CN110402318A - 具有受控降解的井下工具 - Google Patents

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Abstract

一种可控制地崩解井下制品的方法，包括将所述井下制品设置在井下环境中，所述井下制品含有基体材料；第一化学物质；以及第二化学物质，所述第二化学物质与所述第一化学物质物理地隔离，以及允许所述第一化学物质与所述第二化学物质接触并进行反应，以生成加速所述基体材料在井下流体中降解的酸、盐、热或包括前述至少一者的组合。

Description

具有受控降解的井下工具
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年3月13日提交的美国申请第15/456752号的权益，该申请以引用方式全文并入本文。
背景技术
油和天然气井通常利用井筒部件或工具，这些井筒部件或工具由于其功能而仅需要具有远小于井的使用寿命的有限使用寿命。在部件或工具服务功能完成之后，必须将其移除或进行处置，以便恢复流体路径的原始大小以供使用，包括烃生产、CO2封存等。常规地通过将部件或工具铣削或钻出井筒来完成部件或工具的处置，这些一般是耗时且昂贵的操作。
近来，已经开发出自行崩解的井下工具。代替铣削或钻井操作，这些工具可以通过使用各种井筒流体溶解工程材料来移除。自行崩解的井下工具的一个挑战在于，一旦井中的状况允许工程材料的腐蚀反应开始，崩解过程就可以开始。因此，崩解时段不可如用户期望的那样控制，而是由井状况和产品性质支配。当前，崩解压裂塞需要全面的规划和基于应用的调查以确定技术是否适合每个单独的井。因此，具有独立于储层特性的已知崩解时间对于油气操作者来说极有价值。因此，非常期望开发出在工具的服务期间具有最少崩解或没有崩解的井下工具，使得它们具有执行其预期功能所需的机械性质并且然后迅速地崩解。
发明内容
一种可控制地崩解井下制品的方法包括将所述井下制品设置在井下环境中，所述井下制品含有基体材料；第一化学物质；以及第二化学物质，所述第二化学物质与所述第一化学物质物理地隔离，以及允许所述第一化学物质与所述第二化学物质接触并进行反应，以生成加速所述基体材料在井下流体中降解的酸、盐、热或包括前述至少一者的组合。
一种井下制品包括基体材料；第一化学物质；以及第二化学物质，所述第二化学物质与所述第一化学物质物理地隔离，其中所述第一化学物质与所述第二化学物质在组合时进行反应，以生成加速所述基体材料在井下流体中降解的酸、盐、热或包括前述至少一者的组合。
附图说明
以下描述不应被视为以任何方式进行限制。参考附图，相似元件编号相似：
图1是根据本公开的实施方案的示例性井下制品的示意图；
图2是具有携载第一化学物质和第二化学物质的隔室的图1的示例性井下制品的一部分的示意截面图；
图3是包括第一化学物质和与第二化学物质物理地分开的第二化学物质的示例性容器的示意截面图；
图4是根据本公开的实施方案的在其中嵌入有容器的图1的示例性井下制品的一部分的示意截面图；
图5是根据本公开的实施方案的具有凹部的图1的示例性井下制品的一部分的示意截面图；
图6是根据本公开的实施方案的具有附接到其的容器的示例性底部短节的示意图；以及
图7是根据本公开的实施方案的图6的容器的示意截面图。
具体实施方式
本公开提供了有效地延迟或减少各种井下工具在工具的服务期间崩解但可以在不再需要工具之后加速工具的崩解过程的方法。本公开还提供了具有受控崩解轮廓的井下制品。
井下制品包括基体材料；第一化学物质；以及第二化学物质，该第二化学物质与第一化学物质物理地隔离。选择基体材料使得制品在井下环境中具有最少腐蚀或受控腐蚀。在具体实施方案中，井下制品具有在200℉(93℃)下在含水3wt.％KCl溶液中确定的小于约100mg/cm2/时、小于约10mg/cm2/时、或小于约1mg/cm2/时的腐蚀速率。选择第一化学物质和第二化学物质，使得在第一化学物质与第二化学物质接触时，它们彼此进行反应，以生成加速井下流体中的基体材料的降解的酸、盐、热或包括前述至少一者的组合。
图1示出了用于在井下操作中使用的井下制品50，诸如桥、塞、压力塞或任何其他合适的井下制品。在示例性实施方案中，井下制品50包括密封构件51、截锥形构件52(也被称为圆锥)、滑动区段53和底部短节54。截锥形构件52、密封构件51、滑动区段53和底部短节54可以全部围绕环形体(未示出)设置，所述环形体是管、心轴等。
井下工具被配置成设定(即，锚固)并密封到地球地层钻孔中的诸如衬管、套筒或者封闭井或裸眼井的结构，例如，如烃回收和二氧化碳封存应用中可采用。
在设定期间，制品50被配置成使得截锥形构件52相对于密封构件51的纵向移动致使密封构件51径向地扩展而与结构密封接合。另外，向工具施加的压力迫使密封构件51朝向滑动区段53，以由此增加密封构件51与要分离的结构和截锥形元件52的密封接合，以及增加滑动区段53与要分离的结构的锚定接合。
密封构件51、截锥形构件52、滑动区段53和底部短节54中的一个或多个可以包括基体材料。基体材料包括金属、复合材料或包括前述至少一者的组合，其为工具功能提供诸如强度、延展性、硬度、密度的一般材料性质。如本文所使用，金属包括金属合金。基体材料可在井下流体中腐蚀。井下流体包括水、盐水、酸或包括前述至少一者的组合。在一个实施方案中，井下流体包括氯化钾(KCl)、盐酸(HCl)、氯化钙(CaCl2)、溴化钙(CaBr2)或溴化锌(ZnBr2)，或者包括前述至少一者的组合。
密封构件51、截锥形构件52、滑动区段53和底部短节54中的一个或多个可以携载第一化学物质和第二化学物质。携载第一化学物质和第二化学物质的部件可以具有两个单独或相邻的隔室，如图2所示。如图2所示，容纳第一化学物质和第二化学物质的部件具有在基体材料75中形成的两个隔室77和78。第一化学物质72设置在隔室77中，并且第二化学物质73设置在第二隔室78中。第一化学物质72和第二化学物质73两者对基体材料75呈惰性，但是可以进行反应以形成加速基体材料在井下流体中降解的化学物质、热或其组合。
第一化学物质和第二化学物质也可以包括在容器中。图3中示出示例性容器。如图3所示，容器60具有将第一化学物质62与第二化学物质63分开的分隔件61。容器的形状不受限制。优选地，容纳的是封闭容器。在封闭容器中，第一化学物质和第二化学物质的物理形式不受限制。第一化学物质和第二化学物质可以以固体形式、液体形式或气体形式存在。
容器可以嵌入在基体材料中。图4中示出具有嵌入的容器的示例性井下制品的一部分的示意截面图。如图4所示，携载第一化学物质和第二化学物质的容器60嵌入在基体材料68中。
在另一个实施方案中，携载第一化学物质和第二化学物质的部件具有凹部，并且容器设置在凹部中。如图5所示，凹部99形成于基体材料98中。凹部99的位置没有特别地受限。包括第一化学物质和
第二化学物质的容器，诸如图3所示的那个，可以设置在凹部99中。
(未示出)
可选地，容器附接到井下制品。图6示出了附接到底部短节54的容纳第一化学物质和第二化学物质的容器80。容器80还可以设置在制品的两个部件之间。在示例性实施方案中，容器邻近由基体材料形成的部件设置。如图7所示，示例性容器80具有将第一化学物质82与第二化学物质83分开的分隔件81。
任选地，井下制品还可以包括爆炸装置，所述爆炸装置被配置成崩解容纳第一化学物质和第二化学物质的隔室或容器以致使第一化学物质和第二化学物质彼此接触。爆炸装置64可以设置在隔室或容器内。爆炸装置还可以设置在隔室或容器的附近。
在本文所公开的方法中，如本文所述的井下制品或含有井下制品的井下组件设置在井筒中。
然后执行井下操作，所述井下操作可以是在钻孔、增产、完井、生产或修复期间执行的操作。特别提及压裂操作。
当不再需要井下制品时，允许第一化学物质与第二化学物质发生反应。由反应生成的酸、盐或热或包括前述至少一者的组合加速基体材料在井下流体中崩解。如本文所使用，酸包括在与水接触时形成酸的材料，例如，酸酐。示例性盐包括溴化钾。
有多种方式来崩解隔室和容器或者将第一化学物质与第二化学物质分开的分隔件。在一个实施方案中，所述方法还包括使基体材料降解以将容器或隔室暴露于井下流体。一旦隔室暴露，就释放出第一化学物质和第二化学物质并允许它们彼此发生反应。在第一化学物质和第二化学物质被包括在容器中的情况下，暴露的容器也可以在井下流体中降解，由此释放第一化学物质和第二化学物质。释放的第一化学物质和第二化学物质发生反应并生成加速基体材料在井下流体中降解的化学物质和/或热。
井下制品中的爆炸物也可以用来崩解隔室、容器、分隔件或容器和分隔件两者，以允许第一化学物质与第二化学物质接触并进行反应。
爆炸装置可以由定时器、在地面上接收到的信号、在井下生成的信号或包括前述至少一者的组合触发。信号并不特别受限并且包括电磁辐射、声信号、压力或包括前述至少一者的组合。当在井下生成信号时，制品还可以包括检测局部环境中的压力、温度等的传感器。一旦满足阈值，传感器就生成激活爆炸装置的信号。在爆炸装置激活后，隔室、容器和/或分隔件就被崩解，从而允许第一化学物质与第二化学物质接触，从而生成酸、盐、热或包括前述至少一者的组合，以加速基体材料在井下流体中降解。
下文进一步描述用于井下制品的材料。示例性基体材料包括锌金属、镁金属、铝金属、锰金属、其合金或包括前述至少一者的组合。基体材料还包括Ni、W、Mo、Cu、Fe、Cr、Co、其合金或包括前述至少一者的组合。
特别提及镁合金。适于使用的镁合金包括镁与以下项的合金：铝(Al)、镉(Cd)、钙(Ca)、钴(Co)、铜(Cu)、铁(Fe)、锰(Mn)、镍(Ni)、硅(Si)、银(Ag)、锶(Sr)、钍(Th)、钨(W)、锌(Zn)、锆(Zr)，或者包括这些元素中的至少一者的组合。特别有用的合金包括与Ni、W、Co、Cu、Fe或其他金属成合金的镁。可以包括不同量的合金元素或微量元素以调整镁的腐蚀速率。例如，这些元素中的四者(镉、钙、银和锌)对腐蚀速率具有轻到中度加速影响，而四种其他元素(铜、钴、铁和镍)对腐蚀具有更大的影响。包括以上合金元素的不同组合以实现不同程度的耐腐蚀性的示例性商用镁合金包括但不限于例如与铝、锶和锰成合金的那些，诸如AJ62、AJ50x、AJ51x和AJ52x合金，以及与铝、锌和锰成合金的那些，诸如AZ91A-E合金。
如本文所使用，基体材料的金属复合材料是指具有以下项的复合材料：包含纳米基体材料的基本上连续的蜂窝状纳米基体；包含颗粒核心材料的多种分散颗粒，所述颗粒核心材料包括分散在蜂窝状纳米基体中的Mg、Al、Zn或Mn或者其组合；以及在分散颗粒之间延伸贯穿蜂窝状纳米基体的固态粘合层。基体包括通过压紧粉末颗粒而形成的变形粉末颗粒，所述粉末颗粒包括颗粒核心和至少一个涂层，涂层通过固态粘合进行结合以形成基本上连续的蜂窝状纳米基体并留下颗粒核心作为分散颗粒。分散颗粒具有约5μm至约300μm的平均颗粒大小。纳米基体材料包括Al、Zn、Mn、Mg、Mo、W、Cu、Fe、Si、Ca、Co、Ta、Re或Ni，或其氧化物、碳化物或氮化物，或者前述材料中的任何材料的组合。纳米基体材料的化学组成不同于颗粒核心材料的化学组成。
材料可以由包覆颗粒形成，诸如Zn、Mg、Al、Mn、其合金或包括前述至少一者的组合的粉末。粉末一般具有约50微米至约150微米且更具体地约5微米至约300微米或者约60微米至约140微米的颗粒大小。粉末可以使用诸如化学气相沉积、阳极化等方法进行涂覆，或者通过诸如冷冻研磨、球磨等物理方法与金属或金属氧化物(诸如Al、Ni、W、Co、Cu、Fe、这些金属中的一种等的氧化物)混合。涂层可以具有约25nm至约2,500nm的厚度。Al/Ni和Al/W是涂层的具体示例。可以存在多于一个涂层。附加涂层可以包括Al、Zn、Mg、Mo、W、Cu、Fe、Si、Ca、Co、Ta或Re。此类包覆镁粉在本文中被称为受控电解材料(CEM)。然后通过例如使用等静压机在约40ksi至约80ksi(约275MPa至约550MPa)下进行冷压、然后进行锻造或烧结和机械加工来模制或压缩CEM材料，以提供可崩解制品的期望形状和尺寸。包括由此形成的复合材料的CEM材料已经在美国专利第8,528,633号和第9,101,978号中描述，该专利的内容以引用方式全文并入本文中。
任选地，基体材料还包括诸如碳化物、氮化物、氧化物、沉淀物、弥散体、玻璃、碳等添加物，以便控制可崩解制品的机械强度和密度。
容器或分隔件可以由金属材料形成。金属材料可以是与本文中针对基体材料描述的相同材料。可选地，容器或分隔件可以由聚合物材料形成。聚合物材料可在井下流体中降解。示例性聚合物材料包括聚乙二醇、聚丙二醇、聚乙醇酸、聚己内酯、聚对二氧环己酮、聚羟基脂肪酸酯、聚羟基丁酸酯、其共聚物或包括前述至少一者的组合。
以下阐述本公开的各种实施方案。
实施方案1.一种可控制地崩解井下制品的方法，所述方法包括：将所述井下制品设置在井下环境中，所述井下制品含有基体材料；第一化学物质；以及第二化学物质，所述第二化学物质与所述第一化学物质物理地隔离，以及允许所述第一化学物质与所述第二化学物质接触并进行反应，以生成加速所述基体材料在井下流体中降解的酸、盐、热或包括前述至少一者的组合。
实施方案2.如实施方案1的方法，其中所述井下流体包括水、盐水、酸或包括前述至少一者的组合。
实施方案3.如实施方案1或实施方案2的方法，其中所述第一化学物质和所述第二化学物质被包括在容器中，所述容器具有将所述第一化学物质与所述第二化学物质分开的分隔件。
实施方案4.如实施方案3的方法，所述方法还包括崩解所述容器、所述分隔件或这两者，以允许所述第一化学物质与所述第二化学物质接触并进行反应。
实施方案5.如实施方案4的方法，所述方法还包括激活所述井下制品中的爆炸装置来崩解所述容器、所述分隔件或这两者，以允许所述第一化学物质与所述第二化学物质接触并进行反应。
实施方案6.如实施方案5的方法，其中所述爆炸装置由定时器、在地面上接收到的信号或在井下生成的信号、或包括前述至少一者的组合触发。
实施方案7.如实施方案3至6中任一项的方法，所述方法还包括使所述容器、所述分隔件或这两者在所述井下流体中降解，以允许所述第一化学物质与所述第二化学物质接触并进行反应。
实施方案8.如实施方案7的方法，所述方法还包括使所述基体材料降解以将所述容器暴露于所述井下流体。
实施方案9.如实施方案3至8中任一项的方法，其中所述容器嵌入在所述基体材料中。
实施方案10.如实施方案3至8中任一项的方法，其中所述井下制品具有凹部，并且所述容器设置在所述凹部中。
实施方案11.如实施方案3至8中任一项的方法，其中所述容器附接到所述井下制品。
实施方案12.如实施方案11的方法，其中所述容器附接到由所述基体材料形成的部件。
实施方案13.如实施方案1至12中任一项的方法，其中所述基体材料包括Zn、Mg、Al、Mn、其合金或包括前述至少一者的组合。
实施方案14.如实施方案3至13中任一项的方法，其中所述容器由金属材料形成，所述金属材料包括Zn、Mg、Al、Mn、其合金或包括前述至少一者的组合。
实施方案15.如实施方案3至13中任一项的方法，其中所述容器由聚合物材料形成，所述聚合物材料包括聚乙二醇、聚丙二醇、聚乙醇酸、聚己内酯、聚对二氧环己酮、聚羟基脂肪酸酯、聚羟基丁酸酯、其共聚物或包括前述至少一者的组合。
实施方案16.一种井下制品，所述井下制品包括：基体材料；第一化学物质；以及第二化学物质，所述第二化学物质与所述第一化学物质物理地隔离，其中所述第一化学物质与所述第二化学物质在组合时进行反应，以生成加速所述基体材料在井下流体中降解的酸、盐、热或包括前述至少一者的组合。
实施方案17.如实施方案16的井下制品，所述井下制品还包括容器，所述容器包括所述第一化学物质和所述第二化学物质，所述容器具有将所述第一化学物质与所述第二化学物质分开的分隔件。
实施方案18.如实施方案17的井下制品，其中所述容器嵌入在所述基体材料中。
实施方案19.如实施方案17的井下制品，其中所述井下制品具有凹部，并且所述容器设置在所述凹部中。
实施方案20.如实施方案17的井下制品，其中所述容器附接到所述井下制品。
实施方案21.如实施方案17的井下制品，其中所述井下制品具有在所述基体材料中形成的两个单独且相邻的隔室，一个隔室容纳所述第一化学物质并且另一个隔室容纳所述第二化学物质。
实施方案22.如实施方案17至21中任一项的井下制品，所述井下制品还包括爆炸装置，所述爆炸装置被配置成崩解所述容器、所述分隔件或这两者。
实施方案23.如实施方案17至21中任一项的井下制品，其中所述容器由金属材料形成，所述金属材料包括Zn、Mg、Al、Mn、其合金或包括前述至少一者的组合，或者所述容器由聚合物材料形成，所述聚合物材料包括聚乙二醇、聚丙二醇、聚乙醇酸、聚己内酯、聚对二氧环己酮、聚羟基脂肪酸酯、聚羟基丁酸酯、其共聚物或包括前述至少一者的组合。
本文公开的所有范围都包括端点，并且端点彼此可独立地结合。如本文所使用，“组合”包括共混物、混合物、合金、反应产物等。所有参考文献都以引用的方式全文并入本文中。
除非本文另外地指示或明显地与上下文矛盾，否则在描述本发明的上下文中(特别是在所附权利要求的上下文中)使用术语“一个”和“一种”和“所述”以及类似指代物意图解释为涵盖单数和复数两者。“或”是指“和/或”。结合量使用的修饰词“约”包括所述的值并具有由上下文指明的含义(例如，其包括与特定量的测量相关联的误差程度)。

Claims (15)

1.一种可控制地崩解井下制品(50)的方法，所述方法的特征在于：
将所述井下制品(50)设置在井下环境中，所述井下制品(50)含有基体材料(68、75、98)；第一化学物质(62、72、82)；以及第二化学物质(63、73、83)，所述第二化学物质与所述第一化学物质(62、72、82)物理地隔离，以及
允许所述第一化学物质(62、72、82)与所述第二化学物质(63、73、83)接触并进行反应，以生成加速所述基体材料(68、75、98)在井下流体中降解的酸、盐、热或包括前述至少一者的组合。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述井下制品(50)具有在所述基体材料(68、75、98)中形成的两个单独且相邻的隔室(77、78)，一个隔室(77)容纳所述第一化学物质(62、72、82)并且另一个隔室容纳所述第二化学物质(63、73、83)。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述第一化学物质(62、72、82)和所述第二化学物质(63、73、83)被包括在容器(60、80)中，所述容器(60、80)具有将所述第一化学物质(62、72、82)与所述第二化学物质(63、73、83)分开的分隔件(61、81)。
4.如权利要求3所述的方法，所述方法的特征还在于，激活所述井下制品(50)中的爆炸装置(64)来崩解所述容器(60、80)、所述分隔件(61、81)或这两者，以允许所述第一化学物质(62、72、82)与所述第二化学物质(63、73、83)接触并进行反应；并且任选地，所述爆炸装置(64)由定时器、在地面上接收到的信号或在井下生成的信号、或包括前述至少一者的组合触发。
5.如权利要求3所述的方法，所述方法的特征还在于，使所述基体材料(68、75、98)和所述容器(60、80)降解以允许所述第一化学物质(62、72、82)与所述第二化学物质(63、73、83)接触并进行反应。
6.如权利要求3所述的方法，其中所述容器(60、80)嵌入在所述基体材料(68、75、98)中。
7.如权利要求3所述的方法，其中所述井下制品(50)具有凹部(99)，并且所述容器(60、80)设置在所述凹部(99)中。
8.如权利要求3所述的方法，其中所述容器(60、80)附接到由所述基体材料(68、75、98)形成的部件。
9.如权利要求1至8中任一项所述的方法，其中所述基体材料(68、75、98)包括Zn、Mg、Al、Mn、其合金或包括前述至少一者的组合。
10.如权利要求3至8中任一项所述的方法，其中所述容器(60、80)由金属材料形成，所述金属材料包括Zn、Mg、Al、Mn、其合金或包括前述至少一者的组合。
11.如权利要求3至8中任一项所述的方法，其中所述容器(60、80)由聚合物材料形成，所述聚合物材料包括聚乙二醇、聚丙二醇、聚乙醇酸、聚己内酯、聚对二氧环己酮、聚羟基脂肪酸酯、聚羟基丁酸酯、其共聚物或包括前述至少一者的组合。
12.一种井下制品(50)，所述井下制品的特征在于：
基体材料(68、75、98)；
第一化学物质(62、72、82)；以及
第二化学物质(63、73、83)，所述第二化学物质与所述第一化学物质(62、72、82)物理地隔离，
其中所述第一化学物质(62、72、82)与所述第二化学物质(63、73、83)在组合时进行反应，以生成加速所述基体材料(68、75、98)在井下流体中降解的酸、盐、热或包括前述至少一者的组合。
13.如权利要求12所述的井下制品(50)，所述井下制品的特征还在于容器(60、80)，所述容器包括所述第一化学物质(62、72、82)和所述第二化学物质(63、73、83)，所述容器(60、80)具有将所述第一化学物质(62、72、82)与所述第二化学物质(63、73、83)分开的分隔件(61、81)，其中任选地以下条件中的一者适用：
所述容器(60、80)嵌入在所述基体材料(68、75、98)中；
所述井下制品(50)具有凹部(99)，并且所述容器(60，80)设置在所述凹部(99)中；或者
所述容器(60、80)附接到所述井下制品(50)。
14.如权利要求12所述的井下制品(50)，其中所述井下制品(50)具有在所述基体材料(68、75、98)中形成的两个单独且相邻的隔室(77、78)，一个隔室(77)容纳所述第一化学物质(62、72、82)并且另一个隔室容纳所述第二化学物质(63、73、83)。
15.如权利要求13所述的井下制品(50)，所述井下制品的特征还在于爆炸装置(64)，所述爆炸装置被配置成崩解所述容器(60、80)、所述分隔件(61、81)或这两者。
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