CN114746621A - 用于衬管悬挂器的反应性金属密封元件 - Google Patents

用于衬管悬挂器的反应性金属密封元件 Download PDF

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Abstract

用于处理井筒的方法。实例方法包含将导管定位于所述井筒中。所述导管为衬管悬挂器或回接衬管。所述导管包含导管主体和安置于所述导管主体上的反应性金属密封元件。所述反应性金属密封元件包含具有第一体积的反应性金属。所述方法进一步包含使所述反应性金属与流体接触，所述流体与所述反应性金属反应以产生具有大于所述第一体积的第二体积的反应产物。所述方法进一步包含使邻近于所述反应性金属密封元件的表面与所述反应产物接触。

Description

用于衬管悬挂器的反应性金属密封元件
相关申请的交叉引用
本国际申请要求2019年12月18日申请的美国非临时专利申请第16/718,727号的优先权和权益，所述美国非临时专利申请案的公开内容以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
本公开涉及反应性金属密封元件的使用，且更具体地说，涉及用于在井筒应用中密封和锚定衬管悬挂器和回接衬管的反应性金属密封元件的使用。
背景技术
在一些井筒操作中，衬管可用衬管悬挂器从套管柱或水泥石层悬置。衬管悬挂器锚定到套管柱或水泥石层的内部并将衬管悬置于套管柱或水泥石层下方。悬置衬管和衬管悬挂器不会像套管柱或水泥石层那样延伸到表面。衬管悬挂器与套管柱或水泥石层形成密封以防止流体从悬置衬管外部流动到其中。替代地，流体流动可因此被引导穿过衬管。在一些井筒操作中，回接衬管可密封到衬管悬挂器。回接衬管延行回到表面且可或不会通过将其封固在适当位置而永久地安装。
密封元件可用于各种井筒应用，包含在衬管悬挂器和回接衬管中和周围形成环形密封件。环形密封件可在密封界面处限制全部或一部分流体和/或压力连通。这些密封元件可将衬管悬挂器和回接衬管密封和锚定到邻近表面，例如套管、水泥石层，或在回接衬管的情况下密封和锚定到衬管悬挂器。一些种类的密封元件包括可溶胀材料，其可在与特定溶胀诱发流体接触时溶胀。
许多种类的前述可溶胀材料包括弹性体。例如橡胶等弹性体在与溶胀诱发流体接触时溶胀。溶胀诱发流体可扩散到弹性体中，其中一部分可保持在弹性体的内部结构内。例如弹性体等可溶胀材料可限于在特定井筒环境(例如，不具有高盐度和/或高温的环境)下使用。本公开提供用于在井筒应用中形成密封的改进设备和方法。
附图说明
下文参考附图详细描述本公开的说明性实例，所述附图以引用的方式并入本文中，且其中：
图1为根据本文中所公开的实例的说明用于穿透地层的井筒的实例管道系统的横截面；
图2为根据本文中所公开的实例的说明图1的实例管道系统的一部分的放大横截面；
图3A为根据本文中所公开的实例的可膨胀衬管悬挂器的横截面；
图3B为根据本文中所公开的实例的图3A的可膨胀衬管悬挂器在其一部分膨胀之后的横截面；
图4为根据本文中所公开的实例的衬管悬挂器的等角说明；
图5为根据本文中所公开的实例的说明用于穿透地层的井筒的实例管道系统的横截面；
图6为根据本文中所公开的实例的说明图5的实例管道系统的一部分的放大横截面；
图7A为根据本文中所公开的实例的在装配有反应性金属密封元件的工艺中的回接衬管的横截面说明；且
图7B为根据本文中所公开的实例的上面装配且模锻有反应性金属密封元件的回接衬管的横截面说明。
所说明的附图仅仅是示例性的且并不意图确证或暗示关于可实施不同实例的环境、架构、设计或工艺的任何限制。
具体实施方式
本公开涉及反应性金属密封元件的使用，且更具体地说，涉及用于在井筒应用中密封和锚定衬管悬挂器和回接衬管的反应性金属密封元件的使用。
在若干说明性实例的以下详细描述中，参考形成其一部分的附图，且其中借助于可实践的说明实例展示。足够详细地描述这些实例以使得所属领域的技术人员能够实践这些实例，且应理解，可利用其它实例，且可在不脱离所公开的实例的精神或范围的情况下进行逻辑结构、机械、电学和化学变化。为了避免对使得所属领域的技术人员能够实践本文中所描述的实例来说并非必要的细节，描述可省略所属领域的技术人员已知的某些信息。因此，以下详细描述不应在限制性意义上理解，且说明性实例的范围仅由所附权利要求书限定。
除非另外指示，否则用于本说明书和相关联权利要求书中的表达成分、性质(例如，分子量)、反应条件等等的量的所有数字应被理解为在所有情况下由术语“约”修饰。因此，除非有相反指示，否则在以下说明书和所附权利要求书中所阐述的数字参数是近似值，这些近似值可取决于本公开的实例试图获得的所要特性而变化。至少，并且不是试图将等效物原则的应用限制到权利要求的范围，每一数值参数至少应该根据所报告的有效数字的数目并通过应用普通的舍入技术来解释。应注意，当“约”在数值列表的开始处时，“约”修饰数值列表的每一数字。此外，在范围的一些数值列表中，所列的一些下限可大于所列的一些上限。所属领域的技术人员将认识到，选定子集将需要选择超过选定下限的上限。
除非另外指定，否则任何形式的术语“连接”、“接合”、“联接”、“附接”或描述元件之间相互作用的任何其它术语的使用并不意味着将相互作用限制为元件之间的直接相互作用并且还可以包含所描述的元件之间的间接相互作用。此外，任何形式的术语“连接”、“接合”、“联接”、“附接”或描述元件之间的相互作用的任何其它术语的任何使用包含整体形成在一起而无额外紧固件或连接装置的辅助的项目。在以下论述中并且在权利要求书中，术语“包含”和“包括”以开放式方式使用，并且因此应解释为意味着“包含但不限于”。除非另外指示，否则如在此文件中所使用，“或”不要求相互排斥性。
术语井上和井下可用于指代各种组件相对于井的底部或末端的位置。举例来说，被描述为从第二组件向井上的第一组件相较于第二组件可更远离井的末端。类似地，被描述为从第二组件向井下的第一组件相较于第二组件可更接近井的末端定位。
本文中所描述的方法和系统的实例涉及包括反应性金属的反应性金属密封元件的使用。如本文中所使用，“密封元件”是指用于形成密封件的任何元件。“密封件”为对液体和/或气体的通路的屏障。在一些实例中，本文中所描述的金属密封元件可形成密封件，其遵守国际标准化组织(ISO)14310:2001/API规范11D1第1版验证标准以用于等级V5：液体测试。反应性金属通过使特定反应诱发流体接触而膨胀以产生体积大于基底反应性金属反应物的反应产物。反应产物的金属体积的增大在反应性金属密封元件与任何邻近表面的界面处产生密封。通过“膨胀(expand/expanding)”或“可膨胀”，意味着当反应性金属与反应诱发流体(如盐水)反应时，反应性金属密封元件增大其体积，由此诱发反应产物的形成。反应产物的形成产生反应性金属密封元件的体积膨胀。有利地，反应性金属密封元件可用于需要不可逆密封的各种井筒应用中。又一优点为反应性金属密封元件可在可不适合用于一些其它种类的密封元件的高盐度和/或高温环境下溶胀。额外优点为反应性金属密封元件包括广泛多种金属和金属合金，且可在与包含各种井筒流体的反应诱发流体接触后膨胀。反应性金属密封元件可用作对其它类型的密封元件(例如，弹性密封元件)的替代物，或其可用作对其它类型的密封元件的备份。一个其它优点为可将反应性金属密封元件放置在现有衬管悬挂器或回接衬管上，而不会影响或调整衬管悬挂器或回接衬管的外径或外部轮廓。另一优点为可在各种衬管悬挂器上使用反应性金属密封元件，包含可膨胀、不可膨胀和剥离种类。
反应性金属通过在反应诱发流体(例如，盐水)存在下进行反应以形成反应产物(例如，金属氢氧化物)而膨胀。所得反应产物相对于基底反应性金属反应物占据更多体积空间。此体积差允许反应性金属密封元件在反应性金属密封元件与任何邻近表面的界面处形成密封。镁可用于说明反应性金属在其经历与反应诱发流体的反应时的体积膨胀。摩尔镁具有24g/mol的摩尔质量和1.74g/cm3的密度，从而产生13.8cm3/mol的体积。氢氧化镁-镁与水性反应诱发流体的反应产物具有60g/mol的摩尔质量和2.34g/cm3的密度，从而产生25.6cm3/mol的体积。25.6cm3/mol的氢氧化镁体积比13.8cm3/mol的摩尔镁体积增大85％。作为另一实例，摩尔钙具有40g/mol的摩尔质量和1.54g/cm3的密度，从而产生26.0cm3/mol的体积。氢氧化钙-钙与水性反应诱发流体的反应产物具有76g/mol的摩尔质量和2.21g/cm3的密度，从而产生34.4cm3/mol的体积。34.4cm3/mol的氢氧化钙体积比26.0cm3/mol的摩尔钙体积增大32％。作为又一实例，摩尔铝具有27g/mol的摩尔质量和2.7g/cm3的密度，从而产生10.0cm3/mol的体积。氢氧化铝-铝与水性反应诱发流体的反应产物具有63g/mol的摩尔质量和2.42g/cm3的密度，从而产生26cm3/mol的体积。26cm3/mol的氢氧化铝体积比10cm3/mol的摩尔铝体积增大160％。反应性金属可包括任何金属或金属合金，其经历反应以形成相较于基底反应性金属或合金反应物具有更大体积的反应产物。
反应性金属的合适金属的实例包含但不限于镁、钙、铝、锡、锌、铍、钡、锰或其任何组合。优选的金属包含镁、钙和铝。
反应性金属的合适金属合金的实例包含但不限于镁、钙、铝、锡、锌、铍、钡、锰或其任何组合的合金。优选的金属合金包含镁-锌、镁-铝、钙-镁或铝-铜的合金。在一些实例中，所述金属合金可包括不是金属的合金元素。这些非金属元素的实例包含但不限于石墨、碳、硅、氮化硼等。在一些实例中，金属经合金化以提高反应性和/或控制氧化物的形成。
在一些实例中，金属合金还与促进腐蚀或抑制钝化且因此增加氢氧化物形成的掺杂剂金属合金化。掺杂剂金属的实例包含但不限于镍、铁、铜、碳、钛、镓、汞、钴、铱、金、钯或其任何组合。
在一些实例中，反应性金属包括氧化物。作为实例，氧化钙在高能反应中与水反应以产生氢氧化钙。一摩尔的氧化钙占据9.5cm3，而一摩尔的氢氧化钙占据34.4cm3。这是摩尔氧化钙相对于摩尔氢氧化钙的260％体积膨胀。适合于反应性金属的金属氧化物的实例可包含但不限于本文所公开的任何金属，包含镁、钙、铝、铁、镍、铜、铬、锡、锌、铅、铍、钡、镓、铟、铋、钛、锰、钴或其任何组合的氧化物。
应理解，选择选定反应性金属以使得所形成的反应性金属密封元件在反应诱发流体中不溶解或以其它方式降解。因而，在反应诱发流体中形成相对不溶性反应产物的反应性金属的金属或金属合金的使用可为优选的。举例来说，氢氧化镁和氢氧化钙反应产物在水中具有极低溶解性。作为替代方案或添加方案，可按约束反应性金属密封元件在反应诱发流体中由于安置有反应性金属密封元件的区域的几何形状的降解的方式定位和配置反应性金属密封元件。这可导致反应性金属密封元件对反应诱发流体的暴露减少，但还可减少反应性金属密封元件的反应产物的降解，由此延长所形成的密封件的寿命。作为实例，密封元件安置于其中的区域的体积可小于安置于所述区域中的反应性金属的可能膨胀体积。在一些实例中，此区域体积可小于反应性金属的膨胀体积的多达50％。替代地，此区域体积可小于反应性金属的膨胀体积的90％。作为另一替代方案，此区域体积可小于反应性金属的膨胀体积的80％。作为另一替代方案，此区域体积可小于反应性金属的膨胀体积的70％。作为另一替代方案，此区域体积可小于反应性金属的膨胀体积的60％。在特定实例中，反应性金属密封元件的一部分可安置于衬管悬挂器或回接衬管的导管主体内的凹部中以将暴露区域仅限制于并不安置于凹部中的反应性金属密封元件的表面部分。
在一些实例中，反应性金属反应的所形成的反应产物可在足够压力下脱水。举例来说，如果金属氢氧化物在足够接触压力下并且阻止由额外氢氧化物形成诱发的进一步移动，那么高压可以诱发金属氢氧化物脱水以形成金属氧化物。作为实例，氢氧化镁可以在足够压力下脱水以形成氧化镁和水。作为另一实例，氢氧化钙可在足够压力下脱水以形成氧化钙和水。作为又一实例，氢氧化铝可在足够压力下脱水以形成氧化铝和水。
反应性金属密封元件可形成于固态溶液过程、粉末冶金过程中，或经由所属领域的技术人员将显而易见的任何其它方法形成。不管制造的方法如何，反应性金属密封元件可在衬管悬挂器心轴或回接衬管心轴上方滑动且经由任何足够的方法保持在适当的位置。压力减小金属元件可以一个实心件或多个离散件放置在心轴上方。一旦处于适当位置，反应性金属密封元件就使用末端环、冲压环、保持环、紧固件、粘合剂、固定螺钉或用于将反应性金属密封元件保持在适当位置的任何其它此类方法保持在适当位置。如上文所论述，可形成反应性金属密封元件，且所述反应性金属密封元件经塑形以装配于现有衬管悬挂器和回接衬管上，且因此可不需要修改衬管悬挂器或回接衬管的外径或轮廓。替代地，衬管悬挂器或回接衬管可被制造以包括可安置有反应性金属密封元件的凹部。凹部可具有足够的尺寸和几何形状以将反应性金属密封元件保持在凹部中。在替代实例中，可将反应性金属密封元件浇铸到衬管悬挂器或回接衬管的导管主体上。在一些替代实例中，当安置于衬管悬挂器或回接衬管的导管主体上时，反应性金属密封元件的直径可减小(例如，通过模锻)。
在一些任选的实例中，反应性金属密封元件可包含可移除的屏障涂层。可移除屏障涂层可用于覆盖密封元件的外表面且防止反应性金属与反应诱发流体的接触。可移除屏障涂层可在密封操作开始时移除。可移除屏障涂层可用于延迟密封和/或防止使用反应性金属密封元件的过早密封。可移除屏障涂层的实例包含但不限于任何种类的塑料壳、有机壳、涂料、可溶涂层(例如，固体镁化合物)、共熔材料或其任何组合。当需要时，可移除屏障涂层可以任何足够的方法从密封元件移除。举例来说，可移除屏障涂层可经由溶解、由改变温度诱发的相变、腐蚀、水解移除或可移除屏障涂层可在特定井筒条件下在所要时间之后经时间延迟且降解。
在一些任选的实例中，反应性金属密封元件可包含可在制造期间作为组合物的一部分添加到反应性金属密封元件的添加剂，或可在制造之后将添加剂涂布到反应性金属密封元件上。添加剂可更改反应性金属密封元件的一个或多个特性。举例来说，添加剂可以改进密封、增加纹理化、改进结合、改进夹持等。添加剂的实例包含但不限于任何种类的陶瓷、弹性体、玻璃、非反应金属等或任何组合。
反应性金属密封元件可用于在接近于反应性金属密封元件的任何邻近表面之间形成密封件。在不受限制的情况下，反应性金属密封元件可用于在套管、地层表面、水泥环或层等上形成密封件。举例来说，反应性金属密封元件可用于在衬管悬挂器的外径与邻近套管的表面之间形成密封件。替代地，反应性金属密封元件可用于在衬管悬挂器的外径与邻近的水泥石层的表面之间形成密封件。作为另一实例，反应性金属密封元件可用于在回接衬管的外径与邻近衬管悬挂器的表面之间形成密封件。此外，多个反应性金属密封元件可用于在邻近表面之间形成多个密封件。
如上文所描述，反应性金属密封元件包括反应性金属，并且因此，它们是非弹性材料。作为非弹性材料，反应性金属密封元件不具有弹性，且因此当与反应诱发流体接触时，其可不可逆地膨胀。即使在从接触移除反应诱发流体之后，反应性金属密封元件也可能不返回到其原始大小或形状。
一般来说，反应诱发流体诱发反应性金属中的反应以形成相较于未反应的反应性金属占据更多空间的反应产物。反应诱发流体的实例包含但不限于盐水(例如，含有溶解于其中的一种或多种盐的水)、卤水(例如，可以由地层产生的饱和盐水)、海水或其任何组合。一般来说，反应诱发流体可来自任何源，其条件是流体不含有可能不合需要地影响密封元件中的其它组分的过量化合物。在盐水、卤水和海水的情况下，反应诱发流体可包括单价盐或二价盐。合适的单价盐可包含例如氯化钠盐、溴化钠盐、氯化钾盐、溴化钾盐等。合适的二价盐可包含例如氯化镁盐、氯化钙盐、溴化钙盐等。在一些实例中，反应诱发流体的盐度可超过10％。有利地，本公开的反应性金属密封元件可能不会受与高盐度流体的接触的影响。得益于本公开的所属领域的一般技术人员应易于能够选择用于诱发与反应性金属密封元件的反应的反应诱发流体。
反应性金属密封元件可用于高温地层，例如，具有温度等于或超过350℉的区的地层中。有利地，本公开的反应性金属密封元件的使用在高温地层中可能不会受到影响。在一些实例中，反应性金属密封元件可在高温地层和高盐度流体两者中使用。在特定实例中，反应性金属密封元件可定位于衬管悬挂器上且用于在与盐度为10％或更高的卤水接触之后形成密封件，同时还安置于温度等于或超过350℉的井筒区域中。
图1为用于穿透地层15的井筒10的实例管道系统(通常为5)的横截面。管道系统5包括表面套管20和从表面30下降的表面水泥环25。管道系统5进一步包括在表面套管20内同心地部署和嵌套的中间套管35和中间水泥环40。尽管仅说明了中间套管35的一个层，但应理解，可在任何实例中部署中间套管35的多于一个层。衬管悬挂器45部署在中间套管35内。衬管悬挂器45可用于将衬管55从中间套管35内悬置。衬管55可以是适合于悬置于井筒10内的任何导管。衬管悬挂器45包括导管主体60。衬管55为并不延行到表面30的导管。衬管悬挂器45密封在中间套管35内，从而允许衬管55在功能上充当中间套管35的延伸部，而不必像单独套管柱那样延伸到表面30。
图2为图1的实例管道系统5的一部分的放大横截面。中间套管35从表面(即，如图1中所说明的表面30)延伸且可使用中间水泥环40保持在适当位置。尽管仅说明了中间套管35的一个层，但应理解，可使用与所需数目一样多的中间套管35的层。中间套管35的任何后续层可彼此同心地嵌套于所说明的中间套管35内。衬管悬挂器45部署在中间套管35内。衬管悬挂器45可以是任何种类的衬管悬挂器且可为可膨胀或不可膨胀的。衬管悬挂器45使衬管(即，如图1中所说明的衬管55)悬置。在反应性金属密封元件50已反应和膨胀之后，衬管悬挂器45使用反应性金属密封元件50锚定到中间套管35。反应性金属密封元件50安置在衬管悬挂器45的导管主体60上和周围。在反应性金属密封元件50已反应和膨胀之后，反应性金属密封元件50与中间套管35的邻近内表面形成外部密封。反应性金属密封元件50在暴露于反应诱发流体之后膨胀。反应性金属密封元件50发生反应以产生上文所描述的膨胀金属反应产物。由于膨胀金属反应产物具有大于未反应的可消耗金属的体积，因此如上文所描述，反应性金属密封元件50能够在中间套管35的邻近表面的界面处膨胀并形成环形密封件。反应性金属密封元件50可继续膨胀直到与邻近表面进行接触为止。所形成的密封件防止井筒流体绕过衬管和衬管悬挂器45。
应清楚地理解，通过图1到2说明的实例实际上仅为本公开的原理的一般应用，且广泛多种其它实例是可能的。因此，本公开的范围不会以任何方式限于本文中所描述的任何图的细节。
图3A为可膨胀衬管悬挂器100的横截面。可膨胀衬管悬挂器100可部署于井筒中，类似于图1和2中所说明的衬管悬挂器45。衬管悬挂器100可经膨胀以增大其直径。膨胀锥体105可穿过衬管悬挂器100的内部以将力施加到衬管悬挂器100的内表面110。所施加力可使衬管悬挂器100的导管主体130向外膨胀，从而增大导管主体130的外径使得导管主体130的外表面135的至少一部分可与邻近套管115的内表面140接触。反应性金属密封元件120可定位在衬管悬挂器100的外表面135周围且使用末端环125保持在适当位置。末端环125还可在反应性金属密封元件120延行深入时保护所述反应性金属密封元件。图3A说明衬管悬挂器100的膨胀的起始。
图3B为可膨胀衬管悬挂器100在其的一部分已经通过膨胀锥体105膨胀之后的横截面。如所说明，反应性金属密封元件120可沿着衬管悬挂器100的导管主体130膨胀。反应性金属密封元件120可在通过末端环125膨胀之后保持在其定向上。在与反应诱发流体反应之后，反应性金属密封元件120可膨胀以填充导管主体130的外表面135或套管115的内表面140中的任何空隙或不规则体。膨胀的反应性金属密封元件120可在衬管悬挂器100的膨胀之后密封衬管悬挂器100与套管115之间剩余的任何接近环形空间。末端环125可产生挤压屏障，从而防止所施加的压力在所述所施加的压力的方向上挤压由反应性金属密封元件120形成的密封件。尽管本文中图3A和3B可将末端环125说明为可膨胀衬管悬挂器100的组件，但应理解，末端环125在本文中所描述的所有实例中为任选组件，且对于本文中所描述的任何种类的衬管悬挂器或回接衬管不必按预期起作用。反应性金属密封元件120可使用其它设备保持在适当位置或可定位在衬管悬挂器100的导管主体130的外表面135上的凹部中以保持其位置。
应清楚地理解，通过图3A到3B说明的实例实际上仅为本公开的原理的一般应用，且广泛多种其它实例是可能的。因此，本公开的范围不会以任何方式限于本文中所描述的任何图的细节。
图4为衬管悬挂器(通常为200)的等角说明。衬管悬挂器200在联接端205处联接到套管内部的密封件且在所述联接端处在套管内部形成密封件。衬管悬挂器200包括导管主体210。反应性金属密封元件215形成外部密封以抵靠套管的表面密封且将衬管悬挂器200锚定到套管。衬管(未说明)可联接到悬置端220且从所述悬置端悬置。弹性密封元件225可定位于反应性金属密封元件215的末端上和之间以在所述所施加的压力的方向上防止所施加压力挤压由反应性金属密封元件215形成的密封件，且还补充反应性金属密封元件215的密封。在一些替代实例中，弹性密封元件225可由其它种类的密封元件，例如非反应性金属密封元件替换。在一些其它替代实例中，弹性密封元件225可由如上文所论述的保持环替换。
在图4的所说明的实例中，反应性金属密封元件215和弹性密封元件225以串联方式交替。应理解，反应性金属密封元件215可自身或与其它组件(例如，其它种类的密封元件或保持元件)结合而以任何图案或配置放置。作为实例，可使用单个反应性金属密封元件215。作为另一实例，可使用多个反应性金属密封元件215。作为另一实例，多个反应性金属密封元件215可与放置在串联末端处的个别其它种类的密封元件或保持元件以串联方式彼此邻近使用。另外，对此实例，多个其它种类的密封元件或保持元件可放置在串联的末端处。作为另一实例，多个反应性金属密封元件215可与其它种类的密封元件或保持元件以串联方式交替。
弹性密封元件225可以是任何种类的可溶胀弹性体。弹性密封元件225可包括所属领域的一般技术人员将想到的任何油可溶胀非金属材料、水可溶胀非金属材料和/或可溶胀非金属材料的组合。可溶胀的弹性密封元件225可在暴露于溶胀诱发流体(例如，油性或水性流体)时溶胀。一般来说，弹性密封元件225可经由扩散溶胀，由此溶胀诱发流体吸收到弹性密封元件225的结构中，其中可保持溶胀诱发流体的一部分。溶胀诱发流体可继续扩散到弹性密封元件225中，从而使得弹性密封元件225溶胀直到其接触邻近表面为止。弹性密封元件225可与反应性金属密封元件215联合工作以在衬管悬挂器200周围形成差动环形密封件。
应清楚地理解，由图4说明的实例实际上仅为本公开的原理的一般应用，且广泛多种其它实例是可能的。因此，本公开的范围不会以任何方式限于本文中所描述的任何图的细节。
图5为用于穿透地层315的井筒310的实例管道系统(通常为305)的横截面。管道系统305包括表面套管320和从表面330下降的表面水泥环325。管道系统305进一步包括在表面套管320内同心地部署和嵌套的中间套管335和中间水泥环340。尽管仅说明了中间套管335的一个层，但应理解，可在任何实例中部署中间套管335的多于一个层。衬管悬挂器345部署于中间套管335内。衬管悬挂器345可用于使衬管(为了清楚起见未说明)从中间套管335内悬置。衬管悬挂器345包括导管主体360。衬管悬挂器345密封在中间套管335内。回接衬管365联接到衬管悬挂器345。回接衬管包括导管主体375。回接衬管365延行到表面330。回接衬管365可为管道系统305的临时或永久性组件。如果回接衬管365将为永久性的，那么其可封固到适当的位置。
图6为图5的实例管道系统305的一部分的放大横截面说明。中间套管335从表面(即，如图5中所说明的表面330)延伸且可使用中间水泥环340保持在适当位置。尽管仅说明了中间套管335的一个层，但应理解，可使用与所需数目一样多的中间套管335的层。中间套管335的任何后续层可彼此同心地嵌套于所说明的中间套管335内。衬管悬挂器345部署于中间套管335内。衬管悬挂器345可以是任何种类的衬管悬挂器且可为可膨胀或不可膨胀的。衬管悬挂器345使衬管(未说明)悬置。在反应性金属密封元件350已反应和膨胀之后，衬管悬挂器345使用反应性金属密封元件350锚定到中间套管335。反应性金属密封元件350安置在衬管悬挂器345的导管主体360上和周围。在反应性金属密封元件350已反应和膨胀之后，反应性金属密封元件350与中间套管335的邻近内表面形成外部密封。
回接衬管365部署在中间套管335的内部内。回接衬管365可以是任何种类的回接衬管。回接衬管365延伸到表面(未说明)。在反应性金属密封元件370已反应和膨胀之后，回接衬管365使用反应性金属密封元件370锚定到衬管悬挂器345。反应性金属密封元件370安置在回接衬管365的导管主体375上和周围。在反应性金属密封元件370已反应和膨胀之后，反应性金属密封元件370与衬管悬挂器345的邻近内表面形成外部密封。
反应性金属密封元件350和370在暴露于反应诱发流体之后膨胀。反应性金属密封元件350和370发生反应以产生上文所描述的膨胀金属反应产物。由于膨胀金属反应产物具有大于未反应的可消耗金属的体积，因此如上文所描述，反应性金属密封元件350和370能够在中间套管335或衬管悬挂器345的邻近表面的界面处膨胀并形成环形密封件。反应性金属密封元件350和370可继续膨胀直到与邻近表面接触为止。所形成的密封件防止井筒流体绕过衬管和衬管悬挂器345或回接衬管365。
应清楚地理解，通过图5到6说明的实例实际上仅为本公开的原理的一般应用，且广泛多种其它实例是可能的。因此，本公开的范围不会以任何方式限于本文中所描述的任何图的细节。
图7A为说明回接衬管400与反应性金属密封元件405的联接的回接衬管400的横截面。回接衬管400可部署于井筒中，类似于图5和6中所说明的回接衬管365。回接衬管400可包括用于密封和锚定到衬管悬挂器的一个或多个反应性金属密封元件405。反应性金属密封元件可在回接衬管400的导管主体410上方滑动。反应性金属密封元件405可定位在导管主体410的外表面420内的凹部415中。替代地，可将反应性金属密封元件405浇铸到导管主体410上。弹性密封元件425或其它种类的密封元件还可安置于导管主体410的外表面420上。
图7B为说明上面装配和模锻有反应性金属密封元件405的回接衬管400的横截面。当一个或多个反应性金属密封元件405定位在凹部415中时，反应性金属密封元件405的直径可按需要减小。可将反应性金属密封元件405模锻到所要直径，使得可不会影响回接衬管400的下钻配置。尽管反应性金属密封元件405说明为与导管主体410的外表面420齐平，但应理解，反应性金属密封元件405可不与外表面420齐平，且可按需要从凹部415延伸出或降低到所述凹部中。
在图7A和7B的所说明实例中，反应性金属密封元件405安置于弹性密封元件425之间。应理解，反应性金属密封元件405可单独或与其它组件(例如，其它种类的密封元件或保持元件)结合而以任何图案或配置放置。作为实例，可使用单个反应性金属密封元件405。作为另一实例，可使用多个反应性金属密封元件405。作为另一实例，多个反应性金属密封元件405可与放置在串联末端处的个别其它种类的密封元件或保持元件以串联方式彼此邻近使用。另外，对此实例，多个其它种类的密封元件或保持元件可放置在串联的末端处。作为另一实例，多个反应性金属密封元件405可与其它种类的密封元件或保持元件以串联方式交替。
弹性密封元件425可以是任何种类的可溶胀弹性体。弹性密封元件425可包括所属领域的一般技术人员将想到的任何油可溶胀非金属材料、水可溶胀非金属材料和/或可溶胀非金属材料的组合。可溶胀的弹性密封元件425可在暴露于溶胀诱发流体(例如，油性或水性流体)时溶胀。一般来说，弹性密封元件425可经由扩散溶胀，由此溶胀诱发流体吸收到弹性密封元件425的结构中，其中可保持溶胀诱发流体的一部分。溶胀诱发流体可继续扩散到弹性密封元件425中，从而使得弹性密封元件425溶胀直到其接触邻近表面为止。弹性密封元件425可与反应性金属密封元件405联合工作以在回接衬管400周围形成差动环形密封件。
应清楚地理解，通过图7A到7B说明的实例实际上仅为本公开的原理的一般应用，且广泛多种其它实例是可能的。因此，本公开的范围不会以任何方式限于本文中所描述的任何图的细节。
还应认识到，所公开的反应性金属密封元件还可直接或间接地影响在操作期间可与反应性金属密封元件接触的各种井下设备和工具。此类设备和工具可包含但不限于：井筒套管、井筒衬管、完井管柱、插入管柱、钻柱、连续油管、滑线、测井电缆、钻探管、钻铤、泥浆马达、井下马达和/或泵、表面安装马达和/或泵、扶正器、涡轮钻具、刮管器、浮子(例如，模座、钻铤、阀等)、测井工具和相关遥测设备、致动器(例如，机电装置、液压机械装置等)、滑动套筒、生产套筒、塞、滤网、过滤器、流量控制装置(例如，流入控制装置、自主流入控制装置、流出控制装置等)，联轴器(例如，电液湿连接、干连接、感应联接器等)、控制管线(例如，电气、光纤、液压等)、监控管线、钻头和铰刀、传感器或分布式传感器、井下热交换器、阀和对应致动装置、工具密封件、封隔器、水泥塞、桥塞，以及其它井筒隔离装置或组件等。这些组件中的任一者可包含于上文大体描述且描绘于图式中的任一者中的系统中。
提供根据本公开和所说明的图式的用于井筒的导管。实例导管包括导管主体；和安置于导管主体上的反应性金属密封元件；其中反应性金属密封元件包括反应性金属。导管可为衬管悬挂器或回接衬管。
另外或替代地，设备可个别地或组合地包含以下特征中的一个或多个。反应性金属可包括选自由以下各者组成的群组的金属：镁、钙、铝、锡、锌、铍、钡、锰和其任何组合。反应性金属可包括选自由以下各者组成的群组的金属合金：镁-锌、镁-铝、钙-镁、铝-铜和其任何组合。如果导管为衬管悬挂器，那么衬管悬挂器可以是可膨胀的。如果导管为衬管悬挂器，那么衬管悬挂器可为不可膨胀的。反应性金属密封元件可进一步包括可移除屏障涂层。导管主体可包括凹部，且反应性金属密封元件可安置于凹部中。
提供根据本公开和所说明的图式的用于处理井筒的方法。实例方法包括将导管定位于井筒中；其中导管为衬管悬挂器或回接衬管；且其中导管包括：导管主体；和安置于导管主体上的反应性金属密封元件；其中反应性金属密封元件包括具有第一体积的反应性金属。所述方法进一步包括使反应性金属与流体接触，所述流体与反应性金属反应以产生具有大于第一体积的第二体积的反应产物；和使邻近于反应性金属密封元件的表面与反应产物接触。
另外或替代地，所述方法可个别地或组合地包含以下特征中的一个或多个。反应性金属可包括选自由以下各者组成的群组的金属：镁、钙、铝、锡、锌、铍、钡、锰和其任何组合。反应性金属可包括选自由以下各者组成的群组的金属合金：镁-锌、镁-铝、钙-镁、铝-铜和其任何组合。如果导管为衬管悬挂器，那么衬管悬挂器可以是可膨胀的。如果导管为衬管悬挂器，那么衬管悬挂器可为不可膨胀的。如果导管为衬管悬挂器，那么邻近表面可为套管。如果导管为回接衬管，那么邻近表面可为衬管悬挂器的外表面。反应性金属密封元件可进一步包括可移除屏障涂层。导管主体可包括凹部，且反应性金属密封元件可安置于凹部中。使邻近于反应性金属密封元件的表面与反应产物接触可进一步包括抵靠邻近表面形成密封。使邻近于反应性金属密封元件的表面与反应产物接触可进一步包括将导管锚定到邻近表面。
提供根据本公开和所说明的图式的用于在井筒中形成密封的系统。实例系统包括导管，包括：导管主体；和安置于导管主体上的反应性金属密封元件；其中反应性金属密封元件包括反应性金属。所述导管为衬管悬挂器或回接衬管。系统进一步包括衬管。
另外或替代地，所述系统可个别地或组合地包含以下特征中的一个或多个。反应性金属可包括选自由以下各者组成的群组的金属：镁、钙、铝、锡、锌、铍、钡、锰和其任何组合。反应性金属可包括选自由以下各者组成的群组的金属合金：镁-锌、镁-铝、钙-镁、铝-铜和其任何组合。如果导管为衬管悬挂器，那么衬管悬挂器可以是可膨胀的。如果导管为衬管悬挂器，那么衬管悬挂器可为不可膨胀的。反应性金属密封元件可进一步包括可移除屏障涂层。导管主体可包括凹部，且反应性金属密封元件可安置于凹部中。如果导管为衬管悬挂器，那么系统可进一步包括套管且衬管悬挂器可使用反应性金属密封元件密封到套管，且衬管可从衬管悬挂器悬置。如果导管为回接衬管，那么系统可进一步包括衬管悬挂器，且回接衬管可使用反应性金属密封元件密封到衬管悬挂器，且衬管可从衬管悬挂器悬置。
前述描述提供本文中所公开的设备、系统和使用方法的各种实例，其可含有不同方法步骤和组件的替代组合。应理解，尽管本文中可论述个别实例，但本公开涵盖所公开的实例的所有组合，包含但不限于系统的不同组件组合、方法步骤组合和特性。应理解，在“包括”、“含有”或“包含”各种组件或步骤方面描述组合物和方法。系统和方法也可“基本上由各种组件和步骤组成”或“由各种组件和步骤组成”。此外，如权利要求中使用的不定冠词“一个/一种(a/an)”在本文中限定为意指其引入的要素中的一个或多于一个要素。
为简洁起见，本文中仅明确公开了某些范围。然而，来自任何下限的范围可与任何上限组合以列举未明确列举的范围，以及来自任何下限的范围可与任何其它下限组合以列举未明确列举的范围。以相同方式，来自任何上限的范围可与任何其它上限组合以列举未明确列举的范围。另外，每当公开具有下限和上限的数值范围时，特定地公开了落入所述范围内的任何数字和任何所包含的范围。具体地说，即使没有明确列举，本文所公开的每个值范围(形式为“约a到约b”或等效地“大致a到b”或等效地“大致a-b”)也应当被理解为阐述在更广泛的值范围内涵盖的每个数字和范围。因此，每个点或单独的值可以充当与任何其它点或单独的值组合的其自身的下限或上限或任何其它下限或上限，以便列举没有明确列举的范围。
呈现并有本文中所公开的实例的一个或多个说明性实例。为清楚起见，并非实际实施方案的所有特征均描述或展示于本申请中。因此，所公开的系统和方法很好地适用于获得所提及的目的和优点，以及其中固有的目的和优点。上面公开的特定实例仅是说明性的，因为本公开的教示可以以不同但等效的方式修改和实践，这对于得益于本文中的教示的所属领域的技术人员来说是显而易见的。此外，除了在所附权利要求书中所描述的内容之外，不旨在限制本文所示的构造或设计的细节。因此，显而易见的是，可以更改、组合或修改上文所公开的特定说明性实例，并且所有此类改变被视为均处于本公开的范围内。本文中说明性地公开的系统和方法可以适当地在不存在本文未特定地公开的任何要素和/或本文公开的任何任选要素的情况下实践。
虽然已详细地描述了本公开和其优点，但是应理解，可在不脱离如所附权利要求书所界定的本公开的精神和范围的情况下做出各种改变、取代以及更改。

Claims (20)

1.一种用于处理井筒的方法，其包括：
将导管定位于所述井筒中，其中所述导管为衬管悬挂器或回接衬管，其中所述导管包括：
导管主体；和
安置于所述导管主体上的反应性金属密封元件，其中所述反应性金属密封元件包括具有第一体积的反应性金属；
使所述反应性金属与流体接触，所述流体与所述反应性金属反应以产生具有大于所述第一体积的第二体积的反应产物；以及
使邻近于所述反应性金属密封元件的表面与所述反应产物接触。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述反应性金属包括选自由以下各者组成的群组的金属：镁、钙、铝、锡、锌、铍、钡、锰和其任何组合。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述反应性金属包括选自由以下各者组成的群组的金属合金：镁-锌、镁-铝、钙-镁、铝-铜和其任何组合。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述导管为所述衬管悬挂器；其中所述衬管悬挂器为可膨胀的。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述导管为所述衬管悬挂器；其中所述衬管悬挂器为不可膨胀的。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述导管为所述衬管悬挂器；其中所述邻近表面为套管。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述导管为所述回接衬管；其中所述邻近表面为衬管悬挂器的外表面。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述反应性金属密封元件进一步包括可移除屏障涂层。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述导管主体包括凹部；其中所述反应性金属密封元件安置于所述凹部中。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述使邻近于所述反应性金属密封元件的表面与所述反应产物接触进一步包括抵靠所述邻近表面形成密封。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述使邻近于所述反应性金属密封元件的表面与所述反应产物接触进一步包括将所述导管锚定到所述邻近表面。
12.一种用于井筒的导管，其中所述导管为衬管悬挂器或回接衬管，包括：
导管主体；和
安置于所述导管主体上的反应性金属密封元件，其中所述反应性金属密封元件包括反应性金属。
13.根据权利要求12所述的导管，其中所述反应性金属包括选自由以下各者组成的群组的金属：镁、钙、铝、锡、锌、铍、钡、锰和其任何组合。
14.根据权利要求12所述的导管，其中所述反应性金属包括选自由以下各者组成的群组的金属合金：镁-锌、镁-铝、钙-镁、铝-铜和其任何组合。
15.根据权利要求12所述的导管，其中所述导管为所述衬管悬挂器；其中所述衬管悬挂器为可膨胀的。
16.根据权利要求12所述的导管，其中所述导管为所述衬管悬挂器；其中所述衬管悬挂器为不可膨胀的。
17.一种用于在井筒中形成密封的系统，其包括：
导管，其中所述导管为衬管悬挂器或回接衬管，包括：
导管主体；
安置于所述导管主体上的反应性金属密封元件，其中所述反应性金属密封元件包括反应性金属；以及
衬管。
18.根据权利要求17所述的系统，其中所述导管为所述衬管悬挂器；其中所述系统进一步包括套管；其中使用所述反应性金属密封元件将所述衬管悬挂器密封到所述套管；其中所述衬管从所述衬管悬挂器悬置。
19.根据权利要求17所述的系统，其中所述导管为所述回接衬管；其中所述系统进一步包括衬管悬挂器；其中使用所述反应性金属密封元件将所述回接衬管密封到所述衬管悬挂器；且其中所述衬管从所述衬管悬挂器悬置。
20.根据权利要求17所述的系统，其中所述反应性金属包括选自由以下各者组成的群组的金属：镁、钙、铝、锡、锌、铍、钡、锰和其任何组合。
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