KR102289654B1

KR102289654B1 - 전이금속 황화물 나노입자를 포함하는 시추이수 조성물 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR102289654B1
Application number: KR1020190057691A
Authority: KR
Inventors: 김수영; 홍성현
Original assignee: 중앙대학교 산학협력단
Priority date: 2019-05-17
Filing date: 2019-05-17
Publication date: 2021-08-13
Anticipated expiration: 2039-05-17
Also published as: KR20200132334A

Abstract

본 발명은 전이금속 황화물 나노입자를 포함하는 시추이수 조성물 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 시추이수 조성물은 전이금속 황화물을 포함하여 적절한 밀도와 점도를 가져 전단 박화 현상을 나타내고, 우수한 열전도성 및 낮은 마찰계수를 나타낼 수 있다. 이에 따라, 상기 시추이수 조성물은 시추환경에서 굴착시 비트 주변의 암편들을 효율적으로 제거하고, 다시 시추이수가 지상으로 올라갈 때는 암편들을 지상으로 이동시키며, 드릴 비트 과열을 방지할 수 있다.

Description

전이금속 황화물 나노입자를 포함하는 시추이수 조성물 및 이의 제조방법{Drilling fluid composite comprising nano-particle of transition metal dichalcogenide and Preparation method thereof}

본 발명은 전이금속 황화물 나노입자를 포함하는 시추이수 조성물 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

시추이수는 시추작업에 사용되는 액체로서 비트가 굴착한 암편들을 제거하고 시추공의 압력을 유지하며 비트에 윤활작용과 냉각작용을 하는 등의 역할을 수행한다. 크게 물을 기반으로한 수성 기반 시추이수와 오일을 기반으로한 유성 기반 시추이수로 나뉩니다. 유성 기반 시추이수는 수성 기반 시추이수보다 더 좋은 성능을 나타내지만 비용이 많이 들고 환경 문제를 일으킬 수 있다. 수성 기반 시추이수는 보통 벤토나이트, 바라이트 및 폴리머계열의 점성첨가제로 구성되며 청수 또는 염수에 첨가됩니다. 벤토나이트는 시추이수의 점도 및 전단 응력을 증가시키는 팽윤성 물질이다. 바라이트는 시추이수의 밀도를 증가 시키며, 잔탄검과 같은 폴리머계열 점성첨가제는 시추이수의 점도를 증가시킨다.

시추이수는 다양한 시추환경에 따른 여러 가지 물성을 가져야 한다. 예를 들어, 시추이수는 시추공 압력의 유지를 용이하게 하기 위해 적정한 밀도를 가져야 한다. 또한, 굴착 된 암편들을 이송하기 위해서는 시추이수가 적절한 점도를 가져야 한다. 점도가 낮으면 압력 손실이 적고 시추이수를 순환시키기 쉽지만 암편 이송이 어려워지고, 반대로 시추이수의 점도가 높으면 유속이 느려지기 때문이다. 시추이의 다른 중요한 특성은 전단 박화 현상이다. 전단 박화 현상은 유속의 증가에 따른 점도변화가 급격한 현상을 말한다. 시추환경에서 굴착시 시추이수의 유속이 빨라야 비트 주변의 암편들이 효율적으로 제거되고 다시 시추이수가 지상으로 올라갈 때 느린유속일 때는 점도가 높아야 암편들을 지상으로 이송시키기 때문에 시추이수는 이러한 전단 박화 현상이 잘 일어나야 한다. 또한 시추이수는 드릴 비트의 손상을 줄이기 위해 효과적인 윤활제 역할을 햐야 하며 드릴 비트 과열을 방지하기 위해 높은 열전도성을 필요로 한다.

대한민국 등록특허 제10-1464803호

본 발명은 전이금속 황화물을 포함하여 적절한 밀도와 점도를 가져 전단 박화 현상을 나타내고, 우수한 열전도성 및 낮은 마찰계수를 나타내는 시추이수 조성물 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.

본 발명은, 용매; 스멕타이트족 점토광물; 및 몰리브덴 이황화물 또는 텅스텐 이황화물을 포함하는 전이금속 황화물 나노입자를 포함하고,

상기 전이금속 황화물 나노입자의 크기는 100 내지 650nm인 것을 특징으로 하는 시추이수 조성물을 제공한다.

또한, 본 발명은 벌크 전이금속 황화물, 유기금속 화합물 및 유기용매를 혼합하여 전이금속 황화물 나노입자를 제조하는 단계; 및

상기 제조된 전이금속 황화물 나노입자; 용매; 및 스멕타이트족 점토광물을 혼합하여 시추이수 조성물을 제조하는 단계를 포함하는 시추이수 조성물의 제조방법을 제공한다.

아울러, 본 발명은 상기 복합체를 포함하는 수소 발생 반응용 촉매를 제공한다.

본 발명에 따른 시추이수 조성물은 시추환경에서 굴착시 비트 주변의 암편들을 효율적으로 제거하고, 다시 시추이수가 지상으로 올라갈 때는 암편들을 지상으로 이동시키며, 드릴 비트 과열을 방지할 수 있다.

도 1은 일실시예에 따른 전이금속 황화물의 전계방출형 주사전자현미경(FE-SEM)의 이미지와 동적 광산란(DLS) 분석 결과 그래프이다.
도 2은 기존의 몰리브덴 이황화물을 전계방출형 주사전자현미경(FE-SEM)으로 촬영한 이미지이다..
도 3은 일실시예에 따른 시추이수 조성물을 원자간력 현미경(Atomic force microscope, AFM)으로 촬영한 이미지이다.
도 4 및 도 5는 일실시예에 따른 시추이수 조성물의 유변 특성을 나타내는 그래프로, 전단속도에 따른 전단응력 및 점도를 측정한 그래프이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

나노 기술의 발달로 인해 시추이수의 성능을 향상시키기 위해 다양한 나노입자를 첨가하고 있다. 그 중에서도 전이금속 황화물 4족에서 10족 사이의 전이금속과 16족의 기체가 결합된 물질이고, 대표적인 전이금속 황화물은 몰리브덴 이황화물(MoS₂)이며 2차원 구조를 가지고 있다. 또한, 몰리브덴 이황화물은 층과 층 사이에 반데르 발스 결합을 하고 있어서 층분리를 하기 용이하고 마찰계수가 낮으며 높은 열전도도를 가진다. 본 발명은 전이금속 황화물을 포함하는 시추이수 조성물을 제공한다. 이와 같이 본 발명에 따른 시추이수 조성물은 전이금속 황화물을 포함함으로써, 적절한 밀도와 점도를 나타내어 전단 박화 현상을 나타내고, 우수한 열전도성을 나타내며, 낮은 마찰계수를 가져 윤활특성을 향상시킬 수 있다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명은 일실시예에서,

용매; 스멕타이트족 점토광물; 및 몰리브덴 이황화물 또는 텅스텐 이황화물을 포함하는 전이금속 황화물 나노입자를 포함하고,

하나의 예로서, 본 발명에 따른 시추이수 조성물은 전이금속 황화물 나노입자의 함량이 1wt% 내지 10wt%일 수 있다. 구체적으로, 시추이수 조성물에서 전이금속 황화물 나노입자의 함량이 1wt% 내지 7wt%, 1wt% 내지 5wt%, 1wt% 내지 3wt%, 2wt% 내지 10wt%, 2wt% 내지 7wt%, 2wt% 내지 5wt%, 4wt% 내지 10wt%, 4wt% 내지 7wt% 또는 4wt% 내지 5wt%일 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 시추이수 조성물은 스멕타이트족 점토광물의 함량이 1wt% 내지 10wt%일 수 있다. 구체적으로, 시추이수 조성물에서 스멕타이트족 점토광물의 함량은 1wt% 내지 7wt%, 1wt% 내지 5wt%, 1wt% 내지 3wt%, 2wt% 내지 10wt%, 2wt% 내지 7wt%, 2wt% 내지 5wt%, 4wt% 내지 10wt%, 4wt% 내지 7wt% 또는 4wt% 내지 5wt%일 수 있다.

상기 용매는 증류수 및 소금물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다. 구체적으로, 상기 용매는 증류수일 수 있다.

상기 스멕타이트족 점토광물은 벤토나이트, 몬트모릴로나이트, 새포나이트, 헥토라이트, 미네소타이트, 논트로나이트 및 바이델라이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다. 구체적으로, 상기 스멕타이트족 점토광물은 벤토나이트 또는 몬트모릴로나이트 일 수 있다. 보다 구체적으로 상기 스멕타이트족 점토광물은 벤토나이트일 수 있다.

상기 전이금속 황화물 나노입자는 몰리브덴 이황화물 및 텅스텐 이황화물 중 어느 하나 이상일 수 있고, 구체적으로 몰리브덴 이황화물 또는 텅스텐 이황화물일 수 있으며, 보다 구체적으로 몰리브덴 이황화물일 수 있다.

예를 들어, 전이금속 황화물 나노입자의 크기는 100 내지 650 nm일 수 있다. 구체적으로, 전이금속 황화물 나노입자의 크기는 100 내지 650 nm, 100 내지 600 nm, 100 내지 500 nm, 100 내지 450 nm, 100 내지 400 nm, 200 내지 650 nm, 200 내지 600 nm, 200 내지 500 nm, 200 내지 450 nm, 200 내지 400 nm, 300 내지 650 nm, 300 내지 600 nm, 300 내지 500 nm, 300 내지 450 nm, 300 내지 400 nm, 400 내지 650 nm, 400 내지 600 nm, 400 내지 500 nm 또는 400 내지 450 nm일 수 있다.

또한, 전이금속 황화물 나노입자의 두께는 1 내지 10nm일 수 있다. 구체적으로, 전이금속 황화물 나노입자의 크기는 1 내지 10nm, 1 내지 8nm, 1 내지 5nm, 1 내지 3nm, 3 내지 10nm, 3 내지 8nm, 3 내지 5nm, 5 내지 10nm 또는 5 내지 8nm일 수 있다.

또한, 벌크 전이금속 황화물, 유기금속 화합물 및 유기용매를 혼합하여 전이금속 황화물 나노입자를 제조하는 단계; 및

본 발명의 시추이수 조성물의 제조방법을 단계별로 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

제1 단계는 전이금속 황화물 나노입자를 제조하는 단계이다.

제1 단계는 벌크 전이금속 황화물, 유기금속 화합물 및 유기용매를 혼합한 혼합용액을 원심분리 및 초음파 조사하여 수행할 수 있다. 제1 단계에서 원심분리 및 초음파 조사하는 것은 2회 이상 반복하여 수행할 수 있다.

제1 단계는 원심분리 및 초음파를 조사하는 과정은 2스텝(step)으로 나눌 수 있다. 첫번째 스텝은 유기용매에 용해되는 불순물을 제거하는 과정, 두번째 스텝은 증류수에 용해되는 불순물을 제거함과 동시에 초음파 처리를 통해 전이금속 황화물의 층과 층 사이가 분리되는 과정이다.

구체적으로, 제1 단계는 혼합용액을 벌크 전이금속 황화물, 유기금속 화합물 및 유기용매를 혼합하여 100 내지 150 시간 동안 반응시킬 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 혼합용액을 100 내지 140시간, 100 내지 130시간 또는 110 내지 130시간 동안 반응시킬 수 있다.

또한, 제1 단계는 5000 내지 10000 rpm의 속도로 1 내지 5분 동안 원심분리를 수행할 수 있다. 구체적으로, 5000 내지 9000 rpm, 5000 내지 8000 rpm, 6000 내지 10000 rpm, 6000 내지 9000 rpm, 6000 내지 8000 rpm, 70000 내지 10000 rpm 또는 7000 내지 9000 rpm의 속도로, 1 내지 5분, 2 내지 5분, 1 내지 4분, 2 내지 4분 또는 1 내지 3분 동안 원심분리를 수행할 수 있다. 상기 원심분리 과정을 통해서 불순물을 효과적으로 제거할 수 있으며, 이는 2번 이상 반복 수행될 수 있다.

상시 벌크 전이금속 황화물은 2㎛ 이상의 크기를 가지는 전이금속 황화물을 의미한다. 구체적으로, 전이금속 황화물은 몰리브덴 이황화물 및 텅스텐 이황화물 중 어느 하나 이상일 수 있고, 구체적으로 몰리브덴 이황화물 또는 텅스텐 이황화물일 수 있으며, 보다 구체적으로 몰리브덴 이황화물일 수 있다.

상기 유기용매는 헥산, 펜탄, 헵탄 및 옥탄 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 구체적으로, 유기용매는 헥산 또는 펜탄일 수 있으나, 불순물을 제거할 수 있는 유기용매라면, 이에 제한되지는 않는다.

제2 단계는 전이금속 황화물 나노입자 크기를 조절하는 단계이다.

제2 단계는 1단계를 거친 전이금속 황화물 나노입자에 증류수를 첨가하고 원심분리 및/또는 초음파를 조사하여 수행할 수 있다. 제2 단계에서 원심분리와 초음파 조사는 단독으로 또는 동시에 수행할 수 있다.

구체적으로, 제2 단계는 100 내지 10000 rpm의 속도로 1분 내지 20분 동안 원심분리를 수행할 수 있다. 보다 구체적으로, 제2 단계는 100 내지 10000 rpm, 300 내지 10000 rpm, 500 내지 10000 rpm, 100 내지 1000 rpm, 300 내지 1000 rpm, 100 내지 800 rpm, 300 내지 800 rpm, 5000 내지 10000 rpm, 7000 내지 10000 rpm, 5000 내지 9000 rpm 또는 7000 내지 9000 rpm의 속도로 1분 내지 20분, 1분 내지 15분, 1분 내지 10분, 3분 내지 20분, 3분 내지 15분 또는 3분 내지 10분 동안 원심분리를 수행할 수 있다.

또한, 제2 단계는 프로브형 초음파를 이용하여 10 내지 100W의 세기로 5분 내지 120분 동안 초음파를 조사할 수 있다. 구체적으로, 제2 단계는 프로브형 초음파를 이용하여 10 내지 100W, 10 내지 90W, 10 내지 70W, 30 내지 100W, 30 내지 90W, 30 내지 70W, 50 내지 100W, 50 내지 90W 또는 50 내지 70W의 세기로 5분 내지 120분, 5분 내지 100분, 5분 내지 80분, 5분 내지 40분, 20분 내지 120분, 20분 내지 100분, 20분 내지 80분, 20분 내지 40분, 50분 내지 120분, 50분 내지 100분 또는 100 내지 120분 동안 초음파를 조사할 수 있다.

제2 단계를 거쳐 제조된 전이금속 황화물 나노입자의 크기는 100 내지 650nm일 수 있다. 구체적으로, 상기 전이금속 황화물 나노입자의 크기는 100 내지 650 nm, 100 내지 600 nm, 100 내지 500 nm, 100 내지 450 nm, 100 내지 400 nm, 200 내지 650 nm, 200 내지 600 nm, 200 내지 500 nm, 200 내지 450 nm, 200 내지 400 nm, 300 내지 650 nm, 300 내지 600 nm, 300 내지 500 nm, 300 내지 450 nm, 300 내지 400 nm, 400 내지 650 nm, 400 내지 600 nm, 400 내지 500 nm 또는 400 내지 450 nm일 수 있다.

제3 단계는 시추이수 조성물을 제조하는 단계이다.

제3 단계는 2단계를 거친 전이금속 황화물 나노입자; 용매; 및 스멕타이트족 점토광물을 혼합하여 시추이수 조성물을 제조할 수 있다.

상기 스멕타이트족 점토광물은 벤토나이트, 몬트모릴로나이트, 새포나이트, 헥토라이트, 미네소타이트, 논트로나이트 및 바이델라이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다. 구체적으로, 상기 스멕타이트족 점토광물은 벤토나이트 또는 몬트모릴로나이트일 수 있다. 보다 구체적으로 상기 스멕타이트족 점토광물은 벤토나이트일 수 있다.

구체적으로, 제3 단계는 전이금속 황화물 나노입자를 1wt% 내지 10wt%의 비율로 혼합할 수 있다. 구체적으로, 제3 단계는 전이금속 황화물 나노입자를 1wt% 내지 7wt%, 1wt% 내지 5wt%, 1wt% 내지 3wt%, 2wt% 내지 10wt%, 2wt% 내지 7wt%, 2wt% 내지 5wt%, 4wt% 내지 10wt%, 4wt% 내지 7wt% 또는 4wt% 내지 5wt%의 비율로 혼합할 수 있다.

또한, 제3 단계는 스멕타이트족 점토광물을 1wt% 내지 10wt%의 비율로 혼합할 수 있다. 구체적으로, 제3 단계는 스멕타이트족 점토광물을 1wt% 내지 7wt%, 1wt% 내지 5wt%, 1wt% 내지 3wt%, 2wt% 내지 10wt%, 2wt% 내지 7wt%, 2wt% 내지 5wt%, 4wt% 내지 10wt%, 4wt% 내지 7wt% 또는 4wt% 내지 5wt%의 비율로 혼합할 수 있다.

이하 상기 서술한 내용을 바탕으로, 실시예와 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 권리범위를 한정하려는 것은 아니다.

제조예 1(N-S)

N-헥산 33 mL와 헥산 중 2.5 M의 농도를 가진 n-부틸 리튬 용액 17 mL 그리고 MoS₂ (평균직경<2 μm) 10 g을 넣고 질소 가스가 채워진 용기에 120 시간 동안 보관했다. 이어서, 8000 RPM으로 2 분간 원심분리한 후, 침전물을 남기고 현탁액을 버린 후 다시 헥산을 첨가하여 침전물과 헥산이 잘 섞이도록 충분히 흔들어줬다. 이 과정을 2 회 더 반복한 후, 헥산이 증발될 때까지 침전물을 건조시켰다. 건조시킨 침전물에 증류수를 첨가하고, 초음파 수조에서 1 시간 동안 초음파 처리했다. 초음파 처리가 끝난 후 8000 RPM에서 5 분 동안 원심 분리한 후, 침전물만 남기고 현탁액은 버려주고, 다시 증류수를 넣고 침전물과 증류수가 잘 섞이도록 충분히 흔들어줬다. 그런 다음 초음파 처리와 원심분리 과정을 2회 더 반복하여 MoS₂ 침전물을 얻었다. MoS₂ 침전물과 증류수를 혼합하여 8000 RPM에서 5분간 원심분리하고 프로브형 초음파기로 60W에서 1시간 동안 초음파 처리하여 몰리브덴 이황화물 나노입자(N-S)를 제조하였다.

제조예 2(N-B)

MoS₂ 침전물과 증류수를 혼합하여 500 RPM에서 5분간 원심분리만 하고 프로브형 초음파기로 초음파 조사는 생략한 것을 제외하고는 제조예 1과 동일하게 몰리브덴 이황화물 나노입자(N-B)를 제조하였다.

제조예 3(M-S)

별도의 몰리브덴 이황화물 층분리 작업을 진행하지 않고, 상업적으로 구입한 MoS₂과 증류수를 혼합하여 70mL 바이알에 넣고 60W에서 1 시간 동안 처리한 것을 제외하고는 제조예 1과 동일하게 몰리브덴 이황화물 나노입자(M-S)를 제조하였다.

제조예 4(M-B)

별도의 몰리브덴 이황화물 층분리 작업을 진행하지 않고, 상업적으로 구입한 MoS₂과 증류수를 혼합하여 70mL 바이알에 넣고 10W에서 30분 동안 처리한 것을 제외하고는 제조예 1과 동일하게 몰리브덴 이황화물 나노입자(M-B)를 제조하였다.

비교제조예

직경이 1 - 2㎛인 몰리브덴 이황화물(MoS₂)을 상업적으로 입수하였다.

실시예 1 내지 12

하기 표 1에 나타낸 것과 같이 증류수, 벤토나이트 및 제조예에서 제조한 몰리브덴 이황화물 나노입자를 혼합하여 시추이수 조성물을 제조하였다.

시추이수	벤토나이트	MoS ₂
시추이수	벤토나이트	종류	두께	직경	농도
실시예 1	5wt%	제조예 1	1-2 nm	100-400 nm	1wt%
실시예 2	5wt%		1-2 nm	100-400 nm	3wt%
실시예 3	5wt%		1-2 nm	100-400 nm	5wt%
실시예 4	5wt%	제조예 2	1-2 nm	300-600 nm	1wt%
실시예 5	5wt%		1-2 nm	300-600 nm	3wt%
실시예 6	5wt%		1-2 nm	300-600 nm	5wt%
실시예 7	5wt%	제조예 3	5-10 nm	100-400 nm	1wt%
실시예 8	5wt%		5-10 nm	100-400 nm	3wt%
실시예 9	5wt%		5-10 nm	100-400 nm	5wt%
실시예 10	5wt%	제조예 4	5-10 nm	400-650 nm	1wt%
실시예 11	5wt%		5-10 nm	400-650 nm	3wt%
실시예 12	5wt%		5-10 nm	400-650 nm	5wt%

비교예 1

몰리브덴 이황화물을 첨가하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 시추이수 조성물을 제조하였다.

비교예 2 내지 4

하기 표 2에 나타낸 것과 같이 증류수, 벤토나이트 및 비교제조예에서 제조한 몰리브덴 이황화물을 혼합하여 시추이수 조성물을 제조하였다.

시추이수	벤토나이트	MoS ₂
시추이수	벤토나이트	종류	두께	직경	농도
비교예 2	5wt%	비교제조예	> 10nm	1-2 μm	1wt%
비교예 3	5wt%		> 10nm	1-2 μm	3wt%
비교예 4	5wt%		> 10nm	1-2 μm	5wt%

실험예 1.

본 발명에 따른 전이금속 이황화물의 형태, 성분 등을 확인하기 위하여, 제조예 1 내지 제조예 4 및 비교제조예에서 제조된 몰리브덴 이황화물을 대상으로 전계방출형 주사전자현미경(Field emission scanning electron microscope, FE-SEM) 및 원자간력 현미경(Atomic force microscopE, AFM) 촬영하였고 동적 광산란(Dynamic light scattering, DLS) 분석을 수행하였으며, 그 결과를 도 1 내지 도 3에 나타내었다.

도 1은 제조예 1 내지 12에서 제조한 몰리브덴 이황화물(MoS₂) 나노입자의 전계방출형 주사전자현미경(FE-SEM) 이미지와 동적광산란(DLS) 분석 그래프이다. 도 1을 살펴보면, 제조예 1의 나노입자의 평균 직경은 100 내지 400 nm인 것을 확인하였고, 제조예 2의 나노입자는 평균 직경은 300 내지 600 nm이고, 직경이 최대 1 μm인 것을 확인하였습니다. 또한 제조예 3의 나노입자는 평균 100-400 nm의 직경을 가지고, 제조예 4의 나노입자는 400-650 nm의 직경을 가지는 것을 확인하였으며 FE-SEM 이미지상으로는 직경이 1 μm 이상의 입자도 나타났습니다.

도 2는 비교제조예에서 제조한 몰리브덴 이황화물의 전계방출형 전자현미경을 촬영한 이미지이다. 도 2를 살펴보면, 최대 2㎛의 직경을 가지고 최소 10nm 이상의 두께를 가진 것을 알 수 있다. 크기 편차는 있지만 대부분 1㎛ 이상의 직경을 가지는 것을 알 수 있다.

도 3은 제조예 1 내지 12에서 제조한 몰리브덴 이황화물(MoS₂) 나노입자의 원자간력 현미경 이미지이다. 도 3을 살펴보면, 나노입자의 두께를 알 수 있다. 증류수 안에서 분산된 몰리브덴 이황화물 나노입자는 AFM 측정을 위해 스핀 코팅 없이 실리콘 기판 상에 증착시켜 촬영하였다. 제조예 1과 제조예 2의 몰리브덴 이황화물 나노입자의 경우 두께가 1 내지 2nm로 측정되었으며, 이는 제조예 1 및 제조예 2의 나노입자가 MoS₂의 1-2 층에 해당하는 두께임을 알 수 있다. 반면에 제조예 3 및 제조예 4의 나노입자의 두께는 5 내지 10 nm이었으며, 적어도 5 개 이상의 층이 형성된 것을 알 수 있다. 이러한 결과는 상대적 두께에 따라 한 층으로 이루어진 나노입자와 다층으로 이루어진 나노입자가 명확하게 구분될 수 있음을 나타낸다.

실험예 2

본 발명에 따른 시추이수 조성물의 유변 특성을 확인하기 위하여, 실시예 내지 12 및 비교예 1 내지 4에서 제조된 시추이수 조성물을 대상으로 전단 속도에 따른 전단 응력과 전단 속도에 따른 점도를 측정하였고, 그 결과들을 도 4 및 도 5에 나타내었다.

도 4는 시추이수 조성물의 유변학적 특성을 나타낸다. 도 4를 살펴보면, 전단 속도가 매우 작으면 0이 아닌 양의 전단 응력을 나타내어 모든 종류의 시추이수가 항복 응력을 갖고 있음을 나타냈다. 도 4의 (a) 및 (b)를 살펴보면, 실시예 1 내지 3은 질량 기준 농도가 1, 3, 5wt%로 증가함에 따라 선형적인 증가를 나타내지 않았으나, 실시예 1 내지 3의 경우에는 중간 피크 포인트(전단 속도 = 1-10)를 통과한 후 점도 및 전단 응력이 기본 시추이수보다 낮은 것을 확인하였고, 전단 속도(Shear rate), 즉 유속에 따른 증가된 전단 응력의 기울기는 1보다 작음을 확인하였다. 도 4의 (c) 및 (d)를 살펴보면, 실시예 4 내지 6의 경우에는 기본 시추이수(비교예 1)과 비교하여 제조예 2의 나노입자(N-B)가 첨가된 시추이수의 점도 및 전단 응력이 증가했으며 중간 피크 포인트(1-10) 이후에도 제조예 2의 나노입자(N-B)의 농도와 전단 응력의 증가 사이의 관계에 선형성이 있는 것을 확인하였다. 뉴턴 유체의 경우 기울기 1을 고려할 때 제조예 1의 나노입자(N-S)와 제조예 2의 나노입자(N-B)가 각각 첨가된 시추이수의 전단 속도가 1보다 작기 때문에 강한 전단 박화 현상을 만들 수 있다. 실시예 7 내지 9의 경우에는 나노입자(M-S)의 농도가 증가함에 따라 전단 응력, 점도 또는 항복 응력이 선형적으로 증가하지 않았지만 모든 유변학적 특성이 기본 시추이수와 비교하여 증가하였다. 실시예 10 내지 12의 경우에는 다른 실시예와 유사하게 전단 박화 현상이 나타나는 것을 확인하였습니다. 몰리브덴 이황화물(MoS₂)를 첨가함으로써 시추이수의 전단응력 및 점도는 전단 속도의 모든 지점에서는 아니더라도 농도가 증가함에 따라 선형적으로 향상되었고, 점성첨가제로서의 역할을 한다는 것을 확인하였다. 이를 통해 본 발명에 따른 시추이수 조성물은 전이금속 황화물을 포함하여 시추이수의 전단 박화 현상이 더 강하게 나타날 수 있음을 알 수 있다.

반면, 도 5는 비교제조예의 몰리브덴 이황화물을 포함하는 비교예 1 내지 4의 시추이수 조성물의 유속에 따른 점도변화 그래프이다. 도 5에 나타난 바와 같이 농도에 따라 점도가 증가는 하지만 유속이 느릴 때는 실시예 6(5wt% MoS2 (N-B))보다 점도가 낮고, 유속이 빠를 때는 점도가 높을 것을 확인하였다. 이는 비교제조예의 가공되지 않은 몰리브덴 이황화물을 포함하는 경우 전단 박화 현상이 잘 일어나지 않음을 알 수 있다.

실험예 3

본 발명에 따른 시추이수 조성물의 열전도성을 확인하기 위하여, 실시예 내지 12 및 비교예 1 내지 4에서 제조된 시추이수 조성물을 대상으로 열전도성을 측정하였고, 그 결과들을 표 3에 나타내었다.

<열전도성 측정 방법>

비정상 열선법(Transient hot wire method)를 사용하였다. 유체의 열전도도를 측정하는 가장 일반적인 방법으로 대류에 의한 정확한 열전도도 측정의 방해를 피할 수 있다.

전선이 전력을 얻으면 전선의 온도가 상승하는데 이 전선의 온도 구배 특성을 이용하여 열전도율을 계산하는 방법이다.

공식은 다음과 같다.

λ는 시료의 열전도도(W/m·K)이고,

q는 시간의 따른 단위길이당 샘플에서 발생된 열의 양 (W/m)이며,

t₁ 및 t₂ 는 시간의 길이(sec)이고

T₁ 및 T₂는 t₁또는 t₂일 때의 온도(K)이다.

시추이수	열전도도(W/m·K)	증가율(%)
실시예 1	0.591	2.4
실시예 2	0.597	3.5
실시예 3	0.609	5.5
실시예 4	0.596	3.3
실시예 5	0.611	5.9
실시예 6	0.648	12.3
실시예 7	0.597	3.5
실시예 8	0.609	5.5
실시예 9	0.639	10.7
실시예 10	0.595	3.1
실시예 11	0.609	5.5
실시예 12	0.620	7.5
비교예 1	0.577	-
비교예 2	0.588	1.9
비교예 3	0.593	2.8
비교예 4	0.616	6.8

표 3은 실시예 1 내지 12 및 비교예 1 내지 4의 시추이수 조성물의 열전도도를 측정한 결과이다. 표 3을 살펴보면, 제조예 1 내지 4의 몰리브덴 이황화물을 포함하는 실시예 1 내지 12의 경우 몰리브덴 이황화물의 농도가 증가함에 따라 선형적으로 증가하였다. 또한, 비교예 2 내지 4와 비교하여 같은 농도를 포함하는 경우 실시예 1 내지 12의 경우가 더 우수한 열전도도를 나타내는 것을 확인하였다. 이를 통해, 초음파 및 원심분리기로 나노입자의 크기를 조절한 본 발명의 시추이수 조성물은 그렇지 않은 비교예 1 내지 4의 경우와 비교하여 우수한 열전도도를 나타내는 것을 알 수 있다.

Claims

용매; 스멕타이트족 점토광물; 및 몰리브덴 이황화물 또는 텅스텐 이황화물을 포함하는 전이금속 황화물 나노입자를 포함하고,
상기 전이금속 황화물 나노입자의 크기는 300 내지 650nm이며,
상기 전이금속 황화물 나노입자의 두께는 1 내지 10 nm이고,
상기 전이금속 황화물 나노입자의 함량은 1wt% 내지 10wt%인 것을 특징으로 하는 시추이수 조성물.
제 1 항에 있어서,
상기 용매는 증류수 및 소금물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 시추이수 조성물.
제 1 항에 있어서,
상기 스멕타이트족 점토광물은 벤토나이트, 몬트모릴로나이트, 새포나이트, 헥토라이트, 미네소타이트, 논트로나이트 및 바이델라이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 시추이수 조성물.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 스멕타이트족 점토광물의 함량은 1wt% 내지 10wt%인 것을 특징으로 하는 시추이수 조성물.
벌크 전이금속 황화물, 유기금속 화합물 및 유기용매를 혼합하여 전이금속 황화물 나노입자를 제조하는 단계;
1wt% 내지 10wt%의 비율을 가지는 상기 제조된 전이금속 황화물 나노입자; 용매; 및 스멕타이트족 점토광물을 혼합하여 시추이수 조성물을 제조하는 단계; 및
상기 전이금속 황화물 나노입자를 제조하는 단계와 시추이수 조성물을 제조하는 단계 사이에 전이금속 황화물 나노입자에 증류수를 첨가하고 원심분리 및 초음파 조사를 수행하여 전이금속 황화물 나노입자 크기를 조절하는 단계를 포함하고,
상기 전이금속 황화물 나노입자 크기를 조절하는 단계를 거쳐 제조된 전이금속 황화물 나노입자는 나노입자의 크기는 300 내지 650nm이며, 두께가 1 내지 10 nm인 것을 특징으로 하는 시추이수 조성물의 제조방법.
삭제
제 6 항에 있어서,
시추이수 조성물을 제조하는 단계는 스멕타이트족 점토광물을 1wt% 내지 10wt%의 비율로 혼합하는 것을 특징으로 하는 시추이수 조성물의 제조방법.
제 6 항에 있어서,
전이금속 황화물 나노입자를 제조하는 단계는 벌크 전이금속 황화물, 유기금속 화합물 및 유기용매를 혼합한 혼합용액에 원심분리 및 초음파 조사하여 수행하는 것을 특징으로 하는 시추이수 조성물의 제조방법.
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