CN107810307A - 扩展管的方法和可扩展管 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种具有涂覆有固态润滑膜(10)的相对粗糙(1.5到10μm)内表面(5)的管状部件(1)，所述固态润滑膜在50℃与110℃之间的范围内的温度下转换为大体上粘性橡胶状的粘弹塑性相，所述管状部件通过移动具有相对平滑外表面(粗糙度<1.5μm)的扩展部件(24)穿过而进行扩展，使得在扩展期间，在所述管状部件(1)与扩展心轴(24)之间产生粘性粘弹塑性的大体上橡胶状的润滑膜(44)，所述膜保持粘结到所述扩展管(1)的所述粗糙内表面(5)，但并不粘附到所述相对热和平滑的扩展部件(24)。
Description
背景技术
本发明涉及扩展管状部件的方法和可扩展井管。
用于产生烃流体的井筒通常具备钢套管和/或内衬以为井筒壁提供稳定性且防止流体在井筒与周围地层之间的非所要流动。套管通常从表面延伸到井筒中，而内衬可仅在井筒的下部部分中延伸。然而，在本描述中，术语“套管”和“内衬”可互换地使用且不具有此预期差异。
在常规井筒中，区段地对井筒进行钻孔，其中使用必须降入井筒内通过先前安装的套管区段的钻柱而对每一区段进行钻孔。在其视图中，井筒和随后的套管区段的直径随深度而减小。井筒的生产区因此相较于井筒的上部部分具有相对较小直径。在其视图中，已提议对“单直径”井筒进行钻孔，其中待安装的套管或内衬在降低到所需深度之后在井筒中径向扩展。因此可在大于常规井筒中的直径的直径下对随后的井筒区段进行钻孔。如果随后的套管区段与先前区段扩展到相同直径，那么对于若干区段来说井筒直径可随深度保持大体上恒定。
例如套管或内衬的区段的管状部件可通过通过机械和/或液压拉力和/或推力迫使例如扩展圆锥体或扩展心轴的扩展部件通过管状部件的通路而经扩展。
扩展部件与管状部件的内表面的至少部分接合，且抵靠管道的滑动动作在圆锥体的接合表面区域与管状部件的内表面的接触部分之间的界面处产生摩擦力。需要对界面的润滑，且已经提议各种润滑方法。
国际专利申请公开案WO 2012/104257公开了用于为井筒加衬的系统。在此已知方法中，井管通过使扩展圆锥体移动穿过其而经扩展。将扩展圆锥体连接到经上拉的钻柱，同时通过径向扩展顶部锚定组合件使所述管的上部端维持在先前安装的井管内的固定位置中。所述井管在扩展之前在内部由Malleus STC1润滑剂润滑。
美国专利6,557,640公开润滑管状部件与扩展圆锥体之间的界面的方法，其中在管状部件的径向扩展期间注入润滑流体通过扩展圆锥体的至少一部分到扩展心轴与管状部件之间的界面的后边缘部分中。
国际专利申请公开案WO 2001/26860公开用于可扩展管的各种润滑系统和方法。在一些实施例中，将润滑剂层连接到管状部件的内表面。在另一实施例中，所述内表面与润滑剂的第一部分耦合。且润滑剂的第二部分在管状部件的扩展期间作为流体材料的部分循环。此外，用于管的多个合适的涂层和涂层组分经公开，以引入的方式并入本文中。
在美国专利申请US2011/0285124和国际专利申请WO2015/005978中公开其它已知润滑涂层。
在可商购的润滑涂层情况下的经历指示所述涂层具有可导致较差或缺乏润滑的缺点，此可导致具有严重后果的现场故障，例如：错动现象、磨损、上提或扩展压力增大、管道破裂且最终阻塞扩展圆锥体和/或其它井装备。这些状况可导致侧钻，并且在最差情况情境中，损失所述井。
存在对于在可扩展管的扩展期间提供更可靠的润滑的改进方法和设备的需要。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供有一种扩展管状部件的方法，包括
-提供管状部件，所述管状部件具有纵向通路且具有内表面；
-处理所述内表面的接触部分以将表面粗糙度从第一表面粗糙度提高到第二表面粗糙度，所述第二表面粗糙度在1.5与10μm之间；
-提供所述内表面的所述接触部分与润滑层，其在50℃与110℃之间的至少大部分温度范围中处于粘弹塑性相、在低于此范围的温度下处于大体上固相且在高于此范围的温度下处于大体上液相；以及
-通过沿着所述通路移动表面粗糙度低于1.5μm的扩展部件而扩展所述管状部件，由此与所述接触区域接合。
在另一方面中，本发明提供一种具有纵向通路且具有内表面的可扩展管，其中所述内表面的接触部分具有在从1.5μm到10μm范围内的表面粗糙度，且其中所述内表面的接触部分被润滑涂层覆盖，所述润滑涂层被配置成在50℃与110℃之间的至少大部分温度范围中处于粘弹塑性、大体上粘性橡胶状相；在低于此范围的温度下处于大体上固相且在高于此范围的温度下处于大体上液相。
任选地，所述润滑层包括聚乙烯(PE)蜡与硬脂酸盐的混合物，所述混合物被配置成在50℃与110℃之间的至少大部分温度范围中处于粘弹塑性大体上橡胶状相且在低于此范围的温度下形成大体上固态涂层。
任选地，所述硬脂酸盐为被配置成在所述范围内的温度下在水相环境中进行水合的硬脂酸钙或硬脂酸钠且所述润滑层进一步包括自由基和防腐蚀剂。
虽然本发明不限于任何科学理论，但相信扩展管和扩展部件的相对高和相对低的表面粗糙度与润滑涂层在50℃与110℃之间的至少大部分温度范围中的粘弹塑性行为之间存在协同相互作用，所述粘弹塑性行为抑制扩展心轴无意或过早刮擦润滑涂层并沿着扩展部件的至少大部分长度保护粘性粘弹塑性的大体上橡胶状润滑膜，所述膜由于其粘弹性而保持粘结到扩展管的相对粗糙内表面，但并不粘附到相对热的扩展部件。
具体实施方式
通过表面粗糙度的有限提高，当在扩展期间施加接触力时，可直接在界面处提供润滑剂的更大储集器，同时表面粗糙度的此有限提高大体上并不妨碍扩展部件的塑性变形。
在一些实施例中，润滑层为腐蚀抑制层。例如钢管的金属管通常在生产之后立即具备腐蚀抑制涂层，以便在存储期间防止例如铁锈形成直到使用为止。当所述层含有润滑和腐蚀抑制组分两者时，不需要在涂覆润滑层之前去除腐蚀抑制涂层。
在一些实施例中，润滑层包括选自钼二硫化物、聚四氟乙烯、石墨、钠化合物、钙化合物、锌化合物、锰化合物和/或脂肪酸衍生物的一种或多种固态或触变组分。
在一些实施例中，提供润滑层的步骤包括以液态涂层组合物进行喷雾或浸渍中的一个，接着是干燥。
在一些实施例中，第二表面粗糙度适合地在从2μm到6μm范围内，并且优选地在从2.5μm到5μm范围内。
在一些实施例中，第一表面粗糙度可小于2μm，具体地说小于1.5μm，更具体地说小于1μm。
在一些实施例中，处理内表面的接触部分以将表面粗糙度从第一表面粗糙度提高到第二表面粗糙度的步骤包括通过粒子对接触部分进行喷砂处理。
在一些实施例中，润滑层延伸到由第二表面粗糙度界定的表面区域中，且其中在扩展管状部件的步骤期间第二表面粗糙度降低到第三表面粗糙度。
此具有以下优点：在扩展所述管期间，使得由第二表面粗糙度(例如由表面的峰部界定的包封)界定的区域中所含有的润滑剂部分可供用于润滑。
所述扩展部件优选地为圆锥形。任选地，所述圆锥形扩展部件可从第一横截面扩展到第二更大横截面。
在一些实施例中，扩展部件具有接合表面区域，在扩展管状部件的步骤期间，所述接合表面区域与管状部件的内表面的接触部分接合，且其中所述接合表面区域具有0.5μm或更小、优选地0.1μm或更小的表面粗糙度。扩展部件的平滑表面有助于使归因于内部管的表面粗糙度的表面微凸体的塑性变形和归因于所述管的横向扩展的宏观变形所需的力最小化。
在一些实施例中，表面粗糙度在从2μm到6μm范围内，任选地在从2.5μm到5μm范围内。
在一些实施例中，可扩展管为井套管、井衬或井管的长度中的一个。所述长度可为至少10m或至少100m，在一些情况下高达1000m或更大。
在一些实施例中，可扩展管包括金属主体，适合地为钢主体，例如碳或马氏体钢主体。
现将通过实例且参考图式进一步描述本发明，其中
图1A示意性地展示穿过具有第一表面粗糙度的可扩展管的壁的横截面；
图1B示意性地展示穿过具有第二表面粗糙度的可扩展管的壁的横截面；
图1C示意性地展示穿过具有第二表面粗糙度且具备润滑层的根据本发明的可扩展管的壁的横截面；
图1D示意性地展示在扩展期间穿过根据本发明的可扩展管的壁的横截面；以及
图2A到2C示意性地展示扩展管的过程的各个阶段。
在图式中使用相同参考编号指代相同或类似对象。
参考图1A，展示穿过作为可扩展的管状部件的井套管元件1的壁的横截面。井套管元件1具有外表面3和内表面5。所述井套管元件在此实例中由马氏体钢制成。用于井套管或其它可扩展井管的合适钢级可例如从瓦卢瑞克公司(Vallourec)获得(例如等级VM50)。合适钢级的另一实例为S355J2H。可扩展管1在外表面3与内表面5之间的厚度可例如在从10mm到25mm，具体地说从12.5mm到20mm范围内。由于扩展力相对较高(例如在700与2000kN之间)，因此本发明特别适用于相对厚的管，从而导致超出100MPa的峰值接触应力，对于单个管道扩展甚至超出140MPa且在两个管道壁变形且尤其需要可靠润滑的情况下，扩展管道的重叠区段时超出300MPa或甚至400MPa。所述接触应力可例如在100与500MPa之间。
内表面6具有第一表面粗糙度6。每当在说明书或权利要求书中提及术语“表面粗糙度”时，此指代表面的算术平均高度，通常由符号S指代且如由ISO 25178定义。
第一表面粗糙度通常小于2μm，具体地说小于1.5μm，更具体地说小于1μm。第一表面粗糙度可为0.001μm或更大，具体地说0.01μm或更大，例如0.1μm或更大。
参考图1B，其中如图1A中所描述的井套管元件1的内表面5的至少部分已使用大约40到60μm大小的氧化铝粒子通过粒子喷砂处理为具有更高表面粗糙度8。
第二表面粗糙度小于10μm，例如小于8μm；且适合地为至少1μm，具体地说至少2μm，具体地说小于6μm；且适合地可在从2μm到6μm范围内，且具体地说在从2.5μm到5μm范围内。已经获得在Sa＝2.8到4.0μm范围内的表面粗糙度的良好结果。内表面的过低表面粗糙度减小在扩展期间当表面粗糙度降低时可释放的润滑剂的量。在更高表面粗糙度下，扩展部件的塑性变形变得更为困难。
在一些实施例中，扩展部件在扩展过程期间将与可扩展管的大体上整个内表面接合，且因此大体上整个内表面为根据本发明适合地经处理的接触区域。然而，在一些实施例中，扩展部件或管状部件的几何形状可使得所述接触区域小于整个内表面，且仅必需处理接触区域，同时任选地还可处理大体上整个内表面区域。
参考图1C，其中在具有第二表面粗糙度8的内表面5的顶部上提供润滑层10，如图1B中所描述。内表面5附近的润滑层延伸到归因于第二表面粗糙度8由峰值高度的包封界定的微型表面微凸体和小凹痕的区域11中并且优选地填充所述区域。
用于润滑层的尤其合适的沉积方法为以液态涂层组合物喷雾或浸渍，接着是干燥。所述液态涂层组合物可包括在环境温度或高温下，优选地在48小时内蒸发以在所述管的内表面上形成固态涂层的溶剂或溶剂混合物。在一些实施例中，采用在例如60到100℃或100到140℃或140到200℃的高温下的热处理。热处理可加速蒸发溶剂且任选地允许发生化学固化反应。适合地进行喷雾或浸渍使得足够厚的膜/涂层沉积于内表面上以便填充由所述表面粗糙度界定的空间且将额外润滑层沉积于顶部上。在溶剂蒸发和任选的固化之后的润滑层相较于所述表面粗糙度适合地更厚，优选地至少5倍厚，例如至少30μm或至少50μm；或在一些实施例中至少10倍厚，例如至少0.1mm，且也可为至少0.2mm。所述层的合适的最大厚度为例如0.5mm或1mm。以此方式，使得过量润滑剂可用于扩展系统中以适应扩展过程中碰到的任何缺陷。例如固态组分的浓度和液体的粘度等参数可经确定使得起初沉积产生所要厚度的固态或非流动润滑层的液体层。喷雾具有以下优点：关于沉积位置和量，液态涂层组合物更受控。
任选地，所述润滑层包括聚乙烯(PE)蜡与硬脂酸盐的混合物，所述混合物被配置成在50℃与110℃之间的至少大部分温度范围中处于粘弹塑性、大体上粘性橡胶状相且在低于此范围的温度下形成大体上固态涂层。所述硬脂酸盐可为被配置成在所述范围内的温度下在水相环境中为水合的硬脂酸钙或硬脂酸钠且所述润滑层进一步包括自由基和防腐蚀剂。
此外，润滑层可包括选自钼二硫化物、聚四氟乙烯、石墨、铜和/或钠化合物、钙化合物、锌化合物、锰化合物、金属皂的一种或多种固态或触变组分。合适的钠和钙化合物为例如硬脂酸盐。合适的锰化合物为例如磷酸盐。合适的锌化合物为例如磷酸盐或硬脂酸盐。合适的金属皂为例如钙皂或润滑脂，或锂皂或润滑脂。合适的润滑层的实例公开于论文“SPE paper SPE/IADC-173111-MS,2015”，《用于可扩展管应用的润滑剂和经加速测试方法《(Lubricants and Accelerated Test Methods for Expandable TubularApplication)》中，所述论文以引入的方式并入本文中；或按照本申请的优先权日公开于https://en.wikipedia.org/wiki/Grease_(lubricant)处的维基百科(Wikipedia)(英语)文章《润滑脂(润滑剂)(Grease(lubricant))》中。
市售固态膜润滑剂的实例为通过KG Industries LLC出售的3000Gear Kote，其中用于润滑的初级固体为钼二硫化物。另一实例为通过Sandstrom Products公司出售的LC-300，其为含有钼的干膜润滑剂涂层，且通常在大约150℃下经加热固化。另一合适的干膜润滑剂为来自布赖顿实验室(Brighton Laboratories)有限公司的DFL 9085。其它合适的组合物可从霍顿(Houghton)国际有限公司获得且描述于霍顿技术公司的国际专利申请WO2015/005978中。
润滑层在无润滑性质的显著降级的情况下适合地能够耐受高温，例如120℃或更高、或甚至150℃或更高，例如180℃或更高。
在优选实施例中，润滑层为腐蚀抑制层。例如钢管的金属管通常在生产之后立即具备腐蚀抑制涂层，以便在存储期间防止例如铁锈形成直到使用为止。当所述层含有润滑和腐蚀抑制组分两者时，不需要在涂覆润滑层之前去除腐蚀抑制涂层。
在一些实施例中，润滑层可由包括液态腐蚀抑制组合物和润滑添加剂的液态涂层组合物如上文所论述通过喷雾或浸渍接着干燥而制备。合适的液态腐蚀抑制组合物为可添加润滑添加剂的通过Aster Bellow制造公司出售的STOP CORROSIONTM亮漆防锈剂和防腐蚀涂层。其它合适的液态腐蚀抑制组合物可以商品名Rust-Vento或Ensis从霍顿国际有限公司获得。
参考图2A，其中展示在扩展井筒(20)之前的井套管元件1。井套管元件1的大体上圆柱形内表面在表面粗糙度小于10μm的表面的顶部上已具备润滑层10，例如如参考图1C所描述。
参考图2B和1D，其中图1D为图2B中区域D的放大。
通过沿着通路21移动扩展部件23而扩展下部井管1。扩展部件具有将横向向外力施加到待扩展的管的内表面上的接触区域上的横截面和形状。扩展部件在此实例中为扩展圆锥体23且连接到钻柱24。在此实例中，在扩展操作期间，钻柱如箭头25所说明经轴向地上拉，同时通过径向扩展顶部锚定组合件31将下部管的上部端26维持在上部井管28内的固定位置中。
在井管1的扩展期间，井管1通过圆锥体横向地(在此实例中实际上径向)塑性变形，相较于通路21的横截面具有更大横截面，在例如100到500MPa的高接触力和例如3到10m/min的速度的情况下接合井管1。根据本发明，由润滑层10提供用于平滑滑动圆锥体的润滑。适合地，层10的润滑性质经选择使得静态系数和运动(也被称作动态)摩擦系数两者均在从0.04到0.1范围内。可按照ASTM D1894测量摩擦的静态和运动系数。
除管1的壁的宏观塑性变形之外，管表面处的微型表面微凸体也可经塑性变形和平滑化，以使得较低表面粗糙度34导致内表面5的在扩展期间已经与圆锥体24接触的那些区域36。申请人已意识到两个现象均引起所述管的表面中小凹痕的体积减小。因此，将这些小凹痕或微型表面微凸体11中先前所含有的润滑剂挤出这些凹处且在施加接触力时使其在管状部件与扩展部件的接触界面处的特定位置处呈薄层42可供用于润滑。归因于提高的表面粗糙度的润滑剂的额外储集器或缓冲器有助于防止未经润滑的金属-金属接触。如区域44中所指示向前推动过量润滑剂。
位于保持极薄的润滑层之下的金属表面的第三表面粗糙度通常为1.5μm或更小，具体地说1μm或更小。所述第三表面可为0.001μm或更高，具体地说0.01μm或更高，例如0.1μm或更高；且可例如在从0.01到1.5μm、从0.2μm到1μm或从0.3到0.9μm范围内。扩展部件(圆锥体)适合地由极硬材料制成，适合地具有Rc＝60或更高的洛氏(Rockwell)C硬度(圆锥体)。扩展部件适合地具有表面粗糙度为0.5μm或更小，优选地0.1μm或更小的平滑表面。任选地，所述圆锥形扩展部件可从第一横截面扩展到第二更大横截面。此可扩展圆锥体可例如延行穿过套管或内衬柱，且仅在使用所述圆锥体扩展的管(例如井套管元件1)下方在横截面中扩展。
当扩展圆锥体24在此特定实施例中到达顶部锚定组合件31时，顶部锚定组合件31需要回缩且通过扩展圆锥体经上拉，如图2B和2C中所说明。在此实施例中，上部井管28在区域40中与下部井管1重叠，并且在重叠区域中尤其需要高扩展力和良好润滑。在一些实施例中，可选择仅在此重叠区域中应用根据本发明的表面粗糙度和涂层。
本发明不限于其上述实施例，其中可设想在所附权利要求书的范围内的各种修改。举例来说，可组合相应实施例的特征。
Claims (15)
1.一种扩展管状部件的方法，包括：
提供管状部件，所述管状部件具有纵向通路且具有内表面；
处理所述内表面的接触部分以将表面粗糙度从第一表面粗糙度提高到第二表面粗糙度，所述第二表面粗糙度在1.5与10μm之间；
为所述内表面的所述接触部分提供润滑层，所述润滑层在50℃与110℃之间的至少大部分温度范围中处于粘弹塑性相；在低于此范围的温度下处于大体上固相且在高于此范围的温度下处于大体上液相；以及
通过沿着所述通路移动表面粗糙度低于1.5μm的扩展部件而扩展所述管状部件，由此与所述接触区域接合。
2.权利要求1所述的方法，其中所述润滑层包括聚乙烯(PE)蜡与硬脂酸盐的混合物，所述混合物被配置成在50℃与110℃之间的至少大部分温度范围中处于粘弹塑性、大体上粘性橡胶状相且在低于此范围的温度下形成大体上固态涂层。
3.权利要求2所述的方法，其中所述硬脂酸盐为被配置成在所述范围内的温度下在水相环境中进行水合的硬脂酸钙或硬脂酸钠且所述润滑层进一步包括自由基和防腐蚀剂。
4.权利要求1-3任一项所述的方法，其中提供所述润滑层的所述步骤包括以液态涂层组合物进行喷雾或浸渍中的一个，接着进行干燥。
5.权利要求1-4任一项所述的方法，其中所述第二表面粗糙度为2μm或更高。
6.权利要求1-5任一项所述的方法，其中所述第二表面粗糙度在从2μm到6μm范围内。
7.权利要求1-6任一项所述的方法，其中所述第一表面粗糙度和所述扩展部件的所述表面粗糙度各自小于1μm。
8.权利要求1-7任一项所述的方法，其中所述润滑层延伸到由所述第二表面粗糙度界定的所述表面区域中，且其中所述第二表面粗糙度在扩展所述管状部件的所述步骤期间降低到第三表面粗糙度。
9.权利要求1-8任一项所述的方法，其中处理所述内表面的接触部分以将所述表面粗糙度从第一表面粗糙度提高到第二表面粗糙度的所述步骤包括通过粒子对所述接触部分进行喷砂处理。
10.权利要求1-9任一项所述的方法，其中所述扩展部件为圆锥形。
11.权利要求1-10任一项所述的方法，其中所述扩展部件可从第一横截面扩展到第二更大横截面。
12.权利要求1-11任一项所述的方法，其中所述扩展部件具有接合表面区域，在扩展所述管状部件的所述步骤期间，所述接合表面区域与所述管状部件的所述内表面的所述接触部分接合，且其中所述接合表面区域具有0.5μm或更小的表面粗糙度。
13.一种具有纵向通路且具有内表面的可扩展管，其中所述内表面的接触部分具有在从1.5μm到10μm范围内的表面粗糙度，且其中所述内表面的所述接触部分由润滑涂层覆盖，所述润滑涂层被配置成在50℃与110℃之间的范围内的温度下处于粘弹塑性相、在低于此温度范围的温度下处于大体上固相且在高于此范围的温度下处于大体上液相。
14.权利要求13所述的可扩展管，其中所述内表面的所述接触部分具有在从2μm到6μm范围内的表面粗糙度。
15.权利要求13或14所述的可扩展管，其中所述可扩展管为井套管、井衬或井管的长度中的一个。
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