CN102844521B - 预防、激发和控制形状记忆聚合物泡沫基可膨胀物的部署 - Google Patents

Abstract

可通过用部署流体对挤压的或压缩的聚合物形状记忆材料进行处理降低其Tg和/或减少其刚性从而在给定的温度下软化所述聚合物形状记忆材料和在较低的温度下触发其膨胀或恢复，可实现激发和控制井下工具上的井眼装置上的聚合物形状记忆材料的部署。或者，通过流体环境屏蔽所述材料从而可预防或抑制挤压的或压缩的聚合物形状记忆材料的部署，所述流体基本上不降低其Tg，减少其刚性或二者同时，和然后使所述材料与部署流体接触。

Description

预防、激发和控制形状记忆聚合物泡沫基可膨胀物的部署

技术领域

本发明涉及用于石油和天然气井眼的装置，所述装置采用在试运转(run-in)期间保持处于改变的几何状态的形状记忆材料；一旦所述装置处于井下的适当位置且在给定量的时间内暴露于给定的温度，该装置在改变之前试图回到它们的初始几何位置。更特别地，本发明涉及这样的装置，其中通过使用部署(deployment)流体使Tg和/或其刚性降低。

背景技术

在本领域已知过滤、井眼隔离、生产控制、井眼生命周期管理和井眼构建的不同方法。已经公开在这些应用中使用形状记忆材料用于石油和天然气开发。形状记忆材料是智能材料，其具有被外部刺激或触发（例如：温度改变）而引起的从变形的或压缩的状态（临时状态）返回到它们的初始（持久）形状的能力。除了温度改变，这些材料的形状记忆效果也可被电场或磁场、光、与特殊流体接触或pH改变而触发。形状记忆聚合物(SMP)涵盖很宽的性能范围，从稳定的到可生物降解的，从软的到硬的和从弹性的到刚性的，这取决于组成该SMP的结构单元。SMP包括热塑性和热固性（共价交联）聚合物材料。已知SMP能够在记忆中储存多种形状。

动态力学分析(DMA)，也称为动态机械热分析(DMTA)或动态热机械分析，是用于研究和表征SMP材料的技术。观察这些聚合物的黏弹属性是最有用的。样本在负载下变形。从这点可确定样本刚度，和可计算样本模量。通过测量与作用力比较时位移中的时间滞后，有可能确定材料的阻尼性能。时间滞后称为相位滞后，其是某一角度。阻尼叫做正切Δ，因为其称为相位滞后的正切。

黏弹材料例如形状记忆聚合物通常以两种明显的状态存在。它们呈现出玻璃（高模量）性能和橡胶（低模量）性能。在DMA实验期间通过扫描温度，可表征这种状态改变，即从玻璃态到橡胶态的转变。还应注意到，除了温度改变之外的外部刺激也可使形状记忆变化。

在附图1中显示了聚合物的储能模量E’（弹性响应）和损耗模量E”（粘性响应）作为温度的函数。形状记忆聚合物的过渡态属性影响材料的形状恢复特性且可描述为聚合物的形状恢复。参考附图1，玻璃态描述储能模量的改变对温度改变的响应，这产生恒定斜率的线。随着温度增加，当储能模量的斜率发生改变时过渡态开始。这称为初始Tg，在附图1中其约为90℃。初始Tg也是其中形状恢复可开始的点。将附图1中描述的形状记忆聚合物的Tg定义为损耗模量的峰，在附图1中约为110℃。如果用未定义的斜率的垂直线表示储能模量的斜率改变，材料形状恢复将在特定的温度发生且立即由玻璃态到橡胶态转变。总体上，过渡态中储能模量的斜率改变越缓慢，同时呈现出玻璃态和橡胶态特征的温度范围越大。对于SMP材料的形状恢复特征来讲，过渡态是关注的区域。如果刺激温度与Tg初始温度较接近，则形状恢复将较慢发生，以及如果刺激温度接近或超过Tg，则形状恢复将较快发生，这也应该是显而易见的。

利用形状记忆聚合物的独特性质的一种方法是通过上述的温度响应。在附图2中可看到实例。形状记忆聚合物的成品模型制品100具有定义的Tg和初始Tg。可认为这是形状记忆材料的初始几何位置。然后将制品加热至接近该聚合物的Tg。向该成品制品施加力使制品再成形为不同构造或形状100’。可认为这是形状记忆材料的改变的几何位置。然后将再成形制品100’冷却至低于形状记忆聚合物的初始Tg和移去力。现在成品制品100’将维持新形状直到将制品的温度增加到初始Tg，在此点将开始形状恢复且该制品将试图返回到其初始形状100，或者，如果受限，制品将适应新的限制形状100”。可认为此形状100”是形状记忆材料的恢复的几何位置。

受让给Baker Hughes公司的美国专利No.7,318,481公开了自适应膨胀筛网，其包含热固性开孔形状记忆聚合物泡沫。配制泡沫材料组合物从而达到所需的过渡温度，所述过渡温度稍低于该部件待使用时所在深度的预期井下温度。这使得适应泡沫在所需深度发现的温度下膨胀。

形状记忆聚合物泡沫基适应性砂筛、充填元件和其它井下工具的完美的安装和部署是决定可膨胀工具操作整体成功的两个关键步骤。执行这些步骤可是有挑战性的。因此，在安装期间有效地预防部署，在适宜的时间完美地触发可膨胀元件的部署和可靠地控制部署的速度和程度对于可膨胀元件的成功执行是基本的，这也是所需的和重要的。发现在具体的井下位置用于精确安装和部署由形状记忆材料制造的元件以达到过滤、井眼隔离、生产控制、井眼生命周期管理和井眼构建所需的一些功能的方法和装置是非常有用的。总体上，对于部署元件来讲，控制和多功能性越多越好，因为这给装置设计上较多的灵活性和提供给操作者在井眼装置的设计、放置和构造上较多的灵活性。

发明内容

在一种非限制形式中，本发明提供一种井眼装置，所述装置包括至少一种具有最初玻璃化转变温度(Tg)和最初刚性的聚合物形状记忆材料。所述井眼装置还包括与聚合物形状记忆材料接触的部署流体，所述流体的量可有效地具有选自以下的效应：降低Tg和/或减少刚性。

在另一非限制形式中，本发明还提供一种井眼装置，所述装置包括基材例如钢坯和基材上的至少一种聚合物形状记忆材料。所述聚合物形状记忆材料具有最初玻璃化转变温度(Tg)和最初刚性。所述聚合物形状记忆材料可以是聚氨酯，由聚碳酸酯多元醇与多异氰酸酯反应制备的聚氨酯、聚酰胺、聚脲、聚乙烯醇、乙烯醇-乙烯酯共聚物、酚类(phenolic)聚合物、聚苯并咪唑、与N,N’-亚甲基-二-丙烯酰胺交联的聚环氧乙烷/丙烯酸/甲基丙烯酸共聚物、与乙二醇二甲基丙烯酸酯交联的聚环氧乙烷/甲基丙烯酸/N-乙烯基-2-吡咯烷酮共聚物、与乙二醇二甲基丙烯酸酯交联的聚环氧乙烷/聚(甲基丙烯酸甲酯)/N-乙烯基-2-吡咯烷酮共聚物和其组合。所述井眼装置还可包括与聚合物形状记忆材料接触的部署流体，所述流体的量可有效地具有使Tg降低至第二和较低的Tg和/或使最初刚性减少至第二、降低的刚性的效应。所述井眼装置具有如下特性：当把基本上所有的部署流体从聚合物形状记忆材料移出时，得到的效应可包括使Tg恢复到最初Tg的至少90％以内和/或使刚性恢复到最初刚性的至少25％以内。

在另一非限制实施方案中，提供了一种在井眼中的井下工具上安装井眼装置的方法。所述方法包括将具有井眼装置的井下工具引入至井眼中。所述井眼装置也包括具有最初Tg和最初刚性的至少一种聚合物形状记忆材料。所述聚合物形状记忆材料处于改变的几何位置且使该聚合物形状记忆材料与第一流体接触。基本上移去第一流体。所述方法还包括使聚合物形状记忆材料与部署流体接触，所述流体的量可有效地具有选自以下的效应：降低Tg和/或减少刚性。对于井下试运转来讲，所述方法还包括使聚合物形状记忆材料从其改变的几何位置恢复到恢复的几何位置。

附图说明

附图1是用于形状记忆聚合物的储能模量E’(弹性响应)(左边竖轴)和损耗模量E”(粘性响应)(右边竖轴)作为温度函数的图线，其描述了当将聚合物加热时从玻璃态经由过渡态至橡胶态每种模量的改变。

附图2是在把成品形状记忆聚合物制品加热至接近聚合物的Tg之前和施加力以使其再成形为不同构造或形状以及然后将其冷却至低于聚合物的初始Tg，和最后当该制品加热至初始Tg(在此点恢复将开始)以及该制品返回到或接近于其初始形状的照片。

附图3是通过氢键耦合的聚氨酯链的示意图，其阐明了聚氨酯的晶体结构，其中限制了聚合物链的移动性，因此材料具有较高的Tg。

附图4是聚氨酯链之间的氢键网络的示意图，聚氨酯链被醇类部署流体ROH打断，其显示聚合物链被解耦且相对较可移动，因此，材料的Tg较低和其刚性降低。

附图5是在65℃时，在植物油和水中的形状记忆聚氨酯-聚碳酸酯刚性开孔泡沫的挤压样品的部署百分数作为时间函数的图表。

附图6是浸入在植物油和水中的泡沫样品的储能模量(E’)和损耗模量(E”)作为温度函数的图线，浸入在液体中的聚合物的玻璃化转变温度(Tg)与损耗模量E”的峰值对应。

附图7是在水中的聚合物泡沫形状记忆材料的挤压样品的部署温度作为温度函数的图线。

附图8是Tg作为醇基部署流体中的乙二醇单丁基醚(EGMBE)的百分数的函数的图线，其表明聚合物形状记忆材料的Tg随着部署流体中EGMBE含量的增加而减少；和

附图9的图线表明醇基部署流体中的EGMBE含量越高，需要较少的时间部署聚合物形状记忆材料以测量孔径。

具体实施方式

已经发现可以通过用部署流体对挤压的可膨胀物进行处理，减少聚合物的玻璃化转变温度Tg，在给定的温度下软化聚合物材料，因而触发其膨胀来实现激发和控制形状记忆聚合物泡沫基可膨胀物的部署。或者，通过使用流体防护网罩或流体防护屏屏蔽可膨胀物可预防自然产生的井眼部署流体在给定温度下对挤压的可膨胀物的部署。

井眼装置，例如在过滤、井眼隔离、生产控制、生命周期管理、井孔构建等使用的那些可以通过含有以改变的几何位置或形状进入该井眼中的形状记忆材料来提高，其中形状记忆材料在不同的Tg初始温度和/或不同的斜率变化（从玻璃态到橡胶态的各自过渡态的斜率变化）时变至它们各自的初始的几何位置或形状或改变至恢复的几何位置或形状。

在一个非限制实施方案中，所述形状记忆材料由一种或多种多元醇制备，该多元醇比如，但不限于，聚碳酸酯多元醇和至少一种异氰酸酯，包括，但不必限于，改性的二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)，以及其它添加剂，包括但不必限于，发泡剂、分子交联剂、增链剂、表面活性剂、着色剂和催化剂。

在一个非限制实施方案中，将能够几何地改变的形状记忆聚氨酯材料在它们的初始玻璃化转变温度（Tg）（在此点材料变软）之上的温度下充分压缩，例如，它们初始体积的20-30％。而在仍几何地改变时，可将材料冷却至远低于其初始Tg，或冷却至室温或环境温度，并且即使移去施加的形状改变力它能够保持改变后的几何状态。当将材料加热至接近其初始Tg或其初始Tg之上时，它能够恢复到其初始的几何状态或形状，或者接近其初始的几何位置；该状态或形状可被称为恢复的几何位置。换句话说，形状记忆材料具有潜在的形状记忆，这提供在形状记忆材料制备后其自然地获得的形状。能够配制聚氨酯和其它聚合物形状记忆材料的组成以实现所需的初始玻璃化转变温度，该温度适合于井下应用，其中对于在装置的初始Tg之下的温度位于该部件待使用时的深度时可控制部署。

通常，认为聚氨酯聚合物或聚氨酯泡沫的热稳定性和耐水解性较差，特别当其是由聚醚或聚酯制备。先前已发现当聚氨酯由如上述的聚碳酸酯多元醇及亚甲基二苯基二异氰酸酯（MDI）制备时，其热稳定性和耐水解性得到显著改善。能够配制本文的聚氨酯泡沫组合物以达到60℃－170℃范围内的不同玻璃化转变温度，这特别适合于满足大多数井下应用的温度要求。关于这些具体的聚氨酯泡沫或聚氨酯弹性体的更多细节可在作为美国专利申请公开No.2010-0089565公布的美国专利序列No.12/250,062中找到。

虽然有上面的描述，本文所描述的井眼装置和使用它们的方法，也可以用广泛种类的聚合物形状记忆材料实施，这些聚合物形状记忆材料包括，但不局限于，聚氨酯，由聚碳酸酯多元醇与多异氰酸酯反应制备的聚氨酯，聚酰胺，聚脲，聚乙烯醇，乙烯醇-乙烯酯共聚物，酚类聚合物，聚苯并咪唑，含氮交联的聚环氧乙烷/丙烯酸/甲基丙烯酸共聚物，与N,N’-亚甲基-二-丙烯酰胺交联的聚环氧乙烷/丙烯酸/甲基丙烯酸共聚物、与乙二醇二甲基丙烯酸酯交联的聚环氧乙烷/甲基丙烯酸/N-乙烯基-2-吡咯烷酮共聚物、与乙二醇二甲基丙烯酸酯交联的聚环氧乙烷/聚(甲基丙烯酸甲酯)/N-乙烯基-2-吡咯烷酮共聚物和其组合。虽然预期在多数实施中聚合物形状记忆材料是蜂窝泡沫，也可以理解不是蜂窝泡沫材料的其他物理结构，例如发现可使用弹性体作为聚合物形状记忆材料。当然，在一些非限制实施方案中，弹性体也可以是蜂窝状的。

适宜的部署流体包括，但不必限于水、盐水、二甲亚砜、酮、醇、二醇、醚、烃以及它们的混合物。适宜的极性流体的具体例子包括，但不必限于水、盐水、甲醇、乙醇、异丙醇、乙二醇单丁醚（EGMBE）、二甲亚砜和丙酮。适宜的非极性流体的具体实例包括，但不必限于，植物油、矿物油、LVT200油和原油。所述LVT200油为包含环烷烃、异链烷烃和正链烷烃的轻质C9-16加氢处理的馏分油，从DeltaDrilling Products&Services,LLC获得。一般来说，流体的极性越大，其作为部署流体的可能性越大，虽然几乎所有的流体可能呈现出作为部署流体的一些优点，这取决于待处理的聚合形状记忆材料。应当理解的是，特定的部署流体不应该是聚合物形状记忆材料的溶剂。即聚合物形状记忆材料不应该在部署流体中溶解至任意可观的程度。

影响Tg和/或刚性的有效的量是使全部期望受到作用的聚合物形状记忆材料基本饱和或浸湿所需的量。因为预期在大多数实施方案中，聚合物形状记忆材料将是开孔泡沫，物理上讲部署流体可能不会渗透所有的泡孔，但至少可接触材料的25vol.％，或者50vol.％，甚至至少90vol.％。在聚合物形状记忆材料不是泡沫的情况下，或代替地例如其是一种非多孔结构的弹性体，部署流体可能更加困难地达到材料中的所有聚合物链。在非限制实施方案中，为了使部署流体更有效可能需要更多的时间，或可能需要改变部署流体，例如具有相对较小分子的流体以允许渗透聚合物链结构。

参考附图3和4可看出关于可如何操作本文所述方法和装置的一种非限制性理论。如附图3所示，通过氢键耦合的聚氨酯链表示聚氨酯的晶体结构，并且因为聚氨酯链较规则和有序，该聚合物链是相对平行的，晶态聚氨酯更为刚性。聚合物链的移动性是有限的，因此，该材料具有较高Tg。但是，如果引入另一物质，例如醇ROH作为部署流体，聚氨酯链之间的氢键网络被打断。聚合物链与彼此解耦且相对更易移动，因此，该材料的Tg较低且材料的刚性减少，例如分别至第二、较低Tg和第二、减少的刚性。

已经发现，单独的水不能将聚碳酸酯-聚氨酯材料的Tg足够地大程度降低以例如在115°F（46.1℃）部署井眼装置。另一方面，已经发现EGMBE/MeOH/KCl盐水部署流体可以在该温度下部署井眼装置。非限制性解释是，单一水分子具有带负电荷的氧和两个带正电荷的氢原子。所以，它可以同时形成两个氢键：第一种情况，一个与一个聚合物链的羧基上的氧原子，另一个与第二聚合物链的羧基上的氧原子。然而，它也可能有第二种情况，一个氢键合第一聚合物链上的一个羧基氧，第二氢键合第二聚合物链上的聚氨酯链接的氢原子。因此，链1和链2都没有很有效地被解耦，因为它们是通过单一水分子耦合。但值得注意的是，水分子之间也可形成氢键合链。因此，可能存在例如：链1-水-...-水-链2的耦合。预期这种通过水分子链的耦合不强。

作为替代，ROH醇不会通过如上述的第一种情况同时用两个链形成氢键，但可以通过第二种情况形成。在另一非限制实施方案中，可通过二醇或通过例如链1-ROH-...-ROH-链2的桥接发生这样的耦合，但预期不是强耦合。然而，醇分子的烷基部分可在聚合物链之间担当间隔物，且比单独的水较有效地使链解耦。因此，醇中或较复杂的（多组分）部署流体中的聚合物Tg可比仅在水中所达到的Tg低。

在聚氨酯-聚碳酸酯聚合物中，本文一个非限制性的版本中，链上存在许多羧基氧原子和聚氨酯链接的较少氢原子。因此，水分子可以形成许多链1-水-链2桥接，而醇ROH可形成较少的链1-ROH-链2桥接，因为与羧基氧原子相比，链上的聚氨酯链接的氢原子相对较少。

通过本身参与氢键合而不能打断聚合物链的氢键合的部署流体，仍然可简单通过物理干扰，或在相邻聚合物链的氢键合位点之间出现以防止或抑制链与氢彼此间键合，从而影响聚合物链的Tg和刚性。这种非限制认识可有助于解释为什么非极性材料，像烃类，比如油类，仍可以降低聚合物材料的Tg和刚性。因此可以理解，存在有用的部署流体的粗略谱图，其中极性较大的流体有较强效果和极性较小的流体具有较弱效果。

还应意识到部署流体的效果是可逆的。即，当除去部署流体时，聚合物形状记忆材料的Tg以及初始刚性恢复。作为实际情况，一旦聚合物形状记忆材料已经被部署流体接触或甚至被其饱和，不可能从聚合物形状记忆材料中去除所有的部署流体。由于聚合物形状记忆材料是多孔的，在一个有益的实施方案中是开孔泡沫，一旦使部署流体接触且被引入至泡沫，仅仅在物理上是难以除去所有的部署流体。因此，在一个非限制实施方案中，本文将“基本上除去所有的部署流体”定义为除去至少90vol.％的流体，或者至少95vol.％，和另一版本中至少99vol.％。当然，目标是完全除去。

因此，可以理解，将基本上所有部署流体从聚合物形状记忆材料除去，效应可为使Tg恢复到初始Tg的至少90％，和/或使刚性恢复至初始刚性的至少25％内。替代地，使Tg恢复到初始Tg的至少95％，和/或使刚性恢复到初始刚性的至少50％内。在另一非限制的版本中，使Tg恢复到初始Tg的至少99％，和/或使刚性恢复到初始刚性的至少90％内。当然，期望使这些性能完全恢复。在非限制的实例中，当醇ROH从附图4中所示的示意结构中除去时，且使聚合物链之间的氢键合恢复，如附图3所示意，可能使刚性恢复。

在一个非限制实施方案中，可使用任选的表面活性剂从而有助从聚合物形状记忆材料中回收部署流体。当待移出的部署流体为极性流体，例如水、盐水、二甲亚砜、酮、醇、二醇和醚时，合适的表面活性剂，可包括，但不必限于，阴离子、阳离子，两性离子和非离子表面活性剂。当待移出的部署流体为非极性流体，例如植物油，如橄榄油或葵花籽油时，合适的表面活性剂可包括，但不必限于，阴离子、阳离子，两性离子和非离子表面活性剂。

本文所述方法可具有相当多的优点。在一个非限制的实例中，只具有一种类型聚合物形状记忆材料的单独井眼装置产品可在需要部署聚合物形状记忆材料、从它改变后的几何位置到不同Tg时的恢复的几何位置的各种应用中使用，简单地通过在设计的合适的不同部署流体中使聚合物形状记忆材料在改变的几何位置接触、浸入或饱和从而以不同的量改变其Tg。

在一个具体的非限制实施方案中，形状记忆材料是聚氨酯材料，该材料非常韧和强且能够被几何改变和基本恢复到其初始的几何形状。形状记忆聚氨酯泡沫的Tg范围可以从约40℃至约200℃，在40℃－190℃通过机械力几何改变。尽管仍然处于几何改变状态，可将该材料冷却至室温，或低于每种形状记忆材料Tg的一些其他温度。即使将施加的机械力移除后形状记忆聚氨酯能够保持改变的几何状态。然而如本文所述，可使处在改变的几何状态的聚合物形状记忆材料接触，饱和或浸泡在改变其Tg（通常降低）的部署流体中。当把压缩的聚合物形状记忆材料加热到其降低的或修正的初始Tg之上时，它能够恢复到其初始的形状，或接近其初始的形状。取决于当材料从玻璃态到橡胶态移动时过渡曲线的斜率，几何形状恢复所需的时间可从约20分钟至40小时或更长的时间变化。如果材料仍低于改变或降低的初始Tg，它会维持处于几何改变的状态，且不改变其形状。

理想地来讲，当形状记忆聚氨酯用作井下装置时，优选该装置在试运转期间维持处于改变的几何状态直到它达到所需的井下位置。通常，井下工具从地表行进至所需的井下位置需要数小时或数天。因此，使材料的改变的初始Tg与预期的井下温度相匹配是重要的。本文所述的部署流体可有助于设计师避免过早地部署聚合物形状记忆材料，并控制何时何地发生部署，从而允许完美地实施和部署井下装置。

在一些非限制实施方案中，当试运转过程中的温度足够高，由形状记忆聚氨酯制造的装置可开始恢复。为避免在试运转过程中不想要的早恢复，可能或者必须考虑延迟方法。在之前的非限制性实施方案中，可使用聚乙烯醇（PVA）膜或其它合适的膜包裹或覆盖在由形状记忆聚氨酯制造的装置的外表面，以防止在试运转过程中的恢复。一旦该装置在温度下处于井下适当位置并停留一定时间，该PVA膜能够溶解在水，乳液或其它井下流体中，和经过这样的暴露，形状记忆装置可恢复到它们初始的几何形状或适应井眼或其他空间。然而，替代地，本文所述的装置和方法通过在部署流体中接触、浸泡或包裹聚合物形状记忆材料从而避免不想要的该材料的早恢复，该部署流体充分改变Tg以有助于抑制或防止过早的部署。

在一个非限制实施方案中，井下工具可能具有井眼装置，该井眼装置是如本文所述的聚合物形状记忆材料，其设计成允许流体通过，但不允许细颗粒或其他固体通过例如筛网。在不同的非限制的版本中，聚合物形状记忆材料可设计成为阻止流体和固体从其中通过，在这种情况下，该工具是封隔器或其它的隔离设备。在这些和其他这样的实施方案中，聚合物形状记忆材料的恢复的几何位置可能完全适应井眼装置与井眼壁或套管之间可获得的空间。当本文中描述装置“完全适应”井眼时，这指的是恢复或部署形状记忆材料以填充可获得的直至井眼壁的空间。井眼壁将限制形状记忆材料的最终的恢复的形状，并且事实上不允许它膨胀到其初始的几何形状。然而，以这种方式，恢复的或部署的形状记忆材料将在井眼内执行所需的功能。总之，用于本文所述设备上或方法中的合适的井眼装置包括，但不必局限于，膨胀工具、筛网、封隔器和隔离栓。

现将关于某些具体实施例描述本发明，这些实施例的意图不在于以任何方式限制本发明，而仅仅为了更充分地阐述它。

实施例1

附图5显示了极性和非极性部署流体在形状记忆聚合物泡沫基可膨胀物上的效果。在65℃时将聚氨酯-聚碳酸酯刚性开孔泡沫(h＝4mm，d＝7mm)的两个圆柱型样品浸入植物油和水中并且分别压缩至它们初始高度的35.2%和39.4％。在移去样品上的压缩负载后，浸入在植物油中的样品在21秒内膨胀到其初始高度的39.9％，和然后进一步在之后的2468分钟内仅膨胀到其初始高度的40.9％，而浸入在水中的样品在62秒内迅速膨胀到其初始高度的50.8％，和然后在之后的2500分钟内进一步逐渐膨胀到其初始高度的67.2％。注意到泡沫样品的初始迅速膨胀反映了该泡沫对移去压缩负载的弹性响应并且如果把预先压缩的样品浸入到液体中用以部署则可避免。因此，浸入在植物油中的泡沫样品在65℃被有效地“冻结”，而浸入在水中的样品能够在相同的温度以作为时间函数的减少速率继续膨胀。因此，该实验表明如果使用油基液体循环井眼时，压缩的聚氨酯/聚碳酸酯泡沫基可膨胀物元件可在低于65℃的温度下被安全地运输到井下和安装。使用水基液体替换油基循环液体将会在相同的温度触发可膨胀物的部署。该实验也表明用于部署浸入水中的泡沫基元件的初始温度低于65℃。

实施例2

在聚碳酸酯-聚氨酯形状记忆泡沫材料的特定情况中，认为相对轻的和可移动的水分子与聚碳酸酯链的带负电荷的氧原子和氨基甲酸酯(氨基甲酸盐)链接的带正电荷的氢原子形成氢键，这引起它们的移动和如之前所讨论的有可能担当聚合物链之间的“内部润滑剂”。水分子和聚合物相互作用的分子水平的全面理解在Molecular Dynamicssimulations中提供（Tamar Schlick在"Molecular Modeling andSimulation",Springer-Verlag,New York,2002中描述）。

附图6中可以看到，与浸入在植物油中的同样材料的Tg相比较，这种现象使浸入在水中的聚氨酯/聚碳酸酯泡沫的玻璃化转变温度Tg有效降低了约-17℃的ΔTg。附图6是浸入在油和水中的聚合物形状记忆材料样品的储能模量(E’)和损耗模量(E’’)作为温度函数的图线。浸入在液体中的聚合物的玻璃化转变温度(Tg)与损耗模量E”的峰值对应并且指明与使用油时相比，使用水时Tg约低17℃。也注意与使用油时相比，使用水时向储能模量E’曲线的左侧移动。

因此，涉及聚合物泡沫时，水担当部署剂或活化剂，而植物油并没有呈现出显著的Tg降低和“润滑”(刚性减少)性能。所以，使用相对较强的Tg-降低能力的流体替换不具有相对较大的Tg-降低性质的非极性(烃)井眼循环流体与聚合物泡沫材料接触，可降低用于部署形状记忆聚合物泡沫基可膨胀物的初始温度。在一次非限制的操作中，在井下传输和安装程序期间可保持高的部署初始温度。然后可通过用水基循环流体替换油基循环流体从而降低Tg以激发可膨胀物的部署。应注意到可能的部署流体的种类是宽泛的，且使用的水和植物油仅作为实施例。

实施例3

如在附图7中所示，通过改变循环液体的温度，有可能同时控制形状记忆聚合物泡沫基可膨胀物部署的速度和程度。如在附图7中所示，升高温度增加了可膨胀物部署的速度和程度。应注意到这种效果对浸没在极性较高的部署流体和非极性部署流体中的泡沫都适用。

实施例4

下列数据支持这样的认识：相对于非极性流体来讲，降低材料Tg的极性部署流体对于减少完全适应性砂筛(TCS)的部署时间也更有效。这个实施例中，TCS是聚氨酯/-聚碳酸酯泡沫。

与活化流体接触前，该TCS材料在3％KCl溶液中Tg为71℃。当其在115°F在活化流体中浸入72小时后，在3％KCl溶液中的Tg示于表I中。

表I

使用EGMBE和MeOH的不同调和物部署后

在3％KCl溶液中材料的Tg

将表I的结果绘图在附图8中。可看出随着在活化流体中EGMBE含量的增加，材料的Tg降低。

附图9表明部署流体中的EGMBE含量越高，需要越少的时间部署TCS以测量孔径。在部署实验中，部署流体和对应的部署时间示于表П中。所以可看出使Tg降低较多的部署流体也可使部署时间降低较多。

表П

不同部署流体组合物的部署时间

理解到本发明不限于确切的构造、操作、确切的材料或所示和所述的实施方案的细节，因为修正或对等物对本领域技术人员将是显而易见的。因此，仅通过附加权利要求的范围限定本发明。此外，认为说明书是说明性意义而非限制性意义。例如，落在所要求保护的参数之内的、但是没有具体指明的或在具体方法或装置中尝试的用以制备聚合物形状记忆材料的各种组分的具体组合，特定Tg，使用的特定部署流体，井下工具的具体构造，设计和其它组合物、组分和结构被预期为在本发明的范围之内。

权利要求中的术语“包括”和“包含”应解释为含有，但不限于所述元素。例如，本文说明书中的井眼装置可由或基本由如权利要求所定义的至少一种聚合物形状记忆材料和部署流体组成。相似地，井眼中的井下工具上安装井眼装置的方法可由或基本由以下组成：将具有井眼装置的井下工具引入至井眼中，其中聚合物形状记忆材料与第一流体接触，基本上移去第一流体，使聚合物形状记忆材料与部署流体接触和使聚合物形状记忆材料从其用于试运转的改变的几何位置恢复到如在权利要求中进一步说明的恢复的几何位置。

本发明可适宜地包括、由或基本由公开的元素组成，且可以于不存在未公开的元素的条件下实施。

Claims (14)

1.一种井眼装置，所述装置包括：

具有初始玻璃化转变温度即Tg和初始刚性的至少一种聚合物形状记忆材料；和

与聚合物形状记忆材料接触的部署流体，所述部署流体的量有效地对聚合物形状记忆材料具有选自以下的效应：降低Tg、减少刚性和二者同时，其中所述部署流体选自以下的组：二甲亚砜、酮、醇、醚以及它们的混合物；其中井眼装置具有以下性能：当把基本上所有的部署流体从聚合物形状记忆材料移去时，得到的效应选自：使Tg恢复到初始Tg的至少90％以内，使刚性恢复到初始刚性的至少25％以内，和二者同时。

2.权利要求1所述的井眼装置，其中所述醇为二醇。

3.权利要求1或2所述的井眼装置，其中所述聚合物形状记忆材料选自以下的组：聚氨酯、聚酰胺、聚脲、聚乙烯醇、乙烯醇-乙烯酯共聚物、酚类聚合物、聚苯并咪唑、与N,N’-亚甲基-二-丙烯酰胺交联的聚环氧乙烷/丙烯酸/甲基丙烯酸共聚物、与乙二醇二甲基丙烯酸酯交联的聚环氧乙烷/甲基丙烯酸/N-乙烯基-2-吡咯烷酮共聚物、与乙二醇二甲基丙烯酸酯交联的聚环氧乙烷/聚甲基丙烯酸甲酯/N-乙烯基-2-吡咯烷酮共聚物和其组合。

4.权利要求3所述的井眼装置，其中所述聚氨酯为由聚碳酸酯多元醇与多异氰酸酯反应制备的聚氨酯。

5.权利要求1或2所述的井眼装置，其中所述聚合物形状记忆材料是通过包括用异氰酸酯与聚碳酸酯多元醇反应的方法形成的聚氨酯。

6.权利要求1或2所述的井眼装置，其中所述井眼装置选自以下的组：膨胀工具、筛网、封隔器和隔离栓以及它们的组合。

7.权利要求1或2所述的井眼装置，其中所述聚合物形状记忆材料处于与初始几何位置不同的改变的几何位置。

8.一种在井眼中的井下工具上安装井眼装置的方法，所述方法包括：

将具有井眼装置的井下工具引入至井眼中，其中所述井眼装置包括具有初始玻璃化转变温度即Tg和初始刚性的至少一种聚合物形状记忆材料，其中所述聚合物形状记忆材料处于改变的几何位置且使该聚合物形状记忆材料与第一流体接触；

基本上移去第一流体；

使聚合物形状记忆材料与部署流体接触，所述部署流体的量有效地对聚合物形状记忆材料具有选自以下的效应：降低Tg，减少刚性和二者同时，其中所述部署流体选自以下的组：二甲亚砜、酮、醇、醚以及它们的混合物；和

使聚合物形状记忆材料从其试运转中的改变的几何位置恢复到恢复的几何位置，其中所述井眼装置具有以下性能：当把基本上所有的部署流体从聚合物形状记忆材料移出时，得到的效应选自以下的组：使Tg恢复到初始Tg的至少90％以内，使刚性恢复到初始刚性的至少25％以内，和二者同时。

9.权利要求8所述的方法，其中所述醇为二醇。

10.权利要求8的方法，所述方法还包括使聚合物形状记忆材料从其改变的几何位置膨胀到恢复的几何位置。

11.权利要求8-10中任一项的方法，其中所述聚合物形状记忆材料选自以下的组：聚氨酯、聚酰胺、聚脲、聚乙烯醇、乙烯醇-乙烯酯共聚物、酚类聚合物、聚苯并咪唑、与N,N’-亚甲基-二-丙烯酰胺交联的聚环氧乙烷/丙烯酸/甲基丙烯酸共聚物、与乙二醇二甲基丙烯酸酯交联的聚环氧乙烷/甲基丙烯酸/N-乙烯基-2-吡咯烷酮共聚物、与乙二醇二甲基丙烯酸酯交联的聚环氧乙烷/聚甲基丙烯酸甲酯/N-乙烯基-2-吡咯烷酮共聚物和其组合。

12.权利要求11的方法，其中聚氨酯为由聚碳酸酯多元醇与多异氰酸酯反应制备的聚氨酯。

13.权利要求8-10中任一项的方法，其中所述聚合物形状记忆材料是通过包括用异氰酸酯与聚碳酸酯多元醇反应的方法形成的聚氨酯。

14.权利要求8-10中任一项的方法，其中所述井眼装置选自以下的组：膨胀工具、筛网、封隔器和隔离栓以及它们的组合。