ПОЛИМЕРНЫЕ СОСТАВЫ, ПРОМЫСЛОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ, СОДЕРЖАЩИЕ ИХ, И СПОСОБЫ ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ПРОМЫСЛОВЫХ ПРИЛОЖЕНИЯХ
COPOLYMER COMPOUNDS, FIELD COMPONENTS COMPRISING ABOVE COMPOUNDS AND METHODS OF THEIR APPLICATION IN FIELD

Предпосылки изобретения
1. Область применения изобретения
Настоящее изобретение относится, в целом, к области разведки, эксплуатации и тестирования нефтяного месторождения и, в частности, к составам из полимерных материалов и расширенных графитовых наночешуек и/или нанопластинок, полезным в таких предприятиях.
2. Предшествующий уровень техники
Полимерные материалы, используемые в промысловых службах и, в частности, в скважине, должны обладать высокой устойчивостью к диффузии/проникновению пластовых флюидов (газов и жидкостей). Ненаполненные полимеры обычно имеют низкую устойчивость к диффузии химических веществ, существующих в средах ствола скважины, и являются более проницаемыми для пластовых флюидов. Для снижения проницаемости полимеров к необработанным полимерам добавляются такие наполнители, как сажа, кварц, тальк и т.п. Эти наполнители имеют непластинчатую структуру и/или имеют низкую анизотропию (форматное соотношение), вследствие чего обеспечивают ограниченное снижение проницаемости конечного состава. Расширенные/расслоенные графитовые наночешуйки и нанопластинки существуют в форме пластинок, имеющих форматное соотношение свыше 100 и предпочтительно свыше 200.
В патентной заявке США 20040127621, опубликованной 1 июля 2004 г., раскрыты способы производства расширенного графита с высоким форматным соотношением и полимерных составов, созданных с использованием раздробленных версий расширенного графита с высоким форматным соотношением. В ссылке описано использование расширенного графита и его продуктов, например наночешуек и/или нанопластинок, в качестве наполнителей в полимерах. В этой заявке раскрыты способы расширения/расслаивания графита и информация о поверхностной обработке, например прививке аминов и прививке акриламидов. Эта ссылка также обеспечивает информацию об улучшении механических свойств и электропроводности конечного полимерного состава. В ссылке заявлено использование полимерных составов для топливных элементов, батарей и каталитических дожигателей выхлопных газов. Рассмотрено большое количество типов полимеров, и расширенный графит должен иметь длину менее 200 микрон или менее 200000 нанометров, и толщину менее 0,1 микрон или менее 100 нанометров. Хотя форматное соотношение как таковое не рассматривается, исходя из указанных длины и толщины, форматное соотношение может составлять 2000 или более.
-9
Нанокомпозиты представляют собой сравнительно новый класс составов, которые являются полимерами, наполненными частицами, для которых, по меньшей мере, один размер рассеянных частиц находится в нанометровом диапазоне (10 метра). Ввиду размера рассеянных частиц некоторые нанокомпозиты могут проявлять улучшенные механические, тепловые, оптические и электрические свойства по сравнению с чистыми полимерами или традиционными составами. Во многих ссылках раскрыты нанокомпозиты из различных полимерных материалов и графита и рассмотрены одно или несколько свойств, например, степень кристаллизации, электрические и механические свойства, свойства дисперсии, свойства подавления горения/пламени, и т.п. В других ссылках рассмотрены аналогичные свойства составов на основе графенов, включая барьерные свойства. Графен - это листообразная структура, представляющая собой гексагональную решетку атомов углерода. Углеродная нанотрубка содержит графеновый лист, свернутый в виде пустотелой формы. В некоторых ссылках описано применение составов на основе графенов для радиационной и электромагнитной защиты, покрытий, устойчивых к усушке и коррозии. Zheng et al., J. Appl. Polym. Sci., 91:2781 (2004) и ссылки 18-24, перечисленные здесь, описывают использование полимеров на основе графена для барьерных приложений. Насколько известно авторам настоящего изобретения, использование графитовых наночешуек и/или нанопластинок, имеющих форматное соотношение свыше 200, рассеянных в полимерной матрице, или использование в качестве барьерных материалов не описано. Использование графитовых наночешуек и/или нанопластинок в полимерах, когда наночешуйки и/или нанопластинки имеют форматное соотношение свыше 200, для использования в промысловых приложениях не описано.
Многие промысловые элементы и инструменты используют полимерные материалы. Например, электрические погружные насосы используются для искусственного подъема флюида из скважины или резервуара. Эти насосы обычно содержат электрический погружной двигатель, уплотнительную секцию (иногда именуемую в технике защитным приспособлением), которая призвана выравнивать давление между внутренней частью системы и внешней частью системы, а также играет роль резервуара для компенсации внутреннего расширения масла из двигателя; и насос, имеющий одну или несколько ступеней насоса внутри кожуха. Защитное приспособление может быть выполнено из металла, как в сильфоновом устройстве, или эластомера, в каковом случае защитное приспособление иногда называется защитным чехлом. Эластомеры и другие полимеры могут также использоваться в пакерах, элементах блока защиты от выдувания, уплотнительных кольцах, уплотнительных прокладках, электрических изоляторах, герметизирующих элементах для флюидов и во многих других промысловых элементах.
Общим для всех этих вариантов использования полимеров является пребывание в агрессивных средах, например агрессивных химических и механических подземных средах, которые обуславливают неприемлемое сокращение срока службы и прочности полимеров. В области разведки, эксплуатации и тестирования природных ресурсов остается потребность в повышении прочности и долговечности, а также, в некоторых случаях, электрических свойств полимерных компонентов, используемых в условиях эксплуатации нефтяного месторождения, например защитных чехлов, элементов пакера, герметичных уплотнений, клапанов, компонентов блока защиты от выдувания, экранировки и оплетки кабелей и т.п.
Сущность изобретения
Согласно настоящему изобретению описаны устройство, промысловые элементы, содержащие устройство, и способы использования промысловых элементов, которые сглаживают или устраняют проблемы ранее известного устройства, промысловых элементов и способов. Благодаря комбинированию свойств полимеров со свойствами расширенных графитовых наночешуек и/или нанопластинок устройства, отвечающие изобретению, иногда именуемые здесь нанокомпозитами в силу размера наночешуек и/или нанопластинок, могут действовать совместно для улучшения барьерных, механических и/или электрических свойств промысловых элементов, которые содержат одно или несколько устройств, отвечающих изобретению. В частности, расширенные графитовые наночешуйки и/или нанопластинки могут обеспечивать повышенную устойчивость к проникновению пластовых флюидов, будучи включены в полимеры. Эти пластинки могут обеспечивать устойчивость к диффузии и снижать проницаемость полимерных нанокомпозитов в отношении пластовых флюидов (газов и жидкостей). Использование расширенных графитовых материалов, в частности расширенного графита, обеспечивает коммерчески выгодный способ создания недорогих полимерных нанокомпозитов с хорошими барьерными и механическими свойствами. Расширенные графитовые нанонаполнители, по меньшей мере, в 500 раз дешевле углеродных нанотрубок и могут обеспечивать сравнимые улучшения механических свойств лишь за часть стоимости углеродных нанотрубок.
Первый аспект изобретения предусматривает устройство, содержащее полимерную матрицу, сформированную в промысловый элемент, и множество расширенных графитовых наночешуек и/или нанопластинок, рассеянных (случайным или неслучайным образом) в полимерной матрице.
2
Используемый здесь термин "расширенный графитовый" означает состав, имеющий графитовую структуру, в целом известную как структура sp, сформированную из одного или нескольких элементов второй строки Периодической таблицы элементов, например, бора, углерода и азота, слои которой разделены одним или несколькими термическими, химическими и/или физическими методами. Примеры включают в себя расширенный графит, расслоенный графит (который известен в технике просто как разновидность расширенного графита), составы на основе бора и азота, например, нитрид бора (также известный как гексагональный BN или "белый графит"), и т.п. Нитриды бора имеют высокую теплопроводность и являются электрическими изоляторами (диэлектрическая постоянная ~4) в отличие от графита, который является проводником. Нитриды бора также обладают низким тепловым расширением, легко окрашиваются и химически инертны. Расширенный графит является расширенным графитовым согласно изобретению, содержащим углерод в главной пропорции, полученным из графита, замещенного графита или аналогичного состава. Различие в электропроводности расширенного графита и расширенных нитридов бора может обеспечивать способ регулировки электропроводности полимерной матрицы без значительного изменения барьерных свойств.
Термин "наночешуйка" появился в патентной литературе, например патенте США № 6916434, в связи с тем, что авторы настоящего изобретения называют наночешуйчатыми углеродными нанотрубками. Наночешуйчатые углеродные нанотрубки определены здесь как углеродные трубки, состоящие из группы графитовых листов, которые выглядят как выполненные из множества (обычно большой) чешуйкообразных графитовых листов, образующих структуру в виде лоскутного одеяла или папье-маше. Заметим, что наночешуйчатые углеродные трубки представляют собой трубчатые углеродистые материалы, которые совершенно отличаются по структуре от одностенных углеродных нанотрубок, в которых один графитовый лист свернут в виде цилиндра, или от концентрических цилиндрических или вложенных многостенных углеродных нанотрубок, в которых каждый из совокупности графитовых листов свернут в виде цилиндра.
Аналогично, термин "нанопластинка" использовался в патентной литературе, например в патенте США № 6672077, применительно к хранилищу водорода. По меньшей мере, в этом контексте авторы настоящего изобретения отличают "нанопластинки" от треугольной решетки, нановолокна, одностенной нанотрубки, многостенной нанотрубки, наноклетки, нанококона, нановеревки, нанотора, нанокатушки, наностержня, нанопроволоки, и фуллереновых структур. Описаны нанопластинки, например, тонкие нанопластинки, толстые нанопластинки, вставные нанопластинки, имеющие толщину примерно от 0,3 нм до 100 нм и поперечный размер примерно от 5 нм до 500 нм. Даже без ограничения этими размерами, которые приведены здесь лишь в качестве полезного примера, эти формы и размеры могут быть полезны в различных аспектах настоящего изобретения.
В настоящем изобретении выражение "расширенные графитовые наночешуйки и/или нанопластинки" не означают нанотрубки, хотя не обязательно, чтобы расширенные графитовые наночешуйки и/или нанопластинки исключали искривленные контуры; другими словами, некоторые или все расширенные графитовые наночешуйки (или участки каждой наночешуйки) могут иметь трехмерные формы, отличные от плоской. Например, расширенные графитовые наночешуйки, полезные в изобретении, могут иметь форму седла, полуседла, четверти седла, полусферы, четверти сферы, конуса, полуконуса, колокола, полуколокола, рога, четверти рога и т.п., хотя основная часть каждой наночешуйки и большая часть наночешуек, как целого, может быть плоской.
В устройстве согласно изобретению расширенные графитовые наночешуйки и/или нанопластинки могут иметь форматное соотношение свыше 100 и могут превышать 200. Изобретение предусматривает использование расширенных и/или расслоенных графитовых наночешуек и/или нанопластинок с форматным соотношением менее 200, и все же может обеспечивать повышенную устойчивость к проникновению по сравнению с традиционными нанопластинчатыми наполнителями, например глинами, хотя степень повышения может быть меньше.
В устройстве согласно изобретению полимерная матрица может включать в себя расширенные графитовые пластинки с форматным соотношением как менее 200, так и свыше 200, причем расширенные нанопластинки, имеющие форматное соотношение менее 200, служат, по меньшей мере, наполнителем в полимерной матрице для использовании в промысловых приложениях. Размеры наночешуек и/или нанопластинок могут сильно разниться, но в целом могут иметь шестиугольную, круглую, эллиптическую или прямоугольную форму. Форматное соотношение и формы, которые наиболее выгодно использовать, зависят от конечной цели использования. Устройство, отвечающее изобретению, можно использовать в промысловых приложениях для повышения устойчивости к проникновению и повышения устойчивости к диффузии газов и жидкостей в условиях скважины.
Различные наночешуйчатые и нанопластинчатые структуры, применяемые в изобретении, могут принимать неоднородные формы. Неоднородные формы включают в себя структуры, где одна часть структуры имеет один химический состав, а другая часть структуры имеет другой химический состав. Примером может служить наночешуйка, имеющая два или более химических состава или фазы на разных участках наночешуйки. Неоднородные формы могут включать в себя разные формы, соединенные друг с другом, например, когда более чем одна из вышеперечисленных форм соединены в более крупную нерегулярную структуру. Например, "летающий диск", основная часть которого является плоской, а край искривлен по периметру. Кроме того, все наночешуйки и нанопластинки могут иметь трещины, дислокации, ответвления или другие неправильности.
Полимерная матрица содержит один или несколько полимеров, выбранных из природных и синтетических полимеров, в том числе перечисленных в документах Американского общества по испытанию материалов (АОИМ) D1600-92, "Standard Terminology for Abbreviated Terms Relating to Plastics", и D1418 для нитрильных каучуков, смесей природных и синтетических полимеров и многослойных версий полимеров, в которых отдельные слои могут быть одинаковыми или разными по составу и толщине. Термин "матрица" не предполагает исключения какой-либо конкретной формы или морфологии полимерного компонента и используется лишь как термин, удобный при описании устройства, отвечающего изобретению. Термин включает в себя композитные полимерные материалы, например, но без ограничения, полимерные материалы, имеющие наполнители, пластификаторы и волокна, отличные от расширенных графитовых наночешуек и/или нанопластинок. Полимерная матрица может содержать один или несколько термопластичных полимеров, например, полиолефины, полиамиды, полиэфиры, термопластичные полиуретаны и полимочевинные уретаны, сополимеры и их смеси, и т.п.; один или несколько термореактивных полимеров, например фенолальдегидные полимеры, эпоксидные смолы, и т.п., и/или один или несколько эластомеров (включая природные и синтетические каучуки), и их комбинации.
В устройстве согласно изобретению, по меньшей мере, часть расширенных графитовых наночешуек и/или пластинок подвергаются поверхностной модификации для повышения устойчивости к проникновению при рассеянии в полимерной матрице. В порядке конкретного примера, присоединение функциональных групп к графитовым наночешуйкам и/или нанопластинкам может увеличить содержание связей каучука/полимера в конечной полимерной матрице, что может повысить устойчивость к проникновению конечного промыслового элемента. Функциональные группы, которые могут увеличивать содержание полимерных связей, зависят от типа полимера или полимеров, содержащих полимерную матрицу. Например, в полимерах, содержащих нитрильные группы, ввод карбоксильных и/или гидроксильных групп может увеличивать содержание полимерных связей. В устройстве согласно изобретению полимерная матрица может содержать расширенные графитовые наночешуйки и/или нанопластинки, имеющие высокое форматное соотношение и поверхностную модификацию.
Нефтепромысловый элемент согласно изобретению может быть выбран из элементов пакера, защитных чехлов мотора погружного насоса, защитных приспособлений датчиков, элементов блока защиты от выдувания, насосных штанг, уплотнительных колец, Т-образных кольцевых уплотнителей, уплотнительных прокладкок, уплотнителей вала насоса, трубных уплотнителей, уплотнителей клапанов, уплотнителей и изоляторов, используемых в электрических компонентах, например, полупроводящих экранов и/или оплеток проводов и кабелей, которые могут подавлять диффузию газов, например метана, диоксида углерода и сульфида водорода из ствола скважины, через кабель на поверхность, покрытий, уплотнений и распределительных блоков силовых кабелей, например, используемых в оптоволоконных соединениях и других инструментах, и герметизирующих элементов для флюидов (газа, жидкости или их комбинаций). Нефтепромысловый элемент может представлять собой защитное устройство двигателя погружного насоса, которое может составлять или не составлять единое целое с двигателем, и может включать в себя встроенное оборудование, предназначенное для измерения одного или нескольких параметров скважины.
Другой аспект изобретения предусматривает промысловую установку для разведки углеводородов, тестирования на углеводороды или их добычи, содержащую один или несколько промысловых элементов и один или несколько промысловых элементов, содержащих полимерную матрицу, имеющую множество расширенных графитовых наночешуек и/или нанопластинок, рассеянных в ней, согласно описанному в первом аспекте изобретения.
Еще один аспект изобретения предусматривает способ разведки углеводородов, бурения на углеводороды или их добычи, при котором выбирают один или несколько промысловых элементов, имеющих компонент, содержащий полимерную матрицу, имеющую множество расширенных графитовых наночешуек и/или нанопластинок, рассеянных в ней, согласно описанному в первом аспекте изобретения, и используют промысловый элемент при эксплуатации нефтяного месторождения, тем самым помещая его в условия эксплуатации нефтяного месторождения.
Способ согласно изобретению может включать спуск одного или нескольких промысловых элементов в ствол скважины с использованием одного или нескольких наземных промысловых элементов, и/или извлечение его из ствола скважины. Условия эксплуатации нефтяного месторождения при запуске и извлечении могут быть такими же или отличными от условий эксплуатации нефтяного месторождения при использовании в стволе скважины или в устье скважины.
Открытые поверхности полимерной матрицы устройства могут иметь полимерное покрытие, которое может быть конденсированной фазой, сформированной одним или несколькими процессами. Покрытие может быть конформным (т.е. покрытие согласуется с поверхностями полимерной матрицы, которая служит подложкой для покрытия), хотя это может быть не обязательно во всех промысловых приложениях, или для всех промысловых элементов, или на всех поверхностях полимерной матрицы. Покрытие может быть сформировано из испаряемого или осаждаемого и полимеризуемого мономера, а также полимерных материалов с порошковым наполнителем. Полимер покрытия может обладать или не обладать способностью склеивать покрытие с полимерной матрицей, хотя изобретение не исключает адгезионные добавки, дополнительно рассмотренные ниже. Основная часть полимерного покрытия может содержать карбоцепной или гетероцепной полимер. Полезные карбоцепные полимеры можно выбрать из политетрафторэтилена, полихлортрифторэтилена, полициклических ароматических углеводородов, например, полинафталина, полиантрацена и полифенантрена и различных полимерных покрытий, известных под общим названием париленов, например, Parylene N, Parylene C, Parylene D и Parylene Nova HT.
Устройство согласно изобретению, содержащее один или несколько полимеров полимерной матрицы, в которой рассеяны расширенные графитовые наночешуйки и/или нанопластинки, должно подавлять диффузию и проникновение флюидов при использовании в скважине и в других приложениях промысловых служб, где существует одно или несколько из следующих условий: перепад давления, которому подвергается полимерный компонент; высокая температура; высокое давление; наличие молекул с низкой молекулярной массой и таких газов, как метан, диоксид углерода, и сульфид водорода, и т.п. Кроме того, добавление расслоенных графитовых наночешуек и/или нанопластинок с высоким форматным соотношением (>200) либо низким форматным соотношением может одновременно повышать электропроводность и барьерные свойства полимерной матрицы, а следовательно, промысловых элементов. В результате можно создавать промысловые установки, включающие в себя полупроводящие и непроницаемые экраны в проводных и кабельных приложениях, и во всех остальных электрических и электронных компонентах в промысловых приложениях, которые отвечают одному или более из этих требований. Некоторые примеры включают в себя электронные устройства, например датчики, модули из нескольких микросхем и т.п.
Различные аспекты изобретения явствуют из нижеследующих краткого описания чертежей, подробного описания изобретения и формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
В нижеследующем описании и прилагаемых чертежах поясняется, каким образом можно решить задачи изобретения и добиться других нужных характеристик, при этом на чертежах показано следующее:
фиг. 1 изображает вид спереди в вертикальной проекции иллюстративного электрического погружного насоса, расположенного в стволе скважины;
фиг. 2 - схематический вид в поперечном сечении насоса, показанного на фиг. 1, имеющего защитный мешок из композита полимерной матрицы/нанопластинок, согласно изобретению, для отделения пластового флюида от двигательной жидкости, которая находится под положительным давлением в кожухе двигателя;
фиг. 3 - схематический вид сбоку в вертикальной проекции, частично в разрезе, пакера, имеющего элементы пакера из композита полимерной матрицы/нанопластинок согласно изобретению;
фиг. 4A и 4B - схематические виды в разрезе двух ловильных инструментов, меняющих направление вращения, в которых используются компоненты из композита полимерной матрицы/нанопластинок согласно изобретению;
фиг. 5A и 5B - схематические виды сбоку в вертикальной проекции двух установок низа бурильной колонны, в которых могут использоваться компоненты из композита полимерной матрицы/нанопластинок согласно изобретению; и
фиг. 6A и 6B - схематические виды в разрезе клапана управления расходом, который может использоваться для управления расходом добываемой нефти или пластовых флюидов из конкретных зон в скважине или коллекторе, или закачкой флюида в конкретные зоны, причем в клапане используются компоненты из композита полимерной матрицы/нанопластинок согласно изобретению.
Однако следует заметить, что прилагаемые чертежи не выполнены в масштабе и иллюстрируют только типичные варианты осуществления данного изобретения, поэтому не должны рассматриваться в порядке ограничения его объема, поскольку изобретение может предусматривать другие, столь же эффективные варианты осуществления.
Подробное описание
В нижеследующем описании многочисленные детали изложены для обеспечения понимания настоящего изобретения. Однако специалистам в данной области техники очевидно, что настоящее изобретение можно осуществлять на практике без этих деталей, и что возможны многочисленные вариации или модификации описанных вариантов осуществления.
Все используемые здесь выражения, производные, словосочетания и многословные выражения, в частности в нижеследующей формуле изобретения, отчетливо не ограничены существительными и глаголами. Очевидно, что значения не выражаются просто существительными и глаголами или отдельными словами. Языки используют различные средства выражения содержания. Существование идей изобретения и пути их выражения зависят от языковых культур. Например, многие лексиколизованные конструкции в германских языках часто выражаются в виде комбинаций прилагательное-существительное, существительное-предлог-существительное или производными в романских языках. Возможность включать в себя выражения, производные и словосочетания в формуле изобретения существенна для высококачественных патентов, давая возможность сократить выражения до их концептуального содержания, и все возможные концептуальные комбинации слов, которые совместимы с таким содержанием (либо в языке, либо между языками), подлежат включению в используемые фразы.
Изобретение описывает компоненты из композитов полимерная матрица/нанопластинка и/или наночешуйка, полезные в промысловых приложениях, включая действия разведки, бурения, тестирования, заканчивания и добычи. Используемый здесь термин "промысел" включает в себя сухопутные (наземные и подземные) и поддонные приложения, и в некоторых случаях морские приложения, как-то оборудование для разведки, бурения или добычи, развертываемое в морской воде. Используемый здесь термин "промысел" включает в себя нефтяные или газовые коллекторы и пласты или участки пластов, где предполагается наличие нефти или газа, но в действительности могут содержать только воду, морскую воду или какой-либо другой состав. Обычно компоненты из композитов полимерная матрица/нанопластинка используется в скважинных приложениях, например, для выкачивания флюидов из ствола скважины или закачивания их туда, хотя изобретение этим не ограничивается.
Расширенные графитовые наночешуйки и нанопластинки
В резиновой промышленности общеизвестно, что использование наполнителей может приводить к снижению набухания и проницаемости полимерных материалов. В общем случае снижение набухания и проницаемости усиливается по мере увеличения концентрации наполнителя. Проницаемость полимерных материалов может также зависеть от формы и форматного соотношения частиц наполнителя. Пластинчатые наполнители, например, наноглины, предпочтительно, имеют малую толщину (<0,1 микрона) и длину менее 200 микрон и при выравнивании могут создавать затруднение для диффузии молекул флюида, и, таким образом, могут улучшать барьерные свойства конечных материалов по сравнению с барьерными свойствами необработанного полимера того же состава и морфологии. Когда отдельные наночастицы рассеяны таким образом, что частицы делятся на очень тонкие отдельные пластинки или слои с высоким форматным соотношением (> приблизительно 200), этот процесс называется расслаиванием. Расслаивание традиционных наполнителей на основе глины затруднительно и может происходить при примешивании глинистого наполнителя к полимеру.
В случае графитовых наночешуек и/или нанопластинок, полезных в настоящем изобретении, частицы могут быть поверхностно обработаны и расширены/расслоены путем нагрева до или после их смешивания с полимером или полимерами, образующими полимерную матрицу. Использование расширенных графитовых наночешуек и/или нанопластинок облегчает смешивание и расслоение наночешуек и/или нанопластинок в данном полимере по сравнению с наноглинистыми наполнителями. Это обеспечивает коммерчески выгодный способ, предусматривающий смешивание в расплаве или механическое смешивание полимера с расширенными графитовыми нанопластинками без использования растворителей или с очень малым количеством растворителя.
-9
Подходящие графитовые наночешуйки и нанопластинки в надлежащих условиях определены здесь как материалы, состоящие в основном из элементов второй строки, имеющие по меньшей мере один размер в нанометровом диапазоне. Нанометр (нм) - это 10 метра, поэтому нанометровый диапазон охватывает примерно от 1 до 999 нм. Графитовые наночешуйки и нанопластинки, использующиеся в изобретении, могут быть природными, модифицированными или синтетическими, а также иметь комбинированную природу.
Расширенные графитовые наночешуйки и/или пластинки, полезные в изобретении, можно приготовлять путем расширения расширяемых графитовых материалов с коэффициентом расширения примерно от 40:1 до 300:1. Когда коэффициент объемного расширения меньше 40:1, можно не добиться достаточного рассеяния нанопластинок и/или наночешуек, тогда как при расширении свыше 300:1 нужная структура (если существует) графитовых наночешуек и/или нанопластинок может быть разрушена. Размер частицы может колебаться примерно от 44 до 300 микрон до примешивания к полимеру или полимерам, образующим полимерную матрицу. Размер (длина) частицы может изменяться в течение процесса смешивания с полимером/эластомером. Толщина отдельных пластинок в полимерной матрице может составлять примерно от 10 нм до 50 нм.
Материалы для полимерной матрицы
Материалы для полимерной матрицы, полезные в изобретении, можно выбирать из природных и синтетических полимеров, смесей природных и синтетических полимеров и многослойных версий полимеров, в которых отдельные слои могут быть одинаковыми или разными по составу и толщине. Термин "полимерная матрица" включает в себя композитные полимерные материалы, например, но без ограничения, полимерные материалы, имеющие наполнители, пластификаторы и волокна "ненанометровых размеров", где "ненанометровые размеры" означают 1000 нм (1 микрон) или более. Полимерная матрица может содержать один или несколько термопластичных полимеров, один или несколько термореактивных и/или термически отверждаемых полимеров, один или несколько эластомеров, композитные материалы и их комбинации.
Один класс полезных материалов для полимерной матрицы представляет собой эластомеры. Используемый здесь термин "Эластомер" - это общее название веществ, имитирующих природный каучук в том, что они растягиваются при натяжении, имеют высокий предел прочности при растяжении, быстро сжимаются и, по существу, восстанавливают свои исходные размеры. Это понятие включает в себя природные и искусственные эластомеры, и эластомер может быть термопластичным эластомером или нетермопластичным эластомером. Термин включает в себя смеси (физические смеси) эластомеров, а также сополимеры, тройные сополимеры и мультиполимеры. Примеры включают в себя полимер этилен-пропилен-диена (ЭПД), различные нитрильные каучуки, которые являются сополимерами бутадиена и акрилонитрила, например, Buna-N (также известный как стандартный нитрил и NBR). Изменяя содержание акрилонитрила, можно получить эластомеры с улучшенными характеристиками набухания нефтью/топливом или с улучшенными низкотемпературными характеристиками. Особые версии карбоксилированных сополимеров бутадиена с высоким содержанием акрилонитрила (эластомерный сополимер акрилонитрила бутадиена и карбоксисодержащего мономера) обеспечивают повышенную устойчивость к истиранию, и гидрогенизированные версии этих сополимеров (HNBR) обеспечивают эластомеры с повышенной устойчивостью к химикатам и озону. Известен также карбоксилированный HNBR. Другие полезные каучуки включают в себя смеси поливинилхлорид-нитрила и бутадиена (PVC-NBR), хлорированный полиэтилен (CM), хлорированный сульфонат-полиэтилен (CSM), алифатические полиэфиры с хлорированными боковыми цепочками, например гомополимер эпихлоргидрина (CO), сополимер эпихлоргидрина (ECO) и тройной сополимер эпихлоргидрина (GECO), полиакрилатовые каучуки, например сополимер этилен-акрилата, тройные сополимеры этилен-акрилата (AEM), EPR, эластомеры этилена и пропилена, иногда с третьим мономером, например сополимер этилен-пропилена (EPM), сополимеры этиленвинилацетата (EVM), полимеры фтороуглерода (FKM), сополимеры поли(винилиден-фторид)а и гексафторопропилена (VF2/HFP), тройные сополимеры поли(винилиден-фторид)а, гексафторопропилена и тетрафтороэтилена (VF2/HFP/TFE), тройные сополимеры поли(винилиден-фторид)а, поливинилметилового эфира и тетрафторэтилена (VF2/PVME/TFE), тройные сополимеры поли(винилиден-фторид)а, гексафторопропилена и тетрафтороэтилена (VF2/HPF/TFE), тройные сополимеры поли(винилиден-фторид)а, тетрафтороэтилена и пропилена (VF2/TFE/P), перфтороэластомеры, например тетрафторэтиленовые перфтороэластомеры (FFKM), сильно фторированные эластомеры (FEPM), бутадиеновый каучук (BR), полихлорпреновый каучук (CR), полиизопреновый каучук (IR), … (IM), полинорборнены, полисульфидные каучуки (OT и EOT), полиуретаны (AU) и (EU), силиконовые каучуки (MQ), винил-силиконовые каучуки (VMQ), фторометил-силиконовый каучук (FMQ), фторовинил-силиконовые каучуки (FVMQ), фенил-метил-силиконовые каучуки (PMQ), стирол-бутадиеновые каучуки (SBR), сополимеры изобутилена и изопрена, известные как бутиловые каучуки (IIR), бромированные сополимеры изобутилена и изопрена (BIIR) и хлорированные сополимеры изобутилена и изопрена (CIIR).
2
2
2
Подходящими примерами используемых фтороэластомеров являются сополимеры винилиден-фторида и гексафторопропилена и тройные сополимеры винилиден-фторида, гексафторопропилена и тетрафторэтилена. Фтороэластомеры, пригодные для использования в раскрытом изобретении, это эластомеры, которые содержат одну или несколько структурных единиц винилиден-фторида (VF или VdF), одну или несколько структурных единиц гексафторопропилена (HFP), одну или несколько структурных единиц тетрафторэтилена (TFE), одну или несколько структурных единиц хлортрифторэтилена (CTFE), и/или одну или несколько структурных единиц перфторалкил-винилового эфира (PAVE), например, перфторометил-винилового эфира (PMVE), перфторэтилвинилового эфира) (PEVE), и перфторопропил-винилового эфира (PPVE). Эти эластомеры могут быть гомополимерами или сополимерами. В частности, пригодны фтороэластомеры, содержащие структурные единицы винилиден-фторида, структурные единицы гексафторопропилена и, в необязательном порядке, структурные единицы тетрафторэтилена и фтороэластомеры, содержащие структурные единицы винилиден-фторида, структурные единицы перфторалкил-перфторвинилового эфира и структурные единицы тетрафторэтилена, например, фтороэластомер винилиден-фторидного типа, известный под торговой маркой Aflas, доступный от Asahi Glass Co., Ltd. Особо пригодны сополимеры из структурных единиц винилиден-фторида и гексафторопропилена. Если фторополимеры содержат структурные единицы винилиден-фторида, предпочтительно, полимеры содержат до 40 молярных % структурных единиц VF, например, 30-40 молярных %. Если фторополимеры содержат структурные единицы гексафторопропилена, предпочтительно, полимеры содержат до 70 молярных % структурных единиц HFP. Если фторополимеры содержат структурные единицы тетрафторэтилена, предпочтительно, полимеры содержат до 10 молярных % структурных единиц TFE. Когда фторополимеры содержат хлортрифторэтилен, предпочтительно, полимеры содержат до 10 молярных % структурных единиц CTFE. Когда фторополимеры содержат структурные единицы перфторометил-винилового эфира, предпочтительно, полимеры содержат до 5 молярных % структурных единиц PMVE. Когда фторополимеры содержат структурные единицы перфтороэтил-винилового эфира, предпочтительно, полимеры содержат до 5 молярных % структурных единиц PEVE. Когда фторополимеры содержат структурные единицы перфторопропил-винилового эфира, предпочтительно, полимеры содержат до 5 молярных % структурных единиц PPVE. Фторополимеры, предпочтительно, содержат 66%-70% фтора. Один пригодный имеющийся в продаже фтороэластомер известен под торговой маркой Technoflon FOR HS, продаваемый компанией Ausimont, США. Этот материал содержит Bisphenol AF, производимый компанией Halocarbon Products Corp. Другой имеющийся в продаже фтороэластомер известен под торговой маркой Viton AL 200 от DuPont Dow, который является тройным сополимером мономеров VF, HFP и TFE, содержащим 67% фтора. Еще один пригодный имеющийся в продаже фтороэластомер это Viton AL 300 от DuPont Dow. Также можно использовать смесь тройных сополимеров, известных под торговыми марками Viton AL 300 и Viton AL 600, (например, одну треть AL-600 и две трети AL-300). Другие полезные эластомеры включают в себя продукты, известные под торговыми марками 7182B и 7182D от Seals Eastern, Red Bank, Нью-Джерси; продукт, известный под торговой маркой FL80-4, доступный от Oil States Industries, Inc., Арлингтон, Техас; и продукт, известный под торговой маркой DMS005, доступный от Duromould, Ltd., Лондондерри, Северная Ирландия.
Термопластичные эластомеры обычно являются продуктами реакции полифункционального мономера с низкой эквивалентной молекулярной массой и полифункционального мономера с высокой эквивалентной молекулярной массой, причем полифункциональный мономер с низкой эквивалентной массой способен, после полимеризации, формировать жесткий сегмент (и, совместно с другими жесткими сегментами, области или домены жесткого кристалла), и полифункциональный мономер с высокой эквивалентной массой способен после полимеризации создавать мягкие, гибкие цепочки, соединяющие жесткие области или домены.
"Термопластичные эластомеры" отличаются от "термопластов" и "эластомеров" в том, что термопластичные эластомеры, после нагрева свыше температуры плавления жестких областей, образуют однородный расплав, который можно обрабатывать термопластическими методами (в отличие от эластомеров), например, литьевого формования, экструзии, пневмоформования и т.п. Последующее охлаждение снова приводит к сегрегации жестких и мягких областей с образованием материала, имеющего эластомерные свойства, однако, чего не происходит с термопластами. Имеющиеся в продаже термопластичные эластомеры включают в себя сегментированные полиэфирные термопластичные эластомеры, сегментированные полиуретановые термопластичные эластомеры, сегментированные полиамидные термопластичные эластомеры, смеси термопластичных эластомеров и термопластичных полимеров и иономерных термопластичных эластомеров.
Используемый здесь термин "сегментированный термопластичный эластомер" означает подкласс термопластичных эластомеров, который основан на полимерах, которые являются продуктами реакции полифункционального мономера с высокой эквивалентной массой и полифункционального мономера с низкой эквивалентной массой.
"Иономерные термопластичные эластомеры" - это подкласс термопластичных эластомеров, основанный на ионных полимерах (иономерах). Иономерные термопластичные эластомеры состоят из двух или более гибких полимерных цепочек, связанных друг с другом в совокупности позиций ионными связями или кластерами. Иономеры обычно подготавливаются путем сополимеризации функционализованного мономера с олефиновым ненасыщенным мономером, или прямой функционализации полимера с преформами. Карбоксильно-функционализированные иономеры получаются путем прямой сополимеризациии акриловой или метакриловой кислоты с этиленом, стиролом и аналогичными сомономерами посредством свободнорадикальной сополимеризации. Полученный сополимер обычно доступен как свободная кислота, которую можно нейтрализовать до нужной степени гидроокислами металлов, ацетатами металлов и аналогичными солями.
Другим полезным классом материалов для полимерной матрицы являются термопластичные материалы. Термопластичный материал определен как полимерный материал (предпочтительно, органический полимерный материал), который размягчается и плавится под действием повышенных температур и обычно возвращается в свое исходное состояние, т.е. свое первоначальное физическое состояние, при охлаждении до температуры окружающей среды. В процессе изготовления промыслового элемента термопластичный материал могут нагревать свыше его температуры размягчения и, предпочтительно, свыше его температуры плавления, чтобы заставить его течь и придать нужную форму промыслового элемента. После придания нужной формы термопластичная подложка охлаждается и отвердевает. Таким образом, термопластичные материалы (в том числе термопластичные эластомеры) можно формовать, придавая ему различные формы и размеры.
Формуемые термопластичные материалы, которые можно использовать, - это те, которые имеют высокую температуру плавления, хорошие свойства жаростойкости и хорошие свойства ударной вязкости, что позволяет промысловому элементу или установкам, содержащим эти материалы, выдерживать условия эксплуатации нефтяного месторождения без существенной деформации или разрушения.
Термопластичные полимеры, полезные в качестве материалов для полимерной матрицы, - это те, которые способны выдерживать ожидаемые температуры, перемены температуры и перепады температуры (например, перепад температуры от одной поверхности уплотнительной прокладки к другому поверхностному материалу к другой поверхности) в ходе использования, а также ожидаемые давления, перемены давления и перепады давления в ходе использования, с достаточным запасом по температуре и давлению, в соответствии с каждым приложением.
2
2
Примеры термопластичных материалов, пригодных в качестве материалов для полимерной матрицы в промысловых элементах согласно настоящему изобретению, включают в себя полиолефины, полиамиды, полиэфиры, термопластичные полиуретаны и полимочевинные уретаны, PP, PE, сополимер PP-PE, PVC и другие полиолефины, полиамиды, полиэфирэфиркетоны (PEEK), полиарилэфиркетоны (PAEK), полиэфиримиды (PEI), сополимеры тетрафторэтилена и перфторовинилэфира (PFA), перфтороалкоксисополимеры (MFA), поликарбонаты, полиэфиримиды, полиэфиры, полисульфоны, полистиролы, блок-сополимеры акрилонитрил-бутадиен-стирола, ацетальные полимеры, полиамиды, сополимеры, смеси и другие их комбинации и т.п. Полиамиды и полиэфиры могут обеспечивать более высокие характеристики. Полиамидные материалы полезны, по меньшей мере, потому, что они по природе своей обладают ударо- и жаропрочностью, обычно обеспечивают хорошее прилипание к покрытиям без инициирования и сравнительно недороги. Полиамидные материалы могут отличаться наличием амидной группы, т.е. -C(O)NH-. Можно использовать различные типы полиамидных материалов, т.е. нейлоны, например, нейлон 6/6 или нейлон 6. Из них нейлон 6 можно использовать в случае использования фенопластового покрытия благодаря хорошему слипанию между нейлоном 6 и фенопластовыми покрытиями. Нейлон 6/6 - это продукт конденсации адипиновой кислоты и гексаметилендиамина. Нейлон 6/6 имеет точку плавления около 264°C и предел прочности при растяжении около 770 кг/см. Нейлон 6 является полимером ε-капролактама. Нейлон 6 имеет точку плавления около 223°C и предел прочности при растяжении около 700 кг/см. Примеры имеющихся в продаже нейлоновых смол, используемых в качестве подложек в промысловых элементах согласно настоящему изобретению, включают в себя известные под торговыми марками "Vydyne" от Solutia, Сент-Луис, Миссури; "Zytel" и "Minlon" оба от DuPont, Вилмингтон, Делавэр; "Trogamid T" от Degussa Corporation, Парсиппани, Нью-Джерси; "Capron" от BASF, Флорхам-Парк, Нью-Джерси; "Nydur" от Mobay, Inc., Питсбург, Пенсильвания; и "Ultramid" от BASF Corp., Парсиппани, Нью-Джерси. Можно использовать термопластичные материалы с минеральными наполнителями, например, нейлон 6 с минеральным наполнителем "Minlon" от DuPont.
Подходящие термореактивные (термоотверждаемые) полимеры для использования в качестве полимерных матриц в настоящем изобретении включают в себя фенолоальдегидные полимеры, эпоксидные смолы, фенокси, фенопласт, эфир, полиуретан, полимочевину и т.п. и включают в себя раскрытые в связи с полимерными покрытиями, рассмотренные ниже, хотя растворы предшественника не обязаны быть наносимыми и поэтому могут опускать некоторые ингредиенты, например, разжижители. Термореактивные формовочные композиты, известные в технике, обычно представляют собой термореактивные смолы, содержащие неорганические наполнители и/или волокна. После нагрева термореактивные мономеры первоначально проявляют достаточно низкие вязкости, чтобы обеспечивать обработку плавлением и формовку изделия из состава мономера с наполнителем. После дополнительного нагрева термореактивные мономеры реагируют и отверждаются для формирования твердых смол с высокой жесткостью. Подложки из термореактивного полимера, полезные в изобретении, можно изготавливать любым способом, известным в технике. Эти способы включают в себя, но без ограничения, реакционное литьевое формование, литьевое формование смолы и другие процессы, в которых армирующие слои (преформы) сухого волокна загружаются в полость литейной формы, поверхности которой задают окончательную конфигурацию изготавливаемого изделия, после чего текучая смола закачивается или откачивается под давлением в полость литейной формы (литейную камеру) для создания изделия или для насыщения/увлажнения волоконных армирующих преформ, если они обеспечены. После отверждения осмоленных преформ в литейной камере законченное изделие удаляется из формы. В качестве одного неограничительного примера полезного состава термореактивного предшественника полимера, в патенте США № 6878782 раскрыт отверждаемый состав, включающий в себя функционализированный полиариленовый эфир, алкенил-ароматический мономер, мономер акрилоила, и полимерную добавку, имеющую температуру стеклования, меньшую или равную 100°C, и модуль Юнга, меньший или равный 1000 мегапаскаль при 25°C. Полимерная добавка растворима в смеси функционализированный полиариленового эфира, алкенил-ароматического мономера и мономера акрилоила при температуре, меньшей или равной 50°C. Состав проявляет низкую усушку при отверждении и повышенную чистоту поверхности. Он полезен, например, при изготовлении насосных штанг.
В данном изобретении используются промоторы слипания, аппреты и другие необязательные ингредиенты, рассмотренные ниже.
Полимерная матрица может содержать другие ингредиенты, помимо расширенных графитовых наночешуек и/или нанопластинок, например, наполнители, аппреты, взвешивающие агенты, пигменты и т.п.
Согласно вариантам осуществления, где требуется улучшенное сцепление между полимерной матрицей и любым ее защитным покрытием, можно использовать методы механического и/или химического промотирования (инициирования) слипания. Например, если полимерная матрица является термопластичным поликарбонатом, полиэфиримидом, полиэфиром, полисульфоном или полистиролом, может быть выгодно использовать инициатор для усиления слипания между матрицей и покрытием. Используемый в этом контексте термин "инициатор" подразумевает инициаторы или инициирующие процессы механического и химического типа. Примеры механических инициирующих процессов включают в себя, но без ограничения, коронную обработку и задирание, оба из которых увеличивают площадь поверхности полимерной матрицы. Примером предпочтительного химического инициатора является коллоидальная дисперсия, например, полиуретана, ацетона, изопропанола, воды и коллоидного оксида кремния, согласно патенту США № 4906523, который включен сюда посредством ссылки.
Помимо полимерного материала, полимерная матрица может включать в себя эффективное количество волокнистого армирующего материала. Здесь под "эффективным количеством" волокнистого армирующего материала подразумевается достаточное количество обеспечения, по меньшей мере, улучшения физических характеристик промыслового элемента, т.е. термостойкости, ударной вязкости, гибкости, жесткости, формируемости, прилипания и т.д., но не такое количество волокнистого армирующего материала, которое приводит к образованию сколько-нибудь значительного количества пустот и оказывает неблагоприятное влияние на структурную целостность промыслового элемента. Количество волокнистого армирующего материала в полимерной матрице может представлять собой любое количество, которое не приводит к существенному ухудшению нужных барьерных свойств, достигнутых благодаря графитовым наночешуйкам и/или нанопластинкам, и может быть в пределах примерно 1-40 весовых частей или в пределах примерно 5-35 весовых частей, или в пределах примерно 15-30 весовых частей на каждые 100 весовых частей полимера.
Волокнистый армирующий материал может иметь вид отдельных волокон или волокнистых прядей, или иметь вид каркаса или сетки из волокон. Каркас или сетка могут иметь вид тканой или нетканой матрицы. Примеры полезных армирующих волокон в приложениях настоящего изобретения включают в себя металлические волокна или неметаллические волокна. Неметаллические волокна включают в себя стекловолокно, углеродное волокно, минеральное волокно, синтетическое или природное волокно, сформированное из термостойких органических материалов, или волокно, выполненное из керамических материалов.
Под "термостойким" органическим волокном подразумевается, что используемые органические волокна должны быть устойчивы к плавлению или иному разрушению в условиях изготовления и использования промысловых элементов настоящего изобретения. Примеры полезных природных органических волокон включают в себя шерсть, шелк, хлопок или целлюлоза. Примерами полезных синтетических органических волокон являются волокна на основе поливинилового спирта, полиэфирные волокна, вискозные волокна, полиамидные волокна, акриловые волокна, арамидные волокна или фенопластовые волокна. В общем случае, любое керамическое волокно полезно в приложениях настоящего изобретения. Примером керамического волокна, пригодного для настоящего изобретения, является "Nextel", коммерчески доступный от 3M Co., Сент-Поль, Миннесота. Стекловолокно можно использовать, по меньшей мере, потому, что оно придает нужные характеристики промысловым элементам и сравнительно недорого. Кроме того, существуют подходящие агенты межповерхностного связывания, усиливающие прилипание стекловолокна к термопластичным материалам. Классы стекловолокна обычно обозначаются буквами. Например, стекло "E" (для электроники) и стекло "S" (для прочности). Буквенные коды также обозначают диапазоны диаметра, например, размер "D" представляет нить диаметром около 6 микрон, а размер "G" представляет нить диаметром около 10 микрон. Полезные разновидности стекловолокна включают в себя стекло E и стекло S с обозначениями нити с D по U. Предпочтительные разновидности стекловолокна включают в себя стекло E с обозначением нити "G" и стекло S с обозначением нити "G" Имеющееся в продаже стекловолокно доступно от Specialty Glass Inc., Олдсмар, Флорида; Johns Manville, Литтлтон, Колорадо; и Mo-Sci Corporation, Ролла, Миссури. В случае использования стекловолокна, к стекловолокну можно добавлять агент межповерхностного связывания, т.е. аппрет, например, кремнийорганический аппрет, для улучшения прилипания к термопластичному материалу. Примеры кремнийорганических аппретов включают в себя "Z-6020" и "Z-6040," доступные от Dow Corning Corp., Мидланд, Мичиган.
Полимерные нанокомпозиты настоящего изобретения могут дополнительно включать в себя эффективное количество упрочняющего агента. Это было предпочтительно для некоторых приложений. Основной задачей упрочняющего агента является повышение ударопрочности промысловых элементов. Под "эффективным количеством упрочняющего агента" подразумевается, что упрочняющий агент присутствует в количестве, обеспечивающем, по меньшей мере, повышение ударной вязкости полимерной матрицы, при которой она не становится слишком гибкой. Полимерные матрицы настоящего изобретения, предпочтительно, включают в себя достаточно упрочняющего агента для достижения вышеперечисленных желательных значений при испытании на удар. Полимерная матрица промыслового элемента настоящего изобретения может содержать примерно от 1 весовой части до 30 весовых частей упрочняющего агента на 100 весовых частей полимерной матрицы. Например, чем хуже эластомерные характеристики упрочняющего агента, тем большее количество упрочняющего агента может потребоваться для придания нужных свойств промысловым элементам настоящего изобретения. Упрочняющие агенты обеспечивают нужные характеристики жесткости для промысловых элементов настоящего изобретения, включают в себя полимеры типа каучука и пластификаторы. Их можно подразделить на каучуковые упрочняющие агенты и синтетические эластомеры. Примерами предпочтительных упрочняющих агентов, т.е. каучуковых упрочнителей и пластификаторов, являются: производные толуолсульфонамида (например, смесь N-бутил- и N-этил-p-толуолсульфонамида, коммерчески доступные от Akzo Chemicals, Чикаго, Иллинойс, под торговой маркой "Ketjenflex 8"); сополимеры стирола и бутадиена; полиамиды основной цепи полиэфира (коммерчески доступные от Atochem, Глен Рок, Нью-Джерси, под торговой маркой "Pebax"); сополимеры каучук-полиамида (коммерчески доступные от DuPont, Вилмингтон, Делавэр, под торговой маркой "Zytel FN"); и функционализированные тройные блок-сополимеры стирол-этилен- бутилен-стирол (коммерчески доступные от Shell Chemical Co., Хьюстон, Техас, под торговой маркой "Kraton FG1901"); и смеси этих материалов. Из этой группы сополимеры каучук-полиамида и тройные блок-сополимеры стирол-этилен-бутилен-стирол можно использовать, по меньшей мере, ввиду полезных характеристик, которые они могут обеспечить. Коммерческие составы упрочнителя и термопластичного материала доступны, например, под торговой маркой "Ultramid" от BASF Corp., Парсиппани, Нью-Джерси. В частности, "Ultramid B3ZG6" представляет собой нейлоновую смолу, содержащую упрочняющий агент и стекловолокно, которая полезна в настоящем изобретении.
Другие подобные материалы, которые можно добавлять в полимерную матрицу для определенных приложений настоящего изобретения, включают в себя неорганические или органические наполнители. Неорганические наполнители также называются минеральными наполнителями. Наполнитель определяется как порошковый материал, обычно имеющий размер частицы менее примерно 100 микрон, предпочтительно менее примерно 50 микрон, но более примерно 1 микрона. Примеры полезных наполнителей для приложений настоящего изобретения включают в себя сажу, карбонат кальция, кварц, метасиликат кальция, криолит, фенопластовые наполнители или наполнители на основе поливинилового спирта. При использовании наполнителя можно предположить, что наполнитель может проникать между наночешуйками и/или нанопластинками, или между армирующими волокнами, если они используются, и может предотвращать распространение трещин по подложке. Обычно наполнитель не используется в количестве свыше около 20% от веса полимерной матрицы.
Другие полезные материалы или компоненты, которые можно добавлять в полимерную матрицу для некоторых приложений настоящего изобретения, включают в себя, но без ограничения, масла, антистатические агенты, огнезащитные составы, термостабилизаторы, ультрафиолетовые стабилизаторы, внутренние лубриканты, противоокислители и технологические добавки. Обычно не следует использовать больше таких компонентов, чем необходимо для желаемых результатов.
Полимерная матрица, если наполнена наполнителями, также может содержать аппреты. Когда органическая полимерная матрица имеет неорганический наполнитель, может потребоваться аппрет. Аппреты могут действовать посредством двух разных реакционных функциональных групп: органофункциональной части и неорганической функциональной части. Когда смесь смола/наполнитель модифицирована аппретом, органофункциональная группа аппрета связывается или иначе притягивается к или соединяется с неотвержденной смолой. Неорганическая функциональная часть создает аналогичную связь с рассеянным неорганическим наполнителем. Таким образом, аппрет действует как мост между органической смолой и неорганическим наполнителем на границе раздела смола/наполнитель. В различных системах это приводит к следующим факторам:
пониженная вязкость дисперсионной системы смола/наполнитель, такая дисперсионная система, в процессе приготовления покрытой подложки, обычно облегчает наложение;
повышенная взвешиваемость наполнителя в смоле, т.е. снижение вероятности того, что взвешенный или рассеянный наполнитель выпадет в осадок из взвеси смола/наполнитель во время хранения или обработки для изготовления промысловых элементов;
повышенная эксплуатационная характеристика продукта вследствие удлинения срока службы, например, благодаря повышенной водостойкости или в целом наблюдаемого повышения прочности и целостности связывающей системы.
Здесь термин "аппрет" включает в себя смеси аппретов. Примером аппрета, который может оказаться пригодным для этого изобретения, является гамма-метакрилоксипропилтриметокси силан, известный под торговой маркой "Silquest A-174" от GE Silicones, Вилтон, Коннектикут. Другими подходящими аппретами являются циркоалюминаты и титанаты.
Слово "покрытие", используемое здесь как существительное, означает конденсированную фазу, сформированную одним или несколькими процессами. Покрытие может быть конформным (т.е. покрытие согласуется с поверхностями полимерной матрицы), хотя это не является необходимым во всех промысловых приложениях или всех промысловых элементах, или на всех поверхностях полимерной матрицы. Конформные покрытия на основе уретановой, акриловой, силиконовой и эпоксидной химии известны в основном в электронной и компьютерной промышленности (например, для печатных плат). Другое полезное конформное покрытие включает в себя сформированное выпариванием или сублимацией с последующими пиролизацией и конденсацией мономеров или димеров, и полимеризацией для формирования непрерывной полимерной пленки, например, класс полимерных покрытий на основе поли(p-ксилилена), общеизвестного как Parylene. Например, покрытия из Parylene N можно формировать выпариванием или сублимацией димера, с последующими пиролизацией и конденсацией двухвалентных радикалов для формирования полимера парилена, хотя выпаривание не всегда обязательно.
Другой класс полезных полимерных покрытий представляет собой термоотверждаемые покрытия, полученные на основе наносимых, термоотверждаемых растворов покровного предшественника, например, описанных в патенте США № 5178646, включенном сюда посредством ссылки. Наносимые, термоотверждаемые растворы покровного предшественника могут содержать раствор с 30-95% сухого остатка или раствор с 60-80% сухого остатка термоотверждаемой смолы, имеющий совокупность висячих метилоловых групп, баланс раствора, содержащий воду и реактивный разбавитель. Используемый здесь термин "наносимый" означает, что растворы, отвечающие изобретению, можно наносить или распылять на полимерные подложки с использованием покрывающих устройств, которые традиционны в технике покрытия распылением, например, покрывающих устройств с ракельным ножом, роликовых покрывающих устройств, покрывающих устройств с воздушным шабером, электрораспылительных покрывающих устройств, ультразвуковых покрывающих устройств, газораспылительных покрывающих устройств, и т.п. Термин "процент сухого остатка" означает весовой процент органического вещества, который останется после применения условий отверждения. Растворы с процентом сухого остатка ниже около 30% непрактичны для использования вследствие испускания VOC, тогда как растворы смолы с процентом сухого остатка выше 95% трудно сделать наносимыми, даже путем нагрева.
Термин "разбавитель" используется в том смысле, что реактивный разбавитель разбавляет концентрацию термоотверждаемой смолы в растворе, и не означает обязательное снижение вязкости растворов. Термоотверждаемая смола может быть продуктом реакции неальдегида и альдегида, причем неальдегид выбирают из мочевин и фенопластов. Реактивный разбавитель имеет, по меньшей мере, одну функциональную группу, которая независимо реагирует с висячими метилольными группами и с альдегидом.
В необязательном порядке полезные наносимые растворы предшественника термоотверждаемого полимерного покрытия могут включать в себя примерно до 50 весовых процентов (от суммарного веса термоотверждаемой смолы) этиленически ненасыщенных мономеров. Эти мономеры, например, три- и тетра-этиленгликольдиакрилат, отверждаются излучением и могут сокращать совокупное время отверждения термоотверждаемых смол за счет обеспечения механизма загущения до отверждения термоотверждаемой смолы.
Два других класса полезных покрытий представляют собой смолы, отверждаемые конденсацией и полимеризуемые добавкой, причем смолы, полимеризуемые добавкой, получаются из предшественника полимера, который полимеризуется под действием нетеплового источника энергии, который способствует инициированию процесса полимеризации или отверждения. Примеры нетепловых источников энергии включают в себя электронный пучок, ультрафиолетовый свет, видимый свет и другое нетепловое излучение. В ходе этого процесса полимеризации смола полимеризуется, и предшественник полимера превращается в затвердевшее полимерное покрытие. После затвердевания предшественника полимера формируется покрытие. Полимер в покрытии также обычно отвечает за прилипание покрытия к полимерной подложке, однако, изобретение этим не ограничивается. Смолы, полимеризуемые добавкой, легко отверждаются под действием энергии излучения. Смолы, полимеризуемые добавкой, могут полимеризоваться посредством катионного механизма или механизма свободных радикалов. В зависимости от используемого источника энергии и химического состава предшественника полимера можно использовать отверждающий агент, инициатор или катализатор, способствующий инициированию полимеризации.
Примеры полезных органических смол для формирования этих классов полимерного покрытия включают в себя вышеупомянутые метилол-содержащие полимеры, например, фенолальдегидные полимеры, моче-формальдегидные полимеры и меламин-формальдегидные полимеры; акрилированные уретаны; акрилированные эпоксидные смолы; этиленически ненасыщенные соединения; производные аминопласта, имеющие висячие ненасыщенные карбонильные группы; производные изоцианурата, имеющие, по меньшей мере, одну висячую акрилатную группу; производные изоцианата, имеющие, по меньшей мере, одну висячую акрилатную группу; виниловые эфиры; эпоксидные смолы; и смеси и их комбинации. Термин "акрилат" охватывает акрилаты и метакрилаты.
Фенолальдегидные полимеры широко используются в промышленности благодаря своим тепловым свойствам, доступности и стоимости. Оба типа фенолальдегидных полимеров, резол и новолак, полезны в изобретении. Примеры имеющихся в продаже фенолальдегидных полимеров включают в себя известные под торговыми марками "Durez" и "Varcum" от Durez Corporation, дочерней компании Sumitomo Bakelite Co., Ltd.; "Resinox" от Monsanto; "Aerofene" от Ashland Chemical Co. и "Aerotap" от Ashland Chemical Co.
Акрилированные уретаны - это диакрилатные сложные эфиры сложных или простых полиэфиров, расширенных изоцианатом, с концевыми гидроксильными группами (NCO). Примеры имеющихся в продаже акрилированных уретанов включают в себя известные под торговыми марками "UVITHANE 782", доступный от Morton Thiokol Chemical и "CMD 6600", "CMD 8400" и "CMD 8805", доступные от Radcure Specialties.
Акрилированные эпоксидные смолы представляют собой диакрилатные сложные эфиры эпоксидных смол, например, диакрилатные сложные эфиры эпоксидной смолы Bisphenol A. Примеры имеющихся в продаже акрилированных эпоксидных смол включают в себя известные под торговыми марками "CMD 3500", "CMD 3600" и "CMD 3700", доступные от Radcure Specialties.
Этиленически ненасыщенные полимеры включают в себя мономерные и полимерные соединения, которые содержат атомы углерода, водорода и кислорода, и, в необязательном порядке, азота и галогенов. Атомы кислорода и азота или и те, и другие обычно присутствуют в группах простого эфира, сложного эфира, уретана, амида и мочевины. Этиленически ненасыщенные соединения могут иметь молекулярную массу менее примерно 4000 и могут быть сложными эфирами, полученными реакцией соединений, содержащих алифатические моногидроксильные группы или алифатические полигидроксильные группы и ненасыщенные карбоновые кислоты, например, акриловую кислоту, метакриловую кислоту, итаконовую кислоту, кротоновую кислоту, изокротоновую кислоту, яблочную кислоту и т.п. Репрезентативные примеры полиакрилатов включают в себя метил-метакрилат, этил-метакрилат-стирол, дивинилбензол, винилтолуол, этиленгликоль-диакрилат, этленгликоль-метакрилат, гександиол-диакрилат, триэтиленгликоль-диакрилат, триметилолпропан-триакрилат, глицерол-триакрилат, пентаэритритол-триакрилат, пентаэритритол-метакрилат, пентаэритритол-тетраакрилат и пентаэритритол-тетраакрилат. Другие этиленически ненасыщенные полимеры включают в себя моноаллильные, полиаллильные и полиметаллильные эфиры и амиды карбоновых кислот, например, диаллилфталат, диаллиладипат и N,N-диаллиладипамид. Другие азотосодержащие соединения включают в себя трис(2-акрилоилоксиэтил)изоцианурат, 1,3,5-три-2-метиакрилоксиэтил-триазин, акриламид, метилакриламид, N- метилакриламид, N,N-диметилакриламид, N-винилпирролидон и N-винилпиперидон.
Аминопласты имеют, по меньшей мере, одну висячую α,β-ненасыщенную карбонильную группу на молекулу или олигомер. Эти ненасыщенные карбонильные группы могут представлять собой группы акрилатного, метакрилатного или акриламидного типа. Примеры таких материалов включают в себя N-гидроксиметил акриламид, N,N'-оксидиметиленбисакриламид, орто- и пара-акриламидометилированный фенол, акриламидометилированный фенольный новолак и их комбинации. Эти вещества дополнительно описаны в патентах США №№ 4903440 и 5236472, которые оба включены сюда посредством ссылки.
Производные изоцианурата, имеющие, по меньшей мере, одну висячую акрилатную группу, и производные изоцианата, имеющие, по меньшей мере, одну висячую акрилатную группу, дополнительно описаны в патенте США № 4652274, включенном сюда посредством ссылки. Вещество на основе изоцианурата может представлять собой триакрилат трисгидроксиэтилизоцианурата.
Эпоксидные смолы имеют оксиран и полимеризуются посредством размыкания колец. Такие эпоксидные смолы включают в себя мономерные эпоксидные смолы и олигомерные эпоксидные смолы. Примеры некоторых полезных эпоксидных смол включают в себя 2,2-бис[4-(2,3-эпоксипропокси)-фенил пропан] (диглицидильный эфир Бисфенола) и имеющиеся в продаже материалы под торговыми марками "Epon 828", "Epon 1004" и "Epon 1001F", доступные от Shell Chemical Co., Хьюстон, Техас, "DER-331", "DER-332" и "DER-334", доступные от Dow Chemical Co., Фрипорт, Техас. Другие подходящие эпоксидные смолы включают в себя глицидильные эфиры фенолформальдегидного новолака (например, "DEN-431" и "DEN-428", доступные от Dow Chemical Co.).
Эпоксидные смолы, полезные в изобретении, можно полимеризовать посредством катионного механизма с добавлением соответствующего катионного отверждающего агента. Катионные отверждающие агенты порождают кислый источник для инициирования полимеризации эпоксидной смолы. Эти катионные отверждающие агенты могут включать в себя соль, имеющую ониевый катион и галогеносодержащий комплексный анион металла или металлоида. Другие катионные отверждающие агенты включают в себя соль, имеющую металлоорганический комплексный катион и галогеносодержащий комплексный анион металла или металлоида, которые дополнительно описаны в патенте США № 4751138, включенном сюда посредством ссылки (со столбца 6, строки 65 по столбец 9, строку 45). Другим примером является металлоорганическая соль и ониевая соль, и описан в патенте США № 4985340 (со столбца 4, строки 65 по столбец 14, строку 50); и европейских патентных заявках №№ 306161 и 306162, обе из которых опубликованы 8 марта 1989 г., все включены посредством ссылки. Другие катионные отверждающие агенты включают в себя ионную соль металлоорганического комплекса, в которой металл выбран из элементов группы периодической системы IVB, VB, VIB, VIIB и VIIIB, которая описана в европейской патентной заявке № 109581, опубликованной 21.11.1983 г., включенной посредством ссылки.
Что касается смол, отверждаемых свободными радикалами, в некоторых вариантах осуществления, раствор предшественника полимера может дополнительно содержать свободно-радикальный отверждающий агент. Однако в случае электронно-лучевого источника энергии отверждающий агент не всегда необходим, поскольку электронный пучок сам порождает свободные радикалы. Примеры свободно-радикальных термических инициаторов включают в себя пероксиды, например пероксид бензоила, азо-соединения, бензофенолы и хиноны. Для ультрафиолетового или видимого источника энергии, этот отверждающий агент иногда называется фотоинициатором. Примеры инициаторов, которые под действием ультрафиолетового излучения генерирует источник свободных радикалов, включают в себя, но без ограничения, выбранные из органических пероксидов, азо-соединений, хинонов, бензофенолов, нитрозо-соединений, галидов акрила, гидрозонов, меркапто-соединений, соединений пирилия, триакрилимидазолов, бисимидазолов, хлороалкитриазинов, бензоиновых эфиров, бензил-кеталов, тиоксантонов и производных ацетофенона и их смеси. Примеры инициаторов, которые под действием видимого света генерируют источник свободных радикалов, описаны в патенте США № 4735632, включенном сюда посредством ссылки. Инициатор для использования с видимым светом может представлять собой известный под торговой маркой "Irgacure 369", коммерчески доступный от Ciba Specialty Chemicals, Тарритаун, Нью-Йорк.
Другими необязательными добавками к матрице являются следующие.
Помимо вышеописанных материалов полимерные матрицы, полезные в изобретении, могут включать в себя эффективные количества других материалов или компонентов в зависимости от нужных конечных свойств. Например, полимерная матрица может включать в себя стабилизатор формы, т.е. термопластичный полимер, точка плавления которого выше, чем описано выше для термопластичного материала. Пригодные стабилизаторы формы включают в себя, но без ограничения, поли(фенилен-сульфид), полиимиды и полиарамиды. Примером предпочтительного стабилизатора формы является смесь оксида полифенилена и нейлона, коммерчески доступная от GE Plastics, Питтсфилд, Массачусетс, под торговой маркой "Noryl GTX 910". Однако в случае применения фенольного покрытия смесь оксида полифенилена и нейлона может не быть предпочтительной ввиду возможного неоднородного взаимодействия между фенолальдегидным полимерным покрытием и нейлоном, приводящему к обращению эффекта стабилизации формы. Это неоднородное взаимодействие обусловлено трудностью при получении однородных смесей оксида полифенилена и нейлона.
Далее приведено описание промысловых элементов, установки и стволов скважины.
Используемый здесь термин "промысловая установка" означает полный набор или комплект промысловых элементов, которые можно использовать в практической деятельности. Все промысловые элементы в промысловой установке могут быть или не быть взаимосвязаны, и некоторые могут быть взаимозаменяемыми.
"Промысловый элемент" включает в себя, но без ограничения, один или несколько элементов или установок, выбранных из насосно-компрессорной колонны, блоков защиты от выдувания, насосных штанг, уплотнительных колец, Т-образных кольцевых уплотнителей, сочлененной трубы, электрических погружных насосов, пакеров, централизаторов, подвесных устройств, пробок, устройств для задержки пробки, запорных клапанов, универсальных клапанов, наводящих клапанов, дифференциальных клапанов, циркуляционных клапанов, уравнительных клапанов, предохранительных клапанов, клапанов управления расходом флюида, соединителей, разъединительных инструментов, скважинных фильтров, мотоголовок, инструментов извлечения и заканчивания, установок низа бурильной колонны, уплотнительных установок, замковых установок, якорных установок, якорных установок притирочного типа, непроходных локаторов, и т.п.
"Пакер" это устройство, которое можно спустить в ствол скважины с меньшим начальным внешним диаметром, который затем увеличивается наружу для уплотнения ствола скважины. В пакерах применяются гибкие эластомерные уплотнительные элементы, которые расширяются. Две наиболее общие формы представляют собой эксплуатационный или испытательный пакер и надувной пакер. Расширение первого может осуществляться путем обжатия эластомерных элементов (что-то в виде кольцевого выступа) между двумя пластинами или между двумя усеченными конусами, направленными внутрь, что заставляет края эластомерных элементов выпячиваться наружу. Расширение последнего может осуществляться закачкой флюида в пневматическую камеру, во многом подобную камере автомобильного колеса, но имеющую более прочную конструкцию. Эксплуатационные или испытательные пакеры можно устанавливать в обсаженных скважинах, а надувные пакеры можно использовать в открытых или обсаженных скважинах. Их можно спускать в скважину на талевом канате, трубе или гибких НКТ. Некоторые пакеры сконструированы как съемные, тогда как другие являются постоянными. Постоянные пакеры выполнены из материалов, которые легко разбуривать или расфрезеровывать. Пакер можно использовать в ходе заканчивания для изоляции кольцевого пространства от эксплуатационного трубопровода, позволяя управлять добычей, закачкой или обработкой. Типичное пакерное устройство включает в себя средство прикрепления пакера к стенке обсадной трубы или хвостовика, например клиновое устройство, и средство создания надежного гидравлического уплотнения для изоляции кольцевого пространства, обычно посредством расширяемого эластомерного элемента. Пакеры классифицируются по применению, методу установки и возможности извлечения. Надувные пакеры допускают относительно большие коэффициенты расширения, что является важным фактором для производства работ через насосно-компрессорную колонну, где размер насосно-компрессорной колонны или компоненты заканчивания может налагать значительное ограничение по размеру на устройства, предназначенные для установки в обсадной трубе или хвостовике под насосно-компрессорной колонной. Уплотнительные элементы могут быть либо связанного типа, использующие уплотнительные элементы из нитрильного каучука, или шевронного типа, доступными с уплотнительными элементами, содержащими один или несколько особых эластомеров, например, известных под торговыми марками Viton, упомянутой выше, доступных от DuPont Dow Elastomers LLC, и Aflas, упомянутой выше, доступных от Asahi Glass Co., Ltd. Уплотнительные элементы связанного и шевронного типов могут содержать один или несколько термопластичных полимеров, например политетрафторэтилен, известный под торговой маркой Teflon, доступный от E.I. DuPont de Nemours & Company; полифениленсульфидные термопласты, известные под торговой маркой Ryton, и сплавы на основе полифениленсульфида, известные под торговой маркой Xtel, оба доступные от Chevron Phillips Chemical Company LP. Уплотнительные элементы связанного и шевронного типов доступны от Schlumberger.
"Ствол скважины" может представлять собой скважину любого типа, в том числе, но без ограничения, продуктивную скважину, непродуктивную скважину, нагнетательную скважину, скважину для сброса флюидов, экспериментальную скважину, разведочную скважину и т.п. Стволы скважины могут быть вертикальными, горизонтальными, идущими под некоторым углом между вертикалью и горизонталью и комбинированными, например, вертикальная скважина с невертикальным компонентом.
На фиг. 1-6 показано несколько промысловых установок, имеющих один или несколько промысловых элементов, извлекающих преимущество из использования композитного полимера с наночешуйками и/или нанопластинками. При обозначении промыслового элемента числовой позицией, если этот промысловый элемент может содержать полимерную матрицу с покрытием, это будет указано звездочкой (*). Следует понимать, что не все описанные промысловые установки, которые могут содержать полимерную матрицу, должны иметь одинаковый состав; в действительности, не все возможные промысловые элементы должны иметь полимерную матрицу. В некоторых вариантах осуществления, возможно, например, только защитный мешок погружного насоса может состоять из полимерной матрицы с наночешуйками и/или нанопластинками. Кроме того, когда говорят, что промысловый элемент состоит из полимерной матрицы с наночешуйками и/или нанопластинками, сама полимерная матрица может быть компонентом более крупной структуры, например, будучи нанесенной или помещенной рядом с другим материалом, например, металлическим компонентом.
На фиг. 1 показана первая промысловая установка 10, предназначенная для развертывания в скважине 18 в геологическом пласте 20, содержащем нужные флюиды эксплуатационной скважины, например, нефть. В типичном варианте применения ствол скважины 22 пробуривается и оборудуется обсадной колонной 24. Обсадная колонна 24 обычно имеет множество отверстий 26, например, перфораций, через которые флюиды могут втекать в ствол скважины 22.
Промысловая установка 10 развертывается в стволе скважины 22 системой 28 развертывания, которая может иметь различные формы и конфигурации. Например, система 28 развертывания может содержать насосно-компрессорную колонну 30, соединенную с насосом 12* соединителем 32*. Питание подается на погружной двигатель 14* по силовому кабелю 34*. Двигатель 14*, в свою очередь, приводит в действие центробежный насос 12*, который втягивает флюид эксплуатационной скважины через всасывающее отверстие 36* насоса и нагнетает флюид эксплуатационной скважины на поверхность по насосно-компрессорной колонне 30.
Следует заметить, что показанная промысловая установка 10 является всего лишь иллюстративным вариантом осуществления. Другие промысловые элементы могут быть добавлены в промысловую установку, и могут быть реализованы другие системы развертывания. Дополнительно, флюиды эксплуатационной скважины могут выкачиваться на поверхность через насосно-компрессорную колонну 30 или через кольцевое пространство, сформированное между системой 28 развертывания и обсадной 24 колонной. В любой из этих конфигураций промысловой установки 10 может быть желательно использовать две или более ступени центробежного насоса, имеющие разные рабочие характеристики. Насосно-компрессорная колонна 30 может быть заменена сочлененной трубой, которая может включать в себя фланцы и, в этом случае, фланцевые уплотнительные прокладки*.
В некоторых вариантах осуществления промысловая установка 10 может иметь одну или несколько секций 16* защиты двигателя, расположенных вокруг насоса 14*. Схематический вид в поперечном сечении иллюстративного варианта осуществления промысловой установки 10 показан на фиг. 2. Показано, что промысловая установка 10 содержит насос 12*, двигатель 14* и различные компоненты защиты двигателя, размещенные в кожухе 38. Насос 12* присоединен с возможностью передачи вращения к двигателю 14* валом 40, который проходит вдоль кожуха 38 (например, через один или несколько секций кожуха, соединенных вместе). Промысловая установка 10 и вал 40 могут иметь несколько секций, которые могут быть соединены между собой соединительными муфтами и фланцами. Например, вал 40 имеет соединительные муфты 42* и фланцы 44*, и промежуточную секцию 46 вала, расположенную между насосом 12* и двигателем 14*.
2
Различные уплотнители, фильтры, поглотительные установки и другие защитные элементы также могут располагаться в кожухе 38 для защиты двигатели 14*. На валу 40 установлен упорный подшипник 48*, принимающий на себя осевую нагрузку от насоса 12*. Совокупность уплотнителей вала, например, уплотнители 50* и 52* вала, также установлена на валу 40 между насосом 12* и двигателем 14* для изоляции двигательной жидкости 54 в двигателе 14* от внешних флюидов, например, пластовых флюидов и частиц. Уплотнители 50* и 52* вала также могут включать в себя неподвижные и вращающиеся компоненты, которые могут располагаться вокруг вала 40 в различных конфигурациях. Промысловая установка 10 также может включать в себя совокупность средств поглощения влаги, например, средств 56, 58 и 60 поглощения влаги, расположенных на протяжении кожуха 38 между насосом 12* и двигателем 14*. Эти средства 56-60 поглощения влаги поглощают и изолируют нежелательные флюиды (например, воду, HS и т.п.), которые проникли или могут проникнуть в кожух 38 через уплотнители 50* и 52* вала или через другие места. Например, средства 56 и 58 поглощения влаги могут располагаться вокруг вала 40 в положении между насосом 12* и двигателем 14*, а средство 60 поглощения влаги может располагаться с противоположной стороны мотора 14* рядом с защитным чехлом 64*. Кроме того, реальная секция защитного приспособления над мотором может включать в себя жесткую несущую головку с выталкивателем.
Согласно фиг. 2, двигательная жидкость 54 находится во флюидной связи с внутренней частью 66* защитного чехла 64*, а пластовый флюид 68 находится во флюидной связи с внешней частью 70* защитного чехла 64*. Соответственно, защитный мешок 64* изолирует двигательную жидкость 54 от пластового флюида 68, создавая положительный перепад давления двигательной жидкости 54 относительно пластового флюида 68 (например, перепад давления 50 фунтов на кв.дюйм). Способность эластомерного защитного чехла 64* растягиваться и сжиматься позволяет поддерживать более высокое давление двигательной жидкости 54 по сравнению с давлением пластового флюида 68. В защитном мешке 64* также можно разместить отдельное пружинное устройство или смещающую конструкцию для усиления прочности, чтобы гарантировать, что жидкость 54 находится под более высоким давлением, чем пластовый флюид 68.
Защитный мешок 64* может реализовывать различные структурные особенности, геометрии и материалы, известные в технике, для использования давления пластового флюида 68 в сочетании со свойствами растяжения и сжатия защитного чехла 64* для создания положительного давления моторного флюида 54. Первоначально, двигательную жидкость 54 закачивают в двигатель 14*, и защитный мешок 64* накачивается, пока не будет достигнуто нужное положительное давление в двигатель 14*. Например, в промысловой установке 10 может быть установлено начальное давление, например, 25-100 фунтов на кв.дюйм, до погружения в скважине. Внешняя камера 70, примыкающая к защитному чехлу 64*, также может быть наполнена флюидом до погружения системы в скважину. Пластовый флюид 68 поступает в кожух 38 по каналам 72 и смешивается с этим флюидом во внешней камере 70, когда промысловая установка 10 погружается в скважину. Защитный мешок 64* также может иметь различные защитные элементы для увеличения его срока службы и обеспечения постоянной защиты двигателя 14*. Например, между каналами 72 и внешней камерой 70 защитного чехла 64* может располагаться фильтр 74 для отфильтровки нежелательных элементов флюида и частиц в пластовом флюиде 68 до флюидной связи с внешней камерой 70. Фильтр 76 также может быть обеспечен рядом с внутренней частью 66* защитного чехла 64* для отфильтровки стружек и частиц мотора. Показано, что фильтр 76 располагается рядом с установкой 60 поглощения влаги между полостью 62 двигателя и внутренней 66* частью защитного 64* чехла. Соответственно, фильтр 76 не позволяет твердым частицам проникать в защитный мешок 64* или иным образом взаимодействовать с ним, тем самым обеспечивая возможность расширения и сжатия защитного чехла 64* в соответствии с изменением объема флюидов.
Вокруг защитного чехла 64* также может располагаться совокупность ограничителей расширения и сжатия для предотвращения чрезмерного или недостаточного расширения и для продления срока службы защитного чехла 64*. Например, ограничитель сжатия 78* может располагаться во внутренней части 66* защитного чехла 64* для контакта с концевым участком 80* и ограничения сжатия защитного чехла 64*. Ограничитель расширения 82* также может быть обеспечен во внешней части 70* защитного чехла 64* для контакта с концевым участком 80* и ограничения расширения защитного чехла. Эти ограничители расширения и сжатия 78* и 82* могут иметь различные конфигурации в зависимости от эластомера, используемого для защитного чехла 64*, и также в зависимости от давлений двигательной жидкости 54 и пластового флюида 68. Кожух 84* также может располагаться вокруг внешней части 70* для направления защитного чехла 64* в ходе сжатия и расширения и для обеспечения общей защиты вокруг внешней части 70*.
Когда промысловая установка 10 погружается и активируется в среде скважины, внутреннее давление двигательной жидкости 54 может расти и/или падать вследствие перемен температуры, например, обусловленных включением и выключением двигателя 14*. Клапан 86* может быть обеспечен для выпуска двигательной жидкости 54, когда давление превышает максимальное пороговое давление. Кроме того, еще один клапан может быть использован для ввода дополнительной двигательной жидкости, когда давление падает ниже минимального порогового давления, соответственно, клапаны поддерживают нужное давление, и нежелательные элементы флюида удаляются из полости 62 двигателя на уплотнителях 50* и 52* вала. Промысловая установка 10 также может иметь проводное устройство 87*, проходящее через кожух 38 к компоненту, примыкающему к защитному чехлу 64*. Например, различные компоненты мониторинга могут располагаться под защитным чехлом 64* для улучшения работы в целом промысловой установки 10. Иллюстративные компоненты мониторинга содержат датчики температуры, датчики давления и различные другие инструменты, известные специалистам в данной области.
На фиг. 3 показан схематический вид в перспективе, частично в разрезе, и необязательно в масштабе, другой промысловой установки 100 согласно изобретению, в данном случае, пакера. Хотя промысловая установка 100 содержит во многих случаях более одного промыслового элемента, например эксплуатационную насосно-компрессорную колонну 104 и элементы 108 пакера, промысловая установка 100 часто называется пакером, и потому эту промысловую установку можно считать промысловым элементом, который является частью более крупной промысловой установки, например, промысловой установки 10, показанной на фиг. 1 и 2. Эксплуатационный хвостовик или обсадная колонна 102 показан(а), частично в разобранном виде, чтобы продемонстрировать эксплуатационную насосно-компрессорную колонну 104, захватные клинья 106, упорные клинья 110 и совокупность элементов 108* пакера, которые при расширении создают гидравлическое уплотнение между нижним кольцевым пространством 109 и верхним кольцевым пространством 111.
На фиг. 4A и 4B показано, как можно использовать две конфигурации активации, чтобы напрямую блокировать два запорных клапана откидного типа, обеспечивая восходящий поток в промысловой установке с обращением потока. Промысловая установка 150 с обращением потока, схематически показанная на фиг. 4A, может включать в себя двигатель 152*, вал 153 двигателя и подвижную задвижку 156 клапана, установленную во вторичном канале 154, которая перемещает двухстворчатые активаторы 157 и 159, каждый из которых имеет желобок 158 и 160, соответственно. Перемещение вверх вала 153, затвора 156, активаторов 157 и 159 и желобков 158 и 160 механически открывает створки 162 и 164, обеспечивая обращение первичного поточного канала 151 подъемной насосно-компрессорной колонны. Кольцевые уплотнители 166* и 168* изолируют флюид эксплуатационной скважины от моторного флюида 172. В промысловой установке 180 с обращением потока, показанной на фиг. 4B, используются двойные соленоиды 184 и 182 для зарядки гидравлической системы и спуска давления. При зарядке гидравлической системы гидравлическое давление в трубках 185, 185a и 185b сдвигает плунжеры 191 и 192, механически открывая створки 162 и 164, тогда как высокое давление под створкой 165 открывает ее, обеспечивая обращение первичного поточного канала 151 подъемной насосно-компрессорной колонны. Когда нужно остановить обратный поток или при потере питания или связи активируется соленоид 184, сбрасывая гидравлическое давление в трубках 185, 185a и 185b, благодаря чему створки 162 и 164 могут закрываться в безопасном положении. Заметим, что масляную компенсационную систему 194 можно использовать для защиты и смазки мотора, зубчатых колес и других механических деталей, например, шарика 193* и пружины 195* запорного клапана. Альтернативно, эти детали могут состоять из полимерных подложек с покрытием согласно изобретению. Различные кольцевые уплотнители, например уплотнители 196* и 197*, могут быть образованы полимерной подложкой с покрытием, например, эластомерами с покрытием.
На фиг. 5A и 5B показаны две промысловые установки 200 и 250, известные как установки низа бурильной колонны или BHA. Установки низа бурильной колонны имеют многие элементы ствола скважины, которые могут пользоваться преимуществами использования полимерных составов с наночешуйками и/или нанопластинками в соответствии с принципами изобретения. Нижняя часть бурильной колонны содержит (снизу вверх в вертикальной скважине) долото, переводник долота, забойный турбинный двигатель (в некоторых случаях), стабилизаторы, воротники бура, утяжеленную бурильную трубу, ударно-вибрационные устройства ("ясы") и переходники для различных резьбовых соединений. Установка низа бурильной колонны должна обеспечивать силу для долота, чтобы разрушать породу (вес на долоте), выдерживать сложные механические условия окружающей среды и давать возможность бурильщику управлять направлением проходки скважины. Нередко установка включает в себя гидравлический забойный двигатель, оборудование для направленного бурения и измерения, инструменты для измерений во время бурения (ИВБ), инструменты для каротажа во время бурения и другие специализированные устройства. Простая BHA может содержать долото, различные переходники и воротники бура, однако, они могут включать в себя многие другие элементы ствола скважины, в результате чего скважинное оборудование становится сравнительно сложным.
Каждая промысловая установка 200 и 250 может содержать насосно-компрессорную колонну 202, соединитель 204*, установку 206* запорного клапана и блокиратор 208* давления. Промысловая установка 200 представляет собой BHA прямой вертикальной скважины и включает в себя утяжеленную бурильную трубу 210, буровой насос 216* и буровое долото 220. Промысловая установка 250 представляет собой BHA для восходящих и горизонтальных скважин, включает в себя ориентирующий инструмент 212* и секцию ИВБ в немагнитной утяжеленной бурильной трубе 214, буровой насос 216* и буровое долото 220, а также кожух 218* с регулируемым изгибом.
На фиг. 6A и 6B показаны схематические виды в разрезе клапана регулировки расхода, который можно использовать для управления расходом добываемой нефти или пластовых флюидов из конкретных зон в скважине или коллекторе, или закачкой флюидов в конкретные зоны, причем в клапане используются компоненты из полимерной матрицы с наночешуйками и/или нанопластинками согласно изобретению. Эти клапаны регулировки расхода могут действовать благодаря гидравлическим, электрическим или смешанным силам, создаваемым и управляемым соответствующими электрическими и гидравлическими компонентами.
На фиг. 6A и 6B показан один вариант осуществления клапана с гидроприводом. Внутренняя трубчатая деталь 300 содержится в кожухе 301 активатора. Скользящая муфта 302 снабжена скользящими уплотнителями 303*, 304* и 305*, обеспечивающими камеру 306 фиксированного объема и камеру 307 регулируемого объема. Если камера 306 фиксированного объема предварительно накачана относительно инертным газом, например, азотом при достаточно высоком давлении по сравнению с давлением в камере 307 регулируемого объема, то скользящая муфта 302 будет принудительно сдвигаться вправо, перекрывая поток флюида через отверстие 309 во внутренней насосно-компрессорной колонне 300 и отверстие 311 в скользящей муфте 302. Уплотнитель 310 препятствует перетоку флюида между трубчатой деталью 300 и скользящей муфтой 302. Если масло для гидравлических систем вводится в трубку 308 при достаточно высоком давлении, то сила, возникающая в камере 307 регулируемого объема, будет достаточна для преодоления силы, обусловленной нагнетанием газа в камеру 306 фиксированного объема, в результате чего скользящая муфта 302 перемещается влево, как показано на фиг. 6B. Согласно фиг. 6B, перемещение скользящей муфты 302 достаточно для размещения отверстия 309 внутренней трубчатой детали 300 точно напротив отверстия 311 в скользящей муфте 302. В этой управляемой конфигурации флюид 312 эксплуатационной скважины может поступать в трубчатую деталь и, таким образом, беспрепятственно втекать в насосно-компрессорную колонну и достигать поверхности, исходя из того, что имеется проход для потока флюида и что давление достаточно для подъема флюида на поверхность.
Скользящие уплотнители 303, 304 и 305 могут содержать, по меньшей мере, одно из нижеперечисленного: уплотнительные кольца, T-образные уплотнители, шевронные уплотнители, уплотнители, поджимаемые металлической пружиной, или их комбинация, образующая уплотнительную стопку.
В условиях эксплуатации уплотнительным элементам свойственно прилипать к одной или обеим разделительным поверхностям металла клапана или герметичного устройства. Это может приводить к просачиванию жидкости или газа через статические или динамические уплотнители клапана. В статических или неподвижных уплотнителях, разрушительные механические напряжения также могут возникать вследствие разницы в коэффициенте теплового расширения стыкующихся деталей, выполненных из разных материалов, например эластомеров, полимеров, металлов или керамики, или композитов этих материалов. Хотя уплотнительный элемент может очень мало изменяться в размере между нагретым и холодным состояниями, его расширение или сжатие относительно незначительно по сравнению с соседними металлическими уплотнительными элементами клапана, и поскольку уплотнительные элементы подвергаются механическим напряжениям в каждом тепловом цикле, уплотнительный элемент, в конце концов, разрушается, допуская утечку жидкости или газа.
Раскрытые здесь полимерные покрытия, если используются, могут значительно улучшить характеристики и срок службы статических уплотнителей и динамических (скользящая муфта) уплотнителей в вышеупомянутых клапанах управления расходом флюида благодаря характеристикам смазки покрытия и износостойкости и его относительной непроницаемости для газов и жидкостей. Например, покрытие толщиной 2 мкм обеспечивает характеристики сухой смазки и износостойкости для поверхности скользящих уплотнителей. Смазывающая способность такого покрытия как Parylene позволяет уплотнительному элементу скользить по поверхностям клапана, не застревая, тем самым компенсируя различия, связанные с расширением и сжатием, которые могут привести к повреждению уплотнителя. Поскольку уплотнительные элементы не повреждаются при использовании, они могут выполнять предписанную им функцию уплотнения, и утечки исключаются в течение продолжительного срока эксплуатации.
Из иллюстративных вариантов осуществления, показанных на фиг. 1-6, следует, что существуют много возможностей использования полимерных матриц с наночешуйками и/или нанопластинками, применяемых в промысловых элементах и установках. Существуют многочисленные альтернативы. Например, некоторые электрические погружные насосы, которые являются модифицированными версиями насосной системы, известной под торговой маркой Axia™, доступной от Schlumberger Technology Corporation, могут отличаться упрощенной двухкомпонентной конфигурацией насос-мотор. Насосы такого типа обычно имеют две ступени, заключенные в кожух, и комбинацию мотора и защитного чехла, который может содержать полимерную подложку с покрытием согласно изобретению. Насос такого типа может быть выполнен со встроенными всасывающими отверстиями и выходными головками. Уменьшенное количество механических соединений может способствовать ускорению установки и повышению надежности этого оборудования. Установка, объединяющая в себе мотор и защитное приспособление, известна под торговой маркой ProMotor™ и может предварительно заполняться в управляемых условиях. Насос может включать в себя встроенное оборудование для измерения температуры и давления в скважине.
Другие альтернативные конфигурации электрического погружного насоса, которые могут пользоваться преимуществами компонентов, состоящих из полимерных матриц с наночешуйками и/или нанопластинками, включают в себя электрические погружные насосы, развертываемые на тросе, электрические погружные насосы, развертываемые на гибких НКТ с силовыми кабелями, присоединенными извне к гибким НКТ (насосно-компрессорная колонна действует как среда добычи), и более современную систему, известную под торговой маркой REDACoil™, в которой силовой кабель развертывается внутри гибких НКТ. Некоторые насосы могут иметь двигатели "верхнего размещения", которые приводят в действие отдельные ступени насоса, причем все ступени насоса заключены в кожух. Предусмотрен отдельный защитный мешок, а также необязательный датчик давления/температуры. В этом варианте осуществления также могут быть обеспечены подземный предохранительный клапан и оправка для нагнетания химических реагентов. Можно использовать нижний соединитель, который может гидравлически освобождаться с помощью силового кабеля и может включать в себя линию управления и инструментальный проводной ввод. Пакер, устанавливаемый с помощью линии управления, завершает этот вариант осуществления. Технология погружных насосов с погружаемым всасывающим отверстием (с двигателем наверху) получила распространение в течение нескольких лет. Это важно для безопасной установки ступеней насоса, двигателей и защитного приспособления в гибких НКТ, позволяет сокращать время установки и извлечения, а также обеспечивает защиту кабеля и возможность его крепления внутри и снаружи продуктивной скважины. Этого можно достигнуть с использованием кабеля развертывания, который может представлять собой кабель, известный под торговой маркой REDACoil™, включающий в себя силовой кабель и плоскую упаковку с инструментальным проводом и одной или несколькими, обычно тремя гидравлическими линиями управления, по одной для оперирования освобождением нижнего соединителя, SSSV и установки пакера/нагнетания химических реагентов. Любой или несколько из кабеля развертывания, силового кабеля, SSSV, пакера, устанавливаемого с помощью линии управления, оправки для нагнетания химических реагентов и т.п. может содержать полимерную матрицу, содержащую наночешуйки и/или нанопластинки, либо в их кольцевых уплотнителях, либо в уплотнительных прокладках, в качестве оплеток кабелей, защитных чехлов и т.п.
Промысловые установки, отвечающие изобретению, могут включать в себя многие необязательные элементы. Одна необязательная особенность может представлять собой один или несколько датчиков, размещенных на защитном чехле для обнаружения наличия углеводородов (или других нужных химикатов) во внутреннем смазывающем флюиде мотора. Химический индикатор может передавать свой сигнал на поверхность по оптоволоконной линии, проводной линии, беспроводному каналу связи и т.п. При обнаружении определенного химиката, который может представлять угрозу безопасности или создавать опасность повреждения мотора в случае его проникновения в мотор, насос будет отключен задолго до того, как химикат создаст проблему.
Итак, в целом, это изобретение относится, главным образом, к промысловым элементам и установкам, содержащим полимерную матрицу, содержащую наночешуйки и/или нанопластинки, и, в необязательном порядке, к покрытию, которое может быть конформным защитным покрытием, осажденным на полимерную матрицу, где полимерная матрица может представлять собой термопластичный, термореактивный, эластомерный или композитный материал. Также описаны способы использования промысловых элементов и установок, отвечающих изобретению.
Хотя выше были подробно описаны лишь некоторые иллюстративные варианты осуществления этого изобретения, специалистам в данной области очевидно, что иллюстративные варианты осуществления допускают многочисленные модификации без существенного отклонения от новых принципов и преимуществ этого изобретения. Соответственно, все такие модификации подлежат включению в объем этого изобретения, заданный в нижеследующей формуле изобретения.