1. Система изоляции пространства ствола скважины, пробуренной в земных породах, содержащая в стволе скважины вещество, способное набухать таким образом, чтобы при набухании указанного вещества изолировалось упомянутое пространство, при этом указанное вещество контактирует с пластовой водой, текущей в ствол скважины, в веществе, способном набухать, имеется полимерный связующий материал, содержащий растворимое в указанной пластовой воде соединение, причем связующий материал, по существу, предотвращает или ограничивает распространение указанного соединения за пределы вещества, способного набухать, и позволяет указанной пластовой воде проникать в способное набухать вещество посредством осмоса, так что в результате перемещения указанной пластовой воды в способное набухать вещество происходит набухание данного вещества, отличающаяся тем, что указанный полимерный связующий материал получается или может быть получен посредством примешивания упомянутого соединения в массу полимерного материала и последующей вулканизации массы полимерного материала с целью получения полимерного связующего материала.

2. Система по п.1, в которой указанный связующий материал, по существу, непроницаем для указанного соединения или для ионов указанного соединения.

3. Система по п.1, в которой данный полимерный связующий материал является эластомерным связующим материалом.

4. Система по п.3, в которой эластомерный связующий материал содержит каучук, выбираемый из базового каучука NBR, HNBR, FKM, XNBR, FFKM, TFE/P или EPDM.

5. Система по любому из пп.1-4, в которой соединение присутствует в связующем материале в виде множества частиц, распределенных по связующему материалу.

6. Система по п.5, в которой частицы распределены по связующему материалу, по существу, равномерно.

7. Система по любому из пп.5-6, в которой частицы включены в связующий материал.

8. Система по любому из пп.1-7, в которой указанное соединение содержит соль, например диссоциирующую соль.

9. Система по п.8, в которой соль выбирается из группы соли уксусной кислоты (М-CH ₃ СОО), кислые соли угольной кислоты (М-HCO ₃ ), соли угольной кислоты (М-CO ₃ ), соли муравьиной кислоты (М-НСО ₂ ), соли галоидводородной кислоты (М _х -Н _у ) (Н = Сl, Вr или I), кислые соли сероводородной кислоты (M-HS), гидроокиси (М-ОН), имиды двухосновной кислоты (M-NH), соли азотной кислоты (M-NO ₃ ), нитриды (M-N), соли азотистой кислоты (M-NC,), соли фосфорной кислоты (М-РO ₄ ), соли сероводородной кислоты (M-S) и соли серной кислоты (M-SO ₄ ), где через М обозначается любой металл, выбираемый из группы металлов периодической таблицы.

10. Система по любому из пп.8-9, в которой способное набухать вещество содержит по меньшей мере 20% соли от общего веса связующего материала и соли, а более предпочтительно по меньшей мере 35% соли от общего веса связующего материала и соли.

11. Система по любому из пп.1-10, в которой указанное пространство является кольцеобразным пространством, сформированным между цилиндрическим элементом, расположенным в стволе скважины и, по существу, цилиндрической стенкой, окружающей цилиндрический элемент.

12. Система по п.11, в которой указанный цилиндрический элемент - это обсадная труба ствола скважины или короткая колонна труб ствола скважины, а указанная, по существу, цилиндрическая стенка - это стенка ствола скважины.

13. Система по любому из пп.11-12, в которой способное набухать вещество представляет собой одно или несколько колец, каждое кольцо расположено вокруг цилиндрического элемента.

14. Система по любому из пп.1-13, в которой способное набухать вещество располагается в части ствола скважины, находящейся напротив пласта земной породы, содержащего пластовую воду.

15. Система по любому из пп.1-14, в которой пластовая вода является минерализованной пластовой водой.

16. Способ изоляции пространства ствола скважины, пробуренной в земной породе, данный способ предусматривает распределение способного набухать вещества в стволе скважины так, чтобы при набухании данного вещества изолировалось указанное пространство, при этом указанное вещество контактирует с пластовой водой, текущей в ствол скважины, в веществе, способном набухать, имеется полимерный связующий материал, содержащий растворимое в указанной пластовой воде соединение, причем связующий материал, по существу, предотвращает или ограничивает распространение указанного соединения за пределы вещества, способного набухать, и позволяет указанной пластовой воде проникать в способное набухать вещество посредством осмоса, так что в результате перемещения указанной пластовой воды в способное набухать вещество происходит набухание данного вещества, отличающийся тем, что указанный полимерный связующий материал получается или может быть получен посредством примешивания упомянутого соединения в массу полимерного материала и последующей вулканизации массы полимерного материала с целью получения полимерного связующего материала.

17. Способ по п.16, в котором упомянутое соединение примешивается в массу полимерного материала в форме множества частиц данного соединения.

 

(57) Реферат / Формула:
Система изоляции пространства ствола скважины, пробуренной в земных породах, содержащая в стволе скважины вещество, способное набухать таким образом, чтобы при набухании указанного вещества изолировалось упомянутое пространство, при этом указанное вещество контактирует с пластовой водой, текущей в ствол скважины, в веществе, способном набухать, имеется полимерный связующий материал, содержащий растворимое в указанной пластовой воде соединение, причем связующий материал, по существу, предотвращает или ограничивает распространение указанного соединения за пределы вещества, способного набухать, и позволяет указанной пластовой воде проникать в способное набухать вещество посредством осмоса, так что в результате перемещения указанной пластовой воды в способное набухать вещество происходит набухание данного вещества, отличающаяся тем, что указанный полимерный связующий материал получается или может быть получен посредством примешивания упомянутого соединения в массу полимерного материала и последующей вулканизации массы полимерного материала с целью получения полимерного связующего материала.

2. Система по п.1, в которой указанный связующий материал, по существу, непроницаем для указанного соединения или для ионов указанного соединения.

3. Система по п.1, в которой данный полимерный связующий материал является эластомерным связующим материалом.

4. Система по п.3, в которой эластомерный связующий материал содержит каучук, выбираемый из базового каучука NBR, HNBR, FKM, XNBR, FFKM, TFE/P или EPDM.

5. Система по любому из пп.1-4, в которой соединение присутствует в связующем материале в виде множества частиц, распределенных по связующему материалу.

6. Система по п.5, в которой частицы распределены по связующему материалу, по существу, равномерно.

7. Система по любому из пп.5-6, в которой частицы включены в связующий материал.

8. Система по любому из пп.1-7, в которой указанное соединение содержит соль, например диссоциирующую соль.

9. Система по п.8, в которой соль выбирается из группы соли уксусной кислоты (М-CH ₃ СОО), кислые соли угольной кислоты (М-HCO ₃ ), соли угольной кислоты (М-CO ₃ ), соли муравьиной кислоты (М-НСО ₂ ), соли галоидводородной кислоты (М _х -Н _у ) (Н = Сl, Вr или I), кислые соли сероводородной кислоты (M-HS), гидроокиси (М-ОН), имиды двухосновной кислоты (M-NH), соли азотной кислоты (M-NO ₃ ), нитриды (M-N), соли азотистой кислоты (M-NC,), соли фосфорной кислоты (М-РO ₄ ), соли сероводородной кислоты (M-S) и соли серной кислоты (M-SO ₄ ), где через М обозначается любой металл, выбираемый из группы металлов периодической таблицы.

10. Система по любому из пп.8-9, в которой способное набухать вещество содержит по меньшей мере 20% соли от общего веса связующего материала и соли, а более предпочтительно по меньшей мере 35% соли от общего веса связующего материала и соли.

11. Система по любому из пп.1-10, в которой указанное пространство является кольцеобразным пространством, сформированным между цилиндрическим элементом, расположенным в стволе скважины и, по существу, цилиндрической стенкой, окружающей цилиндрический элемент.

12. Система по п.11, в которой указанный цилиндрический элемент - это обсадная труба ствола скважины или короткая колонна труб ствола скважины, а указанная, по существу, цилиндрическая стенка - это стенка ствола скважины.

13. Система по любому из пп.11-12, в которой способное набухать вещество представляет собой одно или несколько колец, каждое кольцо расположено вокруг цилиндрического элемента.

14. Система по любому из пп.1-13, в которой способное набухать вещество располагается в части ствола скважины, находящейся напротив пласта земной породы, содержащего пластовую воду.

15. Система по любому из пп.1-14, в которой пластовая вода является минерализованной пластовой водой.

16. Способ изоляции пространства ствола скважины, пробуренной в земной породе, данный способ предусматривает распределение способного набухать вещества в стволе скважины так, чтобы при набухании данного вещества изолировалось указанное пространство, при этом указанное вещество контактирует с пластовой водой, текущей в ствол скважины, в веществе, способном набухать, имеется полимерный связующий материал, содержащий растворимое в указанной пластовой воде соединение, причем связующий материал, по существу, предотвращает или ограничивает распространение указанного соединения за пределы вещества, способного набухать, и позволяет указанной пластовой воде проникать в способное набухать вещество посредством осмоса, так что в результате перемещения указанной пластовой воды в способное набухать вещество происходит набухание данного вещества, отличающийся тем, что указанный полимерный связующий материал получается или может быть получен посредством примешивания упомянутого соединения в массу полимерного материала и последующей вулканизации массы полимерного материала с целью получения полимерного связующего материала.

17. Способ по п.16, в котором упомянутое соединение примешивается в массу полимерного материала в форме множества частиц данного соединения.

 

---

008390
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение касается системы и способа изолирования пространства ствола скважины, пробуренной в земных породах, причем данные породы содержат пластовые воды, которые могут проникнуть в ствол скважины.
Уровень техники
При добыче углеводородного флюида из скважины является обычной установка одной или более цилиндрических обсадных труб в ствол скважины с целью стабилизации ствола скважины и управления притоком жидкости в ствол скважины из окружающих пород. Как правило, с ростом глубины диаметр обсадных труб пошагово уменьшается. Это является следствием технологии установки, в силу которой каждая следующая обсадная труба должна проходить через установленную ранее.
Предлагались альтернативные схемы построения колонны обсадных труб, в которых преодолевается проблема ступенчатого уменьшения диаметра обсадных труб. Например, в одной подобной схеме построения колонны обсадных труб каждая обсадная труба устанавливается в стволе посредством ее опускания на необходимую глубину через установленную ранее обсадную трубу, причем имеется небольшая перекрывающаяся часть обсадной трубы, которая выступает в установленную ранее обсадную трубу. Далее обсадная труба расширяется в стволе скважины в радиальном направлении для того, чтобы можно было через ствол опустить бурильную колонну, содержащую буровое долото сравнительно большого диаметра. После углубления ствола с помощью бурового долота сравнительно большого диаметра, через расширенную обсадную трубу упускают следующую обсадную трубу. Затем цикл расширения обсадной трубы, последующего бурения ствола скважины и опускания новой обсадной трубы повторяется. В результате получается ствол скважины, имеющий, по существу, одинаковый диаметр.
При процессе строительства обычной скважины устанавливаемые обсадные трубы фиксируются и изолируются в стволе скважины посредством закачивания некоторого слоя цемента между обсадной трубой и стенкой ствола скважины. Данная технология также может применяться к расширяемой короткой колонне труб скважины без обсадных труб. Изолирующее назначение слоя цемента связано со следующим требованием: должно отсутствовать перемещение пластовых жидкостей, таких как пластовая вода, через кольцеобразное пространство между обсадной трубой и стенкой ствола скважины. Тем не менее, из практики известно, что закачиванием цемента иногда тяжело добиться адекватной изоляции. Например, если буровой раствор, используемый при бурении ствола скважины, полностью не замещается цементом в кольцеобразном пространстве или неоднородности ствола скважины препятствуют адекватному заполнению цементом кольцеобразного пространства, то существует риск того, что пластовые жидкости будут перемещаться в осевом направлении через кольцеобразное пространство.
Документ WO 03/008756 описывает альтернативную систему изолирования кольцеобразного пространства ствола скважины, согласно которой в кольцеобразном пространстве размещается способный набухать изолирующий слой. Данный изолирующий слой изготавливается из каучукового материала, способного набухать при контакте с нефтью или водой, в зависимости от области применения. При использовании изолирующий слой набухает при попадании пластовой жидкости в ствол скважины и, таким образом, изолируется кольцеобразное пространство и предотвращается передвижение пластовой жидкости в осевом направлении через ствол скважины.
Примерами материалов, которые способны набухать при контакте с водой служат: 1) полиэлектролиты, такие как сверхпоглощающие полимеры (СПП), как например полиакрилат натрия и акриловые кислоты, 2) гидрофильные глинистые частицы, такие как частицы натриевого бентонита (например, вай-омингского бентонита) или 3) естественные материалы, набухающие от воды, такие как древесина, пробка или наполнители из целлюлозы. Гидрофильные упругие полимеры используются в гражданском строительстве, например в уплотнителях при прокладке туннелей.
Хотя указанные выше материалы характеризуются подходящими показателями расширения при контакте с чистой (пресной) водой, было замечено, что изолирующие слои, изготовленные из указанных материалов, набухали недостаточно сильно при контакте с минерализованной пластовой водой. Например, частицы полиакрилата натрия и частицы бентонита, погруженные в воду, характеризуются резко снижающимся коэффициентом набухания, при изменении воды с пресной до минерализованной, особенно при наличии двухвалентных катионов, таких как Са2+ и Mg2+, присутствие которых является обычным в нефтепромысловых водоносных пластах. Снижение коэффициента набухания СПП в минерализованной воде, особенно в растворах, содержащих двухвалентные катионы, рассмотрено на стр. 57 и фиг. 2.16 в книге "Современная технология сверхпоглощающих полимеров", авторы - Бухгольц Ф.Л. (Buchholz F.L.) и Грэхэм А.Т. (Graham A.T.), издательство Willey, Нью-Йорк, 1998, где показано значительное снижение способности к набуханию сшитого полиакрилата натрия в 0,9% по весу водном растворе NaCl при увеличении концентрации Са02. Здесь коэффициент набухания определяется как отношение объема вещества после его расширения к объему вещества до его расширения. Более того, гидрофильные полиуретаны (такие как Aquaprene С-520(r) фирмы Sanyo, Aquaquell 8V(r) фирмы Kuriyama, Hydrotite(r) фирмы Denbi), которые действительно набухают в минерализованных растворах, не подходят для большинства случаев использования при бурении скважин из-за их ограниченной, с точки зрения длительности, сопротивляемости воздействию высоких температур.
- 1 -
008390
Сущность изобретения
Цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить улучшенную систему изолирования пространства ствола скважины, пробуренной в земных породах, в которой исправляются недостатки существующих систем.
В соответствии с настоящим изобретением предлагается система изолирования пространства ствола скважины, пробуренной в земных породах, содержащая в стволе скважины вещество, способное набухать таким образом, чтобы при набухании указанного вещества изолировалось упомянутое пространство, при этом указанное вещество контактирует с пластовой водой, текущей в ствол скважины, в веществе, способном набухать, имеется связующий материал, содержащий растворимое в воде соединение, причем связующий материал, по существу, предотвращает или ограничивает распространение указанного соединения за пределы вещества, способного набухать, и позволяет указанной пластовой воде проникать в способное набухать вещество посредством осмоса, так что в результате перемещения указанной пластовой воды в способное набухать вещество происходит набухание данного вещества.
Настоящее изобретение также касается способа изолирования пространства ствола скважины, пробуренной в земных породах, данный способ предусматривает распределение способного набухать вещества в стволе скважины так, чтобы при набухании данного вещества изолировалось указанное пространство, при этом указанное вещество контактирует с пластовой водой, текущей в ствол скважины, в веществе, способном набухать, имеется связующий материал, содержащий растворимое в воде соединение, причем связующий материал, по существу, предотвращает или ограничивает распространение указанного соединения за пределы вещества, способного набухать, и позволяет указанной пластовой воде проникать в способное набухать вещество посредством осмоса, так что в результате перемещения указанной пластовой воды в способное набухать вещество происходит набухание данного вещества.
Таким образом добиваются, что набухание вещества, способного набухать, и, следовательно, изолирование упомянутого пространства происходят благодаря химическому осмосу, где связующий материал действует как мембрана, проницаемая для воды, но (в основном) непроницаемая для указанного соединения.
Для предотвращения или снижения выщелачивания указанного соединения из способного набухать вещества предпочтительно, чтобы указанное вещество содержало связующий материал, по существу, непроницаемый для указанного соединения или для ионов, получаемых из указанного соединения.
Предпочтительно, чтобы связующий материал был полимерным связующим материалом, например термореактивным эластомерным связующим материалом или термопластичным эластомерным связующим материалом.
В предпочтительном варианте реализации изобретения полимерный связующий материал получается или может получаться посредством примешивания упомянутого соединения в массу полимерного материала и последующей вулканизации массы полимерного материала с целью получения полимерного связующего материала. Например, упомянутое соединение представляет собой частицы соли, которые примешиваются в массу полимерного материала до сшивания (вулканизации), после которого следует сшивание с целью формирования эластомерного связующего материала с включенными в него частицами соли.
Подходящие термореактивные эластомерные материалы, способные выдержать высокие температуры в стволе скважины в течение длительного периода времени, перечислены ниже:
1) каучуковые материалы, которые помимо набухания в воде также набухают в сырой нефти, присутствующей в нефтяных буровых скважинах, такие как этиленпропиленовый каучук (ЕРМ и EPDM), тройной этиленпропилендиеновый сополимер (каучук) (ЕРТ), бутилкаучук (IIR), бромбутилкаучук (BIIR), хлорбутилкаучук (CIIR), хлорированный полиэтилен (СМ/CPE), неопреновый каучук (CR), сти-ролбутадиен сополимер (каучук) (SBR), сульфированный полиэтилен (CSM), этиленакрилатный каучук (ЕАМ/АЕМ), эпихлоргидриновый этиленоксид сополимер (СО, ЕСО), силиконовый каучук (VMQ) и фторсиликоновый каучук (FVMQ);
2) каучуковые материалы, которые не набухают в сырой нефти, такие как сополимер бутадиена и акрилонитрила (нитриловый каучук, NBR), гидрогенизованный NBR (HNBR, HNS), как например ZET-
POL(r), TORNAC(r), TERBAN(r), NBR с реактивной группой (X-NBR), фтористые каучуки (FKM), как например VITON(r), FLUOREL(r), исчерпывающе фторированные каучуки (FFKM), как например KALREZ(r), CHEMRAZ(r), и четырехфторэтилен/пропилен (TFE/P), как например AFLAS(r), данные вещества не набухают при воздействии пластовой нефти.
Большинство данных эластомеров могут сшиваться с помощью более чем одного сшивающего агента (например, или серное сшивание или сшивание с перекисью водорода).
Помимо термореактивных (не набухающих и набухающих от контакта с нефтью) эластомерных связующих материалов, упомянутых выше, могут применяться смеси эластомеров ("сплавы эластомеров"). Хотя возможно почти неисчерпаемое количество комбинаций термопластических и термореактивных эластомеров, наиболее предпочтительными являются смеси EPDM/полипропилен, такие как SARLINK(r), Levaflex(r), Santoprene(r), смеси NBR-полипропилен, такие как GEOLAST(r), смеси NBR/поливинилхлорид и смеси NR/полипропилен. Все данные вещества склонны набухать в сырой неф
- 2 -
008390
ти, особенно при температурах глубинных буровых скважин.
Предпочтительно, чтобы указанное соединение включалось во множество частиц, однородно распределенных по связующему материалу.
Подходящими частицами являются тонкодисперсные частицы соли, предпочтительно диссоциирующей соли, которая может быть равномерно распределена в базовом каучуке. Например, применяются особо тонкодисперсные частицы соли, которые растворяются в воде, при этом соль выбирается из группы: соли уксусной кислоты (M-CH3COO), кислые соли угольной кислоты (М-HCO^, соли угольной кислоты (М-CO^, соли муравьиной кислоты (M-HCO2), соли галоидводородной кислоты (Мх-Ну) (Н = d, Br или I), кислые соли сероводородной кислоты (M-HS), гидроокиси (М-ОН), имиды двухосновной кислоты (M-NH), соли азотной кислоты (M-NO3), нитриды (M-N), соли азотистой кислоты (M-NO2), соли фосфорной кислоты (М-РО4), соли сероводородной кислоты (M-S) и соли серной кислоты (М-SO^O, где через М обозначается любой металл периодической таблицы. Также могут применяться другие соли, где катион не является металлом, например NH4Cl.
Тем не менее, предпочтительно использовать следующие соли: NaCl и Са02.
Для ограничения выщелачивания соли из эластомера способное набухать вещество включает в себя любой гидрофильный полимер, который содержит полярные группы или кислорода, или азота в основных или боковых группах полимера. Данные боковые группы могут быть частично или полностью нейтрализованы. Полимерами данного типа являются, например, такие гидрофильные полимеры, как спирты, акрилаты, метакрилаты, ацетаты, ацетальдегиды, кетоны, сульфонаты, ангидриды, малеиновые ангидриды, нитрилы, нитрилы акриловой кислоты, амины, амиды, оксиды (полиэтилен оксид), целлюлозы, включая все производные соединения данных типов, все сополимеры, включающие в себя один из упомянутых выше привитых вариантов. Соответственно применяется трехкомпонентная система, включающая в себя эластомер, полярный СПП и соль, где полярный СПП прививается на основную цепь эластомера. Преимущество такой системы заключается в том, что частицы полярного СПП стремятся удержать частицы соли в матрице эластомера, таким образом сокращается выщелачивание соли из эластомера. Полярная соль притягивается электростатическими силами к молекулам полярного СПП, которые прививаются ("приклеиваются") к основной цепи каучука.
Обычно способное набухать вещество должно набухать в воде, минерализация которой достигает 140 г/л хлористого натрия и содержащей значительные концентрации двухвалентных ионов, таких как по меньшей мере 40 г/л хлорида кальция и 8 г/л хлорида магния, при температурах, составляющих по меньшей мере 40°С, а предпочтительно 100-150°С, что является типичной статичной температурой забоя нефтяной скважины. Переход от не набухшего до полностью набухшего состояния предпочтительно занимает временной интервал в 2-3 недели, а набухшее состояние должно поддерживаться по меньшей мере один год.
Перечень фигур
Настоящее изобретение далее будет описано более подробно на примере и со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых
на фиг. 1 схематически показано изменение набухания материала, не соответствующего настоящему изобретению, причем материал погружается в воду, также меняется содержание соли в воде;
фиг. 2а содержит схематический вид изменения набухания различных каучуковых составов, погруженных в минерализованную воду в течение достаточно большого интервала времени;
на фиг. 2b схематически показано изменение набухания каучуковых составов с фиг. 2а в течение достаточно большого интервала времени;
на фиг. 3 содержится схематическое изображение изменения набухания каучукового состава, погруженного в минерализованную воду при различных концентрациях соли в каучуковом составе;
на фиг. 4 схематически изображен вариант реализации системы, соответствующей настоящему изобретению, где вокруг обсадной трубы имеется кольцеобразный изолирующий слой, данный слой достигает ствола скважины, пробуренной в земных породах и
на фиг. 5 схематически показан вид сбоку обсадной трубы и кольцеобразного изолирующего слоя с фиг. 4.
На фигурах одинаковые числа обозначают одинаковые компоненты.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
На фиг. 1 имеется диаграмма, изображающая коэффициент набухания полиакрилата натрия, погруженного в воду, как функцию от минерализации солью NaCl при различных плотностях сшивки (X), где Q = коэффициент набухания; С = концентрация NaCl в воде (вес.%); линия а: X = 0,025 вес.% полиакрилата натрия; линия b: X = 0,04 вес.% полиакрилата натрия; линия с: X = 0,06 вес.% полиакрилата натрия; линия d: X = 0,08 вес.% полиакрилата натрия; линия е: X = 0,10 вес.% полиакрилата натрия.
Из диаграммы ясно, что эластомеры, набухающие от воды, подготовленные посредством добавле
- 3 -
008390
ния частиц сверхпоглощающих полимеров (СПП) в связующий материал каучука, не подходят для условий минерализации ствола скважины. Вода в водоносных породах может быть чрезвычайно минерализованной (насыщенной при температурах в скважине), обычно минерализация в 4-6 раз больше по сравнению с простой морской водой. Особенно присутствие двухвалентных катионов, таких как Са и Mg, которые обычно имеются в нефтепромысловых водоносных породах, значительно снижают способность к набуханию. Подобные частицы СПП могут распределяться в крахмальные системы, целлюлозные системы и системы с синтетической смолой. СППы имеют гидрофильные характеристики благодаря присутствию спиртов, карбоновых кислот, амидов или серных кислот. Благодаря сшивке частицы имеют трехмерную сетку, так что материал способен набухать по меньшей мере в 100 раз по сравнению с первоначальным объемом. Другие потенциально способные набухать полимеры, такие как полиуретаны, сложные и простые полиэфиры, считаются непригодными из-за присущей им нестабильности, являющейся результатом гидролиза.
На фиг. 2а и 2b показана зависимость от времени коэффициента набухания (S) трех составов, поставляемых фирмой RUMA(r), Хугевен, Нидерланды. Данные составы доступны под следующими названиями:
900-70-1236, обозначен линией а'; 900-70-1354, обозначен линией b'; 900-70-1211, обозначен линией с'.
Основной смесью для данных составов является EPDM каучуковый связующий материал, выпускаемый фирмой Bayer(r), Леверкузен, Германия, под торговым наименованием Buna ЕР(r) ЕРТ-5459/6950.
Более того, данные составы включают в себя обычные упрочняющие агенты, наполнители, агенты для вулканизации и стабилизаторы.
Дополнительно:
состав 900-70-1236 содержит частицы NaCl, поставляемые фирмой AKZO, Нидерланды, под торговым наименованием MICROZO(r), данные частицы включены в каучуковый связующий материал в концентрации до 35 вес.% каучукового связующего материала;
состав 900-70-1354 содержит СПП (и не содержит соли);
состав 900-70-1211 содержит соль и СПП.
Из фигур ясно, что состав 900-70-1236 демонстрирует отличный коэффициент набухания - более чем 200% в объемном исчислении - в высоко минерализованном нефтепромысловом водном растворе, содержащем значительные количества двухвалентных ионов, Са2+, Mg2+. Состав 900-70-1354 характеризуется слабой способностью к набуханию (около 18% в объемном исчислении), а способность к набуханию гибридного состава 900-70-1211 находится между характеристиками состава 900-70-1236 и состава
900-70-1354.
На фиг. 3 изображена диаграмма, показывающая коэффициент набухания (S) составов, полученных на основе состава 900-70-1236, но в данном случае для различных концентраций частиц NaCl в каучуковом связующем материале Buna ЕР(r) ЕРТ-5459/6950. Концентрации частиц соли следующие:
34,8 вес.%, обозначен линией а";
26,3 вес.%, обозначен линией b";
41,6 вес.%, обозначен линией с";
15,1 вес.%, обозначен линией d".
Все остальные добавки в данных составах оставались постоянными.
Оказалось, что оптимальный коэффициент набухания достигался при концентрации частиц NaCl, находящейся в пределах 32-37 вес.% связующего материала.
На фиг. 4 и 5 показан ствол 1 скважины, пробуренный в земных породах 2, которые содержат пласт 4 пород, содержащий минерализованную пластовую воду. В стволе 1 скважины имеется обсадная труба 6, причем между обсадной трубой 6 и стенкой 8 скважины образуется кольцевидное пространство 7. Сверху скважины, на поверхности земли, имеется устьевое оборудование 10 скважины. В кольцевидном пространстве 7, в той части скважины, которая находится напротив пласта 4 земных пород, формируется кольцевидный изолирующий слой в виде колец 12 (показано только одно кольцо 12).
Кольца 12 состоят из одного или более термореактивных или термопластичных эластомерных материалов, способных набухать в воде, как указано выше. Кольца 12 сформированы, например, из полосок 14, расположенных вокруг обсадной трубы 6. Длина каждого кольца 12 обычно находится в пределах от 0,05 до 0,5 м, а толщина - от 0,003 до 0,07 м. Между кольцами и обсадной трубой имеется клеящее вещество, служащее для фиксирования колец 12 к внешней поверхности обсадной трубы 6, предпочтительно, чтобы клеящее вещество эффективно работало во время вулканизации эластомерного материала. Более того, кольца 12 содержат высокие концентрации (по меньшей мере 20 вес.%, а предпочтительно от 30 до 35 вес.% базового эластомера) частиц соли, так чтобы способствовать набуханию эластомерного материала при проникновении минерализованной пластовой воды в эластомерный материал при осмосе. В настоящем примере, частицы соли - это частицы NaCl, но могут использоваться высокие концентрации любых одно-, двух- и трехвалентных солей, растворимых в воде.
Для защиты колец 12 при установке обсадной трубы 6 в стволе скважины, множество колец 12 мо
- 4 -
008390
жет снабжаться одним или более кольцами ("износными накладками") или рукавами, которые не набухают в воде, такими как каучуковые кольца из NBR, HNBR, FKM, XNBR, FFKM, TFE/P. Такие дополнительные кольца должны иметь высокую износоустойчивость и предпочтительно размещаться на каждой стороне каждого набухающего эластомерного кольца 12. Альтернативно данные кольца могут располагаться только на концах набора колец 12.
При нормальном функционировании частицы NaCl замешиваются в каучуковый связующий материал до его вулканизации с использованием подходящего оборудования (не показано), такого как а) двухвалковая дробилка, б) смесительные вальцы или в) пластикатор Гордона. Для полного обзора подобных технологий можно обратиться к Вернер Хофман, Руководство по технологии каучука, второе издание (1996), издательство Хансер/Гарднер, Цинциннати, ISBN 1-56990-145-7, глава 5: обработка эластомеров, "подготовка состава".
Далее каучуковому связующему материалу придается форма полоски 14, которая радиально или слегка по спирали намотана на поверхность обсадной трубы 6. На следующем шаге каучуковый эласто-мерный материал и, если есть, также материал износных накладок вулканизируют в печи при температурах в 150-180°С с целью получения колец 12. Впоследствии обсадная труба 6 опускается в ствол 1 скважины до тех пор, пока кольца 12 не будут располагаться в указанной части ствола 1 скважины напротив пласта 4 земных пород. Толщина колец 12 выбирается достаточно малой для того, чтобы не помешать опусканию обсадной трубы 6.
При течении минерализованной пластовой воды из пласта 4 пород в ствол 1 скважины, минерализованная пластовая вода входит в соприкосновение с кольцами 12, способными набухать от воды. Благодаря тому, что концентрация соли в частицах соли (чистая соль) гораздо выше, чем в минерализованной пластовой воде, посредством осмоса происходит проникновение пластовой воды в каучуковый связующий материал. Это приводит к набуханию колец 12, при этом кольца 12 начинают давить на стенку ствола скважины и, таким образом, полностью изолируют кольцеобразное пространство 7. Следовательно, предотвращается любое другое перемещение пластовой воды через кольцеобразное пространство 7.
При необходимости обсадная труба 6 расширяется в стволе скважины в радиальном направлении, предпочтительно это происходит до набухания колец 12.
Все образцы, на которые ссылались при обсуждении фиг. 2а, 2b и 3, погружались в минерализованную воду водоносного пласта ("100% пластовая вода Омана"), которая включает в себя 139 г/л NaCl, 41 г/л СаСЬ, 7,5 г/л MgCl2 и имеет температуру 95°С.
Вместо того чтобы помещать кольца (см. фиг. 4 и 5) на обсадную трубу, они могут располагаться на одной или нескольких секциях трубы без боковых отверстий, размещенной между секциями песчаного экрана, например, расширяемого песчаного экрана. Таким способом, возможно создать отдельные секции песчаного экрана для притока. Данные секции можно по выбору закрывать при эксплуатации скважины.
Соответственно обсадная труба является расширяемой обсадной трубой, которая расширяется в стволе скважины в радиальном направлении до или после набухания колец. Предпочтительно расширение происходит до набухания указанных колец.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Система изоляции пространства ствола скважины, пробуренной в земных породах, содержащая в стволе скважины вещество, способное набухать таким образом, чтобы при набухании указанного вещества изолировалось упомянутое пространство, при этом указанное вещество контактирует с пластовой водой, текущей в ствол скважины, в веществе, способном набухать, имеется полимерный связующий материал, содержащий растворимое в указанной пластовой воде соединение, причем связующий материал, по существу, предотвращает или ограничивает распространение указанного соединения за пределы вещества, способного набухать, и позволяет указанной пластовой воде проникать в способное набухать вещество посредством осмоса, так что в результате перемещения указанной пластовой воды в способное набухать вещество происходит набухание данного вещества, отличающаяся тем, что указанный полимерный связующий материал получается или может быть получен посредством примешивания упомянутого соединения в массу полимерного материала и последующей вулканизации массы полимерного материала с целью получения полимерного связующего материала.
2. Система по п.1, в которой указанный связующий материал, по существу, непроницаем для указанного соединения или для ионов указанного соединения.
3. Система по п.1, в которой данный полимерный связующий материал является эластомерным связующим материалом.
4. Система по п.3, в которой эластомерный связующий материал содержит каучук, выбираемый из
базового каучука NBR, HNBR, FKM, XNBR, FFKM, TFE/P или EPDM.
5. Система по любому из пп.1-4, в которой соединение присутствует в связующем материале в виде множества частиц, распределенных по связующему материалу.
6. Система по п.5, в которой частицы распределены по связующему материалу, по существу, рав
- 5 -
008390
номерно.
7. Система по любому из пп.5-6, в которой частицы включены в связующий материал.
8. Система по любому из пп.1-7, в которой указанное соединение содержит соль, например диссоциирующую соль.
9. Система по п.8, в которой соль выбирается из группы соли уксусной кислоты (М-Ог[3СОО), кислые соли угольной кислоты (М-HCO^, соли угольной кислоты (М-CO^, соли муравьиной кислоты (М-НСО2), соли галоидводородной кислоты (Мх-Ну) (Н = d, ВГ или I), кислые соли сероводородной кислоты (M-HS), гидроокиси (М-ОН), имиды двухосновной кислоты (M-NH), соли азотной кислоты (M-NO3), нитриды (M-N), соли азотистой кислоты (M-NC,), соли фосфорной кислоты (М-РO4), соли сероводородной кислоты (M-S) и соли серной кислоты (M-SO4), где через М обозначается любой металл, выбираемый из группы металлов периодической таблицы.
10. Система по любому из пп.8-9, в которой способное набухать вещество содержит по меньшей мере 20% соли от общего веса связующего материала и соли, а более предпочтительно по меньшей мере 35% соли от общего веса связующего материала и соли.
11. Система по любому из пп.1-10, в которой указанное пространство является кольцеобразным пространством, сформированным между цилиндрическим элементом, расположенным в стволе скважины и, по существу, цилиндрической стенкой, окружающей цилиндрический элемент.
12. Система по п.11, в которой указанный цилиндрический элемент - это обсадная труба ствола скважины или короткая колонна труб ствола скважины, а указанная, по существу, цилиндрическая стенка - это стенка ствола скважины.
13. Система по любому из пп.11-12, в которой способное набухать вещество представляет собой одно или несколько колец, каждое кольцо расположено вокруг цилиндрического элемента.
14. Система по любому из пп.1-13, в которой способное набухать вещество располагается в части ствола скважины, находящейся напротив пласта земной породы, содержащего пластовую воду.
15. Система по любому из пп.1-14, в которой пластовая вода является минерализованной пластовой водой.
16. Способ изоляции пространства ствола скважины, пробуренной в земной породе, данный способ предусматривает распределение способного набухать вещества в стволе скважины так, чтобы при набухании данного вещества изолировалось указанное пространство, при этом указанное вещество контактирует с пластовой водой, текущей в ствол скважины, в веществе, способном набухать, имеется полимерный связующий материал, содержащий растворимое в указанной пластовой воде соединение, причем связующий материал, по существу, предотвращает или ограничивает распространение указанного соединения за пределы вещества, способного набухать, и позволяет указанной пластовой воде проникать в способное набухать вещество посредством осмоса, так что в результате перемещения указанной пластовой воды в способное набухать вещество происходит набухание данного вещества, отличающийся тем, что указанный полимерный связующий материал получается или может быть получен посредством примешивания упомянутого соединения в массу полимерного материала и последующей вулканизации массы полимерного материала с целью получения полимерного связующего материала.
17. Способ по п.16, в котором упомянутое соединение примешивается в массу полимерного материала в форме множества частиц данного соединения.
зоо F
Фиг. 1
- 6 -
008390
- 7 -
008390
Фиг. 5
Евразийская патентная организация, ЕАПВ Россия, 109012, Москва, Малый Черкасский пер., 2/6
- 8 -