CN113597417A - 柔性复合材料 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
本发明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，本发明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。
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。
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 wellpipe)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。
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。
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。
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。
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。
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。本发明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(productionstring)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。
根据本发明，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。
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：
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；
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)；
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；
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；
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；
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
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。
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。
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。
用于在本发明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：
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(superabsorbent polymer)(SAP)；
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；
f.致密相、不溶性硫酸盐化合物；和
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)。
依次取各组分，组分(a)可以是普通波特兰水泥(OPC)或任何基于硅酸钙的水泥粉末，包括所有等级的OPC和基于镁的水泥。它可以以总水泥粉末的按质量计30％-54％的量存在，或者以总水泥粉末的按质量计30％-40％的量存在，或者以总水泥粉末的按质量计32％-38％的量存在。任选地，该组分可以被选择为可从Rugby的CemexTM获得的52.5N或52.5R CEM 1，并且可以以总水泥粉末的按质量计32％和38％之间的量使用。
组分(b)可以选自包含氧化钙组分或与氧化钙组分混合的任何基于氧化铝的水泥，例如铝酸钙水泥，特别是来自Imreys的Ciment Fondue(TM)。该组分改善凝固材料的强度，并且形成凝固材料的C3A相高强度组分。组分(b)可以以总水泥粉末的按质量计从0％-25％、10％-20％或13％-16％的量存在。
组分(c)可以是任何形式的硫酸钙，其中优选的形式是较低水合的类似物，诸如半水合物类似物。用于使用的合适的化合物可以是半水合物类似物，如可以从ScientificLab Supplies购买的，由Honeywell Fluka以97％纯度的级别制备。它可以以总水泥粉末的按质量计0％-70％、或20％-40％、或28％-35％的水平存在于制剂中。
组分(d)可以选自在整个材料基质中增加位点水合(site hydration)的任何超吸收性聚合物(SAP)，包括基于纤维素的SAP、聚丙烯腈型SAP、聚乙烯醇SAP或聚环氧乙烷SAP或基于聚丙烯酸的SAP。特别地，使用基于聚丙烯酸的SAP，优选地钠盐类似物，聚丙烯酸钠。它可以从英国Wakefield的SNF(UK)Ltd.购买。它可以在总水泥粉末的按质量计0％-10％、或0.1％-5％、或0.1％-0.5％的范围内添加。
组分(e)可以是在高于120℃热稳定的并且具有+1、+2、+3、+4、+5、+6或+7的氧化态的任何合成产生或天然产生的金属氧化物，包括亚铁氧化物、二氧化钛和氧化铝。特别地，它可以具有+2、+3或+4的氧化态，并且特别地可以是亚铁氧化物中的一种，诸如Fe3O4。它可以在总水泥粉末的按质量计从0％-30％、或2％-20％、或5％-15％的范围内使用。
组分(f)可以是任何致密相，诸如不溶性硫酸盐化合物，例如碱土金属硫酸盐，诸如硫酸钡。合适的硫酸钡材料可以从Nottingham的Scientific Lab SuppliesTM以99％级别的纯度购买。硫酸盐化合物增加水泥复合物的物理密度，使水泥化合物稳定。硫酸钡令人惊讶地具有另外的优点，即它还与同样包含硫酸钡的完井液产生协同效应。该协同效应通过使两种类似组分穿过界面屏障(在这种情况下，完井液至水泥CSP)而产生，这增加了对完井液中产生的乳液的水组分的渗透效应，使其更容易迁移到水泥CSP中，增加膨胀潜力。该组分可以在总水泥粉末的按质量计从0％-30％、或2％-15％、或5％-10％的范围内存在。
组分(g)可以是可用于延迟OPC或其他基于硅酸钙的水泥、高铝水泥或基于镁的水泥的初始凝固的任何材料，包括天然的和合成的糖、羧酸、柠檬酸及它们的盐类似物、或氨基多羧酸。合适的材料的实例是氨基多羧酸，诸如乙二胺四乙酸，如可以从德国Damstadt的Sigma Aldrich以99.997％级别的纯度购买的。这些可以以总水泥粉末的按质量计从0％-10％、或0.1％-5％或0.1％-2％的量存在。
在可选择的实施方案中，选择延迟剂和加速剂，使得它们在特定的升高的温度和/或压力组合时分解。这具有的另外的优点是：防止CSP显著溶胀，直到CSP已经被降低到井中的正确区域，在该正确区域上延迟剂开始分解并且因此反应不再被延迟并且以增加的速率继续进行。还可以选择延迟剂以与添加剂反应，该添加剂可以被引入并且被泵送到井中的流体中，以便分解延迟剂、移位延迟剂或与延迟剂反应，以在选定的时间触发溶胀凝固反应。在将CSP已经安装在井中之后，还可以向井内流体中添加加速剂，以使粉末在选定的时间溶胀和凝固。
本发明还扩展到其中水泥粉末填充物具有以下组成的模板：
i.在如上文描述的CSP共混物的按质量计10％-90％之间给予的任何CEMI型、CEMII型、CEMIII型、CEMIV型或CEMV型水泥；或
ii.在如上文描述的CSP共混物的按质量计10％-90％之间给予的任何高铝水泥；或
iii.在如上文描述的CSP共混物的按质量计20％-80％之间给予的无水CaSO4、半水合物CaSO4或二水合物CaSO4；或
iv.在如上文描述的CSP共混物的按质量计0.01％-10％之间给予的乙二胺四乙酸；或
v.在如上文描述的CSP共混物的按质量计0.01％-10％之间给予的任何超吸收性聚合物；或
vi.在如上文描述的CSP共混物的按质量计1％-30％之间给予的FeO、Fe2O3或Fe3O4中的任一种；或
vii.在如上文描述的CSP共混物的按质量计1％-30％之间给予的硫酸钡。
在所附权利要求中阐述了其他任选的和优选的特征。这些特征的优点可以在下文的详细描述中阐述。
本发明可以参照以下附图来描述，在附图中：
图1示意性地示出了使用弹性溶胀封隔器产生油层隔离的现有技术方法；
图2示意性地示出了本发明的系统的实例；
图3示出了在井孔中使用的本发明的实例；
图4示出了可以用于本发明的端盖的一种实施方案；以及
图5示出了用于将管接合在一起的本发明的实例。
CSP实质上由两组分系统和固定端盖组成。第一组分是干燥的水泥粉末共混物，该水泥粉末共混物在暴露于含水介质时将膨胀并且凝固以形成固体的、硬质的和粘结的材料(粉末)，并且第二组分是可膨胀的多孔模板，该多孔模板包含溶胀水泥粉末共混物(模板)。端盖(端盖)用于将模板和粉末保持在适当的位置，直到它们就位(in location)并且凝固，并且一旦凝固就增加剪切阻力(shear resistance)。端盖可以预先成形为套管或管柱或其连接器的一部分，例如通过机械加工底座来支撑未凝固的溶胀元件，诸如环形物(toroid)，或者通过形成也是管或连接器的一部分的端盖。
参照图2，每个模板(1)以受控的密度填充有受控质量的干粉末(3)，并且被组装到例如在井孔中的管(4)的外部上。管的外表面可以被粗糙化或以多种方式制造，以提高凝固水泥与管的粘附力并且增加剪切载荷和可获得的横跨CSP的压差。管的粗糙化或制造的合适的方法包括但不限于：脱脂、喷砂、抛光、滚花和机械加工。然后将端盖(2)附接到管，并且使用机械附件(5)诸如平头螺钉或粘合方法(未示出)或两者的组合来固定。
模板(1)包含干燥的水泥粉末并且优选地是可膨胀的模板，该可膨胀的模板保持干燥的水泥粉末共混物的填充密度(packing density)并且在储存、运输和安装期间将其保留在正确的位置。模板防止CSP接触井道孔(well hole)的侧面，并且防止CSP在其下降到位时被损坏或被卡住。在CSP下方和/或上方的对中器(Centraliser)还可以用于确保CSP的端盖不接触管的侧面，并且CSP优选地在其膨胀之前在套管/钻孔中对中。模板优选地被制造成圆环(torus)(6)的形式，其中基础管的外径对应于相同的该圆环的内径或大于该圆环的内径。然后，当组装到管上时，该圆环变形以获得围绕基础管的具有近似矩形横截面的环。组件在图2中示意性地示出。组装的模板的其他构造是可能的，其包括通过连接元件连接以形成围绕基础管的套筒的两个表面；连接在一起以给出接合在一起的多个连接的或离散的锚环(torus ring)的等效物的多个环或多个管；或者以一个或更多个螺旋缠绕在基础管周围的多个长管。
当CSP下降到井道孔中时，CSP将暴露于包含在井道孔内的液体介质。模板对流体是可渗透的，但对包含在其中的干粉末和水合粉末两者是基本上不可渗透的，因此允许流体被干粉末吸收并且与干粉末反应，但防止干粉末或水合的膨胀粉末逃脱模板的限制作用。
如图3中所示，当含水流体(15)接触模板(1)中的干粉末(3)时，反应开始导致粉末膨胀(13)。随着粉末膨胀，反应将随着含水介质被消耗并且被抽取穿过模板(1)并进入粉末而进一步进行(如由图3中的CSP溶胀活化图中的箭头所示)。模板壁在暴露于含水介质时能够在一个或更多个方向上弹性地和/或塑性地膨胀至其初始长度的至少110％，例如膨胀至其初始长度的110％和650％之间，或膨胀至其初始长度的110％和450％之间，或膨胀至其初始长度的110％和250％之间，或膨胀至其初始长度的110％和140％，例如膨胀至其初始长度的125％。随着粉末膨胀，模板的壁中的应变和张力增加(13)，并且这允许模板对溶胀粉末施加增加的限制压力。限制压力防止粉末在溶胀阶段期间失去其压紧，并且从而控制水灰比(water to cement ratio)。在没有模板的限制的情况下，粉末将变得分散并且将不再能够凝固，或者，如果模板在溶胀期间没有施加限制压力，则溶胀水泥共混物将膨胀得太快并且产生破裂的且薄弱的最终结构，该最终结构将易于形成不连贯的结构(incoherentstructure)，并且因此将裂开。
水合的粉末在0.1天和28天之间，或更优选地在0.5天和15天之间，或更优选地在3天和10天之间的时间段内膨胀并且凝固以形成凝固的膨胀的水泥材料(9)。这可以通过调节制剂的比例，特别是延迟剂的特性及其在升高的温度和高压气氛中的分解概况来调节，以在给定的温度、压力和化学环境中实现期望的溶胀时间和凝固时间。随着粉末继续溶胀，由于模板的壁中增加的应变，拉伸的模板的限制压力增加，这将继续直到达到两种状态中的一种。模板接触屏障，诸如外部套管的内部或钻孔的岩石内面，然后模板将在其上锁定(key)界面的形状并且向该界面施加溶胀压力以形成密封(8)。可选择地，由模板施加的限制压力随着模板壁中的拉伸应变的增加而增加，并且由膨胀水泥材料施加的压力随着体积百分比的增加而减小，使得如果模板不接触固体屏障(7)，则这两个相反的压力将达到平衡。这将发生在邻近CSP的空隙(16)的情况下。
一旦水泥材料和模板已经膨胀，如上文讨论的两种情形中的任何一种那样，它将固化以形成耐用的水泥塞。在第一种情形的情况下，它将对内部的管(4)和外部的管或岩石(10)两者施加压力，并且将对这两个界面(8)形成密封。由膨胀的水泥材料施加在内部的管和外部的套管/钻孔上的压力产生了一种结合，该结合使其能够抵抗大的剪切载荷以及在完全凝固之后的压差，如图3中所示—溶胀后的CSP。
在测试尺寸的原型装置(prototype device)中：CSP外径为284mm，长度为304mm，并且由安装在具有244mm外径的钢质基础管上的14个圆环形状的模板环组成，该CSP被插入内径为315mm的钢管中，该钢管已经填充有氯化钠在水中的饱和溶液，该CSP在7天内膨胀以形成密封，并且在14天之后抵抗超过19公吨的轴向拉力载荷。
模板优选地为锚环的形状，并且被设计成在环形方向比角向方向上坚硬得多，这具有引导粉末共混物从基础管的中心径向向外地溶胀的效果。这种各向异性的刚度可以以多种方式实现，包括通过使用双针床经编来针织模板，使得弹性纱线诸如橡筋(elastic)在角向方向上延伸，并且较坚硬的纱线诸如复丝聚酯纱线在主圆周(major circumference)的环形方向上延伸。模板还可以通过本领域中已知的其他合适的方法制造，所述合适的方法诸如：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—沿着一个边缘或两个边缘具有直线缝；将平面织物折叠和密封或缝合—具有螺旋缠绕形状(以与在纸板芯(cardboard core)中可以见到的相似的方式)；挤出的管；3D打印管；或通过挤出、注射模制、真空成形、旋转模制在其中具有孔的聚合物管或环形形式，该聚合物管或环形形式任选地通过在环形方向上形成较厚的元件或在环形方向上插入较坚硬的复合元件而被硬化。
在一些实施方案中，多个锚环可以彼此相邻地安装在端盖之间。每个环降低整个凝固的CSP在暴露于压差时的泄漏率，并且增加对于给定泄漏率(其可以接近于或等于0m/s)CSP可以承受的最大压差，并且从而增加CSP可以抵抗的最大剪切载荷。多个锚环还可以用于创建冗余(redundancy)：如果任何环因任何原因未能正确地膨胀和密封或者被损坏，其他环将确保CSP仍然形成密封。这将大大低于现有技术中被接受的30％的失效率，并且立即提供相对于现有技术工艺的显著材料成本优势的证据。
在可选择的构造中，多个锚环在所选择的不同的模板和/或粉末填充物的情况下被使用，并且可以被布置成一个或更多个环的组，以沿着CSP的长度具有不同的特性。这些变化可以包括对环境中可能存在的一种或更多种化学物质的抗性、在凝固期间对液体介质的不同响应、对一系列温度和压力环境的变化的响应、对活化事件例如温度的尖峰(spike)的可选择的响应以及不同的膨胀速率和凝固时间。举例来说，前1至10个环可以被配置成具有对酸侵蚀的较高抗性，并且其次的10个环可以被配置成抵抗高碱性环境。这种配置可以沿着或可以不沿着CSP的长度以对称的构造来安装，或者它们可以以成组的区域或任何其他图案来布置，具有不同特性的锚环可以沿着CSP的长度以任何构造来使用。
模板可以由任何合适的材料制成，使得其包含干燥的水泥粉末，对液体是多孔的，对粉末是基本上不可渗透的，并且是可膨胀的。合适的材料包括但不限于：
·弹性纱线，包括包覆的弹性纱线，其中包覆纱线被缠绕在弹性纱线周围，包覆纱线包括聚酯和尼龙
·普通聚合物纱线，诸如聚酯、聚酰胺、聚丙烯或聚乙烯
·天然纱线，诸如棉、羊毛、竹、苎麻、人造丝、羊毛或醋酸(acetate)
·高性能纱线，诸如芳族聚酰胺、超高分子量聚乙烯(UHMWPE(诸如dyneema(TM)))、对位芳族聚酰胺或聚醚醚酮(PEEK)
·溶解纱线，诸如聚乳酸(PLA)、聚(l-乳酸)(PLLA)
·金属纱线、玻璃纤维、玄武岩
·聚合物包括：低密度聚乙烯(LDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、尼龙、尼龙6或尼龙6,6、热塑性聚氨酯(TPU)、聚四氟乙烯
·非编织材料中的切短纤维，非编织材料诸如针刺非编织物(needle punch non-woven)、malifleece非编织物和毡制品。
在实施方案中，粉末填充物可以被给予不同水平或类型的延迟剂或加速剂，以分别延迟或加速一个或更多个锚环或环的组的膨胀和凝固。例如，中心的环可以被设计成在最靠近端盖的环之前膨胀，以确保中心的环在外部环完全膨胀并与井内流体密封之前充分接近井内流体以达到其最大膨胀和强度。
取决于制造和填充方法，填充的锚环将具有接头或间断。如果它们存在，它们优选地被布置成使得间断不与基础管的表面接触或者从基础管向外面向外部套管或钻孔，使得间断将不形成密封表面的一部分。如果间断确实接触壁，这可能会形成薄弱点。此外，特别是如果间断围绕圆环的整个小圆周，则锚环应当以这样的方式被安装在基础管上，使得每个间断相对于相邻圆环上的间断偏移。这将再次避免重大薄弱点被引入系统的风险。
在一些情况下，有利的是，将一种或更多种CSP在管柱上下降到井中并且然后在稍后的时间点触发溶胀或凝固反应。触发的溶液的优点包括：如果出现任何问题，能够在触发溶胀或凝固反应之前收回CSP；能够确保CSP已经到达预期位置，以便避免CSP在其处于正确位置之前溶胀的风险；以及还有机会在插入后相当长的时间内触发CSP，以便在以后出于操作原因隔离井的部分。
为了实现这一点，模板可以被配置成包括一个或更多个电阻元件，使得电流可以通过模板，使其变热。这种热效应可以用于通过分解如先前描述的延迟剂或者通过经由熔化某些约束元件或密封元件来降低模板的刚度或增加模板的孔隙率，在选定的时间引发溶胀和凝固反应。
可选择地或另外地，多孔模板可以被具有特定熔点的蜡涂层或聚合物涂层暂时地密封(考虑到在使用环境中的温度条件和压力条件两者)，使得它将以温度压力图(temperature pressure map)在井的预定位置处停止密封模板，该预定位置将与在其中安装模板的井的指定深度处的已知条件相对应。然后，一旦井内流体接近选定位置，这将允许井内流体接触粉末并引发溶胀和凝固反应。这可以被调整，使得一旦模板在选定位置的指定距离内，例如在井内预定位置的500m、400m、300m、200m或100m内，蜡涂层或聚合物涂层就可以熔化。
可以用于暂时密封的材料包括但不限于低密度聚乙烯(LDPE)；高密度聚乙烯(HDPE)；聚丙烯(PP)；聚氯乙烯(PVC)；聚苯乙烯(PS)；尼龙、尼龙6或尼龙6,6；热塑性聚氨酯(TPU)；天然聚合物，诸如基于淀粉的聚合物；以及天然弹性体和合成弹性体。
可选择地或另外地，多孔模板可以被蜡或聚合物密封，该蜡或聚合物在特定的压力和温度、在特定的化学环境中具有特定的降解速率，以便允许井内流体接触粉末并且在其已经接触特定的化学环境之后的时间引发溶胀和凝固反应。一旦决定引发溶胀反应或已经达到关于模板的部署的相关条件，就可以通过泵送增加井压力，以使压力增加到高于CSP的深度处的静水压力，以便使密封剂快速分解，并且允许井内流体接触粉末并引发溶胀和凝固反应。此外，由于CSP可以安装在不同的深度，因此它们可以通过将在地面处施加的过压控制在计算的限度内，按照深度(首先是最深的深度)被单独地引发，因为最低的未触发的CSP将看到过压加上最大的静水压力。这是有用的方法，该方法控制模板在现有井孔内不同位置的部署，并且然后在不同区域耗尽油时将它们关闭，从而优化剩余区域的性能。
通过具体实例的方式，针织模板中的孔可以用蜡涂层或聚合物涂层密封。具有在粘土的层之间结合的低聚物苯乙烯单元的有机改性的粘土可以结合到涂层或被给予到井内流体中。粘土增加低聚物表面活性剂的热稳定性，使得该结构可以被调整以在高于指定温度和压力时释放低聚物表面活性剂。低聚物表面活性剂一旦释放，就将导致蜡层或聚合物层迅速降解，并且一旦降解，井内流体就将接触粉末，导致CSP溶胀、凝固并且隔离区域。
可选择地，孔可以用蜡涂层或聚合物涂层密封。随后，可以通过向井内流体中给予化学物质并且使其循环来降解涂层，以便使密封剂快速分解并且允许井内流体接触粉末并引发溶胀和凝固反应。用于涂层的合适的聚合物包括但不限于：低密度聚乙烯(LDPE)；高密度聚乙烯(HDPE)；聚丙烯(PP)；聚氯乙烯(PVC)；聚苯乙烯(PS)；尼龙、尼龙6或尼龙6,6；热塑性聚氨酯(TPU)；天然聚合物，诸如基于淀粉的聚合物；以及天然弹性体和合成弹性体。
可以被给予并且循环以分解涂层的合适的化学物质包括但不限于：亲水性表面活性剂；以及包括盐酸和硫酸的酸。
如图4中所示，系统中使用的端盖可以使用多种常规附接方法被机械地附接到基础管。这样的方法包括但不限于螺纹附接和平头螺钉，或者通过合适的粘合剂。端盖提供若干功能。它们防止锚环在储存、运输和安装期间沿着管移动。当CSP下降到井套管或裸孔(bare hole)内的位置时，它们保护套管。它们可以通过减少剪切加载的凝固的水泥的有效深度和增加在套管的内部密封和CSP被安装在其上的管之间的最大剪切载荷来增加凝固的CSP的剪切载荷抗性。因此，中间端盖也可以在沿着CSP的长度的半路上被安装(特别是如果CSP很长的话)，以便增加载荷容量，增加保护水平或者分隔具有不同特性的锚环的区域。
这对于长CSP可以是特别有利的，其中对于在系统的寿命期间可能遇到的变化的物理环境和化学环境，可能需要不同的特性。端盖可以由包括钢的任何标准的工程材料制成。典型地，将选择与用于套管柱(casing string)的钢相容的钢，并且因此典型的等级将是L80、P110，或者对于腐蚀环境，可以使用诸如Monel(蒙乃尔)400、K500、600或700的不锈钢。与模板接触的端盖的角将被去角或倒圆，以避免在模板抵靠端盖溶胀时损坏模板。
模板和端盖的构造确保当材料溶胀时，溶胀的方向以及由此的套管的外表面的移动的方向被控制，并且基本上径向向外地被引导朝向CSP预期密封到的表面(管/井孔的内表面)。
实施例
本发明的实施方案由与用于油提取的生产管柱中使用的钢管尺寸相同的钢管组成，在这种情况下，是具有244mm的外径且2.438m长的管。
沿着织物的长度以“链式线迹(chain stitch)”(有时被称为“编链线迹(pillarstitch)”)的图案针织有纹理的聚酯，以在织物管的长度上实现最小的拉伸(0-1/1-0)。弹性纱线被镶嵌在链式线迹之间，以将链式线迹连接在一起，以形成织物，并且允许在织物管的环向上膨胀(0-0/3-3)。
针织了42个每个长度为83cm的管。然后，管各自填充有约0.35kg的粉末，该粉末已经以以下比例(按质量计)完全共混在一起：36.8％普通波特兰水泥52.5N、15.5％TernalWhite、29.4％无水硫酸钙、0.5％乙二胺四乙酸、0.3％超吸收性聚合物、10％合成的Fe3O4和7.5％硫酸钡。然后使用套口线迹(looping stitch)将每个管的端部手工缝制在一起以形成圆环，以便产生平滑的接头，该接头可以优先地在角向方向上膨胀。然后通过将每个填充的圆环置于两部分圆环形状的模具中并将其振动持续超过5分钟来将粉末重新分配和固结。打开模具，并且在此过程期间将圆环重新定位六次，以使粉末能够获得在模板内的均匀分布。重复该过程以产生42个锚环。
制造两个钢质端盖(如图4中所示)。使用平头螺钉将一个端盖附接到基础管，然后将42个圆环组装到基础管上并且压紧在一起，然后使用平头螺钉将第二个端盖固定到基础管。还使用最少量的硅粘合剂以将填充的锚环粘合到基础管，以防止进一步移动。然后将填充的CSP在平坦表面上滚动，以将锚环压缩在一起，以形成矩形横截面管(而不是由多个小圆构成的管)，该管围绕基础管并且是约18mm深，这比端盖的深度低2mm。然后将完成的CSP缠绕并且密封在塑料膜中用于储存。
一周之后，将塑料膜移除，并且CSP下降到具有315mm的内径的钢管中，该钢管填充有用氯化钠饱和的水。观察到粉末填充的圆环在7天时间段内溶胀以给出水密密封，并且在14天之后，切去30cm长的CSP，该部分抵抗19T的拉力。切去外管的部分，以示出粉末填充的圆环已经膨胀并且抵靠其密封。
其他应用
到目前为止，该系统已经在油井管的背景中被讨论，但是对于该技术和对于溶胀粉末填充的模板的使用存在若干其他应用。这应用于许多密封和抗剪切载荷的应用。应用的非限制性列表包括以下用途。
对管接头特别是用于大型钢质管道的焊接接头的外部保护。模板被制成许多可以连接在一起的环形元件。这些元件被推到待接合的管中的一个的端部上，使得它们位于管的外部。一旦管端部已经被焊接在一起，元件就沿着管推动以覆盖焊接接头。然后，通过喷洒水或含水介质或者浸入水或含水介质中使模板水合。这导致模板溶胀和凝固，产生保护焊缝的凝结的防护层(concrete shield)。因为粉末填充的模板在凝固之前溶胀，因此该模板将密封管并且保护管免受机械损伤和腐蚀的影响，因为水泥共混物的碱性性质，该模板还将通过钝化抑制钢管的腐蚀。
管的接合。如图5中所示，模板安装在管的内部，使得切割的管(21)被插入装置中。待接合到第一切割的管(21)的第二切割的管(22)在装置的另一端部被插入。用于水合粉末填充的模板(26)的填充端口和贮存器(fill port and reservoir)(23)位于装置的顶部上，并且其被供应含水介质，直到贮存器被充满。粉末填充的模板(圆环形状)围绕待接合的管周向地布置。贮存器由硬质的套管(24)界定，该套管(24)在粉末凝固时将液体保持在适当的位置，该套管包括内挡块(internal stop)，以防止管的过度插入，该挡块包括允许含水介质在两半之间通过的孔。该装置可以在装置的每个端部处和在两个管的接合处(未示出)另外包括任选的弹性O形密封件(25)，以帮助保持含水介质，直到粉末填充的模板已经膨胀和凝固。
本发明还可以用于密封大尺寸的裂缝。在实例中，线性模板，例如两端被封闭的圆柱体，可以被插入裂缝中并且然后通过含水介质活化，使得该线性模板膨胀以填充裂缝，并且凝固并密封裂缝。
本发明还可以用于密封在罐和筑堤区域(bunded area)中的管贯穿件(pipepenetration)—在这种情况下，粉末填充的模板在管上滑动并且管通过孔插入，或者在混凝土筑堤的情况下，混凝土围绕管和粉末填充的模板浇注。然后，模板被喷洒含水介质，并且在凝固之前抵靠罐/堤岸壁膨胀，以产生耐用的密封的界面。
本发明还可以以填充有粉末的大枕头形状或管状形状的模板的形式应用，其可以用于暂时地修补船上的孔。重达30kg的大粉末填充的形式可以被用来隔离船体中的缺口，然后当暴露于来自外部的水时，它们将膨胀并且凝固以部分地或全部地密封船体中的缺口。对于如果船在海上被穿孔并且需要固定船体中的缺口并返回港口进行永久维修的问题，这是快速且有效的解决方案。
本发明还可以用于管密封或堵塞废弃的油井或井的部分，由此其中两端被封闭的填充有粉末的管状模板可以被插入具有比模板的外径大的内径的管中，并且粉末填充的模板在与管或裸井中的含水介质接触时将溶胀，以堵塞管/井。可选择地，CSP可以如先前描述地被组装在固体芯上而不是基础管上，例如混凝土芯，然后CSP将膨胀至完全封闭管或孔。这是封闭管的可选择的方式。
Claims (47)
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％-54％的量存在，或者以总水泥粉末的按质量计30％-40％的量存在，或者以总水泥粉末的按质量计32％-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％-25％的量存在，或者以总水泥粉末的按质量计10％-20％的量存在，或者以总水泥粉末的按质量计13％-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％-70％的量存在，或者以总水泥粉末的按质量计20％-40％的量存在，或者以总水泥粉末的按质量计28％-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％-10％的量存在，或者以总水泥粉末的按质量计0.1％-5％的量存在，或者以总水泥粉末的按质量计0.1％-0.5％的量存在。
25.根据权利要求20至24中任一项所述的水泥粉末，其中组分(e)以总水泥粉末的按质量计0％-30％的量存在，或者以总水泥粉末的按质量计2％-20％的量存在，或者以总水泥粉末的按质量计5％-15％的量存在。
26.根据权利要求20至25中任一项所述的水泥粉末，其中组分(f)以总水泥粉末的按质量计0％-30％的量存在，或者以总水泥粉末的按质量计2％-15％的量存在，或者以总水泥粉末的按质量计5％-10％的量存在。
27.根据权利要求20至26中任一项所述的水泥粉末，其中组分(g)以总水泥粉末的按质量计0％-10％的量存在，或者以总水泥粉末的按质量计0.1％-5％的量存在，或者以总水泥粉末的按质量计0.1％-2％的量存在。
28.根据权利要求20至27中任一项所述的水泥粉末，其中组分(a)选自所有等级的普通波特兰水泥和基于氧化镁的水泥，特别是来自Cemex的52.5N或52.5R CEM 1(TM)。
29.根据权利要求20至28中任一项所述的水泥粉末，其中组分(b)选自铝酸钙水泥，特别是来自Imreys的Ciment Fondue(TM)。
30.根据权利要求20至29中任一项所述的水泥粉末，其中组分(c)选自硫酸钙的较低水合的类似物，特别是半水合物类似物。
31.根据权利要求20至30中任一项所述的水泥粉末，其中组分(d)选自基于纤维素的SAP、聚丙烯腈型SAP、聚乙烯醇SAP、聚环氧乙烷SAP或基于聚丙烯酸的SAP。
32.根据权利要求31所述的水泥粉末，其中所述SAP是基于聚丙烯酸的SAP，优选地钠盐类似物，聚丙烯酸钠。
33.根据权利要求20至32中任一项所述的水泥粉末，其中组分(e)是在高于120℃热稳定的并且具有+2、+3或+4的氧化态的金属氧化物。
34.根据权利要求20至33中任一项所述的水泥粉末，其中组分(e)选自亚铁氧化物、二氧化钛和氧化铝，特别是亚铁氧化物中的一种，诸如Fe3O4。
35.根据权利要求20至34中任一项所述的水泥粉末，其中组分(f)选自碱土金属硫酸盐，特别是硫酸钡。
36.根据权利要求20至35中任一项所述的水泥粉末，其中组分(g)是用于延迟组分(a)或组分(b)或基于镁的水泥的初始凝固的延迟剂材料。
37.根据权利要求20至36中任一项所述的水泥粉末，其中组分(g)选自天然的和合成的糖、羧酸、柠檬酸及它们的盐类似物、或氨基多羧酸。
38.根据权利要求37所述的水泥粉末，其中组分(g)是氨基多羧酸。
39.根据权利要求1至3中任一项所述的模板，其中所述水泥粉末填充物具有以下组成：
i.在根据权利要求20至38中任一项所述的CSP共混物的按质量计10％-90％之间给予的任何CEMI型、CEMII型、CEMIII型、CEMIV型或CEMV型水泥；
ii.在根据权利要求20至38中任一项所述的CSP共混物的按质量计10％-90％之间给予的任何高铝水泥；
iii.在根据权利要求20至38中任一项所述的CSP共混物的按质量计20％-80％之间给予的无水CaSO4、半水合物CaSO4或二水合物CaSO4；
iv.在根据权利要求20至38中任一项所述的CSP共混物的按质量计0.01％-10％之间给予的乙二胺四乙酸；
v.在根据权利要求20至38中任一项所述的CSP共混物的按质量计0.01％-10％之间给予的任何超吸收性聚合物；
vi.在根据权利要求20至38中任一项所述的CSP共混物的按质量计1％-30％之间给予的FeO、Fe2O3或Fe3O4中的任一种；或
vii.在根据权利要求20至38中任一项所述的CSP共混物的按质量计1％-30％之间给予的硫酸钡。
40.一种用于密封一个管和另一个管之间的空间或管和裸孔之间的空间的装置，其中所述装置使用根据任一前述权利要求所述的多孔模板。
41.根据权利要求40所述的装置，其中所述装置被用于油井中的油层隔离。
42.一种用于管接头的外部保护的装置，其中所述装置包括权利要求1至39中任一项所述的多孔模板中的一种或更多种。
43.根据权利要求42所述的装置，其中所述装置用于保护大型钢质管道的焊接接头。
44.一种用于连接两个管的装置，所述装置包括权利要求1至39中任一项所述的多孔模板中的一种或更多种。
45.一种用于暂时地修补船的船体中的孔的装置，其中所述装置包括权利要求1至39中任一项所述的多孔模板中的一种或更多种。
46.根据权利要求45所述的装置，其中所述多孔模板被布置成填充有所述粉末的大枕头形状或管状形状的模板的形状。
47.一种用于完全密封管或孔的装置，所述装置包括根据权利要求1至39中任一项所述的多孔模板中的一种或更多种。
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