｇ添加し、２５重量％水酸化ナトリウ
ム液１９４．４ｇを加えて、温度８５〜９０℃で３０分
間中和反応をする。この中和反応を３４重量％濃度に調
整した。この水溶液のｐＨは９．６であった。次に、４
９．４重量％濃度のリグニン水溶液６３１．６ｇ、タン
ニンを無水換算で２０．４ｇ添加し、温度７５〜８０℃
で３０分間反応した。その後、２５重量％硫酸６０ｇを
注入し中和した。この反応のｐＨは６．３５、濃度は３
８．０重量％であった。次に、セパルブルフラスコ内を
窒素ガスで置換し温度を８０℃に調整したのち、重合開
始剤として１５％過中水素水８０ｇを毎分１．２６ｍｌ
の流量で添加して、４５分間重合反応を行った。この反
応は、進行に伴い粘度が上昇し、発熱を伴う激しい反応
である。重合反応終了後３０分間攪拌し放冷した。この
液状分散剤の粘度は反応前の６４ＣＰＳから３２０ＣＰ
Ｓまで上昇した。これを噴霧乾燥し本発明品−２を得
た。

【００２２】〔実施例−３〕清水にベントナイト（ナト
リウムモンモリロナイト：商品名テルゲル）を加えて７
％濃度の懸濁液に調整し、これをベース泥水とした。こ
のベース泥水１００ｍｌに、本発明品−１、−２及び比
較品３．０重量部、加重剤８０重量部を加えて攪拌し
（泥水比重１．６０）、カッテングス（膨潤性頁岩）２
０重量部を加え攪拌する。さらに水酸化ナトリウムでｐ
Ｈ１０．０に調整し攪拌した泥水を密閉容器に入れて、
養生温度８０℃で１６時間（ローリング６０回転／毎
分）養生しその泥水性質を調べた。なお、本発明品にお
いて水酸化ナトリウムでｐＨ調整しない試験でも行う。
その結果を表−１に示す。

【表１】

【００２３】〔実施例−４〕清水にベントナイト（ナト
リウムモンモリロナイト）を加えて６％濃度の懸濁液に
調整しこれをベース泥水とした。このベース泥水１００
ｍｌに、本発明品−１、−２及び比較品５．０重量部、
加重剤１００重量部を加えて攪拌し（泥水比重１．７
０）、カッテングス（膨潤性頁岩）１５重量部を加え攪
拌する。さらに水酸化ナトリウムでｐＨ１０．０に調整
し攪拌した泥水を密閉容器に入れて、養生温度１８０℃
で１６時間（ローリング６０回転／毎分）養生し泥水性
質を調べた。なお、本発明品において水酸化ナトリウム
でｐＨ調整しない試験でも行う。その結果を表−２に示
す。

【表２】

【００２４】〔実施例−５〕清水にベントナイト（ナト
リウムモンモリロナイト）を加えて４％濃度の懸濁液に
調整しこれをベース泥水とした。このベース泥水１００
ｍｌに、本発明品−１、−２及び比較品（クロムフミン
酸ソーダ３．０重量部、クロムタンニン酸ソーダ１．０
重量部、スルフォン化−スチレン／マレイン酸共重合物
０．５重量部）４．５重量部、増粘／脱水減少剤（商品
名ＨＯＳＴＡ−ＤＲＩＬＬ）１．０重量部、加重剤１０
０重量部を加えて攪拌し（泥水比重１．７０）、カッテ
ングス（膨潤性頁岩）１０重量部を加え攪拌する。更に
水酸化ナトリウムでｐＨ１０．０に調整し攪拌した泥水
を密閉容器に入れて、養生温度２００℃で１６時間（ロ
ーリング６０回転／毎分）養生し泥水性質を調べた。な
お、本発明品において水酸化ナトリウムでｐＨ調整しな
い試験でも行う。その結果を表−３に示す。

【表３】

【００２５】〔実施例−６〕清水にベントナイト（ナト
リウムモンモリロナイト）を加えて８％濃度の懸濁液に
調整しこれをベース泥水とした。このベース泥水１００
ｍｌに、本発明品−１、−２及び比較品（クロムリグニ
ンスルフォン酸ソーダとフミン酸ソーダとの複合塩）
２．０重量部、汚染物質として塩化ナトリウム０．５重
量部を加え攪拌した泥水についてＡＰＩ泥水試験法によ
り泥水性質を調べた。その結果を表−４に示す。

【表４】

【００２６】〔実施例−７〕清水にベントナイト（ナト
リウムモンモリロナイト）を加えて８％濃度の懸濁液に
調整しこれをベース泥水とした。このベース泥水１００
ｍｌに、本発明品−１、−２及び比較品（クロムリグニ
ンスルフォン酸ソーダとフミン酸ソーダとの複合塩）
２．０重量部、汚染物質としてセメント１．０重量部を
加え攪拌した泥水についてＡＰＩ泥水試験法により泥水
性質を調べた。その結果を表−４に示す。

【００２７】

【発明の効果】以上の実施例−３，４，５，６，７から
得た本発明品は、他の既存泥水添加剤と比較して、優れ
た分散特性を示し、泥水の流動性を安定に保ち、泥壁形
成効果の判断とされる脱水量が少なく、さらに、高温高
圧環境下においても熱変化が少なく、掘削泥水の添加剤
として効果が優れていることが明らかである。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】リグニン系物質１００重量部に、タンニ
ン系物質１〜５０重量部、リグナイト系物質１〜２００
重量部、及びエチレン系不飽和脂肪酸ビニールモノマー
５〜１５０重量部を混合し、全固形分濃度１０〜５０重
量％の水溶液に調整後、ｐＨ５．０〜１０．０に調整
し、重合開始剤を１〜１０重量部を添加し、重合反応し
て得られる掘削流体添加剤。