柔性复合材料制造技术

一种可膨胀的多孔模板，该模板包含干燥的水泥粉末填充物，该水泥粉末填充物在暴露于含水介质时将抵靠模板的约束而膨胀，并且凝固以形成固体的、硬质的和粘结的材料，该模板对液体是多孔的，但是对粉末填充物是基本上不可渗透的。透的。透的。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】柔性复合材料
[0001]本专利技术涉及一种柔性复合材料(flexible composite)，该柔性复合材料可以在添加液体时或者通过暴露于气体或辐射例如含水介质而凝固(set)变成刚性的。特别地，本专利技术涉及一种柔性复合材料，其可以在包括油井的井的管理和优化中使用。
[0002]油井生产是非常昂贵的过程，其中成本每天都在大幅波动。这意味着优化井效率是井的设计和开发的关键部分，并且存在若干可用于提高井效率的潜在的解决方案。
[0003]提高井效率的一种方法是油层隔离(zonal isolation)。这是在其中将井的部分分段，以通过控制在所创建的每个区域中的条件来抽取较大量的流体。为了实现这一点，使用被称为溶胀封隔器(swell packer)的部件。溶胀封隔器是一种到井下管(down well pipe)外部的被硫化的弹性化合物并且被包含在两个套环(collar)之间。弹性化合物是油活化的或水活化的，也就是说，当被引入到适当的流体时，膨胀发生，形成对外部管道或岩石壁的密封，如图1中所图示。
[0004]存在关于这种类型的系统会出现的若干问题。首先，弹性材料常常在井的寿命结束之前降解，导致隔离失效，这具有降低在井的寿命期间的井产能和效率的影响。弹性材料的降解还导致流体流的污染。弹性体的片可以破坏溶胀封隔器，并且污染正在产生或注入的流体，这然后可以导致下游问题，包括在井中或在地面处的设备的堵塞。
[0005]所接受的弹性溶胀封隔器的失效率是最高30％，这需要使用更多的封隔器来确保隔离发生并且导致尝试和保证期望的封隔的高资本成本。弹性溶胀封隔器还在高盐或高碱性环境中常常表现出差的溶胀、密封和耐久性。考虑到许多油井的位置，这些条件是高度可能的，并且因此这是重大问题。
[0006]如果溶胀介质改变，则弹性溶胀封隔器可能失去它们的密封。例如，如果在以后的日期，油介质变成水，则在该油介质中密封的封隔器可能失去密封，因为当水从弹性体中迁移出时封隔器可能稍微收缩并且不能被更换。对于暴露于油的水溶胀封隔器可能存在同样的缺点。因此，如果随着时间的推移封隔器可能暴露于油和水，则通常需要两种不同的封隔器(分别是油活化的和水活化的)，这可以使所需的封隔器的数目加倍，这又带来巨大的资本成本。
[0007]此外，弹性溶胀封隔器可以通过基础管(base pipe)相对于套管/钻孔的不同移动而在套管内移位。这可能损坏密封表面并且常常需要尝试另外的岩石锚杆(rock bolting)来防止移动。这再次是另外的资本成本。
[0008]净效应是，弹性溶胀封隔器的失效导致增加的资本成本和在井下系统中降低的效率和生产率，这与期望和要求的相反。本专利技术旨在通过使用柔性复合材料特别是水泥系统来解决这些问题，所述水泥系统可以以使得具有足够低的剖面(profile)的方式附接到管或套管，以降低到裸井孔(bare well bore)中或套管内。该系统包括干燥的水泥元件，该水泥元件当暴露于水、高盐、高碱性介质和以其他方式被污染的水溶液(包括钻井完井液(drilling completion fluid))时将吸收流体，膨胀并且凝固，以在采油管(production string)和套管或裸岩之间形成长期的水泥密封。该凝固系统可以抵抗在采油管和外部套管或裸眼(open hole)之间的高压差和高剪切载荷。
[0009]根据本专利技术，提供了一种可膨胀的多孔模板，该模板包含干燥的水泥粉末填充物，该水泥粉末填充物在暴露于含水介质时将抵靠模板的约束而膨胀并且凝固以形成固体的、硬质的和粘结的材料，模板对液体是多孔的，但是对粉末填充物是基本上不可渗透的。这样的模板可以通过附接到管或套管来使用，以优化井的效率并且克服现有技术的工艺和产品的问题。
[0010]可以被称为水泥溶胀封隔器或CSP的这种新系统相对于上文讨论的弹性类型的溶胀封隔器具有若干优点。这些优点包括：
[0011]超过井的寿命的长期井下寿命—预混合的水泥灌浆由于其高耐久性和长寿命，通常被用于石油化学行业中的井下应用；
[0012]没有井内流体(well fluid)的污染，因为水泥在井的寿命期内不分解(如弹性溶胀封隔器可能发生的情况)；
[0013]一旦凝固，水泥就是持续井的寿命的永久固定物。这导致使用期间较低的失效率；
[0014]水泥制剂不与油反应或在烃环境中降解，这是对弹性溶胀封隔器的情况的重大改善；
[0015]在高盐度环境中改善的性能。当在高盐度或高碱性含水井内流体中操作时，许多弹性溶胀封隔器将具有减少的溶胀或者将具有减少的寿命和降低的性能。令人惊讶地，水泥溶胀封隔器当被高盐流体或高碱性流体活化时能够获得良好的膨胀和机械性能，并且在这样的环境中是耐久的；
[0016]井管的永久密封。一旦水合并且反应已经完成，水泥溶胀封隔器将不收缩，并且令人惊讶地，其渗透性通过暴露于油而降低，因此一个封隔器可以用于隔离一个区域，并且一旦凝固，其可以暴露于油或水而没有性能的降低；以及
[0017]高机械性能。固体水泥材料能够抵抗非常高的剪切载荷，从而降低对防止封隔器在套管内移动的岩石锚杆的要求(如对于弹性封隔器可能是必要的)，并且由此避免这对密封表面(管或岩石)造成的任何损坏。
[0018]这些优点和其他优点将在下文并且结合系统的具体实施方案更详细地讨论。
[0019]模板优选地具有水泥粉末填充物，该水泥粉末填充物在暴露于含水介质时能够膨胀至其初始体积的至少125％，例如膨胀至其初始体积的125％和650％之间，或膨胀至其初始体积的125％和450％之间，或膨胀至其初始体积的125％和300％之间，或膨胀至其初始体积的130％和170％之间，例如膨胀至其初始体积的150％。粉末共混物已经被开发出来以在暴露于水溶液时随着时间的推移而膨胀，同时保持其结构完整性。高膨胀性和当与模板组合时在溶胀之后凝固时保持为一体的、固体的、硬质的和粘结的材料的能力，提供了在诸如油层隔离的应用中牢固地堵塞或封隔井孔的期望的特性。这已经通过向干燥的水泥粉末中添加多种化学物质被实现，在下文讨论了每种化学物质并且描述了这些化合物的化学作用。
[0020]用于在本专利技术的模板中使用的水泥粉末共混物(CSP共混物)(其中该粉末在暴露于含水介质时溶胀并且凝固)可以包含：
[0021]a.基于硅酸钙的水泥粉末；
[0022]b.基于氧化铝的水泥，其含有氧化钙组分或与氧化钙组分混合；
[0023]c.硫酸钙；
[0024]d.超吸收性聚合物(superabsorbent polymer)(SAP)；
[0025]e.金属氧化物，其在高于120℃是热稳定的并且具有+1、+2、+3、+4、+5、+6或+7的氧化态；
[0026]f.致密相、不溶性硫酸盐化合物；和
[0027]g.可以用于延迟组分(a)或组分(b)或基于镁的水泥的初始凝固的延迟剂材料(retardant material)。
[0028]依次取各组分，组分(a)可以是普本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种可膨胀的多孔模板，所述模板包含干燥的水泥粉末填充物，所述干燥的水泥粉末填充物在暴露于含水介质时将抵靠所述模板的约束而膨胀并且凝固以形成固体的、硬质的和粘结的材料，所述模板对液体是多孔的，但是对所述粉末填充物是基本上不可渗透的。2.根据权利要求1所述的模板，其中所述水泥粉末填充物在暴露于含水介质时膨胀至其初始体积的至少125％。3.根据权利要求2所述的模板，其中所述水泥粉末填充物在暴露于含水介质时膨胀至其初始体积的125％和650％之间、或膨胀至其初始体积的125％和450％之间、或膨胀至其初始体积的125％和300％之间、或膨胀至其初始体积的130％和170％之间。4.根据任一前述权利要求所述的模板，其中所述模板被布置成对所述粉末填充物施加限制压力，使得当所述粉末填充物膨胀时，所述模板随着增加的膨胀程度对所述水泥粉末施加增加的限制压力。5.根据任一前述权利要求所述的模板，其中所述模板和膨胀且凝固的粉末填充物一旦凝固就形成密封件。6.根据任一前述权利要求所述的模板，其中所述模板是环形形状，包括具有矩形横截面或正方形横截面(带有圆角)的环形形状。7.根据权利要求6所述的模板，其中所述模板被设计成在环形方向上比在角向方向上坚硬得多。8.根据权利要求7所述的模板，其中所述模板已经通过使用双针床经编进行针织来形成，使得弹性纱线诸如橡筋在所述角向方向上延伸，并且较坚硬的纱线诸如复丝聚酯纱线在主圆周的所述环形方向上延伸。9.根据权利要求7或权利要求8所述的模板，其中所述模板通过以下工艺中的一种制成：纬编；圆型经编，也被称为针织编结；编结；编织；折叠和密封或缝合平面织物，使得沿着一个边缘或两个边缘存在直线缝；将平面织物折叠和密封或缝合成螺旋缠绕形状；挤出的管；3D打印的管；通过挤出、注射模制、真空成形或旋转模制在其中具有孔的聚合物管或环形形式，所述聚合物管或环形形式任选地通过在所述环形方向上形成较厚的元件或在所述环形方向上插入较坚硬的复合元件而被硬化。10.根据任一前述权利要求所述的模板，其中所述模板和干燥的水泥粉末被组装到管上。11.根据权利要求10所述的模板，其中组装的多孔模板在组件的每个端部处具有端盖。12.根据权利要求10或11所述的模板，其中根据权利要求6至9中任一项中描述的多个锚环彼此相邻地布置在基础管上，以形成模板组件。13.根据权利要求12所述的模板组件，其中所述锚环具有所使用的不同的模板和/或不同的水泥粉末填充物，并且被布置成一个或更多个环的组，以沿着所述组件的长度具有不同的特性。14.根据权利要求13所述的模板组件，其中所述粉末填充物已经被给予不同水平或类型的延迟剂或加速剂以延迟或加速膨胀，并且被布置成环的组，使得中心的环的组在最靠近所述端盖的环被活化之前膨胀。15.根据任一前述权利要求所述的模板，所述模板还包括电阻元件。16.根据任一前述权利要求所述的模板，其中所述模板可以被蜡涂层或聚合物涂层暂
时地密封。17.根据权利要求16所述的模板，其中所述模板被具有特定熔点的蜡涂层或聚合物涂层暂时地密封，使得一旦已经达到预定的温度和压力概况，所述蜡涂层或聚合物涂层就将停止密封所述模板。18.根据权利要求16所述的模板，其中所述蜡涂层或所述聚合物涂层通过向流体中给予化学物质并且使所述化学物质在所述模板周围循环来降解，以便使密封剂快速分解并且允许所述流体接触所述粉末并引发溶胀和凝固反应。19.根据任一前述权利要求所述的模板，其中所述模板是管状形状，并且由通过弹性可变形的连接元件或塑性可变形的连接元件连接的内表面和外表面组成，所述外表面是弹性可变形的或塑性可变形的，并且对含水介质是可渗透的，但对所述粉末填充物是基本上不可渗透的。20.一种用于在任一前述权利要求所述的模板中使用的水泥粉末共混物(CSP共混物)，所述粉末在暴露于含水介质时溶胀并凝固，并且具有以下组成：a.基于硅酸钙的水泥粉末；b.基于氧化铝的水泥，其含有氧化钙组分或与氧化钙组分混合；c.硫酸钙；d.超吸收性聚合物(SAP)；e.在高于120℃热稳定的金属氧化物；f.致密相、不溶性硫酸盐化合物；和g.能够用于延迟包含组分(a)和/或组分(b)的水泥的初始凝固的延迟剂材料。21.根据权利要求20所述的水泥粉末，其中组分(a)以总水泥粉末的按质量计30％
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54％的量存在，或者以总水泥粉末的按质量计30％
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40％的量存在，或者以总水泥粉末的按质量计32％
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38％的量存在。22.根据权利要求20或21中任一项所述的水泥粉末，其中组分(b)以总水泥粉末的按质量计0％
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25％的量存在，或者以总水泥粉末的按质量计10％
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20％的量存在，或者以总水泥粉末的按质量计13％
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16％的量存在。23.根据权利要求20至22中任一项所述的水泥粉末，其中组分(c)以总水泥粉末的按质量计0％
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70％的量存在，或者以总水泥粉末的按质量计20％
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40％的量存在，或者以总水泥粉末的按质量计28％
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35％的量存在。24.根据权利要求20至23中任一项所述的水泥粉末，其中组分(d)以总水泥粉末的按质量计0％
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【专利技术属性】
技术研发人员：彼得，
申请(专利权)人：水泥帐篷技术有限公司，
类型：发明
国别省市：