CN113150750A - 一种用于井下工具的可溶解组件、井下工具及油井钻探、开采及生产系统 - Google Patents
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Abstract
本发明是关于一种用于井下工具的可溶解组件和井下工具，它们应用于石油和天然气钻探、开采及生产等领域。可溶解组件是由含可水解无机化合物的材料制成；含可水解无机化合物的材料包含有可水解无机化合物；可水解无机化合物至少包括可水解的碳化物、氮化物、硫化物或它们的复合化合物中的一种；可水解无机化合物是二元、三元或多元化合物。井下工具包括上述可溶解组件。本发明能够改善石油和天然气钻探、开采和生产中井下作业的工艺过程，并且还可降低成本、提高生产效率。
Description
技术领域
本发明是关于一种用于井下工具的可溶解组件、井下工具及油井钻探、开采及生产系统，它们应用于石油和天然气钻探、开采及生产等领域。
背景技术
在石油和天然气钻探、开采及生产过程中，各种井下工具应用于油和气井(简称油井)的建造，以获取地下蕴藏的油气资源。井下工具通常是由多种组件构成，这些组件又是由各种材料组成的，以实现它们相应的功能。所用材料包括金属和合金、陶瓷、高分子聚合物、碳材料、以及它们的复合材料。通常，井下工具和组件要求具有相当长的使用寿命，而有些则要求相对短的服役时间。
在一些石油和天然气钻探、开采及生产过程中，例如水力压裂，井下工具和组件要求具有相对短的服役时间。一旦这些井下工具和组件完成了它们的功能，它们就需要被除掉，以恢复井道的尺寸，实现油气的产出。传统上利用磨削工序来除掉这些井下工具和组件，但磨削过程不仅耗时、而且昂贵。近年来，为了避免磨削工序，人们开始利用可溶解材料来制备这些井下工具和组件，它们在完成功能后，可自行溶解至井下溶液中，随后随着溶液排出至井外。目前，商业上用于制备井下工具和组件的可溶解材料有铝合金、镁合金以及高分子聚合物，其中，高分子聚合物包括高弹性体如橡胶。
虽然上述合金和高分子聚合物能够用于制备可溶解的井下工具和组件，但是其性能并不令人满意。可溶解材料的性能仍需进一步改进。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种用于井下工具的可溶解组件及井下工具，通过改变井下工具和组件的材料组成，来优化它们的性能，包括力学性能、可溶解性能、以及制备工艺性能。
本发明的技术方案是：
一方面，本发明提供一种用于井下工具的可溶解组件，可溶解组件是由含可水解无机化合物的材料制成；含可水解无机化合物的材料包含有可水解无机化合物；可水解无机化合物至少包括可水解的碳化物、氮化物、硫化物或它们的复合化合物中的一种；可水解无机化合物可以是二元、三元或多元化合物。
进一步地，可水解无机化合物包括但不限于：碳化铝、碳化钙、碳化镁、碳化锰、氮化铝、氮化钙、氮化镁、硫化铝、碳化铝锌、碳化铝镁或它们的复合化合物。
进一步地，可水解无机化合物可以具有各种形状如颗粒状、块状、条状/纤维状等，以及各种尺寸如纳米、微米、甚至毫米数量级。
进一步地，含可水解无机化合物的材料还包含有基体材料，基体材料至少包括金属、合金、陶瓷、高分子聚合物、碳材料或它们的复合材料中的一种；可水解无机化合物的含量不超过含可水解无机化合物的材料重量的50％。
进一步地，含可水解无机化合物材料是一以可水解无机化合物为基体的材料；该材料可以是由可水解无机化合物作为唯一组成组元的材料；也可以是还含有其它组成组元，其它组元是金属、合金、陶瓷、高分子聚合物、碳材料、以及它们的复合材料中的一种；可水解无机化合物的含量至少是以可水解无机化合物为基体的材料重量的50％。
进一步地，可水解无机化合物的含量在含可水解无机化合物的材料中呈梯度分布，包括层状分布。
进一步地，可溶解组件的表面具有包覆涂层，包覆涂层至少包括金属、合金、陶瓷、高分子聚合物、碳材料或它们的复合材料中的一种。
进一步地，金属至少包括铝、镁、锌、铜、钛、锆、镍、钴或铁中的一种；和/或合金至少包括铝合金、镁合金、锌合金、铜合金、钛合金、锆合金、镍合金、钴合金或铁合金包括钢中的一种；和/或陶瓷至少包括碳化物、氮化物、硼化物、氧化物或它们的复合化合物中的一种；和/或高分子聚合物至少包括热固性聚合物、热塑性聚合物、高弹性体或它们的复合化合物中的一种；和/或碳材料包括膨胀石墨、可膨胀石墨、天然石墨、人造石墨或它们的复合组成中的一种。
进一步地，金属、合金、陶瓷、高分子聚合物、碳材料的复合材料是指金属基(包括合金基)、陶瓷基、高分子聚合物基、以及碳基复合材料；它们包含有第二相，第二相至少是金属、合金、陶瓷、高分子聚合物、以及碳相中的一种；碳相可以是无定型碳、天然石墨、碳纤维或者它们的复合相；第二相可以具有各种形状如颗粒状、块状或条状/纤维状等，以及各种尺寸如纳米、微米、甚至毫米数量级。
进一步地，含可水解无机化合物的材料的制备方法包括球磨法、粉末冶金法、混合法、熔渗法、熔炼及铸造法、沉积法、注模成型法、轧制法、挤压法或者热处理法；在上述制备方法中，可水解无机化合物是通过外加、原位自生或者外加和原位自生相结合的方式加入至含可水解无机化合物的材料中的。
进一步地，可溶解组件包括但不限于：封隔器或堵塞的芯轴、间隔环、卡瓦、楔子、扣环、伸缩限制器或倒靴、骡子靴、球、挡板、球座、滑套、射孔枪外壳、固结镖、刮镖、密封件、测井仪器、外壳、释放机构、泵送工具、流入控制装置塞、自动流入控制装置塞、联轴节、连接器、支撑物、封闭体、围笼、锥形靴、造斜器/转向器、暂堵塞、以及它们的任何组合。
第二方面，本发明提供一种井下工具，其包括一个或多个上述的可溶解组件。
进一步地，井下工具包括但不限于：油井隔离设备、射孔工具、固井工具、完井工具、钻井工具、试验工具、钢丝绳工具、电缆工具、自主工具、油管输送射孔工具、转向工具、地下地层隔离设备、以及它们的任何组合。
第三方面，本发明提供一种油井钻探、开采及生产系统，其包括上述的井下工具。
本发明的原理是：
本发明是以含可水解无机化合物的材料制备用于井下工具的可溶解组件和井下工具。可水解无机化合物是指能够与水发生水解反应的无机化合物。本发明中含可水解无机化合物的材料的降解机理是通过材料中可水解无机化合物组元在含水的环境中，发生水解反应，水解反应产物导致材料体积膨胀、产生内应力、引起材料/结构破坏、失去其完整性和连续性，即材料发生降解和溶解，材料中的其它组元可以是不发生水解反应的，仅是发生机械破坏-开裂和/或碎化。
在本发明中，将这些具有降解和溶解性能的含可水解无机化合物的材料称为可溶解材料，其制备的井下工具或组件称为可溶解井下工具或组件。
本发明的优点及有益效果是：
本发明提供了一种用于井下工具的可溶解组件及井下工具，其具有易调控的可溶解性和力学性能等优异的综合性能。可溶解组件是由含可水解无机化合物的材料制备。含可水解无机化合物的材料可以是以可水解无机化合物作为唯一组元的材料；也可以是还含有其它组元的材料，其它组元的材料可以是任何材料。含可水解无机化合物的材料的类型、组成、比重、显微组织、可溶解性及力学性能在很大范围内可以选择和调控，这极大地拓宽了可溶解组件及井下工具所用材料的选择空间，可满足设计需要的理想综合性能。更重要的是，含可水解无机化合物的材料的降解/溶解性能主要取决于温度，而对井下溶液的化学组成不敏感，这对于可溶解井下工具及组件是非常有意义的。因为井下溶液组成十分复杂，它使得现有的可溶解金属材料的行为变得难以控制和预测。本发明的由含可水解无机化合物的材料制备的井下工具和组件的应用，必将改善石油和天然气勘探和生产中井下钻采作业的工艺过程，降低成本、提高生产效率。
附图说明
图1显示了本发明的一种油井钻探、开采及生产系统的示意图；
图2显示了本发明的一种井下工具的例子-压裂堵塞的结构示意图；
图3为实施例1中制备的含Al4C3相的铝合金纽扣试样；
图4为实施例1中含Al4C3相铝合金的显微组织；
图5为实施例1中经室温纯水中浸泡5天后的含Al4C3铝合金试样；
图6为实施例2中经热纯水浸泡6小时后，(a)聚氨酯树脂试样；(b)含30wt％Al4C3的聚氨酯树脂试样。
图中标记的含义：100油井钻探、开采及生产系统；110井下工具；120工具链串；130油井；140地下地层；150井架；160钻机平台；170地表；200压裂堵塞；210压裂堵塞本体；220卡瓦；230机械卡瓦本体；240密封件；250倒靴；260球体；270围笼；280轴向流道孔。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更清楚、透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明是关于石油和天然气钻探、开采及生产用的井下工具和组件，它们中至少包括有一个组件是由含可水解无机化合物的材料制备的。这个由含可水解无机化合物的材料制备的组件是在水溶液中可降解/溶解，具有有限的设计使用寿命。当这个由含有可水解无机化合物的材料制备的组件完成其作用功能后，会在井下含水环境中发生显著地降解/溶解，失去其完整性。
本发明中，井下工具至少包含一个由含可水解无机化合物的材料制备的可溶解组件。井下工具用于各种井下作业，井下作业包括但不限于：激活作业、酸化作业、压裂作业、充填作业、补救作业、射孔作业、近井眼固结作业、钻井作业、完井作业、井处理作业、以及它们的任何组合作业。
本发明中，井下工具至少包含一个由含可水解无机化合物的材料制备的可溶解组件。井下工具包括但不限于：油井隔离设备、射孔工具、固井工具、完井工具、钻井工具、试验工具、钢丝绳工具、电缆工具、自主工具、油管输送射孔工具、转向工具、地下地层隔离设备、以及它们的任何组合。井下工具至少包含一个由含可水解无机化合物的材料制备的可溶解组件，可溶解组件包括但不局限于：封隔器或堵塞的芯轴、间隔环、卡瓦、楔子、扣环、伸缩限制器或倒靴、骡子靴、压裂球、挡板、球座、滑套、射孔枪外壳、固结镖、刮镖、密封件如胶筒、测井仪器、外壳、释放机构、泵送工具、流入控制装置塞、自动流入控制装置塞、联轴节、连接器、支撑物、封闭体、围笼、锥形靴、造斜器/转向器、暂堵塞、以及任何其它的井下工具或组件。
本发明中，井下工具至少包含一个由含可水解无机化合物的材料制备的可溶解组件。井下工具可以是任何类型的油井隔离设备，它用于阻断及密封油井内各段流体，维持它们的压力差，即隔断各压裂区。油井隔离设备可以是直接与油井壁的地层相接触，也可以是与套管、筛网等相接触。油井隔离设备包括但不局限于：压裂堵塞、压裂球、定位球、桥塞、油井封隔器、刮油封隔器、刮油塞、固结塞、基管堵塞、砂网塞、流入控制装置、自动流入控制装置堵塞、油管段、油管柱、以及它们的任何组合。
本发明中，井下工具至少包含一个由含可水解无机化合物的材料制备的可溶解组件。井下工具可以是任何类型的地下地层隔离设备，它是用于导向或隔离井下溶液的。它包括由含可水解无机化合物的材料制备的可溶解组件-暂堵塞。暂堵塞用于地下地层射孔或其它井下作业时，临时堵塞地下地层中的裂缝和/或射孔的。暂堵塞可以是暂堵剂或暂堵球(块)，呈颗粒状、球状或者块状，其尺寸从微米至毫米、甚至几十毫米。它们弥散分布于溶液中，随溶液注入至井下，封堵地下地层中的裂缝和/或射孔，改变井下溶液流向或隔离它们。暂堵塞的应用是属于一井下工序-井处理。
图1示意地显示出一种包含有井下工具110的油井钻探、开采及生产系统100。如图1所示，含钻机平台160的井架150矗立在地表170上。油井130是位于井架150及钻机平台160之下，延伸至地下地层140里。工具链串120从井架150和钻机平台160伸至油井130中。工具链串120可通过机械方式与地表170相连接，例如电缆线、钢丝绳、钻管或者挠性管。井下工具110是通过与其相连的工具链串120置入油井130中的预设位置，以进行井下作业的。井下作业有许多种类，这里仅列出一些例子，如激活作业、酸化作业、压裂作业、充填作业、补救作业、射孔作业、近井眼固结作业、钻井作业、完井作业、以及它们的任何组合作业。
本发明中，井下工具110包括至少一个由含可水解无机化合物的材料制备的可溶解组件，即井下工具110中包含有含可水解无机化合物的材料。井下工具110可以是任何类型的油井隔离设备，它能够阻断及密封油井130内各段流体，维持压力差。油井隔离设备包括但不局限于下面这些例子，如压裂堵塞、压裂球、定位球、桥塞、油井封隔器、刮油封隔器、刮油塞、固结塞、基管堵头、砂网塞、流入控制装置、自动流入控制装置堵塞、油管段、油管柱、以及它们的任何组合。本发明中，井下工具110可以是油井隔离设备、射孔工具、固井工具、完井工具、以及它们的任何组合。井下工具110还可以是钻井工具、试验工具、隔离设备、钢丝绳工具、电缆工具、自主工具、油管输送射孔工具、转向工具、以及它们的任何组合。井下工具110可包括一个或多个由含可水解无机化合物的材料制备的可溶解组件。这样的可溶解组件可包括但不限于下列组件，封隔器或堵塞的芯轴、间隔环、卡瓦、楔子、扣环、伸缩限制器或倒靴、骡子靴、球、挡板、球座、滑套、射孔枪外壳、固结镖、刮镖、密封件如胶筒、测井仪器、外壳、释放机构、泵送工具、流入控制装置塞、自动流入控制装置塞、联轴节、连接器、支撑物、封闭体、围笼、锥形靴、造斜器/转向器、以及任何其它的井下工具或组件。
图1所示的油井钻探、开采及生产系统100仅是本发明可以应用的各种油井系统中的一个例子。因而，本发明的基本思想不局限于所述的油井系统细节及其井下工具和组件。例如，不局限于所述的包含水平段的油井130。所述的油井钻探、开采及生产系统100同样可当成垂直井及倾斜井，这也含括在本发明之内。进一步，工具链串120上悬挂的井下工具110也不局限于单一的井下工具，可以有多个井下工具。
另外，井下工具110也并非一定是由井架150送入油井130中的。实际上，利用任何可以输送井下工具110至油井130中预定位置的设备都含括在本发明之内。井下工具110还可以通过液压方法泵入油井130中。
图2示意地显示一种井下工具-压裂堵塞200，它是图1所示的井下工具110中的一种油井隔离设备，用于激活/压裂作业时油井隔离，阻断及密封油井130内各段流体，维持压力差。图2中的压裂堵塞200可通过工具链串120或者其它方法，将其送入至油井130中的。一般来说，压裂堵塞200包括压裂堵塞本体210、卡瓦220以及密封件240。
压裂堵塞200的本体210包含有贯通的轴向流道孔280。在压裂堵塞本体210的上端有一围笼270，用于把持起单向阀作用的球体260。特别地，球体260可密封轴向流道孔280，阻断液体向下流出，但是允许液体通过轴向流道孔280向上流入。一个或多个卡瓦220置于压裂堵塞本体210周围、位于密封件240的下方。机械卡瓦本体230控制卡瓦220的位置。倒靴250位于压裂堵塞本体210的下端，它在压裂堵塞200送入油井130过程中，起导向和保护作用。
本发明中，压裂堵塞200包括压裂堵塞本体210、卡瓦220以及密封件240，压裂堵塞200的部分组件是由含可水解无机化合物的材料组成。进一步，压裂堵塞本体210、卡瓦220以及密封件240中的一个和多个组件是由一种或多种含可水解无机化合物的材料制备的。例如，球体260、围笼270、机械卡瓦本体230、以及倒靴250中的一个或多个组件是由同种或不同种含可水解无机化合物的材料制备的。需要指出的是，虽然图1所示的井下工具110的构成组件是用压裂堵塞200来阐述的，但是，本发明同样也涵盖了其它由含可水解无机化合物的材料制备的任何井下工具及它们的组件。
可水解无机化合物材料是指能够与水发生水解反应的无机材料。它们的水解反应会导致材料/结构失去完整性和连续性，即材料发生降解和溶解。与现有的可溶解合金及可溶解高分子聚合物材料不同，本发明中含可水解无机化合物的材料的降解机理是通过材料中的可水解无机化合物组元的水解反应，引起材料体积膨胀、产生内应力、导致材料破坏，而材料中的其它组元可以是不发生水解反应的，仅是发生机械破坏-开裂和/或碎化的。
本发明中，井下工具包含有一个或多个由含有可水解无机化合物的材料制备的可溶解组件。可水解无机化合物包括但不限于，可水解的碳化物、氮化物、硫化物等，例如，碳化铝(Al4C3)、氮化铝(AlN)、碳化镁(Mg2C3或MgC2)、氮化镁(Mg3N2)、碳化钙(CaC2)、氮化钙(Ca3N2)、碳化锰(Mn3C)、硫化铝(Al2S3)、碳化铝锌(Al4Zn2C3)、以及碳化铝镁(Al2MgC2)等。可水解无机化合物可以是二元、三元或多元化合物。
本发明中，井下工具包含有一个或多个由含可水解无机化合物的材料制备的可溶解组件。例如，可水解无机化合物是碳化铝(Al4C3)。碳化铝(Al4C3)还可以进一步用合金元素来合金化，形成可水解的复杂碳化物。例如，用锌(Zn)来合金化，形成碳化铝锌(Al4Zn2C3)；用镁(Mg)来合金化，形成碳化铝镁(Al2MgC2)。
碳化铝(Al4C3)是一种由铝和碳组成的二元化合物。它在含水的环境中如水、水溶液、甚至潮湿空气中是不稳定的。Al4C3与水间的化学反应，即水解反应如下：
Al4C3+12H2O→4Al(OH)3+3CH4
该反应生成气相CH4和固相Al(OH)3。固相Al(OH)3的形成会引起大于110％的体积膨胀。体积膨胀产生压应力，利于材料/结构的降解破坏。
类似地，Al4C3可与含氢溶液发生化学反应，例如，Al4C3与盐酸间的化学反应：
Al4C3+12HCl→4AlCl3+3CH4
本发明中，井下工具包含有一个或多个由含可水解无机化合物的材料制备的可溶解组件。例如，可水解无机化合物是氮化铝(AlN)。氮化铝(AlN)可进一步用合金元素来合金化，形成可水解的复杂氮化物。
氮化铝(AlN)是一种由铝和氮组成的二元化合物。它在含水环境如水、水溶液甚至潮湿空气中化学上是不稳定的。AlN与水的化学反应，即水解反应如下：
AlN+3H2O→Al(OH)3+NH3
该反应生成气相NH3和固相Al(OH)3。固相Al(OH)3的形成引起大于150％的体积膨胀。体积膨胀产生压应力，利于材料/结构的降解破坏。
本发明中，井下工具包含有一个或多个由含可水解无机化合物的材料制备的可溶解组件。例如，可水解无机化合物是氮化镁(Mg3N2)。氮化镁(Mg3N2)可进一步用合金元素来合金化，形成可水解的复杂氮化物。
氮化镁(Mg3N2)是一种由镁和氮组成的二元化合物。它在含水环境如水、水溶液甚至潮湿空气中化学上是不稳定的。Mg3N2与水的化学反应，即水解反应如下：
Mg3N2+6H2O→3Mg(OH)2+2NH3
该反应生成气相NH3和固相Mg(OH)2。固相Mg(OH)2的形成会引起大于100％的体积膨胀。体积膨胀产生压应力，利于材料/结构的降解破坏。
可水解无机化合物如Al4C3、AlN及Mg3N2在水溶液中的不稳定性使得它们是可溶解材料潜在的组成组元。它们还具有高的强度和硬度，例如，Al4C3具有高的压缩强度和硬度，其硬度与黄玉相近，达莫尔硬度8级，实际上，它是一种工具上使用的磨料。所有这些性能特点都使其作为可溶解井下工具和组件材料的理想候选组元。
本发明中，井下工具至少包含一个由含可水解无机化合物的金属基材料制备的可溶解组件。这些材料包含有可水解无机化合物和金属基体，其中，可水解无机化合物含量不超过50wt.％(重量百分数)。可水解无机化合物可以具有各种不同的形状，如颗粒状、块状或条状/纤维状，以及不同的尺寸，如毫米级、微米级、甚至纳米级。金属基体可以是铝(Al)、镁(Mg)、锌(Zn)、铜(Cu)、钛(Ti)、锆(Zr)、镍(Ni)、钴(Co)、铁(Fe)、以及以它们为基的合金。除可水解无机化合物外，这些金属基材料还可以含有其它无机第二相，例如，碳(C)、碳化硅(SiC)、碳化硼(B4C)、碳化钛(TiC)、碳化钨(WC)、氧化铝(Al2O3)等。
本发明中，井下工具至少包含一个由含可水解无机化合物的陶瓷基材料制备的可溶解组件。这些材料包含有可水解无机化合物和陶瓷基体，其中，可水解无机化合物含量不超过50wt.％。可水解无机化合物可以有各种不同的形状，如颗粒状、块状或条状/纤维状，以及不同的尺寸，如毫米级、微米级、甚至纳米级。陶瓷基体可以是碳化物、氮化物、硼化物、以及氧化物陶瓷。碳化物包括但不局限于，碳化硅(SiC)、碳化钛(TiC)、碳化锆(ZrC)、碳化钨(WC)。氮化物包括但不局限于，氮化钛(TiN)、氮化铬(CrN)。硼化物包括但不局限于，硼化钛(TiB2)、硼化铬(CrB)、硼化锆(ZrB2)。氧化物包括但不局限于，氧化铝(Al2O3)、氧化硅(SiO2)、氧化锆(ZrO2)。这些含可水解无机化合物的陶瓷基材料还可以含有粘结剂。粘结剂可以是金属、合金、高分子聚合物、碳材料、以及它们的复合材料中的一种或多种。
本发明中，井下工具至少包含一个由含可水解无机化合物的高分子聚合物基材料制备的可溶解组件。这些材料包含有可水解无机化合物和高分子聚合物基体，其中，可水解无机化合物含量不超过50wt.％。可水解无机化合物可以有各种不同的形状，如颗粒状、块状或条状/纤维状，以及不同的尺寸，如毫米级、微米级、甚至纳米级。高分子聚合物基体可以是热固性聚合物、热塑性聚合物、高弹性体、以及它们的任何复合化合物。热固性聚合物包括但不局限于，聚酯树脂、硬质体、环氧树脂、硅树脂、聚脲/聚氨酯、以及酚醛树脂。热塑性聚合物包括但不局限于，聚乳酸、聚碳酸酯、聚醚砜、聚甲醛、聚醚醚酮、聚醚酰亚胺。高弹性体包括但不局限于，天然橡胶、硅弹性体、氟弹性体、聚氨酯弹性体、丁腈橡胶、聚异戊二烯。这些高分子聚合物基材料还可以含有其它无机第二相，例如，碳(C)、碳化硅(SiC)、碳化硼(B4C)、碳化钛(TiC)、碳化钨(WC)、氧化铝(Al2O3)、氧化硅(SiO2)等。
本发明中，井下工具至少包含一个由含可水解无机化合物的碳基材料制备的可溶解组件。这些材料包含有可水解无机化合物和碳材料基体，其中，可水解无机化合物含量不超过50wt.％。可水解无机化合物可以有各种不同的形状，如颗粒状、块状或条状/纤维状，以及不同的尺寸，如毫米级、微米级、甚至纳米级。碳材料基体是碳或者它们的复合材料。碳可以是膨胀石墨、可膨胀石墨、天然石墨、人造石墨或它们的复合组成。碳基复合材料包含有碳基体和第二相。第二相可以是金属/合金、碳相、陶瓷或者它们的复合材料。其中，金属/合金可以是铜(Cu)、铝(Al)、锌(Zn)、钛(Ti)、锆(Zr)、钨(W)、镍(Ni)、钴(Co)、硅(Si)、铬(Cr)、铁(Fe)或者它们的合金；碳相可以是无定型碳、天然石墨、碳纤维或者它们的复合相；陶瓷可以是碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、氧化硅(SiO2)、氮化硼(BN)或者它们的复合化合物。
本发明中，井下工具至少包含一个以可水解无机化合物为基的材料制备的可溶解组件。这些材料中可水解无机化合物含量至少为50wt.％。它们可以是可水解无机化合物作为唯一组元的材料，也可以包含有其它组元。其它组元可以是金属、合金、陶瓷、高分子聚合物、碳材料、以及它们的复合材料。金属和合金可以是铝(Al)、镁(Mg)、锌(Zn)、铜(Cu)、钛(Ti)、锆(Zr)、镍(Ni)、钴(Co)、铁(Fe)、以及以它们为基的合金。陶瓷可以是碳化物、氮化物、硼化物、氧化物、以及它们的复合化合物。碳化物包括但不局限于，碳化硅(SiC)、碳化钛(TiC)、碳化锆(ZrC)、碳化钨(WC)。氮化物包括但不局限于，氮化钛(TiN)、氮化铬(CrN)。硼化物包括但不局限于，硼化钛(TiB2)、硼化铬(CrB)、硼化锆(ZrB2)。氧化物包括但不局限于，氧化铝(Al2O3)、氧化硅(SiO2)、氧化锆(ZrO2)。高分子聚合物可以是热固性聚合物、热塑性聚合物、高弹性体、以及它们的任何复合化合物。热固性聚合物包括但不局限于，聚酯树脂、硬质体、环氧树脂、硅树脂、聚脲/聚氨酯、以及酚醛树脂。热塑性聚合物包括但不局限于，聚乳酸、聚碳酸酯、聚醚砜、聚甲醛、聚醚醚酮、聚醚酰亚胺。高弹性体包括但不局限于，天然橡胶、硅弹性体、氟弹性体、聚氨酯弹性体、丁腈橡胶、聚异戊二烯。可水解无机化合物可以有各种不同的形状，如颗粒状、块状或条状/纤维状，以及不同的尺寸，如毫米级、微米级、甚至纳米级。碳材料可以是膨胀石墨、可膨胀石墨、天然石墨、人造石墨或它们的复合组成。金属、合金、陶瓷、高分子聚合物及碳材料的复合材料是分别指金属基(包括合金基)、陶瓷基、高分子聚合物基、以及碳基复合材料。它们包含有第二相。第二相是从金属/合金、陶瓷、以及碳相中选取。其中，金属/合金可以是铜(Cu)、铝(Al)、锌(Zn)、钛(Ti)、锆(Zr)、钨(W)、镍(Ni)、钴(Co)、硅(Si)、铬(Cr)、铁(Fe)或者它们的合金；陶瓷可以是碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、氧化硅(SiO2)、氮化硼(BN)或者它们的复合化合物。碳相可以是无定型碳、天然石墨、碳纤维或者它们的复合相。
本发明中，井下工具至少包含一个由含梯度分布的、可水解无机化合物的材料制备的可溶解组件。这些材料包含有可水解无机化合物和其它材料。可水解无机化合物的含量在其它材料中呈梯度分布，包括层状分布。例如，可水解无机化合物的含量从组件表面至心部是逐渐增加的，反之亦然，其目的是取得设计的降解/溶解速度。其它材料可以是金属、合金、高分子聚合物、碳材料、以及它们的复合材料。可水解无机化合物可以有各种不同的形状，如颗粒状、块状或条状/纤维状，以及不同的尺寸，如毫米级、微米级、甚至纳米级。
本发明中，井下工具至少包含一个具有包覆涂层的、含可水解无机化合物的材料制备的可溶解组件。包覆涂层具有不同于含可水解无机化合物的材料的降解/溶解速率。包覆涂层改变了由含可水解无机化合物的材料制备的可溶解组件的降解/溶解速率，以满足设计的要求。包覆涂层可以是金属、合金、陶瓷、高分子聚合物、碳材料、以及它们的复合材料。各种涂覆技术可用于制备这种包覆涂层，例如，各种冷/热喷涂、物理气相沉积、化学气相沉积、激光沉积、等离子转移弧沉积、涂漆、镀覆及熔渗等。
本发明中，含可水解无机化合物的材料的制备方法包括球磨法、粉末冶金法、混合法、熔渗法(浸渗法)、熔炼及铸造法、沉积法、注模成型法、轧制法、挤压法或者热处理法。在这些制备方法中，可水解无机化合物可以是通过外加的、原位自生的、或者两者的结合方式加入至材料中的。外加方法就是以可水解无机化合物作为原材料，可水解无机化合物弥散地混入基体中，或者是通过基体或粘结剂将其粘结在一起。原位自生方法是在制备过程中，通过化学反应，在基体材料内生成可水解无机化合物。例如，在熔炼时的铝熔体或者热处理时的铝基体中，铝与碳间或者铝与碳化硅间发生化学反应，形成Al4C3相。
下面所给出的实施例仅是对本发明的进一步描述，权利要求包括但不限于所述的实施例内容。
实施例1：原位形成含碳化铝(Al4C3)的铝合金
工业纯铝、纯铁、以及含4.0wt.％C的铸铁作为原材料。铝合金的目标成分为50wt.％Al、49.5wt.％Fe、0.5wt.％C。按目标成分配制原材料。材料熔炼制备是在非自耗真空电弧炉中进行的，制备了纽扣状铝合金试样，见图3。该纽扣状铝合金试样的金相观察如图4所示，图4中表明，针状/块状Al4C3相原位形成，均匀分布于基体中。如果合金中的C全部与Al反应、形成Al4C3相，计算表明，该铝合金中Al4C3相的含量为2wt.％。
在室温下，将纽扣状含Al4C3相铝合金试样浸入盛有纯水的烧杯中，进行水解实验。浸泡5天后，试样碎化成粉末，显示出可降解/溶解性能，见图5。
含Al4C3相铝合金适合制备用于高、中、低温油井的各种井下工具和组件，例如，压裂堵塞及其压裂球等。
实施例2：外加法制备含碳化铝(Al4C3)的聚氨酯树脂基材料
可铸聚氨酯树脂(EasyFlo 60)和15微米粒度(D50)的Al4C3粉末作为原材料。EasyFlo 60是从Brick In The Yard(BITY)(www.brickintheyard.com)购买。EasyFlo 60包括两种材料(两瓶)，即液体A和液体B，使用比例是1:1(体积比)。EasyFlo 60的工作时间是2-2.5分钟，脱模时间15-30分钟。制备了两种EasyFlo 60材料试样，一是纯EasyFlo 60铸块，另一是含Al4C3相铸块。含Al4C3相铸块有两种Al4C3含量，即30wt.％和40wt.％。纯EasyFlo 60铸块的制备是将液体A和液体B按1:1体积比混合，连续搅拌1分钟，然后浇注至模具中。含Al4C3相的EasyFlo 60铸块的制备是先将液体A与一定重量的Al4C3粉末混合，充分搅拌一段时间，然后，按1:1的液体A与液体B比例，加入液体B，连续搅拌1.5-2分钟，浇注至模具中。所有的铸块都在室温下固化24小时，制成聚氨酯树脂材料和含Al4C3相的聚氨酯树脂基材料。
将纯EasyFlo 60(聚氨酯树脂)铸块和含Al4C3相的EasyFlo 60(含Al4C3相的聚氨酯树脂基材料)铸块试样浸入盛有纯水的烧杯中，置于电炉上加热，进行95-100℃热水水溶解实验。浸泡6小时后，含有30wt.％和40wt.％Al4C3相的聚氨酯树脂基材料铸块试样都发生显著地开裂，而纯聚氨酯树脂试样完好，表面无任何变化，见图6。这表明含Al4C3相的聚氨酯树脂基材料具有可降解/溶解性能。
含Al4C3相高分子聚合物基材料适合制备用于中、低温油井的各种井下工具和组件，例如，压裂堵塞及其密封件如胶筒等。
本发明的优点在于，为可溶解井下工具和组件提供了易调控可溶解性、力学性能、以及制备方便等优异综合性能的含可水解无机化合物的材料。可水解无机化合物本身可以制成陶瓷材料，也可与其它几乎任何材料结合制成各种含可水解无机化合物的材料，该其它材料包括但不限于金属/合金基、陶瓷基、高分子聚合物基、以及碳基材料。含可水解无机化合物的材料的类型、组成、比重、显微组织及其性能在很大范围内可以选择和调控，这极大地拓宽了可溶解组件及井下工具所用材料的选择空间，可满足设计需要的理想综合性能。更重要的是，含可水解无机化合物的材料的降解/溶解性能主要取决于温度，而对井下溶液的化学组成不敏感，这对于可溶解井下工具和组件是非常有意义的，因为井下溶液组成十分复杂，它使得现有的可溶解金属材料的行为变得难以控制和预测。无疑，本发明的由含可水解无机化合物的材料制备的可溶解组件及其井下工具的应用，必将改善石油和天然气钻探、开采和生产中井下作业的工艺过程，降低成本、提高生产效率。
需要理解到的是，以上所述仅是本发明实施方式之一，对于本领域普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可作出若干改进和润色，这些改进和润色也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种用于井下工具的可溶解组件，其特征在于：所述的可溶解组件是由含可水解无机化合物的材料制成；
所述的含可水解无机化合物的材料包含有可水解无机化合物；
所述的可水解无机化合物至少包括可水解的碳化物、氮化物、硫化物或它们的复合化合物中的一种；
所述的可水解无机化合物是二元、三元或多元化合物。
2.根据权利要求1所述的可溶解组件，其特征在于：所述的可水解无机化合物至少包括碳化铝、碳化钙、碳化镁、碳化锰、氮化铝、氮化钙、氮化镁、硫化铝、碳化铝锌、碳化铝镁或它们的复合化合物中的一种。
3.根据权利要求1所述的可溶解组件，其特征在于：所述的含可水解无机化合物的材料还包含有基体材料，所述的基体材料至少包括金属、合金、陶瓷、高分子聚合物、碳材料或它们的复合材料中的一种。
4.根据权利要求1所述的可溶解组件，其特征在于：含可水解无机化合物的材料是一以可水解无机化合物为基体的材料；该以可水解无机化合物为基体的材料是由可水解无机化合物作为唯一组成组元的材料；或者是还含有其它组成组元的材料，其它组成组元至少包括金属、合金、陶瓷、高分子聚合物、碳材料或它们的复合材料中的一种。
5.根据权利要求3或4所述的可溶解组件，其特征在于：所述的可水解无机化合物的含量在含可水解无机化合物的材料中呈梯度分布。
6.根据权利要求1所述的可溶解组件，其特征在于：所述的可溶解组件表面具有包覆涂层，所述的包覆涂层至少包括金属、合金、陶瓷、高分子聚合物、碳材料或它们的复合材料中的一种。
7.根据权利要求3或4或6所述的可溶解组件，其特征在于：所述的金属至少包括铝、镁、锌、铜、钛、锆、镍、钴或铁中的一种；和/或
所述的合金至少包括铝合金、镁合金、锌合金、铜合金、钛合金、锆合金、镍合金、钴合金或铁合金包括钢中的一种；和/或
所述的陶瓷至少包括碳化物、氮化物、硼化物、氧化物或它们的复合化合物中的一种；和/或
所述的高分子聚合物至少包括热固性聚合物、热塑性聚合物、高弹性体或它们的复合化合物中的一种；和/或
所述的碳材料至少包括膨胀石墨、可膨胀石墨、天然石墨、人造石墨或它们的复合组成中的一种；和/或
所述的复合材料包含有第二相，第二相至少是金属、合金、陶瓷、高分子聚合物、以及碳相中的一种。
8.根据权利要求1所述的可溶解组件，其特征在于：所述的含可水解无机化合物的材料的制备方法包括球磨法、粉末冶金法、混合法、熔渗法、熔炼及铸造法、沉积法、注模成型法、轧制法、挤压法或者热处理法；在上述制备方法中，可水解无机化合物是通过外加、原位自生或者外加和原位自生相结合的方式加入至含可水解无机化合物的材料中的。
9.一种井下工具，其特征在于：包括一个或多个如权利要求1-8中任一项所述的可溶解组件。
10.一种油井钻探、开采及生产系统，其特征在于：包括如权利要求9所述的井下工具。
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