BR112012026602B1

BR112012026602B1 - dispositivo para poço de petróleo para prevenção, ativação e controle de disposição de expansíveis à base de espuma de polímero com memória de forma, e, método para sua instalação

Info

Publication number: BR112012026602B1
Application number: BR112012026602-0A
Authority: BR
Inventors: Michael Johnson; Oleg A. Mazyar
Original assignee: Baker Hughes Incorporated
Priority date: 2010-04-20
Filing date: 2011-04-05
Publication date: 2021-01-26
Also published as: EP2561179A2; CN102844521B; BR112012026602A2; AU2011243110A1; US20110252781A1; CN102844521A; CA2796874A1; WO2011133319A3; EP2561179B1; US8353346B2; AU2011243110B2; EP2561179A4; CA2796874C; WO2011133319A2

Abstract

PREVENÇÃO, ATIVAÇÃO E CONTROLE DE DISPOSIÇÃO DE EXPANSÍVEIS À BASE DE ESPUMA DE POLÍMERO COM MEMÓRIA DE FORMA. A presente invenção refere-se à ativação e controle da disposição de um material com memória de forma polimérico em um dispositivo para poço de petróleo em uma ferra-menta para interior de poço que podem ser realizados tratando um material com memória de forma polimérico compactado ou comprimido com um fluido de disposição para dimi-nuir sua Tg e/ou diminuir sua rigidez, desta maneira amolecendo o material com memória de forma polimérico em uma dada temperatura e disparando sua expansão ou recupera-ção em uma temperatura menor. Alternativamente, a disposição do material com memória de forma polimérico compactado ou comprimido pode ser prevenida ou inibida cobrindo o material com um ambiente de um fluido que não diminui substancialmente sua Tg, diminui sua rigidez ou ambas, e então subsequentemente contato do material com um fluido de disposição.

Description

DISPOSITIVO PARA POÇO DE PETRÓLEO PARA PREVENÇÃO, ATIVAÇÃO E CONTROLE DE DISPOSIÇÃO DE EXPANSÍVEIS À BASE DE ESPUMA DE POLÍMERO COM MEMÓRIA DE FORMA, E, MÉTODO PARA SUA INSTALAÇÃO

CAMPO DA TÉCNICA

[0001] A presente invenção refere-se a dispositivos usados em poços de petróleo e gás empregando materiais com memória de forma que permanecem em um estado geométrico alterado durante inserção; uma vez os dispositivos sendo posicionados dentro de poços e sendo expostos a uma dada temperatura em uma dada quantidade de tempo, os dispositivos tentam retornar para sua posição geométrica original antes da alteração. Mais particularmente, a presente invenção referese a tais dispositivos onde a Tg e/ou sua rigidez diminuem através do uso de um fluido de disposição.

TÉCNICA ANTERIOR

[0002] Vários métodos de filtragem, isolamento de poço de petróleo, controle de produção, gerenciamento do ciclo de vida de poço de petróleo e construção do poço de petróleo são conhecidos na técnica. O uso de materiais com memória moldados nessas aplicações foi revelado para exploração de petróleo e gás. Materiais com Memória Moldados são materiais inteligentes que têm a habilidade em retornar de um estado deformado ou comprimido (forma temporária) para a sua forma original (permanente) induzidos por um estímulo ou gatilho externo (por exemplo, mudança de temperatura). Em adição à mudança de temperatura, o efeito de memória de forma desses materiais pode também ser disparado por um campo elétrico ou magnético, luz, contato com um fluido particular ou uma mudança em pH. Polímeros com memória de forma (SMPs) (Shape-memory polymers) compreendem uma faixa de propriedade ampla de estáveis a biodegradáveis, de macios a duros e de elásticos a rígidos, dependendo das unidades estruturais que constituem o SMP. SMPs incluem materiais poliméricos termoplásticos e de termoajuste (covalentemente reticulados). SMPs são conhecidos como sendo capazes de armazenar formas múltiplas em memória.

[0003] Análise Mecânica Dinâmica (DMA) (Dynamic Mechanical Analysis), também chamada Análise Térmica Mecânica Dinâmica (DMTA) (Dynamic Mechanical Thermal Analysis) ou Análise Termomecânica Dinâmica (DTA) (Dynamic Thermomechanical Analysis) é uma técnica usada para estudar e caracterizar materiais SMP. Ela é mais útil para observação da natureza viscoelástica desses polímeros. A amostra deforma sob uma carga. A partir disso, a rigidez da amostra pode ser determinada, e o módulo da amostra pode ser calculado. Ao medir o intervalo de tempo no deslocamento comparado com a força aplicada é possível determinar as propriedades de amortecimento do material. O intervalo de tempo é relatado como um intervalo de fase, que é um ângulo. O amortecimento é chamado tan delta, uma vez que ele é relatado como a tangente do intervalo de fase.

[0004] Materiais viscoelásticos tais como polímeros com memória de forma tipicamente existem em dois estados distintos. Eles exibem as propriedades de um vidro (módulo alto) e aquelas de uma borracha (módulo baixo). Ao varrer a temperatura durante um experimento de DMA esta mudança de estado, a transição do estado de vidro para o estado de borracha, pode ser caracterizada. Deve ser notado novamente que memória moldada pode ser alterada por um estímulo externo outro que não mudança de temperatura.

[0005] O módulo de armazenamento E’ (resposta elástica) e módulo de perda E" (resposta viscosa) de um polímero como uma função de temperatura são mostrados na FIGURA 1. A natureza do estado de transição do polímero com memória moldado afeta o comportamento de recuperação de forma do material e pode ser descritiva da recuperação de forma do polímero. Com Referência à FIGURA 1, o Estado de Vidro é mostrado como uma mudança no módulo de armazenamento em resposta à mudança em temperatura que fornece uma linha de inclinação constante. O Estado de Transição começa quando uma mudança de inclinação ocorre no módulo de armazenamento conforme a temperatura é aumentada. Isto é referido como a Tg Início que na FIGURA 1 é aproximadamente 90°C. A Tg Início é também o ponto onde a recuperação da forma pode começar. Tg para um polímero com memória de forma descrito pela FIGURA 1 é definida como o pico do módulo de perda, que na FIGURA 1 é aproximadamente 110°C. Se a mudança da inclinação do módulo de armazenamento fosse representada por uma linha vertical de inclinação não definida, a recuperação da forma do material ocorreria em temperatura e transição específicas imediatamente do estado vítreo para o estado de borracha. Em geral, quanto mais gradual a mudança da inclinação do módulo de armazenamento no estado de transição, maior a faixa de temperaturas que exibem características de ambos os estados de vidro e borracha. O estado de transição é a área de interesse para características de recuperação de forma do material SMP. Deve ser também evidente que a recuperação de forma deve ocorrer mais lentamente se temperatura de estímulo for próxima da temperatura da Tg Início e a recuperação da forma deve ser mais rápida conforme a temperatura de estímulo se aproxima ou excede a Tg.

[0006] Um método de uso do comportamento único de polímeros com memória de forma é através de resposta de temperatura descrita acima. Um exemplo é visto na FIGURA 2. A parte moldada acabada 100 de polímero com memória de forma tem Tg definida e Tg Início.
Isto pode ser considerado uma posição geométrica original do material com memória de forma. A parte é então aquecida próximo da Tg do polímero. Força é aplicada à parte acabada para remodelar a parte em uma configuração ou forma diferente 100’. Isto pode ser considerado uma posição geométrica alterada do material com memória de forma. A parte remodelada 100’ é então esfriada abaixo da Tg Início do polímero com memória de forma e a força removida. A parte acabada 100’ vai agora reter a forma nova até que a temperatura da parte seja aumentada para a Tg Início ponto onde a recuperação da forma vai começar e a parte vai tentar retornar para sua forma original 100 ou se contida, a parte vai se conformar à nova forma restrita 100". Esta forma 100" pode ser considerada a posição geométrica recuperada do material com memória de forma.

[0007] A Patente U.S. No. 7.318.481 concedida à Baker Hughes Incorporated revelou um tela expansível de autoconformação que compreende uma espuma polimérica com memória de forma de célula aberta de termoajuste. A composição do material de espuma é formulada para atingir a temperatura de transição desejada um pouco abaixo da temperatura no interior do poço antecipada na profundidade na qual o conjunto será usado. Isto faz com que a espuma de conformação expanda na temperatura encontrada na profundidade desejada.

[0008] Instalação e disposição sem falha de telas de contenção de areia, elementos de empacotamento e outras ferramentas de interior de poço conformáveis à base de espuma de polímero com memória de forma são duas etapas cruciais que determinam o sucesso geral da operação da ferramenta expansível. Essas etapas podem ser desafiadoras de executar. Desta maneira, prevenção eficaz da disposição durante a instalação, disparo sem falha da disposição dos elementos expansíveis no momento apropriado e controle confiável da taxa e do grau de disposição que são essenciais para o desempenho bem sucedido dos elementos expansíveis seriam muito desejáveis e importantes. Seria muito útil desenvolver um método e um dispositivo para instalar e dispor com precisão um elemento feito de material com memória de forma em um local particular dentro do poço para obter alguma função desejada de filtragem, isolamento do poço de petróleo, controle de produção, gerenciamento do ciclo de vida do poço de petróleo e construção de poço de petróleo. Em geral, quanto maior controle e versatilidade para disposição de um elemento melhor, uma vez que isso dá mais flexibilidade em projetos de dispositivo e provê o operador com mais flexibilidade no projeto, colocação e configuração dos dispositivos para poço de petróleo.

SUMÁRIO

[0009] É provido, de uma forma não limitante, um dispositivo para poço de petróleo que inclui pelo menos um material com memória de forma polimérico tendo uma temperatura de transição vítrea (Tg) original e uma rigidez original. O dispositivo para poço de petróleo também inclui um fluido de disposição contatando o material com memória de forma polimérico em uma quantidade eficaz para ter um efeito selecionado do grupo consistindo em diminuição da Tg e/ou diminuição da rigidez.

[00010] É ainda provida em outra versão não restritiva um dispositivo para poço de petróleo que inclui um substrato, por exemplo, um lingote, e pelo menos um material com memória de forma polimérico sobre o substrato. O material com memória de forma polimérico tem uma temperatura de transição vítrea original (Tg) e uma rigidez original. O material com memória de forma polimérico pode ser uma poliuretana, uma poliuretana feita através da reação de um poliol policarbonato com um poli-isocianato, uma poliamida, uma poliureia, um álcool de polivinila, um copolímero de álcool de vinila-éster de vinila, um polímero fenólico, um polibenzimidazol, copolímero de óxido de polietileno/ácido acrílico/ácido metacrílico reticulado com N,N’- metileno-bis-acrilamida, copolímero de óxido de polietileno/ácido metacrílico/N-vinil-2-pirrolidona reticulado com dimetacrilato de etileno glicol, copolímero de óxido de polietileno/poli(metacrilato de metila)/N-vinil-2-pirrolidona reticulado com dimetacrilato de etileno glicol e suas combinações. O dispositivo para poço de petróleo pode incluir ainda um fluido de disposição contatando o material com memória de forma polimérico em uma quantidade eficaz para ter um efeito de diminuição da Tg para uma segunda Tg e menor e/ou diminuição da rigidez original para uma segunda rigidez, menor. O dispositivo para poço de petróleo tem a propriedade que quando substancialmente todo o fluido de disposição é removido do material com memória de forma polimérico, é obtido um efeito que pode incluir restauração da Tg para pelo menos 90% da Tg original e/ou restauração da rigidez dentro de pelo menos 25% da rigidez original.

[00011] Em outra modalidade não limitante é provido um método de instalação de um dispositivo para poço de petróleo em uma ferramenta de interior de poço em um poço de petróleo. O método envolve introdução da ferramenta de interior de poço carregando o dispositivo para poço de petróleo em um poço de petróleo. Novamente, o dispositivo para poço de petróleo inclui pelo menos um material com memória de forma polimérico tendo uma Tg original e uma rigidez original. O material com memória de forma polimérico está em uma posição geométrica alterada e o material com memória de forma polimérico é contatado por um primeiro fluido. O primeiro fluido é substancialmente removido. O método envolve ainda contato do material com memória de forma polimérico com um fluido de disposição em uma quantidade eficaz para ter um efeito selecionado do grupo consistindo em diminuição da Tg e/ou diminuição da rigidez.
O método envolve ainda recuperação do material com memória de forma polimérico de sua posição geométrica alterada para inserção no interior do poço para uma posição geométrica recuperada.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[00012] A FIGURA 1 é um gráfico de módulo de armazenamento E’ (resposta elástica) (eixo vertical esquerdo) e módulo E" (resposta viscosa) (eixo vertical direito) como uma função de temperatura para polímeros com memória de forma ilustrando a mudança em cada módulo conforme o polímero é aquecido do Estado de Vidro através do Estado de Transição para o Estado de Borracha;
A FIGURA 2 é uma fotografia de uma parte de polímero com memória de forma acabado antes dela ser aquecida para próximo da Tg do polímero e força é aplicada para remodelá-la em uma configuração ou forma diferente e então esfriada abaixo da Tg Início do polímero e finalmente quando a parte é aquecida para a Tg Início ponto onde a recuperação vai começar e a parte retorna para ou próximo da sua forma original;
A FIGURA 3 é uma ilustração esquemática de cadeias de poliuretana acopladas através de ligação de hidrogênio, ilustrando a estrutura de cristal de poliuretana onde a mobilidade das cadeias de polímero é limitada, desta maneira o material tem Tg maior;
FIGURA 4 é uma ilustração esquemática da rede de ligação de hidrogênio entre cadeias de poliuretana sendo rompida por um fluido de disposição de álcool ROH, mostrando que as cadeias de polímero são desacopladas e relativamente mais móveis; desta maneira, a Tg do material é menor e sua rigidez é reduzida;
A FIGURA 5 é um gráfico de disposição % de amostras compactas da espuma de célula aberta rígida de poliuretanapolicarbonato com memória de forma em óleo vegetal e água como uma função de tempo a 65°C;
A FIGURA 6 é um gráfico dos módulos de armazenamento (E’) e perda (E") das amostras de espuma imersas em óleo vegetal e água como funções da temperatura; a temperatura de transição vítrea do polímero imerso em líquido (Tg) corresponde ao valor de pico do módulo de perda E";
A FIGURA 7 é um gráfico das temperaturas de disposição de amostras compactadas de um material com memória de forma de espuma polimérico em água como uma função de temperatura;
A FIGURA 8 é um gráfico de Tg como uma função da % de monobutil éter de etileno glicol (EGMBE) em fluido de disposição à base de álcool ilustrando que a Tg do material com memória de forma polimérico diminui conforme o teor de EGMBE no fluido de disposição aumenta; e
A FIGURA 9 é um gráfico ilustrando que quanto maior o teor do EGMBE em um fluido de disposição à base de álcool, menos é o tempo que ele leva para dispor o material com memória de forma polimérico para diâmetro de orifício de gauge.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[00013] Foi constatado que a ativação e o controle da disposição dos expansíveis à base de espuma de polímero com memória de forma podem ser realizados através de tratamento dos expansíveis compactados com fluidos de disposição reduzindo a temperatura de transição vítrea do polímero, Tg, amolecendo o material de polímero em uma dada temperatura e, então, disparando sua expansão. Alternativamente, a disposição dos expansíveis compactados em uma dada temperatura pode ser prevenida protegendo os expansíveis com uma tela ou proteção dos fluidos contra fluidos de disposição do poço de petróleo de ocorrência natural.

[00014] Dispositivos para poço de petróleo, tais como aqueles usados em filtragem, isolamento de poço de petróleo, controle de produção, gerenciamento de ciclo de vida, construção de poço de petróleo e similar podem ser aperfeiçoados ao incluir os materiais com memória de forma que são inseridos no poço de petróleo em posições ou formas geométricas alteradas onde os materiais com memória de forma mudam para suas respectivas posições ou formas geométricas originais ou recuperadas em Tg Início diferentes e/ou mudanças de inclinação diferentes (a mudança em inclinação no respectivo estado de transição de um estado de vidro para um estado de borracha).

[00015] O material com memória de forma é feito em uma modalidade não limitante de um ou mais poliol, tal como, mas não limitado a, poliol policarbonato, e pelo menos um isocianato, incluindo, mas não necessariamente limitado a, diisocianato de difenilmetano modificado (MDI) (Modified Diphenylmethane Diisocyanate), bem como outros aditivos incluindo, mas não necessariamente limitado a, agentes de sopro, ligantes de cruzamento molecular, extensores de cadeia, tensoativos, corantes e catalisadores.

[00016] Os materiais de poliuretana com memória de forma são capazes de ser geometricamente alterados, em uma modalidade não limitante comprimidos substancialmente, por exemplo, 20~30% de seu volume original, em temperaturas acima de suas temperaturas de transição vítrea de início (Tg) onde o material amolece. Embora sendo ainda geometricamente alterado, o material pode ser esfriado para bem abaixo de sua Tg Início ou esfriado para temperatura ambiente, e é capaz de permanecer no estado geométrico alterado mesmo após a força de alteração de forma aplicada ser removida. Quando o material é aquecido próximo ou acima de sua Tg Início, ele é capaz de recuperar seu estado ou forma geométrica original, ou próximo de sua posição geométrica original; um estado ou forma que pode ser chamado uma posição geométrica recuperada. Em outras palavras, o material com memória de forma possui memória de forma hibernada que provê uma forma para a qual o material com memória de forma naturalmente toma após sua fabricação. As composições de poliuretanas e outros materiais com memória de forma poliméricos são capazes de ser formulados para atingir as temperaturas de transição vítrea iniciais desejadas que são adequadas para as aplicações no interior do poço, onde disposição pode ser controlada para temperaturas abaixo da Tg Início de dispositivos na profundidade na qual o conjunto será usado.

[00017] Em geral, polímero de poliuretana ou espuma de poliuretana é considerado pobre em estabilidade térmica e resistência à hidrólise, especialmente quando ele é feito de poliéter ou poliéster. Foi anteriormente constatado que a estabilidade térmica e a resistência à hidrólise são significantemente aperfeiçoadas quando a poliuretana é feita de polióis carbonato e diisocianato de difenil metileno (MDI) conforme acima mencionado. As composições da presente espuma de poliuretana são capazes de ser formuladas para atingir temperaturas de transição vítrea diferentes dentro da faixa de 60°C a 170°, que é especialmente adequada para satisfazer a maior parte das necessidades de temperatura de disposição em interior de poço. Mais detalhes sobre essas espumas de poliuretana particulares ou elastômeros de poliuretana podem ser encontrados no Pedido de Patente U.S. No. de Série 12/250.062, publicado como Publicação de Pedido de patente U.S. No. 2010-0089565.

[00018] Apesar do acima, os dispositivos para poço descritos aqui e métodos de uso dos mesmos podem ser praticados com uma ampla variedade de materiais com memória de forma poliméricos incluindo, mas não necessariamente limitado a, poliuretanas, poliuretanas feitas através da reação de poliol de policarbonato com um poli-isocianato, poliamidas, poliureias, álcoois de polivinila, copolímeros de álcool de vinila-éster de vinila, polímeros fenólicos, polibenzimidazol, copolímero de óxido de polietileno/ácido acrílico/ácido metacrílico reticulado com N,N’-metileno-bis-acril-amida, copolímero de óxido de polietileno/ácido metacrílico/N-vinil-2-pirrolidona reticulado com dimetacrilato de etileno glicol, copolímero de óxido de polietileno/poli(metacrilato de metila)/N-vinil-2-pirrolidona reticulado com dimetacrilato de etileno glicol e suas combinações. Embora seja esperado que na maioria das implementações o material com memória de forma polimérico seja uma espuma celular, deve ser também compreendido que outras estruturas físicas que não são espumas celulares, por exemplo, um elastômero, podem encontrar uso como o material com memória de forma polimérico. Com certeza, elastômeros podem ser também celulares em algumas modalidades não limitantes.

[00019] Fluidos de disposição adequados incluem, mas não estão necessariamente limitados a, água, salmouras, sulfóxido de dimetila, cetonas, álcoois, glicóis, éteres, hidrocarbonetos e misturas dos mesmos. Exemplos específicos de fluidos polares adequados incluem, mas não estão necessariamente limitados a, água, salmouras, metanol, etanol, álcool isopropílico, etileno glicol monobutil éter (EGMBE), sulfóxido de dimetila e acetona. Exemplos específicos de fluidos não polares adequados incluem, mas não estão necessariamente limitados a, óleos vegetais, óleo mineral, óleo LVT 200 e óleo bruto. Óleo LVT 200 é descrito como destilado hidrotratado de hidrocarbonetos cicloparafínicos, isoparafínicos e parafínicos normais contendo C9-16 leves disponíveis da Delta Drilling Products & Services, LLC. Em geral, quanto mais polar é um fluido, mais provável que o fluido vá servir como um fluido de disposição, embora quase todos os fluidos possam exibir algum benefício como um fluido de disposição, dependendo do material com memória de forma polimérico sendo tratado. Deve ser compreendido que o fluido de disposição particular não deve ser um solvente para o material com memória de forma polimérico. Isto é, o material com memória de forma polimérico não deve ser solúvel no fluido de disposição para nenhum grau notável.

[00020] A quantidade eficaz para afetar a Tg e/ou rigidez é uma quantidade necessária para essencialmente saturar ou impregnar todo o material com memória de forma polimérico que se deseja afetar. Uma vez que é esperado que na maioria das modalidades do material com memória de forma polimérico seja uma espuma de célula aberta, pode não ser fisicamente possível para o fluido de disposição infiltrar todas as células, mas pelo menos 25% vol, alternativamente, pelo menos 50% vol e até mesmo pelo menos 90% vol do material podem ser contatados. No caso do material com memória de forma polimérico não ser uma espuma, ou ser ao contrário um material tal como um elastômero que é não celular, pode ser mais difícil para o fluido de disposição atingir todas as cadeias de polímero no material. Em modalidades não limitantes, mais tempo pode ser necessário para que o fluido de disposição seja mais eficaz ou fluido de disposição pode precisar ser alterado, por exemplo, um fluido tendo moléculas relativamente menores para permitir que a estrutura de cadeia do polímero seja infiltrada.

[00021] Uma teoria não limitante de como o método e dispositivos descritos aqui podem operar pode ser vista com referências às FIGURAS 3 e 4. Conforme mostrado na FIGURA 3, cadeias de poliuretana acopladas através de ligação de hidrogênio representam a estrutura de cristal de poliuretana e devido ao fato das cadeias de poliuretana serem mais ordenadas e regulares, as cadeias de polímero são relativamente paralelas, a poliuretana cristalina é mais rígida. A mobilidade das cadeias de polímero é limitada, desta maneira o material tem Tg maior. No entanto, se outra substância for introduzida, por exemplo, um álcool ROH servindo como um fluido de disposição, a rede de ligação de hidrogênio entre cadeias de poliuretana é rompida. As cadeias de polímero são desacopladas umas das outras e relativamente mais móveis, desta maneira, a Tg do material é menor e a rigidez do material é reduzida, por exemplo, para uma segunda Tg, menor, e uma segunda rigidez, menor, respectivamente.

[00022] Foi constatado que água sozinha não pode diminuir a Tg do material de policarbonato-poliuretana significantemente o suficiente para dispor um dispositivo para poço de petróleo a 46,1°C (115°F), por exemplo. Por outro lado, foi constatado que um fluido de disposição de EGME/MeOH/salmoura de KCl pode dispor um dispositivo para poço de petróleo nesta temperatura. Uma explicação não limitante é que uma molécula de água única tem um átomo de oxigênio negativamente carregado e dois átomos de hidrogênio positivamente carregados. Desta maneira ela pode formar duas ligações H simultaneamente: em um primeiro cenário de uma com o átomo de oxigênio de grupo carboxila de uma cadeia de polímero, a outra com um átomo de oxigênio de um grupo carboxila de uma segunda cadeia de polímero. No entanto, ela pode ter também um segundo cenário de uma ligação de hidrogênio a um oxigênio de carboxila em uma primeira cadeia de polímero e uma segunda ligação de hidrogênio a um átomo de hidrogênio em uma ligação de uretana de uma segunda cadeia de polímero. Desta maneira a cadeia 1 e a cadeia 2 não são muito eficazmente desacopladas uma vez que elas são acopladas através de uma molécula de água única. Notar, no entanto, que moléculas de água podem também formar cadeias ligadas por H entre elas mesmas. Desta maneira, pode haver um acoplamento tal como: Cadeia 1-água-...-água-Cadeia 2. Este acoplamento através de cadeias de moléculas de água não seria esperada ser forte.

[00023] Alternativamente, álcoois ROH não podem formar ligações de H com duas cadeias simultaneamente através do primeiro cenário descrito acima, mas podem fazê-lo através do segundo cenário. Em outra modalidade não limitante, tal acoplamento pode ocorrer através de um glicol ou através de uma ponte tal como: Cadeia 1-ROH-...- ROH-Cadeia 2, mas não seria esperado ser um acoplamento forte. No entanto, as porções alquila de moléculas de álcool podem servir como espaçadores entre as cadeias de polímero e desacoplar as cadeias mais eficazmente do que água sozinha. Desta maneira, a Tg do polímero em álcoois ou fluidos de disposição mais complexos (multicomponente) pode ser menor do que aquela obtida em água sozinha.

[00024] Em um polímero de poliuretana-policarbonato, em uma versão não restritiva aqui, há muitos átomos de oxigênio de carboxila na cadeia e menos átomos de hidrogênio das ligações de uretana. Desta maneira, moléculas de água podem formar muitas pontes Cadeia 1-água-Cadeia 2, enquanto álcoois ROH podem formar poucas pontes de Cadeia 1-ROH-Cadeia 2 uma vez que há relativamente menos átomos de hidrogênio de ligações de poliuretana na cadeia comparado com os átomos de oxigênio de carboxila.

[00025] Fluidos de disposição que não podem romper a ligação de hidrogênio das cadeias de polímero ao se juntarem a ligações de hidrogênio em si podem ainda afetar a Tg e a rigidez das cadeias de polímero ao simplesmente fisicamente interferir ou ficar entre os sítios de ligação de hidrogênio das cadeias de polímero adjacentes para prevenir ou inibir que as cadeias de da ligação de hidrogênio se liguem umas às outras. Esta compreensão não limitante pode ajudar a explicar por que materiais não polares tais como hidrocarbonetos, por exemplo, óleos, podem ainda diminuir a Tg e reduzir a rigidez dos materiais de polímero. Pode então ser compreendido que há em termos gerais um espectro de fluidos de disposição úteis, onde os fluidos mais polares têm mais de um efeito e os fluidos menos polares têm menos de um efeito.

[00026] Deve ser também compreendido que o efeito do fluido de disposição é reversível. Isto é, quando o fluido de disposição é removido, a Tg do material com memória de forma polimérico bem como a rigidez original são restauradas. Como uma questão prática, não é possível remover todo o fluido de disposição do material com memória de forma polimérico uma vez ele tendo sido contatado por ele ou até mesmo saturado com o mesmo. Uma vez que o material com memória de forma polimérico é poroso, e em uma modalidade benéfica é uma espuma de célula aberta, é simplesmente fisicamente difícil remover todo o fluido de disposição uma vez ele estando contatado com e introduzido na espuma. Desta maneira, em uma modalidade não limitante, "remoção substancial de todo o fluido de disposição" é definido aqui como remoção de pelo menos 90% em volume do fluido, alternativamente pelo menos 95% em volume, e em outra versão pelo menos 99% vol. Com certeza, remoção completa é um objetivo.

[00027] Desta maneira, pode ser compreendido que com substancialmente todo o fluido de disposição sendo removido do material com memória de forma polimérico, os efeitos podem ser restauração da Tg para pelo menos 90% da Tg original e/ou restauração da rigidez em pelo menos 25% da rigidez original. Alternativamente, a Tg é restaurada para pelo menos 95% da Tg original e/ou a rigidez é restaurada em pelo menos 50% da rigidez original. Em outra versão não restritiva, a Tg é restaurada para pelo menos 99% da Tg original e/ou a rigidez é restaurada em pelo menos 90% da rigidez original. Com certeza, restauração completa dessas propriedades é desejável. A rigidez pode ser restaurada quando, em um exemplo não limitante, o álcool ROH é removido da estrutura esquemática mostrada na FIGURA 4 e a ligação de hidrogênio entre as cadeias de polímero é restaurada, conforme esquematicamente mostrado na FIGURA 3.

[00028] Em uma modalidade não limitante, um tensoativo opcional pode ser usado para ajudar a recuperar um fluido de disposição do material com memória de forma polimérico. Tensoativos adequados quando o fluido de disposição sendo removido é um fluido polar tais como água, salmouras, sulfóxido de dimetila, cetonas, álcoois, glicóis e éteres podem incluir, mas não necessariamente limitados a, tensoativos aniônicos, catiônicos, anfotéricos e não iônicos. Tensoativos adequados quando o fluido de disposição sendo removido é um fluido não polar tal como um óleo, por exemplo, um óleo de planta, por exemplo, óleo de oliva ou óleo de girassol, podem incluir, mas não necessariamente limitados a, tensoativos aniônicos, catiônicos, anfotéricos e não iônicos.

[00029] O método descrito aqui pode ter benefício considerável. Em um exemplo não limitante, um produto de dispositivo para poço de petróleo único tendo apenas um tipo de material com memória de forma polimérico pode ser usado em uma variedade de aplicações requerendo disposição do material com memória de forma polimérico da sua posição geométrica alterada para uma posição geométrica recuperada em Tgs diferentes simplesmente através de contato, embebimento ou saturação do material com memória de forma polimérico em sua posição geométrica alterada em um fluido de disposição diferente adequado projetado para alterar sua Tg em quantidades diferentes.

[00030] Em uma modalidade não limitante específica, o material com memória de forma é um material de poliuretana que é extremamente rígido e forte e que é capaz de ser geometricamente alterado e retornado para substancialmente sua forma geométrica original. A Tg da espuma de poliuretana com memória de forma pode variar de a partir de 40°C a cerca de 200°C e é geometricamente alterada por força mecânica a 40°C a 190°C. Enquanto ainda em estado geometricamente alterado, o material pode ser esfriado para temperatura ambiente ou alguma outra temperatura abaixo da Tg de cada material com memória de forma. A poliuretana com memória de forma é capaz de permanecer no estado geométrico alterado mesmo após força mecânica aplicada ser removida. No entanto, conforme descrito aqui, o material com memória de forma polimérico em seu estado geométrico alterado pode ser contatado, saturado ou embebido em um fluido de disposição que altera sua Tg, geralmente diminuindoa. Quando o material com memória de forma polimérico comprimido é aquecido para acima da sua Tg de início reduzida ou modificada, ele é capaz de retornar para sua forma original, ou próximo de sua forma original. O tempo requerido para recuperação da forma geométrica pode variar de a partir de cerca de 20 minutos a 40 horas ou mais dependendo da inclinação das curvas de transição conforme o material se move de um estado de vidro para um estado de borracha. Se o material permanecer abaixo da Tg de início alterada ou diminuída ele permanece no estado geometricamente alterado e não muda sua forma.

[00031] Idealmente, quando poliuretana com memória de forma é usada como um dispositivo para interior de poço, é preferido que o dispositivo permaneça em um estado geométrico alterado durante inserção até que ele atinja o local desejado no interior do poço. Geralmente, ferramentas para interior de poço que vão da superfície até o local desejado no interior do poço levam horas ou dias. Desta maneira, é importante combinar as Tgs de início alteradas do material com as temperaturas do interior do poço esperadas. Os fluidos de disposição descritos aqui ajudam o projetista a prevenir disposição prematura do material com memória de forma polimérico e controlar quando e onde disposição ocorre, desta maneira permitindo implementação e disposição sem falhas do dispositivo para interior de poço.

[00032] Em algumas modalidades não limitantes, quando a temperatura é alta o suficiente durante a inserção, os dispositivos feitos da poliuretana com memória de forma poderiam começar a recuperação. Para evitar recuperação precoce indesejada durante inserção, métodos de retardo podem ou devem ser levados com consideração. Em modalidades não limitantes anteriores, uma película de álcool de (poli)vinila (PVA) ou outra película adequada pode ser usada para envolver ou cobrir a superfície externa de dispositivos feitos de poliuretana com memória de forma para prevenir recuperação durante inserção. Uma vez os dispositivos estando no lugar no interior do poço por uma dada quantidade de tempo em temperatura, a película de PVA é capaz de ser dissolvida na água, emulsões ou outros fluidos no interior do poço e, após tal exposição, os dispositivos com memória de forma podem se recuperar para sua forma geométrica original ou se conformar à perfuração ou outro espaço. No entanto, o aparelho e os métodos descritos aqui ao contrário previnem recuperação precoce indesejada do material com memória de forma polimérico através do contato, embebimento ou envelopamento do material em um fluido de disposição que altera a Tg suficientemente para ajudar a inibir ou prevenir disposição prematura.

[00033] Em uma modalidade não limitante, uma ferramenta para interior de poço pode ter um dispositivo para poço de petróleo que é um material com memória de forma polimérico conforme descrito aqui que pode ser projetado para permitir que fluidos, mas não partículas finas e outros sólidos, passem por uma tela, por exemplo. Em uma versão não restritiva diferente, o material com memória de forma polimérico pode ser projetado para prevenir fluidos bem como sólidos de passarem por ele, caso onde a ferramenta é um empacotador (packer) ou outro dispositivo de isolamento. Nessas e em outras modalidades, a posição geométrica recuperada do material com memória de forma polimérico pode se conformar totalmente ao espaço disponível entre o dispositivo para poço de petróleo e a parede da perfuração ou alojamento. Quando é descrito aqui que um dispositivo "se conforma totalmente" à perfuração, quer dizer que o material com memória de forma se recupera ou se dispõe para preencher o espaço disponível até a parede da perfuração. A parede da perfuração vai limitar a forma recuperada, final, do material com memória de forma e na realidade não permite que ele se expanda para sua forma geométrica, original. Desta maneira, no entanto, o material com memória de forma recuperado ou disposto vai desempenhar a função desejada dentro do poço. Em suma, dispositivos para poço de petróleo adequados usados nos aparelhos ou nos métodos descritos aqui incluem, mas não estão necessariamente limitados a, uma ferramenta de expansão, uma tela, um empacotador e um tampão de isolamento.

[00034] A invenção será agora descrita com relação a certos exemplos específicos que não pretendem limitar a invenção de modo algum, mas simplesmente iluminá-la mais.

EXEMPLO 1

[00035] O efeito de fluidos de disposição polares e não polares sobre a disposição dos expansíveis à base de espuma de polímero com memória de forma é mostrado na FIGURA 5. Duas amostras cilíndricas de espuma de célula aberta rígida de poliuretanapolicarbonato (a = 4 mm, d = 7 mm) foram imersas em óleo vegetal e água a 65°C e compactadas para 35,2% e 39,4% de sua altura original, respectivamente. Após as cargas compressivas sobre as amostras terem sido removidas, a amostra imersa no óleo vegetal expandiu para 39,9% de sua altura original dentro de 21 segundos e então expandiu mais para apenas 40,9% de sua altura original durante os próximos 2468 minutos, enquanto a amostra imersa em água rapidamente expandiu para 50,8% de sua altura original dentro de 62 segundos e então gradualmente expandiu mais para 67,2% de sua altura original durante os próximos 2500 minutos. Notar que a expansão rápida inicial das amostras de espuma reflete uma resposta elástica da espuma à remoção de carga compressiva e pode ser evitada se as amostras pré-compactadas forem imersas no líquido para disposição. Desta maneira, a amostra de espuma imersa no óleo vegetal foi eficazmente "congelada" a 65°C, enquanto a amostra imersa na água foi capaz de continuamente expandir com uma taxa decrescente como uma função de tempo na mesma temperatura. Desta maneira, este experimento mostra que um elemento expansível à base de espuma de poliuretana/policarbonato compactado pode ser seguramente transportado para o interior do poço e instalado em temperaturas de menos do que pelo menos 65°C se o poço de petróleo for circulado com um líquido à base de óleo. Substituição do fluido de circulação à base de óleo com um líquido à base de água dispararia a disposição dos expansíveis na mesma temperatura. Este experimento também mostra que a temperatura de início para a disposição de um elemento à base de espuma imerso na água é menor do que 65°C.

EXEMPLO 2

[00036] Neste caso particular de um material de espuma com memória de forma de policarbonato-poliuretana, é acreditado que as moléculas de água relativamente leves e móveis formam ligações de hidrogênio com os átomos de oxigênio negativamente carregados de cadeias de policarbonato e os átomos de hidrogênio positivamente carregados de ligações de uretana (carbamato) induzindo seu movimento e provavelmente agindo como um "lubrificante interno" entre as cadeias de polímero, conforme discutido anteriormente. Uma compreensão de nível molecular de interações de moléculas de água com cadeias de polímero pode ser provida pelas simulações de Dinâmica Molecular, descritas por Tamar Schlick em "Molecular Modeling and Simulation", Springer-Verlag, Nova York, 2002.

[00037] Este fenômeno reduz eficazmente uma temperatura de transição vítrea, Tg, da espuma de poliuretana/policarbonato imersa na água em comparação com Tg do mesmo material imerso em óleo vegetal por uma ΔTg de cerca de -17°C, como visto na FIGURA 6. A FIGURA 6 é um gráfico dos módulos de armazenamento (E’) e perda (E") das amostras de material com memória de forma polimérico imersas em óleo e água como funções da temperatura. A temperatura de transição vítrea do polímero imerso em líquido (Tg) corresponde ao valor de pico do módulo de perda E" e indica que a Tg é cerca de 17°C menor quando água é usada comparado com quando óleo é usado. Notar também a mudança para a esquerda da curva de módulo de armazenamento E’ quando água é usada comparado com quando o óleo é empregado.

[00038] Desta maneira, a água funciona como um agente de disposição ou ativação sobre a espuma de polímero enquanto o óleo vegetal não mostra uma redução da Tg significante e propriedades de "lubrificação" (redução da rigidez). Desta maneira, ao substituir um fluido de circulação de poço de petróleo não polar (hidrocarboneto) que não tem propriedades de redução de Tg relativamente grandes com um fluido de habilidade de redução de Tg relativamente maior contatando o material de espuma de polímero, a temperatura de início para a disposição dos expansíveis à base de espuma de polímero com memória de forma pode ser reduzida. Em uma implementação não limitante, a temperatura de início de disposição pode ser mantida alta durante o transporte para o interior do poço e os procedimentos de instalação. Então a Tg pode ser diminuída substituindo os fluidos de circulação à base de óleo com os à base de água para ativar o disposição dos expansíveis. Deve ser notado que a variedade de fluidos de disposição possíveis é ampla, e a água e o óleo vegetal são usados apenas como exemplos.

EXEMPLO 3

[00039] Conforme mostrado na FIGURA 7, ao mudar a temperatura do líquido de circulação, é possível controlar ambos a taxa e o grau da disposição dos expansíveis à base de espuma de polímero com memória de forma. Conforme mostrado na FIGURA 7, aumento da temperatura aumenta a taxa bem como o grau da disposição dos expansíveis. Deve ser notado que este efeito mantém a espuma imersa em ambos os fluidos de disposição mais polares e os fluidos de disposição não polares.

EXEMPLO 4

[00040] Os dados que seguem apoiam a compreensão que um fluido de disposição polar que diminui a Tg do material relativamente mais do que um fluido não polar é também mais eficaz para redução do tempo de disposição da tela de contenção de areia totalmente conformável (TCS) (Totally Conformable Sand Screen). Neste exemplo a TCS era uma espuma de poliuretana/policarbonato.

[00041] O material da TCS antes do contato com o fluido de ativação tem uma Tg em solução de KCl 3% de 71°C. Após sua imersão em fluidos de ativação a 46,1°C (115°F) por 72 horas, as Tgs em solução de KCl 3% são conforme mostrado na Tabela 1.
TABELA I
Tg do Material em Solução de KCl 3% após Disposição Usando Várias Misturas de EGMBE e MeOH

[00042] Os resultados da Tabela I são postos em gráfico na FIGURA 8. Pode ser visto que a Tg do material diminui conforme o teor de EGMBE no fluido de ativação aumenta.

[00043] A FIGURA 9 mostra que quanto maior o teor de EGMBE no fluido de disposição, menos tempo ele leva para dispor a TCS para diâmetro de orifício em gauge. Nos experimentos de disposição, os fluidos de disposição e tempos de disposição correspondentes foram conforme mostrado na Tabela II. Pode ser visto então que o fluido de disposição que reduz Tg mais também reduz o tempo de disposição mais.

[00044] Deve ser compreendido que a invenção não é limitada aos detalhes exatos de construção, operação, materiais exatos ou modalidades mostrados e descritos, uma vez que modificações e equivalentes serão aparentes a um versado na técnica. Desta maneira, a invenção deve então ser limitada apenas pelo escopo das reivindicações apensas. Ainda, o relatório deve ser considerado em um sentido ilustrativo ao invés de restritivo. Por exemplo, combinações específicas de componentes para produzir os materiais com memória de forma poliméricos, Tgs particulares, fluidos de disposição particulares usados, configurações de ferramenta para interior de poço específicas, projetos e outras composições, componentes e estruturas que se encaixam nos parâmetros reivindicados, mas não especialmente identificados ou testados em um método ou aparelho particular, são antecipadas estar dentro do escopo da presente invenção.

[00045] Os termos "compreende" e "compreendendo" nas reivindicações devem ser interpretados significar incluindo, mas não limitado a, os elementos mencionados. Por exemplo, um dispositivo para poço de petróleo no presente relatório pode consistir em ou consistir essencialmente em pelo menos um material com memória de forma polimérico e um fluido de disposição conforme definido pelas reivindicações. Similarmente, um método de instalação de um dispositivo para poço de petróleo em uma ferramenta para interior de poço em um poço pode consistir em ou consistir essencialmente na introdução da ferramenta no interior do poço carregando o dispositivo para poço em um poço onde o material com memória de forma polimérico é contatado por um primeiro fluido, substancialmente remoção do primeiro fluido, contato do material com memória de forma polimérico com um fluido de disposição e recuperação do material com memória de forma polimérico da sua posição geométrica alterada para inserção em uma posição geométrica recuperada conforme especificado mais nas reivindicações.

[00046] A presente invenção pode compreender adequadamente, consistir ou consistir essencialmente nos elementos revelados e pode ser praticada na ausência de um elemento não revelado.

Claims

Dispositivo para poço de petróleo compreendendo:
pelo menos um material com memória de forma polimérico tendo uma temperatura de transição vítrea (Tg) original e uma rigidez original; e
um fluido de disposição contatando o material com memória de forma polimérico em uma quantidade eficaz para ter um efeito sobre o material com memória de forma polimérico, o efeito selecionado do grupo consistindo em diminuição da Tg, diminuição da rigidez e ambas, caracterizado por o fluido de implantação ser selecionado a partir do grupo que consiste em dimetilsulfóxido, cetonas, álcoois, glicóis, éteres e suas misturas,
onde o dispositivo para poço de petróleo tem a propriedade que quando substancialmente todo o fluido de disposição é removido do material com memória de forma polimérico, um efeito é obtido selecionado do grupo consistindo em restauração da Tg para pelo menos 90% da Tg original; restauração da rigidez para pelo menos 25% da rigidez original e ambas.
Dispositivo para poço de petróleo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o material com memória de forma polimérico é selecionado do grupo consistindo em poliuretanas, poliuretanas feitas pela reação de um poliol de policarbonato com um poli-isocianato, poliamidas, poliureias, álcoois de polivinila, copolímeros de álcool de vinil-éster de vinila, polímeros fenólicos, polibenzimidazóis, copolímero de óxido de polietileno/ácido acrílico/ácido metacrílico reticulado com N,N’-metileno-bis-acrilamida, copolímero de óxido de polietileno/ácido metacrílico/N-vinil-2- pirrolidona reticulado com dimetacrilato de etileno glicol, copolímero de óxido de polietileno/poli(metacrilato de metila)/N-vinil-2-pirrolidona reticulado com dimetacrilato de etileno glicol e suas combinações.
Dispositivo para poço de petróleo, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o material com memória de forma polimérico é uma poliuretana formada por um processo compreendendo reação de um poliol policarbonato com um isocianato.
Dispositivo para poço de petróleo, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o dispositivo para poço de petróleo é selecionado do grupo consistindo em uma ferramenta de expansão, uma tela, um empacotador, um tampão de isolamento e suas combinações.
Dispositivo para poço de petróleo, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o material com memória de forma polimérico está em uma posição geométrica alterada diferente de uma posição geométrica original.
Método de instalação de um dispositivo para poço de petróleo em uma ferramenta de interior de poço em um poço para petróleo, o método caracterizado pelo fato de que compreende:
introdução da ferramenta de interior de poço carregando o dispositivo para poço em um poço de petróleo, onde o dispositivo para poço de petróleo compreende pelo menos um material com memória de forma polimérico tendo uma temperatura de transição vítrea (Tg) original e uma rigidez original, onde o material com memória de forma polimérico está em uma posição geométrica alterada e o material com memória de forma polimérico é contatado por um primeiro fluido;
substancialmente remoção do primeiro fluido;
contato do material com memória de forma polimérico com um fluido de disposição em uma quantidade eficaz para ter um efeito sobre o material com memória de forma polimérico, o efeito selecionado do grupo consistindo em diminuição da Tg, diminuição da rigidez e ambas, onde a implantação o fluido é selecionado a partir do grupo que consiste em dimetilsulfóxido, cetonas, álcoois, glicóis, éteres e suas misturas; e
recuperação do material com memória de forma polimérico de sua posição geométrica alterada para inserção para uma posição geométrica recuperada;
onde o dispositivo para poço de petróleo tem a propriedade que quando substancialmente todo o fluido de disposição é removido do material com memória de forma polimérico, um efeito é obtido selecionado do grupo consistindo em restauração da Tg para pelo menos 90% da Tg original; restauração da rigidez para pelo menos 25% da rigidez original e ambas.
Método, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que compreende ainda expansão do material com memória de forma polimérico de sua posição geométrica alterada para uma posição geométrica recuperada.
Método, de acordo com a reivindicação 6 ou 7, caracterizado pelo fato de que o material com memória de forma polimérico é selecionado do grupo consistindo em poliuretanas, poliuretanas feitas através da reação do poliol de policarbonato com um poli-isocianato, poliamidas, poliureias, álcoois de polivinila, copolímeros de álcool de vinil-éster de vinila, polímeros fenólicos, polibenzimidazóis, copolímero de óxido de polietileno/ácido acrílico/ácido metacrílico reticulado com N,N’-metileno-bis-acrilamida, copolímero de óxido de polietileno/ácido acrílico/N-vinil-2-pirrolidona reticulado com dimetacrilato de etileno glicol, copolímero de óxido de polietileno/poli(metacrilato de metila)/N-vinil-2-pirrolidona reticulado com dimetacrilato de etileno glicol e suas combinações.
Método, de acordo com a reivindicação 6 ou 7, caracterizado pelo fato de que o material com memória de forma polimérico é uma poliuretana formada através de um processo compreendendo reação de um poliol policarbonato com um isocianato.
Método, de acordo com a reivindicação 6 ou 7, caracterizado pelo fato de que o dispositivo para poço de petróleo é selecionado do grupo consistindo em uma ferramenta de expansão, uma tela, um empacotador, um tampão de isolamento e suas combinações.