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的權益，其要求于2011 年11月21日提交的美國申請13/300916的權益，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，因為它們響應于一種 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或多價陽離子（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 地布置為當暴露于流體流時發(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 料當暴露于該流體時響應于該流體流發(fā)生膨脹。
【附圖說明】
[0008] 以下說明書不應當認為是以任何方式進行限制的。參照附圖，類似元件具有類似 的編號：
[0009] 圖1是初始構造中可膨脹制品的截面圖；
[0010] 圖2是膨脹的構造中圖1的可膨脹制品的截面圖；
[0011] 圖3是根據(jù)這里公開的一個實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或多個實 施方案進行詳細描述。
[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包括例如基礎組合物和過濾器組件，以下更詳細地討論。 基礎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擴大或膨脹至圖2中所示的第二構造。各種吸收劑材料是本領域 中已知的和使用的。例如，就水可膨脹的實施方案而言，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中所示的對井下結構16 (例如地下地層18中的井孔）的密 封。當然，結構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造，一旦位于井下即暴露于流體，并且膨脹以在管12和結 構16之間接合。在一個實施方案中，通過制品14的膨脹使結構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，一價和多價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)，多價離子例如 Ca2+、Zn2+等與一價離子相比，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 影響的示例性實施方案進行討論，但是其他材料也可以響應于不同流體發(fā)生膨脹，和/或 受到陰離子的不利影響。例如，在一個實施方案中，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）。出于這個原因，這里使用的術語"離子" 將指的是任何對相應可膨脹材料的性能具有負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或物理 結合，過濾材料或其表面處或者通過其的物理吸附或化學吸附，過濾材料或其原子結構與 離子之間的靜電和/或范德華力來實現(xiàn)，這些的例子在下面更詳細地討論。
[0018] 在圖1和2的實施方案中，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?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賦予化學和物理性質。以 這種方式，核28中的可膨脹材料所響應的流體流，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] 在另一實施方案中，基本上為上述的組合，殼30可以為保護性或彈性體殼，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，例如耐腐蝕性、流體不可滲透性等，同時還保持由這 里所討論的本發(fā)明所提供的有利的離子過濾性質。
[0021] 在一個實施方案中，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，石墨烯的獨特性質使得陰離子和陽離子二者與石墨烯薄片或顆粒之間進行有效的供 體-受體相互作用。石墨烯基材料、結合的氧化物、或者其他衍生物或其官能化化合物，可 以含有相應的相對大量的捕獲地點，用于介由范德華和/或庫倫相互作用來吸引和結合離 子。當然，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] 為了進一步增強石墨烯基過濾材料捕獲上述多價陽離子的能力，可以將過濾材料 官能化以包含一種或多種官能團。形成石墨或氧化石墨烯的方法，例