CN105829640A - 增能式paek密封件 - Google Patents
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Abstract
一种示例性井下工具可包括第一组件和第二组件。可将第一密封件定位在所述第一组件与所述第二组件之间，并且可将第一增能件定位在所述第一密封件与所述第一组件之间。所述第一密封件可包括聚芳醚酮(PAEK)材料。所述第一增能件可为可压缩材料。所述PAEK材料可为以下各项中的至少一者：聚醚酮(PEK)；聚醚醚酮(PEEK)；聚醚酮酮(PEKK)；聚醚醚酮酮(PEEKK)；以及聚醚酮醚酮酮(PEKEKK)。
Description
背景
本公开大体涉及钻井操作，并且更具体来说涉及增能式聚芳醚酮(PAEK)密封件。
烃回收钻井操作通常要求钻孔延伸到地层中几千米。钻井操作本身可能复杂、耗时且昂贵，并且可能需要在高压和高温条件下通过管路、管线和其它流体管道输送流体。出于安全和环境原因，重要的是要保持流体管道内的压力。
附图
通过部分参考以下描述和附图，可以理解本公开的某些特定示例实施方案。
图1是根据本公开各方面的说明了示例钻井系统的图。
图2是根据本公开各方面的说明了示例密封组合件的图。
图3是根据本公开各方面的说明了另一示例密封组合件的图。
图4是根据本公开各方面的说明了另一示例密封组合件的图。
图5是根据本公开各方面的说明了另一示例密封组合件的图。
虽然已经显示和描述了本公开的实施方案并且通过参照本公开的示例性实施方案限定了本公开的实施方案，但这样的引用并不意味着对本公开的限制，并且不会推断出这样的限制。如相关领域中享有本公开权益的技术人员所想到的，所公开的主题能够在形式和功能上进行相当大的修改、改变和等效替换。本公开的所显示和所描述的实施方案仅仅是示例，而并非是对本公开范围的穷举。
详述
本文详细描述了本公开的说明性实施方案。为了清楚起见，可能并未在本说明书中描述实际实现方式的全部特征。当然，应该理解，为了实现特定的实现方式目标，在任一这类实际实现方式的开发中必须做出许多特定于实现方式的决定，这些特定实现方式目标因不同的实现方式而不同。此外应当理解，这种开发工作可能复杂且费时，但尽管如此，对享受本公开权益的本领域技术人员来说也只是常规的设计任务。
为了便于更好地理解本公开，给出某些实施方案的以下实施例。以下实施例无论如何不应该被理解为限制或界定本发明的范围。在任何类型的地下岩层中，本公开的实施方案可以适用于水平井筒、垂直井筒、偏斜井筒或其它非线性井筒。各实施方案可以适用于注入井以及生产井，包括烃类井。可以使用制作为适于沿岩层段测试、取回和取样的工具来实现实施方案。可以利用例如可通过管柱中的流道传送的工具或使用电缆、钢丝、连续油管、井下机器人等来实现实施方案。
本文所使用的术语“联接(couple/couples)”旨在意指间接或直接连接。因此，如果第一装置联接至第二装置，那么所述连接可以通过直接连接完成或经由其它装置和连接件通过间接机械或电连接完成。类似地，本文所使用的术语“可通信地联接”旨在意指直接或间接通信连接。这种连接可为有线连接也可为无线连接诸如像以太网或LAN。因此，如果第一装置可通信地联接至第二装置，那么所述连接可通过直接连接完成或经由其它装置和连接件通过间接通信连接完成。
现代石油钻井和生产操作需要与井下参数和条件有关的信息。井下信息收集存在数种方法，其包括随钻测井(“LWD”)和随钻测量(“MWD”)。在LWD中，通常在钻井过程中收集数据，由此避免了移除钻井组合件以插入电缆式测井工具的任何需求。LWD因此允许钻孔者进行准确的实时修改或校正以优化性能同时使停机时间最小化。MWD为当钻井继续时，测量与钻井组合件的移动和位置有关的井下条件的术语。LWD更多地集中于岩层参数测量。虽然MWD和LWD可能存在区别，但术语MWD和LWD通常可以互换使用。为了本公开的目的，将使用术语LWD，同时要理解的是，此术语涵盖岩层参数的收集以及与钻井组合件的移动和位置有关的信息的收集。
图1是根据本公开各方面的说明了示例钻井系统100的图。钻井系统100包括钻机102，该钻机被安装在表面101上，位于地下岩层103内的钻孔104上方。岩层103可由至少一个岩石层组成。虽然钻井系统100示为在陆地上，但也可以在海上钻井环境中使用类似的钻井系统，其中表面101包括与岩层103以一定体积的水分开的钻井平台。
在所示实施方案中，可将钻井组合件105定位在钻孔104内并且联接至钻机102。钻井组合件105可包括钻柱106和底部钻具组合件(BHA)107。钻柱106可包括在接合部(诸如接合部150)螺纹连接的多个管段。BHA107可包括钻头108、随钻测量/随钻测井(MWD/LWD)设备109、遥测系统110和扩孔器111。MWD/LWD设备109可包括多个传感器，可以通过该多个传感器测量岩层103。扩孔器111可包括可伸展臂，这些可伸展臂接触钻孔104的壁以使钻头108后面的钻孔104的直径增大。BHA107(包括MWD/LWD设备109和扩孔器111)可以通过遥测系统110可通信地联接至表面，该遥测系统可以在在BHA107与表面101之间接收/传输信息。钻头108、MWD/LWD设备109、遥测系统110与扩孔器111中的每一者均可在螺纹接头处联接至钻井组合件105的相邻部分。
钻柱106可以通过表面管件113向下延伸到钻孔104中。表面管件113可以联接至井口114。井口114可包括延伸到钻孔104中的一部分。在某些实施方案中，井口114可以使用胶结物固定在钻孔104内，并且可以通过表面管件113和其它表面设备(诸如防喷装置(BOP)(未示出))起作用，以防止从岩层103和钻孔104有过多的压力释放到表面101。
在钻井操作期间，位于表面101上的泵115可将钻井系统从流体储层116泵抽到钻柱106的内孔117中。泵115可以通过位于泵115与钻柱106之间的至少一个流体导管或管路118来与内孔117流体连通。如箭头119所示，钻井系统可以流过钻柱106的内部孔117、BHA107和钻头108并且进入钻孔环形区120中。钻孔环形区120通过钻头108在钻孔104中的旋转产生，并且界定为钻孔104的内部/内壁或直径与钻柱106的外部/外表面或直径之间的空间。环形空间可以延伸到钻孔104外部、穿过井口114并且进入表面管件113中。通过钻柱106泵抽到钻孔环形区120中的流体可以向上流动、离开钻孔环形区120进入表面管件113并且通过联接到表面管件113和表面储层116的流体管道121行进到表面储层116。
根据本公开各方面，具有PAEK密封件的密封组合件可以与钻井系统100一起使用并且用于烃回收和生产操作的其它方面以保持井下压力。保持井孔117和钻孔环形区120内的压力对于防止喷出和其它流体容纳损失来说可能非常重要。岩层流体在压力下可以保持在岩层103中并且在环形区120内的压力小于岩层压力的情况下可能逸出。钻井流体可以在特定压力和流速下泵抽到井孔117中，旨在使得环形区120内的压力保持高于岩层压力但低于钻井流体穿透岩层的压力。通过接合部的流体泄漏可能导致出现不希望的压力波动，压力波动可能会引起喷出。
另外，具有PAEK密封件的密封组合件也可与钻井系统100一起使用并且用于烃回收和生产操作的其它方面以保持井下液压流体系统，将液压流体存储在该井下液压流体系统中并且泵抽以在井下实现某个目的或行动。例如，扩孔器111可具有液压流体系统，该液压流体系统用于伸展扩孔器臂。当液压流体系统中的压力失去时(例如，当密封件破裂时)，扩孔器111或任何其它具有液压流体系统的工具可能停止起作用。当井下工具停止起作用时，必须将整个钻井组合件105从钻孔104中移除并且更换工具，这增加了钻井操作的时间和费用。其它井下液压流体系统也可用于例如钻头、井下导向系统、LWD/MWD工具、可伸展稳定器系统、膨胀式封隔器和本领域技术人员考虑到本公开应当了解的其它井下元件或工具。
根据本公开各方面，具有PAEK密封件的密封组合件也可与钻井系统100一起使用并且用于烃回收和生产操作的其它方面，以保护敏感设备免受井下温度、压力和流体的影响。井下测量工具可能需要清洁的环境(其中进行操作和测量)，并且密封件可以用于防止敏感测量设备暴露于钻井或岩层流体。例如，穿过钻井组合件105的井孔117可以延伸穿过LWD/MWD设备109，该LWD/MWD设备可包括敏感测量装置，诸如磁力计、加速度计、天线、电极等。暴露于钻井流体可能会使测量装置退化并且减少它们的使用寿命，这需要从钻孔104移除钻井组合件105，以更换LWD/MWD设备109。
图2是根据本公开各方面的说明了具有PAEK密封件的示例密封组合件200的图。在所示实施方案中，将密封组合件200定位在井下工具的第一组件202与井下工具的第二组件204之间。第一组件202和第二组件204可包括钻柱中的相邻管段、BHA内的相邻组件、液压流体系统的组件和/或井下工具内的组件(诸如LWD/MWD设备或电缆式测量或勘察工具)之一。密封组合件200可以在组件的第一侧250与组件的第二侧252之间提供气密性和防水性密封。第一组件202和第二组件204的其它配置也是可能的，密封组合件200相对于第一组件202和第二组件204的不同布置和取向同样如此。
在所示实施方案中，密封组合件200包括第一密封件206，该第一密封件定位在第一组件202的附近。第一增能件210可以邻近第一密封件206，位于第一密封件206与第一组件202之间。密封组合件200可以还包括第二密封件208，该第二密封件定位在第二组件204附近。第二增能件212可以邻近第二密封件208，位于第二密封件208与第二组件204之间。第一增能件210和第二增能件212可包括具有与相应的第一密封件206和第二密封件208类似的长度尺寸的可压缩和可变形材料，这些可压缩和可变形材料在受压或变形时，在至少相应的第一密封件206和第二密封件208上施加力，以使得在密封件206与208之间存在充分的力以接合或“增能”密封组合件200。
第一密封件206和第二密封件208中的至少一者可包括PAEK密封件。如本文所使用，PAEK密封件可包括至少部分地由PAEK材料组成的密封件。PAEK材料包括半结晶热塑性材料族，其特征在于在高温和高压下保留的稳健的机械性能和耐化学性性能。PAEK材料族中的材料包括但不限于聚醚酮(PEK)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚醚醚酮酮(PEEKK)和聚醚酮醚酮酮(PEKEKK)。例如，PEEK可以具有近似约3.6吉帕斯卡的杨氏模量、近似约90至100兆帕斯卡的抗张强度、约143℃(289℉)的玻璃转变温度和约343℃(662℉)的熔点。井下环境通常具有高温和高压并且包含腐蚀性流体，所有这些腐蚀性流体可以使得典型密封件退化。因此，PAEK材料的使用可能由于材料对热降解以及有机环境和水相环境两者的侵蚀的高度耐受性而提高密封件的使用寿命。
第一增能件210和第二增能件212中的至少一者可包括可压缩材料(诸如橡胶)，该可压缩材料在其受压时所接触的表面上施加向外力。在所示实施方案中，当第一组件202和第二组件204彼此邻近定位时，第一密封件206可以接触第二密封件208。当第一组件202被推向第二组件204时，第一密封件206可以接触第二密封件208，并且用于将第一组件202推向第二组件204的力可以导致第一增能件210压缩。该力可以进一步导致第二增能件212压缩。一旦受压，第一增能件210即可在第一组件202和第一密封件206上施加向外力，从而迫使第一密封件206朝向第二密封件208。同样，第二增能件212一旦受压，即可在第二组件204和第二密封件208上施加向外力，从而迫使第二密封件208朝向第一组件202和第一密封件206。值得注意的是，PAEK材料可能是耐压的，并且由第一增能件210和第二增能件212中的一个或多个所提供的力可以确保在第一密封件206与第二密封件208之间存在充分的接触以维持气密性和耐水性密封。
在某些实施方案中，第一密封件206和第二密封件208中的至少一者可包括至少一个平面或平坦表面。在所示实施方案中，第一密封件206和第二密封件208中的每一者均包括六个平坦表面。当第一密封件206和第二密封件208彼此接触时，第一密封件206和第二密封件208中的每一者上的至少一个平坦表面可以对齐。第一密封件206的第一平坦表面206a可以与第二密封件208的第二平坦表面208a接触。
在某些实施方案中，第一密封件206可包括PAEK材料并且第二密封件208可包括非PAEK耐磨材料(诸如金属或金刚石)。例如，第二密封件208可包括定位在第二组件204附近的钢环，其中第二增能件212定位在钢环与第二组件204之间。钢环可以具有至少一个平面表面，用于接触第一密封件206以在第一组件202与第二组件204之间形成密封。
图3是根据本公开各方面的说明了具有PAEK密封件的示例密封组合件300的图。在所示实施方案中，将密封组合件300定位在井下工具的第一组件302与井下工具的第二组件304之间。第一组件302可包括井下测量工具(诸如LWD/MWD设备或电缆式测量或勘察工具)的本体，并且第二组件304可包括开口或盖件，该开口或盖件定位在第一组件302内的凹陷312上方。该开口或盖件可由金属或其它耐磨材料组成。在某些实施方案中，可将一个或多个测量装置314定位在凹陷312内，并且可将开口304定位在凹陷312上方以保护测量装置314免于暴露于开口304外部的颗粒和流体316。颗粒和流体316可包括钻井流体、岩层流体和在钻井过程中产生的颗粒。
可将密封组合件300定位在开口304与本体302之间并且至少部分地设置在第一组件302的密封压盖316中，并且可以在凹陷312与工具外部的颗粒和流体316之间提供气密性和耐水性密封。在某些实施方案中，可将密封压盖316定位在开口304上。在所示实施方案中，密封组合件300包括第一密封件306和第一增能件308。虽然仅示出了一个密封件和一个增能件，但在密封组合件300内也可以包含其它密封件和增能件，这与密封组合件200类似。同样，密封组合件200可以具有仅一个密封件和增能件。
第一密封件306可包括PAEK材料并且第一增能件308可包括可压缩材料。凹口区域316可以在第一组件302内具有深度“d”。在某些实施方案中，呈受压状态的第一密封件306和第一增能件308可以具有大于深度“d”的结合高度，以使得第一密封件306延伸到密封压盖316外部。当开口304相对于第一组件302就位时，开口304可以压缩第一增能件308并且导致第一增能件308在第一密封件306和第一组件302上施加力。来自第一增能件308的力可以导致第一密封件306与开口304接合并且密封在开口304上。第一密封件306可包括至少一个平坦或平面表面。在所示实施方案中，第一密封件306包括六个平面表面，并且第一密封件306的至少一个平面表面306a可以接触第二组件304并且与第二组件304接合。
虽然以上关于LWD/MWD设备描述了图3，但密封组合件300和图3所示的配置或类似配置也可同样适用于其它井下应用。例如，第一组件302可包括具有液压流体系统的井下工具(诸如扩孔器)的本体，并且第二组件304可包括开口或盖件，该开口或盖件定位在第一组件302内的液压流体腔室312上方。密封组合件300可以大致如上所述起作用，其目的在于确保液压流体系统和腔室312内的压力得到维持。
除了上述密封件外，根据本公开各方面，还可将PAEK密封件用作动态密封件。确切地，可以在第一组件与第二组件之间使用PAEK密封件，其中在第一组件与第二组件之间存在相对运动。例如，该相对运动可包括轴向运动或径向运动。图4是根据本公开各方面的示例PAEK密封组合件400的图。可将PAEK密封组合件400定位在井下工具的第一组件401与井下工具的第二组件402之间，在第一组件401的密封压盖403中。在某些实施方案中，密封压盖403可以位于第二组件402内。PAEK密封组合件400可包括PAEK密封件405和与第二组件402的外表面接合的增能件404。第二组件402可包括活塞的相对于第一组件401轴向移动的轴或部分，该第一组件可以是固定的。当第二组件402相对于第一组件401移动时，PAEK密封件405可以与第二组件402的表面保持密封接合。
图5是根据本公开各方面的示例PAEK密封组合件400的图，其中第一组件401和第二组件402相对于彼此径向移动。确切地，第二组件402可包括旋转轴，该旋转轴如箭头450所示相对于第一组件401径向旋转，该第一组件保持固定。在其它实施方案中，当第一组件401旋转时，轴402可以保持固定。在这两种情况下，PAEK密封件405可以与第二组件402保持密封接合。
根据本公开各方面，示例性井下工具可包括第一组件和第二组件。可将第一密封件定位在第一组件与第二组件之间，并且可将第一增能件定位在第一密封件与第一组件之间。第一密封件可以由聚芳醚酮(PAEK)材料组成。第一增能件可包括可压缩材料。PAEK材料可为以下各项中的至少一者：聚醚酮(PEK)；聚醚醚酮(PEEK)；聚醚酮酮(PEKK)；聚醚醚酮酮(PEEKK)；以及聚醚酮醚酮酮(PEKEKK)。
在某些实施方案中，井下工具可以还包括第二密封件，该第二密封件定位在第一密封件与第二组件之间。可将第二增能件定位在第二密封件与第二组件之间。第二密封件还可包括PAEK材料。第一密封件可以还包括与第二组件接触的平面或平坦表面。当第二密封件存在时，第一密封件和第二密封件两者均可具有平面或平坦表面。第一密封件和第二密封件的平面或平坦表面可以彼此接触。
在某些实施方案中，第一组件可为钻柱的第一管段并且第二组件可为钻柱的第二管段。可将第一密封件定位在螺纹接头附近，在第一组件与第二组件之间。在其它实施方案中，第一组件和第二组件中的一者可为井下工具的工具本体，该工具本体包括凹陷部分。第一组件和第二组件中的另一者可为定位在凹陷部分上方的开口或盖件。
根据本公开各方面，示例方法可包括将第一组件定位在第二组件附近并且将第一密封件定位在第一组件与第二组件之间。第一密封件可包括聚芳醚酮(PAEK)材料。可将第一增能件定位并且压缩在第一密封件与第一组件之间。在某些实施方案中，第一增能件可包括可压缩材料。PAEK材料包括以下各项中的至少一者：聚醚酮(PEK)；聚醚醚酮(PEEK)；聚醚酮酮(PEKK)；聚醚醚酮酮(PEEKK)；以及聚醚酮醚酮酮(PEKEKK)。
在某些实施方案中，该方法可以还包括将第二密封件定位在第一密封件于第二组件之间。可将第二增能件定位和压缩在第二密封件与第二组件之间。第二密封件可包括PAEK材料和/或金属中的至少一者。第一密封件可包括至少一个平面或平坦表面，并且压缩第一增能件可以包括致使至少一个平面或平坦表面接触第二组件。当存在第二密封件时，第二密封件可包括至少一个第二平面或平坦表面，并且压缩第一增能件可以包括致使至少一个第一平面或平坦表面接触至少一个第二平面或平坦表面。
在某些实施方案中，将第一组件定位在第二组件附近可包括将钻柱的第一管段定位在钻柱的第二管段附近。并且将第一密封件定位在第一组件与第二组件之间可包括将第一密封件定位在螺纹接头附近，在第一管段与第二管段之间。在其它实施方案中，将第一组件定位在第二组件附近可包括将开口或盖件定位在井下工具本体中的凹陷部分上方。
因此，本公开很好地适用于获得所提及的目的和优点以及其中固有的目的和优点。以上所公开的特定实施方案仅仅是说明性的，因为本公开可以以本领域中享受本文教义的权益的技术人员明白的不同但等效的方式来修改和实践。此外，除了如随附权利要求书中所描述的之外，无意限制本文中所示的构造或设计的细节。因此，显而易见的是，上文所公开的特定说明性实施方案可被更改或修改，并且所有这样的变化都被认为在本公开的范围和精神内。而且，除非专利权所有人另外明确地和清楚地定义，否则权利要求书中的术语具有其一般的普通含义。权利要求书中所使用的不定冠词“一”或“一个”在本文中定义成意指所介绍元件中的一个或超过一个。
Claims (20)
1.一种井下工具，其包括：
所述井下工具的第一组件；
所述井下工具的第二组件；
第一密封件，所述第一密封件定位在所述第一组件与所述第二组件之间并且由聚芳醚酮(PAEK)材料组成；以及
第一增能件，所述第一增能件定位在所述第一密封件与所述第一组件之间。
2.如权利要求1所述的井下工具，其中所述第一增能件包括可压缩材料。
3.如权利要求2所述的井下工具，其还包括
第二密封件，所述第二密封件定位在所述第一密封件与所述第二组件之间；以及
第二增能件，所述第二增能件定位在所述第二密封件与所述第二组件之间。
4.如权利要求3所述的井下工具，其中所述第二密封件包括PAEK材料和/或金属中的至少一者。
5.如权利要求1至4中任一项所述的井下工具，其中所述PAEK材料包括以下各项中的至少一者：聚醚酮(PEK)；聚醚醚酮(PEEK)；聚醚酮酮(PEKK)；聚醚醚酮酮(PEEKK)；以及聚醚酮醚酮酮(PEKEKK)。
6.如权利要求1至4中任一项所述的井下工具，其中
所述第一组件包括钻柱的第一管段；
所述第二组件包括钻柱的第二管段；并且
所述第一密封件被定位在螺纹接头附近位于所述第一组件与所述第二组件之间。
7.如权利要求1至4中任一项所述的井下工具，其中
所述第一组件和所述第二组件中的一者包括井下工具的工具本体，所述工具本体包括凹陷部分；并且
所述第一组件和所述第二组件中的另一者包括定位在所述凹陷部分上方的开口或盖件。
8.如权利要求1所述的井下工具，其中所述第一密封件包括与所述第二组件接触的至少一个平面或平坦表面。
9.如权利要求1所述的井下工具，其中所述第一组件和所述第二组件中的至少一者可相对于所述第一组件和所述第二组件中的另一者轴向或径向移动。
10.如权利要求3和4中任一项所述的井下工具，其中
所述第一密封件包括至少一个第一平面或平坦表面；
所述第二密封件包括至少一个第二平面或平坦表面；并且
至少一个第一平面或平坦表面与所述至少一个第二平面或平坦表面接触。
11.一种方法，其包括：
将井下工具的第一组件定位在所述井下工具的第二组件附近；
将第一密封件定位在所述第一组件与所述第二组件之间，所述第一密封件由聚芳醚酮(PAEK)材料组成；以及
对定位在所述第一密封件与所述第一组件之间的第一增能件进行压缩。
12.如权利要求11所述的方法，其中对定位在所述第一密封件与所述第一组件之间的所述第一增能件进行压缩包括对定位在所述第一密封件与所述第一组件之间的可压缩材料进行压缩。
13.如权利要求12所述的方法，其还包括
将第二密封件定位在所述第一密封件与所述第二组件之间；以及对定位在所述第二密封件与所述第二组件之间的第二增能件进行压缩。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述第二密封件包括PAEK材料和/或金属中的至少一者。
15.如权利要求11至14中任一项所述的方法，其中所述PAEK材料包括以下各项中的至少一者：聚醚酮(PEK)；聚醚醚酮(PEEK)；聚醚酮酮(PEKK)；聚醚醚酮酮(PEEKK)；以及聚醚酮醚酮酮(PEKEKK)。
16.如权利要求11至14中任一项所述的方法，其中
将所述第一组件定位在所述第二组件附近包括将钻柱的第一管段定位在所述钻柱的第二管段附近；以及
将所述第一密封件定位在所述第一组件与所述第二组件之间包括将所述第一密封件定位在螺纹接头附近位于所述第一管段与所述第二管段之间。
17.如权利要求11至14中任一项所述的方法，其中将第一组件定位在第二组件附近包括将开口或盖件定位在井下工具本体的凹陷部分上方。
18.如权利要求11所述的方法，其中压缩所述第一增能件包括致使所述第一密封件的至少一个平面或平坦表面接触所述第二组件。
19.如权利要求11所述的方法，其还包括使所述第一组件和所述第二组件中的一者相对于所述第一组件和所述第二组件中的另一者轴向或径向移动。
20.如权利要求13和14中任一项所述的方法，其中
所述第一密封件包括至少一个第一平面或平坦表面；
所述第二密封件包括至少一个第二平面或平坦表面；并且
压缩所述第一增能件包括致使所述至少一个第一平面或平坦表面接触所述至少一个第二平面或平坦表面。
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