CN110248913B - 可崩解碳复合材料，其制造方法及用途 - Google Patents

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Abstract

公开了一种碳复合材料，所述碳复合材料包括多个碳颗粒，其中所述多个碳颗粒中的每一个包括多个孔；及粘合剂，其置于所述多个碳颗粒之间以粘合所述多个碳颗粒，其中所述粘合剂为可崩解粘合剂。

Description

可崩解碳复合材料，其制造方法及用途
相关申请的交叉引用
本申请要求在2016年9月23日提交的美国申请No.15/273843的权益，该美国申请全文以引用方式并入本文。
背景技术
发明领域
本公开涉及碳复合材料，并且具体地涉及包括碳和可崩解粘合剂的碳复合材料、其制造方法以及由其形成的制品。
背景技术
在地下地层中钻出井孔以用于产生烃(石油及天然气)。烃陷获在不同深度地下地层的各种圈闭或带中。在许多作业(例如压裂)中，需要在井下位置提供密封装置(例如封隔器、桥塞等)以便产生石油及天然气。在此类作业后，在可以开始以下作业之前，必须移除或销毁所述密封装置。此类移除作业可能是昂贵和/或耗时的。
需要提供可以在宽温度和压力范围内提供足够且稳定的密封性能，同时提供所需且可预料的崩解特征的密封制品。
本文的公开内容提供受控的可崩解碳复合材料以及将所述可崩解碳复合材料用于井下应用的系统。
发明内容
在一个方面，公开了一种碳复合材料，所述碳复合材料包括多个碳颗粒，其中所述多个碳颗粒中的每一个包括多个孔；及粘合剂，其置于所述多个碳颗粒之间以粘合所述多个碳颗粒，其中所述粘合剂是可崩解粘合剂。
在另一方面，公开了一种用于形成碳复合材料的方法，所述方法包括提供包括多个碳颗粒的碳粉末，其中所述多个碳颗粒中的每一个包括多个孔；提供粘合剂粉末；将所述碳粉末和所述粘合剂粉末混合，以形成碳复合材料粉末；及使所述粘合剂粉末流动，以在所述多个碳颗粒之间形成粘合剂以粘合所述多个碳颗粒，其中所述粘合剂为可崩解粘合剂。
在另一方面，公开了一种井下系统，所述井下系统包括井下元件，所述井下元件包括碳复合材料，所述碳复合材料包括多个碳颗粒，其中所述多个碳颗粒中的每一个包括多个孔；及粘合剂，其置于所述多个碳颗粒之间以粘合所述多个碳颗粒，其中所述粘合剂为可崩解粘合剂。
相当广泛地总结了本文公开的设备及方法的某些特性的示例，以便可以更好地理解下面的详细描述。当然，下文公开的设备及方法还有其它特性，所述其它特性将形成本文所附权利要求书的主题。
附图说明
参考附图可以最好地理解本文的公开内容，其中相同的数字通常指示相同的要素，并且在所述附图中：
图1是示例性钻探系统的示意图，所述示例性钻探系统包括根据本公开实施方案的井下元件；
图2是可崩解碳复合材料的示例性实施方案的示意图；并且
图3示出了适用于图2所示可崩解碳复合材料的石墨颗粒。
具体实施方式
图1示出了便于产生石油及天然气的井下系统的一个示例性实施方案。在某些实施方案中，系统100允许压裂作业以便于产生石油及天然气。系统100包括井孔106，所述井孔106在地层104中形成，且在所述井孔106中设置有套管108。
在一个示例性实施方案中，井孔106从地表102钻至井下位置110。套管108可以设置在井孔106内以便于产生。在一个示例性实施方案中，将套管108设置穿过井下位置110中的多个产生区域Z1…Zn。井孔106可以是垂直井孔、水平井孔、偏斜井孔或任何其它适宜类型的井孔，或它们的任何组合。
为了便于井下作业(例如压裂作业)，在套管柱108内利用密封件116a、封隔器116b或其它适宜的井下装置。其它适宜的井下装置可包括但不限于球、塞子、座、压缩填料元件(premier密封件)、膨胀填料元件(ARC密封件)、O形环、粘合密封件、子弹形密封件、SSSV动态密封件、SSSV挡板密封件、V形环、支承环、钻头密封件、泥浆马达定子、PCP定子、ESP密封件及ESP隔离接头。在某些实施方案中，可以使用密封件116a来选择性地隔离区域Z1…Zn以进行压裂作业。在某些实施方案中，利用封隔器116b来隔离区域Z1…Zn以进行压裂作业。其它适宜的井下装置可用于密封及其它目的。在某些实施方案中，井下元件可暴露于高温、高压及化学品。
在某些实施方案中，将压裂流体124从压裂流体源122泵送至井下位置110，以流动穿过由井下装置116a、116b隔离的区域112中的穿孔114。有利的是，压裂作业容许产生更多的石油及天然气。
在所需作业(例如压裂作业)之后且在以下作业之前，通常移除或以其它方式销毁井下装置116a、116b等，以允许石油及天然气流动穿过套管108。在一个示例性实施方案中，井下装置116a、116b被配置成密封局部区域112的套管108直至井下装置116a、116b崩解以便产生石油及天然气时的预定时间。有利地，在一个示例性实施方案中，本文中的井下装置116a、116b由具有可预料且可调节的崩解特征，同时在宽范围的环境及条件下允许适宜密封特征的材料形成。在某些实施方案中，崩解可包括但不限于化学溶解、由机械力引起的崩解、由热力热引起的崩解、由物理能量引起的崩解等。
在所阐释的实施方案中，井下装置116a、116b可由碳复合材料制得。因此，在一个实施方案中，制品包括碳复合材料。碳复合材料可以用于形成制品的所有或一部分。
图2示出了适于与上述井下元件及制品一起使用的碳复合材料制品200。在一个实施方案中，制品是用于井下系统(例如图1示出的系统100)的封隔器、密封件或O形环。
在所阐释的实施方案中，碳复合材料制品200包括碳颗粒202及粘合剂204。有利地，碳复合材料制品200的使用允许可崩解材料具有较宽的温度及压力范围，以用于回收可能不可行的应用。此外，碳复合材料制品200可以用于需要宽温度范围并且温度可能有波动及变化的应用，例如蒸汽注入应用。
在所阐释的实施方案中，碳颗粒202可为任一适宜形式的碳，包括但不限于非晶碳、天然石墨、碳纤维等。碳颗粒202的形成及结构的可能实施方案可参见美国专利No 9,284,229及美国专利申请No.14/072,016，二者均转让给了贝克休斯公司(Baker HughesIncorporated)并且二者均以引用方式并入本文中。
在所阐释的实施方案中，碳颗粒202是柔性的且在碳复合材料制品200内提供弹性。在所阐释的实施方案中，以及如图3中所示，碳颗粒202的直径可在5-500微米之间，且厚度在0.01至500微米之间。
在所阐释的实施方案中，碳颗粒202包括孔203以允许碳颗粒202具有弹性。该弹性允许碳复合材料制品200用作化学且热稳定的密封材料。
在某些实施方案中，碳颗粒202是包括孔203的膨胀石墨颗粒。石墨是层状材料。单独层通过弱范德华力保持在一起，所述单独层能够嵌入有机或无机分子，并且最终膨胀以形成孔203。嵌入是将嵌入剂材料插在石墨的单独碳层之间的过程。已使用各种各样的化学品来嵌入石墨材料。这些化学品包括酸、氧化剂、卤化物或类似物。
在加热时，嵌入剂从液态或固态转化为气相。气体的形成生成压力，所述压力推动毗邻碳层分开，产生膨胀石墨。
在一个实施方案中，本公开的膨胀石墨通过以下步骤产生：用硫酸、硝酸、铬酸、硼酸或卤化物(例如FeCl3、ZnCl2、SbCl5)处理石墨材料(例如天然石墨、凝析石墨、加热分解成的石墨等)，以形成可膨胀石墨；在例如800℃或更高的高温下快速加热可膨胀石墨，以便生成热解气体，该热解气体的压力用于使石墨层之间的空间膨胀，从而形成膨胀石墨。在某些实施方案中，石墨颗粒可通过任一适宜方法来膨胀。
在所阐释的实施方案中，碳颗粒202可使用粘合剂204粘合在一起。有利地，粘合剂204使得碳复合材料制品200能够具有高机械强度，同时允许具有本文所述的密封特征。
在所阐释的实施方案中，粘合剂204是可崩解粘合剂，其可根据需要选择性且可控地崩解。在某些实施方案中，粘合剂204可在暴露于选定的流体时崩解，以允许颗粒202被井下流体流洗掉。
在某些实施方案中，粘合剂204由可腐蚀金属(例如受控的电解金属)形成。粘合剂204材料可包括：镁合金、镁硅合金、镁铝合金、镁锌合金、镁锰合金、镁铝锌合金、镁铝锰合金、镁锌锆合金及镁稀土元素合金。稀土元素可以包括但不限于钪、钇、镧、铈、镨、钕及铒。在某些实施方案中，粘合剂204可另外包括铝、镍、铁、钨、铜、钴。有利地，可腐蚀金属粘合剂204的使用允许在高温应用(包括但不限于高于500华氏度的应用)中使用碳复合材料制品200。在一个示例性实施方案中，可腐蚀金属粘合剂204允许碳复合材料制品200在高温环境中在所需量的时间及暴露于选定流体之后崩解。在某些实施方案中，当可腐蚀金属粘合剂204接触井孔流体中的电解质组分(例如盐水、酸等)时，可腐蚀金属粘合剂204可经由贾法尼微电池(galvanic microcell)反应(阳极-阴极反应)崩解或腐蚀。在某些实施方案中，阴极催化剂元件(例如微型贾法尼电池)被构建至可腐蚀金属粘合剂204中。在某些实施方案中，阴极催化剂元件可包括镍、铁、铜、钴、锌、铝、钨等。
在其它实施方案中，粘合剂204可以是包括诸如酯、酰胺、醚的基团或可由水或任何其它适宜流体崩解的其它基团的聚合物。在某些实施方案中，粘合剂204可以是聚氨酯。有利地，聚合物粘合剂204的使用允许在较低温度应用(包括但不限于低于500华氏度的应用)中使用碳复合材料制品200。在一个示例性实施方案中，聚合物粘合剂204允许碳复合材料制品200在较低温度环境中在所需量的时间及暴露于选定流体之后崩解。在某些实施方案中，聚合物粘合剂204可经由热分解崩解。
在其它实施方案中，粘合剂204可为其它材料，包括但不限于增韧丙烯酸树脂、环氧树脂、低熔点金属(例如铝、镁、锌、铋、锡、铅以及它们的合金)等。在某些实施方案中，低熔点金属的熔点低于碳颗粒202的熔点，但高于所需作业温度。在所需作业之后，可将热源引入碳复合材料制品200中以使粘合剂204经由熔化崩解。在某些实施方案中，粘合剂204可包含包括铝、锰、锌、铁等在内的金属或其合金与阴极催化剂元件的组合。在某些实施方案中，当金属粘合剂204接触井孔流体中的电解质组分(例如盐水、酸等)时，金属粘合剂204可经由贾法尼微电池反应(阳极-阴极反应)而被崩解或腐蚀。在某些实施方案中，阴极催化剂元件(例如微型贾法尼电池)被构建至金属粘合剂204中。在某些实施方案中，阴极催化剂元件可包括镍、铁、铜、钴、锌、铝、钨等。在某些实施方案中，粘合剂204可能由脆性材料形成。在某些实施方案中，脆性材料可包括但不限于各种基于铝或镁的金属间化合物，例如Al3Mg2、Al12Mg17、Mg2Ni、Mg2Si、Al3Ni、FeAl、MgZn等。脆性材料粘合剂204可经选择以在所需的最大作业压力和/或温度下粘合碳复合材料制品200，但也可在高于所需作业压力和/或温度的压力和/或温度下选择性地压裂。在所需作业之后，可将碳复合材料制品200引入至升高的压力和/或温度以经由压裂使粘合剂204崩解。在某些实施方案中，脆性材料可以是粘合剂204的一部分，而在其它实施方案中，脆性材料可以构成粘合剂204的全部。脆性材料可以形成粘合剂204的5-100％。这些材料可呈不同的形状，例如颗粒、纤维及丝线。可以使用所述材料的组合。
在所阐释的实施方案中，粘合剂204可以占碳复合材料制品200的体积的10％至90％之间。通过相对于碳颗粒202改变粘合剂204的量及粘合剂204的组成，可以改变碳复合材料制品200的硬度及柔性。
本发现允许制造适于用作井下应用的封隔器或密封材料的碳复合材料。作为另一有利特性，碳复合材料的原材料对环境友好且成本低。
可以使用各种方法来制造碳复合材料。在一个实施方案中，用于形成碳复合材料的方法包括将膨胀石墨及至少一种粘合剂组合以形成组合；及在等压压力下压缩该组合从而形成碳复合材料。
或者，首先对膨胀石墨组合物进行压制以形成预成型体。然后将预成型体与粘合剂组合以形成碳复合材料。如果需要，可进一步压缩填充后的预成型体。
有利地，预成型体包括彼此连接的膨胀石墨基质及开孔。一种产生开孔的方式是向膨胀石墨中添加诸如蜡的材料，之后压缩膨胀石墨以制备预成型体。在通过加热移除蜡之后，在膨胀石墨基质中形成连接开孔。
随后通过渗透将粘合剂添加至预成型体中。在粘合剂为金属的情况下，首先可将金属粘合剂加热至熔融状态，然后将熔融金属粘合剂倾注至预成型体。金属粘合剂填充开孔，从而形成碳复合材料。
用以制备预成型体的膨胀石墨组合物包括膨胀石墨及任选地增强剂。还可以将蜡包含在膨胀石墨组合物中以便制备具有连接开孔的预成型体。
在另一实施方案中，通过磨碎、切碎或碾磨(例如球磨)将压缩的膨胀石墨(例如通过施加单轴力制得者)破碎成小的碎片。可对所述小的碎片进行压制以形成预成型体。然后如本文所述将粘合剂添加至预成型体中以提供碳复合材料。或者，可将小的碎片与粘合剂或增强剂共混，然后热或冷压制以形成碳复合材料。还应当理解，可以使用和考虑上述作业的不同组合。
在某些实施方案中，可将碳颗粒202及粘合剂204以粉末形式混合在一起。可将混合过的粉末均匀地混合，然后进行烧结，以使粘合剂204在接近粘合剂204的熔化温度下围绕碳颗粒202流动。在某些实施方案中，可以将混合过的粉末压缩并加热，以使粘合剂204在接近粘合剂204的熔化温度下围绕碳颗粒202流动。流动的粘合剂204允许对碳复合材料制品200进行模制。
因此，在一个方面，公开了一种碳复合材料，所述碳复合材料包括多个碳颗粒，其中所述多个碳颗粒中的每一个包括多个孔；及粘合剂，其置于所述多个碳颗粒之间以粘合所述多个碳颗粒，其中所述粘合剂为可崩解粘合剂。在某些实施方案中，碳包含非晶碳、天然石墨、碳纤维，或包含上述材料中的至少一种的组合。在某些实施方案中，所述多个碳颗粒为多个石墨颗粒。在某些实施方案中，所述多个石墨颗粒中的每一个的直径在5微米至500微米之间。在某些实施方案中，所述多个石墨颗粒中的每一个的厚度在0.01微米至500微米之间。在某些实施方案中，粘合剂为酯聚合物。在某些实施方案中，粘合剂为酰胺聚合物。在某些实施方案中，粘合剂为醚聚合物。在某些实施方案中，粘合剂为聚氨酯。在某些实施方案中，粘合剂为金属或合金。在某些实施方案中，粘合剂为受控的电解金属材料。在某些实施方案中，粘合剂以体积计占碳复合材料的10％至90％之间。在某些实施方案中，粘合剂为以下各项中的至少一种：镁合金、镁硅合金、镁铝合金、镁锌合金、镁锰合金、镁铝锌合金、镁铝锰合金、镁锌锆合金及镁稀土元素合金。在某些实施方案中，粘合剂为低熔点金属或低熔点合金。在某些实施方案中，粘合剂为铋、锡及铅中的至少一种。在某些实施方案中，粘合剂另外包括阴极催化剂元件。在某些实施方案中，阴极催化剂元件为镍、铁、铜、钴、锌、铝及钨中的至少一种。在某些实施方案中，粘合剂包括脆性材料。在某些实施方案中，脆性材料为粘合剂的5％至100％之间。在某些实施方案中，脆性材料为以下各项中的至少一种：Al3Mg2、Al12Mg17、Mg2Ni、Mg2Si、Al3Ni、FeAl及MgZn。
在某些实施方案中，制品为井下元件。在某些实施方案中，制品包括以下各项中的至少一种：球、塞子、座、压缩填料元件、膨胀填料元件、O形环、粘合密封件、子弹形密封件、动态密封件、挡板密封件、V形环、支承环、钻头密封件、泥浆马达定子、PCP定子、ESP密封件和ESP隔离接头。
在另一方面，公开了一种用于形成碳复合材料的方法，所述方法包括提供包含多个碳颗粒的碳粉末，其中所述多个碳颗粒中的每一个包括多个孔；提供粘合剂粉末；将所述碳粉末和所述粘合剂粉末混合以形成碳复合材料粉末；及使粘合剂粉末流动，以在所述多个碳颗粒之间形成粘合剂以粘合所述多个碳颗粒，其中所述粘合剂为可崩解粘合剂。在某些实施方案中，所述方法另外包括加热碳复合材料粉末以使粘合剂粉末流动。在某些实施方案中，所述方法另外包括压缩碳复合材料粉末以使粘合剂粉末流动。在某些实施方案中，所述方法另外包括烧结碳复合材料粉末以使粘合剂粉末流动。在某些实施方案中，所述方法另外包括选择性地使粘合剂崩解以使碳复合材料崩解。
在另一方面，公开了一种井下系统，所述井下系统包含包括碳复合材料的井下元件，所述碳复合材料包括多个碳颗粒，其中所述多个碳颗粒中的每一个包括多个孔；及粘合剂，其置于所述多个碳颗粒之间以粘合所述多个碳颗粒，其中粘合剂为可崩解粘合剂。在某些实施方案中，井下元件为以下各项中的至少一种：球、塞子、座、压缩填料元件、膨胀填料元件、O形环、粘合密封件、子弹形密封件、动态密封件、挡板密封件、V形环、支承环、钻头密封件、泥浆马达定子、PCP定子、ESP密封件及ESP隔离接头。
所有引用的专利、专利申请和其他参考文献均全文以引用方式并入本文。然而，如果本申请中的术语与所并入参考文献中的术语相矛盾或冲突，则本申请中的术语优先于所并入参考文献中的冲突术语。
本文所公开的所有范围均包括端点，并且端点可彼此独立地组合。本文所用后缀“(多种)”旨在包括其所修饰术语的单数及复数形式，从而包括该术语中的至少一种(例如，(多种)着色剂(colorant(s))包括至少一种着色剂)。“可选的”或“任选地”意味着随后描述的事件或情况可能或可能不发生，并且该描述包括该事件发生的情况及该事件不发生的情况。如本文所用，“组合”包括共混物、混合物、合金、反应产物及类似物。所有参考文献均以引用方式并入本文。
除非本文另有说明或与上下文明显矛盾，否则在描述本发明的上下文中(特别是在以下权利要求的上下文中)使用的术语“一(a/an)”和“该”以及类似指示物应被解释为涵盖单数形式及复数形式。此外，应当进一步注意，本文中的术语“第一”、“第二”及类似术语不表示任何顺序、数量或重要性，而是用于将一个要素与另一个要素区分开来。与数量结合使用的修饰语“约”包括所述值，并具有上下文规定的含义(例如，它包括与特定数量的测量相关的误差程度)。
尽管已经参考一个或多个示例性实施方案描述了本发明，但本领域技术人员应理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行各种改变，并且可以用等同物来取代其要素。此外，在不脱离本发明基本范围的情况下，可以进行许多修改以使特定情形或材料适应本发明的教导。因此，本发明并非旨在限于作为预期用于实施本发明的最佳模式而公开的特定实施方案，而是本发明将包括落入权利要求书范围内的所有实施方案。此外，在附图和说明书中，已经公开了本发明的示例性实施方案，并且尽管已经采用了特定术语，但是除非另有说明，否则它们仅在一般和描述性意义上使用，而不是为了限制的目的，因此本发明的范围不限于此。此外，术语第一、第二等的使用不表示任何顺序或重要性，而是表示术语第一、第二等用于将一个要素与另一个要素区分开来。此外，术语一(a/an)等的使用不表示数量的限制，而是表示存在所提及项目中的至少一种。

Claims (16)

1.一种碳复合材料，所述碳复合材料包括：
多个碳颗粒，其中所述多个碳颗粒中的每一个是碳的形式和包括多个孔以允许碳颗粒具有弹性；及
粘合剂，其置于所述多个碳颗粒之间以粘合所述多个碳颗粒，其中所述粘合剂为可崩解粘合剂；
其中所述碳颗粒包含非晶碳、天然石墨、碳纤维，或包含前述材料中的至少一种的组合；
其中所述粘合剂以体积计占所述碳复合材料的10％至90％之间；和
其中所述粘合剂选自由以下各项组成的组：酯聚合物；酰胺聚合物；醚聚合物；及聚氨酯；或
其中所述粘合剂为镁合金；或
其中所述粘合剂为铋、锡及铅中的至少一种。
2.如权利要求1所述的碳复合材料，其中所述镁合金为以下各项中的至少一种：镁硅合金、镁铝合金、镁锌合金和镁锰合金。
3.如权利要求1所述的碳复合材料，其中所述镁合金为以下各项中的至少一种：镁铝锌合金、镁铝锰合金、镁锌锆合金和镁稀土元素合金。
4.如权利要求1-3任一项所述的碳复合材料，其中所述多个碳颗粒为多个天然石墨颗粒。
5.如权利要求4所述的碳复合材料，其中所述天然石墨颗粒中的每一个的直径在5微米至500微米之间。
6.如权利要求4所述的碳复合材料，其中所述天然石墨颗粒中的每一个的厚度在0.01微米至500微米之间。
7.如权利要求1-3任一项所述的碳复合材料，其中当所述粘合剂为镁合金或当所述粘合剂为铋、锡及铅中的至少一种时，所述粘合剂另外包括阴极催化剂元件。
8.如权利要求1-3任一项所述的碳复合材料，其中当所述粘合剂为镁合金或当所述粘合剂为铋、锡及铅中的至少一种时，所述粘合剂包括脆性材料。
9.如权利要求1-3任一项所述的碳复合材料，其中所述碳复合材料为用于井下应用的制品。
10.如权利要求9所述的碳复合材料，其中所述制品包括以下各项中的至少一种：球、塞子、座、压缩填料元件、膨胀填料元件、O形环、粘合密封件、子弹形密封件、动态密封件、挡板密封件、V形环、支承环、钻头密封件、泥浆马达定子、PCP定子、ESP密封件及ESP隔离接头。
11.一种用于形成如权利要求1-10任一项所述的碳复合材料的方法，所述方法包括：
提供包括多个碳颗粒的碳粉末，其中所述多个碳颗粒中的每一个是碳的形式和包括多个孔以允许碳颗粒具有弹性；
提供粘合剂粉末；
将所述碳粉末和所述粘合剂粉末混合，以形成碳复合材料粉末；及
使所述粘合剂粉末流动，以在所述多个碳颗粒之间形成粘合剂以粘合所述多个碳颗粒，其中所述粘合剂为可崩解粘合剂。
12.如权利要求11所述的方法，所述方法进一步包括加热所述碳复合材料粉末以使所述粘合剂粉末流动。
13.如权利要求12所述的方法，所述方法进一步包括压缩所述碳复合材料粉末以使所述粘合剂粉末流动。
14.如权利要求11所述的方法，所述方法进一步包括以下各项中的一项：烧结所述碳复合材料粉末以使所述粘合剂粉末流动；或选择性地使所述粘合剂压裂以使所述碳复合材料崩解。
15.一种井下系统，所述井下系统包括：
井下元件，其包括如权利要求1-10任一项所述的碳复合材料。
16.如权利要求15所述的井下系统，其中所述井下元件为以下各项中的至少一种：球、塞子、座、压缩填料元件、膨胀填料元件、O形环、粘合密封件、子弹形密封件、动态密封件、挡板密封件、V形环、支承环、钻头密封件、泥浆马达定子、PCP定子、ESP密封件及ESP隔离接头。
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