CN108662355B - 为管子加内衬的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

一种为油管柱加内衬的方法，所述方法包括：提供卷起的扁平折叠内衬；开卷所述扁平折叠内衬为扁平形式；将所述内衬折叠成C‑形；将所述C‑形内衬插入油管柱内；和展开所述内衬以相对油管柱的内表面展开内衬。

Description

为管子加内衬的方法和系统
本申请为分案申请，其母案申请的申请号为201580010632.9，申请日为2015年2月27日，和发明名称为“为管子加内衬的方法和系统”。
技术领域
本发明涉及为油管柱加内衬以保护油管柱免受腐蚀和/或渗漏的方法和系统。
背景技术
用于由地下储层开发和生产油、气或其它矿物质的井孔通常配备有保护性油管柱、套管柱和/或其它内衬管柱。这些可以包括下到井孔开孔区且用水泥固定就位的管柱。在这里，术语套管通常用于表示从地面延伸至井孔的管子，而内衬管通常用于表示从井下位置进一步向井孔下延伸的管子。在下文中，主要应用术语套管，但本发明同样适用于内衬管。
可以设计套管柱或内衬管柱以承受多种力例如塌落、破裂和拉断以及盐水化学浸蚀。套管柱通常由各自长度例如约10米的多个互连管段组装而成。套管联接将相邻管段连接起来。套管段可以制造成在每端带阳螺纹，其中应用带有阴螺纹的较短长度的套管接箍将各套管段连接起来。替代地，管段可以制造成在一端带有阳螺纹和另一端带有阴螺纹。
套管可以用来保护淡水地层、隔离损失返回区或隔离具有明显不同压力梯度的地层层。将套管放入井孔的操作通常称为"铺管"。
在最内部套管的内部，井孔通常可以配备有另一个油管柱，通常称为生产管柱或生产油管。在这里，生产油管可以与其它完井组件组装以构成生产管柱。所述生产管柱是储层流体产出到地面的主管道。生产管柱通常以适合于井孔条件和生产方法的构造与油管和完井组件组装。类似于套管柱的方式，油管本身可以由相互连接的管段组成。生产管柱的重要功能是保护主井孔管件(包括套管和内衬管)免受储层流体的腐蚀或侵蚀。
生产油管的内表面和它们的相关连接经常承受相对高温、高压和高腐蚀性流体中的一个或多个。温度可以高达175℃或更高。压力可以高达1400bar或更高。例如由于在水存在下烃、CO2和/或H2S的组合，储层流体可能是高腐蚀性的。在烃生产中应用二次和三次强化采收方法如气体注入、水驱和化学剂驱等，可能会进一步加重这种情况。
用于井孔管件包括套管或生产油管的管段通常由具有不同组成的普通碳钢制成，所述普通碳钢经过热处理以改变强度。替代地，所述管段可以由不锈钢、镍合金、铝、钛、玻璃纤维和其它材料特殊制造。
材料具有不同耐腐蚀性。例如碳钢相对便宜，但比上述其它材料更容易腐蚀。
存在几种类型的腐蚀机理，包括：侵蚀-腐蚀(也称作冲击)、应力腐蚀开裂、硫化物应力开裂、氢气点蚀和电化学腐蚀。
金属中的腐蚀可能由其中条件允许电流的一种金属到另一种金属或者一块金属的部分表面到相同金属的另一部分的电流引起。另外，对于发生这种能量流动来说，必须存在湿导体或电解液。能量经电解液介质从负极区通到正极区。
不同金属的电接触或电耦合经常导致腐蚀加重。这种形式的腐蚀通常称为电化学腐蚀。电化学腐蚀相当普遍且非常麻烦，在多种环境中发生。例如，铝和铁管偶合在一起会造成铝管段非常迅速腐蚀。电化学腐蚀机理可以考虑在海水中浸没的锌与铂的电连接效果进行描述。在这些条件下，铂是惰性的和不发生腐蚀，但锌受到攻击。锌表面上发生的反应是锌阳极氧化为锌离子，而溶解氧阴极还原为氢氧根离子。如果测量这两种金属的电位，将会发现铂具有正电位而锌具有负电位。正如可能理解的那样，随着电位差增加，电化学腐蚀加剧。
从腐蚀角度来看，很明显如果实际可行或经济可行，在油和气应用中用不易被腐蚀的材料替换钢管及相关硬件将是非常希望的。非金属部件，例如玻璃纤维套管、油管、抽油杆等均可用于油田应用中。但性能局限性(包括运行载荷、压力和温度)限制了其对金属硬件的全面替换。另一方面，由耐腐蚀固体合金(CRA)如不锈钢和镍合金制备的管段可以提供足够的耐腐蚀性。但由耐腐蚀固体合金制备的管段通常比碳钢贵得多。这可能使项目不够经济。另外，新开发的烃储层生产越来越多的腐蚀性烃，例如包含较大百分比的H2S，需要更高级别的耐腐蚀合金(CRA)，而更高级别的CRA越来越贵。例如，相比于API P110级碳钢，由CRA制备的相同管段可能贵至5倍、10倍或甚至25倍(当分别由316L、SM25CRW-110/125或C22CRA制备时)。
已开发了几种制造方法来制备例如用于运输油和气的耐腐蚀覆层或内衬碳钢管，以实现在经济上优于耐腐蚀固体合金(CRA)管如不锈钢和镍合金。但主要由于缺乏经证实的足够耐腐蚀性的螺纹连接，对于井下管件，应用这些覆层或内衬管还没有被接受。
为了防止电化学腐蚀，可以应用绝缘涂层。对用于管段和螺纹接头以保护金属基质不发生腐蚀的涂层来说，所述涂层必须在上述苛刻井下条件下耐受攻击和保持对金属基质的粘附性。
在多种油和气应用中，为钢管配备耐腐蚀材料内衬。例如，已知向管子内部粘附各种环氧基涂层以及含聚乙烯、聚氯乙烯和其它热塑和热固性材料的涂层。
在各种聚合物涂覆材料中，亚芳基硫醚聚合物获得了广泛认可，例如参见US 3,354,129。通常，这些聚合物由通过硫原子在重复单元中偶合的重复芳环结构组成。已用于涂覆油和气管子和管子接头的可商购亚芳基硫醚聚合物为聚苯硫醚。在油和气应用中应用的聚苯硫醚表现出高熔点、突出的耐化学性、热稳定性和不可燃性。它们的特征还在于在高温下的高韧性和良好的机械性能保持以及平稳变形能力，从而例如即使在高厚度下也能防止螺纹擦伤。
US 3,744,530描述了聚苯硫醚涂覆管，其中所述聚苯硫醚涂层还包含5-30％的填料如铁氧化物。
虽然聚合物涂覆的管子和接头在需要防腐的应用中获得了广泛认可，但在安装和应用过程中这种涂层的开裂可能会限制它们的绝缘效果，增加发生电化学腐蚀的可能性。在连接的阴螺纹或阳螺纹端这是特别相关的，因为在组装这些连接的过程中有可能发生开裂。另外，螺纹连接的聚合物涂层特别容易由于连接组装过程中赋予的应力而开裂。除了开裂外，许多聚合物允许氢和其它轻烃通过涂层或内衬的厚度扩散，从而允许气体在层间累积，而在耐腐蚀内衬的情况下，如果在孔或环隙中压力变得不平衡，这种累积可能会造成塌落。
1985年6月15日(1985-06-15)的JP 60 109686A(KAWASAKI HEAVY IND LTD)提供了用于运输腐蚀性流体的管路系统。所述管路系统包含由易腐蚀金属制成的管件。每个管件均配备有耐腐蚀材料的内衬。在管件每个端部，管件和内衬连接到由耐腐蚀材料制成的螺纹接头元件上。管件和内衬通过焊缝连接到螺纹接头元件上。但固体CRA接头到碳钢管主体的焊接或者相关焊接方法本身可能产生问题。例如参见以上电化学腐蚀的描述。另外，当管子总壁厚增加时，相比于固体CRA，应用复合钢的成本节约特别有效。但当外径(OD)与壁厚(T)的乘积下降时，相比于固体CRA管，耐腐蚀合金复合管的成本优势迅速下降。例如对于利用Incoloy 825的复合管，对于较小OD x T的管子，成本优势降为零。但后者通常用于生产管。
虽然已经证实应用耐腐蚀合金进行腐蚀控制具有优越的耐腐蚀特性，但它们相当昂贵并且制备复杂和处理受限制。高性能钢如18-8不锈钢的价格可能约为碳钢价格的5倍。例如可能还包含较高百分数的铬(例如超过10％)和/或钼的镍合金可能超过碳钢价格约20-30倍。但对于含相对大量H2S的环境来说，镍合金是经常选择的材料。例如当H2S分压超过5-10bar时，可能需要镍合金。
在油田应用中，当CO2、H2S和/或水任一种的分压超过某一阈值时，聚合物涂层将不太适合，因为这些物质可能渗透通过聚合物涂层，可能导致碳钢基材发生腐蚀。另外，可以施用聚合物涂层的温度范围通常限于最大温度约100-150℃。
US-2007/0095532公开了一种设备，其采用包含内部金属管和外部弹性密封元件的补衬。所述内部金属管合适地由钢、优选碳钢制成。外部的弹性密封元件由弹性体材料制成。所述补衬可以合适地为10-1000英尺长。
在US-2007/0095532的公开内容中，作为一个缺点，所述内衬补衬的长度固有地受限于所述设备。所述内衬补衬通过伸出和缩回连接于所述设备的滑片而夹紧，因此内衬补衬的重量由这些滑片施加于内衬的摩擦负载。这些滑片施加的力决定了摩擦力。伸出和缩回滑片将不足以支撑超过一定长度例如几公里的内衬。另外，对于非常薄的内衬，内衬变形前滑片可施加的压力很小，这也减小了摩擦力。虽然薄内衬比厚内衬轻，但内衬的重量通常仍为1.3kg/m的数量级。如果考虑沿井孔长度为生产油管加内衬，这将提供几千公斤的总重量。
当烃井孔延伸至甚至更大的目标深度例如5-10公里或更长时，US-2007/0095532的设备将不适合对生产油管的整个内表面提供内衬补衬。
另外，US-2007/0095532的设备由钢缆支撑，在所公开的结构中，所述钢缆必须穿过内衬。对于更长的长度，使几公里钢缆穿过内衬补衬，同时仍由运行入井中的钢缆支撑内衬重量，这是不切实际的。这一点得到US-2007/0095532中公开的内衬补衬的示例性长度支持，该长度限于1000英尺(约300米)。
US-2010/0247794-A1提供了一种为井孔油管加内衬的方法，其中在井下通过光辐射固化聚合物层。将所述内衬通过与钢缆连接的设备引入所述井孔，所述设备经钢缆上的容器或囊展开所述内衬。所述囊将沿所述内衬的整个长度胀起以展开内衬。所述系统限于输送聚合物内衬。同样，所述系统只能用于有限的长度。展开内衬的囊或容器的制造将固有地限制待展开内衬的长度。提供沿生产油管的整个长度延伸的囊是不可能的。再者，必须使这种容器运行入井孔中将进一步限制其最大长度。
US-3785193公开了一种内衬展开设备和方法，包括通过钢缆降低和固定内衬。将所述内衬夹持到展开工具上并悬挂在上面。这种构造具有类似于上述专利文献US-2007/0095532和US-2010/0247794-A1的局限性，原因是基于摩擦夹持内衬。假定可以产生有限的摩擦力，则对于较长的内衬、特别是较薄的内衬来说，摩擦是不够的。同样，假定所述设备悬挂在钢缆上，由于地面上的问题，对于超过一定阈值长度的内衬来说，在内衬中运行被证实是不可能的。因此US-3785193的系统不适合沿生产油管整个长度(可能为几公里的数量级)加内衬。
在国际专利申请WO 98/21444和美国专利申请US 2006/052936、US 2007/095532和US 2010/247794中公开了用于在周围的油管柱内展开内衬的其它方法和系统。
已知管道内衬系统和方法的通常问题是在内衬和管子间可能会截留流体包，其可能会造成内衬与管子内壁分离和使内衬塌落。
需要改进的方法和系统利用管子内衬组件来保护管子不腐蚀和不渗漏，其中所述管子内衬组件自动移除在内衬和管子之间残余空间中的流体，从而防止在内衬和管子之间形成流体包和/或纵向渗漏通道，并减小内衬与管子内表面分离的危险和随后内衬塌落的相关危险。
发明内容
因此，本发明提供了一种为油管柱加内衬的方法，所述方法包括：
-将外表面至少部分用流体吸收性涂层涂覆的折叠内衬插入油管柱内；
-展开所述内衬以相对油管柱的内表面展开内衬；和
-诱使涂层吸收在油管柱内表面和展开内衬外表面之间截留的流体。
所述涂层可以包含粘结性和液体吸收性添加剂如粘合胶和吸湿性材料，如在美国专利US7,144,980中描述的硅胶和/或交联丙烯酸酯聚合物，它们通常被称为超吸收聚合物(SAP)或水凝胶，将吸收所截留的任何明显水包和/或其它流体包，并因此强化了油管柱和展开内衬间的结合。
按照本发明的另一个方面，提供了一种用于在井孔中为油管柱加内衬的系统，所述系统包括内衬，其中构造所述内衬以折叠成折叠状态进入所述油管柱并相对油管柱内表面展开，和所述内衬至少部分用流体吸收性涂层涂覆，其中构造所述流体吸收性涂层以吸收在油管柱内表面和展开后的内衬间截留的流体。
本发明的方法和系统能够利用单一薄片状耐腐蚀内衬连续包覆数公里长的油和/或气井油管柱和/或套管柱，其中所述内衬可以涂覆有吸湿性和粘合胶以强化内衬与油管柱和/或套管柱的结合，并防止油管柱和/或套管柱的腐蚀和渗漏。
具体地，本发明涉及如下技术方案：
1.一种为油管柱加内衬的方法，所述方法包括：
-将外表面至少部分用流体吸收性涂层涂覆的折叠内衬插入油管柱内；
-展开所述内衬以相对油管柱的内表面展开内衬；和
-诱使涂层吸收在油管柱内表面和展开内衬外表面之间截留的流体。
2.根据第1项的方法，其中所述涂层包含粘结性和液体吸收性添加剂。
3.根据第2项的方法，其中所述添加剂包括粘合胶和吸湿性材料，如硅胶和/或交联丙烯酸酯聚合物，它们通常被称为超吸收聚合物(SAP)或水凝胶，将吸收所截留的任何明显水包和/或其它流体包，并强化油管柱和展开内衬间的结合。
4.根据第1-3任一项的方法，其中将所述内衬插入油管柱的步骤包括：
-为所述内衬的一端提供塞子；
-将所述塞子引入油管柱中；和
-泵送所述塞子通过油管柱，直到所述塞子到达预定位置。
5.根据第1-4任一项的方法，其中展开所述内衬的步骤包括：
-展开所述内衬的端部；
-在油管柱内固定内衬的展开端；和
-将展开器工具和/或加压流体泵送通过所述内衬内部。
6.根据第5项的方法，其中所述油管柱为油和/或气生产井中的油管柱或套管柱，和所述内衬展开步骤包括：
-将载带有未展开的展开锥的工具柱插入折叠的内衬中；
-将所述折叠的内衬与工具柱一起插入油管柱中；
-展开所述展开锥以相对油管柱的下部挤压内衬下端；和
-拉动工具柱和展开后的展开锥通过内衬至地面，从而展开内衬。
7.根据第1-6任一项的方法，包括如下步骤:
-在展开后的内衬中引入一个或多个密封圈；和
-展开所述一个或多个密封圈以与内衬贴合。
8.根据第1-6任一项的方法，其中所述内衬由包含如下的复合材料制成：
-至少一个聚合物层；和
-设置在所述聚合物层上的至少一个金属层。
9.根据第8项的方法，其中所述内衬还包括选自钢、碳和玻璃纤维丝的增强线材。
10.根据第1-9任一项的方法，其中所述涂层包含粘合剂和所述方法还包括在将所述内衬插入油管柱之前将所述涂层施用于所述内衬的外表面。
11.根据第10项的方法，其中应用涂层施用设备施用所述涂层，其中所述设备包括在内衬上施用涂层的至少一个喷涂设备或辊。
12.根据第10项的方法，其中所述涂层包含热活化的粘合剂。
13.一种用于为井孔中油管柱加内衬的系统，所述系统包括内衬，其中构造所述内衬以折叠成折叠状态进入油管柱和相对于油管柱的内表面展开，和所述内衬至少部分用流体吸收性涂层涂覆，其中构造所述流体吸收性涂层以吸收在油管柱内表面和展开后的内衬间截留的流体。
14.根据第13项的系统，其中所述涂层包含粘结性和液体吸收性添加剂。
15.在根据第14项的系统中应用的内衬，其中所述内衬由壁厚小于1mm、优选为0.3-0.7mm的柔性耐腐蚀金属制成，和所述添加剂包括粘合胶和吸湿性材料，如硅胶和/或交联丙烯酸酯聚合物，它们通常被称为超吸收聚合物(SAP)或水凝胶。
本发明方法和系统的这些和其它特征、实施方案和优点在所附权利要求、摘要和附图中所述非限定性实施方案的后续详细描述中有述，其中所述参考标记应用附图中所述相应参考标记。
不同附图中的相似参考标记代表相同或相似的对象。本领域熟练技术人员可以以不同方式组合附图中所述和/或本说明书、摘要和/或权利要求中所述的对象和其它特征。
附图说明
下面将更详细地参考附图以实施例的方式描述本发明，其中：
图1给出了本发明内衬的分开各层的透视图；
图2给出了本发明内衬的分开各层的透视图；
图3给出了本发明内衬的一个实施方案的透视图；
图4给出了本发明内衬的一个实施方案的透视图；
图5给出了本发明内衬的另一个实施方案的透视图；
图6给出了本发明内衬的一个实际实施方案的透视图；
图7给出了包含本发明内衬的卷轴的透视图；
图8给出了管子横截面的透视图，所述管子在第一步中配备有本发明的内衬；
图9给出了管子横截面的透视图，所述管子在第二步中配备有本发明的内衬；
图10给出了管子横截面的透视图，所述管子在第三步中配备有本发明的内衬；
图11给出了配备有本发明内衬的井孔的截面示意图；
图12-19给出了制备本发明复合材料的各种实施方案的示例性步骤；
图20和21给出了制备本发明复合内衬的方法的各个实施方案。
图22-24给出了应用复合内衬制备管子的各个方法的透视图；
图25-27给出了应用复合内衬制备管子的各个方法的剖面图；
图28给出了设置在井孔油管上的本发明内衬一个实施方案的截面图；
图29给出了监测内衬完整性的信号示例性图线；
图30-32给出了制备本发明内衬的方法的一个实施方案的连续步骤；
图33给出了向井孔中引入内衬的本发明系统的一个实施方案的剖面图；
图34给出了用于本发明系统的展开器的一个实施方案的透视图；
图35给出了配备有本发明系统的井孔的剖面图，以及将所述内衬引入井孔的步骤；
图36-39给出了用于给井孔油管加内衬的示例性方法的连续步骤；和
图40给出了本发明为井孔油管加内衬的方法的一个实施方案的透视图。
具体实施方式
图1给出了适合于制备本发明的薄片状内衬的复合材料10的实施方案。所述复合材料包含第一聚合物层12、第二聚合物层14和中间金属层16。任选地，如图2所示，可以在第一聚合物层和金属层之间设置第一粘结剂层18。可以在金属层和第二聚合物层之间设置第二粘结剂层20。
在这里，第一和/或第二聚合物层可以为由单一聚合物组成的层，或者其本身可以为复合层。每个聚合物层实际上可以包含在所述聚合物中嵌入的钢、碳或玻璃纤维丝和/或相对较硬材料的颗粒。这里的硬指比聚合物基础材料更硬或更强。硬的颗粒材料可以用作本发明的复合内衬内径的磨损保护。
如图3所示，复合材料的各个层与相邻层相互粘接，形成组装后的复合材料层10。组装后的复合材料可以具有任何想要的形状，如长条。
图4和5给出了使所述复合材料形成管状的方法的不同实施例。图4给出了第一聚合物层12形成管状。以长条22的形式提供金属层16，并绕管状的第一聚合物层12弯曲。弯曲后，例如通过焊接将沿轴向延伸的金属层16的侧面24相互连接。如图5所示，在另一个实施方案中，以长条22的形式提供金属层16。使所述条22绕管状的第一聚合物层12螺旋缠绕。所述条22的侧面24可以例如通过焊接相互连接。替代地，可以将金属层粘合在聚合物层上。以相似的方式施用第二聚合物层14，提供由复合材料10制成的纵向管30，参见图6。
在图6所示的实施方案中，可以应用工具32在一个外径减小的褶皱管34中为复合材料的纵向管30制模。在这里，工具32可以产生一个、两个或多个沿轴向延伸的纵向褶皱36。所述的褶皱复合管可以具有任何合适的长度和可以设置在卷轴40上，参见图7。替代地，可以按褶皱管制备复合材料或其部件，而不是按圆形再随后折叠。
可以应用褶皱管34为管道50加内衬。在第一步(图8)中，将褶皱管34设置在管道50内。在第二步(图9)中，将褶皱管34展开成管子形状30(图10)。
在典型的油田应用(图11)中，可以提供延伸入地平面64以下地层62中的井孔60。所述井孔通常配备有一个或多个管道套管或内衬，如导管66、中间套管68和生产油管70。在这里，生产油管通常包含在生产套管中，但为了提高清晰度图中未示出。产生的烃将通过生产油管70的内部输送至地面。因此，生产油管70的内表面可能暴露于在水存在下变化量的CO2和H2S，所有这些均有可能与烃一起输送至地面。
在一个实施方案中，将褶皱管34拆卷，并插入生产油管中。优选地，所述管子34在这里一路延伸至生产油管的井下端部72，高于侧向滑动门(SSD)和/或偏心工作筒(SPM)，从而能够覆盖其整个长度的至少大部分。
例如可以通过在褶皱管34的井下端部连接重物和将所述重物下到井孔中直到底部而将所述褶皱管34插入井孔。替代地，可以通过施加压力、或者作为卷绕油管柱或其它类型运行管柱的一部分或实际上绕在所述管柱上而将所述褶皱管插入井孔。运行管柱可以设置在褶皱复合管34的内部或外部。
随后，展开褶皱管34至其展开状态。在这里，展开管30优选具有与管子70的内径相应或稍大的外径，从而展开管的外表面贴合管子70的内表面。
传统覆层概念的一个问题是覆层的连续性，尤其是各个管段之间的连接处。可以在工厂制备本发明的复合内衬，随后可以在安装在井孔中之前在地面上仔细检查其连续性。为了在插入井孔的过程中维持复合内衬的完整性，复合内衬的外径可以配备有防护设施以保护其在运行、安装或粘接到井孔油管内表面上的过程中免受损坏。所述防护设施可以包括设置在所述复合内衬外径上的含相对耐损坏材料的线材。所述耐损坏材料可以包括钢、碳或玻璃纤维丝中的一种或多种。
褶皱管34可以以多种方式展开。在第一个实施方案中，例如可以用加压流体在其内部使管子34扩张。在这种情况下，在将其插入井孔之前，封闭管子34的井下端部。插入后，切断地面端，随后引入加压流体以扩张和展开所述内衬。在第二个实施方案中，可以将最大外径基本类似于管子70内径的圆锥体展开器74推过或拉过褶皱管34以使其展开。通过泵送加压流体推动展开器可以使展开器从地面移动至井下端部72。随后，在用上面提到的重物保持管子定位的同时，可以拉动圆锥体展开器74至地面以使管子34展开。在这里，可以在复合管30的制备过程中将线缆如卷绕油管柱或钢缆整合在其中(图中未示出)。在将复合内衬插入井孔中之前，可以使展开器74连接于所述线缆或钢缆的一端。随后，例如为皱褶形式的展开器可以与内衬一起下到井孔中。当复合内衬位于正确位置时，可以使圆锥体展开器转换为其展开形式，并应用所述线缆或钢缆拉到地面上。替代地，可以应用反向循环井产生的液压使所述展开器推进至地面。
展开后的复合内衬30可以通过各种方式粘附于管子70的内表面。例如，可以为复合内衬的外表面提供粘结剂层。在褶皱管34插入井孔的过程中应用粘结剂施用设备76将所述粘结剂层施加到褶皱管34的外表面，其中所述设备可以包括用于施加粘结剂的喷涂设备或辊。所述粘结剂可以包括热激活的粘结剂，其可以通过向井孔中引入热流体激活或者甚至可以被井孔内的高温激活，正如前面提到的，所述温度经常超过175℃。替代地，可以在钻探流体中注入可激活粘结剂的活化剂。
正如图12所示，在本发明的制备复合材料的示例性实施方案的第一步中，将第一聚合物层12、金属层16和第二聚合物层14的条相互叠置。任选地，按图2所示向其中插入粘结剂层18、20。如图4所示，以管状形式沿其长度折叠叠置条的组件，直到金属层16的相对纵向侧面24、25和第一聚合物层的相对纵向侧面80、81相互贴合并对准。在这里，在第二聚合物层的相对纵向侧面84、85间留下一个纵向开口86，暴露于金属层的邻接侧面24、25。所述开口86例如可以在所述邻接侧面24、25的每一个侧面暴露所述金属条约1-20mm，例如约10mm。
在下一步中，通过焊接将金属层16的侧面24、25连接起来(由闪电标识88表示)，例如应用电弧焊或激光焊或这两种焊接技术的组合，产生焊缝90。可以利用焊接金属层时产生的热同时加热第一聚合物层12至温度超过各聚合物材料的熔点，形成聚合物焊缝92。为了确保焊缝90、92的结构完整性，在焊接过程中可以施加机械力以确保两个侧面24、25相互贴合。
正如图14所示，为了填充金属层16上表面上的空白区86，可以应用机械系统在开口86中插入附加的聚合物条94。所述机械系统例如可以包括辊96。为了使条94与第二聚合物层14和/或金属层16相连，可以应用热源98如干热空气、红外或微波(图15)施加热量。
在一个替代的实施方案中，金属层的侧面24、25以对头接合(图16)或搭接连接(图17)的方式贴合。在这里，开口86、100分别暴露所述侧面24、25的外表面和内表面，它们随后应用焊接技术(如上面提到的技术)连接，产生焊缝90(图18)。
在随后的步骤(图19)中，如上所述，为所述开口86、100分别提供(例如填充或喷涂)聚合物条94、102。连接设备104(例如热源)可以保证条102与金属层16的连接。
在下文中，对本发明复合内衬制备方法的实施方案的更多细节进行了描述。
内衬可按复合条制备，和可以按如下过程制备：
a)将薄的金属条与聚合物膜或增强聚合物膜层压，在一个侧面或者在相对的两个侧面上层压；
b)聚合物涂覆薄的金属条；
c)聚合物涂覆后缠绕增强纤维或增强纤维织物；
d)使a)、b)和c)组合。
在复合条的制备过程阶段可以只在一个侧面上施用第一和/或第二聚合物层。在随后的管子制备过程中可以向另一侧面施用聚合物层。
为了强化金属条和聚合物膜间的连接，可以加入粘结剂。
按金属条的两个纵向侧面的连接方法，聚合物膜可以完全或部分覆盖金属条的每一个侧面以制备管子。
可以将复合条制成条卷或连续地连接至一下步骤管道制备过程。
图20给出了第一聚合物膜卷112、第二聚合物膜卷114、金属条卷116和任选的第一粘结剂膜卷118和第二粘结剂膜卷120。展开各种膜并共同运送通过加热设备122。加热设备122包括例如感应加热器、红外(IR)加热元件、微波加热元件或紫外(UV)加热元件。随后，所述膜可以共同引导通过压力辊124，从而强化各种膜间的连接。在下一步中，通过冷却装置126使所结合的膜冷却，例如通过喷撒物质128如压缩空气或水进行冷却。将复合内衬的结合条辊压到复合内衬卷130上。
图21给出了另一个实施方案，其中将金属条卷116展开。随后粘结剂涂覆设备138、140例如通过喷涂施加第一粘结剂层18和第二粘结剂层20。在下一步中，聚合物涂覆设备132、134例如通过喷涂施加第一聚合物层12和第二聚合物层14。随后将所组装的复合材料10运送通过加热设备122，引导经过压力辊124并被冷却设备126冷却。将复合内衬的结合条辊压到复合内衬卷130上。
图22给出了复合管制备方法的一个实施方案。展开复合内衬卷130。将一条复合内衬材料10供料给多个辊140-158，其连续地将所述条10形成和弯曲为管状30或者保持所述管状。如图中闪电标识88所示，在辊152和158之间，通过焊接连接条10的相对侧面，图中用金属层16的侧面24、25表示。工具32将所述管子弄皱成为褶皱管34，其具有减小的外径和纵向褶皱36。随后将褶皱复合管34设置到卷轴40上。
在图23的实施方案中，展开第一聚合物膜卷112，提供第一聚合物膜12。辊140-158将第一聚合物膜12形成和弯曲为管状，如图中的闪电标识88所示，例如通过焊接连接所述膜的相对侧面80、81。通过绕所述管状第一聚合物层12螺旋缠绕金属层的条16而施加所述条。随后，用聚合物涂覆设备132施用第二聚合物层14。将所组装的复合管30引导经过加热设备122以强化各层间的连接，并经过用于冷却的冷却设备126。随后，将所述复合管30弄皱并设置到卷轴40上(图中未示出)。
在图24的实施方案中，展开卷130，提供复合内衬材料的条10。辊140-158将所述条弯曲为管状。在这里，所述条的相对侧面(包括其所有的各层)均通过焊接88连接。随后，将所述复合管30弄皱并设置到卷轴40上(图中未示出)。
概括而言，可以通过如下步骤制备复合材料的条10：
a)展开复合材料的条；
b)使所述条形成管状；
c)将管状条的相对侧面连接起来；
d)任选地，在所述复合管30的外表面上缠绕增强纤维如碳纤维、玻璃纤维或增强纤维织物，并将它与所述外表面连接起来；
e)使复合管30形成褶皱；和
f)卷起管子。
上述过程可以由a)-f)连续进展，或者分批过程可以分为几个子组，例如：
第1批过程:由a)到d)；和
第2批过程：e)和f)。
图25给出了通过熔融焊接焊接金属层16的相对侧面24、25。利用熔融焊接的热量将第一聚合物层12加热至超过聚合物熔点的温度，从而在金属层的焊接过程中使其侧面80、81同时连接起来。
图26给出了通过熔融焊接连接金属层16的侧面24、25。利用熔融焊接的热量将第一聚合物层12加热至超过各个聚合物熔点的温度，和在金属层的焊接过程中使其侧面80、81同时连接起来。金属层16外表面的未覆盖部分86用聚合物的涂层所覆盖或者通过粘附聚合物膜94所覆盖。随后，可以冷却被聚合物条或涂层94覆盖的区域，然后再加热。
图27给出了通过激光焊连接金属层16的侧面24、25。第二聚合物层14的聚合物材料对于激光束来说是透明的，并不被激光束加热。在用激光焊接金属层16的过程中，聚合物层的内侧面和外侧面利用由金属层传递的热量加热，并因此而粘接。
在一个实际的实施方案中，本发明的复合材料包含聚合物-金属-聚合物层的单个组合。复合材料的总厚度可以为约150μm-约2mm，通常为约1mm或更小。在聚合物-金属-聚合物复合材料中各聚合物层可以相同。
在一个实施方案中，第一和第二聚合物层的厚度为约50μm-500μm。聚合物层可以包含选自如下热塑塑料和热固塑料的基础聚合物，其中热塑塑料如PEEK(聚醚醚酮)、PI(聚酰亚胺)、PPS(聚苯硫醚)、PEI(聚醚酰亚胺)、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、PVDF(聚偏二氟乙烯)、PA(聚酰胺)、PVC(聚氯乙烯)和PE(聚乙烯)，和热固塑料如环氧树脂、酚醛树脂、三聚氰胺、不饱和聚酯和聚氨酯。所述基础聚合物可以包含增强剂，后者可以为如下的一种或多种的混合物：短的碳纤维、PTFE、石墨、直径小于20nm的纳米级氧化物颗粒。所述混合物可以包含添加剂来提高与增强剂的连接。
金属层的厚度可以为50μm-500μm。金属可以包含如下的一种或多种：铝(Al)合金、镍(Ni)合金、钛(Ti)合金、不锈钢。为了强化与聚合物层的连接，必要的话可以施用化学处理。
通常对于传统的聚合物覆层来说连接脱落是一个主要问题。井流体可以渗入所述聚合物覆层中并且当井循环至低压时会发生膨胀，从而推动覆层远离碳钢基管壁。在本发明的复合内衬中专门预防了这个问题，其中通过在井内流体与本发明复合内衬覆层外径上的粘合剂之间包括不渗透性金属层进行，所述金属层优选由耐腐蚀合金制成。另外，通过在所述侧面(例如第一聚合物层)上制备完全可渗透的聚合物层，从而防止压力累积，也可以在金属层的内径上预防连接脱落的问题。
正如图28所示，当向井孔油管70施用内衬34时，内衬34的金属层16可以在地面处电连接到油管70上。电路200可以包括电线202、204和电测量设备206。所述设备206可以为电压表、电流表或电阻率测定仪。
图29给出了监测设备206随时间(x轴)的示例性输出(y轴)。在将内衬34合适地施用于油管70的稳态下，仪表206的输出信号210在预定的带宽内。信号的平均值212基本为常数。如果内衬34故障，导电流体214如盐水或水可以允许内衬的金属层16和井孔油管70之间发生电接触。正如图29的事件216所表示，由于发生电接触，信号210的平均值会减小，对地面的井孔工作人员显示为内衬故障。当内衬故障时，可以重复向井孔油管施用内衬的操作，为所述管子的内表面提供第二层内衬34以恢复耐腐蚀性。
在一个替代的实施方案中，内衬可以由任何合适的材料组成。所述材料可能是如上所述的复合材料、单层金属材料、单层聚合物材料或它们的任意组合。
如图30所示，可以在第一步中作为片材222提供内衬220。
如图31所示，在第二步中可以将片材222的相对侧面224、226如箭头228和230所示向上和朝向彼此弯曲。当侧面224、226相互贴合时，可以使它们连接。连接可以用焊接设备232进行焊接而实现。
如图32所示，所得的内衬可以是扁平的。如图32所示，可以将内衬220卷起。可以准备好卷轴130以输送至井孔。
在井孔中施用内衬的一个实施方案在图33中给出。将包含卷绕内衬220的卷轴130设置在钻探设备240上。
第一步，为内衬220的端部提供塞子244。塞子244的大小基本等于待加内衬的井孔油管的内径。在图33所示的实施例中，在生产油管70的内表面上设置内衬。在生产套管69内设置生产油管。塞子244基本上堵塞了生产油管70的内部流体通道。
第二步，将与内衬220连接的塞子244引入井孔油管70的顶端(图33)。
在第二步中，安装折叠单元246(图33)。所述折叠单元可以包括以预定形式折叠内衬220的一个或多个辊248。所述预定形式可以为横截面为C-形。
第三步，将包括连接于其上的折叠内衬250的塞子244向井下泵送。在这里，可以通过进口252将流体如水或钻探流体泵送入井孔油管70。塞子244以下的任何流体可以通过油管70和套管69间的环隙254、出口256(图33和35)泵送出井孔。
当塞子达到井孔中的预定位置，例如油管70的井下端部260时，在地面固定内衬220并去除折叠组件246。
参考图35，然后在地面上切断内衬220，产生自由的井上端部262。内衬的井上端部262是打开的。应用合适的连接设施264固定所述开口端262。
在下一步中，在内衬220的开放的井上端部262中引入展开器工具270。可以将展开器工具270泵送入内衬220中以展开内衬并挤压展开的内衬与井孔油管70的内表面贴合(图37)。在一个实施方案(图34)中，展开器工具可以具有提供突出部分或尖端的前端区域272，以引导展开器经过内衬。中间区可以配备有直径接近井孔油管70内径的脊274。所述脊的直径例如可以约为井孔油管内径的99-99.9％。尾部276可以具有更小的直径，以允许撤回所述展开器工具。
任选地，在内衬展开后可以将所述展开器撤回地面。在这里，可以将展开器工具的尾部276连接在钢缆上，以撤回所述工具。在一个实施方案中，为了简化撤回展开器可以是可折叠的。
在一个实施方案中，可以沿内衬在选定位置为内衬施用密封(图38)。例如，可以在井孔油管70中引入一个或多个密封圈280并沿所述油管放置在预先选定的位置处。例如，可以在井孔油管的井下端部260处或其附近设置密封圈280。另一个密封圈可以位于内衬的顶端处。因此，所述一个或多个密封圈280将提供辅助的障碍，防止井孔流体进入内衬220和井孔油管70的内表面之间。
在撤回展开器工具时，展开器可以在它们各自的位置处使一个或多个密封圈280展开。展开后的密封圈280被迫进入井孔油管，由于内部的压缩残余应力产生密封区282(图39)。后者可以被认为是自紧法(一种金属制造技术)，其中当压力容器经受压力时，造成部件的内部部分屈服并产生所述的内部压缩残余应力。
如上所述，可以相对容易地向井下泵送内衬。内衬相对较薄，例如1mm或更小。内衬的厚度可以为约200-800μm，例如约0.5毫米。因此折叠内衬250的直径比井孔油管的内径(ID)小很多。生产油管的ID通常为约4-5英寸(约10-15厘米)。相比起来，折叠内衬254在其皱褶状态下的直径小于3英寸(7.5cm)，例如2-3英寸(5-7.5cm)。因此内衬和油管70间的贴合很小。因此摩擦也相对较低，允许内衬很容易运行。
图40给出了钻探现场300。在现场300处设置有运送卷轴130和相应的卷轴机构304的卡车302。将内衬220开卷为扁平形式306并沿导向机构308引导进入井孔310。折叠机构246将内衬折叠成C-状312。使C-状内衬引入井孔油管70中。
进一步在井下，或者在随后的步骤中，内衬220可在形状上展开。内衬可以由部分展开形状314展开为管状320。展开过程可以部分地由内衬的弹性实现。替代或附加地，可以按如上所述通过引入加压流体和/或使展开器移动通过内衬而使内衬展开。
本发明的内衬可以为适合于特定井下条件的任何内衬。内衬可以具有一个或多个金属层。如上所述，一个或多个金属层可以与一个或多个聚合物层组合。可以以任何合适的方法例如喷涂或挤压涂覆将一个或多个聚合物层施用到一个或多个金属层。上面描述的实施方案在这里提供实施例，但也可以应用制备内衬的替代方法。
本发明的内衬材料和它在井孔中为油管加内衬的应用在提供高性能钢或固体CRA管优越耐腐蚀性的同时，提供了成本相对较低的一种选择。因为在将内衬材料安装在井孔中之后可向油管施用所述内衬材料，管段之间螺纹接头的内表面也有效地受到防腐保护。后者允许应用常规相对低成本的螺纹接头，如API批准的碳钢接头。
相比于需要的固体CRA管，生产油管的成本节约可能超过80％。所添加的内衬相对较薄，从而最小限度地限制了钻孔的内径。本发明允许在变质、水分增加等情况下恢复旧井。
本发明不局限于上述实施方案，在所附权利要求的范围内可以构想多种调整。例如，可以组合各个实施方案的特征。
应理解可以将本发明的方法和系统用于沿油和/或气生产油管的至少大部分长度(从侧向滑动门(SSD)或偏心工作筒(SPM)正上方至地下安全阀(SSSV)正下方处)向井下插入数公里长的防腐蚀和防泄漏内衬。SSSV上方和SSD和/或SPM下方的油管柱的没有内衬的上段和下段可以由耐腐蚀合金(CRA)制成。
如果在生产油管柱内安装内衬，用于扩张和展开内衬的展开器可以不连接钢缆或盘绕油管(CT)组件，但可以通过内衬本身输送至油管柱底部。推动展开器向上通过油管柱的驱动力可以为通过油管柱和周围井套管间环隙使井循环的液压。
可以设计内衬展开器以自我调节其外周长以改变周围油管柱的内部宽度。因为油管柱不发生塑性变形，来自生产的变化存在，和展开器和内衬必须调节所述变化(对于通常施用的油管柱来说内径的差异至多约4mm)。这可以通过应用薄片弹簧和/或橡胶垫片来实现。
也可以构造展开器以保留内衬展开后展开的内衬与周围油管柱间的残余压缩力，以确保尽管内衬弹性松弛和弹回，在周围油管柱没有弹性变形的情况下实现机械接口匹配。
在地面上设置顶部密封，为此目的也使用特殊的油管接箍。
如果将内衬安装在垂直或倾斜的油管柱或套管柱内，可以围绕内衬的上端和下端为内衬配备金属对金属的密封，以确保没有生产流体可以进入生产油管与内衬之间。可以将下端密封锁定到油管柱的锁定接头处。
耐腐蚀内衬可以由耐腐合金(CRA)如镍合金C22作为壁厚为0.3-0.7mm的几公里长的扁平管制成。扁平和折叠内衬的弯曲内表面可以配备凝胶或稠油料，以防止弯曲处起皱和产生垂直的渗漏通道。
在制备过程中和在折叠内衬和在卷轴筒上贮存所述经折叠和压平的内衬之前，可以施用具有几个微米厚的防护涂层，如在内衬内侧的耐磨层来保护内衬对抗钢缆介入和外侧流体吸收性涂层的影响。
在与展开的内衬和油管柱之间截留的水和/或其它流体接触时，流体吸收性涂层会膨胀，并从而吸收在内衬和周围油管柱或套管柱之间的环隙中可能留存的任何自由水，并防止在内衬与周围内衬间产生任何分离和产生渗漏通道。从展开的内衬与垂直或倾斜油管柱之间的残余空间中脱除水和其它流体包是特别相关的，因为即使隔离的和轴向和周边间隔的小水包和/或其它液体包，均可能受振动和温度波动辅助缓慢地下移并聚结为较大的水包和/或液体包，其可能会完全地环绕内衬下部，和造成内衬塌落和/或与油管分离。在这种情况下，隔离的气包有可能以类似方式累积并作为扩大后(任选环形)的气包向上移动至油管柱的顶端。
流体吸收性涂层可以包含交联丙烯酸酯聚合物，其通常称作超吸收聚合物(SAP)或水凝胶，或以干态称为"油灰粉"，其在淡水中可以吸收高达其自身重量500倍的淡水，和高达其自身重量50倍的中度含盐水。
超吸收聚合物(SAP)在美国专利US 7,144,980中有述，和其通常通过在引发剂的存在下使掺混有氢氧化钠的丙烯酸聚合形成聚丙烯酸钠盐(有时称作聚丙烯酸钠)而制备。这种SAP是目前制备的最常见的SAP类型。
流体吸收性涂层也可以包含粘性胶和/或其它粘结剂以牢固地将内衬与油管柱或套管柱连接起来，且进一步防止薄片内衬塌落和/或与周围油管柱或套管柱分离。

Claims (14)

1.一种为油管柱加内衬的方法，所述方法包括：
-提供卷起的扁平折叠内衬，其中所述内衬为复合内衬，包括一个或多个聚合物层和一个或多个金属层，其中所述一个或多个聚合物层施用到所述一个或多个金属层上，其中所述一个或多个金属层包括不渗透金属层，和在所述不渗透金属层内径侧上的聚合物层完全可渗透；
-开卷所述扁平折叠内衬为扁平形式；
-将所述内衬折叠成C-形；
-将所述C-形内衬插入油管柱内；
-展开所述C-形内衬以相对油管柱的内表面展开内衬；和
-将所述C-形内衬在形状上展开，从而使所述C-形内衬由部分展开形状展开为管状，其中展开所述C-形内衬的步骤包括：
-展开所述C-形内衬的端部；
-在油管柱内固定所述C-形内衬的展开端；和
-利用加压流体将展开器工具泵送通过所述C-形内衬内部；
其中所述油管柱为油和/或气生产井中的油管柱或套管柱。
2.权利要求1的方法，其中所述展开过程部分由内衬的弹性实现。
3.权利要求1的方法，其中移动展开器通过所述内衬的驱动力为液压。
4.权利要求1的方法，其中所述折叠内衬包括壁厚小于1mm的柔性耐腐蚀金属。
5.权利要求1-4任一项的方法，其中所述折叠内衬的外表面至少部分用流体吸收性涂层涂覆，其中诱使所述流体吸收性涂层吸收在油管柱内表面和展开后的内衬外表面间截留的流体。
6.权利要求1-4任一项的方法，其中提供卷起的扁平折叠内衬的步骤包括：
-提供片材；
-将片材的相对侧面朝向彼此弯曲贴合；
-使所述相对侧面彼此连接；和
-将所得的扁平折叠内衬卷到卷轴上。
7.权利要求6的方法，其中所述连接通过焊接实现。
8.权利要求1-4任一项的方法，还包括将卷起的扁平折叠内衬输送至井孔。
9.一种为油管柱加内衬的系统，包括：
-卷起的扁平折叠内衬，其中所述内衬为复合内衬，包括一个或多个聚合物层和一个或多个金属层，其中所述一个或多个聚合物层施用到所述一个或多个金属层上，其中所述一个或多个金属层包括不渗透金属层，和在所述不渗透金属层内径侧上的聚合物层完全可渗透；
-导向机构，构造所述导向机构用于将开卷后扁平形状的扁平折叠内衬引导入油管柱中，所述导向机构包括折叠机构，所述折叠机构用于在将所述内衬引导入油管柱之前将所述内衬折叠成C-形；
-在油管柱内固定所述C-形内衬的展开端的连接工具；和
-使所述C-形内衬相对于油管柱的内表面展开的工具；
其中用于展开所述C-形内衬的工具包括展开器工具和利用加压流体将展开器工具泵送通过所述C-形内衬内部的工具；
其中所述油管柱为油和/或气生产井中的油管柱或套管柱。
10.权利要求9的系统，其中所述卷起的扁平折叠内衬装载在卡车上。
11.权利要求10的系统，其中所述卡车还包括卷轴机构。
12.权利要求9-11任一项的系统，其中所述展开器工具包括前端区域、中间区和尾部，其中所述前端区域提供突出部分或尖端以引导展开器经过所述内衬，所述中间区配备有直径接近油管柱内径的脊，和所述尾部的直径更小以允许撤回所述展开器工具。
13.权利要求12的系统，其中所述尾部连接在钢缆上以撤回所述展开器工具。
14.权利要求9-11任一项的系统，其中所述展开器工具自我调节其外周长以改变周围油管柱的内部宽度。
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