井下工具作业用形状记忆材料的制作方法

专利名称：井下工具作业用形状记忆材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于井下工具作业的形状记忆材料。
背景技术：
在许多井下作业中，致动一个或更多个部件以便实现所需的结果。例 如，能够驱动流量控制阀来打开或关闭流体流动通路。相似地，能够致动 封隔器或可膨胀沙滤管来密封井眼的所需区域。致动这些或其它装置常常 需要部件运动，部件形状的改变，或把部件转变到所需的功能状态的一些 其它类型的转变。
根据各种因素，包括环境和井设备结构，特定部件的驱动可能会较困 难或较耗时。例如，机械驱动需要大的井下设备柱(doTOhole equipment strings)的运动。相似地，液压或电力致动常常需要沿井眼在相当距离 之上布置控制线。

发明内容
大体上，本发明提供一种把形状记忆材料用于井眼作业的方法和系 统。需要致动的井部件由形状记忆材料形成或与形状记忆材料组合，当受 激活时该形状记忆材料能够转变成所需的状态。在井下能够使用激活剂来 使形状记忆材料自动转变成能够执行所需的功能的状态。


下面将参考附图来说明本发明的特定实施例，其中相同参考标记表示 相同元件。
图l是根据本发明的实施例的、布置在井眼中的井系统的正视图2是根据本发明的实施例的、由制成第一记忆状态的形状记忆材料
形成的井部件的剖视图3是根据本发明的实施例的、在变形成可选状态后的图2的井部件的
剖视图4是根据本发明的实施例的、在使用激活剂(activating agent) 使形状记忆材料和井部件返回到记忆状态(memorized state)后的图3 的井部件的剖视图5是根据本发明的实施例的、包括形状记忆材料并以变形状态 (deformed state)配置在井眼中的封隔器的剖视图6是根据本发明的实施例的、在把形状记忆材料激活到记忆状态后 的图5的封隔器的剖视图7是根据本发明的实施例的、包括形状记忆材料并以变形状态配置 在井眼中的流量控制装置的另一实施例的剖视图8是根据本发明的实施例的、在把形状记忆材料激活到记忆状态后 的流量控制装置的剖视图9是根据本发明的实施例的、具有螺纹连接器的井部件的剖视图， 前述螺纹连接器包括形状记忆材料并以变形状态配置在井眼中；
图10是根据本发明的实施例的、在把形状记忆材料激活到记忆状态后 的图9的井部件的剖视图ll是根据本发明的实施例的、结合形状记忆材料的密封装置的剖视 图；禾口
图12是根据本发明的实施例的、结合形状记忆材料的密封装置的另一 实施例的剖视图。
具体实施方式
在以下说明中，为了理解本发明，说明了许多细节。然而，对于本领 域的普通技术人员而言，可以理解的是，本发明不局限于这些细节，能够 根据所述实施例对本发明进行各种变化和修改。
本发明主要涉及使用形状记忆材料的井下作业或井下工具作业。 一个 或更多个井部件由形状记忆材料形成并被配置在井眼中的井下。形状记忆 材料容易从一个状态转变到另一个状态，因此能够选择性地转变，同时在 井下执行所需的功能。适当的激活剂能够引发状态的变化。
形状记忆材料可包括一种或更多种材料。例如，形状记忆材料可以是 金属和/或聚合物。金属型形状记忆材料包括形状记忆合金，该形状记忆 合金根据固态相变(即，分子重排)而获得形状记忆效果。由于发生分子 重排，这种类型的相变与从固态转变到液态时发生的相变相似，反之亦然， 但是分子仍保持紧密。然而，物质保持固态。在许多应用中，10° C左右 的温度变化对于启动固态相变是适当的。适当的金属形状记忆材料的实例 为镍一钛合金。其它形状记忆材料包括铜—铝一镍合金，铜一锌一铝合金，
和铁一锰一硅合金。此外，可使用复合形状记忆材料(composite shape memory materials)。例如，形状记忆材料可包括聚合形状记忆复合材 料(polymeric shape memory composites); 金属/聚合物形状记忆材料 (例如，金属结合聚合物部件)；聚合物或金属涂层/分层形状记忆材料 (例如，橡胶涂层形状记忆聚合部分)，和其它复合记忆材料。
聚合型的形状记忆材料常具有激进变化，即能够从正常的刚性聚合物 变化到非常易伸展的弹性材料，并且当输入适当激活剂时能够从非常易伸 展的弹性材料变回正常的刚性聚合物。这些状态之间的变化可以重复，而 不会出现材料显著退化。这种"记忆"或恢复性质来自于材料的重构和冷 却期间获得的存储机械能。当高于转变温度时，聚合形状记忆材料从刚性 的塑性状态(plastic state)转变成柔性的弹性状态。当冷却时，材料 再次变成刚性，并且能够被限制成新的形状结构。这些形状记忆特性能够 通过几种聚合物来实现，例如环氧基聚合物(epoxy-based polymers)， 甲基丙烯酸聚合物(methacrylate polymers)，和苯乙烯基聚合物 (stryrene-based polymers)。根据所需的井下目的，可选择适当的形状记忆材料用于井下油田作 业。井下工具的部件能够由经历所需的状态变化的形状记忆材料制成。例 如，选择的形状记忆材料能够响应适当的激活剂经历形状、刚度、位置或 其它机械特性的变化。激活剂的实例包括应用加热、物质吸收、紫外曝光、 电磁场暴露和其它刺激。
由形状记忆材料构成的部件能够用于各种类型的设备和井作业中。例 如，形状记忆材料能够用于封隔器的构造中。在一个实施例中，聚合形状 记忆材料或复合形状记忆材料用于形成封隔器密封元件。封隔器元件制成 所需的形状，称为选择的形状记忆材料的记忆或被记忆形状。然后把部件 加热到更高温度并使之变形成第二形状，称为变形形状。在冷却后，部件 (例如封隔器元件)安装到适当的工具柱上并传送到井下。 一旦把封隔器 元件加热到特定温度时，封隔器元件就返回到第一记忆形状。该记忆形状 能够是选择的膨胀形状以便密封管件和套管之间的环形空间。在本实施例 中，热量被用作激活剂，并且该热量能够通过井下流体加热获得。
各种其它井部件能够由形状记忆材料形成，并用于井下作业以便执行 所需的功能。例如，形状记忆材料能够用于构成各种密封元件，该密封元 件能够用于可膨胀封隔器、可扩大封隔器、机械固定封隔器、桥塞和其它 密封装置。形状记忆材料还能够用于构成沙滤管上的密封元件和其它井下 部件。供应的激活剂可以为如下形式热量、湿气、变化的PH、光、或电 磁场。通过改变对应的刺激(例如激活剂)，部件能够复位或变化返回。 对于这些类型的密封应用，密封元件能够仅由形状记忆材料制成，由弹性 材料和形状记忆材料的复合物(例如由形状记忆材料框架支撑的弹性膜) 制成，或由其它材料复合物制成。
全部或部分由形状记忆材料形成的井部件的其它实施例包括流量控 制阀。形状记忆材料能够用于关闭流量，例如一旦利用适当激活剂进行选 择激活时，关闭内部管件和环形空间之间的流量。在其它应用中，部件能 够利用由形状记忆材料形成的螺纹区域来构成。螺纹区域用于使部件与对 应部件连接。然而， 一旦激活时，形状记忆材料变化形状使螺纹区域与对 应部件分离。例如，这种类型的机构对于取回封隔器非常有用。使用形状 记忆材料能够避免切割封隔器体使之与连接的部件分离的传统技术。当使用形状记忆材料时，仅需要使用适当的加热源或其它激活剂来实现连接部 件之间所所需的分离。
大致参考图l，显示了利用一个或更多个井部件的井系统的实例，前
述一个或更多个井部件由形状记忆材料构成。在图示实施例中，井系统20 包括井设备柱22 (例如完井组件)，井设备柱22经管件26 (例如盘管或连 接管)被配置在井眼24中。井眼24钻进到地层28中并从位于表面32 (例 如海床或地表)处的井头(wellhead) 30朝下延伸。井眼24可大致竖直地
定向或具有组合的竖直和倾斜分段。此外，根据特定的环境和应用，井眼 24可以是裸井或衬套有套管34。如果井眼24衬套有套管34，那么则形成多 个穿孔36，该多个穿孔36穿过套管使地层28和井眼24之间流体连通。
在图示实施例中，井设备柱22包括井部件38，井部件38由形状记忆 材料40形成。井部件38用于井眼24中并可在多个状态之间转变。例如， 形状记忆材料40使井部件38能够在图1的实线所示的第一形状(例如变 形形状)和虚线所示的第二形状(例如记忆形状)之间转变。当井部件定 位在井下时，能够容易地实现两种功能状态(例如形状)之间的转变。通 过在形状记忆材料附近提供或激活适当的激活剂，能够简单地引发转变。
井部件38的一个实施例包括封隔器，封隔器具有封隔器密封元件。 大致参考图2，图示封隔器密封元件42由形状记忆材料40形成。封隔器密 封元件42最初由处于图2所示的记忆或被记忆形状的形状记忆材料40制 成。在本实例中，记忆形状包括膨胀密封区域44，该膨胀密封区域44从基 部区域46径向朝外延伸。膨胀密封区域44所形成的尺寸和形状能够密封井 眼24的环形空间(annulus)。例如，密封区域44可设计成径向朝外延伸 足够距离以便密封住套管34。
在处于膨胀的记忆状态的封隔器元件42的制造之后，形状记忆材料 40被加热升温并变形成另一种形状，如图3所示。在本实施例中，变形形 状可以是与基部区域46的管状形状相似的径向收縮形状。当形状记忆材料 40冷却时，变形形状被保持，并且封隔器元件42能够在该变形形状下移 动和被操作。然而， 一旦导入适当的激活剂，例如充分的热量，形状记忆 材料40会导致封隔器密封元件42返回到它的记忆形状，如图4所示。在一 些应用中，通过提供适当的刺激，形状记忆材料能够在多种状态间来回转变。例如，形状记忆材料40可具有暴露于第一刺激时的第一材料特性和 暴露于第二刺激时的第二材料特性(例如新的形状或一致性)。第一剌激 和第二刺激中的至少一种可在井下出现以便在形状记忆材料中产生所需 的转变。
在实际的井作业中，封隔器密封元件42可安装在管件48或井设备柱 22的另一个适当结构上，如图5所示。封隔器密封元件42在其变形状态中 安装到井设备柱22，从而在把井设备柱22布置到井下时封隔器密封元件 42不与周围的套管34(或裸井的井壁)干涉。 一旦井设备柱22和井部件38 设置到井眼24的所需的位置时，使用适当激活剂来使形状记忆材料转变到 它的记忆形状。在图示的本实施例中，这种转变导致封隔器元件42膨胀， 从而使得密封区域44朝外径向地膨胀以便密封包围管件48的环形空间50， 如图6所示。
由于井下流体加热，足够热量形式的激活剂能够引发封隔器元件42 膨胀。热量使形状记忆材料40的温度升高到引起转变到记忆/膨胀形状的 水平。然而，还可选择形状记忆材料，从而一旦导入其它激活剂时，封隔 器密封元件42能够改变形状。例如， 一旦导入足够湿气、特定pH值、光 或特定类型的光、或电磁场时，能够引发密封元件改变形状。在一些应用 中，通过改变对应的刺激，形状记忆材料还能够变回到初始形状。请注意， 图5和6所示的密封部件的转变还可以表示为定位在沙滤管上的一个或更 多个密封元件的膨胀。在稍后的实施例中，管件48包括沙滤管， 一个或更 多个密封元件42安装在该沙滤管上。
图7和8显示井部件38的替换实施例。在本实施例中，另一类型的流 量控制装置至少部分地由形状记忆材料构成。在图7中，图示井部件38作 为流量控制阀52，该流量控制阀52可定位在井设备柱22中以便控制井眼 24中的区域之间的流量。例如，流量控制阀52能够用于控制管件53的内部 和周围的环形空间之间的流量。
流量控制阀52可形成有打开或闭合的记忆状态。通过实例，图7所示 的阀52变形成打开状态，该打开状态允许流体54从管件内部56流到环形空 间或其它外部区域58。 一旦导入适当的激活剂(例如热量、湿气、pH值的 变化、光或电磁场)，形成流量控制阀52的形状记忆材料40转变成记忆状态，如图8所示。在该特定实例中，记忆状态为这样一种状态形状记忆材料40的变化阻断内部区域56和外部区域58之间的流体54的流动。形状记忆材料40还用于构成各种其它部件，从而允许通过导入适当 激活剂来简单地实现井下激活。例如，形状记忆材料40可用于构成井部 件38，当发生状态变化(例如形状变化)时该井部件38可连接和/或断开。例如，如图9和10所示，第一部件60可通过适当的接合区域(例如螺 纹接合区域)64连接到第二部件62。形状记忆材料的转变用于使部件60， 62形成连接或用于使部件60, 62分离。此外，部件60， 62中的一个或两者 能够至少部分地由形状记忆材料40形成。在图9所示实施例中，第二部件 62的至少一部分由形状记忆材料40构成，从而允许第一部件60和第二部 件62通过接合区域64螺纹连接或接合在一起。然而，图10显示第二部件62 转变到使区域64分离的第二状态(例如第二形状)。通过引发状态变化使 部件分离的能力对于各种井设备应用是有用的。例如，该分离方法比现有 的使封隔器从井下位置分离并取回的方法更简单和更低廉。通过提供适当 激活剂使螺纹连接或互锁的接合区域分离，因此封隔器能够简单地分离。在其它作业中，形状记忆材料40能够用于构成用作密封装置的井部 件38。例如，形状记忆材料40可用于构成井部件38，该井部件38形成井 下作业中的各种部件表面间的密封。能够选择性地启动形状记忆材料40 的转变以便形成更佳的密封。例如，如图11所示，井部件38包括密封装置66。在本实施例中，密 封装置66包括形状记忆材料40层，该形状记忆材料40层和密封层68以交 替的关系设置。作为实例，密封装置66形成为人字形密封圈，形状记忆材 料40层和交替的密封层68以大致的人字形形状(chevron shape)形成。 一旦导入适当的激活剂，形状记忆材料40层转变成用于进一步挤压密封 层68的第二状态(例如膨胀状态)。因此，交替的形状记忆材料40层能 够用于产生密封层叠(seal stack)，该密封层叠能够施加更大的密封力， 因而便于密封住更高的压差。在密封装置66的另一个实施例中，形状记忆材料40用于产生激发密 封(energized seal)，如图12所示。在本实施例中，形状记忆材料40 形成为弓形的密封圈激发器(seal energizer) 70，该密封圈激发器70设置在由适当的密封材料形成的密封体72中。作为实例，密封体72可包括 密封基部区域74， 一对密封唇76， 78从密封基部区域74延伸，并且一对密 封唇76， 78相隔间隙80。密封唇76， 78设计成密封相邻表面，密封圈激发 器70设置在密封唇76和密封唇78之间的间隙80中。 一旦导入适当激活剂 时，密封圈激发器70的形状记忆材料40转变到第二状态，在该第二状态 下弓形密封圈激发器70膨胀以便在相反方向上偏压密封唇76和密封唇78。 通过在密封唇76、 78与它们相邻的密封表面之间产生更大的力，密封圈激 发器70的膨胀有效地激发密封装置66，因而产生密封更高压差的更好密封 性。根据特定应用和环境因素，上述由形状记忆材料40形成的每个部件 能够由聚合形状记忆材料、金属形状记忆材料、或复合形状记忆材料形成。 例如，全部或部分地由复合形状记忆材料形成的部件能够由聚合形状记忆 复合材料(polymeric shape memory composites)形成。在其它应用中， 复合部件能够由金属/聚合物形状记忆材料形成。例如，金属结合聚合部 分(metal bonded polymeric parts)能够用于形成给定的部件的形状记 忆材料部分。部件还能够由聚合物或金属涂层/分层形状记忆材料形成， 例如樣胶涂层形状记忆聚合组分(rubber coated shape memory polymer components)。形状记忆材料40能够结合到用于各种井环境的许多类型的井下部件 的结构中。形状记忆材料在两种不同状态间转变的能力使得能够通过提供 激活剂来简单地实现井工具激活。由形状记忆材料形成的井部件能够设计 成简单地产生密封和破坏前述产生的密封。这些部件还能够用于控制部件 间的流量或沿井眼的流量。形状记忆材料部件还能够用于机械连接、断开、 激活、不激活、转移、加压或在各种井的相关应用中使用的控制井设备。因此，尽管上面已经详细地说明了本发明的一些实施例，但是对于本 领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明的教导的情况下，可进行各种 变化。这些变化应当落入权利要求所限定的本发明的保护范围内。
权利要求
1.一种井中操作方法，包括如下步骤由形状记忆材料形成井部件；把井下井部件设置到井眼中；以及提供井下激活剂来转变形状记忆材料，以便改变井部件的形状。
2. 根据权利要求l的方法，其中由形状记忆材料形成井部件的步骤包 括以一形状制造形状记忆材料；以及把形状记忆材料变形成变形形状。
3. 根据权利要求l的方法，其中把井下井部件设置到井眼中的步骤包 括利用设备柱运行井下井部件。
4. 根据权利要求l的方法，其中提供井下激活剂来转变形状记忆材料 的步骤包括提供热量形式的激活剂。
5. 根据权利要求l的方法，其中提供井下激活剂来转变形状记忆材料 的步骤包括提供湿气形式的激活剂。
6. 根据权利要求l的方法，其中提供井下激活剂来转变形状记忆材料 的步骤包括提供形状记忆材料周围环境的pH值变化形式的激活剂。
7. 根据权利要求l的方法，其中提供井下激活剂来转变形状记忆材料 的步骤包括提供光形式的激活剂。
8. 根据权利要求l的方法，其中提供井下激活剂来转变形状记忆材料 的步骤包括提供电磁场形式的激活剂。
9. 根据权利要求l的方法，其中由形状记忆材料形成井部件的步骤包 括形成密封元件。
10. 根据权利要求9的方法，其中形成密封元件的步骤包括形成封 隔器。
11. 根据权利要求l的方法，其中形成密封元件的步骤包括由形状 记忆材料形成井部件的螺纹区域。
12. —种井装置，包括井下工具，所述井下工具至少部分地由形状记忆材料形成，所述形状 记忆材料具有暴露于第一剌激时的第一材料特性和暴露于第二刺激时的 第二材料特性，其中第一刺激和第二刺激中的至少一个可用于井下以便使 形状记忆材料在第一材料特性和第二材料特性之间转变。
13. 根据权利要求12的井装置，其中所述形状记忆材料包括聚合物。
14. 根据权利要求12的井装置，其中所述形状记忆材料包括金属。
15. 根据权利要求12的井装置，其中所述井下工具包括封隔器，所述 封隔器具有由形状记忆材料形成的密封元件。
16. 根据权利要求12的井装置，其中所述井下工具包括封隔器，所述 封隔器具有由形状记忆材料形成的螺纹接合区域。
17. 根据权利要求12的井装置，其中所述井下工具包括由形状记忆材 料形成的流量控制装置。
18. —种井系统，包括井装置，所述井装置具有由形状记忆材料形成的密封元件，所述密封 元件能够在井眼中选择性地在非密封形状和密封形状之间转变。
19. 根据权利要求18的井系统，其中所述井装置包括密封装置。
20. 根据权利要求18的井系统，其中所述井装置包括封隔器。
21. —种方法，包括如下步骤 制备处于第一状态的形状记忆材料； 将形状记忆材料使用于井设备组合中； 把井设备设置到井眼中；以及在井眼中激活形状记忆材料使之变化成记忆状态，也叫第二状态。
22. 根据权利要求21的方法，形状记忆材料可用于制备成金属和聚合 物形成的复合记忆材料。
23. 根据权利要求21的方法，形状记忆材料可用于制备分层的形状记 忆材料。
24. 根据权利要求21的方法，用形状记忆材料制成人字形密封圈。
25. 根据权利要求21的方法，用形状记忆材料制成密封圈激发器。
全文摘要
一种在井眼作业中使用形状记忆材料的技术。井部件由激活时能够转变成所需状态的形状记忆材料形成。在导入激活剂时，形状记忆材料开始自动转变，促使井部件发生形状变化从而执行所需井下功能。
文档编号E21B34/00GK101294482SQ200810092698
公开日2008年10月29日 申请日期2008年4月25日 优先权日2007年4月27日
发明者李燕梅 申请人:普拉德研究及开发股份有限公司