CN101302926A - 控制在井下应用的弹性体的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种井下工具，其包括可膨胀芯部，和包裹所述可膨胀芯部的涂层，其中所述涂层由包含可溶于选定材料中的组分和不可溶于所述选定材料中组分的材料制成。控制井下工具的方法包括在井筒内布置井下工具；以及暴露所述可膨胀装置给选定流体以增加所述涂层的渗透率，从而允许所述可膨胀芯部膨胀。其中所述井下工具包括可膨胀芯部，和包裹所述可膨胀芯部的涂层，其中所述涂层由包含可溶于选定材料中的组分和不可溶于所述选定材料中组分的材料制成。

Description

控制在井下应用的弹性体的方法和设备

相关申请的交叉引用

[0001]本发明要求通过引用将其整个内容并入本说明书中的2007年5月11日提交的美国临时申请No.60/917,501的依据35U.S.C.§119(e)的优先权。

技术领域

[0002]本发明大体涉及油田勘探、开采和试井领域，并且更具体地涉及控制可以用作封隔器、密封件(seals)或类似物的弹性体材料膨胀率的方法和设备。

背景技术

[0003]封隔器中所使用的可膨胀聚合物已经受到相当大的关注。1958年授予George Maly的美国专利No.2849070是第一个公开膨胀式封隔器的专利。EP1672166A1公开了具有由涂层包围的可膨胀芯部的封隔器。本专利解释了芯部的橡胶能够具有溶解在其内的其它材料，或者可以是包含纤维或纤维素的混合物。在此EP专利中所公开另一选择是与一接触石油就扩张的其它聚合物所形成的机械混合物内的橡胶。相比芯部，涂层对流体具有较高的阻力和较低的扩散率。因此，EP1672166A1中所公开的涂层延缓膨胀率，并因此能够提供芯部膨胀中的延迟，防止芯部过早膨胀。然而，涂层的此种共性也致使用于使芯部膨胀和封隔器安装和密封的时间更长。

[0004]为了克服需要使封隔器扩张的较长时间的一些问题，EP1672166A1公开了具有小部分芯部暴露的不可渗透涂层。虽然此方法减轻了与完全不可渗透涂层关联的一些问题，但是使小区域芯部暴露仍旧不允许未暴露区域以高速度膨胀。

[0005]美国申请No.11/769207公开了用于膨胀式封隔器元件的临时容器。此申请公开了通过使用可溶于特殊活性流体中的材料而制成的套管产生临时容器的方法。可溶性防护套管能够防止封隔器过早和不期望的膨胀。当要求扩张封隔器时，临时容器被溶解(如通过引入活性流体)，以允许芯部内的可膨胀聚合物接触流体，从而允许封隔器扩张。

[0006]在类似的方法中，美国专利申请公开No.20060185849公开了一种用于流体控制的、由具有防护层的可膨胀弹性体芯部组成的装置。防护层可以通过如温度、化学药品、放射(磁力传动、电磁传输，或加热)或机械方法的机理被清除。

[0007]一些防护层可以用特殊的化学药品被清除。例如，美国专利申请公开No.20050199401公开了具有可以被所选定的化学药品分解的防护涂层的装置。这些选定的化学药品能够以小球的形式或者通过控制管线被引入到井内。

[0008]美国专利申请公开No.20070027245公开了油水可膨胀材料，弹性体和非弹性体可以被分层，其中单个层在组成和厚度、互穿网络等方面可以是相同或者不同的。

[0009]一些其它专利和申请也公开了可膨胀材料，其中包括美国专利号7,059,415，WO 2005/012686，WO 2005/090741，WO 2005/090743，WO2006/003112，WO 2006/003113，WO 2006/053896，EP 1407113，EP283090，EP 1649136，U.S.专利申请公开No.20070056735，WO2006/063988，WO 2006/065144，WO 2006/121340，WO 2002/020941，WO 2005/116394，WO 2006/043829，以及WO 2006/118470。

[0010]虽然这些现有技术提供了延迟和控制膨胀式封隔器扩张的时间和速度的方法，但是仍旧需要更好的方法和装置来控制膨胀式封隔器或类似井下装置的布置和安装。

发明内容

[0011]本发明的一方面涉及井下工具。根据本发明一个实施例的井下工具包括可膨胀芯部，和包裹可膨胀芯部的涂层，其中涂层由包含可溶于选定流体中的组分和不可溶于选定流体中的组分的材料制成。

[0012]本发明的另一方面涉及用于控制井下工具的方法。根据本发明一个实施例的方法包括：在井筒内布置井下工具；以及将可膨胀装置暴露给选定流体以增加涂层的渗透率，从而使可膨胀芯部膨胀。其中井下工具包含可膨胀芯部，以及包裹可膨胀芯部的涂层，其中涂层由包含可溶于选定流体中的组分和不可溶于选定流体中的组分的材料制成。

[0013]本发明的另一方面涉及用于制造井下工具的方法。根据本发明的一个实施例的方法包括制备包含可膨胀聚合物的可膨胀芯部；以及用涂层包裹可膨胀芯部，其中涂层由包含可溶于选定流体中的组分和不可溶于选定流体中的组分的材料制成。

[0014]本发明的其它方面和优点在以下说明和所附权利要求中将是显而易见的。

附图说明

[0015]图1A示出了根据本发明一个实施例的具有包含可膨胀芯部和包裹可膨胀芯部的涂层的膨胀式装置的井下工具。

[0016]图1B示出了图1A的井下工具的剖视图。

[0017]图1C示出了根据本发明一个实施例的涂层变为可渗透的，并且可膨胀芯部已膨胀之后的图1A的井下工具。

[0018]图2示出了根据本发明的一个实施例的涂层材料制作的示意图。

[0019]图3A示出了根据本发明一个实施例的具有膨胀式装置的井下工具，该井下工具包含可膨胀芯部和包裹可膨胀芯部的涂层，其中粘脱层被布置在涂层和可膨胀芯部之间。

[0020]图3B示出了根据本发明一个实施例的涂层已变为可渗透的，并且流体流过涂层以在粘脱层内扩散从而使可膨胀芯部扩张之后的图3A中的井下工具。

具体实施方式

[0021]本发明的实施例涉及暴露给选定流体(例如井下流体)后将改变渗透率的涂层。这些涂层能够在各种应用中与可膨胀聚合物一起使用。例如，当封隔器被下入井中并被允许安装时，这些涂层一暴露给井下流体，其渗透率可被构造成具有增大的渗透率。因此，不要求特殊流体来提高涂层的渗透率。这样就没有必要将流体注入或下放小球来改变涂层的渗透率。

[0022]使用根据本发明实施例的这种涂层、装置和方法能够控制弹性体材料的膨胀率，该弹性体材料可被用于封隔器、封口机或在油气田勘探、开采和试井中的类似装置。例如，在下钻期间和封隔器已到达安装深度后，本发明的方法被用来控制膨胀式封隔器的膨胀率。一旦膨胀式封隔器到达安装深度，使用本发明的涂层，封隔器能够具有更快的安装速度，而与此同时在下钻过程中封隔器将不会被过早地安装。本发明的方法和装置对在开孔区域安装膨胀式封隔器尤其有用，由于冲刷或其它现象，在该开孔区域内可能遭遇大内径。

[0023]在以下说明中，大量细节被说明以提供对本应用的理解。本领域的技术人员将理解的是本发明的实施例不需要若干或所有这些细节而可以被实践，并且所说明的实施例的许多改进和变形是可能的，这不脱离本发明的范围。

[0024]本发明的实施例涉及包括在油田应用中有用的弹性体材料的装置(如封隔器、封口机或类似装置)。在井下应用中具有弹性体组件的装置的典型使用可以包括井眼的分层封隔。“井眼”可以是任何形式的油井，包括，但并不局限于生产井、非生产井、注水井、流体回注井、试验井、勘探井，以及类似井。井身可以是垂直的、水平的、与水平和垂直偏离一定角度的，以及它们的组合，例如具有非垂直部分(段)的垂直井。

[0025]由于在张力作用下它们可以伸长，可以具有高的拉伸强度，可以快速收缩，并且可以基本上恢复到其原始尺寸，因此在此使用的“弹性体”是效仿天然橡胶物质的一般术语。该术语包括天然和人造弹性体，并且该弹性体可以是热塑性弹性体或非热塑性弹性体。该术语包括弹性体的混合(物理混合物)，也包括共聚物、三元共聚物、和多聚合物。实例包括三元乙丙橡胶(EPDM)和作为丁二烯和丙烯腈的共聚物的各种丁腈橡胶，如丁纳橡胶一N(还被称为标准腈和NBR)。可膨胀弹性体的实施例可以包括在美国专利公开No.20070027245公开的那些可膨胀弹性体。

[0026]本发明的实施例涉及构造和使用包括具有涂层的可膨胀聚合物(如弹性体)的装置，该涂层能够提供用于控制聚合物膨胀的机理。根据本发明的一些实施例，在涂层暴露给井下流体后，在这些装置中所使用的涂层能够改变它们的渗透率。在开始膨胀聚合物之前，这些涂层可以保护可膨胀聚合物。在这种封隔器下入井中后，由于暴露给井下流体，涂层的渗透率将被增大。然后，涂层增大的渗透率将允许被包裹的可膨胀聚合物膨胀。因此，不要求特殊流体或下放小球以扩张封隔器。例如，膨胀式封隔器的膨胀或扩张可以封闭井身的环形空间并密封该环形空间。

[0027]图1A示出了暴露给溶剂前井下装置17的一个实施例。例如，该井下装置17可以是环绕井身15内的管道11的一段，并穿透底层16的封隔器。管道11可以是管子、钢丝、电缆、管柱、挠性油管，或穿过井身15的任何东西。井下装置17可以是包含包裹在涂层13内的可膨胀芯部12的膨胀式井下封隔器。另外，止推环/装置14可以在可膨胀芯部12轴向端部的任何一端被连结到管道11上，以引导可膨胀芯部12在径向方向上的扩张。井身15可以包括或不包括套管。

[0028]根据本发明的实施例，涂层13可由包含可溶于选定流体中的组分和不可溶于选定材料中的组分的材料制成。选定流体可以是井下井液。井下井液的实例包括但并不限于包含流体的碳氢化合物、采出水、水基泥浆、或盐水。

[0029]图1B示出了图1A中所示实施例的剖视图。如图所示，井下装置17环绕井身15内的管道11。井下装置17包括包裹在涂层13内的圆筒状可膨胀芯部12。

[0030]图1C示出了暴露给溶剂后(如井下井液)井下工具17的一个实施例。当涂层13内的可溶组分被溶剂溶解时，因为剩余的不可溶组分可残留在互连通道、非互连通道、孔或槽上，涂层因此变得更加可渗透。因此，在涂层13暴露给井下井液后，涂层13的渗透率将随时间而增大。这将使井下井液通过涂层13扩散，以接触可膨胀芯部12。结果，可膨胀芯部12膨胀并扩张，致使井身15内环形空间的闭合。

[0031]如上所述，根据本发明的实施例的涂层可以由与不溶组分混合的可溶组分制成，其中可溶组分可溶于选定流体中。可溶组分的实例可以包括油溶性材料，而不可溶组分的实例可以包括拒油(或非油溶性)弹性体。利用油溶性和非油溶性材料的如此组合，可以使涂层对油类(疏水流体)更加可渗透。

[0032]图2示出了说明通过将可溶性溶剂组分混合入或嵌入到不可溶性溶剂组分中制造此种涂层的方法的示意图。在一个实施例中，可溶组分21可被混合到不可溶基质材料22以形成涂层材料23，该涂层材料23包括嵌入(合并)在不溶性材料(基质)22内的可溶组分21。可溶组分可以以任何物理形式混合在基质内，如聚合物粒子，小珠或任何其它形式的离散或连续填料或增强剂。例如，不可溶性基质材料22可以是诸如腈弹性体的非油溶性聚合物。用于井下应用的可溶性材料(填料或增强剂)可以是能够在井下井液内溶解的材料，以便不需要额外的流体或反应物以使涂层可渗透。例如，这些可溶性材料可以包括油溶性材料，如聚苯乙烯、聚α-甲基苯乙烯、低分子量聚烯烃、苯乙烯和丙烯腈的共聚物、聚乙烯甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯和任何其它可溶于在油田应用采出液中所发现的脂肪族烃的聚合物。这样，使涂层可渗透的流体可以与触发弹性体芯部膨胀的溶剂一样。

[0033]虽然上述实施例使用将在疏水流体(如石油)中变得更加可渗透的涂层，但是根据本发明的其它实施例，涂层的渗透率在一暴露给水或水流体后可以增大。在这些实施例中，填充材料是水溶性材料，而基质材料是水不溶性的。例如，可以与本发明的实施例一起使用的水溶性材料的实例可包括聚合物(如聚乙烯醇)或盐(有机盐或无机盐)。

[0034]不管涂层被设计成包括油溶性组分，还是水溶性组分，该组成或可溶组分和不可溶组分的相对比值可被调节，以提供使涂层变得更加可渗透的速度的控制。使用本领域所知的任何适合的方法，可溶组分和不可溶组分可被以所想要的比率而混合。例如，可溶组分的填充可以高达整个涂层混合物重量比的80％(w/w)。混合物可以通过使用本领域所知的任何混合设备来制备，如2-滚筒辗粉机、搅拌机、或内部混合器。当可溶组分(该可溶组分可以是纤维和粒子的形式)接触目标流体(例如碳氢化合物或水)时，它们将被溶解，而残留在交联不溶性基质(crosslinked insolublematrix)内(如拒油弹性体涂层组分的弹性体基质)的孔、通道或眼后。结果，新生成的通道、孔、或眼(小室)可以增加涂层的渗透率。

[0035]本发明的一些实施例涉及在下钻操作中，控制可膨胀封隔器的膨胀率的方法。尤其地，本发明涂层的使用使防止膨胀式封隔器过早地膨胀成为可能。只有膨胀式封隔器到达安装深度后，涂层将接触井下流体，该井下流体然后引发涂层内可溶组分的溶解。因此，这些方法可以能够安装膨胀式封隔器，而不过早地使封隔器膨胀，然而一旦膨胀式封隔器到达预定的深度，该方法允许膨胀式封隔器以合理的速度安装。

[0036]根据本发明的实施例(如图1所示)，涂层的渗透率将是低的，直到井下工具(诸如井下可膨胀封隔器)被下入井中。一旦工具被放在预定深度(例如封隔器到达安装深度后)，由于与井内流体接触，涂层的渗透率增大。在开始时，因为初始接触流体之后，可溶粒子和纤维会需要时间以溶解和浸出基础弹性体基质，涂层的渗透率不会明显增大。初期阶段后，因为一旦可溶组分的初始部分溶解，更多的通道在涂层内产生，这又促进涂层内的可溶组分的溶解和浸出，因此涂层可逐渐变得更加可渗透。

[0037]虽然上述涂层渗透率的逐渐增大可以通过单一可溶组分来实现，但是利用多于一种可溶组分，渗透率依赖时间的增大可以进一步被提高。因此，根据本发明的一些实施例，具有不同溶解度的多个可溶填充物的弹性体涂层可被使用。例如，迅速溶解的盐(如像氯化钠的无机盐)可以与较缓慢溶解的聚合物如聚乙烯醇混合。混合物又可以用作疏水弹性体中的可溶组分(填充物或增强剂)，以使涂层对水或盐水在渗透率上具有不同增长率，由此控制可膨胀聚合物芯部的膨胀率。

[0038]根据本发明的一些实施例，涂层可以由当拉伸超过极限而断裂的材料组成。拉伸可以由弹性体芯部的膨胀引起。例如，一过度拉伸就会断裂的材料包括由Lord公司(Cary，N.C.)提供的HPC-

涂层。这些材料当由能扩张到一大范围的弹性体(如乙烯丙烯二烯单聚物橡胶(EPDM)，其能够超过250％地膨胀)环绕时，会由于所包裹的弹性体的膨胀而最终断裂。

[0039]本发明的一些实施例涉及通过将可膨胀聚合物芯部和涂层暴露给相同的流体而随时间改变涂层渗透率的方法和用法。例如，井下流体可以是含有碳氢化合物的流体。涂层增加的渗透率将构造更多可利用的碳氢化合物，以膨胀可膨胀聚合物的芯部。随着涂层逐渐变得越来越可渗透，聚合物芯部的膨胀也将以增长的速度发生。因此，根据本发明的一些实施例，相同流体可以被使用以改变涂层的渗透率，并使可膨胀聚合物的芯部膨胀。

[0040]如上所述，本发明一些实施例的涂层可以使用包含合并入或嵌入在疏水(或水不溶性)组分(如弹性体基质)内的水溶性组分的材料。在这些实施例中，可膨胀聚合物芯部以这样一种方式被设计，当与采出水、水基泥浆、或盐水接触时它们膨胀。水溶性组分(例如粒子或增强剂)可以由诸如聚乙烯醇或钙金属的材料制成，以便当它们与水流体接触时粒子溶解。水流体将最终穿过涂层并使可膨胀聚合物芯部膨胀。

[0041]根据本发明的一些实施例，涂层被应用到可膨胀聚合物的芯部上，以便涂层能够从可膨胀弹性体芯部剥离。这些实施例的一个目的是，流体一旦通过涂层，允许可膨胀聚合物芯部更快的膨胀。为了密封井身内的环形空间，这些实施例将要求以较短的时间使聚合物膨胀。

[0042]图3A示出了说明这样一个实施例图形，在该图中，膨胀式封隔器环绕管道31的一部分。封隔器包括没有牢牢地粘连到可膨胀聚合物芯部32上的涂层33。在一些实施例中，涂层33和芯部32之间的分界面可以包括中间层35(粘脱层)，该中间层35包含引导用于使可膨胀聚合物芯部32膨胀的流体的通道。可选择地，粘脱层35可以由对用于使可膨胀聚合物芯部32膨胀的流体具有良好渗透性的材料制成。根据一些实施例，粘脱层35可简单地包括涂层33与可膨胀聚合物芯部32之间的空间(间隙)，或粘脱层35可包含将溶解在流体中以在涂层33与可膨胀聚合物32之间留下间隙的材料。粘脱层35将允许流体在可膨胀聚合物芯部32的周围扩散，从而产生较大的接触面以加速膨胀进程。这将允许可膨胀聚合物芯部32更快的膨胀以密封井身35内安装深度上的环形空间。

[0043]图3B示出了图3A中所示实施例的示意图，其中涂层33已破裂或被构造成可渗透的。结果，流体36可以穿过涂层33扩散或渗透，并流进粘脱层35内。粘脱层35内的流体36能够容易的接触可膨胀弹性体芯部32的整个表面。因此，粘脱层35使膨胀聚合物芯部32以更快的速度膨胀变得可能。

[0044]本发明实施例的优点可以包括下述的一个或多个。本发明的实施例使用新型涂层来暂时性地保护可膨胀芯部，以便可膨胀芯部将不会过早地膨胀。当本发明的装置到达目标区域时，目标区域的流体可被使用以使涂层变得可渗透，因此触发膨胀过程。本发明的实施例可以缓解对增加涂层渗透率的特殊流体的需要，以及改变涂层渗透率的流体注入或小球下放的需要。因此，相同的流体可以被使用以改变涂层的渗透率，并使可膨胀聚合物膨胀。本发明的实施例可以允许膨胀芯部相对快速地膨胀，而不需要冒可膨胀芯部过早扩张的风险。本发明的实施例对由于冲刷和其它现象而具有大内径的开式井身尤其有用。

[0045]虽然本发明说明书提供了有限数量的实施例，但是受益于本公开的本领域技术人员将明白的是可设计其它不脱离在此公开的范围的实施例。因此，该范围应该仅由所附权利要求限制。

Claims (21)

1.一种井下工具，其包括：

可膨胀芯部，和

包裹所述可膨胀芯部的涂层，

其中所述涂层由包括可溶于选定流体中的组分和不可溶于

所述选定流体中的组分的材料制成。

2.根据权利要求1所述的井下工具，其中所述选定流体是井下井液。

3.根据权利要求2所述的井下工具，其中可溶于所述选定流体中的所述组分是从由聚苯乙烯、聚α-甲基苯乙烯、低分子量聚烯烃、苯乙烯和丙烯腈的共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯和聚碳酸酯所组成的组中选定的一个或多个。

4.根据权利要求1所述的井下工具，其中所述选定流体为水流体。

5.根据权利要求4所述的井下工具，其中可溶于所述选定流体中的所述组分是聚乙烯醇、有机盐、无机盐、或它们的组合。

6.根据权利要求1所述的井下工具，其中所述井下工具是封隔器。

7.根据权利要求1所述的井下工具，其中所述井下工具被布置在管道或管柱上。

8.根据权利要求1所述的井下工具，其中所述可膨胀芯部包含一暴露给所述选定流体就膨胀的聚合物。

9.根据权利要求1所述的井下工具，其中可溶于所述选定流体中的所述组分包含在所述选定流体中具有不同的溶解特性的两种不同的材料。

10.根据权利要求1所述的井下工具，其中所述井下工具更进一步包含在所述可膨胀芯部和所述涂层之间的粘脱层。

11.一种用于控制井下工具的方法，其包含以下步骤：

在井筒内布置井下工具，其中所述井下工具包含：

可膨胀芯部，和

包裹所述可膨胀芯部的涂层，其中所述涂层由包含可溶于选定流体中的组分和不可溶于所述选定流体中的组分的材料制成；以及

将所述可膨胀装置暴露给所述选定流体，以增加所述涂层的渗透率，从而允许所述可膨胀芯部膨胀。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述井下工具是封隔器。

13.根据权利要求11所述的方法，其中可溶于所述选定流体中的所述组分是油溶性的，并且所述选定流体是含有碳氢化合物的井筒流体。

14.根据权利要求13所述的方法，其中可溶于所述选定流体中的所述组分是从由聚苯乙烯、聚α-甲基苯乙烯、低分子量聚烯烃，苯乙烯和丙烯腈的共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯和聚碳酸酯所组成的组中选定的一种或多种。

15.根据权利要求11所述的方法，其中所述可溶于选定流体中的组分是水溶性的，并且所述选定流体是水流体。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述水溶性组分由聚乙烯醇、有机盐、无机盐、或它们的组合而制成。

17.根据权利要求11所述的方法，其中所述可膨胀聚合物包含一暴露给所述选定流体就膨胀的聚合物。

18.根据权利要求11所述的方法，其中所述井下工具进一步包含在所述可膨胀芯部和所述涂层之间的粘脱层。

19.一种用于制造井下工具的方法，包括：

制备包含可膨胀聚合物的可膨胀芯部；和

利用涂层包裹所述可膨胀芯部，

其中所述涂层由包含可溶于选定流体中的组分和不可溶于所述选定流体中的组分的材料制成。

20.根据权利要求19所述的方法，其中所述可膨胀聚合物一暴露给所述选定流体就膨胀。

21.根据权利要求19所述的方法，其中所述涂层没有牢牢地粘接在所述可膨胀芯部上。

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