НАБУХАЮЩЕЕ ИЗДЕЛИЕ
SWELLING ARTICLE

ССЫЛКА НА СВЯЗАННЫЕ ЗАЯВКИ
[0001] Данная заявка испрашивает приоритет по заявке U.S. Application No. 13/585160, выложена 14 августа 2012 года, полностью включена в данном документе в виде ссылки.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0002] Набухающие в текучей среде и абсорбирующие текучую среду материалы применяются в различных отраслях промышленности. Например, в бурении и заканчивании скважин набухающие материалы применяются для различных пакерующих, изолирующих, исполнительных и уплотнительных устройств, которые реагируют автоматически на воздействие конкретных текучих сред, таких как нефть и вода. Хотя данные набухающие материалы уже применяются, удовлетворяя требованиям достижения различных целей, в технике всегда существует потребность совершенствования существующих и создания альтернатив систем с набухающими и абсорбирующими материалами.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0001] Набухающее изделие, включающее в себя материал матрицы, и способный к расслаиванию материал на основе графена, расположенный в материале матрицы, причем способный к расслаиванию материал на основе графена функционально выполнен с возможностью облегчения набухания набухающего изделия под воздействием выбранной текучей среды посредством сорбирования частиц в текучей среде, причем набухание обеспечивает взаимодействие набухающего изделия со смежной структурой.
[0002] Способ применения набухающего изделия, включающий в себя воздействие на набухающее изделие, согласно указанному выше, выбранной текучей среды; набухание набухающего изделия под действием выбранной текучей среды; сорбирование частиц в текучей среде материалом на основе графена для облегчения набухания; и взаимодействие набухающего изделия со смежной структурой после набухания.
[0003] Способ изготовления набухающего изделия, включающий в себя расположение материала на основе графена в материале матрицы для создания набухающего материала; расслоение материала на основе графена; и формование набухающего материала в изделие, которое набухает, реагируя на выбранную текучую среду, причем материал на основе графена функционально выполнен с возможностью облегчения набухания набухающего изделия под воздействием выбранной текучей среды, посредством сорбирования частиц в текучей среде.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0004] Следующие описания не следует считать ограничивающими. На прилагаемых чертежах одинаковые элементы обозначены одинаковыми позициями.
[0005] На Фиг. 1 схематично показан способ изготовления и применения набухающего изделия.
[0006] На Фиг. 2 показан один пример расслоения материала изделия Фиг. 1 на основе графена, которое включает в себя расширение интеркаланта.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0007] Подробное описание вариантов осуществления устройства и способа представлено в данном документе в виде примера и без ограничений описанием и прилагаемыми фигурами.
2
2
2
5
2
5
3
4
4
2
2
8
3
3
3
3
3
2
5
2
2
8
4
2
7
3
4
2
4
4
5
6
4
2
6
3
2
3
5
5
2
2
3
5
5
5
5
[0008] Способ изготовления и применения набухающего изделия 10 схематично показан на Фиг. 1. Способ, заканчивающийся выполнением изделия 10, начинается созданием состава 12 способного к расслаиванию материала на основе графена. Материалом на основе графена считается графен, графит, оксид графена, графит оксид, составы c графитовой интеркаляцией и их производные формы, включающие функциональную группу, например, включающие карбоксильную, эпоксидную, простую эфирную, кетонную, амино-, гидрокси-, алкокси-, алкильную, арильную, аралкильную, алкарильную, лактоновую, функциализированную полимерную или олигомерную группы или комбинацию, содержащую по меньшей мере одну из указанных выше функциональных групп. Составы c графитовой интеркаляцией могут включать интеркалирующие агенты, такие, например, как кислота, металл, бинарный сплав щелочного металла с ртутью или таллием, бинарное соединение щелочного металла с элементом V группы (например, P, As, Sb и Bi), халькогенид металла (включающий оксиды металлов, такие, например, как триоксид хрома, PbО, MnО, сульфиды металлов и селениды металлов), пероксид металла, гипероксид металл, гидрид металла, гидроокись металла, металлы, скоординированные азотистыми соединениями, ароматические углеводороды (бензол, толуол), алифатические углеводороды (метан, этан, этилен, ацетилен, n-гексан) и их кислородные производные, галоген, флюорид, галид, азотистое соединение, неорганическое соединение (например, тритиазил трихлорид, тионилхлорид), металлорганическое соединение, окислитель (например, пероксид, перманганат-ион, хлорит-ион, хлорат-ион, перхлорат-ион, гипохлорит-ион, AsО, NО, CHCIO, (NH)SО, хромат-ион, бихромат-ион), растворитель или комбинацию, содержащую по меньшей мере одно из указанного выше. Являющиеся примерами кислоты включают азотную кислоту, серную кислоту, уксусную кислоту, CFCOOH, HSOF, HSOCI, HSOCF, надсерную кислоту (например, HSО, HSО), фосфорную кислоту, HPO, перхлорную кислоту, HAsО, HSeО, HIО, ΗΙО, HAuCl, ΗΡtCl, или комбинацию, содержащую по меньшей мере одно из указанного выше. Являющиеся примерами металлы включают щелочные металлы (например, литий, натрий, калий и т.п.), щелочно-земельные металлы (например, магний, кальций, стронций и т.п.), редкоземельные металлы (например, скандий, иттрий, лантаноиды и т.п.), переходные металлы (например, железо, вольфрам, ванадий, никель и т.п.), и постпереходные металлы (например, алюминий, олово и т.п.). Являющиеся примерами галиды металлов включают Nal, FeCl, CuCl, AuCl, MоCI, SbCl, и т.п. Азотистые соединения включают, например, аммиак, аммоний, гидразины, амины и амиды. Являющиеся примерами галогены включают Cl, Br, BrCl, ICl, IBr, BrF, BrF и IF. Являющиеся примерами флюориды включают фторгалогенид, борофторид, фторводород, PF, AsF, и инертный газ флюорид. Являющиеся примерами растворители включают бензол, толуол, o-диметилбензол, диметилсульфоксид, фуран, тетрагидрофуран, o-диоксан, m-диоксан, p-диоксан, диметоксиэтан, n-метил-пирролидон, n,n-диметилацетамид, γ-бутиролактон, 1,3-диметил-2-имидазолидинон, бензилбензоат, гексафторбензол, октафтортолуол, пентафторбензонитрил, пентафторпиридин, пиридин, диметилформамид, гексаметилфосфорамид, нитрометан и бензонитрил. Данные материалы могут располагаться в листах, слоях, или пластинах, создающих чрезвычайно высокие площади поверхности и придающие олеофильность. Предпочтительно, комбинация высокой площади поверхности и олеофильности обеспечивает данным и другим материалам на основе графена адсорбирование и/или абсорбирование (вместе, "сорбирование") относительно больших количеств частиц некоторых текучих сред, в частности нефти, углеводородов и других органических текучих сред. В свою очередь, данное сорбирование больших количеств частиц способствует набуханию или увеличению объема изделия 10 под воздействием текучей среды, имеющей компонент, например, нефть или углеводороды, который сорбирует состав 12.
[0009] Термин «способный к расслаиванию» означает, что материал на основе графена может подвергаться процессу расслоения. Расслоение при использовании в данном документе означает создание индивидуальных листов, плоскостей, слоев, пластин и т.д. (в общем, "слоев") материала на основе графена; отслоение слоев; или увеличение планарного промежутка между смежными слоями. При этом предназначение расслоения состоит в увеличении имеющейся площади поверхности на единицу объема или массы материала на основе графена. Данное является особенно полезным для крупных частиц текучей среды, например, в тяжелой нефти, которые не могут проходить между плотно сложенными слоями. Примеры расслоения включают в себя химические, физические и/или механические способы, нагревание составов c графитовой интеркаляцией; обработку колебаниями акустической частоты графита, веществ c графитовой интеркаляцией и функциализированного графита в системах растворителя; термический отжиг оксида графита; абразивную обработку, сдвиговую деформацию, выштамповку или размалывание графитовых частиц; удаление слоев с помощью клейких лент, и т.д., хотя специалисту в данной области техники понятно, что любые другие способы, уже известные или которые предстоит открыть, можно применять для расслоения материала на основе графена.
[0010] В одном варианте осуществления состав 12 выполняется с помощью объединения материала 14 на основе графена (как указано выше) и интеркаланта 16 согласно этапу 100. Как показано на Фиг. 2, интеркалант или интеркалирующий агент 16 является газообразным, жидким или твердым материалом, расположенным между двумя слоями 18 материала 14 на основе графена. В одном варианте осуществления интеркалант 16 образован из калия и тетрагидрофурана, хотя другие материалы можно использовать. Слои 18 могут иметь толщину в один атом или в множество атомов. Интеркалант 16 создает планарный промежуток 20, вначале указанный позицией 20a, образованный по существу перпендикулярно между слоев 18. С помощью нагрева состава 12 согласно этапу 102 интеркалант 16 расширяется, при этом увеличивая зазор 20 до второго размера, указанного позицией 20b, во время расслоения состава 12. Как описано более подробно ниже, этап 102 показанный сам по себе на Фиг. 2, как расслоение материала на основе графена, может проходить в различных точках в процессе Фиг. 1. Дополнительно, специалисту в данной области техники понятно, что интеркалирование представляет только один способ создания способного к расслаиванию состава 12, что нагревание интеркаланта 16 является только одним примером расслоения состава 12 и что любой другой подходящий способный к расслаиванию состав и соответствующий способ расслоения можно применять.
[0011] Вне зависимости от способа, которым состав 12 образуется, состав 12 объединяется с матрицей 22 на этапе 104 для образования набухающего материала 24. В одном варианте осуществления состав 12 размалывается (например, размалывается в замороженном состоянии) для образования порошка из состава 12, который вводится в промежутки матрицы 22. Термин набухающий означает, что материал 24 должен набухать, увеличиваться или иначе изменяться по меньшей мере в одном направлении под воздействием подходящей текучей среды. Матрица 22 может также состоять из набухающего или ненабухающего материала. В являющихся примерами вариантах осуществления материал матрицы 22 является эластомерным, хотя другие материалы можно применять в зависимости от конечного предназначения изделия 10. Например, в одном варианте осуществления матрица 22 выполняется из бутадиенакрилонитрильного каучука, который обеспечивает хорошие уплотнительные характеристики и которому можно придавать разную степень набухания. В одном варианте осуществления матрицу 22 и/или набухающий материал 24 изготовляют включающим другие добавки или материалы для придания нужных свойств готовому изделию 10, таких как расчетное давление, прочность, степень набухания, пластичность, долговечность и т.д. В одном варианте осуществления матрица 22 и/или материал 24 включает карбоксиметилцеллюлозу или другую абсорбирующую воду, набухающую в воде, или гидрофильную добавку для придания изделию 10 также способности к набуханию под воздействием текучих сред на водной основе. Таким способом изделие 10 можно выполнить набухающим под воздействием нефти, воды или набухающим от их двойного совместного воздействия.
[0012] Затем из набухающего материала 24 на этапе 106 формуют изделие 10. Формование на этапе 106 может включать подходящее литье под давлением, станочную обработку, пластическую обработку или другой способ придания требуемой формы и размеров изделию 10. В одном варианте осуществления, как указано выше в данном документе, набухающий материал 24 обеспечивает изделию 10 набухание под воздействием текучей среды, по меньшей мере частично образованной нефтью или углеводородами, которые легко сорбирует материал на основе графена в составе 12.
[0013] Согласно этапу 108 показанного варианта осуществления после формования изделия 10 создается система 26 с помощью установки изделия 10 на трубу 28. В одном варианте осуществления материал 24 напрямую наматывается на трубу для создания системы 26 на одном этапе, который объединяет показанные этапы 106 и 108. В одном варианте осуществления труба является частью колонны, такой как эксплуатационная колонна, или другой компонент заканчивания ствола скважины. Естественно, изделие 10 может иметь другую форму для установки на или с не трубными элементами, изделие 10 может устанавливаться радиально внутри в противоположность показанной установке радиально снаружи и т.д. Наконец, изделие 10 подвергается воздействию подходящей текучей среды на этапе 110 для увеличения объема изделия 10. В показанном варианте осуществления набухание изделия 10 обеспечивает действие изделия 10, которое соединяется с уплотнением со стволом скважины 30 для изоляции частей ствола скважины 30 с противоположных сторон изделия 10. Естественно, изделие 10 можно применять в обсаженных стволах скважин или в кольцевом пространстве, образованном между радиально смежными структурами. Кроме того, набухание можно применять для любой комбинации уплотнения, изоляции, приведения в действие, абсорбирования и т.д., и специалист в данной области техники может назвать множество вариантов изолирующих, пакерующих, исполнительных, абсорбирующих и уплотняющих устройств, для которых являются предпочтительными набухающие материалы и изделия, рассмотренные в данном документе.
2
5
[0014] Как указано выше, этап 102 может проходить в различных точках в способе Фиг. 1. Например, материал на основе графена может проходить расслоение перед, во время или после этапов 100, 104, 106, 108 или 110. Отмечается, что некоторые положительные аспекты расслоения материал на основе графена могут сводиться к нулю во время формования на этапе 106, в частности если материал 24 прессуется, например, в пресс-форме для формования изделия 10, поскольку слои графена/графита (например, слои 18) могут сближаться с поджатием друг к другу. В одном варианте осуществления с применением интеркаланта 16 расслоение, показанное на этапе 102 и Фиг. 2, проводится после формования изделия 10 на этапе 106 с помощью нагревания изделия 10. Нагревание может проводиться на поверхности, в скважине или любом другом требуемом месте. В одном варианте осуществления воздействие скважинной среды обеспечивает нагревание, необходимое для расслоения материала на основе графена, благодаря расширению интеркаланта 16, а в других вариантах осуществления создается источник нагрева, такой как нагретая текучая среда, экзотермическая реакция, электрический ток и т.д. Предпочтительно данное обеспечивает проведение расслоения после проведения всех процессов формования, при этом слои графита/графена не подвергаются каким-либо воздействиям, в которых они могут повторно сжиматься вместе с уменьшением при этом площади поверхности, доступной для частиц (в частности относительно крупных частиц) в текучей среде, с которыми изделие 10 реагирует. В другом варианте осуществления расслоение состава c графитовой интеркаляцией получают, пропуская электрический ток через интеркалированный графит или смежные металлические компоненты. В еще одном варианте осуществления расслоение состава c графитовой интеркаляцией получают с помощью индуктивного нагревания (например, создавая вихревые токи в интеркалированных частицах графита/графена). В еще одном варианте осуществления расслоение получают, применяя колебания ультразвуковых частот к материалу на основе графена. Без рассмотрения аспектов теории, колебания ультразвуковых частот могут нарушать связи между смежными пластинами атомов в материалах на основе графена и/или вызывать химические реакции интеркалирующего агента в каналах, образованных пластинами графена, приводящие к расслоению материалов на основе графена. Также без рассмотрения аспектов теории, указанные явления могут вызывать кратковременные, локализованные нарушения (например, горячая точка), полученные схлопыванием пузырьков по ходу акустической кавитации растворителя. В еще одном варианте осуществления расслоение состава c графитовой интеркаляцией получают в результате реакции с интеркалирующим агентом, увеличивающей расстояние между смежными графеновыми пластинами в материалах на основе графена. Данное можно получить, когда размеры или объемы продуктов реакции превышают размеры или начальные объемы интеркалирующего агента, когда получают множество молекул продукта, атомов или их комбинаций на молекулу интеркалирующего агента или когда полученные продукты реакции имеют высокую кинетическую энергию (например, для нагрева состава c графитовой интеркаляцией и содействия в расслоении). Например, интеркалирующий агент можно подвергать гидролизу. В одном варианте осуществления пентахлорид сурьмы в качестве интеркалирующего агента гидролизуется при контакте с молекулами воды с получением SbО и соляной кислоты. Любые такие полученные молекулы или атомы могут дополнительно вступать в реакцию давая еще большее число полученных молекул для облегчения процесса расслоения. Естественно, можно применять любую комбинацию, включающую любое из указанного выше.
[0015] 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 в себя 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.