CN103097652A - 聚合物泡沫孔形貌控制及其在钻孔过滤设备中的用途 - Google Patents
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Abstract
本发明提供使用以下步骤配置钻孔过滤设备的方法：将包含具有第一孔结构的聚合物泡沫的过滤设备配置到钻孔中，所述聚合物泡沫的分子结构的一部分能通过暴露于后处理流体而降解；和将所述聚合物泡沫暴露于所述后处理流体，由此将所述聚合物泡沫的孔结构改变成第二孔结构。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2010年9月16日提交的美国申请号12/883,656的权益，通过引用将其全部内容并入本文。
背景
砂控制是在井下钻进和完井工业中的一项众所周知的规定。本领域的技术人员深谙可用于砾石充填的各种方法和系统。那些技术人员也知晓与砾石充填相关的时间和成本及砾石充填故障的可能性和方式。鉴于所述情况，近年来已经使用了许多供选方案；然而，新型且不同的供选方案总是被广泛接受，其可以更适合某些环境或在某些环境中更好地起作用或者可使成本更低或更加耐用。
概述
在本发明的一个例示性实施方案中，提供使用以下步骤配置钻孔过滤设备的方法：将包含具有第一孔结构的聚合物泡沫的过滤设备配置到钻孔中，所述聚合物泡沫的分子结构的一部分能通过暴露于后处理流体而降解；和将所述聚合物泡沫暴露于所述后处理流体，由此将所述聚合物泡沫的孔结构改变成第二孔结构。
在另一例示性实施方案中，提供包括以下步骤的制备聚合物泡沫的方法：使包含第一单体化合物的第一组分与包含各自能与第一单体化合物反应的第二单体化合物和第三单体化合物的第二组分反应，所述第二单体化合物抵抗由后处理流体引起的降解且所述第三单体化合物易于被所述后处理流体降解；和使所述聚合物泡沫与所述后处理流体接触。
在又一例示性实施方案中，提供聚氨酯泡沫，其是包含多异氰酸酯的第一组分与包含第一多元醇和第二多元醇的第二组分的反应产物，所述第一多元醇为聚碳酸酯多元醇，所述第二多元醇为聚酯多元醇或聚醚多元醇。
附图简述
现在参考附图，其中在几个图中，相同的元件类似地编号：
图1为过滤设备的示意性截面图，其在其压缩的插入厚度或体积中带有在其上具有降解延迟薄膜、覆盖物或涂覆材料的形状记忆多孔材料；和
图2为图1的过滤设备的示意性截面图，其中已经除去了降解延迟薄膜、覆盖物或涂覆材料且已经容许形状记忆多孔材料膨胀或配置以使得其坚固地结合并安装到井眼套管的内壁表面以防止自地层产生不合需要的固体，从而仅允许烃流体流过。
发明详述
本发明的一些例示性实施方案可包括其中可使用聚合物泡沫的后处理来改变泡沫孔形貌的任何应用。在一个例示性实施方案中，聚合物泡沫用于井下钻孔过滤设备。本发明的实施不限于任何特定构造的井下过滤设备。在一个例示性实施方案中，使用可膨胀的形状记忆聚合物泡沫以提供基本符合钻孔的形状的过滤介质；然而，在已经将聚合物泡沫配置到钻孔中之后，为了实施改变泡沫的孔形貌的本发明的例示性实施方案，不需要使用这种可膨胀的聚合物泡沫。一种例示性形状记忆聚合物泡沫描述在上述美国专利申请公开案2010/0089565A1中，其揭示内容全部以引用的方式并入本文中。如上文所论述，该泡沫在被加热到足以引起膨胀的温度时能够从改变的被压缩形状膨胀到原始的未压缩形状。足以引起膨胀的具体温度将视包括但不限于压缩水平和所需要的随后再膨胀的许多条件而变化；然而，该温度通常将低于但接近于玻璃化转变温度Tg。
玻璃化转变温度名义上可以被认为是聚合物随着一部分聚合物分子由于其能级增加致使吸收热能变得更可移动而从硬玻璃态转变为软高弹态的温度，但其可以更适当地被认为是发生这一转变的温度范围，其中名义上的Tg在该范围内的某处。转变开始的温度可被称为“转变起始”。测量玻璃化转变温度的一项众所周知的技术是动态力学分析（DMA），其中将聚合物的储存模量和损耗模量测量为对于以环状方式施加的少量形变的响应。使用该技术，在一个例示性实施方案中，名义上的Tg可通过观察在损耗模量对温度的图中的尖峰来测定。在一个例示性实施方案中，转变起始可通过观察储存模量对温度的图的负斜率的明显变陡来测定。在关于井下过滤设备的一个例示性实施方案中，所述泡沫具有的玻璃化转变起始温度高于在井下应用位置的温度且足以防止泡沫在沿钻孔向下传输时过早地膨胀、同时允许在其到达井下位置之后再膨胀。
在将上述形状记忆泡沫用于井下过滤设备的一个例示性实施方案中，在井下配置之前，在高于玻璃化转变温度的温度下将所述聚合物泡沫压缩到被压缩的形状且随后在保持所述被压缩的形状的同时冷却到低于所述玻璃化温度的温度。可将所述被压缩的泡沫卷绕在诸如聚乙烯醇薄膜的可溶解薄膜中以防止泡沫在到达井下配置位置之前在沿钻孔行进的同时暴露于高温而过早地膨胀。在含泡沫的过滤设备到达井下配置位置之后，可将所述可溶解的薄膜用水溶解且将所述泡沫加热（例如来自钻孔中的环境热或通过诸如从加热器施加的热）以使泡沫膨胀。所述泡沫可用后处理流体处理以根据所要的效果而在该工艺中的任一点处改变其孔结构。在一个例示性实施方案中，在将所述泡沫压缩到被压缩的形状之前将其用所述后处理流体处理。在另一例示性实施方案中，在井下配置之后将所述泡沫用所述后处理流体处理。在所述例示性实施方案中，可将后处理流体注入钻孔中或其可为已经存在于钻孔中的水、油或水-油混合物，且可用来在泡沫膨胀之前、期间或之后处理泡沫。
使用形状记忆聚合物泡沫的一个例示性构造的操作参考图1和图2描述，其中具有包括形状记忆多孔材料32的过滤设备30的管柱20在钻孔50中插入，其由钻孔套管52限定到所要位置。如在图1中所示，形状记忆聚合物泡沫32具有被压缩的插入厚度34和外部延迟薄膜、覆盖物或涂层40。在足量的延迟薄膜、覆盖物或涂覆材料40被溶解或分解之后，即在延迟薄膜、覆盖物或涂覆材料40被溶解或分解以使得在被压缩的形状记忆材料32中储存的能量大于由所述延迟材料提供的压缩力之后，形状记忆多孔材料32从插入或被压缩的位置（图1）膨胀到具有膨胀厚度36的膨胀或规定位置（图2）。这样做，形状记忆材料32与钻孔套管52的内壁表面54啮合，且因此防止自地层产生不合需要的固体，仅允许烃流体流经过滤设备30。
在本发明中使用的聚合物泡沫可用来自如本领域已知可制备聚合物泡沫的聚合物的任何类型的聚合物制成，所述聚合物诸如为聚氨酯、环氧聚合物、丙烯酸类聚合物、聚酰亚胺、聚醚酮等。欲使用的具体聚合物及其化学组成将取决于过滤设备或将使用该泡沫的其他应用的特定构造和设计参数以及取决于将使用的特定的后处理流体和聚合物泡沫将暴露于后处理流体的温度和持续时间。例示性后处理流体包括水、酸、碱、极性有机溶剂、非极性有机溶剂（包括原油）及其组合。在一个例示性实施方案中，所述聚合物泡沫为两种组分的反应产物，其中所述组分之一包括第一单体化合物，且另一组分包括各自可与所述第一单体化合物反应的第二单体化合物和第三单体化合物，其中所述第二单体化合物抵抗由所述后处理流体引起的降解且所述第三单体化合物易于所述后处理流体降解。
在一个例示性实施方案中，所述聚合物泡沫为聚氨酯泡沫，所述聚氨酯泡沫为包括一种或多种多异氰酸酯的组分与包括一种或多种多元醇的组分的反应产物。所述多异氰酸酯可为如对于在聚氨酯泡沫的制备中应用的众所周知的多种多异氰酸酯中的任何一种或多种。例示性多异氰酸酯包括但不限于芳族多异氰酸酯，诸如MDI(例如，4,4'-MDI；4,4'-MDI与2,4'-MDI的共混物；MDI预聚物和含有单体MDI的改性的聚合MDI）、甲苯二异氰酸酯(TDI)、对苯撑二异氰酸酯（PPDI）、萘二异氰酸酯（NDI）及邻联甲苯胺二异氰酸酯（TODI）；以及脂族多异氰酸酯，诸如1,6-亚己基二异氰酸酯（HDI）、异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI）、四甲基二甲苯二异氰酸酯（TMXDI）和环己烷二异氰酸酯（CHDI）。也可使用任何上述多异氰酸酯的混合物或其他已知的多异氰酸酯。在一个例示性实施方案中，所述多异氰酸酯为改性的MDI（例如，由Bayer销售的MONDUR PC）或MDI预聚物（例如，由BASF销售的LUPRANATE5040）。
所述多元醇可为如对于在聚氨酯泡沫的制备中的应用来说众所周知的多种多元醇中的任何一种或多种。例示性多元醇包括但不限于聚醚多元醇（例如，通过环氧乙烷和/或环氧丙烷与诸如丙二醇、甘油、甲苯二胺、山梨糖醇或蔗糖（仅举几个例子）的多元醇引发剂的反应制备）、聚酯多元醇（例如，通过诸如丙二酸、丁二酸、己二酸、丙三酸的低分子量多元酸与诸如丙二醇、1,4-丁二醇等的低分子量多元醇以及聚己酸内酯多元醇聚酯化来制备）、聚碳酸酯多元醇、聚丁二烯多元醇等。
在将泡沫用于井下钻孔过滤设备的一个例示性实施方案中，所述泡沫用包括聚碳酸酯多元醇的多元醇制备。在另一例示性实施方案中，所述聚碳酸酯多元醇可具有在1000至2000范围内的分子量和在50至130范围内的OH值。在又一例示性实施方案中，所述聚碳酸酯多元醇为脂族聚碳酸酯多元醇、脂环族聚碳酸酯多元醇或其混合物。例示性聚碳酸酯多元醇包括但不限于得自Bayer的DESMOPHEN C1200和DESMOPHEN2200；得自Arch Chemicals的Poly-CD220；得自Stahl USA的PC-1733、PC-1667和PC-1122。在一个非限制性实施方案中，所述聚碳酸酯多元醇为PC-1667或聚(脂环族碳酸酯)。在井下钻孔应用中使用的聚氨酯泡沫可配制成获得在60℃至170℃范围内的Tg。
在某些实施方案中，在聚氨酯反应混合物中多异氰酸酯与多元醇的相对量可提供约1:1的摩尔比，且多异氰酸酯与多元醇的摩尔比可自0.90:1至1.1:0.9变化。聚氨酯泡沫通常需要发泡剂来产生泡沫孔结构。通常将水用作发泡剂，其通过与在多异氰酸酯上的异氰酸基反应以形成CO2来起作用。也可使用气态发泡剂，诸如HFA（例如，R-134a、R-245a）、HFO（例如，R-1234ze）或脂族烃（例如，丙烷）。发泡剂以及诸如反应物和催化剂的其他组分的选择和量将影响泡沫孔的孔径、孔尺寸分布和孔开口，且所述各种组分和反应条件可由本领域的技术人员容易地调节以产生所要的泡沫孔形貌。
聚氨酯泡沫反应混合物也可包括少量的链增长剂（低分子量二元醇或二元胺），诸如乙二醇、丙二醇、乙醇胺或二乙基甲苯二胺或二甲基硫代甲苯二胺（DMTDA）。其他合适的增链剂包括但不限于4,4'-亚甲基双(2-氯苯胺)，“MOCA”，由Chemtura在商品名称
A133HS下销售；和丙二醇二对氨基苯甲酸酯，“MCDEA”，由AirProducts在商品名称VERSALINK740M下销售。所述反应混合物还可包括交联剂（低分子量多官能醇或胺），诸如三羟甲基丙烷（TMP）、三乙醇胺（TEA）或N,N,N',N'-四(2-羟基丙基)乙二胺。诸如胺催化剂（例如，叔胺，诸如三乙烯二胺）、有机金属催化剂、三聚催化剂（例如，1,3,5-(三(3-二甲氨基)丙基)-六氢-s-三嗪)的催化剂也可包括在所述反应混合物中。
诸如表面活性剂、阻燃剂、稳定剂和如本领域已知的其他添加剂的其他添加剂可视最终用途应用的具体情况而用于泡沫制剂中。例如，可以将例如0.5%总重量的常规量的表面活性剂例如在商品名称DABCODC-198下由Air Products销售的表面活性剂；和例如0.5%总重量的少量的泡孔扩张剂如在商品名称ORTEGOL500、ORTEGOL501、TEGOSTABB8935、TEGOSTAB B8871和TEGOSTAB B8934下由Degussa销售的泡孔扩张剂加到所述制剂中以控制泡沫孔结构、分布和开口大小。DABCODC-198为得自Air Products的基于聚硅氧烷的表面活性剂。其他合适的表面活性剂包括但不必限于由DuPont在商品名称ZONYL8857A和ZONYL FSO-100下销售的含氟表面活性剂。可以将着色剂加到多元醇部分中以在成品中提供所要的颜色。所述着色剂自诸如MillikenChemical的公司市售，Milliken Chemical在商品名称REACTINT下销售合适着色剂。
在本发明的例示性实施方案的实施中，使聚合物泡沫与后处理流体接触以改变其孔形貌。在一些例示性实施方案中，聚合物泡沫可通过在其分子结构中包括易于被后处理流体降解的键或分子链段而适合这样的后处理。所涉及的精确结构当然将取决于后处理流体的性质和条件。在一个例示性实施方案中，所述聚合物泡沫的分子结构包括酯键，所述酯键可以经受由水引起的水解，该水解可以因强碱的存在而进一步促进以提供对酯键亲核攻击的羟基离子，或因酸的存在而进一步促进以使酯羰基质子化且使其对亲核攻击更敏感。酯键可以包括在交联剂中或包括在聚合物骨架中。在其中聚合物泡沫为聚氨酯泡沫的一个例示性实施方案中，酯键可通过在反应混合物中包括聚酯多元醇而并入。在另一例示性实施方案中，在聚氨酯反应混合物中的聚酯多元醇可具有1000-2000的分子量和50-130的OH值。在聚氨酯组合物中聚酯多元醇的量可视泡沫孔结构的希望改进水平而广泛变化。在其中聚氨酯泡沫合并到井下井眼设备中的一个例示性实施方案中，所述聚酯多元醇组分可包含80-95重量%的聚碳酸酯多元醇和20-5重量%的聚酯多元醇。在另一例示性实施方案中，聚合物泡沫包括易于被钻孔中可经历的暴露于高温流体而降解的聚醚多元醇或聚酯多元醇链段。例示性可热降解的聚醚多元醇包括但不限于得自Arch Chemicals的Poly-G21-77、Poly-G21-90、Poly-G21-112和Poly-G21-187。例示性可热降解的聚酯多元醇包括但不限于得自Chemtura的Fomrez45、Fomrez1023-63、Fomrez1066-187和Fomrez1066-560。
在一个例示性实施方案中，可将含有所述异氰酸酯部分和所述多元醇部分的混合物混合约10秒且随后注入模具中且该模具通过在其上放置顶部金属板而紧密密封。由于由水诱发的起泡过程产生的压力，可使用C-夹来将顶部金属板和模具固持在一起以防止任何混合物渗漏。在室温下约2小时之后，可将包括模具和C-夹的聚氨酯泡沫材料放置在烘箱内且在110℃的温度下“后固化”约8小时以使得所述聚氨酯泡沫材料达到其全强度。在冷却到室温之后，将聚氨酯泡沫材料充分固化以致可以除去模具。此后，该阶段的聚氨酯泡沫材料通常将包括在聚氨酯泡沫外表面上的“皮”层。所述“皮”为在混合物与模具表面接触时形成的固态聚氨酯塑料的层。已经发现该皮的厚度取决于加到该混合物中的水的浓度。过多的水含量减小该皮的厚度且不足的水含量增加该皮的厚度。在一种非限制性解释中，该皮的形成可归因于在该混合物中的异氰酸酯与在模具表面上的水分之间的反应。在这种情形下，如果该泡沫将作为过滤元件使用，则需要另外的机械转化方法来除去该皮，因为在大多数情形下，该皮没有使流体流经的孔。可使用诸如带锯、斜截锯、芯锯(core saw)、弓锯和车床的工具来除去该皮。
制备
在一个实施方案中，将两种类型的多元醇共混在一起，一种多元醇是热稳定的多元醇，诸如聚碳酸酯多元醇，且另一种多元醇是可热降解的多元醇，诸如聚酯多元醇。这两种多元醇的比率对于热稳定的聚碳酸酯多元醇为约90重量%，且对于可热降解的聚酯多元醇为约10重量%。加入诸如TMP交联剂、DMTDA增链剂、DABCO DC-198表面活性剂、ORTEGOL501泡孔扩张剂、REACTINT Violet X80LT着色剂、POLYCAT77催化剂和水发泡剂的其他组分以形成多元醇部分。将该多元醇部分预热到90℃且在
型单桨混合机中与MDI MONDUR PC混合。如本领域的一般技术人员将认识到，这些制剂可按比例放大以形成较大体积的该形状记忆材料。
在另一实施方案中，多元醇部分由31.6g聚碳酸酯多元醇PC1667、3.5g聚酯Fomrez45、5g交联剂TMP、5g增链剂、0.8g表面活性剂DABCO DC-198、0.4g泡孔扩张剂ORTEGOL501、0.1g着色剂REACTINTViolet X80LT、0.1g催化剂POLYCAT77和0.7g发泡剂水组成。将该多元醇部分预热到90℃且在
型单桨混合机中与52.7gMDI MONDUR PC混合。可将含有所述异氰酸酯部分和所述多元醇部分的混合物混合约10秒且随后注入模具中且该模具通过在其上放置顶部金属板而紧密密封。由于由起泡过程产生的显著量的压力，可使用C-夹或其他设备来将顶部金属板和模具固持在一起以防止任何混合物渗漏。在约2小时之后，可将包括模具和C-夹的聚氨酯泡沫材料转移到烘箱中且在110℃的温度下“后固化”约8小时以使得所述聚氨酯泡沫材料达到其全强度。在冷却到室温之后，将聚氨酯泡沫材料充分固化以致可以除去模具。泡沫材料随后通过诸如带锯的工具切割以除去外“皮”且在增压的钢容器中在约150℃的热水中进一步处理10小时。为了加速热不稳定的多元醇中的一种的降解，可将酸或碱加到水中。聚氨酯泡沫的孔结构通过立体显微镜观察且将其与没有经热水处理过的样品的聚氨酯泡沫相比较。在孔壁之间形成很薄的聚合薄膜且发现该薄的聚合薄膜在热水处理过程之后消失。
虽然已经展示并描述了一个或多个实施方案，但是可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对此进行改进和替换。因此，应了解已经通过说明而非限制的方式描述了本发明。
Claims (19)
1.配置钻孔过滤设备的方法，其包括：
将包含具有第一孔结构的聚合物泡沫的过滤设备配置到钻孔中，所述聚合物泡沫的分子结构的一部分能通过暴露于后处理流体而降解；和
将所述聚合物泡沫暴露于所述后处理流体，由此将所述聚合物泡沫的孔结构改变成第二孔结构。
2.权利要求1的方法，其中所述聚合物泡沫为聚氨酯泡沫。
3.权利要求1的方法，其中所述聚合物泡沫在配置到所述钻孔中之前暴露于所述后处理流体。
4.权利要求1的方法，其中所述聚合物泡沫在配置到所述钻孔中之后暴露于所述后处理流体。
5.权利要求4的方法，其中所述聚合物泡沫为当在接近玻璃化转变温度下加热时能够从改变的被压缩的形状向原始未压缩的形状膨胀的形状记忆泡沫，且所述方法包括：
在配置到所述钻孔中之前，在高于所述玻璃化转变温度的温度下将所述聚合物泡沫压缩到被压缩的形状且随后在保持先前被压缩的形状的同时冷却所述聚合物泡沫到低于所述玻璃化温度的温度；和
在配置到所述钻孔中之后，将所述聚合物泡沫加热到足以使所述聚合物泡沫膨胀的温度。
6.权利要求3的方法，其中所述聚合物泡沫为当在接近玻璃化转变温度下加热时能够从改变的被压缩的形状向原始未压缩的形状膨胀的形状记忆泡沫，且所述方法包括：
在配置到所述钻孔中之前，将所述聚合物泡沫暴露于所述后处理流体，随后在高于所述玻璃化转变温度的温度下将所述聚合物泡沫压缩到被压缩的形状且随后在保持先前被压缩的形状的同时冷却所述聚合物泡沫到低于所述玻璃化温度的温度；和
在配置到所述钻孔中之后，将所述聚合物泡沫加热到足以使所述聚合物泡沫膨胀的温度。
7.权利要求1的方法，其中所述聚合物泡沫为以下各物的反应产物：
包含第一单体化合物的第一组分；和
包含各自能与第一单体化合物反应的第二单体化合物和第三单体化合物的第二组分，所述第二单体化合物抵抗由所述后处理流体引起的降解且所述第三单体化合物易于被所述后处理流体降解。
8.权利要求7的方法，其中所述聚合物泡沫为聚氨酯泡沫，所述第一单体化合物为多异氰酸酯且所述第二单体化合物和所述第三单体化合物各自为多元醇。
9.权利要求8的方法，其中所述第二单体化合物为聚碳酸酯多元醇且所述第三单体化合物为聚醚多元醇或聚酯多元醇。
10.权利要求1的方法，其中所述后处理流体选自由水、酸、碱、极性有机溶剂、非极性有机溶剂和包括至少一种上述物质的组合的集合。
11.制备聚合物泡沫的方法，其包括以下步骤：
使包含第一单体化合物的第一组分与包含各自能与第一单体化合物反应的第二单体化合物和第三单体化合物的第二组分反应，所述第二单体化合物抵抗由后处理流体引起的降解且所述第三单体化合物易于被所述后处理流体降解；和
使所述聚合物泡沫与所述后处理流体接触。
12.权利要求11的方法，其中所述聚合物泡沫为聚氨酯泡沫。
13.权利要求11的方法，其中所述聚合物泡沫为当在接近玻璃化转变温度下加热时能够从改变的被压缩的形状向原始未压缩的形状膨胀的形状记忆泡沫，且所述方法包括：
在与所述后处理流体接触之前，在高于所述玻璃化转变温度的温度下将所述聚合物泡沫压缩到被压缩的形状且随后在保持先前被压缩的形状的同时冷却所述聚合物泡沫到低于所述玻璃化温度的温度；和随后
在与所述后处理流体接触之前、期间或之后，将所述聚合物泡沫加热到足以使所述聚合物泡沫膨胀的温度。
14.权利要求11的方法，其中所述聚合物泡沫为当在接近玻璃化转变温度下加热时能够从改变的被压缩的形状向原始未压缩的形状膨胀的形状记忆泡沫，且所述方法包括：
在与所述后处理流体接触之后，在高于所述玻璃化转变温度的温度下将所述聚合物泡沫压缩到被压缩的形状且随后在保持先前被压缩的形状的同时冷却所述聚合物泡沫到低于所述玻璃化温度的温度；和随后
将所述聚合物泡沫加热到足以使所述聚合物泡沫膨胀的温度。
15.权利要求11的方法，其中所述聚合物泡沫为聚氨酯泡沫，所述第一单体化合物为多异氰酸酯且所述第二单体化合物和所述第三单体化合物各自为多元醇。
16.权利要求15的方法，其中所述第二单体化合物为聚碳酸酯多元醇且所述第三单体化合物为聚醚多元醇或聚酯多元醇。
17.权利要求11的方法，其中所述后处理流体选自由水、酸、碱、极性有机溶剂、非极性有机溶剂和包括至少一种上述物质的组合的集合。
18.聚氨酯泡沫，其为包含多异氰酸酯的第一组分与包含聚碳酸酯多元醇和聚醚多元醇或聚酯多元醇的第二组分的反应产物。
19.权利要求18的聚氨酯泡沫，其中所述第二组分包含聚碳酸酯多元醇和聚酯多元醇。
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