专利名称：油井设备的现场浇铸的制作方法
技术领域：
本发明涉及油井设备的一种现场浇铸方法。
背景技术：
围绕油井外壳浇铸水泥内衬的标准的实践是在油井内部和周围的地层之间产生一个耐液体的密封。
这种和许多其它的现场浇铸技术的缺点是在凝固或固化时水泥或其它凝固的物质收缩，这是由于水合作用和/或相变导致的较高的原子填密的结果。
发明内容
本发明的一个目的是消除已知的现场浇铸技术的缺点。
本发明的另一个目的是提供一种方法，用于现场充填较难达到的井下的空穴，比如(可膨胀的)井管之间的环形空间，螺纹，泄漏，松孔，开口，砾石包，裂纹或穿孔。
本发明的另一个目的是在一个碳氢化合物液体井内提供一种产生可靠的和坚固的密封的方法。
按照本发明，使用一种膨胀合金，它在凝固时膨胀，以及它具有的熔点高于预期的最高的油井温度，此合金放置在油井的一个空腔内以及保持在高于合金的熔点的温度，这样当合金冷却至油井的环境温度时它因此在空腔内凝固和膨胀。
优选地，此膨胀合金含有铋。代替地，此膨胀合金含有镓或锑。
观察到已经知道使用具有低熔点的铋组分，以及它在冷却降温时膨胀，可参见美国专利US5,137,283；US4,873,895；US4,487,432；US4,484,750；US3,763,486；US3,578,084；US3,333,635和US3,273,641。
然而，在工艺上已知的这些现有技术的参考文献中，没有由现场浇铸的铋合金制造的油井设备。
按照本发明，优选地，合金通过油井下降时放置在一个容器内，其中温度保持在高于合金的熔点，以及容器的一个出口进入与空腔液体贯通，而随后引起熔融的合金流动，通过容器的出口进入空腔。
代替的方案是，合金可以在固体状态放置入或接近空腔，以及井下加热至温度超过合金的熔点，而随后加热停止和合金允许在空腔内凝固和膨胀。
任选的方案是，此空腔是在一对共轴的油井管之间的一个环形空间。这种空腔适当地在接近其下端处具有一个底面或限制流动部分，该部分阻止熔融合金由空腔泄漏进入油井钻孔的其它部分。
适当的是，环形的空腔是由一个外井管和一个膨胀的内井管的搭接段之间的一个环形空间形成的。流动的限制部分可以由，例如，由一个柔性的密封环形成，它位于接近环形空间的下端处。
在此种情况下，优选地一个膨胀合金的环定位在一个可膨胀的井管的一个预先膨胀段的上面以及围绕上述的井管的外表面，以及膨胀合金的环具有一系列交错排列的非切向的狭缝或开口，它们响应井管径向的膨胀而张开。代替的方案是，环可以是开缝环，并带有搭接的端部。在井管的膨胀产生热量时或作为其结果，环将会熔化和再次凝固，以提供一个环形的密封。
为了产生一个非常坚固的在环形空腔内的密封件，最好使上述的坯体是第一坯体，第一坯体是被一个金属的第二坯体在空腔内轴向地约束，而金属的第二坯体在凝固时膨胀，以及其中第二坯体的金属在比第一坯体的金属更高的温度凝固，本方法还包括-把第二坯体放置在环形的空腔内，沿轴向与第一坯体偏移；-借助升高上述两个坯体的温度使上述的坯体熔化；-借助降低上述的两个坯体的温度使上述的坯体凝固，从而使第二坯体的金属在第一坯体的金属之前凝固，因此沿轴向约束第一坯体。
因此，按照本发明，铋，镓或锑和/或它们的合金的特殊的膨胀性能能够使用于密封井管内的空腔，共轴的井管之间的环形空间，或油井外壳和地层之间的环形空间，或者油井或周围的地层内任何的小间隙或孔洞，比如，螺纹，泄漏，松孔，开口，砾石包，裂纹或穿孔。
本发明将参见附图更详细地说明，其中图1示出一个可膨胀的井管的纵剖面图，围绕它设置两个可膨胀的合金环；图2示出图1的井管和合金环在另一个井管内膨胀之后的状态；图3示出合金环熔化之后图2的环形空间的细节；以及图4说明在凝固时上可膨胀合金环如何在环形空间内膨胀，以及随后在凝固时下膨胀环如何膨胀。
具体实施例方式
参见图1和2，示出可膨胀的井管1，该井管1设有一个环形的外肩台2。外肩台2具有一个环形凹槽，在其中放置一个O形环4。在外肩台2上面放置铋合金环5。
金属铋的原子序号为83，以及铋合金含有至少55％的铋(重量)，当由熔融状态转入固相时膨胀。
纯铋(熔点MP＝271℃)在环境条件下凝固时膨胀3.32％(体积)，而它的典型的共晶合金，例如Bi60Cd40(熔点MP＝144℃)典型地膨胀1.5％(体积)。
按照本发明，铋和铋合金特殊的膨胀性能可以使用于密封一个外井管7和一个内膨胀的井管1之间的小的环形空间，如图2所示。
一个铋或铋合金的环5放置在一个预先膨胀的可膨胀的井管1的镦锻的肩台2上。环5可以是连续的或开缝的，以便允许膨胀。肩台2可以是垂直于管子轴或倾斜一个角度以便允许在一个偏斜的油井内密封。
一个铋或铋合金的附加的上环6，该环的熔点高于环5的熔点以及密度小于环5的密度，该环放置在一个柔性的耐热的塑料或橡胶袋8(例如耐烤塑料袋)内，以及袋8和环6的组合件放置在环5的顶上，这样当井管1垂直地由顶至底具有环6，环5和随后是镦锻的肩台2。环5和6也可以是连续的或开缝的，以便允许膨胀。
铋合金环5和6和预先膨胀的井管1以通常的方式放入油井内。外壳使用已知的管子膨胀技术膨胀，直到肩台2，O形环或附加的密封段与外井管7进入接触。附加的密封段可以包括在井管部分内，作为一个唇部或镦锻部分或一个附加的部件，比如弹性体的O形环4。
一旦井管1已膨胀使得膨胀的井管1的外径与外井管7接触或井管1的任何其它外密封机构与外井管7接触，施加热量。施加的热量使用一个化学热源、电(电阻或电感应)从加热器的井管1的内部加上，或者通过在井管1内的一种热液体的传导。此热量将提高两个铋或铋合金环的温度，直到最终两个环熔化和借助重力下垂至环形空间的最低点。
来自环5的金属将占据环形空间内最低的部分，随后是来自环6的金属，尽管后者仍被塑料袋8保持。
热源被移去，或者停止加热，井孔内的温度将缓慢地降低至原始的温度。环6将首先凝固，以及将膨胀(主要沿垂直的方向膨胀)，然而，在井管1上的某些向外的力将帮助提供对环6膨胀的一个摩擦阻力。达到这点可借助在放入井孔之前在外井管7或内井管1内机加工的粗糙度或凸耳。环5将在环6的凝固之后凝固和膨胀，以及被约束的膨胀带有在全部方向上一个大的密封力，提供一个在井管1和7之间紧密的金属-金属的密封，如图4所示。
铋合金可以以一种固态或液态相下降到油井内，或者通过一个放热反应就地产生。
后一种方法可以包括下列步骤Bi2O3和高活性的金属剂，如Al，以粉末状态以1∶1比例混合，这样使它们具有一个极高的表面积体积比。这种粉末通过一个螺旋管或卸料翻斗组件放置到希望的位置。随后，粉末(可以是处于球化或仔细烧结的状态)被电容器的放电或其它电或化学方法“点火”。Al将与Bi2O3内的氧反应，形成几乎纯的Bi，该纯的Bi将由于反应产生的放热本性而熔化，和一个Al2O3的低密度固体渣浮起(无害地)在Bi熔池的表面上。
代替的方案是，如果铋合金是以固相下降到一个井内，随后铋合金材料可以形成填空或外壳组件的一部分(在一个环形密封环的情况下)或者以小球或小片的形式通过螺旋管放置到井内。在任何一种情况下，任何准备用铋合金膨胀密封的管子段的表面清洗可以通过喷射或化学方法进行。
在放置之后，施加热量，例如通过电阻和/或电感应加热，超级加热蒸汽喷射和/或放热化学反应来施加。产生的热量将熔化合金，允许形成一个液体柱，随后液体柱允许冷却，以及铋合金将凝固和膨胀。
如果铋合金是以一种实质上的液相下降到井内，随后合金可以通过一个双壁的隔热的和/或电加热的螺旋管子熔化在表面上和携带至希望的井下位置。
如果使用某种低熔点的合金，比如Bi-Hg合金，有可能产生添加剂(例如Cu)到此合金内，它作为一种“硬化剂”。在本实施例中，带有熔点低于油井温度的液体合金通过螺旋管子就地放置。这一点能够借助重力达到，或者通过一个活塞或表面作用(泵)提供的压力达到。因此，一种合金化元素的固体球粒能够添加至“熔池”-如果很好选择，这样能产生一个固体的铋合金。
可膨胀的铋合金的一系列的适宜的井下用途总结如下-一种可膨胀的油井可抛弃柱塞适当的熔融的铋合金的一个液体柱可以产生在外壳束带内一个普通的机械的或水泥的柱塞的顶面上。使用的合金的熔点选择高于在该深度处平衡的油井温度。因此，液体的铋合金将在外壳内凝固，以及最终的膨胀将锁定铋合金柱塞就位，以及形成一个隔离外壳的下段和以上部分的气密的密封件。
-一个可膨胀的环形的密封柱塞适当的铋合金的一个液体柱可以产生在环形的水泥柱的顶部或内部的两个外壳束带之间，或内衬和外壳束带之间。一个环形的密封件将以与上述可抛弃的柱塞相同的方式产生。
-一个临时的可反向的柱塞-例如使用于临时地阻断一个多横道油井的横向通道。
-一个外阻断介质-一个铋合金可以被注射进入穿孔，基体岩石或裂缝中，作为一个阻断材料。在一个实施例中，铋合金能够产生一种人工外壳材料。
-一种修理介质-一个铋合金可以使用于修理砂滤网，泄漏的装填器，挂架密封件，或油井内的管子或外壳。
-一种代替的装填器或内衬挂架密封件，类似于环形密封柱塞，可产生反向装填器，或内衬挂架密封。在这些情况下，铋合金能够让它们的凝固膨胀被弹性体密封件或更高熔点的铋合金约束(因此更快地凝固)。这些合金可能特别适用于单孔油井的情况。类似的密封件能够使用于井头的密封。
一系列适当的铋，镓或其它的可膨胀合金的更详细的说明见下文。
可以广泛地选择可膨胀的铋，镓合金使用于上述的每一种井下用途。除了纯铋之外，下列a)-f)各节所述的二元合金可以考虑作为其中能够派生出三元的，四元的和更高组元的合金的最可能的组件块。
a)Bi100-xSnx其中x＝0-5。这样将产生一个固溶合金，其熔点＞141℃。少量的添加元素是可能的，比如Sb，In，Ga，Ag，Cu和Pb。这种合金具有能力借助后凝固沉淀硬化而强化，其中富Sn相将在富Bi的基体内沉淀。这种合金具有最大的凝固膨胀。这种合金的工业实例包括纯铋(商品为Ostalloy 520)；Bi95Sn5(商品为Cerrocast 9500-1或Ostalloy 524564)。
b)Bi100-xCux其中x＝0-45。这些合金可以考虑作为高温用途，比如，在地热油井内。这些合金的熔点的范围由271℃至约900℃。
c)Bi100-xHgx其中x＝0-45。这些合金可以考虑作为低温用途。这些合金的熔点的范围由150℃至271℃。这些合金由于Hg的毒性是较不希望使用的，然而，其它的因素可能对此有影响。
d)Bi100-xSnx其中x＝5-42。这些合金的熔点范围由138℃至271℃。然而，除非过冷，最后凝固的相在138℃凝固(共晶温度)。这种合金非常有吸引力，在于其熔点，因为这个温度适合于大多数的油井用途。商品合金的实例包括Ostalloy 281，Indalloy 281或Cerrotru5800-2。
铅(Pb)经常按照下式加入Bi100-x-yPby(其中x+y＜45-一般y＜6)。这样产生一种合金，其熔点低于Bi-Sn二元合金。商品合金的实例包括Cerrobase 5684-2或5742-3；Ostalloy 250277或262271。
补充的合金化添加剂可以使用，它产生一个多相的合金，但是它是极低熔点的合金，比如“木质金属”(“Wood′s Metal”)，(典型地Bi50Pb25Sn12.5Cd12.5)；这些合金有宽的变化。然而，这些合金中的大多数具有太低的熔点(例如Dalton Metal:Bi60Pb25Sn15具有熔点92℃，Indalloy117具有熔点47℃)，它在油井用途中是有意义的，但上述的有关冷液体的放置除外。
e)Bi100-xPbx其中x＝0-44.5。这些合金能够使用于希望的较低的熔点，因为共晶温度在124℃。铟(In)，镓(Cd)或锡(Sn)的添加是普通的，以及全部可以降低熔点。二元共晶合金的商品是Cerro Metal Products出售的“Cerrobase”。
f)其它Bi100-xXnx其中x＝0-4.5(共晶点在x＝4.5)。这些合金可以考虑作为较高熔点用途，因为其熔点由257℃至271℃。Bi100-xCdx其中x＝0-40(共晶点在x＝4.5)。共晶体的熔点为144℃。Bi100-xInx其x＜33。经常包括具有非常低的熔点(＜100℃)的其它元素，(例如Indalloy25)。
因此，本专业技术人员可以明白，各种的铋，镓和其它可膨胀的合金适用于现场浇铸密封件和/或其它部件，使用于油井结构，翻新处理和抛弃工作。
实例1)进行一项实验以验证铋合金的膨胀行为不仅局限于大气条件下。一种Bi58Sn42(铋-锡)合金在400bar压力的增压室内凝固。增压室组成实验装置的一部分，它叙述于以下文献SPE paper64762(Improved Experimental Characterization of Cement/RubberZonal Isolation Materials”，作者为M.G Bosma，E K Cornelissen和A Schwing)。实验表明，在试验条件下，合金膨胀达1.41％(体积)。
2)另一个Bi58Sn42合金试样是浇铸入一个管子的脏试样内(即涂覆API管子涂漆)，管子的内径37.5cm，以及随后允许凝固成为一个柱塞，在管子内的长度为104.6mm，以试验合金的密封能力。水压施加至凝固的柱塞的一端的管子段，以及测量跨过柱塞的压力差。水压逐步地增加，在泄漏发生之前柱塞能够经受80bar的压差。
权利要求
1.一种油井设备的现场浇铸方法，其中，使用一种可以在凝固时膨胀的金属，该方法包括下列的步骤-放置上述金属的一个坯体在油井的一个空腔内；-将上述的坯体带至高于该金属熔点的一个温度；-冷却上述的坯体至低于该金属的熔点，从而使上述的坯体的金属在空腔内凝固。
2.按照权利要求1的方法，其特征在于，上述的金属是一种含有铋的合金。
3.按照权利要求1或2的方法，其特征在于，上述的坯体通过油井下降时放置在一个容器内，其中温度保持在高于该金属的熔点，以及容器的一个出口进入与空腔的液体连通，而随后引起熔融的金属流动，通过上述的出口进入空腔。
4.按照权利要求1或2的方法，其特征在于，上述的坯体以固体状态放置入或接近空腔，以及在井下加热至温度超过该金属的熔点，而随后加热停止和允许金属在空腔内凝固和因此膨胀。
5.按照权利要求1-4中任何一项的方法，其特征在于，所述的空腔是一个环形的空腔，位于一对共轴的井管之间。
6.按照权利要求5的方法，其特征在于，所述的空腔是一个环形的空腔，是由一个外井管和一个膨胀的内井管的搭接段之间的一个环形空间形成的。
7.按照权利要求5或6的方法，其特征在于，此空腔在接近下端处具有一个底面或限制流动部分，它阻止熔融的金属由空腔泄漏进入油井钻孔的其它部分。
8.按照权利要求7的方法，其特征在于，限制流动部分是由一个柔性的密封环形成的，它位于接近环形空腔的下端处。
9.按照权利要求8的方法，其特征在于，柔性的密封环具有一系列交错的非切向的狭缝或开口，这些狭缝或开口响应井管径向的膨胀而张开。
10.按照权利要求5-9中任何一项的方法，其特征在于，上述的坯体是第一坯体，第一坯体是被一个金属的第二坯体在空腔内轴向地约束，而第二坯体的金属在比第一坯体的金属更高的温度凝固，本方法还包括-放置第二坯体在环形的空腔内，沿轴向与第一坯体偏离开；-借助升高上述的两个坯体的温度使上述的坯体熔化；-借助降低上述的两个坯体的温度使上述的坯体凝固，从而使第二坯体的金属在第一坯体的金属之前凝固，因此沿轴向约束第一坯体。
11.实质上如前所述的并且参见附图的方法。
全文摘要
提供一种油井设备的现场浇铸的方法，其中使用一种可以在凝固时膨胀的金属，该方法包括下列的步骤放置上述金属的一个坯体在油井的一个空腔内；将上述的坯体带至高于该金属熔点的一个温度；冷却上述的坯体至低于该金属的熔点，从而使上述的坯体的金属在空腔内凝固。
文档编号E21B36/00GK1514905SQ02811431
公开日2004年7月21日 申请日期2002年6月5日 优先权日2001年6月5日
发明者马丁·G·R·博斯马, 埃里克·K·科内利森, 克利斯特尼斯·季米特里亚季斯, 迈克·彼得斯, 罗伯特·N·沃勒尔, K 科内利森, N 沃勒尔, 彼得斯, 特尼斯 季米特里亚季斯, 马丁 G R 博斯马 申请人:国际壳牌研究有限公司