CN111902602A - 用于井下应用的高性能含氟弹性体粘结密封件 - Google Patents
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Abstract
一种粘结密封件包括金属合金基底、粘结剂和经由所述粘结剂粘结到所述金属合金基底的至少一部分上的全氟弹性体。
Description
相关申请的交叉引用
本申请基于并要求于2018年3月21日提交的美国临时专利申请序列号62/646,355的优先权，该申请以引用方式并入本文。
背景技术
各种类型的弹性体用于井下应用中的密封。适当的弹性体材料的选择取决于机械应用和井下环境。
发明内容
公开了一种粘结密封件。更具体地，公开了一种全氟弹性体粘结密封件。还公开了各种其他设备、系统、方法、复合结构等。
提供本发明内容是为了介绍将在以下具体实施方式中进一步描述的概念选择。本发明内容既不意在识别所要求保护主题的关键或必要特征，也不意在用来帮助限制所要求保护主题的范围。
附图说明
通过参考结合附图进行的以下描述，可以更容易地理解所描述的实现方式的特征和优点。
图1示出了不同的弹性体类型。
图2a示出了粘结密封件的剖面透视图。
图2b示出了图2a的粘结密封件的端部。
图3a示出了根据一个实施方案的包括FFKM的粘结密封件的剖面透视图。
图3b示出了图3a的包括FFKM的粘结密封件的端部。
图4a示出了根据一个实施方案的包括FFKM的粘结密封件的剖面透视图。
图4b示出了图4a的包括FFKM的粘结密封件的端部。
图5示出了根据一个实施方案的包括FFKM的粘结密封件的端部。
图6示出了根据一个实施方案的包括FFKM的粘结密封件的端部。
图7示出了根据一个实施方案的包括FFKM的粘结密封件的端部。
具体实施方式
以下描述包括目前设想用于实践所描述的实现方式的最佳模式。该描述不是限制性的，而仅仅是为了描述实现方式的一般原理。应参考所发布的权利要求确定所描述的实现方式的范围。
作为示例，可处理一种或多种材料以形成处理后的材料。在此类示例中，可对处理后的材料进行压缩、机加工、成形等以产生一个或多个零件。作为示例，零件可以是部件或部件的一部分。零件可被包括在装置中，该装置可适合在诸如井下环境的环境中使用。作为示例，装置可以是钻井装置、固井装置、压裂装置、采样装置或其他类型的装置。作为示例，装置可以是钻孔装置。作为示例，工具可以是例如适于在钻孔的井下环境中执行一个或多个功能的钻孔工具。
作为示例，装置可包括一个或多个弹性体部件。弹性体可被定义为以至少一定量的粘弹性(例如，粘度和弹性)为特征的聚合物材料。作为示例，与各种其他材料相比，弹性体可具有相对低的杨氏模量和例如相对高的失效应变。弹性体的示例是橡胶，其可包括硫化橡胶。
弹性体的特征在于是在高于其玻璃化转变温度下存在的无定形聚合物材料，例如使得相当大的链段运动是可能的。因此，在环境温度下，橡胶相对柔软(例如，考虑约3MPa的杨氏模量“E”)并且可变形。
弹性体可用作例如密封件、粘合剂、模制的柔性零件等。作为示例，弹性体可以是阻尼元件、绝缘元件、密封元件等。
作为示例，密封元件可任选地除了一种或多种其他材料之外还包括弹性体。作为示例，部件可包括相对刚性的材料和为弹性体的材料。例如，考虑其中弹性体覆盖金属或金属合金结构的至少一部分的部件。在此类示例中，弹性体可赋予可有助于部件的操作、功能等的表面特性。
在弹性体中，单体可连接以形成骨架、链、网络等。作为示例，弹性体可包括碳、氢、氧和硅中的一种或多种。现在参考图1，示出了不同的弹性体类型。例如，考虑腈橡胶，也称为Buna-N、Perbunan、丙烯腈丁二烯橡胶和NBR，其是丙烯腈(ACN)和丁二烯的合成橡胶共聚物。因此，NBR包括碳基骨架(例如，链)。丁腈橡胶(NBR)是一类2-丙烯腈与例如各种丁二烯单体(1,2-丁二烯和1,3-丁二烯)的不饱和共聚物。NBR倾向于耐油、耐燃油和各种其他化学品，其中随着聚合物内腈的增加，耐油性倾向于更高，然而，材料柔韧性更低。
NBR倾向于具有优异的机械特性和柔性配方。因此，NBR可用于石油和流体、油脂和油以及水/乙二醇流体的环境中的通用密封。然而，因为NBR受限于酸性环境和重质盐水，所以NBR通常不用于含有硫化氢(H2S)、强碱(例如高pH完井盐水，＞10)、溴化锌、强酸或硝基烃(例如胺、硝基苯、苯胺)的环境中。此外，NBR通常不耐臭氧、日光或天气。
仍然参考图1，另一种类型的弹性体是氢化丁腈橡胶或HNBR，其可通过NBR与氢反应而形成。即，HNBR是NBR(腈)家族的一个子组。作为示例，一种方法可包括生产一种乳液聚合的NBR，将该NBR溶解在一种适当的溶剂中并且然后在指定的温度和压力下将氢气与贵金属催化剂一起添加以引起选择性氢化，该选择性氢化产生作为“高度饱和腈”(HSN)聚合物的HNBR。
HNBR可在275℉至325℉的温度范围内继续起作用。此外，HNBR可在高达350℉的温度下短时间内起作用。虽然HNBR在H2S环境中比NBR表现更好，但其性能是有限的。HNBR在胺环境中比NBR表现更好。如果正确配制，HNBR具有优异的机械特性。
仍然参考图1，另一种类型的弹性体是FKM，如本领域技术人员所理解的，FKM是含氟弹性体的ASTM命名，含氟弹性体是一类氟化的碳基合成橡胶。FKM可在300℉至最高温度450℉范围内的温度下继续起作用。因此，FKM具有比NBR和HNBR更高的额定温度。由于其耐油特性，FKM被推荐用于原油、石油、二酯基润滑剂、硅酸酯基润滑剂、硅氧烷流体和润滑脂、卤代烃(例如氟利昂、三氯乙烯)、精选磷酸酯流体和酸。FKM表现出优异的耐空气和耐氧气性以及耐高温性。FKM也耐H2S。然而，FKM与胺基抑制剂、蒸汽或高pH(＞9)溶液不兼容。因此，例如，如果避免高pH环境，FKM可用于无胺基抑制剂的酸性环境。此外，FKM不适用于含有酮(例如MEK、丙酮)、skydrol流体、胺、UDHM、无水氨、低分子量酯和醚、或热氢氟酸或氯磺酸的环境。FKM的一个示例品牌是Viton。
仍然参考图1，另一种类型的弹性体是Aflas(Asahi Glass Co.)(其是四氟乙烯和丙烯的共聚物的商品名)或FEPM。取决于化合物和等级两者，FEPM可在40℉至+450℉的温度范围内起作用。然而，在超过5000psi的压力下，包括FEPM的O形环或压缩密封件在75℉以下可能不起作用。因为FEPM耐H2S，所以其可用于酸性环境。此外，FEPM对暴露于空气和氧气表现出优异的耐劣化性。FEPM还耐高温、耐胺基产物、耐蒸汽以及高pH(＞9)溶液和流体。然而，FEPM在低温下表现不良，具有不良的耐挤出性使得必须同时使用抗挤出装置，并且在高温下表现出不良的机械特性。此外，FEPM在芳族溶剂中表现出高溶胀性。
仍然参考图1，
和
是全氟弹性体或FFKM的品牌，FFKM包括类似于全氟甲基乙烯基醚和四氟乙烯的共聚物。取决于化合物和等级两者，FFKM可在-40℉至+600℉的温度范围内起作用。然而，在超过5000psi的压力下，包括FFKM的O形环或压缩密封件在75℉以下可能不起作用。FFKM是最惰性的含氟聚合物，在高温下具有良好的化学状态。然而，FFKM表现出较不良的低温性能、不良的耐挤出性和不良的机械特性。而且，FFKM不能用于模制厚零件，而且非常昂贵。FFKM不适合包括液氧、极端氧化剂、热氟气体和热氢氟酸的环境。
作为示例，密封系统可包括弹性体和金属部件。例如，密封系统可在设备诸如封隔器与完井中的生产油管之间提供防漏密封。密封系统可用于生产井、注入井和防砂完井应用中。该密封系统可包括具有弹性体材料的粘结密封件，该弹性体材料基于装置应用以及井下环境的温度和化学性质来选择。粘结密封件可承受碎屑、油管运动以及在压力下卸载密封件的损坏。
现在参考图2a，示出了粘结密封件的剖面透视图。图2b示出了图2a的粘结密封件的端部。例如，图2a和图2b示出了标准的粘结密封件200，其包括金属基底202和粘结到金属基底202的每一侧上的弹性体204。根据本公开的一个或多个实施方案，除了或替代被粘结到金属基底202的每一侧上，弹性体204可被粘结到金属基底202的内径上。例如，弹性体204可以是本公开中描述的任何弹性体，包括腈、HNBR或FKM。
图3a示出了根据一个实施方案的包括FFKM的粘结密封件的剖面透视图。图3b示出了图3a的包括FFKM的粘结密封件的端部。例如，图3a和图3b示出了标准的FFKM粘结密封件300，其包括金属基底302和粘结到金属基底302的每一侧上的FFKM弹性体304。根据本公开的一个或多个实施方案，除了或替代被粘结到金属基底302的每一侧上，FFKM弹性体304可被粘结到金属基底302的内径上。例如，金属基底302可以是金属环。根据一个或多个实施方案，金属基底302可以是具有以下中的至少一种的金属合金：13％铬钢(13Cr)、316不锈钢、镍基钢合金(例如，
825、Hastelloy合金、
925等)、9Cr/1Mo钢、碳合金钢、L-80/N-80、1Cr等同物、25Cr、718，或任何其他钢基底。
仍然参考图3a和图3b，如前所述，FFKM弹性体304可以是
或任何其他具有比FKM和FEPM更高的氟化物含量的弹性体或全氟弹性体。例如，FFKM弹性体304可测量高达约2.67英寸至约7.125英寸。此外，在一个或多个实施方案中，FFKM弹性体304可在350℉下被评定高达15,000psi。
仍然参考图3a和图3b所示，可使用粘结剂将FFKM弹性体304粘结到金属基底302。例如，粘结剂可包括粘合剂和底漆中的至少一种。在一个或多个实施方案中，粘结剂可以是与
底漆结合的
粘合剂。在一个或多个实施方案中，粘结剂可设置在金属基底302的表面上。在其他实施方案中，可用粘结剂浸渍FFKM弹性体304。
仍然参考图3a和图3b，FFKM弹性体304可包括固化剂。在一个或多个实施方案中，固化剂可包括过氧化物(2,5二甲基2,5二(叔丁基过氧)己烷(DBPH)。在其他实施方案中，FFKM弹性体304还可包括助剂，诸如三烯丙基异氰酸酯(TAIC)。然而，包括在FFKM弹性体中的固化剂不受限制，并且FFKM弹性体还可包括另一种固化体系，诸如双酚固化体系和/或二胺型固化剂。
图4a示出了根据一个实施方案的包括FFKM的粘结密封件的剖面透视图。图4b示出了图4a的包括FFKM的粘结密封件的端部。例如，图4a和图4b示出了带肋FFKM粘结密封件400，其包括金属基底402和粘结到金属基底402的每一侧上的带肋FFKM弹性体404。根据本公开的一个或多个实施方案，除了或替代被粘结到金属基底402的每一侧上，FFKM弹性体404可被粘结到金属基底402的内径上。例如，带肋FFKM粘结密封件400可具有4英寸的尺寸，并且可在250℉下被评定高达12.500psi。有利地，带肋FFKM粘结密封件400可提供额外的金属支撑以控制带肋FFKM弹性体404的流动，以及提供用于将带肋FFKM弹性体404粘结到金属基底402的额外表面积。
仍然参考图4a和图4b，例如，金属基底402可以是金属环。根据一个或多个实施方案，金属基底402可以是具有以下中的至少一种的金属合金：13％铬钢(13Cr)、316不锈钢、镍基钢合金(例如，
825、Hastelloy合金、
925等)、9Cr/1Mo钢、碳合金钢、L-80/N-80、1Cr等同物、25Cr、718，或任何其他钢基底。
仍然参考图4a和图4b，如前所述，带肋FFKM弹性体404可以是
或任何其他具有比FKM和FEPM更高的氟化物含量的弹性体或全氟弹性体。此外，如先前实施方案中所描述的，带肋FFKM弹性体404可用粘结剂粘结到金属基底402上。此外，带肋FFKM弹性体404可包括如先前实施方案中所述的固化剂。
图5示出了根据一个实施方案的包括FFKM的粘结密封件的端部。例如，图5示出了FFKM粘结密封件500，其包括金属基底502和夹在金属基底502的两个硬端部之间的FFKM弹性体504。根据本公开的一个或多个实施方案，除了或代替被夹在金属基底502的两个硬端部之间，FFKM弹性体504可被粘结到金属基底502的内径上。例如，金属基底502可以是金属环。根据一个或多个实施方案，金属基底502可以是以下中的至少一种：13％铬钢(13Cr)、316不锈钢、镍基钢合金(例如，
825、Hastelloy合金、
925等)或9Cr/1Mo钢，或任何其他钢基底。此外，如前所述，FFKM弹性体504可以是
或任何其他具有比FKM和FEPM更高的氟化物含量的弹性体或全氟弹性体。此外，如先前实施方案中所描述的，FFKM弹性体504可用粘结剂粘结到金属基底502上。此外，FFKM弹性体504可包括如先前实施方案中所述的固化剂。
图6示出了根据一个实施方案的包括FFKM的粘结密封件的端部。例如，图6示出了FFKM粘结密封件600，其包括金属基底602、粘结到金属基底602的每个端部上的FFKM弹性体604、以及固定到金属基底602上用于支撑每个FFKM弹性体604的PEEK环606。有利地，PEEK环606可允许较小的挤出间隙。此外，PEEK环606在井下应用中可表现出耐高温、耐腐蚀、耐热降解和耐化学性。根据本公开的一个或多个实施方案，除了或代替被粘结到金属基底602的每个端部，FFKM弹性体604可被粘结到金属基底602的内径上。
仍然参考图6，例如，金属基底602可以是金属环。根据一个或多个实施方案，金属基底602可以是以下中的至少一种：13％铬钢(13Cr)、316不锈钢、镍基钢合金(例如，
825、Hastelloy合金、
925等)或9Cr/1Mo钢，或任何其他钢基底。
仍然参考图6，如前所述，FFKM弹性体604可以是
或任何其他具有比FKM和FEPM更高的氟化物含量的弹性体或全氟弹性体。此外，如先前实施方案中所描述的，FFKM弹性体604可用粘结剂粘结到金属基底602上。此外，FFKM弹性体604可包括如先前实施方案中所述的固化剂。
图7示出了根据一个实施方案的包括FFKM的粘结密封件的端部。例如，图7示出了FFKM粘结密封件700，其包括金属基底702、粘结到金属基底702的每个端部的FFKM弹性体704、以及模制到FFKM弹性体704的边缘中的弹簧706。有利地，弹簧706有助于使相对于FFKM粘结密封件700的潜在挤出最小化。模制到FFKM弹性体704的边缘中的物体不限于弹簧。在其他实施方案中，物体可以是金属环或其他外来物体。根据本公开的一个或多个实施方案，除了或代替被粘结到金属基底702的每个端部，FFKM弹性体可被粘结到金属基底702的内径上。
有利地，根据本公开的一个或多个实施方案的包括FFKM弹性体的粘结密封件在化学暴露之后表现出强的粘结强度，并且可在静态和动态密封应用中继存。例如，根据一个或多个实施方案的FFKM粘结密封件可用于完井、人工举升、电缆、测试、射孔工具或海底作业中的若干井下应用。
根据一个或多个实施方案，FFKM粘结密封件被选择以应用于高酸性环境(例如，高H2S浓度)中，尤其是用于含有高浓度芳族溶剂(例如二甲苯、甲苯)和具有高浓度缓蚀剂的环境中。诸如NBR/HNBR、FKM或AFLAS的其他弹性体类型不能提供根据本公开的一个或多个实施方案的FFKM粘结密封件的功能。实际上，根据一个或多个实施方案的FFKM粘结密封件的粘结技术/粘结密封设计表现出良好的机械特性和强的抗挤出能力。
有利地，FFKM弹性体粘结密封件的性能可通过例如增加用于粘结的密封件的表面积、扩展金属基底特征以防止撕裂/挤出、将弹簧或外来物体粘结到FFKM弹性体内以使挤出最小化、或这些特征的任何组合来进一步增强。
结论
虽然上面只详细描述了几个示例，但是本领域技术人员应当容易理解，在示例中可以进行许多修改。因此，所有此类修改意图包括在如所附权利要求中所限定的本公开的范围内。在权利要求中，手段附加功能条款意图覆盖本文描述的执行所述功能的结构，而不仅仅是结构等同物，还包括等同结构。因此，尽管钉子和螺钉可能不是结构等效物，因为钉子采用圆柱形表面来将木制零件固定在一起，而螺钉采用的是螺旋形表面，但是在紧固木制零件的环境下，钉子和螺钉可能是等效结构。本申请人的表达意图不是援引35U.S.C.§112第6段以对本文的任一项权利要求进行任何限制，某项权利要求明确地使用词语“用于……的装置”连同相关功能的那些限制除外。
Claims (20)
1.一种粘结密封件，包括：
金属合金基底；
粘结剂；以及
全氟弹性体，所述全氟弹性体经由所述粘结剂粘结到所述金属合金基底的至少一部分上。
2.如权利要求1所述的粘结密封件，其中所述金属合金基底是选自由以下项组成的组中的至少一种：13％铬钢、316不锈钢、镍基钢合金、9Cr/1Mo钢、碳合金钢、L-80/N-80、1Cr等同物、25Cr和718。
3.如权利要求1所述的粘结密封件，其中所述粘结剂包括：粘合剂；和底漆。
4.如权利要求1所述的粘结密封件，其中所述粘结剂设置在所述金属合金基底的表面上。
5.如权利要求1所述的粘结密封件，其中用所述粘结剂浸渍所述全氟弹性体。
6.如权利要求1所述的粘结密封件，其中所述全氟弹性体具有比含氟弹性体和四氟乙烯/丙烯橡胶中的每一种更高的氟化物含量。
7.如权利要求1所述的粘结密封件，还包括固化剂。
8.如权利要求7所述的粘结密封件，其中所述固化剂包括过氧化物。
9.如权利要求1所述的粘结密封件，其中所述全氟弹性体是带肋的。
10.如权利要求1所述的粘结密封件，其中所述全氟弹性体粘结到所述金属合金基底的至少两端。
11.如权利要求10所述的粘结密封件，其中所述全氟弹性体由固定到所述金属合金基底上的PEEK环支撑。
12.如权利要求1所述的粘结密封件，其中所述全氟弹性体粘结到所述金属合金基底上，使得所述全氟弹性体被夹在所述金属合金基底的两端之间。
13.如权利要求1所述的粘结密封件，其中所述全氟弹性体包括模制到所述全氟弹性体的边缘中的弹簧。
14.如权利要求1所述的粘结密封件，其中所述全氟弹性体粘结到所述金属合金基底的至少两侧。
15.一种井下工具，包括如权利要求1所述的粘结密封件。
16.一种制造粘结密封件的方法，包括：
使用粘结剂将全氟弹性体粘结到金属合金基底的至少一部分上。
17.如权利要求16所述的方法，其中所述金属合金基底是选自由以下项组成的组中的至少一种：13％铬钢、316不锈钢、镍基钢合金、9Cr/1Mo钢、碳合金钢、L-80/N-80、1Cr等同物、25Cr和718。
18.如权利要求16所述的方法，其中所述粘结剂包括：粘合剂；和底漆。
19.如权利要求16所述的方法，还包括将所述粘结剂设置在所述金属合金基底的表面上。
20.如权利要求16所述的方法，其中用所述粘结剂浸渍所述全氟弹性体。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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