CN103781990B - 利用地下工具中被感应加热的嵌入颗粒的膨胀加速 - Google Patents

Abstract

通过加热提高膨胀封隔器元件或适应性泡沫滤筛材料的膨胀率。在另一技术中，铁磁颗粒或导电树脂或聚合物散布在膨胀材料中，通过感应加热器在颗粒中产生热量。可使用介电芯轴或中心管将热效应聚集在密封元件或膨胀泡沫滤筛中的铁磁颗粒或导电树脂或聚合物上，以集中对那里进行加热而不加热中心管。热量加速膨胀过程，并减少至可以开始井下下次作业时的时间。

Description

利用地下工具中被感应加热的嵌入颗粒的膨胀加速

发明人：Oleg A.Mazyar和Michael H.Johnson

技术领域

本发明的技术领域是通过膨胀展开的地下工具，尤其是提高膨胀率以便更快展开的构造细节和技术。

背景技术

由在油或水中膨胀的元件制成的封隔器已经使用了一些时间，如USP 7997338；7562704；7441596；7552768；7681653；7730940和7597152所证明的。这些结构关注用于更快展开的构造技术，机械压缩有助于膨胀或利用内部膨胀材料提高可膨胀部的性能来增强密封，在膨胀并使管路延伸穿过膨胀密封元件后消除沿着芯轴的泄漏路径，并使得仍然具有良好的密封。

已经公开了利用形状记忆泡沫的形状适应滤筛，所述形状适应滤筛采用裸眼的形状并充当滤筛，所述形状记忆泡沫处于其转变温度以上，使得形状回复到比周围裸眼大的初始形状。这允许泡沫呈井眼形状并有效地充当地下滤筛。该结构的一些例子参见USP7013979；7318481和7644773。泡沫利用来自周围井眼流体的热量跨过其转变温度，并回复到使之与井眼形状相符的形状。

膨胀材料的一个问题在于，膨胀率可能很慢，从而有效展开需要膨胀完成到特定程度，之后才能在地下位置开始后续任务。已知的是，如果有更多的热量，膨胀至所希望的构造可能不久而不是在较晚就会发生，这样就可以开始后续作业。由于时间具有附带成本，根据所包含的材料，使膨胀或回复至先前形状的过程加速已成为目标。

各种技术利用了在线缆上送入或嵌入在封隔器本身中并从地面位置触发的加热器来增加热量，或者利用了来自展开位置处的井流体的热量，或者利用了来自泵送至展开位置的化学品的反应的热量，或者利用了形状记忆金属合金的感应加热。一些例子包括，US公开2010/0181080；USP 7,703,539；US公开2008/0264647；US公开2009/0151957；USP 7,703,539；USP 7,152,657；US公开2009/0159278；USP 4,515,213；USP 3,716,101；US公开2007/0137826；CN 2,078,793U(蒸汽喷射来加速膨胀)；和US公开2009/0223678。其它参考文献具有在复合管中的隔离的反应物和催化剂，复合管没有被聚合化，所以它们是软的，这样它们可以盘绕以便展开，一旦展开管的膨胀允许反应进行，以使管柱变硬。这显示在USP7,104,317中。

USP 5,582,251中示出了在井下使分离的材料合在一起以便在它们之间进行反应。

本发明企图通过各种技术加速由膨胀材料制成的封隔器和滤筛中的膨胀。一种方式是，在膨胀材料中嵌入反应物，并且在必要时嵌入催化剂，允许在所希望的位置进行反应，以最终加速膨胀。这通常涉及以各种方式移除反应物之间的隔离物以便使放热反应进行。描述了移除隔离物的各种技术。热量在内部释放到膨胀部件，其中能以较低的安装成本具有最直接的效应。

另一个热添加的替代方案涉及在膨胀材料中添加金属颗粒(优选铁磁颗粒)或者导电树脂或聚合物。利用感应加热在颗粒或树脂或聚合物产生热量以在元件中再次施加热量，同时不会占用任何空间，空间占用的后果例如可能会影响封隔器膨胀时的密封性能或者影响滤筛在该滤筛抵靠在裸眼的井眼壁上时排除颗粒的性能。任选地，芯轴可以是电介质，例如复合材料，这样，加热的主体只是颗粒。除此之外，芯轴本身也可以被加热并将热量传递给周围元件。已知管的感应加热，其用于将热量传递给周围粘合剂，如USP 6,926,083中所述，但是热传递速率非常依赖于从管到粘合剂中的温度梯度，其与感应加热物体相比效率低，正如本发明所建议的，物体需要直接加热。相关的还有USP 6,285,014，其用下降至套管中的感应加热器加热套管，思路是被加热的套管将热量传递给周围粘性油，从而减小其粘度，使之可以流动。

本领域技术人员通过阅读优选实施例的具体描述以及相关的附图将能更好地理解本发明的另外的方面，同时应当认识到本发明的全部范围都将由附带的权利要求确定。

发明内容

通过加热使膨胀封隔器元件或适应性泡沫滤筛材料的膨胀率加快。在一个变形例中，允许发生放热反应的反应物(必要时加上催化剂)在被置于所希望的位置时相接触。在另一技术中，金属的(优选铁磁的)颗粒或导电树脂或聚合物散布在膨胀材料中，通过感应加热器在颗粒处产生热量。颗粒也可以是下述物质中的至少之一：金属纳米颗粒或金属微米颗粒、官能化或非官能化单壁碳纳米管、多壁碳纳米管，石墨烯纳米带，富勒烯，碳纳米洋葱，石墨烯和石墨的官能化或非官能化纳米颗粒或微米颗粒。可使用一介电芯轴或中心管将热效应聚集在密封元件或膨胀泡沫滤筛元件中的铁磁颗粒或导电树脂或聚合物上，以集中对那里进行加热而不加热中心管。热量加速了膨胀过程，并减少了到可以开始井下下次作业时的时间。

附图说明

图1是一实施例的示意图，其中反应物保持分开，直到允许它们混合并反应而造成热量释放以加速元件的膨胀；和

图2是利用元件中的铁磁颗粒或导电树脂或聚合物以及感应加热来加速元件膨胀的替代性实施例的示意图；

图3显示了用延伸有刀具的移动套筒断裂的反应物之间的隔离物。

具体实施方式

参照图1，芯轴1支撑一元件2，所述元件可以是膨胀封隔器元件或膨胀的多孔滤筛材料。不论是哪种情况，目标都是通过添加热量加速膨胀过程，以便可以在地下位置进行下一作业，而不必长时间等待膨胀进行至可接受的程度。与依赖于热梯度进行热传递的间接方式相反，图1示出了例如利用井眼10的环空8中的周围井流体中的温度而直接添加到元件2中的热量，所述井眼优选为裸眼，但也可以带有套管或带衬。隔室3和隔室5由隔离物4分开。单独的反应物和在必要时存在的催化剂存储在隔室3和5中。在所希望的位置或者甚至在至所希望的位置的途中，目标是使隔离物失效或者变得多孔或者以其它方式解除隔室3和隔室5中的反应物的分离，使得具有催化剂(如果有的话)的反应物可以合在一起以便进行放热反应，所述放热反应将提高元件2的膨胀率。

箭头12示意性示出了可以损害隔离物4的各种方式。一种选择是深度致动，其中隔离物的一侧对环空中的流体静压力敏感，另一个隔室与环空8中的流体静压力隔离。可以通过柔性膜或波纹管使例如所述隔室3暴露于环空8中压力，所述柔性膜或波纹管使井流体与隔室3中的反应物保持分开。在给定深度，连通通过隔室3并进入隔离物4中的环空压力在隔离物上施加差压，以使所述隔离物失效，从而允许隔室3和隔室5连通并允许开始放热反应。如果环空压力太低，在此之上另一变形例是，当希望开始反应时对环空8进行加压，当依赖环空8中的流体静压时其余如上面所解释的那样发生。

另一种方式是使用连接于阀致动器的定时器，所述阀致动器在打开时允许井流体到达隔离物4，并融化、溶解或以其它方式使隔离物4失效。用于定时器和致动器的电力可以是位于元件2中的电池。

另一种方式依靠井流体的期望温度透过元件2，使隔离物4被来自井流体的热量融化或以其它方式降解。

图3示出了由位于元件2内的隔离物4分开的隔室3和5，所述元件2安装于芯轴或中心管1。一套筒20具有接收球24的球座22。球上的来自上方的压力使套筒20移动，并迫使刀具26径向运动而穿透隔离物4。注意，刀具26穿过壁开口28运动。作为替代，可以利用上面描述的物理力或等效物理力或利用诸如磁场的间接力诱导刀具26轴向移动而割穿隔离物4。如果操作者觉得在膨胀封隔器应用中使用壁开口28不能接受，则可以使刀具磁化并位于隔室3内，磁体可以被传送至元件2的位置，使得两个磁体的排斥可以使刀具26轴向或径向前进穿过隔离物4。如果元件2为多孔滤筛，则管1将在元件2下被穿孔，使得用于刀具26的开口28对操作者没有影响。

另一个变形是利用使用与隔离物4相联的一个或多个电极的电化腐蚀。运行时，在一模式中，可以激励一电极以防止隔离物4开始腐蚀和最终失效，而在另一模式中，可以利用同一电极或与隔离物4相联的另一电极启动腐蚀。可以从地面致动此过程，或者以其它方式启动腐蚀过程，例如通过时间、压力或温度触发器启动。作为替代，隔离物4本身可以是电对(galvanic pair)的牺牲部件并且随着时间仅腐蚀。作为替代，腐蚀材料可以存储在带有阀的加压腔中，所述阀由处理器控制以操作阀致动器，从而允许腐蚀材料到达隔离物4而使隔离物降解以开始放热反应。

另一个替代方案是使用至少一种反应物，所述反应物将随着时间攻击隔离物4并逐渐侵蚀该隔离物。例如，一个隔室容纳有通过机械工艺形成的超腐蚀镁合金干粉末或烧结粉末，所述机械工艺将镁和贵金属粉末颗粒以强的电和机械结合结合在一起，如USP 4,264,362所述，或者容纳有通过研磨细碎的铁和镁粉末而制备的干粉末或烧结粉末，如USP4,017,414所述。第二隔室容纳有对由Mg合金制成的隔离物4(如2011年7月29日提交的US专利申请号13/194,271所述)具有腐蚀性的NaCl水溶液、海水等。通过调节隔离物4的化学成分(参见2011年7月29日提交的US专利申请号13/194,271)、隔离物的厚度、以及NaCl溶液的盐度，可以确定隔离物4的腐蚀时间，由此可以确定两个隔室中的化学品之间开始放热反应时的时间。该腐蚀时间取决于温度。任选地，可以在第一隔室添加NaCl、KCl等粉末，以加速放热反应。

因此，对于作为封隔器的膨胀材料，隔室3和隔室5以及它们之间的隔离物4可以嵌入到元件2中。对于作为自适应滤筛的膨胀泡沫的使用而言也是同样，区别在于，泡沫有意地是多孔的，芯轴或管1是被穿孔的。

图2示意性示出了另一替代性技术。这里，膨胀材料2被浸渍或泡制或以其它方式被制备为具有分布的金属颗粒，优选具有分布的铁磁颗粒30。在制造过程期间，通过迫使这些颗粒穿过材料2，而使这些颗粒位于膨胀泡沫中。这可以通过流过泡沫来实现，并可以与压缩所述泡沫以使泡沫的轮廓减小以便送入相配合。感应加热器32优选在用于电源的线缆34上被送入，不过也可以使用本地电力和钢丝绳。加热器32一旦就位就可以被径向地铰接，使得其线圈延伸到紧邻管内壁。虽然也可以使用电磁感应加热而使其上安装有封隔器或完全适应性滤筛2的铁磁管1的温度局部升高，但是，优选的方法是使用介电芯轴。如果管1是金属的，其将使安装在该管上的封隔器或滤筛2的温度升高，从而将促进展开。感应加热是通过电磁感应加热导电物体(通常是金属)的过程，其中在金属内生成涡流，阻抗引起金属的焦耳热。在井下感应加热器32中，在生产管1内部与封隔器或适应性滤筛2相对地放置绝缘铜线的线圈。来自地平面上的电源并例如通过线缆34传送的交流电流过该线圈，所述线圈产生振荡磁场，振荡磁场以两种不同的方式在中心管中产生热量。主要地，振荡磁场在中心管中感应出电流，电流产生与电流的平方以及与管的电阻成正比的电阻热。其次，由于中心管的铁磁性质，振荡磁场还在中心管中产生磁滞损耗。第一个效应占优势，因为磁滞损耗通常小于所产生的总热量的10％。与其它电加热装置相比，感应加热器更快，能量效率更高。此外，其允许加热能量的即时控制。由于感应加热器在紧邻中心管时效率更高，所以建议，将铜线线圈安装在可朝着管壁膨胀的线缆工具上，该线缆工具在该线缆工具达到封隔器或滤筛水平时致动。

如果芯轴1是介电的，则加热器32的所有效应都将进入到嵌入在元件2中的铁磁颗粒30中，从内部局部加热所述元件2。优选地，颗粒将随机分布在整个元件2中，由此可以加速膨胀过程。作为替代，芯轴1可以是导电的，并且如果磁场没有完全被管1遮挡，热效应将从芯轴1和从铁磁颗粒30产生。

在制造元件2时，铁磁颗粒30大多数简单地结合到元件2中。在泡沫元件2的情况下，铁磁颗粒30可以处于在压力下被泵送通过泡沫的溶液中，以便从循环工序将颗粒嵌入泡沫中。颗粒还可以在制造元件2的制造过程中被引入，而不是在之后添加。另一个更复杂的替换方案是，在元件2位于所希望的地下位置时，将颗粒添加到元件2上，但是监视铁磁颗粒添加的这种模式的效果可能是个问题。

作为金属或铁磁颗粒的替代，元件2可以用也如附图标记30示意性所示的导电树脂或聚合物浸渍，对于感应加热器32，结果与如上所述使用铁磁颗粒的热效应一样。导电颗粒也可以是下述物质中的至少之一：金属纳米颗粒或金属微米颗粒、官能化或非官能化的单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、石墨烯纳米带、富勒烯、碳纳米洋葱、石墨烯和石墨的官能化或非官能化的纳米颗粒或微米颗粒。

加热器32可以在一次起下管柱中运动来加速一系列封隔器或滤筛区段的膨胀。在封隔器的情况下，在热施加预定时间之后，可以施加压力来看经过封隔器是否存在泄漏。

上文的说明书示出了优选实施例，在不脱离本发明的情况下，本领域技术人员可以进行许多修改，本发明的范围由所附权利要求书的文字和等效范围确定。

Claims (13)

1.一种加速处于地下位置的至少一个元件的膨胀的方法，所述元件由膨胀材料制成并且具有由与所述膨胀材料不同的材料形成的颗粒，所述方法包括：

形成具有随机地间隔开的嵌入颗粒的所述膨胀材料；

将所述至少一个元件定位在芯轴上并且利用管柱将所述芯轴放置在至少一个所述地下位置附近；

在所述至少一个元件定位在地下位置以后通过利用芯轴内的选择性地毗邻所述至少一个元件定位的轴向可运动的感应加热器激励所述至少一个元件中的所述颗粒而在地下位置处的所述至少一个元件内产生热量，以通过地下位置处的所述颗粒加速元件膨胀；以及

当所述感应加热器毗邻所述元件时，铰接所述感应加热器以使该感应加热器径向运动至更靠近所述管柱。

2.如权利要求1所述的方法，包括：

使所述感应加热器是电磁感应加热器。

3.如权利要求1所述的方法，包括：

使所述颗粒是金属颗粒。

4.如权利要求3所述的方法，包括：

使所述颗粒是磁性颗粒。

5.如权利要求4所述的方法，包括：

使所述颗粒是铁磁颗粒。

6.如权利要求1所述的方法，包括：

使所述颗粒是导电颗粒。

7.如权利要求6所述的方法，包括：

使所述颗粒是导电树脂或导电聚合物。

8.如权利要求1所述的方法，包括：

在利用所述管柱定位所述元件之前，将所述颗粒定位在所述元件中。

9.如权利要求1所述的方法，包括：

在线缆上传送所述感应加热器。

10.如权利要求1所述的方法，包括：

将所述元件提供成作为用于封隔器服务的不可渗透元件或用于滤筛服务的多孔元件。

11.如权利要求1所述的方法，包括：

形成所述管柱部分的至少一部分，该至少一部分被介电材料制成的所述元件覆盖。

12.如权利要求1所述的方法，包括：

在所述管柱上使用多个元件；

在单次起下管柱中使所述感应加热器运动至毗邻所述元件。

13.如权利要求1所述的方法，包括：

使所述颗粒为下述物质中的至少一种：金属纳米颗粒或金属微米颗粒、官能化或非官能化的单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、石墨烯纳米带、富勒烯、碳纳米洋葱、石墨烯和石墨的官能化纳米颗粒、石墨烯和石墨的官能化微米颗粒、石墨烯和石墨的非官能化纳米颗粒或石墨烯和石墨的非官能化微米颗粒。