Нефтепромысловое устройство, нефтепромысловый элемент указанного устройства, содержащий функционализированные графеновые пластинки, способ осуществления нефтепромысловой операции и способ модификации функционализированных графеновых пластинок

Изобретение имеет отношение к нефтепромысловому устройству, представляющему собой скважинный инструмент и содержащему промысловый элемент, такому нефтепромысловому элементу, способу осуществления нефтепромысловой операции, а также способу модификации функционализированных графеновых пластинок. Нефтепромысловое устройство представляет собой скважинный инструмент и содержит нефтепромысловый элемент, изготовленный из композита, содержащего матричный материал, включающий в себя полимер, эластомер или керамический материал, и множество функционализированных графеновых пластинок, диспергированных в матричном материале и содержащих однослойные листы и многослойные листы, имеющие площадь поверхности на единицу массы, составляющую, по меньшей мере, 300 м²/г. Способ осуществления нефтепромысловой операции включает выбор нефтепромыслового устройства, представляющего собой скважинный инструмент и содержащего нефтепромысловый элемент, по меньшей мере часть которого изготовлена из вышеуказанного композита и использование нефтепромыслового устройства в нефтепромысловой операции, в результате чего нефтепромысловый элемент подвергается воздействию скважинной среды. Способ модификации функционализированных графеновых пластинок включает получение функционализированных графеновых пластинок и их радикальную полимеризацию с переносом атома для присоединения полимера к поверхностям указанных пластинок. Технический результат - получение полимерных композитов с хорошими барьерными и механическими свойствами и изготовление на их основе нефтепромысловых элементов, включающих полупроводниковую и стойкую к проницаемости изоляцию на проводах, кабелях и других электрических и электронных компонентах. 4 н. и 14 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Предпосылки создания изобретения

Область изобретения

Настоящее изобретение, в общем, относится к области полимерных нанокомпозитов для применения на нефтепромыслах и более конкретно к использованию функционализированных графеновых пластинок, известных так же как термически эксфолиированный оксид графита, для применения на нефтепромыслах.

Состояние области техники

Нефтяные скважины обычно бурят в подземных или подводных пластах с глубиной в две мили или более. Условия окружающей среды в этих глубоких скважинах являются очень жесткими с температурами, достигающими 250°C или выше, и давлениями в 20000 фунт/кв. дюйм или выше. Кроме того, среда скважины содержит различные газы и жидкости с малыми молекулами. Способность этих малых молекул проникать или просачиваться через полимеры или герметики сильно повышается в условиях высоких температур и высоких давлений. Эти условия значительно воздействуют на различные инструменты и оборудование, которые используют при бурении и эксплуатации этих скважин или помещают в скважину во время добычи. Многие из этих инструментов, труб, вентилей и т.д. включают кожухи, рукава или уплотнения для защиты внутренних компонентов или для предотвращения протечек текучих сред. Эти устройства должны выдерживать жесткую среду на протяжении их ожидаемого срока работы. Поэтому для изготовления этих элементов нефтедобычи необходимы материалы, которые могут выдержать среду с высокой температурой и высоким давлением. В особенности необходимы материалы, обеспечивающие эффективный барьер просачиванию или проникновению при высоких температурах и высоких давлениях.

В последние годы стало популярным использование композитных материалов. Композитные материалы обычно включают добавки, включенные в материалы матрикса. Добавки выбирают по их способности придать или улучшить желаемые свойства композитов (такие, как препятствие просачиванию текучих сред). Обычно используемые на нефтепромыслах композиты включают, например, нанокомпозиты на полимерной основе, полимер-органоглины и полимер-углеродные нанотрубчатые композиты.

Было также предложено использовать графитсодержащие или графенсодержащие композиты. Графеновые пластинки представляют собой отдельный слой графита. Каждая графеновая пластинка состоит из сотовой структуры атомов углерода, соединенных sp связями. Ожидается, что графеновые пластинки имеют значения модуля разрыва и предела прочности, подобные таковым у углеродных нанотрубок с единственной стенкой. Графит состоит из множества графеновых пластинок, уложенных в штабель и удерживаемых вместе силами ван дер Ваальса. Графит значительно дешевле полимеруглеродных нанотрубчатых композитов. Это делает его привлекательным материалом для применения в скважинах.

Кроме того, графит может быть модифицирован для изменения его свойств или для дополнительного улучшения желаемых свойств. Обычные подходы к изменению свойств графита включают реакции внедрения и окисления. Например, Schniepp et al., "Functionalized Single-Sheet Graphene by Oxidation and Thermal Expansion of Graphite: Exfoliation Mechanism and Characterization", J. Phys. Chem. В 110, 8535-8539 (2006) описывают образование индивидуальных химически модифицированных графеновых пластинок путем окисления и термического расширения графита. Расширение является результатом взрывного экзотермического разложения кислородсодержащих функциональных групп оксида графита на CO₂ и воду. (См. также McAllister et al., "Functionalized Single-Sheet Graphene by Oxidation and Thermal Expansion of Graphite: Exfoliation Mechanism and Characterization", 2007 AIChE Meeting abstract).

Подобным образом Ozbas et al., "Multifunctional Polymer Nanocomposites with Functionalized Graphene Single-Sheets", 2007 AIChE Meeting abstract описывают функционализированные графеновые пластинки. Функционализированные графеновые пластинки получены быстрым термическим расширением оксида графита. Эти функционализированные графеновые пластинки имеют высокие значения соотношения геометрических размеров (100-10000) и удельной поверхности (1800 м/г).

Опубликованная патентная заявка США 2007/0092432, которая включена в данное описание путем ссылки во всей своей полноте, также описывает оксиды графита и термически эксфолиированные оксиды графита. Оксиды графита получают интеркаляцией и окислением природного графита. Образованные таким образом оксиды графита могут быть эксфолиированы быстрым нагреванием для получения термически эксфолиированного оксида графита способом, подобным описанному McAllister et al.

Использование графит- или графенсодержащих композитов в производстве бурильных инструментов или элементов скважин было описано в одновременно рассматриваемой патентной заявке США 11/306.119, опубликованной под номером 2007/0142547. В частности, эта публикация раскрывает использование композитов, содержащих графитовые наночешуйки или нанобляшки.

Хотя скважинные инструменты, изготовленные из графитовых или графеновых композитов, обладают доказанной полезностью, остается потребность в более хороших материалах и инструментах для применения в скважинах.

Сущность изобретения

Согласно изобретению создано нефтепромысловое устройство, представляющее собой скважинный инструмент и содержащее нефтепромысловый элемент, изготовленный из композита, содержащего матричный материал, включающий в себя полимер, эластомер или керамический материал, и множество функционализированных графеновых пластинок, диспергированных в матричном материале и содержащих однослойные листы и многослойные листы, имеющие площадь поверхности на единицу массы, составляющую, по меньшей мере, 300 м²/г.

Согласно изобретению создан нефтепромысловый элемент, предназначенный для использования в нефтепромысловом устройстве, представляющем собой скважинный инструмент, и изготовленный из композита, содержащего матричный материал, включающий в себя полимер, эластомер или керамический материал, и множество функционализированных графеновых пластинок, диспергированных в матричном материале и содержащих однослойные листы и многослойные листы, имеющие площадь поверхности на единицу массы, составляющую, по меньшей мере, 300 м²/г.

Согласно изобретению создан способ осуществления нефтепромысловой операции, содержащий выбор нефтепромыслового устройства, представляющего собой скважинный инструмент и содержащего нефтепромысловый элемент, по меньшей мере часть которого изготовлена из композита, содержащего матричный материал, включающий в себя полимер, эластомер или керамический материал, и множество функционализированных графеновых пластинок, диспергированных в матричном материале и содержащих однослойные листы и многослойные листы, имеющие площадь поверхности на единицу массы, составляющую, по меньшей мере, 300 м²/г, и использование нефтепромыслового устройства в нефтепромысловой операции, в результате чего нефтепромысловый элемент подвергается воздействию скважинной среды.

Функционализированные графеновые пластинки могут содержать полимеры, присоединенные к их поверхностям функционализированных графеновых пластинок посредством радикальной полимеризации с переносом атома. Указанные полимеры могут содержать сополимеры или магнитные частицы.

Функционализированные графеновые пластинки могут иметь соотношение геометрических размеров, превышающее 100.

Нефтепромысловый элемент может быть выбран из группы, состоящей из пакерных элементов, защитных мягких резервуаров погружных насосов и двигателей, протекторов датчиков, противовыбросовых превенторов, насосных штанг, O-колец, T-колец, сальниковых уплотнений, уплотнений насосных валов, уплотнений труб, уплотнений вентилей, уплотнений и изоляторов, используемых в электрических компонентах.

Согласно изобретению создан способ модификации функционализированных графеновых пластинок, содержащий получение функционализированных графеновых пластинок и их радикальную полимеризацию с переносом атома для присоединения полимера к поверхностям указанных пластинок, при этом указанные пластинки содержат однослойные листы и многослойные листы, имеющие площадь поверхности на единицу массы, составляющую, по меньшей мере, 300 м²/г, и функционализированы полимерами с индексом полидисперсности, обеспечивающим предотвращение сгибания пластинок. Указанные полимеры могут содержать сополимеры или магнитные частицы.

Другие аспекты и преимущества изобретения будут ясны из следующего описания и прилагаемой формулы изобретения.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 показывает функционализированную графеновую пластинку, которая была дериватизирована полимерами на обеих поверхностях с использованием радикальной полимеризации с переносом атома в соответствии с одним осуществлением изобретения.

Фиг.2 показывает нефтепромысловое устройство, помещенное в скважину, в соответствии с одним осуществлением изобретения, которое включает нефтепромысловый элемент, изготовленный из композита, содержащего функционализированные графеновые пластинки.

Фиг.3 показывает схему осуществления способа в соответствии с одним осуществлением изобретения.

Подробное описание изобретения

Осуществления изобретения относятся к нефтепромысловым инструментам, изготовленным из композитов, которые содержат функционализированные графеновые пластинки. Примеры функционализированных графеновых пластинок включают в себя, например, оксид графита, термически эксфолиированный оксид графита и графеновые пластинки, модифицированные другими группами (такими как алкильные группы для улучшения смешиваемости с полимерными смолами). Кроме того, функционализированные графеновые пластинки могут быть дополнительно модифицированы радикальной полимеризацией с переносом атома для изменения их свойств. Нефтепромысловые устройства или инструменты, имеющие элементы, изготовленные из композитов, содержащих функционализированные графеновые пластинки, могут обеспечить более хороший барьер просачиванию или проникновению скважинных текучих сред.

Как отмечено выше, жесткая среда скважины требует, чтобы нефтепромысловые инструменты были изготовлены из материалов, способных выдерживать высокие температуры и высокие давления. Кроме того, материалы, используемые для уплотнений или контейнеров, предпочтительно должны быть стойкими против проникновения малых молекул (таких как метан, CO₂ или текучие среды) в условиях скважины. Успехи, достигнутые в полимерных нанокомпозитах, обеспечивают продвижение нефтепромысловых инструментов, кабелей, датчиков и других общих компонентов на следующий уровень, увеличив всеобъемлюще стойкость к температуре, сопротивление газопроницаемости, химическую стойкость, диэлектрические свойства и физические свойства, включая ударопрочность.

Один тип многообещающих нанокомпозитов содержит графеновые бляшки или чешуйки, как описано в опубликованной патентной заявке США 2007/0142547, права на которую принадлежат правообладателям настоящего изобретения и которая включена ссылкой во всей ее полноте. Эти графеновые нанобляшки или наночешуйки, описанные в данной заявке, получены из немодифицированного графита. Осуществления изобретения включают нанокомпозиты, которые содержат функционализированные графеновые пластинки. Эти функционализированные графеновые пластинки могут иметь улучшенные свойства, что облегчает их диспергирование в полимерном матриксе. Кроме того, функционализированные графеновые пластинки могут придать или улучшить желаемые свойства полимерному матриксу.

Функционализированные графеновые пластинки могут быть получены, т.е. химически модифицированы из графита. Графит содержит графеновые пластинки, удерживаемые вместе силами ван дер Ваальса, образуя слоистые или штабелированные структуры. Поэтому графит имеет анизотропные механические свойства и структуру. В отличие от сильных sр² ковалентных связей внутри каждого слоя силы ван дер Ваальса, удерживающие графеновые слои в штабеле, относительно слабы. Слабые ван дер ваальсовские силы позволяют другим молекулам внедряться между графеновыми слоями в графите. Это проникновение других молекул называют интеркаляцией.

Некоторые осуществления настоящего изобретения включают в себя модификацию графита для образования оксида графита. Получение оксида графита из графита содержит интеркаляцию и окисление, которые описаны в литературе. Интеркаляция использует посторонний материал, внедренный в графит между графеновыми слоями, создавая разделение графеновых слоев. Интеркаляция увеличивает расстояния между графеновыми пластинками по сравнению с зазором в 0,34 нм в исходном графите. В дополнение к графиту, другие слоистые материалы, включающие нитрид бора, оксиды щелочных металлов и силикатные глины, также могут образовывать интеркаляционные соединения.

Процесс интеркаляции может включать в себя химическую реакцию и обмен зарядами между слоистым материалом-хозяином и реагентом, приводящие в результате к вставке новых атомных или молекулярных интеркалированных слоев. Например, графитовый материал может быть интеркалирован серной кислотой в присутствии дымящей азотной кислоты для получения распушенного графитного материала. Эти распушенные графитные материалы могут быть нагреты для увеличения расстояний между графеновыми слоями, т.е. расстояний в направлении оси C. Интеркаляция может приводить в результате к деформации или смятию углеродного слоя интеркалирующим агентом. Может также наступить локальное искривление углеродного слоя. Этот процесс дает в результате частичное окисление графита с получением оксида графита.

Некоторые осуществления изобретения используют эксфолиированный оксид графита. Способы изготовления эксфолиированных (распушенных) графитных материалов известны и обычно используют быстрый нагрев. Эти способы могут продуцировать отдельные графеновые слои (или несколько тонких слоев, слипшихся вместе). Поэтому продукты обычно называют термически эксфолиированным оксидом графита (ТЭОГ). Функционализированный оксид графита, включая оксид графита и ТЭОГ, имеет много применений, включающих защиту от электромагнитных помех, ликвидацию розливов нефти и сорбцию биомедицинских жидкостей.

Выше описан общий подход к приготовлению оксида графита и термически эксфолиированного оксида графита. Некоторые другие способы известны в практике и могут быть использованы для получения функционализированных графеновых пластинок для осуществлений изобретения. Например, оксид графита может быть изготовлен путем смешения кристаллического графита с H₂SO₄, NaNO₃ и KMnO₄ в течение ночи. Затем содержимое смешивают с водой для последующей реакции и, наконец, промывают метанолом. (См. Hammers' Method'', описанный в Hammers, W.; Offeman, R., "Preparation of Graphite Oxide", J. Am. Chem. Soc., 1958, 80, 1339. Другие примеры включают те, которые описаны в патентной публикации США 2007/0092432 и у Cai et al., "Preparation of fully exfoliated graphite oxide nanoplatelets in organic solvents", J. Mater. Chem., 2007, 17, 3678-3680).

Полученные в результате функциональные группы в оксиде графита (от интеркаляции и окисления) могут быть гидроксильными, эпоксигруппами и карбоксильными группами или их комбинацией. Эти полярные функциональные группы способствуют удержанию молекул воды в промежутках между слоями оксида графита. Быстрый нагрев (например, со скоростью около 2000°C/мин или быстрее) полученного оксида графита в инертной атмосфере (например, в атмосфере инертного газа, такого как азот, аргон или их смесь) будет приводить в результате к перегреву и улетучиванию интеркалирующего агента и поглощенного растворителя (например, воды или смеси воды с водорастворимыми растворителями). Инертная атмосфера, используемая в процессе нагрева, может быть атмосферой азота, аргона или их смесей. Кроме того, может быть использована восстанавливающая атмосфера, такая как атмосфера окиси углерода, метана или их смесей. В этом случае оксид графита может быть частично восстановлен и стать электропроводным.

В результате быстрого нагрева и улетучивания могут выделяться газы (такие как CO₂) от химического разложения кислородсодержащих веществ в оксиде графита, тем самым создавая давление для разделения или эксфолиирования пластинок оксида графита. Термин "эксфолиировать" относится к процессу, приводящему от слоистой или штабелированной структуры к структуре, которая является по существу деламинированной или более не штабелированной. Хотя большинство эксфолиированных графеновых пластинок может содержать одиночный слой, осуществления изобретения могут также использовать эксфолиированные графеновые пластинки, которые содержат несколько слоев (скажем, 2, 3 или более), еще слипшихся вместе.

При описанном выше способе вначале готовят оксид графита, затем эксфолиируют оксид графита. Альтернативным подходом является окисление графеновых пластинок, которые были эксфолиированы от графита. Например, Ramesh et al. "Preparation and physicochemical and electrochemical characterization of exfoliated graphite oxide". Journal of colloid and interface science, 2004, vol.224, No.1, pp.95-102 описывает способ, по которому эксфолиированный оксид графита готовят окислением эксфолиированного графита, используя смесь KMnO₄/H₂SO₄. Осуществления изобретения могут использовать эксфолиированный оксид графита, полученный любым способом.

Эксфолиированные (деламинированные) пластинки оксида графита (ТЭОГ) могут выглядеть как пушистые материалы низкой плотности. Они являются по большей части однослойными пластинками. Однако некоторые из них могут включать несколько слоев. Эти эксфолиированные пластинки оксида графита подобно графитным наночешуйкам или нанобляшкам имеют высокие значения отношения геометрических размеров (например, >100), так как они являются обычно одиночными слоями углеродной сетки, удерживаемой вместе sp² связями. Кроме того, они имеют также очень большую площадь поверхности на единицу массы (например, >300 м²/г). Эти ТЭОГ могут быть легко диспергированы в полярных растворителях и полимерах. Поэтому они могут быть использованы, например, в композитах как нанонаполнители.

Полярные функциональные группы на оксиде графита или ТЭОГ могут быть дополнительно функционализированы (дериватизированы), используя молекулы, которые являются реакционноспособными по отношению к этим полярным группам. Может быть включен более чем один тип функциональных групп. Полярные функциональные группы на оксиде графита или ТЭОГ могут включать гидроксильные группы, эпоксигруппы или карбоксильно-кислотные группы, или их производные. В зависимости от типа полярных групп выбранный реагент должен быть различным. Например, алкиламины и диалкиламины могут быть использованы для реакции с эпоксидами. Эта реакция может добавить гидрофобность поверхности или может быть использована для ковалентной сшивки поверхности ТЭОГ. Для гидроксильных групп на поверхности оксида графита или ТЭОГ могут быть использованы хлориды кислот, которые будут добавлять алкильные группы, прикрепленные группой простого эфира. Подобным образом реакция аминов или гидроксилов с карбоновыми кислотами может быть использована для того, чтобы присоединить группы, делающие поверхность более гидрофобной путем добавления алкильных групп. Так, поверхность ТЭОГ может быть сделана более гидрофильной путем добавления этиленоксида, первичных и вторичных аминов и кислотной функциональности, используя, например, химические реакции, упомянутые выше.

В дополнение, модификация ТЭОГ может включать прививку веществ на поверхность для повышения когезионных взаимодействий между поверхностью наполнителя и полимерными матрицами. Агенты для прививки могут включать, например, низкомолекулярные аналоги фазы полимерного матрикса или полимеров с тем же составом, что у той фазы матрикса, которая обладает реакционноспособной функциональностью. Полимер матрикса с реакционноспособной функциональностью может включать сополимеры полиэтилена или полипропилена с винилацетатом или малеиновым ангидридом, или их смесями. Эти прививки или модификации могут улучшить совместимость между функционализированными графеновыми пластинками и полимерами матрикса.

В дополнение к описанной выше модификации (т.е. присоединению дополнительных групп на графеновые пластинки) функционализированные графеновые пластинки могут также действовать как субстрат для роста полимера на месте. Могут быть использованы различные способы для "выращивания" полимеров на таких функционализированных графеновых пластинках, включающие радикальную полимеризацию с переносом атома, которая представляет собой контролируемую радикальную полимеризацию, при которой всегда происходят по меньшей мере в малой степени события обрыва цепи. Указанная полимеризация обеспечивает возможность контролируемого роста цепи для синтеза полимеров с низким индексом полидисперсности при многообразии структур, включающих сополимеры, блочные сополимеры и звезды.

Поскольку функционализированные графеновые пластинки имеют активные центры для химического присоединения, радикальная полимеризация с переносом атомов является возможной. Это может позволить полимерным цепям, таким как цепи полистирола и других способных к радикальной полимеризации с переносом атомов полимеров расти с поверхности функционализированных графеновых пластинок. Полимерные цепи могут также включать сополимеры или магнитные частицы для ориентации функционализированных графеновых пластинок или в процессе экструзии, или в процессе сушки на основе раствора.

Как показано на фиг.1, радикальная полимеризация с переносом атомов может быть использована для "выращивания" коротких полимерных цепей 12 на поверхностях функционализированной графеновой пластинки 10. Конечный продукт имеет сходство с ворсистым двухсторонним ковром с полимерными ворсинками, выступающими с обеих сторон основного слоя. Очень большая величина соотношения геометрических размеров функционализированных графеновых пластинок может заставить эти пластинки вести себя подобно папиросной бумаге, складываясь по своей поверхности. Сложенные функционализированные графеновые пластинки могут потерять некоторые желаемые свойства (например, барьерные свойства). При таких полимерах, присоединенных к поверхностям, функционализированные графеновые пластинки могут иметь улучшенную жесткость, что может предотвратить складывание и облегчить их диспергирование во время смешения или блендирования с полимерами матрикса, такими как эластомеры.

Осуществления изобретения относятся к композитам, которые имеют функционализированные графитовые пластинки, смешанные с материалом матрикса. Эксфолиированные графеновые частицы имеют очень большие соотношения геометрических размеров (ширины к толщине), так как они практически являются слоем толщиной в один атом (или в несколько атомов). Когда эти тонкие пластинки диспергированы в материале матрикса, они могут создать в композите барьерный слой. Таким образом, изделие, изготовленное с таким композитом, будет иметь улучшенное сопротивление проницанию газами или жидкостями. Смешение функционализированных графеновых пластинок (например, ТЭОГ) с материалами матрикса (например, с полимерами или эластомерами) может быть осуществлено любой технологией смешения, известной в практике. Такие технологии могут включать, например, одношнековую экструзию, двухшнековую экструзию, смесительный барабан, шаровой смеситель или другие механические смесители.

Термин "графитообразный", использованный в данном описании, означает композицию, имеющую графитную структуру, более широко известную как sp² структура, образованную одним или несколькими элементами второго ряда Периодической Системы элементов, такими как бор, углерод и азот, которая имеет слои, разделяемые одним или несколькими из термических, химических и/или физических методов. Примеры включают функционализированные графеновые пластинки, распушенный графит, эксфолиированный графит (который известен в данной области как просто форма распушенного графита), композиции на основе бора и азота, такие как нитрид бора (известный так же как гексагональный BN или "белый графит") и т.п. Нитриды бора имеют высокую теплопроводность и являются электроизолирующими (диэлектрическая постоянная -4) в отличие от графита, который является электропроводящим. Нитриды бора также показывают низкое термическое расширение, легко окрашиваются и химически инертны. Распушенный графит является распушенным графитообразным, включающим по большей части углерод, происходящий из графита, замещенного графита или подобной композиции. Дифференцируя электропроводности функционализированных графитовых пластинок, распушенного графита и распушенных нитридов бора, можно предложить путь к регулированию электропроводности полимерного матрикса без значительного изменения барьерных свойств. Осуществления изобретения могут использовать эксфолиированные графеновые пластинки на основе нитрида бора. Таким образом, термин "графеновые пластинки", как он использован в данном описании, включает не только графитообразный материал на основе углерода, но также и материалы на основе бора.

Термин "наночешуйка" описан в патенте США 6916434. Наночешуйки являются чешуйкоподобными графитовыми пластинками, которые могут быть в структуре, подобной лоскутному одеялу или папье-маше. Аналогично, термин "нанобляшка" был описан в патенте США 6672077. Нанобляшки могут включать тонкие нанобляшки, толстые нанобляшки; описаны интеркалированные нанобляшки, имеющие толщину от примерно 0,3 нм до примерно 100 нм и размер в поперечнике от примерно 5 нм до примерно 500 нм.

В настоящей заявке выражение "функционализированные графеновые пластинки, распушенные графитовые наночешуйки и/или нанобляшки" может включать искривленные контуры. Другими словами, некоторые или все распушенные графитовые наночешуйки и/или нанобляшки (или часть их) могут иметь трехмерные формы, отличные от плоских. В качестве примера, функционализированные графеновые пластинки или распушенные графитовые наночешуйки, используемые в осуществлениях, могут иметь форму седел, полуседел, четвертьседел, полусфер, четвертьсфер, конусов, полуконусов, колоколов, полуколоколов, рогов, полурогов и т.п., хотя большая часть каждой наночешуйки и большинство наночешуек в целом являются плоскими.

Как отмечено выше, функционализированные графеновые пластинки, распушенные графитовые наночешуйки и/или нанобляшки могут иметь высокие значения соотношения геометрических размеров, превышающие 100 или 200. Высокая величина соотношения геометрических размеров означает, что в композите требуется лишь небольшое количество функционализированных графеновых пластинок, чтобы обеспечить эффективный барьер проникновению газа или жидкости. Форма функционализированных графеновых пластинок, наночешуек и/или нанобляшек может сильно варьироваться, например быть гексагональной, круговой, эллиптической, прямоугольной и т.д. Соотношение геометрических размеров и форма, которые наиболее выгодно применять, могут зависеть от предполагаемого конечного использования. Осуществления могут быть использованы в нефтепромысловых применениях для улучшения сопротивления проницаемости и улучшения сопротивления диффузии газов и жидкостей в условиях скважины.

В дополнение, различные структуры наночешуек и нанобляшек, используемых в осуществлениях, можно считать гетероформными. Гетерогенные формы включают структуры, в которых часть может иметь определенный химический состав, а другая часть может иметь отличный химический состав. Примером может быть наночешуйка, имеющая два или более химических состава или фазы в разных областях наночешуйки. Гетерогенные формы могут включать разные формы, соединенные вместе, например, когда более одной из вышеперечисленных форм соединено в более крупной иррегулярной структуре. Например, "летающая тарелка", в которой основная часть является плоской, может иметь искривленную кромку по периферии. Кроме того, все наночешуйки и нанобляшки могут иметь трещины, дислокации, ответвления или другие нарушения структуры.

Осуществления изобретения могут использовать в качестве матричных материалов полимеры, эластомеры или керамику. Полимерные матричные материалы могут включать в себя один или несколько полимеров, выбранных из натуральных и синтетических полимеров, включающих полимеры, перечисленные в документах Американского общества по испытанию материалов D1600-92, "Standard Terminology for Abbreviated Terms Relating to Plastics" и D1418 для нитрильных каучуков, смесей натуральных и синтетических полимеров и слоистых версий полимеров, в которых отдельные слои могут быть одинаковыми или различными по составу и толщине.

Полимерный матричный материал может включать в себя один или несколько термопластичных полимеров, таких как полиолефины, полиамиды, полиэфиры, термопластичные полиуретаны и полимочевиноуретаны, их сополимеры и смеси и т.п.; один или несколько термореактивных полимеров, таких как фенольные смолы, эпоксидные смолы и т.п.; и/или один или несколько эластомеров (включая натуральные и синтетические каучуки) и их комбинации.

Функционализированные графеновые пластинки по изобретению включают в себя те, в которых по меньшей мере часть функционализированных графеновых пластинок, распушенных графитовых наночешуек и/или нанобляшек является поверхностно-модифицированной для улучшения сопротивления просачиванию, когда они диспергированы в полимерном матриксе. Например, присоединение функциональных групп к графитовым наночешуйкам и/или нанобляшкам может повысить предельное содержание каучука/полимера в полученном в результате полимерном матриксе, что может улучшить сопротивление проницаемости получаемого в результате нефтепромыслового элемента. Функциональные группы, повышающие предельное содержание полимера, должны зависеть от типа полимера или полимеров, составляющих полимерный матрикс. Например, для полимеров, содержащих нитрильные группы, ввод карбоксильных и/или гидроксильных групп может повысить предельное содержание полимера. Осуществления включают те аппараты, в которых полимерный матрикс включает распушенные графитовые наночешуйки и/или нанобляшки, имеющие высокие значения отношения геометрических размеров и модифицированную поверхность.

Некоторые осуществления изобретения относятся к скважинным инструментам или устройствам, имеющим элементы, изготовленные из композитов, которые содержат функционализированные графеновые пластинки, такие как эксфолиированный оксид графита (например, ТЭОГ), или другие функционализированные графеновые пластинки. Эти инструменты или аппараты имеют улучшенные характеристики благодаря включению элементов, изготовленных из функционализированных графеновых пластинок. Соединяя свойства полимеров со свойствами функционализированных графеновых пластинок (например, ТЭОГ), композиты будут иметь новые или улучшенные свойства. Эти композиты могут называться нанокомпозитами благодаря размеру функционализированных графеновых пластинок, которые могут быть в форме наночешуек и/или нанобляшек.

Нанокомпозиты могут включать в себя матричный материал и множество функционализированных графеновых пластинок, наночешуек или нанобляшек. Функционализированные графеновые пластинки и материал матрикса могут действовать совместно для улучшения барьерных, механических и/или электрических свойств нефтепромысловых элементов. В частности, функционализированные графеновые частицы могут предложить улучшенное сопротивление проницаемости скважинных флюидов, когда они введены в полимеры. Иначе говоря, бляшки или чешуйки функционализированных графеновых пластинок могут обеспечить сопротивление диффузии и понизить проницаемость скважинных текучих сред (газов и жидкостей) через полимерный нанокомпозит.

Матричные материалы могут включать в себя эластомеры, термопластичные полимеры, термореактивные полимеры, керамику и т.п. Эластомерные композиты могут содержать натуральный каучук, синтетический каучук или другие эластомеры. Нефтепромысловые элементы, включающие эластомеры, могут быть полезны для использования в набивках, кабелях, уплотнениях, седлах клапанов и других каучуковых нефтепромысловых компонентах. Термопластичные полимеры могут включать смеси с самоармированным полифениленом, полиэфирэфиркетоном, полибензимидазолом, полиимидом, жидкокристаллическими полимерами, полипропиленом, полиэтиленом, сшитым полиэфирэфиркетоном и другими полимерами. Дополнительно, осуществления также могут включать использование функционализированных графеновых пластинок в проводящих маслах, пластиках и других электронных устройствах для нефтепромысловых применений.

Нефтепромысловый элемент относится к любому устройству (или к его частям), используемому в нефтепромысловых операциях. Нефтепромысловым элементом может быть, например, труба, вентиль, датчик или их части. Другие примеры нефтепромыслового элемента могут включать пакеры, защитные мягкие резервуары погружных насосов и двигателей, протекторы датчиков, противовыбросовые превенторы, насосные штанги, O-кольца, T-кольца, сальниковые уплотнения, уплотнения насосных валов, уплотнения труб, уплотнения вентилей, уплотнения и изоляторы электрических компонентов, таких как провод и кабель полупроводниковых защитных приборов и/или изоляция, которые могут ингибировать диффузию газов, таких как метан, двуокись углерода или сероводород из ствола скважины через кабель и к поверхности покрытия силового кабеля, уплотнения и перегородки, такие как используемые в волоконно-оптических соединениях, и другие приборы, и герметизирующие уплотняющие элементы для текучих сред (газа, жидкости и их комбинаций).

Примером нефтепромыслового инструмента или устройства по изобретению может быть погружной насос, который включает протектор двигателя, который может быть или не быть интегрированным с двигателем, при этом протектор двигателя является нефтепромысловым элементом, который изготовлен полностью или частично из описанного выше нанокомпозита. В этом случае ожидается, что протектор двигателя имеет лучшее сопротивление проникновению текучей среды благодаря включению функционализированных графеновых пластинок. Таким образом будет продлен срок службы погружного насоса.

Некоторые осуществления изобретения относятся к нефтепромысловым установкам для эксплуатации, тестирования или добычи углеводородов. Например, нефтепромысловая установка может включать одно или несколько нефтепромысловых устройств, включающих нефтепромысловый элемент, изготовленный из нанокомпозита, включающего матричный материал и множество диспергированных в нем функционализированных графеновых пластинок, растянутых графитовых наночешуек и/или нанобляшек.

Например, фиг.2 показывает скважинную установку 20, расположенную в стволе скважины 23, проходящем через пласт 21. Скважинная установка 20 подвешена на кабеле 22. Скважинная установка 20 может включать прибор/устройство 24, которым может быть, например, погружной насос. При использовании погружного насоса устройство 24 может включать насос 24а, защищенный кожухом 24b. В соответствии с осуществлениями изобретения кожух 24b может быть изготовлен из композита, который включает в себя функционализированные графеновые пластинки.

Некоторые осуществления изобретения относятся к способам эксплуатации, бурения или добычи углеводородов. Как показано на фиг.3, способ 30, в соответствии с осуществлениями изобретения, может включать выбор устройства, имеющего нефтепромысловый элемент, изготовленный из композита, включающего в себя множество функционализированных графеновых пластинок на стадии 32, и использование устройства в нефтепромысловой операции на стадии 34, в результате чего нефтепромысловый элемент подвергается воздействию скважинной среды.

Способы могут включать, но не ограничиваются этим, перемещение устройства, содержащего нефтепромысловый элемент, изготовленный из вышеописанных нанокомпозитов, в ствол скважины и/или его извлечения из ствола скважины. Скважинная среда во время перемещения или извлечения может быть той же самой или отличной от скважинной среды во время использования в стволе скважины или на поверхности.

Подвергающейся воздействию поверхности нефтепромыслового элемента необязательно иметь полимерное покрытие, которое может быть конденсированной фазой, образованной любым одним или несколькими способами. Покрытие может быть конформным (т.е. покрытие соответствует форме поверхностей нефтепромыслового элемента, который служит подложкой для покрытия), хотя это может и не быть необходимым для всех нефтепромысловых применений или для всех нефтепромысловых элементов, или для всех поверхностей полимерного матрикса. Покрытие может быть образовано из испаряемого или осаждаемого и полимеризуемого мономера, а также из дисперсных полимерных материалов. Полимер в покрытии может или не может способствовать адгезии покрытия к полимерному матриксу, хотя не исключаются агенты, способствующие адгезии, что дополнительно обсуждается здесь. Основная часть полимерного покрытия может включать полимер с углеродной цепочкой или гетероцепочкой. Используемые полимеры с углеродной цепочкой могут быть выбраны из политетрафторэтилена, полихлортрифторэтилена, полициклических ароматических углеводородов, таких как полинафталин, полиантрацен и полифенантрен, и различных полимерных покрытий, известных под родовым названием парилены, таких как Parylene N, Parylene С, Parylene D и Parylene Nova HT.

Нефтепромысловые элементы, изготовленные из композитов, которые включают в себя матричный материал и функционализированные графеновые пластинки, распушенные графитовые наночешуйки и/или нанобляшки, могут тормозить диффузию и просачивание флюидов при использовании в скважинах или при других нефтепромысловых применениях. Эти элементы будут иметь улучшенные характеристики по сравнению с обычными аналогами, когда существует одно или несколько из следующих условий: перепад давления по длине полимерного компонента, высокая температура, высокое давление, присутствие молекул с низким молекулярным весом и газов, таких как метан, двуокись углерода, сероводород и т.п.

Далее, добавление функционализированных графеновых пластинок, эксфолиированных графитовых наночешуек и/или нанобляшек с высоким отношением геометрических размеров у каждого может одновременно улучшить электропроводимость и барьерные свойства полимерного матрикса и, следовательно, нефтепромысловых элементов. В результате могут быть изготовлены нефтепромысловые элементы, включающие полупроводниковую и стойкую к проницаемости изоляцию на проводах, кабелях и всех других электрических и электронных компонентах в нефтепромысловых применениях, которые отвечают одному или обоим из этих требований. Примеры использования таких композитов включают упаковки или кожухи для электроники, такой как датчики, мультичипные модули и т.п.

Преимущества осуществлений изобретения могут включать одно или несколько из следующего. Использование эксфолиированных или распушенных графитовых материалов, в особенности функционализированных графеновых пластинок (например, ТЭОГ), предлагает промышленно осуществимый путь к разработке недорогих полимерных нанокомпозитов с хорошими барьерными и механическими свойствами. Распушенные графитовые нанонаполнители по меньшей мере в 500 раз дешевле, чем углеродные нанотрубки, и могут предложить сопоставимое улучшение механических свойств при лишь доле стоимости углеродных нанотрубок.

Хотя настоящее изобретение было описано по отношению к ограниченному числу осуществлений, специалисты, извлекающие пользу их этого изобретения, должны понимать, что могут быть придуманы другие осуществления, которые находятся в объеме настоящего изобретения, определяемого только прилагаемой формулой изобретения.

1. Нефтепромысловое устройство, представляющее собой скважинный инструмент и содержащее нефтепромысловый элемент, изготовленный из композита, содержащего матричный материал, включающий в себя полимер, эластомер или керамический материал, и множество функционализированных графеновых пластинок, диспергированных в матричном материале и содержащих однослойные листы и многослойные листы, имеющие площадь поверхности на единицу массы, составляющую, по меньшей мере, 300 м²/г.

2. Нефтепромысловое устройство по п.1, в котором функционализированные графеновые пластинки получены термической эксфолиацией оксида графита.

3. Нефтепромысловое устройство по п.1, в котором функционализированные графеновые пластинки содержат полимеры, присоединенные к их поверхностям посредством радикальной полимеризации с переносом атома.

4. Нефтепромысловое устройство по п.3, в котором полимеры, присоединенные к поверхностям функционализированных графеновых пластинок, содержат сополимеры или магнитные частицы.

5. Нефтепромысловое устройство по п.1, в котором функционализированные графеновые пластинки имеют отношение геометрических размеров, превышающее 100.

6. Нефтепромысловое устройство по п.1, в котором нефтепромысловый элемент выбран из группы, состоящей из пакерных элементов, защитных мягких резервуаров погружных насосов и двигателей, протекторов датчиков, противовыбросовых превенторов, насосных штанг, O-колец, T-колец, сальниковых уплотнений, уплотнений насосных валов, уплотнений труб, уплотнений вентилей, уплотнений и изоляторов, используемых в электрических компонентах.

7. Нефтепромысловый элемент, предназначенный для использования в нефтепромысловом устройстве, представляющем собой скважинный инструмент, и изготовленный из композита, содержащего матричный материал, включающий в себя полимер, эластомер или керамический материал, и множество функционализированных графеновых пластинок, диспергированных в матричном материале и содержащих однослойные листы и многослойные листы, имеющие площадь поверхности на единицу массы, составляющую, по меньшей мере, 300 м²/г.

8. Нефтепромысловый элемент по п.7, в котором функционализированные графеновые пластинки получены термической эксфолиацией оксида графита.

9. Нефтепромысловый элемент по п.7, в котором функционализированные графеновые пластинки содержат полимеры, присоединенные к их поверхностям посредством радикальной полимеризации с переносом атома.

10. Нефтепромысловый элемент по п.9, в котором полимеры, присоединенные к поверхностям функционализированных графеновых пластинок, содержат сополимеры или магнитные частицы.

11. Нефтепромысловый элемент по п.7, в котором функционализированные графеновые пластинки имеют отношение геометрических размеров, превышающее 100.

12. Нефтепромысловый элемент по п.7, выбранный из группы, состоящей из пакерных элементов, защитных мягких резервуаров погружных насосов и двигателей, протекторов датчиков, противовыбросовых превенторов, насосных штанг, O-колец, T-колец, сальниковых уплотнений, уплотнений насосных валов, уплотнений труб, уплотнений вентилей, уплотнений и изоляторов, используемых в электрических компонентах.

13. Способ осуществления нефтепромысловой операции, содержащий выбор нефтепромыслового устройства, представляющего собой скважинный инструмент и содержащего нефтепромысловый элемент, по меньшей мере часть которого изготовлена из композита, содержащего матричный материал, включающий в себя полимер, эластомер или керамический материал, и множество функционализированных графеновых пластинок, диспергированных в матричном материале и содержащих однослойные листы и многослойные листы, имеющие площадь поверхности на единицу массы, составляющую, по меньшей мере, 300 м²/г, и использование нефтепромыслового устройства в нефтепромысловой операции, в результате чего нефтепромысловый элемент подвергается воздействию скважинной среды.

14. Способ по п.13, в котором функционализированные графеновые пластинки получены термической эксфолиацией оксида графита.

15. Способ по п.13, в котором функционализированные графеновые пластинки имеют отношение геометрических размеров, превышающее 100.

16. Способ по п.13, в котором нефтепромысловый элемент выбран из группы, состоящей из пакерных элементов, защитных мягких резервуаров погружных насосов и двигателей, протекторов датчиков, противовыбросовых превенторов, насосных штанг, O-колец, T-колец, сальниковых уплотнений, уплотнений насосных валов, уплотнений труб, уплотнений вентилей, уплотнений и изоляторов, используемых в электрических компонентах.

17. Способ модификации функционализированных графеновых пластинок, содержащий получение функционализированных графеновых пластинок и их радикальную полимеризацию с переносом атома для присоединения полимера к поверхностям указанных пластинок, при этом указанные пластинки содержат однослойные листы и многослойные листы, имеющие площадь поверхности на единицу массы, составляющую, по меньшей мере, 300 м²/г.

18. Способ по п.17, в котором полимеры, присоединенные к поверхностям функционализированной графеновой частицы, содержат сополимеры или магнитные частицы.