NO346607B1

NO346607B1 - Oljefeltapparat og metode som er omfattende svellbare elastomerer

Info

Publication number: NO346607B1
Application number: NO20130961A
Authority: NO
Inventors: Nitin Y Vaidya; Kuo-Chiang Chen; Agathe Robisson; Partha Ganguly; Fransois M Auzerais; Sudeep Maheshwari
Original assignee: Schlumberger Technology Bv
Priority date: 2011-01-11
Filing date: 2012-01-11
Publication date: 2022-10-31
Also published as: US8490707B2; GB201312377D0; MX2013008049A; US20120175134A1; WO2012097071A3; GB2514195B; MX336560B; NO20130961A1; WO2012097071A2; RU2013137250A; GB2514195A

Description

OLJEFELTAPPARAT OG METODE SOM ER OMFATTENDE

SVELLBARE ELASTOMERER

Offentliggjøringens område

[0001] Emnet som offentliggjøres, relaterer seg til feltene oljefeltsutvinning, produksjon og testing, og mer bestemt til elastiske, svellbare polymerisasjonsprodukter og deres bruk i slike bruksområder.

Offentliggjøringens bakgrunn

[0002] Hydrokarbonfluider som olje og naturgass, fremskaffes fra en underjordisk geologisk formasjon som kalles et reservoar, ved å bore en brønn som penetrerer den hydrokarbonbærende formasjonen. Etter at et brønnhull er boret, må brønnen kompletteres før hydrokarboner kan produseres fra brønnen. Komplettering innbefatter utforming, valg og montering av utstyr og materialer inni eller rundt brønnhullet for å transportere, pumpe eller regulere produksjonen eller injiseringen av fluider. Olje- og gassproduksjonen kan begynne etter at brønnen er komplettert.

[0003] Brønnrør som f.eks. spiralrør eller gjengede produksjonsrør, er omringet av et ringrom mellom den utvendige rørveggen og den innvendige fôringsveggen eller borehullsveggen. Ofte er det nødvendig å forsegle dette ringrommet mellom den øvre og nedre delen av brønndybden. Det er ofte ønskelig å bruke pakninger for å denne en ringromsforsegling i brønnhullene. Pakninger i åpne brønner gir en ringromsforsegling mellom sideveggen på brønnhullet i leire og et rør. Pakninger i fôrede brønner gir en ringromsforsegling mellom et ytre og indre rør. Forseglingselementet på pakningen er en gummiring eller elastomer som er sikret og festet til den innvendige veggflaten som kan være en innvendig fôret vegg eller en borehullsvegg. Ved kompresjon utvides f.eks. gummiringen radialt mot fôringen eller borehullsveggen.

[0004] Vanlige typer pakninger inkluderer oppblåsbare pakninger, mekanisk utvidbare pakninger og svellpakninger. Oppblåsbare pakninger inneholder vanligvis en blære som kan trykksettes for å utvides utover for å danne en ringromsforsegling. Mekanisk utvidbare pakninger har et fleksibelt materiale som utvider seg mot den utvendige fôringen eller formasjonsveggen når den komprimeres i aksial brønnretning. Svellpakninger omfatter et forseglingsmateriale som øker volumet og utvides radialt utover når et bestemt fluid kommer i kontakt med eller diffunderes i forseglingsmaterialet i brønnen. Forseglingsmaterialet kan f.eks. svelle som reaksjon når det eksponeres til hydrokarbonfluid eller eksponeres til vann i brønnen.

Forseglingsmaterialet kan konstrueres av en gummikomponent eller annet egnet svellbart materiale.

[0005] Fordelene ved å bruke svellbare forseglingsmaterialer i brønnpakninger er godt kjent. Typiske svellbare forseglingsmaterialer kan f.eks. tilpasse seg til uregelmessige brønnflater og kan utvide seg radialt utover uten å bruke kompliserte brønnhullsmekanismer og brønnhullsmekanismer som eventuelt har en tendens til å svikte. Svellpakninger er isolasjonsverktøy som bruker elastomersvelling for å gi en barriere i en brønn med fôring eller åpen brønn og ringrom med fôring/rør. Disse pakningene kan ha en vannreaktiv del, en oljereaktiv del eller begge deler. En vannreaktiv del kan bestå av vannabsorberende partikler som er innlemmet i et polymer. Disse partiklene sveller ved å absorbere vann som igjen utvider gummien. Et oljereaktiv del kan bruke oleofilpolymerer som absorberer hydrokarboner inn i matrisen.

Denne prosessen kan være fysisk inntak av hydrokarboner som sveller, smører eller reduserer den mekaniske styrken til materialet i det det utvider, og det maksimale differenstrykket som kan påføres pakningen, begrenses. I tillegg avsvelles materialet der det ikke finnes utløsningsfluid som fører til at ringromsforseglingen går tapt når det skjer endringer i brønnhullets fluidmiljø.

[0006] Det ville være en fremgang i faget dersom elastomerene som brukes i svellbare forseglinger, kan forbedres slik at når de er mekanisk sterkere og mer holdbare når de er svulne. I tillegg ville det være en fordel i faget dersom elastomeren ikke avsvelles når det ikke finnes et utløsningsfluid.

[0007] Det aktuelle emnet som offentliggjøres, henvender seg til motholdsproblemer ved å forsterke elastomersammensetningen. Det aktuelle emnet som offentliggjøres, offentliggjør elastomersammensetninger som sveller og stivner, men som ikke i vesentlig grad forringes eller nedbrytes under langtidseksponering til bestemte fluider.

US 2010/0252254 beskriver et apparat og en fremgangsmåte med hydrokarbon-svellbart og vann-svellbart legeme. JP 2006118130 beskriver en pakning og en pakningsmetode.

Sammendrag av offentliggjøringen

Den foreliggende oppfinnelse tilveiebringer et forseglingssystem for bruk i et underjordisk brønnhull, karakterisert ved at det omfatter en forseglingsdel der forseglingsdelen omfatter: en basispolymer, ett eller flere reaktive fyllstoffer kombinert med basispolymeren, der det ene eller de flere reaktive fyllstoffer omfatter et metalloksid, og et materiale som er konfigurert for å redusere følsomheten overfor saltoppløsning, der forseglingsdelen er ettergivende før den kommer i kontakt med et utløsningsfluid og øker fra et første volum til et andre volum og blir mindre ettergivende som respons på kontakten med utløsningsfluidet.

Den foreliggende oppfinnelse tilveiebringer også en fremgangsmåte for å danne en forsegling i et brønnhull, karakterisert ved at den omfatter å: tilveiebringe en sammensetning omfattende (a) flere reaktive fyllstoffer omfattende minst ett metalloksid og (b) et utgangsmateriale, plassere sammensetningen i brønnhullet, og eksponere sammensetningen for et utløsningsfluid og dermed danner en forsegling i brønnhullet, dermed isolerer forseglingen en bestemt brønnhullssone fra en annen brønnhullssone eller – område til en underjordisk formasjon og der forseglingen danner en o-ring, et pakningselement, en flytkontrollventil eller en broplugg.

Ytterligere utførelsesformer av forseglingssystemet og fremgangsmåten i henhold til den foreliggende oppfinnelse fremgår av de uselvstendige patentkrav.

[0008] Med tanke på ovennevnte finnes det et behov for en forbedret mekanisme i forbindelse med områder der forsegling brukes. I tillegg finnes det behov for en forbedret mekanisme for å forsterke forseglingen etter svelling eller herding. Til slutt finnes det et behov for en forsegling som fortsatt er svullen der det ikke finnes utløsningsfluid og ikke helt avsvelles.

Teknologien innen emnet oppnår dette og andre mål. Emnet som offentliggjøres, offentliggjør en svellbar brønnhullsinnretning som er nyttig ved brønnhullsforsegling. I ikke-begrensende eksempler, er den svellbare brønnhullsinnretningen nyttig med mekaniske pakninger, svellpakninger eller i visse situasjoner kan den være nyttig som erstatning for sement. Den svellbare innretningen omfatter materiale som sveller som respons på et utløsningsfluid. Svellmekanismen er en kjemisk reaksjon mellom det reaktive fyllstoffet og utløsningsfluidet. Andre utløsningsmekanismer kan også brukes i ikke-begrensende eksempler, temperatur, pH eller tid. Slik begrepet «reaktivt fyllstoff» brukes i dette dokumentet defineres det som et fyllstoff som gjennomgår en kjemisk reaksjon med utløsningsfluid eller annen utløsningsmekanisme. I tillegg omfatter den svellbare innretningen et materiale som øker i volum etter at det utløses og også blir mindre

ettergivende.

[0009] Iht. en utforming av emnet som offentliggjøres, offentliggjøres et forseglingssystem som brukes i et underjordisk brønnhull. Forseglingssystemet omfatter en forseglingsdel. Forseglingsdelen omfatter et basispolymer og ett eller flere reaktive fyllstoffer som kombineres med basispolymeret.

Forseglingsdelen er ettergivende før den kommer i kontakt med et utløsningsfluid og øker fra et første volum til et andre volum og blir mindre ettergivende som respons på kontakten med utløsningsfluidet.

[0010] Iht. en annen utforming av emnet som offentliggjøres, offentliggjøres en metode for å danne en forsegling i et brønnhull. Metoden omfatter et trinn for å gi en sammensetning som er omfattende av et reaktivt fyllstoff og et utgangsmateriale. I tillegg omfatter metoden trinnet for å plassere sammensetningen inn i et brønnhull og utsette sammensetningen for et utløsningsfluid, og dermed danne en forsegling i brønnhullet. Forseglingen som dannes, isolerer en bestemt brønnhullssone fra en annen brønnhullssone eller -område i en underjordisk formasjon. I ikke-begrensende eksempler, er forseglingen som dannes, et o-ring, et pakningselement, en flytkontrollventil eller en broplugg.

[0011] Iht. en annen utforming av emnet som offentliggjøres, offentliggjøres et forseglingssystem som brukes i et underjordisk brønnhull.

Forseglingssystemet omfatter et svellbart materiale. Dette svellbare materialet omfatter et basispolymer og et forsterket, reaktivt fyllstoff som er plassert i basispolymeret. Det svellbare materialet sveller når det kommer i kontakt med et utløsningsfluid og er et ettergivende materiale med et første volum før det sveller med utløsningsfluidet og er et mindre ettergivende materiale med et andre volum etter svelling med utløsningsfluidet.

[0012] Iht. en annen utforming av emnet som offentliggjøres, offentliggjøres en metode for å danne en ringromsbarriere i et underjordisk brønnhull. Denne metoden omfatter en rekke trinn. Det første trinnet er trinnet for å sammensette et reaktivt materiale inni et basispolymer for dermed å danne en ettergivende forseglingsdel. Den ettergivende forseglingsdelen som dannes, kommer i kontakt med et utløsningsfluid og øker fra et første volum til et andre volum og blir mindre ettergivende som respons på kontakten med utløsningsfluidet. I tillegg reduseres ikke den ettergivende forseglingen til det første volumet som respons på avsluttet kontakt med utløsningsfluidet.

[0013] Iht. en annen utforming av emnet som offentliggjøres, offentliggjøres en metode for å konstruere en brønnpakning. Denne metoden omfatter en rekke trinn. Det første trinnet involverer sammensetning av et reaktivt materiale inni et basispolymer for dermed å danne en ettergivende brønnpakning. Det andre trinnet involverer montering av den ettergivende brønnpakningen i et hovedrør. Det tredje trinnet involver den ettergivende forseglingsdelen der den kommer i kontakt med et utløsningsfluid og øker fra et første volum til et andre volum og blir mindre ettergivende som respons på kontakten med utløsningsfluidet. Til slutt reduseres ikke den ettergivende forseglingen til det første volumet som respons på avsluttet kontakt med utløsningsfluidet.

[0014] Andre funksjoner og fordeler ved emnet som offentliggjøres, vil være mer opplagt i følgende detaljert beskrivelse sett sammen med de tilhørende tegningene.

Kort beskrivelse av figurene

[0015] Figur 1 er et skjematisk diagram av et brønnsystem som innlemmer prinsippene til den aktuelle oppfinnelsen,

[0016] Figur 2A og 2B er diagrammer med volumendring (%) og modulforhold som en funksjon av tid til et typisk oljesvellmateriale,

[0017] Figur 3A og 3B er diagrammer med volumendring (%) og modulforhold som en funksjon av tid til en vannsvellsammensetning som beskrives i dette dokumentet,

[0018] Figur 4A og 4B er diagrammer med volumendring (%) og modulforhold som en funksjon av tid til en forbedret vannsvellsammensetning som beskrives i dette dokumentet som inneholder superabsorberende polymer (SAP) med to forskjellige konsentrasjoner: 10 % masse SAP og 15 % masse SAP,

[0019] Figur 5 er et diagram med volumendring (%) som en funksjon av tid til en forbedret vannsvellsammensetning som beskrives i dette dokumentet som inneholder magnesiumoksid(MgO) med to forskjellige konsentrasjoner: 15 % masse MgO og 45 % masse MgO,

[0020] FIG. 6 er et diagram av tørr volumendring (%) som en funksjon av tid til en forbedret vannsvellsammensetning som beskrives i dette dokumentet som inneholder magnesiumoksid(MgO) med to forskjellige konsentrasjoner: 15 % masse MgO og 45 % masse MgO. Tørt volum betyr at prøvene ble utsatt for vann på forskjellige tidspunkter som illustrert i diagrammet og deretter tørket ved at de ble eksponert til luft ved 82 ºC,

[0021] FIG. 7 er et belastnings-/spenningsdiagram til en forbedret svellsammensetning iht. typiske utforminger av den aktuelle oppfinnelsen,

[0022] FIG. 8A er en skjematisk tverrsnittsvisning av et brønnhullsverktøy med et plasserbart forseglingselement (et svellbart vannelastomer som beskrives i dette dokumentet) med den innledende fasongen, og

[0023] FIG. 8B er en skjematisk tverrsnittsvisning av brønnhullsverktøyet i FIG. 8A der det valgte, plasserbare forseglingselementet er plassert.

Detaljert beskrivelse

[0024] Utformingene i dette dokumentet beskrives med henvisning til visse svellbare brønnhullstilbehør. Disse utforminger fokuserer f.eks. på bruken av pakninger for å isolere visse områder i brønnhullet i forbindelse med bruken av produksjonsrør, strenger, fôringsrør eller fôringer. I tillegg kan utformingene som offentliggjøres i dette dokumentet, brukes som isolasjonsmateriale i forbindelse med produksjonsrør, strenger, fôringsrør, fôringer, sandkontrollskjermer, gruspakninger eller fôringsrørhengere inni en fôring eller mot en formasjon.

[0025] En rekke forskjellige alternative bruksområder kan imidlertid bruke slike svellpakninger til blant annet brønnstimulering, kompletteringer eller isolering ved vanninjisering. I tillegg kan alternativt svellbart tilbehør brukes som f.eks. plugger, reduksjonsventiler, flytkontrollventiler og struper for å dra nytte av materiale og teknikker som offentliggjøres i dette dokumentet. Til slutt kan dette svellbare tilbehøret brukes som ringromsforsegling som et alternativ til sement som et ikke-begrensende eksempel i en returbrønn. Uansett er utformingene av det svellbare brønnhullstilbehøret som offentliggjøres i dette dokumentet, konfigurerte til å ha begge forsterkningsegenskapene og volumøkning når de utsettes for et fluid i et brønnhull.

[0026] Forsterkede elastiske polymerisasjonssammensetninger beskrives i følgende felleseid patentsøknad som innlemmes i sin helhet ved referanse i dette dokumentet «Reinforced Elastomers» (Forsterkede elastomerer), amerikansk patentsøknad nr. 12/577,121, innlevert 9. oktober 2009 og kan brukes for å konstruere utforminger av det svellbare brønnhullstilbehøret som offentliggjøres i dette dokumentet.

[0027] Emnet som offentliggjøres, beskriver et apparat omfattende et elastisk polymerisasjonsprodukt som er nyttig ved anvendelse innen oljefelt inkludert hydrokarbon-prøveboring, boring, testing, komplettering og produksjonsaktiviteter. Slik begrepet «oljefelt» brukes i dette dokumentet, inkluderes landbasert (på overflaten og under overflaten) og sjøbunnsanvendelser, og i visse tilfeller sjøvannsanvendelser som f.eks. når hydrokarbon-prøveboring, boring, testing eller produksjonsutstyr utføres i sjøvann. Slik begrepet «oljefelt» brukes i dette dokumentet, inkluderes hydrokarbon-olje- og gassreservoarer og formasjoner og deler av formasjoner der hydrokarbonolje og –gass forventes, men som til syvende og sist eventuelt kun inneholder vann, saltoppløsning eller en annen sammensetning. En typisk bruk av apparatet som er omfattende en elastisk polymerisasjonssammensetning, vil være i brønnhullsanvendelser som f.eks. soneisolasjon av brønnhull selv om oppfinnelsen ikke er begrenset til dette. Et «brønnhull» kan være hvilken som helst type brønn inkludert, men ikke begrenset til en produksjonsbrønn, en ikke-produserende brønn, en injeksjonsbrønn, en fluiddeponeringsbrønn, en forsøksbrønn, en prøvebrønn, o.l. Brønnhull kan være vertikale, horisontale, ha en vinkel som avviker mellom vertikalt og horisontalt og en kombinasjon av disse, f.eks. en vertikal brønn med en ikke-vertikal komponent. Det er tiltenkt at begrepet «brønnhullsfluid» skal omfatte komplettingsfluider og reservoarfluider.

[0028] Figur 1 er en representativ illustrasjon av et brønnsystem 101 som omfatter prinsippene ved emnet som offentliggjøres. En rørstreng 111 (som f.eks. en produksjonsrørstreng, fôringsstreng, osv.) er montert i et brønnhull 107 i brønnsystemet 101. Brønnhullet 107 kan være helt eller delvis fôret som vist i fig. 1 med fôringstreng 103 i den øvre delen og uten fôring i den nedre delen. En ringromsbarriere dannes mellom rørstrengen 111 og fôringsstrengen 103 med en svellpakning 105. En annen ringromsbarriere dannes mellom rørstrengen 111 og brønnhullet uten fôring 107 med en annen svellpakningen 113. Svellpakningen 113 sveller fra en ikke-utvidet tilstand til en utvidet tilstand når den kommer med kontakt med eller absorberes av et utløsningsfluid. Utløsningsfluidet kan finnes naturlig i brønnhullet, kan finnes i formasjonen og deretter produseres inn i brønnhullet eller kan plasseres eller injiseres inn i brønnhullet. Det skal forstås at svellpakningene 105 og 113 er eksempler på bruken av prinsippene ved emnet som offentliggjøres. Andre typer pakninger kan konstrueres og andre typer ringsromsbarrierer kan dannes uten å avvike fra prinsippene til emnet som offentliggjøres. En ringromsbarriere kan dannes i forbindelse med produksjonsrør, strenger, fôringsrør, fôringer, sandkontrollerte skjermer, gruspakning eller fôringshengere inni et fôringsrør eller mot en formasjon.

Dermed er emnet som offentliggjøres, ikke begrenset på noen måte til detaljene av brønnsystemet 101 som beskrives i dette dokumentet.

[0029] Svellbart brønnhullstilbehør kan omfatte ikke-begrensende eksempler som et elastisk polymerisasjonsprodukt som fylles med et herdingsstoff eller reaktivt stoff som sementklinker (silikater, aluminater og ferriter) og kan i tillegg omfatte oksider som magnesiumoksid og kalsiumoksid. Det elastiske polymerisasjonsproduktet kan være en relativ inert gummi som f.eks. hydrogenerert nitrilbutadiengummi (HNBR) eller en oljesvellbar gummi som f.eks. etylenpropylendienmonomer (M-klasse)-gummi (EPDM). Disse reaktive fyllstoffene kan eventuelt aktiveres av en rekke forskjellige utløsningsmekanismer, ikke-begrensende eksempler som olje/vann, tid eller temperatur og etter at de er aktiver øker elastomerstivheten. Disse reaktive eller forsterkende fyllstoffene øker volumet til elastomer/fyllstoffsammensetningen og ved bruk av forsøksdata er det fastslått at denne volumøkingen er først og fremst et resultat av bundet vann og noe ubundet vann. Det ubundne vannet er vann som diffunderer i elastomer/fyllstoffsammensetningen og det bundne vannet er vann som hydrerer i det uorganiske materialet. Som et resultat finnes volumøkningen selv etter flere dager i et tørt miljø pga. hydreringen og det bundne vannet. Volumøkningen kan eventuelt nå inn i ikke-begrensende eksempler med omtrent 50 %. I tillegg kan volumsvellingen reguleres i ikke-begrensende eksempler ved å modifisere den totale mengden fyllstoff som brukes eller ved å bruke mer enn ett fyllstoff, og i disse tilfellene kan volumøkningen eventuelt være mer enn omtrent 100 %.

[0030] Bruken av svellbare materialer for å forsegle komponenter, krever kontroll av svellkinetikk. Det svellbare brønnhullstilbehøret må plasseres på riktig sted før det sveller og forsegler. Elastomerfyllstoffsammensetning og reaktive fyllstoffsammensetning muliggjør kontroll av svellkinetikk ved å regulere reaksjonskinetikk til ett eller flere fyllstoffer samt som permeabiliteten til elastomerer i forbindelse med svellfluid som f.eks. vann eller olje. Fyllstoffets type, størrelse, fasong, konsentrasjon, porøsitet og de kjemiske egenskapene og deres kombinasjoner samt de kjemiske egenskapene til elastomermatrisen, kan brukes for å kontrollere reaksjonskinetikken og dermed svellkinetikken til disse sammensetningsmaterialene.

[0031] Forskjellige størrelser på partikkelfyllstoffet fører til varierende svelling av det svellbare brønnhullstilbehøret. Hastigheten som sement hydrerer ved, varierer etter partikkelstørrelsen til sementen. Større sementpartikler krever mer tid for å hydreres helt. Gummimatrisen vil også påvirke diffusjonshastigheten til fluidet som vil påvirke reaksjonskinetikken til fyllstoffene. I ett ikke-begrensende eksempel, vil et reaktivt fyllstoff som reagerer der det finnes vann, ha en økt reaksjonshastighet med en gummimatrise som fremmer raskere diffusjon av vann og dette fører til en øking i svellhastigheten til gummi/fyllstoff-sammensetningen.

[0032] Konvensjonelle mekaniske pakninger består generelt av NBR (nitrilbutadiengummi) eller HNBR (hydrogenerert nitrilbutadiengummi) med et forsterket fyllstoff som f.eks. sot eller silika. Konvensjonelle svellpakninger består generelt av en svellbar matrise som f.eks. etylenpropylendienmonomer (M-klasse)-gummiblandinger (EPDM) til fyllstoffer som kan svelle eller kan svelle med olje som f.eks. natriumpolyakrylat, natriumpolyakrylamid eller leire som kan svelle med vann. Sammensetningen som brukes ved konvensjonelle pakninger, kan bestemme om pakningen avsveller dersom løsemidlet er borte, f.eks. vann i tilfeller der vann fører til svelling. I tillegg mister det svulne materialet mekaniske egenskaper og dermed reduseres det maksimale differenstrykket som den svulne pakningen kan tåle. Fig. 2A og 2B viser et konvensjonelt oljesvellbart materiale.

Diagrammene er volumendring (%) og modulforhold som en funksjon av tid til et oljesvellmateriale. Oljesvellbare elastomerer sveller ved å absorbere fluid i gummimatrisen, og som det vises i Fig. 2B, har deres modul en tendens til reduseres i det de sveller og dette påvirker mengden differenstrykk som pakningen kan tåle etter herding.

[0033] Utforminger av emnet som offentliggjøres, offentliggjør svellbare brønnhullstilbehør som består av svellbar matrise som består av et reaktivt fyllstoff som forsterker den svellbare matrisen etter svelling og herding. I tillegg offentliggjør utformingene til emnet som offentliggjøres, svellbart brønnhullstilbehør som består av en svellbar matrise som er fremdeles svullen etter at svellfluidet som f.eks. vann, er fjernet. Den svellbare matrise som offentliggjøres i offentliggjøringen av emnet, kan brukes ved anvendelse av forseglinger som f.eks. pakninger. Materialet er i utgangspunktet et ettergivende materiale. Etter at fyllstoffet som f.eks. herdet sement, reagerer, blir materialet et stivere og oppsvulmet materiale med hydreringsøkende volum.

Utgangsmateriale

[0034] Utgangsmaterialet til forseglingen velges generelt fra et hvilket som helst egnet materiale som er kjent innen faget for å danne forseglinger. Det foretrekkes at utgangsmaterialet er et polymer. Det foretrekkes enda mer at utgangsmaterialet er en elastomer. Elastomerer som er spesielt nyttige i den aktuelle oppfinnelsen, inkluder nitrilgummi (NBR), hydrogenerert nitrilgummi (HNBR), karboksylert nitrilgummi (XNBR), karboksylert hydrogenerert nitrilgummi (XHNBR), silikongummi, etylenpropylendien kopolymer (EPDM), fluoroelastomer (FKM, FEPM) og perfluoroelastomer (FFKM) og en hvilken som helst blanding av ovennevnte. Slik «elastomer» brukes i dette dokumentet er det et generisk begrep for stoffer som etterligner gummi i det de strekker seg under spenning, har stor strekkstyrke, trekker seg tilbake raskt og gjenvinner stort sett de opprinnelige målene. Begrepet inkluderer naturlige og kunstige elastomerer, og elastomeren kan være en termoplastelastomer eller en ikke-termoplastelastomer. Begrepet inkluderer elastomerblandinger (fysiske blandinger) samt kopolymerer, terpolymerer og multipolymerer.

Reaktivt fyllstoff

[0035] Et reaktivt fyllstoff som velges fra gruppen som består av sement, sementbasert materiale, metalloksid og blandinger av disse som reagerer og sveller når det kommer i kontakt med vann og herder sammensetningen samtidig. I ikke-begrensende eksempler er metalloksidet magnesiumoksid, kalsiumoksid, manganoksid, nikkeloksid, kobberoksid, berylliumoksid og blandinger av disse. I andre ikke-begrensende eksempler kan det reaktive fyllstoffet være en egnet epoksy som består av en epoksyharpiks og en herder (eller et tørkemiddel) som eventuelt reagerer (eller polymeriserer) sammen over tid eller temperatur. I tillegg kan epoksyen inneholde et egnet fortynningsmiddel. Polymerisering av epoksy kalles «herding» og kan kontrolleres ved bruk av temperatur og valg av harpiks og herdingssammensetninger. Denne prosessen kan ta fra minutter til timer. Ved noen formuleringer er oppvarming en fordeling under herdetiden, mens i andre trengs det helt enkelt tid og omgivelsestemperaturer. Noen vanlige epoksyharpikser inkluderer, men er ikke begrenset til: diglysidyleter fra bisfenol A (DGEBA), novolakharpiks, sykloaliepoksyharpiks, bromert harpiks, epoksiderte olefiner, Epon<R >og Epikote<R>. Eksempler på herdere inkluderer, men er ikke begrenset til: Alifatisk aminer som trietylentetramin (TETA) og dietylnetriamin (DETA), aromatiske aminer som inkluderer diaminodifenylsulfon (DDS) og dimetylanilin (DMA), anhydrider som ftalanhydrid og nadic metylanhydrid (NMA); Amin-/fenol-formaldehyder som ureaformaldehyd og melaminformaldehyd, katalytisk herdemidler som tertiære aminer og borontrifluoridkomplekser. Fortynningsmidler og løsemidler brukes for å fortynne eller tynn epoksyharpiks. Noen eksempler er: Glysidyletere (reaktive fortynningsmidler) som n-butylglysidyleter (BGE), isopropylglysidyleter (IGE) og fenylglysidyleter (PGE), organiske løsemidler som toluen (toluol), xylen (xylenol), aceton, metyletylketon (MEK), l,l,ltrikloroetan (TCA) og glykol.

[0036] I ikke-begrensende eksempler er sementen portlandsement eller en blanding av slagg og portlandsement. Andre eksempler inkluderer portlandsementblandinger, ikke-begrensende eksempler inkluderer portland-slaggsement, portland-flygeaskesement, portland-pozzolantsement, høydispers silikasement, mursement, ekspansjonssement, hvit blandet sement og finmalt sement og blandinger av disse. Til slutt, ikke-portland-hydraulisk sement kan også brukes, ikke-begrensende eksempler inkluderer pozzolant kalksement, slaggkalksement, supersulfatholdig sement, kalsiumaluminatsement, kalsiumsulfoalmuninatsement og geopolymersement. Disse fyllstoffene forbedrer de fysiske egenskapene til sammensetningen ved å fungere som et reaktivt fyllstoff. Disse fyllstoffene kan gi sammensetningsmaterialene som produseres fra formasjonene, mange fordeler som f.eks. økt volum og økt modul.

Utforminger av det offentliggjorte emnet, offentliggjør reaktive fyllstoffer som er spredd inni en polymermatrise, der de reaktive fyllstoffene sveller når det kommer i kontakt med vann pga. hydrering og fasemodifisering av fyllstoffene når de reagerer med et utløsningsfluid som f.eks. vann i et ikke-begrensende eksempel. Reaktive fyllstoffer i ett ikke-begrensende eksempel er sementlignende partikler som 1-50-mikroner som består av portlandsement eller en blanding av slagg og portlandsement. Fig. 3A og 3B er diagrammer med volumendring (%) og modulforhold som en funksjon av tid til en forbedret vannsvellsammensetning som beskrives i dette dokumentet. De uvanlige vannsvellsammensetningene viser en øking i modul ved svelling. Fig. 3A sammenligner volumendringen (%) med tid i en ren gummiprøve og prøver som inneholder portlandsement eller en blanding av slagg og portlandsement eller en blanding av slagg, portlandsement og MgO. Den rene gummiprøven har en volumendring (%) på omtrent ~10 %. Prøvene med portlandsement eller en blanding av henholdsvis slagg og portlandsement sveller til forhold på omtrent ~70 % og ~30 %. Til slutt, prøven med sement og MgO sveller til omtrent 110 %. Fig. 3B viser økningen i modulen til hver prøve. Den rene gummiprøven holder samme modulforhold over tid. Gummi- og portlandsementprøven øker modulen med en faktor på 10 over tid. Det finnes også en økning i modulforholdet til prøver som inneholder gummi og en blanding av slagg og portlandsement eller gummi og en blanding av slagg, portlandsement og MgO. MgO og andre egnede oksider hydrerer når de utsettes for et vannholdig fluid. Et ikke-begrensende eksempel er et vannholdig fluid under produksjon. Hydreringsproduktene til egnede oksider er mindre tett, derfor finnes det en tilsvarende volumøkning når det reagerer med et vannholdig fluid som f.eks. vann. Andre egnede oksider inkluderer CaO, MnO, NiO, BeO og CuO og kombinasjoner av disse.

Produksjon av elastomerprøver

[0037] Elastomersammensetninger som er nyttige i svellbare brønnhullstilbehør i emnet som offentliggjøres, kan lett gjøres med konvensjonelle gummiblandingsteknikker som f.eks. ved å bruke intern gummiblander (som f.eks. blandere som produseres av Banburry) og/eller en dobbeltvalsepress (som f.eks. presser som produseres av PPlast). I ikke-begrensende eksempler tilsettes gummiharpiksblandingen sementpulver. Andre stoffer som magnesiumoksid (MgO) eller superabsorberende polymerer (SAP) kan også tilsettes.

Superabsorberende polymerer (SAP) eller hydrogeler

[0038] Det har nylig vært en voksende interesse for svellbare elastomer til anvendelser i oljefelt. For at elastomerer kan svelle i vann har tidligere publikasjoner offentliggjort elastomerformulering som inneholder superabsorberende polymerer som hydrogeler (rapport nr. RUS 1-1464-ST-04, Institutt for gummibelegg og -produkter, L. Akopyan, Moskva forskningssenter og referanser der). Den største ulempen ved å bruke hydrogeler er at hydrogen inneholder svellbare polymerer som ikke har langtids fysisk integritet. Dette er fordi hydrogenpartiklene inni elastomeren har en tendens til å migrere til overflaten på elastomerdelen og inn i vannfasen. Som et resultat har elastomer/hydrogel-blandinger ujevn svelling og utvikler blærer på overflaten når de utsettes for vann. Etter at de har blitt utsatt for vann i noen dager, sprenges blærene og hydrogelpartiklene kastes ut av blandingen og etterlater sprekker i elastomeren.

[0039] Vannsvellbare pakninger innlemmer ofte svellende hydrofilpolymerer (som noen ganger kalles «superabsorberende partikler» som f.eks. kationiske, anionisk eller zwitterioniske polymeriske i en elastomermatrise. Ikkebegrensende eksempler inkluderer polyakrylsyre, polymetakrylsyre, polyakrylamid, polyetyleneoksid, polyetylenglykol, polypropylenoksid, poly (akrylsyre-ko-akrylamid), polymerer laget fra zwitterionmonomerer som inkluderer N, N-dimetyl-N-akryloyloksyetyl-N-(3-sulfopropyl)-ammoniumbetain, N, N-dimetyl-N-akrylamidopropyl-N-(2-karboksymetyl)-ammoniumbetain, N, N-dimetyl-N-akrylamidopropyl-N-(3-sulfopropyl)-ammoniumbetain, 2-(metyltio)etyl metakryloyl-S-(sulfopropyl)-sulfonbetain, 2-[(2-akryloyletyl)dimetylammonio ]etyl2-metylfosfat, [(2-akryloyletyl)dimetylammonio] metylfosfonsyre, 2-( akryloyloksyetyl)-2'-(trimetylammonium)etylfosfat, 2-metakryloyloksyetyl fosforylkolin, 2-[(3-akrylamidopropyl)dimetylammonio ] etyl 2'-isopropylfosfat, 1-vinyl-3-(3-sulfopropyl)imidazolhydroksid, (2akryloksyetyl)karboksmetyl metylsulfonklorid, 1-(3-sulfopropyl)-2-vinylpyridinbetain, N-(4-sulfobutyl)-N-metyl-N,N-diallylaminammoniumbetain, N,N-diallyl-N-metyl-N-(2-sulfoetyl)ammoniumbetain o.l. Superabsorberende polymerer er hydrofilnettverk som kan absorbere og holde store vannmengder eller vannholdige løsninger. Disse superabsorberende stoffene har svært rask kinetikk for å svelle, noe som er nyttig ved forsegling. Som omtalt ovenfor, har imidlertid disse stoffene ikke langtids fysisk integritet. I tillegg er det ofte nødvendig med store mengder SAP-fyllstoffer (~30-40 % etter vekt av sammensetningen) for å oppnå svelling. Dette fører til en vesentlig reduksjon i styrken ved svelling. Et annet begrensende aspekt ved SAP-stoffer er følsomheten overfor saltkonsentrasjon som har en tendens til å avsvelle når de utsettes for saltoppløsning som fører til tap av soneisolasjon.

[0040] Den aktuelle offentliggjøringen offentliggjør en annen utforming av brønnhullstilbehør omfattende elastomermateriale som er sammensatt med reaktive fyllstoffer og SAP for å brukes i svellbart tilbehør. Fordelen med denne utformingen er at SAP absorberer store mengder vann og dette vannet vil da være tilgjengelig for de reaktive fyllstoffene og dermed øke reaksjonshastigheten som øker svellhastigheten til de reaktive fyllstoffene. De reaktive fyllstoffene gir både svelling og forsterkning av materialet og gir dermed langtids fysisk integritet. I tillegg reduseres mengden SAP som trengs, fordi SAP fungerer hovedsakelig ved første vanninntak og det reaktive fyllstoffet gir svelling.

[0041] Utforminger av emnet som offentliggjøres omfattende elastomerer og reaktive fyllstoffer, har lavere svellhastighet sammenlignet med oljesvellbare elastomerer. SAP kan brukes for å forbedre effektiviteten ved vanntransporten. Gummisammensetninger som inneholder SAP-fyllstoffer, er ofte blitt brukt tidligere for å lage vannsvellbare pakninger. Se felleseid amerikansk patentnr. 7,373,991, med tittel «Swellable elastomer-based apparatus, oilfield elements comprising same, and methods of using same in oilfield applications» (Svellbart elastomerbasert apparat, oljefeltelementer som omfattende dette apparatet og metoder for å anvende dette i oljefelt), innlevert 27. mars 2006 og der innholdet innlemmes som referanse i sin helhet i dette dokumentet.

[0042] Utforminger av emnet som offentliggjøres, offentliggjør elastomersammensetninger som er egnet ved brønnhullstilbehør omfattende reaktive fyllstoffer og en liten prosent SAP. Figur 4A og 4B er diagrammer med volumendring (%) og modulforhold som en funksjon av tid til en forbedret vannsvellsammensetning til bruk i brønnhullstilbehør som beskrives i dette dokumentet som inneholder superabsorberende polymer (SAP) med to forskjellige konsentrasjoner: 10 % masse SAP og 15 % masse SAP. Prøvene sveller raskt, spesielt de første timene pga. tilsatt SAP og SAPs evne til å absorbere store vannmengder. Jo større mengde SAP som tilsettes i begynnelsen, jo større svellhastighet de første timene. Prøven med omtrent 15 % SAP sveller til omtrent 140 % i forhold til prøven med 10 % som sveller til omtrent 60 %. Etter en tid reduseres imidlertid prøvenes svellhastighet til en likevekt på omtrent 50 %-60 % som ligner på prøven uten tilsatt SAP. Tilsetning av SAP resulterer i en vesentlig økning i gummivolumet, selv med korte varigheter. Volumøkningen er et resultat av SAPS raske vannabsorpsjon. SAP er også en kilde til sementhydrering som fører til raskere hydrering av sement. Fig. 4B viser moduløkning med forskjellige mengder SAP. Modulene til prøver som inneholder SAP, reduseres betraktelig de første timene fra en innledende modul på omtrent 1 til så lav som 0. Modulen øker igjen med tiden og prøven som inneholder det største mengden SAP (15 %) har den største prosentvises moduløkning på omtrent 500 % eller med en faktor på omtrent 6. Økt tilgengelig vann inni gummimatrisen øker hastigheten på sementhydreringen og dermed øker modulen til gummimatrisen. Tilsetting av SAP øker både svellkinetikken og herding ved innlemmelse av SAP til utforminger av emnet som offentliggjøres. I tillegg forsterkes gummimatrisen som er en vesentlig fordel sammenlignet med matriser og som inneholder kun SAP som blir myke når de sveller og fører derfor til at materialet svikter under en høy differensiell belastning.

[0043] Figur 5 illustrerer et diagram med volumendring (%) som en funksjon av tid til en forbedret vannsvellsammensetning som brukes i brønnhullstilbehør og beskrives i dette dokumentet som inneholder magnesiumoksid(MgO) med to forskjellige konsentrasjoner: 15 % masse MgO og 45 % masse MgO. Økt MgO sammensatt med sement øker mengden svelling. Prøven med 45 % MgO har en volumendring (%) på omtrent 110 % i forhold til prøven med 15 % MgO som har en volumendring på omtrent 60 %.

[0044] Figur 6 illustrerer et diagram med prosentvis tørr volumendring som en funksjon av tid til en forbedret vannsvellsammensetning som brukes i brønnhullstilbehør og beskrives i dette dokumentet som inneholder magnesiumoksid(MgO) med to forskjellige konsentrasjoner: 15 % masse MgO og 45 % masse MgO. Prøver ble eksponert for vann på forskjellige tidspunkter som illustrert i diagrammet og deretter tørt ved at de ble utsatt for luft ved 82 °C. Prøvene ble værende delvis svulne etter tørkning med en volumendring (%) på omtrent 80 % ved prøven som inneholdt 45 % MgO.

[0045] FIG. 7 er et belastning/spenning-diagram til en forbedret svellsammensetning til bruk i brønnhullstilbehør som beskrives i dette dokumentet iht. typiske utforminger av den aktuelle oppfinnelsen.

Gummi/sement-sammensetningen har stor økning i styrke etter tørking.

Vannsvellbare polymere som er ufølsomme overfor saltoppløsning

[0046] Det er mulig at utforminger av emnet som offentliggjøres, må svelle der det finnes saltoppløsning. Slik begrepet brukes i dette dokumentet henviser «saltoppløsning» til et hvilket som helst vannbasert fluid som inneholder alkalisk eller jordalkaliske klorsalt som f.eks. natriumklorid, kalsiumklorid, osv., sulfater og karbonater. Svellegenskapene kan variere i forhold til variabiliteten til saltkonsentrasjonen i saltoppløsningen. Dvs. at etterhvert som saltkonsentrasjonen øker, øker også mengden svelling. Det er viktig å ha en forsegling der svellingen er mindre følsom overfor saltoppløsningskonsentrasjonen. Elastomer-backbone til utformingene som er emnet for offentliggjøringen kan skreddersys med bestemte konsentrasjoner med kationer og/eller anioner som er podet i dem slik at deres følsomheten overfor saltoppløsningskonsentrasjon reduseres. Det kan brukes materialer som sveller til en viss grad ved eksponering til en saltoppløsning i en brønn. I tillegg kan graden av svelling i materialet bli værende hovedsakelig konstant der saltoppløsingskonsentrasjonen varierer. Utforminger av emnet som offentliggjøres, offentliggjør svellbart tilbehør som i ett ikke-begrensende eksempel er en pakning som er konfigurert med materialer som ikke er følsomme overfor en saltløsning og som kombineres med reaktive fyllstoffer.

Forsøk med testing av pakningsforsegling

[0047] En minipakning av et oljesvellbart material og en minipakning av HNBR-gummi, sement og MgO med forskjellige prosentandeler ble testet og sammenlignet ved bruk av metoder som er kjent blant dem med ferdigheter i faget. Den oljesvellbare pakningen sviktet ved et differenstrykk på omtrent 1200 psi og det ble observert vesentlig materiell ekstrudering som har sammenheng med dårlige mekaniske egenskaper. Den uvanlige vannsvellbare pakningen sviktet ved et differenstrykk på 11 000 psi, og det ble observert uvesentlig materiell ekstrudering som har sammenheng med dårlige mekaniske egenskaper.

[0048] I fig. 8A og 8B finnes en skjematisk illustrasjon av et eksempel der det brukes vannsvellbare elastomerer som beskrives i dette dokumentet på et brønnhullsverktøy 801. Fig. 8A viser en forseglende del 805 som omfatter en forseglingsdel til emnet som offentliggjøre som er i en første eller innledende ettergivelsestilstand som er dannet rundt et rør 803. Den første eller innledende ettergivelsestilstanden gjør at brønnhullsverktøyet kan lett settes på riktig plass. Etter kontakt med vann eller saltoppløsing, utvides den forseglende delen 805 og sveller til en andre mindre ettergivende tilstand eller volum 819. Deretter tilpasser den seg borehullsveggen 821 i den underjordiske formasjonen 815. Brønnhullet 813 forsegles på denne måten.

[0049] Til tross for at emnet som offentliggjøres, beskrives med typiske utforminger ovenfor, vil personer med vanlige ferdigheter i faget forstå at endringer i eller variasjoner av de illustrerte utformingene kan gjøres uten å avvike fra oppfinnelseskonseptene som offentliggjøres i dette dokumentet. I tillegg, til tross for at foretrukne utforminger beskrives i forbindelse med forskjellige illustrerende strukturer, vil en person med ferdigheter i farget forstå at systemet kan omfatte bruken av en rekke forskjellige bestemte strukturer. Derfor skal emnet som offentliggjøres, ikke ansees som begrensende unntatt av omfanget og ånden til de vedlagte kravene.

Claims

PATENTKRAV

1. Et forseglingssystem for bruk i et underjordisk brønnhull (107, 813), k a r a k t e r i s e r t v e d at det omfatter en forseglingsdel der forseglingsdelen omfatter:

en basispolymer,

ett eller flere reaktive fyllstoffer kombinert med basispolymeren, der det ene eller de flere reaktive fyllstoffer omfatter et metalloksid, og et materiale som er konfigurert for å redusere følsomheten overfor saltoppløsning,

der forseglingsdelen er ettergivende før den kommer i kontakt med et utløsningsfluid og øker fra et første volum (805) til et andre volum (819) og blir mindre ettergivende som respons på kontakten med utløsningsfluidet.

2. Det forseglende systemet i krav 1 der det andre volumet ikke reduseres til det første volumet som respons på avsluttet kontakt med utløsningsfluidet.

3. Det forseglende systemet i krav 1 der forseglingsdelen har en moduløkning fra det første til det andre volumet.

4. Det forseglende systemet i krav 3 der moduløkningen er en faktor på én eller mer.

5. Det forseglende systemet i krav 1 der økningshastigheten fra et første volum til en andre volum reguleres med valg av én eller flere reaktive fyllstofftyper, en partikkelstørrelse og en konsentrasjon av ett eller flere reaktive fyllstoffer.

6. Det forseglende systemet i krav 1 der økningshastigheten fra et først til et andre volum reguleres med valg av basispolymeren.

7. Det forseglende systemet i krav 1 der ett eller flere reaktive fyllstoffer er et forsterkende reaktivt fyllstoff.

8. Det forseglende systemet i krav 7 der det forsterkende reaktive fyllstoffet er sement eller et sementbasert materiale.

9. Det forseglende systemet i krav 8 der sementen velges fra en gruppe omfattende portlandsement, en blanding av slagg og portlandsement, portlandsementblandinger, ikke-portland hydrauliske sementer eller en blanding av disse.

10. Det forseglende systemet i krav 1 der basispolymeren er et elastisk polymerisasjonsprodukt.

11. Det forseglende systemet i krav 10 der det elastiske polymerisasjonsproduktet omfatter et gummimateriale.

12. Det forseglende systemet i krav 11 der gummimaterialet velges fra gruppen omfattende nitrilgummi, nitrilbutadiengummi, karboksylert nitrilbutadiengummi, hydrogenerert nitrilbutadiengummi, karboksylert hydrogenerert nitrilbutadiengummi, hydrogenerert akrylonitrilbutadiengummi, etylenpropylendien M-klasse gummi, fluoroelastomer (FKM, FEPM) og perfluoroelastomer (FFKM) og/eller en blanding av disse.

13. Det forseglende systemet i krav 10 der det elastiske polymerisasjonsproduktet sveller når det kommer i kontakt med utløsningsfluidet fordi utløsningsfluidet absorberes av det elastiske polymerisasjonsproduktet.

14. Det forseglende systemet i krav 13 der utløsningsfluidet er et brønnhullsfluid.

15. Det forseglende systemet i krav 14 der brønnhullsfluidet er vann og/eller hydrokarboner.

16. Det forseglende systemet i krav 1 der metalloksidet omfatter magnesiumoksid, kalsiumoksid, manganoksid, nikkeloksid, kopperoksid, berylliumoksid og blandinger av disse.

17. Det forseglende systemet i krav 1 der det ene eller de flere reaktive fyllstoffer omfatter en epoksy.

18. Det forseglende systemet i krav 1 der det forseglende systemet har forbedrede mekaniske egenskaper etter kontakt med utløsningsfluidet.

19. Det forseglende systemet i krav 1 som brukes som sementerstatning.

20. Det forseglende systemet i krav 1 som brukes i forbindelse med produksjonsrør, strenger, fôringsrør, fôringer, sandkontrollskjermer, gruspakning eller fôringshengere inni et fôringsrør eller mot en formasjon.

21. Det forseglende systemet i krav 1 som i tillegg er omfattende av en superabsorberende polymer.

22. Det forseglende systemet i krav 21 omfattende omtrent 10 % til omtrent 50 % superabsorberende polymer.

23. Det forseglende systemet i krav 22 der den superabsorberende polymeren ikke reduserer en mod ul til forseglingsdelen.

24. Det forseglende systemet i krav 1 der materialet har skreddersydde konsentrasjoner av enten kationer eller anioner.

25. Det forseglende systemet i krav 24 der materialsvellingen er uendret når det utsettes for saltoppløsingsfluider i brønnhullet.

26. Det forseglende systemet i krav 1 der den forseglende delen er tilpasset for å danne en permanent forsegling i brønnhullet.

27. Det forseglende systemet i krav 1 der det forseglende systemet er en ringromsforsegling som er konfigurert for å forsegle et ringrom mellom det forseglende systemet og brønnhullet.

28. En fremgangsmåte for å danne en forsegling (105, 113) i et brønnhull (107, 813),

k a r a k t e r i s e r t v e d at den omfatter å:

tilveiebringe en sammensetning omfattende (a) flere reaktive fyllstoffer omfattende minst ett metalloksid og (b) et utgangsmateriale, plassere sammensetningen i brønnhullet, og

eksponere sammensetningen for et utløsningsfluid og dermed danner en forsegling (105, 113) i brønnhullet (107, 813),

dermed isolerer forseglingen (105, 113) en bestemt brønnhullssone fra en annen brønnhullssone eller –område til en underjordisk formasjon og der forseglingen (105, 113) danner en o-ring, et pakningselement, en flytkontrollventil eller en broplugg.

29. Fremgangsmåten i krav 28 i tillegg omfattende å plassere en forsegling rundt en hylse med spor, en fôring med spor eller en sandkontrollskjerm.