СПОСОБ ЗАКАНЧИВАНИЯ СКВАЖИНЫ (ВАРИАНТЫ) И ПРОТИВОПЕСОЧНОЕ ФИЛЬТРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА Российский патент 2023 года по МПК E21B43/08 

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННУЮ ЗАЯВКУ

[1] Данная заявка основана на предварительной заявке США № 62/808132, поданной 20 февраля 2019 г., и испрашивает приоритет по указанной заявке, содержание которой полностью включено посредством ссылки.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[2] Во многих углеводородных скважинах приточная текучая среда проходит через противопесочный фильтр, который отфильтровывает твердые частицы из приточной нефти или газа (см. например, патент США 8,783,349, E21B 43/10, 22.07.2014). Противопесочный фильтр предотвращает попадание песка в ствол скважины и снижает повреждения, которые могут возникнуть в результате эрозии. Обычно противопесочные фильтры изготавливают из металлического ячеистого материала. После установки противопесочного фильтра в ствол скважины осуществляют закачку гравийной набивки для заполнения кольцевого пространства между фильтром и пластом.

[3] В других случаях некоторые металлические противопесочные фильтры выполнены с возможностью расширения и расширяются вниз по стволу скважины после установки в ствол скважины. В результате уменьшается кольцевое пространство между фильтром и пластом. Расширяемые фильтры во многих случаях имеют ограниченный коэффициент расширения, и способность расширяемого фильтра соответствовать неровностям ствола скважины может быть неудовлетворительной. Кроме того, способность расширяемого противопесочного фильтра противостоять обрушению ствола скважины может быть низкой. Обычные противопесочные фильтры рассчитаны на сопротивление большему наружному давлению по сравнению с расширяемыми противопесочными фильтрами. Расширяемые противопесочные фильтры могут выдерживать меньшее наружное давление из-за пластической деформации их металлических компонентов.

[4] Недавно были разработаны самоприспосабливающиеся полимерные фильтры с применением термопластичного уретана (TPU - англ.: thermoplastic urethane) и реализацией концепции памяти формы. Полимерный фильтр имеет открытоячеистую структуру, которая находится в сжатом состоянии. Затем полимерный фильтр устанавливают в ствол скважины и расширяют путем регулирования температуры стеклования полимерного материала посредством активирующей текучей среды, такой как, например, ацетилацетон. С активирующей текучей средой сложно обращаться на буровой площадке, так как температура воспламенения активирующей текучей среды является относительно низкой, при этом требуется специальный состав текучей среды. После попадания в ствол скважины полимерный термопластичный уретановый вспененный материал размягчается и пытается вернуться к своей исходной расширенной форме. Наружный диаметр в расширенном состоянии был разработан таким, чтобы превышать внутренний диаметр ствола скважины, в результате чего термопластичный уретановый вспененный материал соответствует всему участку ствола скважины неправильной формы, например необсаженного ствола скважины, что позволяет обойтись без закачки гравийной пульпы в ходе операции по созданию гравийной набивки. Однако одним из недостатков, присущих вспененному материалу, применяемому в этих противопесочных фильтрах, являются неудовлетворительные механические свойства этих вспененных материалов при расширении. Практическое применение ограничивается предельными давлением и температурой. В случае разрушения расширенного вспененного материала в ходе скважинной операции может быть потеряно управление скважиной. Кроме того, выход из строя фильтра под воздействием давления в стволе скважины может привести к потере проницаемости и застреванию колонны заканчивания в стволе скважины, при этом ее ремонт или замена могут быть связаны с большими сложностями.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[5] В одном или более вариантах осуществления настоящего изобретения противопесочное фильтрующее устройство для применения в скважинных операциях по добыче углеводородов содержит неметаллический материал, имеющий сжатое состояние и расширенное состояние, причем указанный неметаллический материал содержит: базовый полимер, один или более умных наполнителей, диспергированных в полимерной матрице неметаллического материала, и механический фиксатор, который сжимает неметаллический материал в сжатом состоянии. В одном или более вариантах осуществления настоящего изобретения один или более умных наполнителей вступают в реакцию с базовым полимером в расширенном состоянии после воздействия условия в стволе скважины.

[6] Способ заканчивания скважины согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения включает: покрытие по меньшей мере одной основной трубы неметаллическим материалом, содержащим базовый полимер и один или более умных наполнителей, сжатие неметаллического материала посредством механического фиксатора, спуск основной трубы в местоположение внутри ствола скважины, расширение неметаллического материала, обеспечение соответствия неметаллического материала стенке ствола скважины, придание жесткости неметаллическому материалу, фильтрацию текучих сред через неметаллический материал в направлении к основной трубе, отсоединение неметаллического материала от основной трубы и подъем основной трубы из ствола скважины.

[7] Способ заканчивания ствола скважины в подземном пласте согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения включает: размещение расширяемого противопесочного устройства в стволе скважины и формирование кольцевого пространства между противопесочным устройством и стволом скважины, причем указанное противопесочное устройство имеет открытоячеистую структуру с неметаллическим материалом, включающим базовый полимер, и один или более умных наполнителей, причем неметаллический материал выполнен с возможностью расширения и заполнения кольцевого пространства.

[8] Тем не менее, возможны многочисленные модификации без существенного отступления от идей настоящего изобретения. Соответственно, такие модификации входят в объем настоящего изобретения, определенный в формуле изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[9] Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения далее в данном документе будут описаны со ссылкой на сопровождающие графические материалы, на которых одинаковые номера позиций обозначают одинаковые элементы. Однако следует понимать, что сопровождающие фигуры иллюстрируют различные варианты осуществления, описанные в настоящем документе, и не предназначены для ограничения объема различных технологий, описанных в настоящем документе.

[10] На фиг. 1 представлен вид в разрезе противопесочного фильтра, расположенного в стволе скважины, согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения.

[11] На фиг. 2(A) и 2(B) показаны дополнительные подробности противопесочного фильтра согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения.

[12] На фиг. 3 показано схематическое изображение процесса химического вспенивания согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения.

[13] На фиг. 4 показан пример открытоячеистого вспененного материала согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения.

[14] На фиг. 5 показан пример сверхабсорбентных полимеров согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения.

[15] На фиг. 6(A) и 6(B) представлен пример морфологии эластомерного вспененного материала до и после разбухания в солевом растворе.

[16] На фиг. 7(A) и 7(B) показан пример механического сжатия и высвобождения согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения.

[17] На фиг. 7(C) показана фотография различных разлагаемых слоев, которые могут применяться в качестве механического фиксатора, согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения.

[18] На фиг. 7(D) показана фотография различных разлагаемых слоев спустя 48 часов пребывания в 3%-ном солевом растворе на основе KCl при различных температурах.

[19] На фиг. 7(E) показаны свойства при растяжении разлагаемого слоя (механического фиксатора) спустя 48 часов пребывания в 3%-ном солевом растворе на основе KCl при 93 °C (200 °F) согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения.

[20] На фиг. 8 показан пример того, как механический фиксатор (т. е. разлагаемый слой или пленка) может быть применен согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения.

[21] На фиг. 9 показан пример химических структур TPU согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения.

[22] На фиг. 10 показан пример химической структуры эфир-сложноэфирного термопластичного эластомера согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения.

[23] На фиг. 11 показано схематическое изображение структуры полиамид-полиэфирного термопластичного эластомера согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения.

[24] На фиг. 12 показан пример вспененного сшитого полиэтилена (XLPE - англ.: cross-linked polyethylene) согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения.

[25] На фиг. 13(A) и 13(B) показана морфология полиолефинового вспененного материала соответственно с разрешением 200 мкм и разрешением 100 мкм.

[26] На фиг. 14 показан пример процесса получения кремнийорганического вспененного материала согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения.

[27] На фиг. 15 показан пример кремнийорганического вспененного материала согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения.

[28] На фиг. 16 показан пример эпоксидного вспененного материала согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения.

[29] На фиг. 17(A) и 17(B) показана морфология эпоксидного вспененного материала соответственно с разрешением 500 мкм и разрешением 200 мкм.

[30] На фиг. 18 представлен пример полиимидного открытоячеистого вспененного материала согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[31] В последующем описании изложены многочисленные подробности, чтобы обеспечить понимание некоторых вариантов осуществления настоящего изобретения. Тем не менее, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что указанная система и/или методология могут быть реализованы на практике без этих подробностей и что возможны многочисленные вариации или модификации описанных вариантов осуществления.

[32] В описании и приложенной формуле изобретения: термины «вверх» и «вниз», «верхний» и «нижний», «вверху» и «внизу», «вверх по потоку» и «вниз по потоку», «выше по стволу скважины» и «ниже по стволу скважины», «выше» и «ниже» и другие подобные термины, указывающие на относительные положения выше или ниже данной точки или элемента, применяются в настоящем документе для более четкого описания некоторых вариантов осуществления изобретения.

[33] Настоящее изобретение в целом относится к применению неметаллического материала с умными наполнителями для борьбы с пескопроявлением скважин. Применение умных наполнителей позволяет неметаллическим материалам самостоятельно расширяться, чтобы соответствовать неправильной форме ствола скважины. Неметаллические материалы легко производить посредством компаундирования и инжекционного формования. Без необходимости в дополнительных активирующих текучих средах неметаллические материалы согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения являются намного более безопасными по сравнению со стандартными термопластичными уретановыми материалами. Неметаллические материалы согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения также обеспечивают превосходную термическую стабильность, что позволяет применять их при намного более высоких температурах, например до 150 °C, для долгосрочных применений. В отличие от этого стандартные термопластичные уретановые материалы могут применяться только при температуре до 85 °C.

[34] Обратимся теперь к фиг. 1, на которой представлен вид в разрезе противопесочного фильтра, расположенного в стволе скважины, согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения. В частности, ствол 100 скважины содержит необсаженную часть 102 ствола скважины, эксплуатационную насосно-компрессорную колонну 104, которая может представлять собой основную трубу согласно одному или более вариантам осуществления, и противопесочный фильтр 106. Хотя ствол 100 скважины показан в виде по существу вертикальной, необсаженной скважины, следует понимать, что настоящее изобретение в равной степени применимо в обсаженных стволах скважин, а также в горизонтальных и/или наклонных стволах скважин. Противопесочный фильтр 106 включает в себя фильтрующий элемент 108 и эластичный материал 112. Противопесочный фильтр 106 показан расположенным в стволе 100 скважины рядом с продуктивным пластом 114. Согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения эластичный материал 112 может быть единственным фильтрующим средством без применения какого-либо фильтрующего элемента 108. Эластичный материал 112 может представлять собой пористый материал и, следовательно, функционирует в качестве фильтрующего средства. В одном или более вариантах осуществления фильтрующий элемент 108 может быть выполнен с возможностью обеспечения структурной поддержки эластичного материала 112.

[35] Если по какой-либо причине необходимо удалить насосно-компрессорные трубы 104 и фильтрующий элемент 108 (например, для проведения работ на скважине по восстановлению добычи), насосно-компрессорные трубы 104 и фильтрующий элемент 108 могут быть извлечены из ствола 100 скважины. Эластичный материал 112 может быть прикреплен к фильтрующему элементу 108 или насосно-компрессорным трубам 104 посредством материала, который может разлагаться под воздействием температур в стволе скважины, текучих сред или времени, например клея или разлагаемого слоя или пленки. В других вариантах осуществления эластичный материал 112 может быть прикреплен к фильтрующему элементу 108 или насосно-компрессорным трубам 104 посредством независящего от времени крепления. В неограничивающем примере могут применяться срезные винты, которые срезаются при приложении заданного усилия и высвобождают крепление. Разложение материала может быть важным в ситуациях, когда усилия при спуске выше, чем усилия, доступные при извлечении. Если усилия при спуске меньше усилий, доступных при извлечении, разложение не является обязательным. В некоторых ситуациях, когда эластичный материал 112 не отделяется от фильтрующего элемента 108 или от насосно-компрессорных труб 104, может быть множество «гибких фильтров», содержащих эластичный материал, что приводит к разделению осевого тягового усилия. В этих ситуациях предусмотрена плоскость ослабления под каждым «гибким фильтром», в результате чего насосно-компрессорные трубы под каждым «гибким фильтром» разделяются, и каждый «гибкий фильтр» может удаляться последовательно.

[36] Рассмотрим далее фиг. 1, в ходе способа заканчивания скважины согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения по меньшей мере одна основная труба 104 может покрываться эластичным материалом 112, который может представлять собой неметаллический эластичный материал, который содержит базовый полимер и один или более умных наполнителей, что более подробно описано ниже. Эластичный материал 112, покрывающий основную трубу 104, может быть сжат посредством механического фиксатора до спуска основной трубы 104 в некоторое местоположение в стволе 100 скважины, что более подробно описано ниже. Под воздействием условий в стволе 100 скважины эластичный материал 112, покрывающий основную трубу 104, может расширятся из-за реакции одного или более умных наполнителей и отделения или разложения механического фиксатора, что более подробно описано ниже. В одном или более вариантах осуществления умные наполнители придают жесткость эластичному материалу 112 во время расширения. При расширении эластичного материала 112 в направлении кольцевого пространства происходит постепенное его заполнение, при этом эластичный материал 112 начинает соответствовать стенке ствола 100 скважины. Благодаря тому, что эластичный материал 112 способен соответствовать стенке ствола 100 скважины описанным выше образом, эластичный материал 112 может отфильтровывать твердые частицы, включая песок, из текучей среды, поступающей из продуктивного пласта 114 в основную трубу 104. После завершения скважинной операции эластичный материал 112 может быть отделен от основной трубы 104, и основная труба 104 может быть поднята из ствола 100 скважины.

[37] На фиг. 2(A) и 2(B) показаны дополнительные подробности неметаллического эластичного фильтра согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения. На фиг. 2(A) и 2(B) показан эластичный фильтр 211, который содержит неметаллический эластичный материал 209 и фильтрующий материал или сетчатый фильтр 207, который может быть выполнен в различных конфигурациях, например, в виде фильтра-хвостовика с щелевыми продольными отверстиями. На фиг. 2(A) показан эластичный фильтр 211 в его исходном, нерасширенном состоянии, а на фиг. 2(B) показан эластичный фильтр 211 в его расширенном состоянии. Эластичный фильтр 211 изначально является эластичным, и согласно одному или более вариантам осуществления неметаллический эластичный материал 209 эластичного фильтра 211 включает в себя базовый полимер и один или более умных наполнителей, которые способствуют разбуханию и/или армированию неметаллического эластичного материала 209 после вступления в реакцию с базовым полимером.

[38] Обратимся теперь к фиг. 3, на которой показано схематическое изображение процесса химического вспенивания с применением машины для формования структурных вспененных материалов согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения. В процессе вспенивания согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения может быть изготовлена полимерная открытоячеистая структура путем применения различных вспенивающих средств в ходе процесса формования. Полимерные материалы согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения могут быть получены посредством компаундированния с умными наполнителями, которые могут включать в себя разбухающие или армирующие наполнители, и/или вспенивающими средствами. Таким образом, полимерные материалы могут изготавливаться с применением химического вспенивающего средства для создания открытоячеистых структур, таких как открытоячеистый вспененный материал, например показанный на фиг. 4. Благодаря применению указанного процесса химического вспенивания неметаллический эластичный материал согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения может характеризоваться вспененной структурой, которая может представлять собой вспененную микроструктуру. Преимущественно, вспененная структура может пропускать через себя добываемую текучую среду, блокируя при этом прохождение твердых частиц из ствола скважины, таких как частицы песка.

[39] Химические вспенивающие средства представляют собой химические вещества, которые распадаются на составляющие во время нагревания, и полученные в результате газообразные продукты распада диспергируются через полимерные расплавы. Для получения однородной ячеистой структуры газ либо нагнетается, либо выделяется путем нагревания и должен тщательно диспергироваться в полимерные расплавы. Некоторыми из существенных факторов, влияющих на этот процесс, являются размер частиц вспенивающего средства, диспергирующие свойства машины, скорость распада вспенивающего средства и вязкость расплава обрабатываемой термопластичной смолы. В одном или более вариантах осуществления настоящего изобретения в качестве химических вспенивающих средств могут применяться, например, CO₂, N₂ и гидрофтороуглероды (HFC - англ.: hydrofluorocarbon).

[40] Как описано выше, неметаллический эластичный материал для эластичного фильтра может включать в себя базовый полимер и один или более умных наполнителей. В соответствии с одним или более вариантами осуществления настоящего изобретения базовый полимер может включать в себя, например по меньшей мере одно из полиуретана, термопластичного полиуретана, термопластичного эластомера, блок-сополимера простого полиэфира и сложного эфира, полиамид-полиэфирного термопластичного эластомера, полиолефина, сшитого полиэтилена, силиконового каучука, нитрилбутадиенового каучука (NBR - англ.: nitrile butadiene rubber), гидрированного нитрилбутадиенового каучука (HNBR - англ.: hydrogenated nitrile butadiene rubber), этиленпропилендиенового мономерного каучука (EPDM - англ.: ethylene propylene diene monomer rubber), фторэластомера любого типа, эпоксидной смолы и полиимида.

[41] Кроме того, согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения один или более умных наполнителей может включать в себя по меньшей мере одно из разбухающего наполнителя и/или армирующего наполнителя. Например, умные наполнители могут включать в себя по меньшей мере один разбухающий наполнитель, такой как сверхабсорбентные полимеры (SAP - англ.: superabsorbent polymer), этиленпропилендиеновый мономерный каучук (EPDM - англ.: ethylene propylene diene monomer rubber) и гидрированный нитрилбутадиеновый каучук (HNBR - англ.: hydrogenated nitrile butadiene rubber), и/или по меньшей мере один армирующий наполнитель, такой как портландцемент, глиноземистый цемент, летучая зола, шлаковый цемент, MgO, ZnO, Ca(OH)₂, ZnCl₂, MgCl₂, CaCl₂, CaCO₃, Na₂CO₃ и K₂CO₃.

[42] Что касается разбухающих умных наполнителей, этот наполнитель/полимер может увеличиваться в объеме при нахождении в скважинной текучей среде или солевом растворе. Как показано на фиг. 5, например, SAP представляет собой тип гидрофильного полимера (сшитого гидрогеля), характеризующегося водопоглощающей способностью от 100 г/г до 2000 г/г, причем поглощенная вода трудно удаляется даже путем приложения давления, так как молекулы воды прочно удерживаются в сети за счет водородных связей. Применение сшитого полимера, такого как SAP, будет способствовать прохождению воды через трехмерную сеть структуры, сохраняя одновременно с этим структуру полимера, что может вызывать разбухание структуры.

[43] Сверхабсорбентные полимеры, которые могут применяться согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения, включают в себя сшитые формы полиакрилата(акриловой кислоты и акриламида), поливинилового спирта, поли(этиленоксида), сополимера крахмала и акрилата, карбоксиметилцеллюлозы и других гидрофильных разбухающих полимеров. Как понятно специалистам в данной области техники, степень разбухания и скорость разбухания сверхабсорбентных полимеров зависит от типа сшитого полимера, условий воды по критерию pH, солености, температуры и давления, продолжительности погружения в раствор и конфигурации образцов.

[44] Обратимся теперь к фиг. 6(A) и 6(B), на которых представлен пример морфологии эластомерного вспененного материала до и после разбухания в солевом растворе. В примерах, показанных на фиг. 6(A) и 6(B), эластомерный вспененный материал включает в себя умные наполнители, такие как ранее описанные наполнители, для облегчения разбухания в солевом раствор. Сам по себе эластомерный вспененный материал также может разбухать в присутствии солевого раствора, независимо от разбухания, вызванного наличием умных наполнителей. Как показано на фиг. 6(A) и 6(B), морфология эластомерного вспененного материала является относительно постоянной до и после разбухания в солевом растворе. Такая однородная морфология до и после разбухания позволяет предположить, что эластомерный вспененный материал является подходящей фильтрующей средой с преимущественными свойствами проницаемости.

[45] В дополнение к умным наполнителям неметаллический эластичный материал для эластичного фильтра может также включать в себя другие «неумные» наполнители, такие как тальк, слюда, диоксид кремния, углеродная сажа, нанографен, углеродные нанотрубки, стекловолокна и углеродные наполнители для дополнительной поддержки.

[46] Наполнители согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения могут быть подвергнуты поверхностной обработке для улучшения связывания с полимерной матрицей неметаллического эластичного материала. Самоармирующиеся наполнители, такие как цемент, могут вступать в реакцию с солевым раствором для заканчивания или водой, чтобы улучшить прочность неметаллического эластичного материала.

[47] Согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения фильтр может включать в себя механический фиксатор, который сжимает неметаллический эластичный материал в сжатом состоянии. Когда неметаллический эластичный материал развертывают в стволе скважины в сжатом состоянии за счет сжатия посредством механического фиксатора, условие в стволе скважины, такое как, например, изменение температуры или истечение периода времени, может вызвать отделение механического фиксатора от неметаллического эластичного материала. Отделение механического фиксатора позволит неметаллическому эластичному материалу перейти из сжатого состояния в расширенное состояние. В расширенном состоянии неметаллический эластичный материал может расширятся с увеличением формы, так как умные наполнители, диспергированные в полимерной матрице неметаллического эластичного материала, вступают в реакцию со скважинными текучими средами, чтобы увеличиться в объеме. В одном или более вариантах осуществления механический фиксатор может представлять собой разлагаемую полимерную оберточную ленту, которая растворяется в воде или других скважинных текучих средах под воздействием условия в стволе скважины. Механический фиксатор также может быть присоединен к неметаллическому эластичному материалу путем термического формования.

[48] Обратимся теперь к фиг. 7(A) и 7(B), на которых показан пример механического сжатия и высвобождения согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения. Как показано, полимерный вспененный материал или неметаллический эластичный материал термически сформованы и/или механически обернуты разлагаемыми полимерами, которые сжимают полимерный вспененный материал. После воздействия условия в стволе скважины разлагаемые полимеры могут разлагаться или другим способом отделяться от полимерного вспененного материала или неметаллического эластичного материала, что позволяет полимерному вспененному материалу или неметаллическому эластичному материалу переходить из сжатого состояния в расширенное состояние. В расширенном состоянии умные наполнители, которые могут включать в себя разбухающие наполнители и/или армирующие наполнители, вступают в реакцию с базовым полимером полимерного вспененного материала или неметаллического эластичного материала. Таким образом, неметаллический эластичный материал может расширятся с увеличением формы, так как умные наполнители, диспергированные в полимерной матрице неметаллического эластичного материала, вступают в реакцию со скважинными текучими средами, чтобы увеличиться в объеме. Кроме того, умные наполнители также могут увеличить жесткость полимерной матрицы, тем самым делая неметаллический эластичный материал более стойким к давлениям в скважине. Более того, неметаллический эластичный материал может расширяться для соответствия неправильной форме ствола скважины, например, как показано на фиг. 2(B), как описано выше. Благодаря умным наполнителям неметаллический эластичный материал демонстрирует улучшенную и стабильную прочность в расширенном состоянии. Неметаллический эластичный материал также испытывает увеличение модуля упругости при переходе от сжатого состояния в расширенное состояние. В свете вышеизложенного раскрытия, на фиг. 7(A) и 7(B) показан постепенный переход полимерного вспененного материала или неметаллического эластичного материала из сжатого состояния в расширенное состояние согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения.

[49] Обратимся теперь к фиг. 7(C), на которой показана фотография различных разлагаемых слоев, которые могут применяться в качестве механического фиксатора, согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения. Как показано, разлагаемые слои могут быть достаточно тонкими, чтобы напоминать разлагаемую пленку и вести себя подобно такой пленке. На фиг. 7(D) показана фотография различных разлагаемых слоев спустя 48 часов пребывания в 3%-ном солевом растворе на основе KCl при различных температурах. Как показано на фиг. 7(D), скорость разложения различных разлагаемых слоев увеличивается с повышением температуры. Таким образом, скорость разложения разлагаемых слоев согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения может регулироваться посредством температуры. Обратимся теперь к фиг. 7(E), на которой показаны свойства при растяжении разлагаемого слоя (механического фиксатора) спустя 48 часов пребывания в 3%-ном солевом растворе на основе KCl при 93 °C (200 °F) согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения. Как изображено, разлагаемый слой, который может представлять собой механический фиксатор согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения, разлагается, растворяется и другим образом демонстрирует низкие механические свойства (т. е., напряжение при растяжении приблизительно 1379 кПа (200 фунтов/кв. дюйм) и относительное удлинение при разрыве приблизительно от 20% до 25% после 48 часов пребывания в 3%-м солевом растворе на основе KCl при 93 °C (200 °F)) по сравнению с контрольными образцами, которые демонстрируют напряжение при растяжении приблизительно 8274 кПа (1200 фунтов/кв. дюйм) и процентное относительное удлинение при разрыве в диапазоне от 300% до 400%. Действительно, как показано, разлагаемый слой согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения демонстрирует прекрасную способность к разложению по сравнению с контрольными образцами.

[50] Обратимся теперь к фиг. 8, на которой показан пример того, как может быть применен механический фиксатор согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения. За счет применения процесса химического вспенивания, такого как, например, описан со ссылкой на фиг. 3, полимерные материалы могут быть преобразованы в ячеистые структуры. Эти материалы с ячеистыми структурами могут быть сжаты с образованием цилиндрической формы меньшего размера посредством процесса обертывания механической разлагаемой полимерной пленкой, например, как показано на фиг. 8. Как показано на фиг. 8, механический фиксатор 802, который может представлять собой разлагаемую полимерную оберточную ленту, как описано выше, может быть механически обернут вокруг ячеистых структур или неметаллического эластичного материала 209, тем самым сжимая неметаллический эластичный материал 209 до его развертывания в стволе скважины. Например, в одном или более вариантах осуществления коммерчески доступная водорастворимая пленка может применяться в качестве механического фиксатора 802.

[51] Далее будут описаны различные примеры неметаллического эластичного материала согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения. На фиг. 9 представлены примеры химических структур термопластичного уретана (TPU) согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения. Например, в процессе химического вспенивания, который описан выше со ссылкой на фиг. 3, полимерный вспененный материал может быть изготовлен с применением TPU (такого как одна из химических структур, показанных на фиг. 9), компаундированного с умными наполнителями, которые могут включать в себя разбухающие или армирующие наполнители для полимерного материала, и химическим вспенивающим средством, как описано ранее. Полученный в результате полимерный вспененный материал на основе TPU может представлять собой открытоячеистый вспененный материал и может применяться в качестве неметаллического эластичного материала для устройства противопесочного фильтра согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения.

[52] На фиг. 10 представлен другой пример химической структуры базового полимера, который может применяться в неметаллическом эластичном материале согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения. В частности, на фиг. 10 показан блок-сополимер термопластичного сложного полиэфирного эластомера (TPE - англ.: thermoplastic polyester elastomer). Например, в процессе химического вспенивания, который описан выше со ссылкой на фиг. 3, полимерный вспененный материал может быть изготовлен с применением TPE (такого как блок-сополимер, показанный на фиг. 10), компаундированного с умными наполнителями, которые могут включать в себя разбухающие или армирующие наполнители для полимерного материала, и химическим вспенивающим средством, как описано ранее. Полученный в результате полимерный вспененный материал на основе TPE может применяться в качестве неметаллического эластичного материала для устройства противопесочного фильтра согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения, причем указанный материал может быть механически сжат посредством разлагаемых полимеров до развертывания в стволе скважине, как описано ранее. В ходе скважинной операции механическое отделение разлагаемых полимеров и реакция умных наполнителей с базовым полимером на основе TPE способствуют расширению неметаллического эластичного материала в соответствии с одним или более вариантами осуществления настоящего изобретения, как описано ранее. Согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения коммерчески доступный продукт Hytrel® может применяться в качестве базового полимера на основе TPE для неметаллического эластичного материала.

[53] На фиг. 11 представлен другой пример химической структуры базового полимера, который может применяться в неметаллическом эластичном материале согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения. В частности, на фиг. 11 показан полиамид-полиэфирный (PA-PE - англ.: polyamide-polyether) термопластичный эластомер в качестве химической структуры. Например, в процессе химического вспенивания, который описан выше со ссылкой на фиг. 3, полимерный вспененный материал может быть изготовлен с применением TPE, PA-PE (например, полимеров, показанный на фиг. 11), компаундированных с умными наполнителями, которые могут включать в себя разбухающие или армирующие наполнители для полимерного материала, и химическим вспенивающим средством, как описано ранее. Полученный в результате полимерный вспененный материал на основе TPE, PA-PE может применяться в качестве неметаллического эластичного материала для устройства противопесочного фильтра согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения, причем указанный материал может быть механически сжат посредством разлагаемых полимеров до развертывания в стволе скважине, как описано ранее. В ходе скважинной операции механическое отделение разлагаемых полимеров и реакция умных наполнителей с базовым полимером на основе TPE, PA-PE способствуют расширению неметаллического эластичного материала в соответствии с одним или более вариантами осуществления настоящего изобретения, как описано ранее.

[54] На фиг. 12 представлен другой пример базового полимера, который может применяться в неметаллическом эластичном материале согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения. Например, на фиг. 12 показан пример полиолефина, который может представлять собой вспененный сшитый полиэтилено (XLPE - англ.: cross-linked polyethylene), согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения. Преимущественно, сшитый полиэтилен может значительно улучшить ударную вязкость при низких температурах, стойкость к истиранию и стойкость к растрескиванию под воздействием окружающей среды химической структуры. Однако сшитый полиэтилен может в некоторой степени снизить твердость и жесткость химической структуры. Поскольку XLPE подобен эластомерам, XLPE не плавится и является термостойким. Кроме того, максимальный модуль упругости при сдвиге химической структуры увеличивается с увеличением плотности сшивки (даже при более высоких температурах). Фактически, XLPE имеет значительно улучшенные свойства по сравнению с обычным полиэтиленом. Например, сшивание в XLPE улучшает температурные свойства базового полимера. Адекватная прочность сохраняется в диапазоне температур 120-150 °C, и химическая стабильность повышается за счет сопротивления растворению. Улучшены низкотемпературные свойства. Имеет место улучшение ударной вязкости и прочности при растяжении, устойчивости к царапинам и сопротивления хрупкому разрушению.

[55] Согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения вспененный сшитый полиэтилен, показанный на фиг. 12, может представлять собой открытоячеистый вспененный материал, который может изготавливаться с применением различных химических вспенивающих средств в ходе процесса формования, как описано ранее. Например, в процессе химического вспенивания, который описан выше со ссылкой на фиг. 3, открытоячеистый вспененный материал может быть изготовлен с применением XLPE, компаундированного с умными наполнителями, которые могут включать в себя разбухающие или армирующие наполнители для полимерного материала, и химическим вспенивающим средством, как описано ранее. Полученный в результате открытоячеистый вспененный материал на основе XLPE может применяться в качестве неметаллического эластичного материала для устройства противопесочного фильтра согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения, причем указанный материал может быть механически сжат посредством разлагаемых полимеров до развертывания в стволе скважине, как описано ранее. Например, на фиг. 13(A) и 13(B) показана морфология полиолефинового вспененного материала соответственно с разрешением 200 мкм и разрешением 100 мкм. Как показано на фиг. 13(A) и 13(B), морфология полиолефинового вспененного материала включает в себя открытоячеистую структуру. В ходе скважинной операции механическое отделение разлагаемых полимеров и реакция умных наполнителей с базовым полимером на основе XLPE способствуют расширению неметаллического эластичного материала в соответствии с одним или более вариантами осуществления настоящего изобретения, как описано ранее.

[56] На фиг. 14 и 15 представлен другой пример базового полимера, который может применяться в неметаллическом эластичном материале согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения. Например, на фиг. 14 показан пример процесса получения кремнийорганического вспененного материала, а на фиг. 15 показаны примеры кремнийорганического вспененного материала. Как показано на фиг. 14, смешивание друг с другом составляющих компонентов кремнийорганического вспененного материала вызывает образование газообразного водорода. Газообразный водород вызывает расширение материала с образованием вспененного материала. В одном или более вариантах осуществления вспененный материал может быть отвержден для повышения его прочности и простоты обработки.

[57] Согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения кремнийорганический вспененный материал, показанный на фиг. 14 и 15, может представлять собой открытоячеистый вспененный материал, который может изготавливаться с применением различных химических вспенивающих средств в ходе процесса формования, как описано ранее. Например, в процессе химического вспенивания, который описан выше со ссылкой на фиг. 3, открытоячеистый вспененный материал может быть изготовлен с применением кремнийорганического вспененного материала, компаундированного с умными наполнителями, которые могут включать в себя разбухающие или армирующие наполнители для полимерного материала, и химическим вспенивающим средством, как описано ранее. Полученный в результате кремнийорганический открытоячеистый вспененный материал может применяться в качестве неметаллического эластичного материала для устройства противопесочного фильтра согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения, причем указанный материал может быть механически сжат посредством разлагаемых полимеров до развертывания в стволе скважине, как описано ранее. В ходе скважинной операции механическое отделение разлагаемых полимеров и реакция умных наполнителей с кремнийорганическим вспененным базовым полимером способствуют расширению неметаллического эластичного материала в соответствии с одним или более вариантами осуществления настоящего изобретения, как описано ранее.

[58] На фиг. 16 представлен другой пример базового полимера, который может применяться в неметаллическом эластичном материале согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения. Например, на фиг. 16 показан пример эпоксидного вспененного материала. Согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения эпоксидный вспененный материал, показанный на фиг. 16, может представлять собой открытоячеистый вспененный материал, который может изготавливаться с применением различных химических вспенивающих средств в ходе процесса формования, как описано ранее. Например, в процессе химического вспенивания, который описан выше со ссылкой на фиг. 3, открытоячеистый вспененный материал может быть изготовлен с применением эпоксидного вспененного материала, компаундированного с умными наполнителями, которые могут включать в себя разбухающие или армирующие наполнители для полимерного материала, и химическим вспенивающим средством, как описано ранее. На фиг. 17(A) и 17(B) показана морфология эпоксидного вспененного материала соответственно с разрешением 500 мкм и разрешением 200 мкм. Как показано на фиг. 17(A) и 17(B), морфология эпоксидного вспененного материала включает в себя открытоячеистую структуру. Полученный в результате эпоксидный открытоячеистый вспененный материал может применяться в качестве неметаллического эластичного материала для устройства противопесочного фильтра согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения, причем указанный материал может быть механически сжат посредством разлагаемых полимеров до развертывания в стволе скважине, как описано ранее. В ходе скважинной операции механическое отделение разлагаемых полимеров и реакция умных наполнителей с эпоксидным вспененным базовым полимером способствуют расширению неметаллического эластичного материала в соответствии с одним или более вариантами осуществления настоящего изобретения, как описано ранее.

[59] На фиг. 18 представлен другой пример базового полимера, который может применяться в неметаллическом эластичном материале согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения. Например, на фиг. 18 показан пример полиимидного открытоячеистого вспененного материала. Согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения полиимидный открытоячеистый вспененный материал, показанный на фиг. 18, может быть изготовлен с применением различных химических вспенивающих средств в ходе процесса формования, как описано ранее. Например, в процессе химического вспенивания, который описан выше со ссылкой на фиг. 3, открытоячеистый вспененный материал может быть изготовлен с применением полиимида, компаундированного с умными наполнителями (или без них), которые могут включать в себя разбухающие или армирующие наполнители для полимерного материала, и химическим вспенивающим средством, как описано ранее. Полученный в результате полиимидный открытоячеистый вспененный материал может применяться в качестве неметаллического эластичного материала для устройства противопесочного фильтра согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения, причем указанный материал может быть механически сжат посредством разлагаемых полимеров до развертывания в стволе скважине, как описано ранее. В ходе скважинной операции механическое отделение разлагаемых полимеров и реакция умных наполнителей с полиимидным базовым полимером способствуют расширению неметаллического эластичного материала в соответствии с одним или более вариантами осуществления настоящего изобретения, как описано ранее.

[60] Полиимидный открытоячеистый вспененный материал, показанный на фиг. 18, который может применяться в качестве неметаллического эластичного материала для устройства противопесочного фильтра согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения, может выдерживать воздействие высоких температур до 300 °C. Кроме того, полиимидный открытоячеистый вспененный материал является гибким и восстанавливается в достаточной степени после снятия механического сжатия, обеспечиваемого разлагаемыми полимерами. Более того, состав полиимидного открытоячеистого вспененного материала может быть адаптирован под умные наполнители для того, чтобы улучшить эластичность и армирование.

[61] Несмотря на то, что несколько вариантов осуществления настоящего изобретения подробно описаны выше, специалисты в данной области техники легко поймут, что возможно множество модификаций без существенного отступления от идей настоящего изобретения. Соответственно, такие модификации входят в объем настоящего изобретения, определенный в формуле изобретения

Группа изобретений относится к нефтегазодобывающей отрасли, в частности к скважинным противопесочным фильтрам. Фильтрующее устройство содержит неметаллический материал, имеющий сжатое состояние и расширенное состояние. Неметаллический материал содержит базовый полимер и один или более умных наполнителей, диспергированных в полимерной матрице неметаллического материала, и механический фиксатор, который сжимает неметаллический материал в сжатом состоянии. Один или более умных наполнителей вступают в реакцию с базовым полимером в расширенном состоянии после воздействия условия в стволе скважины. Механический фиксатор представляет собой разлагаемую полимерную оберточную ленту. Повышается надежность фильтрующего устройства за счет его возможности выдерживать высокие температуры и давление. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 26 ил.

1. Противопесочное фильтрующее устройство для применения в скважинных операциях по добыче углеводородов, содержащее:

неметаллический материал, имеющий сжатое состояние и расширенное состояние;

причем указанный неметаллический материал содержит: базовый полимер; и один или более умных наполнителей, диспергированных в полимерной матрице неметаллического материала; и

механический фиксатор, который сжимает неметаллический материал в сжатом состоянии,

причем один или более умных наполнителей вступают в реакцию с базовым полимером в расширенном состоянии после воздействия условия в стволе скважины,

при этом механический фиксатор представляет собой разлагаемую полимерную оберточную ленту.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что неметаллический материал содержит вспененную структуру.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что неметаллический материал содержит открытоячеистый вспененный материал.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что один или более умных наполнителей содержат по меньшей мере одно из разбухающего наполнителя и армирующего наполнителя.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что условие в стволе скважины вызывает растворение разлагаемой полимерной оберточной ленты.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что условие в стволе скважины вызывает отделение механического фиксатора от неметаллического материала.

7. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что в расширенном состоянии неметаллический материал соответствует стволу скважины.

8. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что один или более умных наполнителей вступают в реакцию с базовым полимером в расширенном состоянии после воздействия условия в стволе скважины путем придания жесткости неметаллическому материалу.

9. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что базовый полимер представляет собой по меньшей мере один материал, выбранный из группы, состоящей из: полиуретана, термопластичного полиуретана, термопластичного эластомера, блок-сополимера простого полиэфира и сложного эфира, полиамид-полиэфирного термопластичного эластомера, полиолефина, сшитого полиэтилена, силиконового каучука, нитрилбутадиенового каучука (NBR), гидрированного нитрилбутадиенового каучука (HNBR), этиленпропилендиенового мономерного каучука (EPDM), фторэластомера любого типа, эпоксидной смолы, и полиимида.

10. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что один или более умных наполнителей представляют собой по меньшей мере один материал, выбранный из группы, состоящей из: сверхабсорбентного полимера, этиленпропилендиенового мономерного каучука (EPDM), гидрированного нитрилбутадиенового каучука (HNBR), портландцемента, глиноземистого цемента, летучей золы, шлакового цемента, MgO, ZnO, Ca(OH)₂, ZnCl₂, MgCl₂, CaCl₂, CaCO₃, Na₂CO₃ и K₂CO₃.

11. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что неметаллический материал испытывает увеличение модуля упругости при переходе от сжатого состояния в расширенное состояние.

12. Способ заканчивания скважины, включающий в себя этапы, на которых:

покрывают по меньшей мере одну основную трубу неметаллическим материалом, содержащим базовый полимер и один или более умных наполнителей;

сжимают неметаллический материал посредством механического фиксатора, причем механический фиксатор представляет собой разлагаемую полимерную оберточную ленту;

спускают основную трубу в местоположение внутри ствола скважины;

осуществляют расширение неметаллического материала;

обеспечивают соответствие неметаллического материала стенке ствола скважины;

придают жесткость неметаллическому материалу;

осуществляют фильтрацию текучих сред через неметаллический материал в направлении к основной трубе;

отсоединяют неметаллический материал от основной трубы; и

поднимают основную трубу из ствола скважины.

13. Способ по п. 12, отличающийся тем, что один или более умных наполнителей содержат по меньшей мере одно из разбухающего наполнителя и армирующего наполнителя.

14. Способ по п. 12, отличающийся тем, что этап расширения включает в себя растворение разлагаемой полимерной оберточной ленты.

15. Способ по п. 12, отличающийся тем, что этап расширения включает в себя отделение механического фиксатора.

16. Способ заканчивания ствола скважины в подземном пласте, включающий в себя этапы, на которых:

размещают расширяемое противопесочное устройство в стволе скважины и формируют кольцевое пространство между противопесочным устройством и стволом скважины, причем указанное противопесочное устройство имеет открытоячеистую структуру с неметаллическим материалом, содержащим базовый полимер; и один или более умных наполнителей, причем неметаллический материал выполнен с возможностью расширения и заполнения кольцевого пространства;

сжимают расширяемое противопесочное устройство посредством механического фиксатора до этапа размещения, причем механический фиксатор представляет собой разлагаемую полимерную оберточную ленту.