具有粒状材料的可降解锚固装置的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2014年12月5日提交的美国申请号14/561523的权益，所述美国申请以引用的方式全文并入本文。

发明背景

发明领域

本公开大体涉及可降解滑环和利用这些可降解滑环进行井下应用的系统。

背景技术：

在地下地层中钻出井筒用于生产烃类(石油和天然气)。在地下地层中位于不同深度的各个阱或区中捕集烃类。在很多操作如压裂中，在井下位置需要锚固装置(诸如封隔器、桥塞等)以便于生产石油和天然气。在这样的操作后，必须先拆除或销毁锚固装置，然后才能开始以下操作。这样的拆除操作可能是昂贵和/或耗时的。期望提供一种锚固装置，该锚固装置可提供充分的锚固性能，同时提供期望的且可预测的降解特征。

本公开在本文提供受控制的可降解滑环和使用这些可降解滑环进行井下应用的系统。

发明概要

一方面，公开了一种锚固装置，所述锚固装置包括：可降解基板，所述可降解基板具有第一硬度；以及粒状抓持材料，所述粒状抓持材料与所述可降解基板的外延部相关，其中所述粒状抓持材料具有比所述第一硬度更大的第二硬度。

另一方面，公开了一种锚固井下装置的方法，所述方法包括：为可降解基板提供第一硬度；以及向所述可降解基板的所述外延部应用所述粒状抓持材料，其中所述粒状抓持材料具有比所述第一硬度更大的第二硬度。

另一方面，公开了一种井下系统，所述井下系统包括：套管柱；以及与所述套管柱相关的锚固装置，所述锚固装置包括：可降解基板，所述可降解基板具有第一硬度；以及粒状抓持材料，所述粒状抓持材料与所述可降解基板的外延部相关，其中所述粒状抓持材料具有比所述第一硬度更大的第二硬度并且所述第二硬度大于所述套管柱的内径的硬度。

相当广泛地概述了本文公开的设备和方法的某些特征的例子，目的在于可以更好地理解以下对本公开的详细描述。当然，在下文中公开的设备和方法具有另外的特征，这些特征将形成随附权利要求的主题。

附图简述

参考附图可以最好地理解本文的公开内容，其中相同的参考数字表示相同的元件，在附图中：

图1为根据本公开的实施方案的包括井下元件的示例性钻探系统的示意图；

图2为根据本公开的一个实施方案的用于井下系统的示例性井下装置诸如图1所示的一个井下装置的示意图；

图3a示出了根据本公开的一个实施方案的与井下装置诸如图2所示与井下系统一起使用的井下装置一起使用的示例性锚固装置的基板的局部视图；

图3b示出了图3a所示锚固装置的局部横截面视图；以及

图3c示出了图3a所示具有粒状抓持材料的锚固装置的局部横截面视图。

具体实施方式

图1示出了便于生产石油和天然气的井下系统的示例性实施方案。在某些实施方案中，系统100允许进行压裂操作以便于生产石油和天然气。系统100包括在地层104中形成的井筒106，井筒106中设置有套管108。

在一个示例性实施方案中，井筒106是从地面102到井下位置110钻出的。套管108可设置在井筒106内以便于生产。在一个示例性实施方案中，套管108穿过多个生产区z1…zn设置在井下位置110。井筒106可为垂直井筒、水平井筒、倾斜井筒或任何其他合适类型的井筒或它们的任意组合。

为了便于井下操作诸如压裂操作，在套管柱108内使用桥塞116a、封隔器116b或其他合适的井下装置。在某些实施方案中，此类井下装置116a、116b经由锚固组件118锚固到套管柱108。在某些实施方案中，桥塞116a利用锚固组件118和压裂球120来隔离区z1…zn以进行压裂操作。在某些实施方案中，压裂球120设置在井下位置110处以连同压裂塞116a一起阻塞并密封局部区112中的流体流，促进针对穿孔114的流动。在某些实施方案中，封隔器116b连同锚固组件118一起用于隔离区z1…zn以进行压裂操作。

在某些实施方案中，压裂流体124从压裂流体源122泵送到井下位置110以在通过井下装置116a、116b隔离的区112中流过穿孔114。有利的是，压裂操作允许更多的石油和天然气可用于生产。

通常在期望操作(诸如压裂操作)之后并且在以下操作之前，拆除或销毁锚固装置118，以允许石油和天然气流过套管108。在一个示例性实施方案中，锚固装置118被构造成锚固在局部区112的套管108上，直到锚固装置118分解或降解预定时间，以便于生产石油和天然气。有利的是，在一个示例性实施方案中，锚固装置118在本文中由多种材料形成，以具有可预测的且可调节的降解特征，同时允许具有合适的锚固特征。

图2示出了用于井下系统诸如图1所示的系统100的井下装置216，诸如桥塞、封隔器或任何其他合适的井下装置。在一个示例性实施方案中，井下系统200包括井下装置216，该井下装置经由锚固组件218而与套管208对接以锚固井下装置216。在某些实施方案中，压裂球220与井下装置216一起用于在井筒内隔离压裂流体流。

在一个示例性实施方案中，锚固组件218包括楔形件224和滑环228。在某些实施方案中，楔形件224被推进到井下，以使滑环228向外抵靠套管208推进，从而锚固在套管208上。在某些实施方案中，滑环228可在其抵靠套管208驱动时，开裂或以其他方式分离。在某些实施方案中，楔形物224经由布设工具、爆炸物或任何其他合适的装置来推进。在某些实施方案中，井下装置216进一步利用密封构件226来将井下装置216抵靠套管208密封并且进一步阻止移动。密封构件226可经由楔形件224而朝向套管208类似地驱动。

在一个示例性实施方案中，滑环228的基板由可降解材料形成，以允许滑环228在期望锚固功能执行后分解或降解。在某些实施方案中，连同滑环228的基板一起使用二次材料以将滑环228锚固在套管208上。通常，二次材料比套管208更硬，以允许滑环228部分地嵌入套管208中。在某些实施方案中，对于给定区域来说，暴露于井下装置216和滑环228的井下温度在特定井下位置从100华氏度变为350华氏度。有利的是，如本文所述的滑环228可允许在某些井下环境中在期望时间后降解，同时允许具有合适的锚固性能。在某些实施方案中，滑环228的多个部分可降解或另外不会阻止进一步井下操作或限制井筒内的流动。

图3a、图3b和图3c示出了滑环328的一个示例性实施方案。在一个示例性实施方案中，滑环328包括基板331和粒状抓持材料330。在某些实施方案中，滑环328与图2所示的井下装置一起用于将井下装置锚固在套管上。有利的是，滑环328为可降解装置，允许滑环328在无任何二次拆除或销毁操作的情况下降解。

在一个示例性实施方案中，基板331为可降解材料。有利的是，通过由可降解材料形成滑环328的基板331，井下装置可由滑环328锚固期望时间段，随后滑环328可崩解以允许在无任何销毁的情况下进行进一步操作。在某些实施方案中，基板331由可腐蚀金属诸如受控制的电解金属包括但不限于intallic形成。基板331材料可包括：镁合金；镁硅合金；镁铝合金；镁锌合金；镁锰合金；镁铝锌合金；镁铝锰合金；镁锌锆合金；以及镁稀土元素合金。稀土元素可包括但不限于钪、钇、镧、铈、镨、钕和铒。在某些实施方案中，基板材料331进一步涂有铝、镍、铁、钨、铜、钴。在某些实施方案中，基板331材料被压实并锻造。在某些实施方案中，这些元素可形成为粉末并且基板可由被压制的粉末形成。在一个示例性实施方案中，基板331的材料是基于滑环328的期望降解特征来选择的。

在一个示例性实施方案中，基板331形成大致圆柱形形状，具有内延程度336和外延部334。在某些实施方案中，内延程度336具有正在减小或已经减小的半径部分，以允许井下装置保持在滑环328内。在一个示例性实施方案中，基板331的材料相对于井下装置的相对硬度来选择，以防止对井下装置造成损坏。在一个示例性实施方案中，滑环328的外延部334被配置成与套管对接。在一个示例性实施方案中，外延部334包括粒状抓持材料330，该粒状抓持材料被设计成与套管对接。

在一个示例性实施方案中，滑环328可被配置成在展开时断裂成几个区段。在某些实施方案中，滑环328可通过如先前图2所示的楔形件而展开。为了促进滑环328的压裂，滑环328的某些实施方案包括启裂点332，这些启裂点设置在外延部334上。启裂点332包括但不限于切口、凹槽、狭缝、穿孔等。启裂点332可充当应力集中点，以便在滑环328展开时，沿滑环328的纵向轴线启动裂化、压裂或分离。在某些实施方案中，启裂点332经由电火花加工基板331而形成。

在一个示例性实施方案中，外延部334包括粒状抓持材料330，该粒状抓持材料被配置成与套管或其他合适的锚固介质对接。在一个示例性实施方案中，粒状抓持材料330的材料被选择成比对接套管更硬。套管可具有大约120ksi的硬度。套管等级的范围可为l80至q125。有利的是，相对较硬的锚固粒状抓持材料330允许粒状抓持材料330将井下装置牢固地锚固到套管或其他合适的锚固介质。在某些实施方案中，锚固粒状抓持材料330由比基板331更硬的材料形成。有利的是，材料，特别是可降解材料，可能不具有合适的硬度来充分地锚固到套管或其他合适的锚固材料，要求使用如本文所述的较硬锚固粒状抓持材料330。选择用于基板331的材料和粒状抓持材料330可能要小心地选择，以确保与基板331相比，抓持材料330在套管或锚固介质中嵌入得更远。

在一个示例性实施方案中，粒状抓持材料330处于滑环328的外延部334上。在某些实施方案中，粒状抓持材料330设置在底切部分338中。有利的是，滑环328的大部分可被粒状抓持材料330覆盖以允许具有更大的锚固性能。在某些实施方案中，通过覆盖滑环328的大部分，滑环328的基板331可以避免或减少损坏。有利的是，通过利用粒状抓持材料330，基板331可形成为具有低强度材料以允许滑环328具有更大的延展性。在一个示例性实施方案中，粒状抓持材料330一般可为具有类似大小和规则或不规则形状的粒状形式。在某些实施方案中，粒状抓持材料330a可以相对较大。在其他实施方案中，粒状抓持材料330b与其他粒状抓持材料330a相比可以相对较小。如图3c所示，粒状材料330a、330b的晶粒大小可基于应用而发生变化。在某些实施方案中，粒状材料330a、330b在多个层中应用于滑环328。有利的是，粒状材料330a、330b的多个层的使用可通过分配锚固力并且允许较硬材料(或较大粒状材料)330a与套管或锚固介质对接，同时较软粒状材料(或较小粒状材料)330b与基板331对接而防止对基板331造成损坏。在某些实施方案中，与套管或锚固介质对接的材料330a具有0.5mm至10mm的晶粒大小。在一个实施方案中，与套管或锚固介质对接的材料330a具有1mm至5mm的晶粒大小。在某些实施方案中，与基板331对接的材料330b具有1μm至2mm的晶粒大小。在一个实施方案中，与基板331对接的材料330b具有50μm至1mm的晶粒大小。在某些实施方案中，层330a、330b的合并后的厚度的范围为0.5mm至10mm。在一个实施方案中，层330a、330b的合并后的厚度的范围为2mm至5mm。另外，滑环328的特征和性能可通过相对于基板331和套管或锚固介质改变层330a、330b来调整和设计。有利的是，粒状抓持材料330可被配置成大小和形状设定为允许通过预期流动路径并且允许在基板331分解后继续进行操作。

在一个示例性实施方案中，粒状抓持材料330由崩解成小颗粒的可崩解材料形成。粒状抓持材料330可由任何合适的材料包括但不限于氧化物、碳化物和氮化物形成。在某些实施方案中，粒状抓持材料330由氧化铝、碳化硅、碳化钨、二氧化锆和氮化硅形成。在某些实施方案中，粒状抓持材料330可包含陶瓷型支撑剂或其他高硬度材料。

在一个示例性实施方案中，粒状抓持材料330设置在形成于基板331中的底切部分338中。在某些实施方案中，底切部分338具有比外延部334更小的外径，以允许将粒状抓持材料330包含在内，同时与外延部334的剩余部分保持相同或相似的外径。有利的是，底切部分338可以方便粒状抓持材料330和粘结剂339的使用。

粒状抓持材料330可经由粘结剂339或任何其他合适的粘合剂而附接到基板331。在某些实施方案中，粘结剂是可降解的。粘结剂包括但不限于增韧丙烯酸、环氧树脂、低金属点金属(诸如铝、镁、锌和它们的合金)等。在其他实施方案中，底切部分338可以保持粒状抓持材料330而无需任何额外的部件。在某些实施方案中，各种大小的粒状材料330a、330b通过各种粘结剂339a、339b来结合。在某些实施方案中，各种粘结剂339a、339b可基于粒状材料330a、330b的大小以及滑环328内的相对位置而发生变化。

因此，一方面，公开了一种锚固装置，所述锚固装置包括：可降解基板，所述可降解基板具有第一硬度；以及粒状抓持材料，所述粒状抓持材料与所述可降解基板的外延部相关，其中所述粒状抓持材料具有比所述第一硬度更大的第二硬度。在某些实施方案中，所述粒状抓持材料是可崩解的。在某些实施方案中，所述可降解基板包括以下各项之一：镁合金；镁硅合金；镁铝合金；镁锌合金；镁锰合金；镁铝锌合金；镁铝锰合金；镁锌锆合金；以及镁稀土元素合金。在某些实施方案中，所述粒状抓持材料包括以下各项之一：碳化硅；氧化物；碳化物；氮化物；以及陶瓷。在某些实施方案中，所述粒状抓持材料小于预期流动路径。在某些实施方案中，所述可降解基板包括至少一个启裂点。在某些实施方案中，进一步包括与所述粒状抓持材料和所述可降解基板相关的粘结剂。在某些实施方案中，所述粘结剂是可降解的。在某些实施方案中，所述粒状抓持材料包括多个颗粒层。在某些实施方案中，所述多个颗粒层中的每个颗粒层均具有对应的晶粒大小。在某些实施方案中，所述多个颗粒层中的最内颗粒层具有最内层硬度或最内层晶粒大小并且与所述可降解基板相邻，所述多个颗粒层中的最外层具有最外层硬度或最外层晶粒大小，并且所述最内层晶粒大小小于所述最外层晶粒大小或者所述最内层硬度小于所述最外层硬度。

另一方面，公开了一种锚固井下装置的方法，所述方法包括：为可降解基板提供第一硬度；以及向所述可降解基板的所述外延部应用所述粒状抓持材料，其中所述粒状抓持材料具有比所述第一硬度更大的第二硬度。在某些实施方案中，所述粒状抓持材料是可崩解的。在某些实施方案中，所述可降解基板包括以下各项之一：镁合金；镁硅合金；镁铝合金；镁锌合金；镁锰合金；镁铝锌合金；镁铝锰合金；镁锌锆合金；以及镁稀土元素合金。在某些实施方案中，所述粒状抓持材料包括以下各项之一：碳化硅；氧化物；碳化物；氮化物；以及陶瓷。在某些实施方案中，进一步包括与所述粒状抓持材料和所述可降解基板相关的粘结剂。在某些实施方案中，所述粒状抓持材料包括多个颗粒层。在某些实施方案中，所述多个颗粒层中的最内颗粒层具有最内层硬度或最内层晶粒大小并且与所述可降解基板相邻，所述多个颗粒层中的最外层具有最外层硬度或最外层晶粒大小，并且所述最内层晶粒大小小于所述最外层晶粒大小或者所述最内层硬度小于所述最外层硬度。

另一方面，公开了一种井下系统，所述井下系统包括：套管柱；以及与所述套管柱相关的锚固装置，所述锚固装置包括：可降解基板，所述可降解基板具有第一硬度；以及粒状抓持材料，所述粒状抓持材料与所述可降解基板的外延部相关，其中所述粒状抓持材料具有比所述第一硬度更大的第二硬度并且所述第二硬度大于所述套管柱的内径的硬度。在某些实施方案中，所述粒状抓持材料是可崩解的。在某些实施方案中，所述锚固装置与封隔器或桥塞相关。在某些实施方案中，所述锚固装置与楔形件相关。

前面的公开内容为了便于说明而涉及某些特定实施方案。然而，对于本领域技术人员而言，这样的实施方案的各种变化和修改是显而易见的。本公开的意图在于，在随附权利要求书的范围和精神之内的所有这样的变化和修改均包含在本文的公开内容内。