CN103314178A - 用于井下筛的适型材料的制备工艺 - Google Patents
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Abstract
一种用于通过反应注射模塑制造泡沫适型材料的制造方法，该方法包括步骤：通过第一管道，以第一流量将第一组分从第一料箱供应给混合装置；通过第二管道，以第二流量将第二组分从第二料箱供应给混合装置，在存在发泡剂的情况下第二组分能够与第一组分反应；在混合装置中混合第一组分和第二组分以形成反应混合物；将反应混合物引入注射模塑装置中；模制所述反应混合物以形成泡沫适型材料；其中，调节反应混合物的混合以形成具有所需的平均胞泡尺寸的泡沫适型材料。该方法能制造适应井眼的材料，该材料的作用是过滤掉地层中的砂或其他不适宜细粒。
Description
相关申请的交叉参考
本申请请求享有美国申请No.12/981748的权益，该美国申请于2010年12月30日申请，该美国申请的全部内容组合在文中作为参考。
技术领域
本发明的技术领域涉及用于井下筛的材料，更具体而言，涉及可膨胀而填充形状规则或不规则井眼中的环形空间的材料。该材料可产生泡沫以达到预定胞泡尺寸，从而便于筛过的产物流经该适型材料。
背景技术
各种井眼隔离、筛过滤和生产控制方法在本领域是公知的，包括在油气开采领域的应用也是公知的。过去，井眼中的环形空间（其位于管柱的筛的外部）中填充有砾石以防止从地层产出不适宜的沙和其他细粒。近来，随着管膨胀技术的出现，如果筛能合适地膨胀以消除以前通过砾石充填的周围环形空间，那么就不需要砾石充填。由于井眼形状不规则，取代砾石充填技术的筛膨胀技术也出现了一些问题。因而，随后已经公开了在这种应用场合下使用适型材料。适型材料在管柱的筛或其他支撑件周围保持环形层的结构形式，该适型材料被下送到井眼中之后充分膨胀，以接触井眼并填充周围的环形空间。例如，已经设计出带有外层的各种筛装置，在膨胀时所述外层与井眼形状相适配。这类设计结构已经描述在美国专利公开2009/0130938号、美国专利No.7,318,481和美国专利公开2010/0089565号中。在一个实施例中，选择一种能在与井眼流体接触之后将膨胀的材料。
已经公开了自动适型膨胀筛，其包括胞泡开放式热固性形状记忆聚合体泡沫。形状记忆材料是在外部刺激或触发下能从变形状态（暂时状态）恢复至其初始（固定）形态的材料。这些材料的形状记忆效果例如可通过温度变化、电或磁场、光、PH值变化或其他方式被触发。形状记忆材料通常包括粘弹性聚合体，可存在于两种不同的状态下，表现出玻璃属性（高模量）或橡胶属性（低模量）。
适型材料的机械和过滤属性（能够对生产流进行筛处理）很大程度取决于微胞泡结构（包括平均胞泡尺寸）。这类属性也取决于孔喉式几何结构。一种形成微胞泡结构的方法是让聚合体产生泡沫。但是，控制起泡过程是困难且不可预见的。因而，需要一种改进的工艺来制备泡沫适型材料，该材料具有所需的预先设计的微胞泡结构。
重要的是，十分期望能找到一种用于制备泡沫微胞泡适型材料的方法，该材料可在井眼中的特定井下位置处扩展为一元件，该材料能达到所需的适应性和筛过滤性，用于井眼隔离和生产控制。通常，希望这类材料及其制造方法的通用性更高，这样可更灵活地设计筛组件，并让操作者更灵活地设计它们的布置位置及适用于井眼的结构。
发明内容
通过阅读优选实施例的说明和下面的权利要求书，本发明的这些和其他优点对于本领域技术人员来说将是更显而易见的。
本发明涉及一种控制方法，用于在制造适型材料的工艺中通过改变组分的混合质量来控制该适型材料的微胞泡结构，该适型材料包括泡沫聚合物成分。
特别地，本发明涉及一种制造方法，用于通过反应注射模塑来制造能够适配井眼形状的过滤材料，该方法包括步骤：
通过第一管道，以第一流量将第一组分从第一料箱供应给混合装置；
通过第二管道，以第二流量将第二组分从第二料箱供应给混合装置，第二组分可与第一组分反应；其中，第一组分、第二组分中具有发泡剂，和/或将发泡剂单独引入混合装置中；
在混合装置中混合第一组分和第二组分以形成反应混合物；
将反应混合物引入注射模塑装置中；以及
模制所述反应混合物以形成泡沫材料；
其中，对反应混合物的混合进行调节或控制以有效地形成具有所需的预选定平均胞泡尺寸的泡沫材料。
在进一步处理该材料或不进一步处理该材料的情况下，可调节泡沫适型材料形成的胞泡尺寸，以在筛出不适宜的沙或其他细粒时让生产流经过该材料。
在本发明的一个实施例中，通过改变至少两种组分的混合质量来控制泡沫聚氨酯材料的平均胞泡尺寸，其中，一种组分包括多元醇，第二种组分包括异氰酸酯复合物。最终形成的材料在***井眼中后能适应井眼形状。
根据该方法的一个特殊实施例，在制备泡沫适型材料的工艺中，通过使用包括叶轮的混合装置来调节反应混合物的组分混合质量。在该方法的另一实施例中，混合装置包括喷射冲击搅拌器。
附图说明
图1是本发明的反应注射模塑工艺的一个实施例的示意图；
图2示出了旋转混合头的平面图，该混合头可使用在图1的反应注射模塑工艺中；
图3（a）和3（b）示出了根据本发明的反应注射模塑工艺制成的泡沫适型材料的显微摄影图像，在该工艺中，采用旋转混合方式让混合质量从45切割数/克(cuts/g)变化到99切割数/克(cuts/g)，如实例1所述；
图4（a）是泡沫适型材料的胞泡尺寸与反应混合物中的多元醇组分的温度的关系曲线图，如实例1所述；该反应混合物用于反应注射模塑工艺中；
图4（b）是泡沫适型材料的胞泡（cell）尺寸与本工艺的混合质量度量值的关系曲线图，如实例1所述；
图5（a）和5（b）示出了根据本发明制成的泡沫适型材料的图像，其中，使用喷射冲击混合方式来改变混合质量以形成(a)粗糙胞泡和(b)精致胞泡，如实例2所述；以及
图6（a）和6（b）是根据本发明制成的泡沫适型材料的显微摄影图像，在该图中，使用喷射冲击混合方式来改变混合质量以形成(a)粗糙胞泡和(b)精致胞泡，如实例2所述。
具体实施方式
泡沫适型材料的机械和过滤性能很大程度地取决于其微胞泡结构。已经惊奇地发现，在反应注射模塑（RIM）工艺过程中，根据混合装置中的第一组分和第二组分的混合质量，能有效地控制泡沫适型材料的平均胞泡尺寸。反应混合物然后能被引入注射模塑装置中，被模制成泡沫适型材料。申请人已经发现，提高喷射冲击混合头或叶轮混合头中的混合（指定反应物组分与其他固定处理条件下的添加剂相混合）质量，能控制最终的泡沫适型材料中形成平均尺寸更小的胞泡。
因而，可调节反应组分的混合来让泡沫适型材料达到所需的平均胞泡尺寸。在一个实施例中，泡沫的平均胞泡尺寸大致为0.2mm至7mm，优选大致为1mm。根据本工艺，通过调节或改变混合质量，可使用相同组分形成平均胞泡尺寸不同的各种泡沫。可供选择地，在组分已给定的处理工艺中，可设定工艺参数来达到预选胞泡尺寸。在一个实施例中，调节或控制所述工艺，使泡沫适型材料获得显微构造的胞泡，在泡沫适型材料于井眼中而膨胀之后，该显微构造能对井眼中的地层流体进行筛选处理。在相邻胞泡相互连接处（即，孔喉处）进行筛选过滤。
根据本工艺形成的泡沫适型材料能由各种聚合材料制成，但是该聚合材料优选是一种在持续暴露于井产流体中的情况下能膨胀而能更好地适应井眼的不规则形状的材料。泡沫适型材料可包括热固性聚合物组分。通常，适型泡沫材料包括一种或更多种聚合物（特别是该工艺中的混合组分的聚合反应产物），其占总固体量的重量百分比至少为10%。
在一个实施例中，泡沫适型材料包括为粘弹性形状记忆材料的聚合材料。这种材料具有如下属性，即，被触发时可在单向工艺过程中恢复至其原始形状和尺寸；例如，通过改变泡沫温度、通过在延长的时段内使该材料暴露于井产流体中或通过其他触发方法来触发该材料。
能膨胀的泡沫适型材料包括各种聚合物。这类聚合物包括形状记忆聚合物，可以是聚氨酯、聚酰胺、聚脲、聚乙烯醇、乙烯醇-乙烯基酯共聚物（vinyl alcohol-vinyl ester copolymer）、酚类聚合物（phenolicpolymer）、聚苯并咪唑、包括聚环氧乙烷成分的共聚物、以及上述物质的组合物。例如，包括聚环氧乙烷成分的共聚物包括聚环氧乙烷/丙烯酸/与N,N'-亚甲基双丙烯酰胺交联的聚甲丙烯酸铵酯、聚环氧乙烷成分/甲基丙烯酸/与乙二醇二甲基丙烯酸酯交联的N-乙烯基-2-吡咯烷酮共聚物（N-vinyl-2-pyrrolidone copolymer）、以及聚环氧乙烷/聚甲基丙烯酸甲酯/与乙二醇二甲基丙烯酸酯交联的N-乙烯基-2-吡咯烷酮共聚物（N-vinyl-2-pyrrolidone copolymer）。在一个实施例中，泡沫适型材料包括通过聚碳酸酯多元醇和聚异氰酸酯发生反应生成的聚氨酯。这类聚合物可发生化学或至少物理交联，以具有形状记忆属性。特别优选的聚合物为聚氨酯。有益地，在RIM（反应注射模塑）工艺中产生聚氨酯和聚脲聚合物。
泡沫适型材料可包括共混聚合物。根据具体的应用场合，与包括单纯的均聚物树脂或共聚树脂相比，这种泡沫适型材料具有有益的机械属性。
合适的物理发泡剂（例如CO2、N2和HFC's）可使用在该工艺中。发泡剂可被引入聚合物加工装置的一个或更多个孔口中或产生在反应混合物内。也可使用化学发泡剂。优选的发泡剂为二氧化碳，优选通过水的原位反应产生。
参照图1，在反应注射模塑工艺（RIM工艺过程）中，共反应剂通常储存在单独的料箱1和2内，所述料箱视情况可具有合适的混合装置3和4、以及保温装置（如水套5和6）。计量泵7和8通过管道9和10将分别储存在料箱1和2中的组分A和B泵送到热交换器15和16中，然后将它们泵送到混合头11中，该混合头连接到反应注射模塑装置12上。
反应注射模塑***还可包括循环泵13和14，用于通过循环管17和18使组分A和B经由热交换器15和16返回到混合箱1和2中。本领域的技术人员将能理解到，在构造该***的过程中，可使用传统的阀、混合器、箱以及类似构件。
再次参照图1，该工艺视情况可包括工艺控制设备，在该设备中可使用控制器19（优选为PLC或可编程逻辑控制器）来控制计量泵，以达到所需的体积流量、质量流量、或流速。也可使用所述控制器来控制热交换器15和16的温度，从而控制进入混合头11中的组分A和B的温度。如上所述，这两组分可通过射流冲击机械或在叶轮混合器的帮助下在混合头中混合在一起。在使用叶轮混合器的情况下，通过将混合器电连接到控制器19来控制混合器的速度。流量传感器和温度传感器也可连接到控制器19上。能被控制的其他工艺变量包括组分的质量流量和流动回路中的压力。
在一个实施例中，例如，在用于制备聚氨酯泡沫适型材料的实施例中，二异氰酸酯和多元醇储组分存在独立的加料箱中，其中，水、增链剂、表面活性剂和催化剂可与多元醇预混合。
通常，聚氨酯泡沫体可由包括有机聚异氰酸酯组分的活性组分形成，有机聚异氰酸酯组分能够与具有多烃基、泡沫稳定表面活性剂和催化剂的组分起反应。有机聚异氰酸酯的通式为Q(NCO)i，其中，i为平均值大于2的整数，Q是化合价为i的聚氨酯基。因而，Q(NCO)i是通常称之为预聚物的合成物。让化学配比过量的上述聚异氰酸酯与具有多烃基（例如，下述的含多烃基材料）的组分反应来形成这类预聚物。
根据制备聚氨酯泡沫体的具体应用场合，形成聚氨酯的合成物中所使用的聚异氰酸酯量可变化。通常，-NCO总当量与活性烃基总当量之比被设定为，活性烃基反应剂中的活性烃基每个单位当量与-NCO当量之比为0.8至1.2，活性烃基每个单位当量与-NCO当量之比优选大致为1.0至1.08。
含活性烃基的组分可包括不同类型的含活性烃基组分的混合物，包括三醇、二醇以及平均烃基官能度大于3的复合物。
在一个实施例中，含活性烃基的组分可包括聚酯多元醇、聚醚多元醇和/或聚碳酸酯多元醇。合适的聚酯多元醇包括多元醇与二羧酸或形成酯的衍生物（如，酸酐、酯和卤化物）的缩聚产物、聚内酯多元醇（在具有多元醇的情况下其通过开环聚合内酯获得）、以及聚碳酸酯多元醇（其通过让碳酸二酯与多元醇反应获得）。当然，本领域的技术人员将能理解到，也可使用其他的天然和合成多元醇。在一个实施例中，含活性烃基的组分可以是线性聚碳酸酯多元醇。例如，如美国专利No.4,131,731（授予Lai等）所公开，通过让乙二醇和碳酸中的环酯发生反应可获得这些线性聚碳酸酯多元醇。
在聚氨酯泡沫适型材料的情况下，该材料中的聚氨酯键（-NH-CO-O-）可在二异氰酸酯与多元醇的反应中产生，它们一混合就发生下列反应：
O=C-N-R1-N=C=O+HO-R2-OH→O=C=N-R1-NH-CO-O-R2-OH
在上面的反应中，根据具体的起始材料，R1和R2单独表示有机二价基。如果使用二醇和三醇混合物，将会交联泡沫聚氨酯材料。根据下列反应（反应式中的R1和R2的定义如前所述），通过让水（其占反应混合物的重量百分比小于4%）与二异氰酸酯单体反应来形成发泡剂（如二氧化碳气体CO2）：
O=C=N-R1-N=C=O+H2O→O=C=N-R1-NH2+CO2↑
根据下列反应，上面反应中的胺然后可与另外的二异氰酸酯反应以形成尿素键（-NH-CO-NH-）：
O=C=N-R1-NH2+O=C=N-R1-N=C=O→O=C=N-R1-NH-CO-NH-R1-N=C=O
因而，最终形成的共聚物通常主要含有聚氨酯以及一些聚脲块。因为尿烷和尿素键的N-H键能添加到异氰酸酯基中以形成脲基甲酸酯和缩二脲键，进而会导致聚合物支化和交联，因而，该情况甚至更复杂。另外，异氰酸酯基也能发生三聚反应，同时也能形成异氰脲酸酯，从而起到支化和交联的附加源的作用。除了聚氨酯的聚合工艺中发生的复杂化学反应以外，反应混合物中的表面张力以及流变现象也会影响微胞泡的形成。
对于这种复杂的工艺，找到具体的工艺条件和泡沫适型材料的最终物理属性之间的直接联系是一种重要的工程发现。因为微胞泡材料的机械特性取决于胞泡的形状和结构，因而，控制泡沫中的胞泡尺寸可改变泡沫适型材料的机械特性，而不会改变聚合物本身。在使用泡沫适型材料的情况下，尤其对于井眼中的筛砂器而言，改变胞泡尺寸也意味着强制限制孔喉尺寸，从而调节了筛砂器的过滤属性。
申请人已经惊奇地发现：使用相应的混合装置或混合头，通过喷射冲击混合或叶轮混合提高分离的反应组分的混合质量，这样会形成胞泡尺寸更小的微胞泡泡沫材料。特别地，在一个实施例中，通过叶轮进行混合时，尤其是涉及泡沫适型材料的筛分应用场合，发现有效的混合质量度量值大致为14-150切割数/克，更优选大致为90切割数/克。在该工艺的另一实施例中，通过喷射冲击方式进行混合时，尤其是涉及泡沫适型材料的筛分应用场合，发现有效的混合质量度量值大致为5-40kg-m/s2，优选大致为20kg-m/s2。
通过改变第一组分的流量、第二组分的流量、或者，根据泡沫材料中所需的平均胞泡尺寸同时改变第一组分的流量和第二组分的流量，可达到理想的混合质量。在叶轮混合方式的情况下，通过改变转速也能改变混合质量。可通过计量泵控制流量，通过流量计（例如，机械流量计、基于压力的流量计或光学流量计）检测流量。能用来校正变化的温度条件（即，密度）、非线性度以及流体特性的其他类型流量计也可使用，包括磁性流量计和超声流量计。
第一组分和/或第二组分的温度除了影响流量以外，还影响反应混合物的粘度，而粘度影响胞泡的形成。例如，在一个涉及特殊的异氰酸酯/多元醇反应剂对的具体实施例中，在将第一组分（A）和第二组分（B）引入混合装置之前，可将第一组分的温度调节至第一温度而将第二组分的温度调节至第二温度，使第一温度在20℃至65℃的范围内（优选大致为30℃），使第二温度在80℃至115℃的范围内（优选大致为87℃）。在聚氨酯泡沫材料的情况下，第二温度适用于含烃基的组分（B）（在该工艺中，视情况，组分（B）中的烃基可由氨基取代，这种情况下会产生尿素键）。为了控制效果，例如可通过热电偶检测组分A和B的温度。
可在该工艺中采用自动和/或手动控制。例如，结合第一组分和第二组分的流量（例如，质量流量或流速）来自动控制第一组分和/或第二组分的温度（因而还可控制粘度），从而影响混合质量。
在叶轮混合的情况下，可用称之为“混合能”的值来量化组分的混合质量，“混合能”定义为：在一段时间内，混合器的混合头穿过正被混合的流体组分所形成的切割（cut）数，该切割数与混合头的转速成比例，而与经过混合头的组分的质量流量成反比。可参照使用旋转切削式混合器20的叶轮混合方式进行解释，如图2所示。混合器20包括多个工作级或工作台21，每个工作台均具有多个螺旋铣刀22。连接到轴23上的混合器装配到壳体（未示出）中并旋转，此时引入组分A和B使其靠近轴23的杆部。组分的流动迫使混合物经过每级螺旋铣刀。当每个铣刀穿过组分时，铣刀割穿组分，让组分相互穿梭，使化学剂交替，然后将它们混合。
推动混合物从入口到达出口的工艺中，铣刀穿过混合物指定部分所形成的切片总数表征混合质量。切片总数是分配速度、混合器速度以及混合器上的铣刀数量的函数。根据流量m'(g/s)、每个铣刀工作台上的铣刀数量Nc（切割/回转/工作台）、铣刀工作台的数量Nb、以及混合器速度Sm（转数/分钟），每克混合组分形成的切割数N的公式为：
N=Nc x Nb x Sm/(60s/min x m')(切割数/克)(1)
测试胞泡尺寸期间可使用混合质量参数（切割数/克），从而，在改变其他工艺参数（如，温度、化学组分或分配速度）的情况下，可保持混合作用相当稳定（或以可控方式变化）。
例如，有时由于加工原因需要改变流量。例如，在测试最终产物的结构对组分温度变化的敏感度时，就需要改变流量。组分温度降低时，粘度增加，有时需要减小组分流量来避免与泵相关的问题。如果混合质量保持相同（以避免混合质量造成的变化），仅需保持混合头速度与组分分配速度之比相同即可。
平均胞泡尺寸也受配方（包括表面活性剂）、反应（胶化）速度、发泡剂以及其他因素影响。反应速度进而受混合质量影响，因为，为了更充分混合，各种反应物比一般情况要更加相互靠近一些。当不同组分占据的范围大（混合效果不好）时，与占据范围小的情况相比，扩散受限的反应会更慢一些。
在根据本发明的工艺中，为了进行冲击混合，将组分A和B引入混合腔中使组分流相互撞击。可通过高强度湍流来实现混合。在文献中已经报道了量化湍流混合的成果，但是现在还未透彻理解该工艺。请参看文献：Y Huai和A Sadiki，Analysis and Optimization ofTurbulent Mixing with Large Eddy Simulation(通过大涡模拟模型对湍流混合的分析与优化)，FEDSM2006-98416，2006年ASME学报，美国欧洲联合流体工程夏季会议，ASME，2006，p2。
迄今为止，根据雷诺数（Re=密度x速度x直径/动态粘度）来评价冲击流的混合质量。例如，请参看文献：N A Mouheb等，NumericalStudy of the Flow and mass Transfer in Micromixers（微混合器中的流量和质量传递的数值模拟），ICNMM2008-62273，第六届纳米通道、微通道及微型通道国际ASME会议，ASME，2008，p3。雷诺数是流体力学领域中用作索引数据的多种无量纲数之一，作为一种方式来得出小型试验和大型试验之间的当量。例如，在确定管流中的摩擦因子的情况下雷诺数是有用的，此情况下直径应理解为是管直径。出现混合问题时直径反映冲击流尺寸的程度的情况下，使用雷诺数类似于其他情况下使用雷诺数。但是，在湍流情况下，在不一定由混合器的吸入管的直径决定的空间中会出现这些工艺。因而，申请人已经研究出了一种改进措施用于目前的工艺中。
在非弹性碰撞中，动能不守恒（变形过程将动能耗散为热能和碰撞体的内能，但是总能量守恒）。但是，在非弹性碰撞期间，动量守恒。另外，动量变化直接与作用力相关：
其中，F为力，t为时间，p为动量（质量x速度）。在非弹性碰撞中，作用力使碰撞颗粒变形。在流体中，由于流体粘度，剪切力与剪切速度相关。混合流体中的剪切力与混合相关。
为了使用冲击混合中的与混合工艺过程相关的参量来表示实验结果，申请人选择动量变化率作为这种参量。对于一起流入空间（如冲击混合器中的空间）中、混合并垂直于流动方向流出的两种流体而言，动量变化率为：
p'=m'x V (3)
速度V=m'/(密度/流动面积)，因而p'=(m')2/流动面积/密度。对于密度不同的冲击流而言，尽可能在考虑其他工艺要求时让每种流体的动量率相等。动量率可用作为混合期间的初始条件要求的一部分，其使用方式类似于前述旋转混合中使用“切割数/克”的方式。但是，混合动力学性能受流体粘度影响，流体粘度进而受温度、填料数量以及类似因素影响。尽管动量率受到不同设备和材料变化的影响，但是，已经证明动量率是一种例如用于研究新配方（其类似于先前已研究的配方）的有效度量值。
在喷射冲击混合的情况下，当必须选定第二组分的喷射速度以达到化学计量比时，可根据一种组分的喷射速度来控制混合质量。通过试验得出叶轮混合（旋转混合头）参数（切割数/克）与不规则混合参数（动量变化率）之间的大致当量。
在不希望受理论限制的情况下，混合质量的上述相关性可以解释为：根据杨-拉普拉斯公式，在表面张力值相同的情况下，更小气泡中的气体压力要更大。因而，与大气接触的分界面上的气泡会扩大、集结成核、或塌缩以减小内部的气压。靠近界面胞泡的层的气泡内的压力不平衡，从而，胞泡内层也会扩大或集结成核。在进行聚合的过程中，通过增加反应混合物的粘度和表面张力可限制这种扩大。提高混合质量可让多元醇和异氰酸酯的反应活性部位之间更充分接触，这样会促进聚合反应，从而形成更小的泡沫胞泡。提高混合质量也能让水分子和异氰酸酯的反应活性部位更充分接触，从而可让充满有CO2的微泡形成数量更多的核化点。这也有助于形成数量更多的更小直径泡沫胞泡。
因而，混合质量通过有助于组分种类扩散（让组分A和B更充分交错）而影响聚合反应。温度分布变化图证实，反应速度受混合质量的影响。进而，由于放热量（其受混合质量影响）引起的加热速度影响流变能力。在任何温度下交联和线性连接改变粘度，进行反应时温度增加会降低粘度。
结合胞泡固结的杨-拉普拉斯机理，表面活性剂（用于使胞泡稳定或不稳定）的效果根据温度而变化。另外，胞泡穿孔（使其不稳定）效率随胞泡壁厚度以及胶化（聚合或硫化）状态而变。因而，受混合质量影响的温度可以是一种用于改变表面活性剂/聚合物性能的有效工具。预选定工艺和化学性质的组合形式能获得理想的胞泡结构。
胞泡尺寸和混合质量之间的关系受反应混合物的配方（或具体成分）影响。例如，当使用一种配方时，发现减小组分温度和降低混合质量会更缓慢地放热，从而形成更大的胞泡。胞泡尺寸的差异微小，那么最终的反应过程就相当剧烈。但是，如果使用含有不同类型表面活性剂的另一种配方，混合能减小的情况下，异氰酸酯喷射流量增量从1343g/s变化到895g/s时，胞泡尺寸迅速变化，进一步变化到448g/s时，胞泡尺寸的变化相对小。因而，响应于混合质量，平均胞泡尺寸的改变率表征不同配方。
在一个实施例中，该工艺涉及泡沫聚氨酯形状记忆适型材料的制备，该工艺包括：混合第一异氰酸酯部分（包括异氰酸酯）和第一多元醇部分（包括多元醇），混合工艺中多元醇与异氰酸酯之比预定，以形成具有理想的初始玻璃化转变温度（初始Tg）的聚氨酯材料。该方法还包括：在高于初始Tg的温度下改变泡沫材料的几何形状，将其原始几何形状改变成变化的几何形状。另外，该方法可包括：将几何形状已改变的材料的温度降低至低于初始Tg，使材料均保持其各自已改变的几何形状。可让多元醇和异氰酸酯之比不同以形成初始Tg不同的聚氨酯配方。从玻璃态到橡胶态的过渡状态期间的斜率变化也可发生改变，从而可让几何形状已改变的形状记忆材料以不同的恢复速度恢复至其原始几何形状，如同一申请人的同时待审的美国专利公开2010/0089565号中所公开，该文献的全部内容组合到文中作为参考。
为了提高热稳定性和耐水解性，聚氨酯泡沫适型材料优选由聚碳酸酯多元醇和MDI二异氰酸酯制成。可将聚氨酯成分配制成达到不同的玻璃化转变温度，以适于满足大多数井眼应用场合中的温度要求。
在一个具体实施例中，聚氨酯材料是特别坚韧和弹性特别高的形状记忆材料，其几何形状能变化且能基本上恢复至其原始几何形状。形状记忆聚氨酯材料的Tg的范围大致为40℃至200℃，该材料可在40℃至190℃下通过机械力发生几何变化。
在一个实施例中，通过本工艺制成泡沫适型材料之后，在泡沫适型材料上涂覆可通过热流体降解的硬质塑料（如，聚酯型聚氨酯塑料和聚酯塑料），术语“可通过热流体降解的塑料”意为，任何一种遇到流体（如，水或碳氢化合物或它们的组合物）并受热时可降解的坚固的固态聚合物薄膜、涂层或覆盖层。可将覆盖层配制成在特定温度范围内降解，以在运行期间的规定时段（如，若干小时或若干天）内满足所需的应用要求或井下温度要求。可选择延迟覆盖层的厚度和可降解塑料的类型，以防止形状记忆适型材料装置在运行期间复原。在合适的筛装置中，一旦材料在指定时段和温度下保持在井下合适位置上，所述可降解塑料分解，这样可让装置恢复至其原始几何形状或适配井眼内壁。换句话说，抑制或防止形状记忆材料恢复至其原始状态或被过早布置的覆盖层可通过溶解在含水或碳氢化合物的流体中而被去除，或，在采用热或不采用热的情况下通过热降解或水解作用被去除。在另一非限制性的实例中，构成覆盖层的材料的聚合物链之间的交联被破坏可去除覆盖层。
在一个实施例中，采用多元醇和异氰酸酯的不同配比来形成聚氨酯聚合物，使整个模制而成的泡沫适型材料具有可变的Tg。这样可让模制而成的聚合物具有独特属性，例如，当井眼内温度变化（如升温或降温）时，井下工具和/或井眼装置的不同部分发生形状记忆作用。也可使用交联度影响用于过滤或防砂的泡沫适型材料的Tg。达到不同的目标温度之后，以不同速度将泡沫适型材料配置为筛，可通过刚硬的压实泡沫（例如，作为一个或更多个内层）加固软质的适型配置层（例如，作为一个或更多个外层）。
通过在加工期间改变或变化喷射速度，从而可让嵌入的聚氨酯层具有变化的Tg值。最终，变化的Tg可让材料的各部分在某些目标温度下张开，同时保持其他层合适地变化和“冷冻”。将应该理解为，材料的具有不同Tg的部分可以位于或不位于工具或装置上的离散、可识别的层或部分上。
在该工艺的一个实施例中，异氰酸酯反应组分部分可含有改性的MDI MONDUR PC（其由拜耳公司(Bayer)出售）或MDI预聚物LUPRANATE5040（其由巴斯夫公司(BASF)出售）；多元醇反应组分部分，多元醇反应组分部分可含有以下成分：(1)线性碳酸酯二醇，其由Stahl USA出售、商业名称为PC-1667；(2)三官能烃基交联剂-三烃甲基丙烷(TMP)，其由阿法埃莎公司(Alfa Aesar)出售；(3)芳香族二胺增链剂-二甲硫基甲苯二胺(DMTDA)，其由雅宝公司(Albemarle)出售、商业名称为ETHACURE300；(4)催化剂，其由空气化工产品公司(Air Products)出售、商业名称为POLYCAT77；(5)表面活性剂，其由空气化工产品公司(Air Products)出售、商业名称为DABCO DC198；(6)胞泡扩张剂，其由德固萨(Degussa)出售、商业名称为ORTEGOL501；(7)着色剂，其由美利肯化工公司(MillikenChemical)出售、商业名称为REACTINT Violet X80LT；以及，(8)水。
异氰酸酯部分的当量由NCO（异氰酸酯）成分的百分比计算出。文中所指的改性的MDI MONDUR PC中的NCO重量含量为25.8%。其他的异氰酸酯（如，巴斯夫公司(BASF)出售的MDI预聚物LUPRANATE5040）中的NCO重量含量为26.3%）也是可以接受的。将多元醇部分中的所有反应组分的当量加起来计算出多元醇部分当量，上述所有反应组分包括多元醇（如，PC-1667）、水、分子交联剂（如TMP）以及增链剂（如DMTDA）。可通过异氰酸酯和多元醇的不同组合来调节最终制成的聚氨酯泡沫的玻璃化转变温度。通常，异氰酸酯部分含量越高，获得的Tg就会越高。交联度也影响获得的Tg。
制备泡沫适型材料的反应混合物中可包含的另一组分为增链剂，在一个具体实施例中，该增链剂是雅宝公司(Albemarle)出售的二甲硫基甲苯二胺(DMTDA)，商业名称为ETHACURE300，其是一种液态芳香族二胺固化剂，能提高高温性能。其他的合适增链剂包括但不局限于：4,4'-亚甲基双(2-氯苯胺)(4,4'-methylene bis(2-chloroaniline)),"MOCA"（由科聚亚(Chemtura)出售、商业名称为
A133HS）；以及，丙二醇双4-氨基苯甲酸酯(trimethylene glycoldi-p-aminobenzoate),"MCDEA",其由空气化工产品公司(AirProducts)出售、商业名称为VERSALINK740M。
在某些实施例中，包含胺基或金属基催化剂，以让泡沫适型材料达到良好属性。这类催化剂在商业上由空气化工产品公司等公司提供。可让聚氨酯泡沫材料的属性特别好的合适催化剂包括但不局限于：五甲基二丙烯三胺(pentamethyldipropylenetriamine)，一种由空气化工产品公司出售、商业名称为POLYCAT77的胺基催化剂；以及，二月桂酸二丁基锡(dibutyltindilaurate)，一种由空气化工产品公司出售、商业名称为DABCO T-12的金属基催化剂。
可将少量的表面活性剂和少量的胞泡扩张剂添加到反应混合物配方中，例如表面活性剂占总重量的百分比大致为0.5%，该表面活性剂例如由空气化工产品公司出售、商业名称为DABCO DC-198；例如，胞泡扩张剂占总重量的百分比大致为0.5%，该胞泡扩张剂例如由德固萨(Degussa)出售、商业名称为ORTEGOL500、ORTEGOL501、TEGOSTAB B8935、TEGOSTAB B8871以及TEGOSTAB B8934。DABCO DC-198是空气化工产品公司提供的硅基表面活性剂。其他的合适表面活性剂包括杜邦公司(DuPont)出售的、商业名称为ZONYL8857A和ZONYL FSO-100的含氟表面活性剂，但是并不局限于此。着色剂可添加到多元醇组分部分中，以让成品具有所需的颜色。这类着色剂在商业上可由例如美利肯化工公司(Milliken Chemical)等公司提供，该公司出售商业名称为REACTINT的合适着色剂。
在一个实施例中，例如，异氰酸酯和聚碳酸酯多元醇的重量比为大致1:1。在一个具体的实施例中，46.0g PC-1667线性碳酸酯二醇与2.3g TMP交联剂、3.6g DMTDA增链剂、0.9g DABCODC-198表面活性剂、0.4g ORTEGOL501、0.1g REACTINT VioletX80LT着色剂、0.01g POLYCAT77催化剂以及0.7g水发泡剂组合而形成多元醇部分。
含有异氰酸酯部分和多元醇部分的反应混合物可混合在RIM混合器中，RIM混合器在商业上例如由Gusmer Decker、Cannon和Krauss Maffei等不同制造商提供。
通过本方法制成的泡沫适型材料为其初始的膨胀形状。通过动态形变分析（DMA），测出材料的Tg在损耗模量达到峰值G"时为94.4℃。在封闭模型中，温度在125℃下可让适型材料的几何结构发生变化，使其厚度或体积至少变化为原始值的25%。在已改变的几何形状状态下，可将材料冷却至室温。即使机械作用力消失，形状记忆材料仍能保持已改变的几何形状状态。当材料被加热至大致88℃时，在一个非限制性实施例中，该材料在20分钟内能恢复至其原始形状。
一种形状记忆聚氨酯由异氰酸酯重量比多元醇要大的反应混合物制成，已经意识到，包括这种形状记忆聚氨酯的泡沫适型材料的玻璃化转变温度更高。（如果多元醇与异氰酸酯之比小于1，那么剩余部分由交联剂补充）。如果反应混合物中的异氰酸酯重量小于多元醇，那么Tg会更低。通过配制不同的异氰酸酯和多元醇组合物，可让材料达到不同的玻璃化转变温度。可根据实际的井下配置/使用温度，来配置用于制备具有特定Tg的形状记忆聚氨酯的反应成分。在一个非限制性实施例中，形状记忆聚氨酯的Tg被设计为比实际的井下扩展/使用温度大致高20℃。因为应用温度低于Tg，因而该材料保持良好的机械性能。
文中已描述由本发明制成的形状记忆材料能适应井眼形状，这意为：该材料恢复或扩展以填充可用空间，直到到达井壁。井壁将限制材料的最终恢复的形状，实际上不会让材料膨胀至其初始的几何形状。但是，已恢复或已扩展的形状记忆材料在井眼内将具有所需的作用。
在该工艺中通过在液态聚合物中形成气泡来首先形成泡沫，然后通过气泡合适地处理泡沫以形成适型材料，这种泡沫是封闭胞泡、开放式胞泡或局部开放式胞泡，具有各向同性或各向异性流动性、胞泡特性、致密性或其他内在或外在属性。在胞泡封闭、相对密集、各向同性弹性体泡沫的情况下，形成胞泡壁的固体材料能承受一定程度的变形，当胞泡壁破裂时，形成在胞泡壁交叉处之间的柱不会破裂。因而，能进一步加工该胞泡材料以提高流动和过滤特性。例如可通过机械破碎作用使胞泡打开。破碎处理是本领域用于常规打开胞泡的公知方式，例如，使用压辊压紧泡沫，使胞泡破裂。
如上所述，根据本工艺制成的泡沫适型材料可用于井眼中所用的筛装置。在一个实施例中，泡沫适型材料的内径可让其在筛材料上滑动。筛材料和泡沫适型材料的组合因而能在中心管上滑动。此后，能将公知的膨胀工具应用于中心管内部以让中心管稍微膨胀，从而，筛材料和泡沫适型材料均能固定到中心管上，而不需要进行焊接。这样是有益的，因为：当在井眼中下入筛并膨胀时，膨胀工艺会将大的应力作用在焊缝上，从而会造成筛故障。一种提供筛组件的替换方法为：以刚才所述的方式将筛材料附装到中心管上，然后将泡沫适型材料正好固化在筛材料上。另一种选择是，将保护性外套施加到筛材料和安装在筛材料上的适型材料上。即使对于任意的穿孔的保护性外套而言，连接工艺是从中心管内向外膨胀的工艺过程（如上所述）。筛材料下入到井眼中时，覆盖在筛材料上的保护性外套保护筛材料。这种保护性外套是公知产品，具有冲孔，可选择使用。但是，泡沫适型材料在运行期间在某种程度上可对筛材料提供所需的保护作用。
由本发明制成的泡沫适型材料中的微胞泡起到的作用是，微胞泡膨胀之后可让地层流体穿过。筛上的孔可以是圆形、狭槽形、或其他形状或各种形状的组合形式，该孔可进一步过滤地层流体中的不适宜固体。
通过本方法制成的泡沫适型材料可被模制成圆柱形，但是，为了便于材料张开，可将圆柱形改变成使其具有凹端或纹状区，从而可提高层的过滤特性或达到其他目的。
在一个实施例中，圆柱形泡沫适型材料层可组合到中心管的筛上，或，通过包裹泡沫层（使其具有适宜的初始外径OD1）而将其直接组合到中心管上。可供选择地，用于将泡沫适型材料层形成在中心管或筛上的工艺可以是可使泡沫适型材料层具有适宜的初始直径的任何其他工艺过程。适宜的初始外径OD1大于井眼直径（BHD），组件将在井眼直径内扩展。例如，可形成初始外径OD1为10英寸的泡沫适型材料层而用于直径为8.5英寸的井眼。
例如，可将泡沫适型材料制成为使其过渡温度刚好稍稍高于井下某深度位置的预期温度，其中将要在该深度位置上使用该组件。从而引起泡沫适型材料层在适宜深度位置的温度下膨胀，并保持膨胀抵靠井壁。可使用井下温度让适型材料层膨胀；可供选择地，可使用其他方法，如，单独的热源。这种热源可以是有线配置的电加热器、或蓄电池供电的加热器。例如，这种热源可以安装到中心管上、组合到中心管中，或被安装成与泡沫适型材料层接触。可在井场的地面上控制该加热器，或通过定时装置或压力传感器来控制。另外，可通过从地面泵送到井下的化学剂来产生放热反应，或者通过任何其他合适装置来产生热。
在一个实施例中，由本工艺过程制成的泡沫适形层材料可单独起到过滤剂的作用，而不需要使用任何筛材料。
制造泡沫适型材料的工艺可在整个外圆周上形成防水层。但是，最终接触井壁的外表面会让防水层脱去或脱掉，从而泡沫适型材料层安装到中心管或筛上，可单独仅起到过滤材料的作用或与筛共同起到过滤作用。可将筛构造为专门用作为适型材料的结构支撑件，当井产流体渗过材料时可防止材料进入中心管，或者可将所述筛和适型材料一起省略掉。可供选择地，泡沫适型材料的沿着井眼的上端和下端可具有由模制制备工艺形成在其上的防渗层，从而可引导流体流入中心管的孔中。
实例
在下面的实例中，旋转混合头与ESCO台式计量机器一起使用。冲击式混合头被特别设计为四孔混合头，冲击流被设计成在混合腔的中心轴线处汇聚，组分A与组分B沿直径方向相对地进入，每种组分均被喷射到两个孔中。
实例1
该实例表明旋转混合头是如何影响胞泡尺寸的，用混合质量表征旋转混合头。旋转剪切式混合器（如图2所示）用于反应注塑工艺（如图1所示）中。混合质量从14.4切割数/克变化到135切割数/克。发现胞泡尺寸受混合质量影响。可从图3(a)，3(b)，4(a)和4(b)以及下面的附表1看出这种影响。
表1
类似地，图3(a)和3(b)分别表示混合质量从45cuts/g变化到99cuts/g时所制成的泡沫适型材料的图像，分别对应于表1中的实例1c和1d。
图4（a）示出了最终产品的胞泡尺寸与反应混合物中的多元醇温度的关系曲线图，该反应混合物用于根据本方法的工艺中；图4（b）表示胞泡尺寸与本工艺的混合参数的关系曲线图。如这些图中的相关系数所示，胞泡尺寸与切割数/克的相关程度要大于胞泡尺寸与多元醇组分的温度的相关程度。尽管具有合适的相关系数（R2=0.650），但是，胞泡尺寸与切割数/克的相关程度要大于胞泡尺寸与异氰酸酯组分的温度的相关程度。最终结果并不出人意料，因为发泡反应涉及异氰酸酯，所以异氰酸酯的温度应该影响发泡气体的产生速度。
因而，已经证实混合质量参数是有效度量值，在各种情况下可用于控制泡沫适型材料的平均胞泡尺寸。
实例2
该实例表明泡沫适型材料的胞泡尺寸如何受注射模塑工艺的混合质量影响的，在该注塑工艺中采用冲击混合。通过使用其混合质量变化的冲击混合头来执行例如图1所示的反应注塑工艺。结果如下面的表2所示。
在喷射冲击式混合的情况下，当必须选择第二组分的喷射速度来达到化学计量比时，根据一种组分的喷射速度来控制混合质量。结果如表2所示。
表2
如表2所示，发现胞泡尺寸受混合质量影响。当多元醇的喷射速度从500g/s增加至1000g/s、接着增加至1500g/s时，胞泡尺寸逐渐变小。
也可在图5(a)、5(b)、6(a)和6(b)中看出混合质量的影响。图5(a)和5(b)示出了使用冲击混合头制成的泡沫适型材料的图像，其中，改变冲击混合头的混合参数以制成(a)粗糙胞泡和(b)精致胞泡。图6(a)和6(b)示出了根据本发明制成的泡沫适型材料的显微摄影图像，混合质量对应于表2中的实例2a和2b变化。
应该理解为，本发明不局限于所示和所述的结构、操作、材料或实施例的具体细节，改进和等同形式对于本领域的普通技术人员来说是显而易见的。因而，本发明仅由所附的权利要求书限制。另外，说明书是阐释性而非限制性的。例如，用于制造聚氨酯/尿素热塑性塑料的组分的具体组合、具体的Tg、具体的井下工具结构、设计结构和其他成分、组分以及结构均落入请求保护的参数范围内，但并没有特别指明用于某具体方法或装置中，它们均在本发明的范围内。
权利要求中的术语“包括”应解释为包含但不局限于所列出的元素。
本发明可合适地包括、包含所公开的元素，或基本上由所公开的元素组成，但是在不具备未公开的元素的情况下仍可实践本发明。
Claims (20)
1.一种用于通过反应注射模塑制造适应井眼的过滤材料的制造方法，该方法包括步骤：
通过第一管道，以第一流量将第一组分从第一料箱供应给混合装置；
通过第二管道，以第二流量将第二组分从第二料箱供应给混合装置，第二组分能够与第一组分反应；其中，第一组分、第二组分中具有发泡剂，和/或将发泡剂单独引入混合装置中；
在混合装置中混合第一组分和第二组分以形成反应混合物；
将反应混合物引入注射模塑装置中；以及
模制所述反应混合物以形成泡沫材料；
其中，调节反应混合物的混合以形成具有所需的平均胞泡尺寸的泡沫适型材料。
2.根据权利要求1的方法，其中，混合装置包括叶轮。
3.根据权利要求1的方法，其中，混合装置包括喷射冲击混合器。
4.根据权利要求1的方法，其中，泡沫的平均胞泡尺寸为0.2mm至7mm。
5.根据权利要求2的方法，其中，对所进行的所述混合进行调节以使混合质量在14-150切割数/克范围内。
6.根据权利要求3的方法，其中，对所进行的所述混合进行调节以使混合质量在5-40kg-m/s2范围内。
7.根据权利要求1的方法，其中，通过调节混合质量，使用相同组分来形成胞泡尺寸不同的各种泡沫。
8.根据权利要求7的方法，其中，根据泡沫适型材料所需的平均胞泡尺寸改变第一组分的流量、第二组分的流量、或同时改变第一组分的流量和第二组分的流量，来控制混合质量。
9.根据权利要求1的方法，其中，通过加热第一组分和/或第二组分来控制反应混合物的粘度。
10.根据权利要求1的方法，其中，在将第一组分和第二组分引入混合装置之前，分别调节第一组分的温度和第二组分的温度，使第一组分的第一温度在20℃至65℃范围内，使第二组分的第二温度在80℃至115℃范围内。
11.根据权利要求1的方法，其中，结合第一组分和第二组分的质量流量或体积流量来自动控制第一组分和/或第二组分的粘度，从而影响混合质量。
12.根据权利要求1的方法，其中，使用该方法制造井眼装置，该井眼装置包括形状记忆材料，该形状记忆材料在井眼装置中具有变化的几何状态和初始几何状态，其中，形状记忆材料在低于初始玻璃化转变温度的温度下保持已改变的几何状态，当形状记忆材料被加热至高于初始玻璃化转变温度的温度时，形状记忆材料从其已改变的几何状态膨胀至其复原的几何状态。
13.根据权利要求1的方法，其中，泡沫适型材料包括聚氨酯。
14.根据权利要求1的方法，其中，第一组分和第二组分分别包括多元醇和聚异氰酸酯。
15.根据权利要求14的方法，其中，多元醇组分包括多元醇和水的混合物，从而，当混合物与异氰酸酯组分反应时会产生用作为发泡剂的CO2。
16.根据权利要求14的方法，其中，多元醇组分还包括水、增链剂、催化剂和表面活性剂。
17.根据权利要求1的方法，其中，当泡沫适型材料用于井眼中的筛组件时，泡沫适型材料在中心管不膨胀的情况下可将环形间隙桥接到井壁上并对穿过所述泡沫适型材料而进入所述中心管的流体进行过滤。
18.根据权利要求1的方法，其中，使用自动处理控制器调节组分A和/或组分B的流量。
19.根据权利要求18的方法，其中，进一步使用处理控制器调节旋转混合头的混合速度，以让混合质量达到预定设置值。
20.根据权利要求1的方法，还包括，在所述泡沫适型材料上设置防水层。
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