用于增加膨脹效率的體系的制作方法
【專利說明】用于増加膨脹效率的體系
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 本申請要求于2012年10月5日提交的美國申請13/646028的權(quán)益，其要求于2011 年11月21日提交的美國申請13/300916的權(quán)益，其在此整體引入作為參考。
[0003] 背景
[0004] 井下環(huán)境的隔離取決于井下工具的布置，該井下工具有效地密封整個(gè)井孔或其部 分，例如套管壁與生產(chǎn)管之間的環(huán)隙。例如，可膨脹填塞器特別有用，因?yàn)樗鼈冺憫?yīng)于一種 或多種井下流體，自動膨脹以填充井孔的橫截面積。因此，可膨脹填塞器可以置于與完全膨 脹的可膨脹填塞器的橫截面積相比內(nèi)徑更小的井孔位置。但是，某些井下條件例如在與可 膨脹填塞器接觸的含水井下流體中存在一價(jià)或多價(jià)陽離子（例如Ca 2+、Zn2+等）傾向于降 低膨脹量和填塞器膨脹的速率，并且還可以加速填塞器的降解。為了解決這些問題和連續(xù) 地提高各種條件下的膨脹效率，產(chǎn)業(yè)總是需要新的和替代的膨脹體系。
[0005] 概述
[0006] 響應(yīng)于流體流的可膨脹體系，包括包含可膨脹材料的制品，該可膨脹材料操作性 地布置為當(dāng)暴露于流體流時(shí)發(fā)生膨脹，該流體流其中含有離子；和過濾材料，該過濾材料與 該可膨脹材料一起放置，并且操作性地布置為在暴露于該可膨脹材料之前從該流體流中除 去該尚子。
[0007] 操作可膨脹體系的方法，其包括用過濾材料從流體流中過濾離子；和使可膨脹材 料當(dāng)暴露于該流體時(shí)響應(yīng)于該流體流發(fā)生膨脹。
【附圖說明】
[0008] 以下說明書不應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是以任何方式進(jìn)行限制的。參照附圖，類似元件具有類似 的編號：
[0009] 圖1是初始構(gòu)造中可膨脹制品的截面圖；
[0010] 圖2是膨脹的構(gòu)造中圖1的可膨脹制品的截面圖；
[0011] 圖3是根據(jù)這里公開的一個(gè)實(shí)施方案的可膨脹體系，其中可膨脹制品與覆蓋可膨 脹核的殼中的過濾材料一起放置；和
[0012] 圖4是根據(jù)這里公開的另一實(shí)施方案的可膨脹體系，其中過濾材料與可膨脹制品 分別放置。
[0013] 詳述
[0014] 這里參照附圖，通過示例而非限制的方式，對公開的裝置和方法的一個(gè)或多個(gè)實(shí) 施方案進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0015] 現(xiàn)在參照圖1，描述了體系10,其包括管或管柱12,和位于其上的井下制品14例如 填塞器或密封元件。井下制品14包括例如基礎(chǔ)組合物和過濾器組件，以下更詳細(xì)地討論。 基礎(chǔ)組合物包含彈性體材料和/或吸收劑材料。由于通過吸收劑材料的流體吸收，例如吸 收水、鹽水、烴等，制品14擴(kuò)大或膨脹至圖2中所示的第二構(gòu)造。各種吸收劑材料是本領(lǐng)域 中已知的和使用的。例如，就水可膨脹的實(shí)施方案而言，可以使用任何所謂的超級吸收劑聚 合物，或者由Nippon Shokubai Co. ,Ltd.以名稱AQUAL丨C?CS-6S銷售的那些。例 如，包括彈性體材料以提供圖2中所示的對井下結(jié)構(gòu)16 (例如地下地層18中的井孔）的密 封。當(dāng)然，結(jié)構(gòu)16可以為位于井下和能夠通過制品14接合的任何其他的管材、套管、襯里 等。彈性體材料可以為任何可膨脹或不可膨脹材料。在一些實(shí)施方案中，彈性體材料是相 對于一種或多種井下流體的吸收劑，所以也包括吸收劑材料。例如，以這種方式，制品14可 以插入，具有初始徑向壓縮的構(gòu)造，一旦位于井下即暴露于流體，并且膨脹以在管12和結(jié) 構(gòu)16之間接合。在一個(gè)實(shí)施方案中，通過制品14的膨脹使結(jié)構(gòu)16隔離，從而一旦制品14 膨脹，則基本上阻止流體（例如來自地層18)流經(jīng)制品14。
[0016] 井下流體典型地包含含水組分，其更確切地為含有各種離子的鹽水，離子例如來 自溶解的鹽的金屬陽離子。如上所述，一價(jià)和多價(jià)陽離子可以與吸收及材料相互作用，并且 降低吸收劑材料膨脹的總速率和比率，由此阻止制品的密封效力。通常發(fā)現(xiàn)，多價(jià)離子例如 Ca2+、Zn2+等與一價(jià)離子相比，對可膨脹材料，特別是水可膨脹制品的性能具有更深刻的影 響，因此稱通常更需要被除去。將理解的是，雖然對水可膨脹材料作為受到離子存在的不利 影響的示例性實(shí)施方案進(jìn)行討論，但是其他材料也可以響應(yīng)于不同流體發(fā)生膨脹，和/或 受到陰離子的不利影響。例如，在一個(gè)實(shí)施方案中，可膨脹材料受到陰離子存在的不利影響 (例如膨脹減小，使用期限縮短，膨脹速率減慢等）。出于這個(gè)原因，這里使用的術(shù)語"離子" 將指的是任何對相應(yīng)可膨脹材料的性能具有負(fù)面影響的陽離子或陰離子。
[0017] 為了減輕這種離子對吸收劑材料的有害影響，過濾材料起作用，以在離子與可膨 脹材料相互作用之前，從井下流體中除去或過濾掉它們。除去或過濾，是指過濾材料在與該 過濾材料接近的捕獲地點(diǎn)或位置之中、之處或附近，捕獲或保持該離子，或者以其他方式中 和該離子，從而在該過濾材料的下游，流體流至少部分地相對缺乏離子。因此，雖然該離子 在技術(shù)上講依然存在于流體中，但是它們被阻止對可膨脹材料的膨脹產(chǎn)生不利影響，因此 被認(rèn)為除去或過濾掉了。該除去、過濾或捕獲可以通過過濾材料與離子之間的化學(xué)或物理 結(jié)合，過濾材料或其表面處或者通過其的物理吸附或化學(xué)吸附，過濾材料或其原子結(jié)構(gòu)與 離子之間的靜電和/或范德華力來實(shí)現(xiàn)，這些的例子在下面更詳細(xì)地討論。
[0018] 在圖1和2的實(shí)施方案中，可以將過濾材料、彈性體材料和/或吸收劑材料全部混 合在一起，例如均勻地混合，然后形成制品14。圖3中示出了體系22的替代實(shí)施方案，體 系22包括管或管柱26上的制品24。制品24由核28和殼30形成。在該實(shí)施方案中，核 28包含前述的可膨脹材料，而殼30包含過濾材料。例如，核28和殼30可以均包含適當(dāng)?shù)?彈性體材料和/或過濾材料，以對制品24提供密封，和對制品24賦予化學(xué)和物理性質(zhì)。以 這種方式，核28中的可膨脹材料所響應(yīng)的流體流，將首先通過殼30中的過濾材料過濾掉粒 子。
[0019] 圖4中示出了根據(jù)另一實(shí)施方案的體系32,其中可膨脹制品34與管或管柱36 - 起放置。在該實(shí)施方案中，地層38通過徑向放置的管或管柱40例如套管、襯里、管材等與 制品34分開。管/管柱40包括至少一個(gè)端口或開口 42,用于使流體流，通常由箭頭44所 指示，遇到制品34。過濾材料可以布置在位于開口 42中的塞46中，在位于開口 42上面的 膜或薄膜48中等。塞46可以形成為任何適合的流體可滲透的元件，用于為連通流體創(chuàng)造 通向可膨脹材料的通道。以這種方式，流體流在到達(dá)制品34之前，通過過濾材料過濾。塞 46和/或膜48可以由任何適合的可滲透材料例如多孔泡沫體、纖維形成，并且過濾材料位 于可滲透材料中或與其在一起，例如在可滲透材料的孔中。
[0020] 在另一實(shí)施方案中，基本上為上述的組合，殼30可以為保護(hù)性或彈性體殼，對井 下流體不可滲透，并且耐腐蝕和降解。可滲透塞，例如就塞46所討論的，可以包括在殼30 中，與外管40相對。以這種方式，可膨脹制品將獲益于由彈性體材料或其他材料制成的外 殼，其可以經(jīng)選擇以提供有益的性質(zhì)，例如耐腐蝕性、流體不可滲透性等，同時(shí)還保持由這 里所討論的本發(fā)明所提供的有利的離子過濾性質(zhì)。
[0021] 在一個(gè)實(shí)施方案中，過濾材料包含一種或多種石墨烯基化合物。石墨烯基是指包 含或源自石墨烯的化合物，例如石墨烯本身、石墨、氧化石墨、氧化石墨烯等。該化合物可以 采用這種石墨烯基化合物所用的任何形式，例如片材或納米片材、顆粒、薄片、納米管等。有 利地，石墨烯的獨(dú)特性質(zhì)使得陰離子和陽離子二者與石墨烯薄片或顆粒之間進(jìn)行有效的供 體-受體相互作用。石墨烯基材料、結(jié)合的氧化物、或者其他衍生物或其官能化化合物，可 以含有相應(yīng)的相對大量的捕獲地點(diǎn)，用于介由范德華和/或庫倫相互作用來吸引和結(jié)合離 子。當(dāng)然，具有富電子表面的其他材料可以用來類似地過濾陽離子，而對于陰離子，可以采 用高缺電子材料。
[0022] 為了進(jìn)一步增強(qiáng)石墨烯基過濾材料捕獲上述多價(jià)陽離子的能力，可以將過濾材料 官能化以包含一種或多種官能團(tuán)。形成石墨或氧化石墨烯的方法，例