СИСТЕМА ДЛЯ УВЕЛИЧЕНИЯ КПД НАБУХАНИЯ Российский патент 2017 года по МПК E21B33/12 

[1] Данная заявка испрашивает приоритет по заявке U.S. Application No. 13/646028, выложена 5 октября 2012 г., которая испрашивает приоритет по заявке U.S. Application No. 13/300916, выложена 21 ноября 2011 г., которая полностью включена в данный документ в виде ссылки.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[2] Изоляция пород в забойной зоне скважины зависит от развертывания скважинного инструмента, который эффективно изолирует ствол скважины в целом или его участки, например кольцевое пространство между стенкой обсадной колонны и эксплуатационной трубой. Набухающие пакеры, например, являются особенно полезными, поскольку автоматически расширяются, заполняя площадь сечения ствола скважины под действием одной или нескольких скважинных текучих сред. Следовательно, набухающие пакеры можно устанавливать в местах ствола скважины, внутренний диаметр которых меньше диаметра сечения полностью расширившегося набухающего пакера. Вместе с тем, при некоторых условиях в скважине, таких как присутствие одновалентных и многовалентных катионов (например, Ca²⁺, Zn²⁺ и т.д.) в скважинных текучих средах на водной основе, контактирующих с набухающим пакером, возникает тенденция уменьшения как величины набухания, так и скорости, с которой пакер набухает, и возможно также ускорение деградации пакера. Для преодоления данных проблем и продолжения улучшения кпд набухания в различных условиях в отрасли постоянно требуются новые и альтернативные набухающие системы.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[3] Набухающая система, вступающая в реакцию с потоком текучей среды, включающая изделие, включающее набухающий материал, функционально выполненный с возможностью набухания под воздействием потока текучей среды, причем потока текучей среды, содержащего ионы; и фильтрующий материал, размещенный вместе с набухающим материалом и функционально выполненный с возможностью удаления ионов из потока текучей среды до воздействия на набухающий материал.

[4] Способ управления работой набухающей системы, включающий отфильтровывание ионов из потока текучей среды с помощью фильтрующего материала; и набухание набухающего материала реагирующего на поток текучей среды, в результате воздействия текучей среды.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[5] Следующие описания не следует считать ограничивающими. На прилагаемых чертежах одинаковые элементы обозначены одинаковыми позициями.

[6] На Фиг.1 показано сечение набухающего изделия в начальной конфигурации.

[7] На Фиг.2 показано сечение набухающего изделия Фиг.1 в набухшей конфигурации.

[8] На Фиг.3 показана набухающая система согласно варианту осуществления, раскрытому в данном документе, где набухающее изделие расположено с фильтрующим материалом в оболочке, закрывающей набухающий сердечник.

[9] На Фиг.4 показана набухающая система согласно другому варианту осуществления, раскрытому в данном документе, где фильтрующий материал расположен отдельно от набухающего изделия.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[10] Подробное описание вариантов осуществления устройства и способа представлены в данном документе в виде примера и без ограничений описанием и прилагаемыми фигурами.

[11] На Фиг.1 показана система 10, включающая трубное изделие или колонну 12 и забойное изделие 14, например пакер или уплотнительный элемент, установленный на ней. Забойное изделие 14 включает, например, основной состав и фильтрующий компонент, рассмотренные детально ниже. Основной состав содержит эластомерный материал и/или абсорбирующий материал. Вследствие абсорбции текучей среды абсорбирующим материалом, например абсорбции воды, рассола, углеводородов и т.д., изделие 14 расширяется или набухает, принимая вторую конфигурацию, показанную на Фиг.2. Различные абсорбирующие материалы являются известными и применяются в технике. Например, в отношении вариантов осуществления с набуханием в воде, можно применять любой так называемый суперабсорбирующий полимер, такой как продаваемый Nippon Shokubai Co., Ltd. под названием AQUALIC® CS-6S. Эластомерный материал включают, например, для создания уплотнения, в упор к забойной конструкции 16, такой как ствол скважины в подземном пласте 18, показанном на Фиг.2. Естественно, конструкция 16 может являться любой другой конструкцией, насосно-компрессорной трубой, обсадной колонной, хвостовиком и т.д., установленной в зоне забоя, с которой может входить в контакт изделие 14. Эластомерный материал может являться любым набухающим или ненабухающим материалом. В некоторых вариантах осуществления эластомерный материал является абсорбентом по отношению к одной или нескольким скважинным текучим средам, таким образом, также заключающим в себе абсорбирующий материал. При этом, например, изделие 14 может спускаться в скважину, имея начальную радиально сжатую конфигурацию, открываемую воздействию текучих сред после установки в забойной зоне, и расширяющуюся для входа в контакт между трубным изделием 12 и конструкцией 16. В одном варианте осуществления конструкция 16 изолируется с помощью расширения изделия 14 так, что по существу предотвращается проход текучих сред (например, из пласта 18) мимо изделия 14, когда изделие 14 расширяется.

[12] Скважинные текучие среды обычно содержат водный компонент, который более точно является рассолом, содержащим различные ионы, например катионы металлов из растворенных солей. Как указано выше, одновалентные и многовалентные катионы могут взаимодействовать с абсорбирующим материалом и уменьшать в целом скорость и степень расширения абсорбирующего материала, при этом снижая уплотнительную эффективность изделия. В общем обнаружено, что многовалентные катионы, такие как Ca²⁺, Zn²⁺ и т.д., имеют более значительное влияние на показатели работы набухающих материалов, в частности в набухающих в воде изделиях, чем одновалентные катионы, и поэтому их обычно более предпочтительно удалять. Понятно, что хотя набухающие в воде материалы рассмотрены в являющихся примерами вариантах осуществления, как материалы, на которые отрицательно влияет присутствие катионов, другие материалы могут набухать под действием других текучих сред и/или испытывать отрицательное влияние анионов. Например, в одном варианте осуществления на набухающий материал отрицательно влияет (например, уменьшая набухание, укорачивая срок службы, замедляя скорость набухания и т.д.) присутствие анионов. По данной причине, термин "ионы" при использовании в данном документе должен относиться к любому катиону или аниону, отрицательно влияющему на показатели работы соответствующего набухающего материала.

[13] Для ослабления отрицательного воздействия таких ионов на абсорбирующий материал фильтрующий материал действует, удаляя или отфильтровывая ионы из скважинных текучих сред до их взаимодействия с набухающим материалом. Удаление или отфильтровывание означает, что фильтрующий материал захватывает или удерживает ионы в, на или вблизи места захвата или места вблизи фильтрующего материала, или иначе нейтрализует ионы так, что поток текучей среды по меньшей мере частично лишен ионов ниже по потоку от фильтрующего материала. Таким образом, хотя ионы еще технически находятся в текучей среде, предотвращается их отрицательное влияние на набухание набухающего материала, и поэтому ионы считаются удаленными или отфильтрованными. Удаление, отфильтровывание или захват можно выполнять с помощью химического или физического связывания между фильтрующим материалом и ионами, физической сорбции или хемосорбции на фильтрующем материале или его поверхности или с их помощью, электростатического и/или вандерваальсова притяжения между фильтрующим материалом или атомной структурой (например, функциональными группами) и ионами, и т.д., примеры которых рассмотрены детально ниже.

[14] В варианте осуществления Фиг.1 и 2 фильтрующий материал, эластомерный материал и/или абсорбирующий материал - все могут смешиваться вместе, например, гомогенно, затем формоваться в изделие 14. Альтернативный вариант осуществления для системы 22 показан на Фиг.3, здесь система 22 включает изделие 24 на трубном изделии или колонне 26. Изделие 24 выполнено в виде сердечника 28 и оболочки 30. В данном варианте осуществления сердечник 28 включает вышеупомянутый набухающий материал, а оболочка 30 включает фильтрующий материал. Как сердечник 28, так и оболочка 30 могут, например, включать подходящие эластомерные и/или наполнительные материалы для обеспечения уплотнения для изделия 24 и придания химических и физических свойств изделию 24. Таким образом из потока текучей среды, с которой набухающий материал в сердечнике 28 вступает в реакцию, фильтрующий материал в оболочке 30 должен вначале отфильтровать ионы.

[15] Система 32 согласно другому варианту осуществления показана на Фиг.4, где набухающее изделие 34 установлено вместе с трубным изделием или колонной 36. В данном варианте осуществления пласт 38 отделен от изделия 34 радиально расположенным трубным изделием или колонной 40, например обсадной колонной, хвостовиком, насосно-компрессорной трубой и т.д. Трубное изделие/колонна 40 включает по меньшей мере одно окно или отверстие 42 для обеспечения встречи потока текучей среды, в общем, указанного стрелкой 44 с изделием 34. Фильтрующий материал может располагаться в пробке 46, установленной в отверстие 42, в мембране или пленке 48, установленной поверх отверстия 42, и т.д. Пробка 46 может выполняться, как любой подходящий проницаемый для текучей среды элемент для создания прохода для сообщения текучей среды с набухающим материалом. Таким образом поток текучей среды отфильтровывается фильтрующим материалом перед достижением изделия 34. Пробка 46 и/или мембрана 48 может выполняться из любого подходящего проницаемого материала, например пенопласта с сообщающимися каналами, волокон, с фильтрующим материалом, расположенным в или с проницаемым материалом, например в порах проницаемого материала.

[16] В другом варианте осуществления, по существу комбинации описанного выше, оболочка 30 может являться защитной или эластомерной оболочкой, непроницаемой для скважинных текучих сред и стойкой к коррозии и деградации. Проницаемая пробка, такая как рассмотренная выше пробка 46, может включаться в оболочку 30, а не в наружное трубное изделие 40. Таким образом набухающее изделие должно получать преимущество от наружной оболочки, выполненной из эластомерного или другого материала, который можно выбирать с возможностью обеспечения предпочтительных свойств, таких как стойкость к коррозии, непроницаемость для текучей среды и т.д., при этом также поддерживая предпочтительные свойства отфильтровывания ионов, создаваемые в данном изобретении, как рассмотрено в данном документе.

[17] В одном варианте осуществления фильтрующий материал содержит один или несколько составов на основе графена. Термин на основе графена означает, что состав включает или является производным графена, такого как сам графен, графит, оксид графита, оксид графена и т.д. Составы могут принимать любую форму, используемую с такими составами на основе графена, такую как листы или нанолисты, частицы, хлопья, нанотрубки и т.д. Предпочтительно, уникальные свойства графена обеспечивают эффективные донорно-акцепторные взаимодействия между обоими, анионами и катионами и графеновыми хлопьями или частицами. Материалы на основе графена, их ассоциированные оксиды или другие производные или функциализированные составы могут содержать соответствующее относительно большое число мест захвата для притягивания и связывания ионов с помощью вандерваальсовых и/или кулоновских взаимодействий. Естественно, другие материалы с богатыми электронами поверхностями можно применять для аналогичного отфильтровывания катионов, также электронодефицитные материалы можно применять по отношению к анионам.

[18] Для дополнительного увеличения способности фильтрующих материалов на основе графена захватывать вышеупомянутые многовалентные катионы, фильтрующие материалы можно функционализировать, включая одну или несколько функциональных групп. Процесс формования графита или оксида графена, например, дает в результате включение различных функциональных групп, которые являются относительно отрицательно заряженными (например, группы карбоновой кислоты) или полярными (например, карбонильные группы). Многовалентные катионы должны притягиваться и захватываться данными группами. В одном варианте осуществления фильтрующий материал является ковалентно модифицированным с тиоловыми группами согласно известным диазониевым химическим процедурам. Тиоловые группы являются естественно отлично работающими при захвате положительно заряженных ионов, в частности двухзарядных катионов ртути, хотя катионы других металлов, такие как вышеупомянутые Ca²⁺, Zn²⁺ и т.д., содержащиеся в скважинных рассолах, должны также успешно захватываться тиоловыми группами. Другие функциональные группы, такие как дисульфидные группы, группы карбоновой кислоты, сульфоновой кислоты, можно также применять вследствие их способности захватывать многовалентные катионы, в частности двухзарядные катионы. Другие функциональные группы включают группы хелатирующих лигандов, такие как иминодиуксусная кислота, группа иминодиуксусной кислоты, группа N-[5-амино-1-карбокси-(т-бутил)пентил]иминоди-т-бутилацетат), группа N-(5-амино-1-карбоксипентил)иминодиуксусная кислота, группа N-(5-амино-1-карбоксипентил)иминодиуксусная кислота три-т-бутил сложный эфир, группа аминокапроновой нитрилотриуксусной кислоты, группа аминокапроновой нитрилотриуксусной кислоты три-трет-бутил сложный эфир, группа 2-аминооксиэтилиминодиуксусной кислоты, и другие известные специалисту в данной области техники с учетом описания в данном документе.

[19] Материалы на основе графена можно также функционализировать для отфильтровывания анионов, например, с четвертичным аммониевым, четвертичным фосфониевым, третичным сульфониевым катионами, циклопропенил-катионом, или первичным, вторичным, третичным амином или другими группами. Данные группы либо являются положительно заряженными или становятся протонированными в кислых средах и таким образом требуют анионов для компенсации заряда. В некоторых ситуациях, анион можно заменить другим анионом, сохраняя неизменным заряд. Например, в одном варианте осуществления материал на основе графена функционализируется группой четвертичного аммония, положительный заряд которого уравновешивается анионами гидроксида. В данном примере, в рассоле, содержащем анионы S0₄^2-, один анион S0₄^2- должен захватываться и два аниона гидроксида (OH^-) должны высвобождаться. В варианте осуществления, смесь материала на основе графена, функционализированная группами сульфоновой кислоты и материала на основе графена, функционализированного группами четвертичного аммония, сбалансированными анионами гидроксида, используется для нейтрализации рассола CaCl₂. В катионообменном процессе катионы Ca²⁺ захватываются с одновременным высвобождением двух ионов H⁺ на каждый катион Ca²⁺. В процессе анионного обмена ионы Cl^- захватываются группой четвертичного аммония с одновременным высвобождением аниона OH^- на каждый ион Cl^-. Рекомбинация высвобожденных ионов H⁺ и OH^- дает в результате молекулы воды, которые могут способствовать процессу набухания материалов, набухающих под действием воды.

[20] Хотя изобретение описано ниже на примере предпочтительных вариантов осуществления, специалисту в данной области техники понятно, что можно выполнять различные изменения и замены эквивалентными элементами без отхода от объема изобретения. В дополнение, можно выполнять многочисленные модификации для приспособления идей изобретения к конкретной ситуации или материалу без отхода по существу от его объема. Поэтому изобретение не ограничено конкретными раскрытыми вариантами, как наилучшими предложенными вариантами осуществления данного изобретения, но изобретение должно включать все варианты осуществления, охваченные объемом формулы изобретения. Также в чертежах и описании раскрыты примеры вариантов осуществления изобретения и, хотя применены конкретные термины, они, если иное специально не указано, используются только в своем общепринятом и описательном смысле и не для ограничения объема изобретения. Кроме того, использование терминов первый, второй и т.д. не указывает порядка или важности, здесь термины первый, второй и т.д. используются для придания отличия элементам друг от друга. Кроме того, использование неопределенных артиклей и термина и т.д. не указывает ограничения количества, но указывает присутствие по меньшей мере одной указанной позиции.

Группа изобретений относится к набухающей системе, вступающей в реакцию с потоком текучей среды, и к способу управления работой набухающей системы. Техническим результатом является увеличение КПД набухания в различных условиях. Набухающая система, вступающая в реакцию с потоком текучей среды, содержит изделие, которое включает набухающий материал, функционально выполненный с возможностью набухания под воздействием потока текучей среды. Текучая среда является водной основой и содержит катионы металла из растворенных солей. Фильтрующий материал размещен с набухающим материалом и функционально выполнен с возможностью удаления многовалентных катионов из потока текучей среды до воздействия на набухающий материал. Фильтрующий материал содержит материал на основе графена, который включает, по меньшей мере, одну функциональную группу, функционально выполненную с возможностью захвата многовалентных катионов. Фильтрующий материал и набухающий материал гомогенно перемешаны в изделии. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Набухающая система, вступающая в реакцию с потоком текучей среды, содержащая: изделие, включающее набухающий материал, функционально выполненный с возможностью набухания под воздействием потока текучей среды, причем текучая среда является водной основой и содержит катионы металла из растворенных солей; и фильтрующий материал, размещенный с набухающим материалом и функционально выполненный с возможностью удаления многовалентных катионов из потока текучей среды до воздействия на набухающий материал, причем фильтрующий материал содержит материал на основе графена, включающий по меньшей мере одну функциональную группу, функционально выполненную с возможностью захвата многовалентных катионов; при этом фильтрующий материал и набухающий материал гомогенно перемешаны в изделии.

2. Система по п.1, в которой фильтрующий материал создает воздействие вандерваальсовых сил, кулоновских сил или их комбинаций на ионы.

3. Система по п.1, в которой притяжение между фильтрующим материалом и ионами создается функциональными группами, прикрепленными к фильтрующему материалу.

4. Система по п.3, в которой функциональные группы являются тиоловыми группами, дисульфидными группами, группами карбоновой кислоты, группами сульфоновой кислоты, группами хелатирующих лигандов или их комбинациями, включающими по меньшей мере одно из указанного выше.

5. Система по п.1, в которой многовалентные катионы являются двухзарядными катионами металлов.

6. Система по п.1, в которой материал на основе графена является графеном, графитом, оксидом графена, оксидом графита или комбинацией, включающей по меньшей мере одно из указанного выше.

7. Система по п.6, в которой по меньшей мере одна из функциональных групп является тиоловой группой, дисульфидной группой, группой карбоновой кислоты, группой сульфоновой кислоты, группой хелатирующих лигандов или комбинацией, включающей по меньшей мере одно из указанного выше.

8. Система по п.1, дополнительно содержащая эластомерный материал, функционально выполненный с возможностью обеспечения уплотнения изделия в упор к другой конструкции после набухания.

9. Система по п.1, в которой фильтрующий материал функционально выполнен с возможностью удаления катионов металла захватыванием катионов металла, причем захватывание катионов металла обеспечивают с одновременным высвобождением одного или нескольких других ионов для сохранения баланса заряда, или комбинации, включающей по меньшей мере одно из указанного выше.

10. Способ управления работой набухающей системы по п.1, в котором: удаляют катионы металла из потока текучей среды с помощью фильтрующего материала; и обеспечивают набухание набухающего материала, реагирующего на поток текучей среды, в результате взаимодействия с текучей средой.

11. Способ по п.10, в котором катионы металла являются многовалентными катионами металла.

12. Способ по п.10, в которой фильтрующий материал содержит материал на основе графена, такой как графен, графит, оксид графена, оксид графита или комбинации, включающие по меньшей мере одно из указанного выше.

13. Способ по п.12, в котором материал на основе графена дополнительно содержит по меньшей мере одну функциональную группу, функционально выполненную с возможностью захвата ионов.

14. Способ по п.13, в котором по меньшей мере одна функциональная группа является тиоловой группой, дисульфидной группой, группой карбоновой кислоты, группой сульфоновой кислоты, группой хелатирующих лигандов или комбинацией, включающей по меньшей мере одно из указанного выше.

15. Способ по п.13, в котором по меньшей мере одна функциональная группа является группой четвертичного аммония, группой четвертичного фосфония, группой третичного сульфония, катионом циклопропенила, группой, выполненной с возможностью протонирования в кислой среде, группой первичного амина, группой вторичного амина, группой третичного амина или комбинацией, включающей по меньшей мере одно из указанного выше.

16. Способ по п.10, в которой удаление катионов металла включает захват катионов металла, причем захват катионов металла происходит с одновременным высвобождением одного или нескольких других катионов металла для сохранения баланса заряда, или комбинации, включающей по меньшей мере одно из указанного выше.

17. Система по п.1, в которой по меньшей мере одна функциональная группа является тиоловой группой, дисульфидной группой или их комбинацией, включающей по меньшей мере одно из указанного выше.

18. Система по п.1, в которой по меньшей мере одна функциональная группа является группой хелатирующих лигандов.