НАБУХАЮЩИЙ МЕТАЛЛ ДЛЯ НЕЭЛАСТОМЕРНЫХ УПЛОТНИТЕЛЬНЫХ КОЛЕЦ, УПЛОТНИТЕЛЬНЫХ ПАКЕТОВ И УПЛОТНИТЕЛЬНЫХ ПРОКЛАДОК
SWELLING METAL FOR NON-ELASTOMERIC O-RINGS, SEALING BAGS AND SEALING GASKETS

Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к применению набухающих металлов в качестве неэластомерных уплотнительных колец, уплотнительных пакетов и уплотнительных прокладок и, в частности, к применению набухающих металлов в качестве неэластомерных уплотнительных колец, уплотнительных пакетов и уплотнительных прокладок в скважинных инструментах для образования уплотнений после воздействия насыщенных минеральных растворов.
Уровень техники
Уплотнительные элементы, такие как уплотнительные кольца, уплотнительные пакеты и уплотнительные прокладки, могут применяться, среди прочего, для образования уплотнений внутри и вокруг скважинных инструментов. Эти уплотнительные элементы могут ограничивать передачу флюидов и/или давления в области сопряжения уплотнений. Образование уплотнений может представлять собой важную часть скважинных операций на всех этапах бурения, заканчивания и добычи.
Уплотнительные кольца, уплотнительные пакеты и уплотнительные прокладки являются типами уплотнительных элементов. Уплотнительные прокладки преимущественно представляют собой механические уплотнения, которые заполняют пространство между двумя или более сопрягаемыми поверхностями. Уплотнительные прокладки могут быть выполнены из материалов многих типов, но обычно изготавливаются из материалов, которые допускают деформацию при сжатии, таких как эластомеры.
Уплотнительные кольца представляют собой вид механической уплотнительной прокладки, имеющей круглую форму и круглое поперечное сечение. Уплотнительное кольцо обычно устанавливают в паз или выемку между двумя или более смежными компонентами. При сжатии уплотнительное кольцо расширяется в любое окружающее пустое пространство, образуя уплотнение в области сопряжения уплотнительного кольца.
Уплотнительные пакеты представляют собой пакеты или уплотнительные элементы, которые имеют соответствующую форму для сопряжения со смежными уплотнительными элементами в уплотнительном пакете. Уплотнительные пакеты могут использоваться для образования динамических уплотнений или для создания уплотнительных устройств, которые невозможно создать с помощью отдельных уплотнительных элементов. Отдельные уплотнительные элементы внутри уплотнительного пакета могут использоваться для приведения в действие смежных уплотнительных элементов внутри уплотнительного пакета.
Многие виды уплотнительных элементов содержат эластомерные материалы для образования уплотнений. Эластомерные материалы, такие как резина, могут разлагаться в средах с высокой минерализацией и/или высокой температурой. Кроме того, эластомерные уплотнительные элементы могут со временем терять упругость, что приводит к их выходу из строя или необходимости в повторной замене. В случае некоторых материалов, используемых в качестве уплотнительных элементов, может также потребоваться прецизионная механическая обработка для обеспечения оптимального поверхностного контакта в области сопряжения уплотнительного элемента. Таким образом, материалы, которые имеют низкое качество обработки поверхности, например шероховатые или неровные поверхности, имеющие прорези, зазоры и тому подобное, могут быть недостаточно герметизированы этими материалами.
Если уплотнительные элементы выходят из строя, например, из-за неблагоприятного воздействия на них сред с высокой минерализацией и/или высокой температурой, скважинные операции, возможно, придется прервать, что приведет к потере времени эксплуатации и необходимости дополнительных затрат на снижение ущерба и починку неисправного уплотнительного элемента.
Краткое описание чертежей
Иллюстративные примеры данного изобретения подробно описаны ниже со ссылкой на прилагаемые графические материалы, которые включены в данный документ посредством ссылки и в которых:
на фиг. 1 представлено изометрическое изображение примера двух уплотнительных элементов, уплотнительного кольца и опорного кольца, в соответствии с раскрытыми в данном документе примерами;
на фиг. 2 представлено изометрическое изображение множества уплотнительных элементов прокладок в соответствии с раскрытыми в данном документе примерами;
на фиг. 3 проиллюстрирован вид в поперечном сечении уплотнительной прокладки, расположенной вокруг устройства регулирования притока, в соответствии с раскрытыми в данном документе примерами;
на фиг. 4 представлено изометрическое изображение уплотнительного пакета, расположенного в зазоре между двумя смежными скважинными инструментами, в соответствии с раскрытыми в данном документе примерами;
на фиг. 5 проиллюстрирован вид в поперечном сечении запирающего механизма, содержащего уплотнительный пакет и расположенного в скважинном инструменте, в соответствии с раскрытыми в данном документе примерами;
на фиг. 6 проиллюстрирован вид в поперечном сечении части уплотнительного элемента, содержащего связующий компонент, имеющий распределенный в нем набухающий металл, в соответствии с раскрытыми в данном документе примерами;
на фиг. 7 представлена фотография, иллюстрирующая вид сверху вниз двух образцов стержней из набухающего металла и части лифтовой трубы, в соответствии с раскрытыми в данном документе примерами;
на фиг. 8 представлена фотография, иллюстрирующая вид сбоку образца стержня из набухающего металла, проиллюстрированного на фиг. 7 и вставленного в кусок лифтовой трубы, и дополнительно иллюстрирующая экструзионный зазор между образцом стержня из набухающего металла и частью лифтовой трубы, в соответствии с раскрытыми в данном документе примерами;
на фиг. 9 представлена фотография, иллюстрирующая вид сбоку набухшего образца стержня из набухающего металла, проиллюстрированного на фиг. 7 и 8, после герметизации куска лифтовой трубы, в соответствии с раскрытыми в данном документе примерами;
на фиг. 10 проиллюстрирован график зависимости давления от времени для части эксперимента, в которой давление было увеличено внутри лифтовой трубы, проиллюстрированной на фиг. 9, до давления, достаточного для того, чтобы вытолкнуть набухший металлический стержень из лифтовой трубы, в соответствии с раскрытыми в данном документе примерами;
на фиг. 11 представлена фотография, иллюстрирующая изометрическое изображение нескольких образцов металлических стержней, расположенных внутри секций пластиковой лифтовой трубы, до набухания, в соответствии с раскрытыми в данном документе примерами; и
на фиг. 12 представлена фотография, иллюстрирующая изометрическое изображение образца набухшего металлического стержня, который набух до степени, достаточной для разрушения секции пластиковой лифтовой трубы, проиллюстрированной на фиг. 11, в соответствии с раскрытыми в данном документе примерами.
Проиллюстрированные фигуры даны только в качестве примера и не предназначены для утверждения или применения каких-либо ограничений в отношении среды, конфигурации, конструктивного исполнения или способа, в которых могут быть реализованы различные примеры.
Раскрытие сущности и осуществление изобретения
Данное изобретение относится к применению набухающих металлов в качестве неэластомерных уплотнительных колец, уплотнительных пакетов и уплотнительных прокладок, в частности, к применению набухающих металлов в качестве неэластомерных уплотнительных колец, уплотнительных пакетов и уплотнительных прокладок в скважинных инструментах для образования уплотнений после воздействия насыщенных минеральных растворов.
Если не указано иное, все числа, выражающие количества ингредиентов, свойства, такие как молекулярная масса, условия реакции и т. д., используемые в данном описании и связанной формуле изобретения, следует понимать как определяемые во всех случаях термином «около». Соответственно, если не указано иное, числовые параметры, изложенные в нижеследующем описании и прилагаемой формуле изобретения, являются приблизительными значениями, которые могут варьироваться в зависимости от требуемых свойств, которых необходимо добиться с помощью примеров в соответствии с данным изобретением. По меньшей мере и не в качестве попытки ограничить применение доктрины эквивалентов к объему формулы изобретения, каждый числовой параметр должен по меньшей мере рассматриваться в свете числа приводимых значащих разрядов чисел и с помощью обычных методов округления. Следует отметить, что, когда термин «около» находится в начале числового перечня, «около» определяет каждую цифру числового перечня. Кроме того, в некоторых числовых перечнях диапазонов некоторые перечисленные нижние предельные значения могут превышать некоторые перечисленные верхние предельные значения. Специалисту в данной области техники будет понятно, что для выбранного подмножества потребуется выбор верхнего предельного значения, превышающего выбранное нижнее предельное значение.
Примеры способов и систем, описанных в данном документе, относятся к применению неэластомерных уплотнительных элементов, содержащих набухающие металлы. Используемый в данном документе термин «уплотнительные элементы» относится к уплотнительным кольцам, уплотнительным пакетам, уплотнительным прокладкам или их комбинации. Набухающие металлы могут набухать в насыщенных минеральных растворах и образовывать уплотнение в области сопряжения уплотнительного элемента и смежных поверхностей. Под терминами «набухать», «набухание» или «набухающий» подразумевается, что набухающий металл увеличивается в объеме. Преимущественно, неэластомерные уплотнительные элементы могут применяться на грубо обработанных поверхностях, корродированных поверхностях или деталях, изготовленных методом трехмерной печати. Еще одним преимуществом является то, что набухающие металлы могут набухать в средах с высокой минерализацией и/или высокой температурой, в которых может не оправдывать себя применение эластомерных материалов, таких как резина. Набухающие металлы включают в себя широкое разнообразие металлов и металлических сплавов и могут набухать при образовании гидроксидов металлов. Уплотнительные элементы из набухающих металлов могут применяться в качестве замены для других типов уплотнительных элементов (то есть металлических уплотнительных элементов из ненабухающих металлов, эластомерных уплотнительных элементов и т.д.) в скважинных инструментах или в качестве резервных деталей для других типов уплотнительных элементов в скважинных инструментах.
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
Набухающие металлы набухают, подвергаясь реакциям гидратации металлов в присутствии насыщенных минеральных растворов с образованием гидроксидов металлов. Гидроксид металла занимает больше места, чем реагент основного металла. Это расширение объема позволяет набухающему металлу образовывать уплотнение в области сопряжения набухающего металла и любых смежных поверхностей. Например, молярная масса моля магния составляет 24 г/моль, а его плотность составляет 1,74 г/см, что дает объем 13,8 см/моль. Молярная масса гидроксида магния составляет 60 г/моль, а его плотность составляет 2,34 г/см, что дает объем 25,6 см/моль. 25,6 см/моль имеет на 85% больше объема, чем 13,8 см/моль. В качестве другого примера, молярная масса моля кальция составляет 40 г/моль, а его плотность составляет 1,54 г/см, что дает объем 26,0 см/моль. Молярная масса гидроксида кальция составляет 76 г/моль, а его плотность составляет 2,21 г/см, что дает объем 34,4 см/моль. 34,4 см/моль имеет на 32% больше объема, чем 26,0 см/моль. В качестве еще одного примера, молярная масса моля алюминия составляет 27 г/моль, а его плотность составляет 2,7 г/см, что дает объем 10,0 см/моль. Молярная масса гидроксида алюминия составляет 63 г/моль, а его плотность составляет 2,42 г/см, что дает объем 26 см/моль. 26 см/моль на 160% больше объема, чем 10 см/моль. Набухающий металл включает в себя любой металл или металлический сплав, который может подвергаться реакции гидратации с образованием гидроксида металла большего объема, чем реагент основного металла или металлического сплава.
Примеры подходящих металлов для набухающего металла включают, но не ограничиваются ими, магний, кальций, алюминий, железо, никель, медь, хром, олово, цинк, свинец, бериллий, золото, серебро, литий, натрий, калий, рубидий, цезий, стронций, барий, галлий, индий, таллий, висмут, скандий, титан, ванадий, марганец, кобальт, иттрий, цирконий, ниобий, молибден, рутений, родий, палладий, празеодим, лантан, гафний, тантал, вольфрам, тербий, рений, осмий, иридий, платину, неодим, гадолиний, эрбий или любую их комбинацию. Предпочтительные металлы включают в себя магний, кальций и алюминий.
Примеры подходящих металлических сплавов для набухающего металла включают, но не ограничиваются ими, любые сплавы магния, кальция, алюминия, железа, никеля, меди, хрома, олова, цинка, свинца, бериллия, золота, серебра, лития, натрия, калия, рубидия, цезия, стронция, бария, галлия, индия, таллия, висмута, скандия, титана, ванадия, марганца, кобальта, иттрия, циркония, ниобия, молибдена, рутения, родия, палладия, празеодима, лантана, гафния, тантала, вольфрама, тербия, рения, осмия, иридия, платины, неодима, гадолиния и эрбия. Предпочтительные металлические сплавы включают в себя сплавы магния-цинка-циркония или алюминия-никеля. В некоторых примерах металлические сплавы могут содержать легированные элементы, которые не являются металлическими. Примеры этих неметаллических элементов включают, но не ограничиваются ими, графит, углерод, кремний, нитрид бора и тому подобное. В некоторых примерах металл легируется для повышения способности вступать в реакцию или для контроля образования оксидов.
В некоторых примерах металлический сплав также легирован легирующим металлом, который способствует коррозии или ингибирует создание защитного слоя на поверхности металла и, таким образом, увеличивает образование гидроксида. Примеры легирующих металлов включают, но не ограничиваются ими, никель, железо, медь, углерод, титан, галлий, ртуть, кобальт, иридий, золото, палладий или любую их комбинацию.
В примерах, в которых набухающий металл содержит металлический сплав, металлический сплав может быть получен в результате обработки твердого раствора или в процессе порошковой металлургии. Уплотнительный элемент, содержащий металлический сплав, может быть образован либо в процессе производства металлического сплава, либо в результате последующей обработки металлического сплава.
Используемый в данном документе термин «твердый раствор» относится к сплаву, который образован из одного расплава, причем все компоненты в сплаве (например, магниевом сплаве) плавятся вместе в отливке. Отливка может быть впоследствии экструдирована, подвергнута деформации и складыванию или может быть обработана для придания уплотнительному элементу из набухающего металла требуемой формы. Предпочтительно, легирующие компоненты равномерно распределены по всему металлическому сплаву, хотя могут присутствовать внутризернистые включения без отхода от объема данного изобретения. Следует понимать, что могут иметь место некоторые незначительные изменения в распределении легирующих частиц, но предпочтительный вариант подразумевает, что распределение будет происходить таким образом, чтобы получался гомогенный твердый раствор металлического сплава. Твердый раствор является твердым раствором одного или более растворяемых веществ в растворителе. Такая смесь считается раствором, а не соединением, когда кристаллическая структура растворителя остается неизменной при добавлении растворяемых веществ и когда смесь остается в одной гомогенной фазе.
Процесс порошковой металлургии преимущественно включает получение или изготовление матрицы из легкоплавкого сплава в порошкообразной форме. Затем матрицу порошкообразного легкоплавкого сплава помещают в пресс-форму или смешивают по меньшей мере с одним другим типом частиц, а затем помещают в пресс-форму. К пресс-форме прикладывают давление, чтобы сжать вместе частицы порошка, сплавляя их с последующим образованием твердого материала, который можно использовать в качестве набухающего металла.
3
3
В некоторых альтернативных примерах набухающий металл содержит оксид. Например, оксид кальция вступает в реакцию с водой в энергетической реакции с образованием гидроксида кальция. Причем 1 моль оксида кальция занимает 9,5 см, тогда как 1 моль гидроксида кальция занимает 34,4 см, что составляет 260% объемного расширения. Примеры оксидов металлов включают оксиды любых металлов, раскрытых в данном документе, включая, но, не ограничиваясь этим, магний, кальций, алюминий, железо, никель, медь, хром, олово, цинк, свинец, бериллий, золото, серебро, литий, натрий, калий, рубидий, цезий, стронций, барий, галлий, индий, таллий, висмут, скандий, титан, ванадий, марганец, кобальт, иттрий, цирконий, ниобий, молибден, рутений, родий, палладий, празеодим, лантан, гафний, тантал, вольфрам, тербий, рений, осмий, иридий, платину, неодим, гадолиний, эрбий или любую их комбинацию.
Следует понимать, что выбранный набухающий металл следует выбрать таким образом, чтобы образованный уплотнительный элемент не разлагался с превращением в насыщенный минеральный раствор. Таким образом, может быть предпочтительным применение для набухающего металла металлов или металлических сплавов, которые образуют относительно водонерастворимые продукты гидратации. Например, гидроксид магния и гидроксид кальция обладают низкой растворимостью в воде. В качестве альтернативного или дополнительного варианта, уплотнительный элемент может быть расположен в скважинном инструменте таким образом, что разложение с превращением в насыщенный минеральный раствор ограничено из-за геометрической конфигурации области, в которой расположен уплотнительный элемент, что, следовательно, приводит к более слабому воздействию на уплотнительный элемент. Например, объем области, в которой расположен уплотнительный элемент, меньше, чем объем для расширения набухающего металла. В некоторых примерах объем указанной области составляет менее чем вплоть до 50% объема для расширения. В качестве альтернативного варианта, объем области, в которой может быть расположен уплотнительный элемент, может составлять менее 90% объема для расширения, менее 80% объема для расширения, менее 70% объема для расширения или менее 60% объема для расширения.
В некоторых примерах реакция гидратации металла может включать промежуточный этап, причем гидроксиды металла представляют собой мелкие частицы. В заключенном состоянии эти мелкие частицы могут сцепляться, создавая уплотнение. Таким образом, может существовать промежуточный этап, на котором набухающий металл образует ряд мелких частиц между этапами образования твердого металла и образования уплотнения.
В некоторых альтернативных примерах набухающий металл диспергируется в связующий материал. Связующий компонент может быть разлагаемым или не разлагаемым. В некоторых примерах связующий компонент может гидролитически разлагаться. Связующий компонент может быть набухающим или не набухающим. Если связующий компонент является набухающим, он может быть набухающим в нефти, набухающим в воде или набухающим в нефти и воде. В некоторых примерах связующий компонент может быть пористым. В некоторых альтернативных примерах связующий компонент может не быть пористым. Общие примеры связующего компонента включают, но не ограничиваются ими, каучуки, пластмассы и эластомеры. Конкретные примеры связующего компонента могут включать, но не ограничиваются ими, поливиниловый спирт, полимолочную кислоту, полиуретан, полигликолевую кислоту, нитрильный каучук, изопреновый каучук, политетрафторэтилен (ПТФЭ), силикон, флуроэластомеры, каучук на основе этилена и полиэфирэфиркетон (ПЭЭК). В некоторых вариантах реализации изобретения диспергированный набухающий металл может представлять собой стружку, полученную в процессе механической обработки.
В некоторых примерах гидроксид металла, образованный из набухающего металла, может быть дегидратирован при достаточном давлении набухания. Например, если гидроксид металла сопротивляется перемещению в результате образования дополнительного гидроксида, может быть создано повышенное давление, которое в некоторых примерах может привести к дегидратации гидроксида металла. Такая дегидратация может привести к образованию оксида металла из набухающего металла. В качестве примера, гидроксид магния может быть дегидратирован под давлением, достаточным для образования оксида магния и воды. В качестве другого примера, гидроксид кальция может быть дегидратирован под давлением, достаточным для образования оксида кальция и воды. В качестве еще одного примера, гидроксид алюминия может быть дегидратирован при давлении, достаточном для образования оксида алюминия и воды. Дегидратация гидроксидных форм набухающего металла может дать возможность набухающему металлу образовывать дополнительный гидроксид металла и продолжать набухать.
Уплотнительные элементы могут быть использованы для образования уплотнения в области сопряжения уплотнительного элемента и смежного компонента с обработанной шероховатой поверхностью. Термин «обработанная шероховатая поверхность», используемый в данном документе, является шероховатой поверхностью, которая не является ровной или однородной в области, в которой должно происходить уплотнение. Обработанная шероховатая поверхность включает в себя поверхность, имеющую углубления или выступы любого типа, например, поверхности, содержащие прорези, зазоры, выбоины, выемки, отверстия, углубления и тому подобное. Кроме того, компоненты, изготовленные методом аддитивного производства, например компоненты, изготовленные методом трехмерной печати, могут использоваться с уплотнительными элементами для образования уплотнений. В случае компонентов, изготовленных методом аддитивного производства, может не требоваться точная механическая обработка, и в некоторых примерах они могут иметь обработанную шероховатую поверхность. Уплотнительные элементы могут расширяться, заполняя и герметизируя дефектные участки обработанной шероховатой поверхности, что позволяет образовывать уплотнение между поверхностями, которые обычно невозможно герметизировать с помощью эластомерных уплотнительных элементов. Кроме того, компоненты с обработанной шероховатой поверхностью также могут быть дешевле, чем сравнимые компоненты с точной обработкой. Преимущественно, уплотнительные элементы также могут быть использованы для образования уплотнения в области сопряжения уплотнительного элемента и компонента с неровной поверхностью. Например, компоненты, изготовленные в виде сегментов или разделенные соединениями в косой стык, стыковые соединения, стыковые соединения с накладками и т. д. могут быть герметизированы, и процесс гидратации набухающих металлов может быть использован для закрытия зазоров на неровной поверхности. Таким образом, уплотнительные элементы из набухающего металла могут быть подходящими вариантами уплотнения для сложно уплотняемых поверхностей.
Как описано выше, уплотнительные элементы изготавливаются из набухающих металлов и, соответственно, являются неэластомерными материалами, за исключением конкретных примеров, которые дополнительно включают эластомерный связующий компонент для набухающих металлов. В качестве неэластомерных материалов уплотнительные элементы не обладают эластичностью, и поэтому уплотнительные элементы необратимо набухают при контакте с насыщенным минеральным раствором. Уплотнительные элементы не возвращаются к своему первоначальному размеру или форме даже после выведения насыщенного минерального раствора из контакта. В примерах, включающих эластомерный связующий компонент, эластомерный связующий компонент может вернуться к своему первоначальному размеру или форме; однако это не происходит с любым диспергируемым в нем набухающим металлом.
Насыщенный минеральный раствор может быть минерализованной водой (например, водой, содержащей одну или более растворенных в ней солей), насыщенной минерализованной водой (например, минерализованной водой, добываемой из подземного пласта), морской водой, пресной водой или любой их комбинацией. Насыщенный минеральный раствор может быть преимущественно из любого источника. Насыщенный минеральный раствор может представлять собой одновалентный насыщенный минеральный раствор или двухвалентный насыщенный минеральный раствор. Подходящие одновалентные насыщенные минеральные растворы могут включать в себя, например, растворы хлорида натрия, растворы бромида натрия, растворы хлорида калия, растворы бромида калия и т. п. Подходящие двухвалентные насыщенные минеральные растворы могут включать в себя, например, растворы хлорида магния, растворы хлорида кальция, растворы бромида кальция и т. п. В некоторых примерах соленость насыщенного минерального раствора может превышать 10%. В указанных примерах может идти речь о применении эластомерных уплотнительных элементов. Преимущественно, уплотнительные элементы из набухающего металла в соответствии с данным изобретением не подвергаются воздействию при контакте с минеральными растворами с высокой минерализацией. Специалист в данной области техники с помощью данного раскрытия изобретения будет иметь возможность без труда выбрать насыщенный минеральный раствор с высокой минерализацией.
Уплотнительные элементы могут использоваться в высокотемпературных пластах, например, в пластах с зонами, температура которых равна или превышает 177°C (350°F). Использование в этих высокотемпературных пластах может сказаться на эластомерных уплотнительных элементах. Преимущественно, на уплотнительные элементы из набухающего металла в соответствии с данным изобретением использование в высокотемпературных пластах не влияет. В некоторых примерах уплотнительные элементы в соответствии с данным изобретением могут использоваться в высокотемпературных пластах и с минеральными растворами с высокой минерализацией. В конкретном примере уплотнительный элемент из набухающего металла может использоваться для образования уплотнения для скважинного инструмента путем набухания после контакта с насыщенным минеральным раствором, минерализация которого составляет 10% или более, а также при размещении в зоне ствола скважины, температура в которой равна или превышает 177°C (350°F).
На фиг. 1 представлено изометрическое изображение примера двух уплотнительных элементов, уплотнительного кольца 5 и опорного кольца 10. Уплотнительное кольцо 5 содержит набухающий металл, как раскрыто и описано в данном документе. Опорное кольцо 10 содержит набухающий металл, как раскрыто и описано в данном документе. В некоторых альтернативных примерах опорное кольцо 10 может быть опорным кольцом для уплотнительного элемента, который не содержит набухающий металл. Уплотнительное кольцо 5 и опорное кольцо 10 может быть размещено в пазах 15 на наружной поверхности обсадной трубы 20. Обсадная труба 20 может представлять собой обсадную трубу любого типа, используемую в стволе скважины, в том числе бурильную трубу, трубу, составленную из прямых звеньев, лифтовую трубу, гибкую насосно-компрессорную трубу и т.д. Уплотнительное кольцо 5 и опорное кольцо 10 также могут быть использованы в любом скважинном инструменте или части скважинного оборудования и могут заменить любое эластомерное уплотнительное кольцо или опорное кольцо, используемое в скважинном инструменте или части скважинного оборудования. При воздействии насыщенного минерального раствора уплотнительное кольцо 5 и опорное кольцо 10 могут набухать и образовывать уплотнение в области сопряжения уплотнительного кольца 5 или опорного кольца 10 и на любой смежной поверхности, включая смежные поверхности, которые образуют обработанные шероховатые поверхности и/или являются неровными. В альтернативных примерах уплотнительное кольцо 5 и опорное кольцо 10 может содержать связующий компонент, в котором диспергирован набухающий металл. Связующий компонент может представлять собой любой связующий компонент, раскрытый в данном документе.
На фиг. 2 представлено изометрическое изображение множества уплотнительных элементов, называемых прокладками, в целом обозначаемыми позицией 25. Прокладки 25 могут иметь различные формы, включая круги, прямоугольники, квадраты, овалы и т.д. Прокладки 25 могут иметь различные формы, включая круги, прямоугольники, квадраты, овалы и т.д. Кроме того, прокладки 25 могут содержать вырезанные секции, которые могут обеспечить размещение прокладки 25 поверх болтов или других соединительных элементов, которые могут быть расположены в профиле смежных компонентов. В некоторых примерах прокладки 25 могут содержать зазоры, прорези, соединения и/или сегментные участки. Прокладки 25 содержат набухающий металл, как раскрыто и описано в данном документе. Прокладки 25 могут использоваться в любом скважинном инструменте или части скважинного оборудования и могут заменять любую эластомерную прокладку, используемую в скважинном инструменте или части скважинного оборудования. При воздействии насыщенного минерального раствора прокладка 25 может набухать и образовывать уплотнение в области сопряжения прокладки 25 и на любой смежной поверхности, включая смежные поверхности, которые образуют обработанные шероховатые поверхности и/или являются неровными. В альтернативных примерах прокладка 25 может содержать связующий компонент, в котором диспергирован набухающий металл. Связующий компонент может представлять собой любой связующий компонент, раскрытый в данном документе.
На фиг. 3 проиллюстрирован вид в поперечном сечении прокладки 25, расположенной вокруг устройства 30 регулирования притока. При воздействии насыщенного минерального раствора прокладка 25 может набухать и образовать уплотнение на пути 31 потока устройства 30 регулирования притока. Уплотнение может предотвращать или уменьшать приток скважинных флюидов во внутреннюю часть 32 обсадной трубы 33 ствола скважины. Устройство 30 регулирования притока может быть любым устройством регулирования притока, автономным устройством регулирования притока или другим средством ограничения потока, известным в данной области техники. Таким образом, прокладка 25 может препятствовать протеканию потока скважинного флюида во внутреннюю часть 32 обсадной трубы 33 ствола скважины без предварительного прохождения через внутреннюю часть устройства 30 регулирования притока.
На фиг. 4 представлено изометрическое изображение уплотнительного пакета, в целом обозначенного позицией 35 и расположенного в зазоре 40 между двумя смежными скважинными инструментами 45. Уплотнительный пакет 35 содержит профилированный уплотнительный элемент 50 и множество набивных уплотнений 55 шевронного типа. Профилированный уплотнительный элемент 50 содержит набухающий металл, как раскрыто и описано в данном документе.  Профилированный уплотнительный элемент 50 имеет форму, подходящую для того, чтобы взаимодействовать с набивными уплотнениями 55 шевронного типа и приводить их в действие. Набивные уплотнения 55 шевронного типа могут содержать эластомерные материалы. Уплотнительный пакет 35 уплотнений может использоваться с любым скважинным инструментом 45 или частью скважинного оборудования, содержащей уплотнительный пакет, и может заменить любой традиционный уплотнительный пакет, используемый в указанном скважинном инструменте 45 или части скважинного оборудования. При воздействии насыщенного минерального раствора профилированный уплотнительный элемент 50 может набухать и контактировать с набивными уплотнениями 55 шевронного типа, приводя их в действие для образования уплотнений в их соответствующих областях сопряжения. В альтернативных примерах профилированный уплотнительный элемент 50 может содержать связующий компонент, в котором диспергирован набухающий металл. Связующий компонент может представлять собой любой связующий компонент, раскрытый в данном документе.
На фиг. 5 проиллюстрирован вид в поперечном сечении запирающего механизма, в целом обозначенного позицией 100 и расположенного в скважинном инструменте. Запирающий механизм 100 содержит уплотнительный пакет, в целом обозначенный позицией 105. Уплотнительный пакет 105 содержит профилированный уплотнительный элемент 110, который можно использовать для приведения в действие уплотнений с металлическим контактом на первой цилиндрической уплотнительной поверхности 115 и второй цилиндрической уплотнительной поверхности 120. Кроме того, профилированный уплотнительный элемент 110 может герметизировать первую уплотнительную поверхность 125 из набухающего металла и вторую уплотнительную поверхность 130 из набухающего металла. В дополнение к профилированному уплотнительному элементу 110 уплотнительный пакет 105 также содержит уплотнительный элемент 140 с металлическим контактом. Профилированный уплотнительный элемент 110 содержит набухающий металл, как раскрыто и описано в данном документе. Профилированный уплотнительный элемент 110 имеет форму, подходящую для того, чтобы взаимодействовать с уплотнительным элементом 140 с металлическим контактом и приводить его в действие. Уплотнительный элемент 140 с металлическим контактом может содержать набухающие металлы, как описано в данном документе, или может не содержать набухающие металлы и, следовательно, может не набухать при воздействии насыщенного минерального раствора. Уплотнительный элемент 140 с металлическим контактом содержит металлические рычаги 145 и 150. При воздействии насыщенного минерального раствора профилированный уплотнительный элемент 110 может набухать и оказывать давление на уплотнительный элемент 140 с металлическим контактом, приводя в действие уплотнительный элемент 140 с металлическим контактом путем смещения металлических рычагов 145 и 150 в радиальном направлении наружу с образованием уплотнений с металлическим контактом в соответствующих областях сопряжения первой цилиндрической уплотнительной поверхности 115 и второй цилиндрической уплотнительной поверхности 120. Кроме того, профилированный уплотнительный элемент 110 может образовывать уплотнения с металлическим контактом на первой уплотнительной поверхности 125 из набухающего металла и второй уплотнительной поверхности 130 из набухающего металла. В альтернативных примерах профилированный уплотнительный элемент 110 может содержать связующий компонент, в котором диспергирован набухающий металл. Связующий компонент может представлять собой любой связующий компонент, раскрытый в данном документе.
На фиг. 6 проиллюстрирован вид в поперечном сечении части уплотнительного элемента, в целом обозначенного позицией 200, содержащего связующий компонент 205 и имеющего диспергированный в нем набухающий металл 210. Как проиллюстрировано, набухающий металл 210 может быть распределен внутри связующего компонента 205. Распределение может быть однородным или неоднородным. Набухающий металл 210 может быть распределен внутри связующего компонента 205 любым подходящим способом. Связующий компонент 205 может быть любым связующим материалом, как описано в данном документе. Связующий компонент 205 может не набухать, набухать в нефти, набухать в воде или набухать в нефти и воде. Связующий компонент 205 может быть разлагаемым. Связующий компонент 205 может быть пористым или непористым. Уплотнительный элемент 200, содержащий связующий компонент 205 и имеющий диспергированный в нем набухающий металл 210, может использоваться вместо любого уплотнительного элемента, описанного в данном документе и изображенного на любой из фигур. В одном варианте реализации изобретения набухающий металл 210 может быть механически сжат, а связующий компонент 205 может быть отлит вокруг сжатого набухающего металла 210 в требуемой форме.
Следует четко понимать, что примеры, проиллюстрированные на фиг. 1-6, являются просто общими вариантами применения на практике принципов данного изобретения, и возможно широкое разнообразие других примеров. Следовательно, объем данного изобретения никоим образом не ограничен элементами в соответствии с любой из фигур, описанных в данном документе.
Также следует признать, что раскрытые уплотнительные элементы также могут прямо или косвенно воздействовать на различное скважинное оборудование и инструменты, которые могут вступать в контакт с уплотнительными элементами во время работы. Такое оборудование и инструменты могут включать в себя, но не ограничиваться этим, скважинную обсадную трубу, скважинный хвостовик, колонну заканчивания, колонны с твердосплавными вставками, бурильную колонну, гибкие насосно-компрессорные трубы, каротажный трос, талевый канат, бурильную трубу, утяжеленные бурильные трубы, буровые двигатели, забойные двигатели и/или насосы, устанавливаемые на поверхности двигатели и/или насосы, центраторы, турбулизаторы для обсадной колонны, скребки, обратные клапаны (например, башмаки, утяжеленные трубы, клапаны и т.д.), каротажные инструменты и соответствующее телеметрическое оборудование, приводы (например, электромеханические устройства, гидромеханические устройства и т.д.), скользящие муфты, эксплуатационные муфты, пробки, сетчатые фильтры, фильтры, устройства регулирования потока (например, устройства регулирования притока, автономные устройства регулирования притока, устройства регулирования оттока и т.д.), соединительные муфты (например, электрогидравлическое погружное соединение, сухое соединение, индуктивный соединитель и т. д.), линии управления (например, электрические, оптоволоконные, гидравлические и т.д.), линии наблюдения, буровые долота и скважинные расширители, датчики или распределенные датчики, скважинные теплообменники, клапаны и соответствующие исполнительные устройства, уплотнения инструмента, пакеры, цементировочные пробки, мостовые пробки и другие скважинные изолирующие устройства или компоненты и тому подобное. Любой из этих компонентов может входить в состав систем, в целом описанных выше и изображенных на любой из фигур.
Предложены способы образования уплотнения в стволе скважины в соответствии с данным изобретением и проиллюстрированными фигурами. Приведенный в качестве примера способ включает в себя предоставление уплотнительного элемента из набухающего металла, выбранного из группы, состоящей из уплотнительного кольца, прокладки или уплотнительного пакета; причем уплотнительный элемент из набухающего металла расположен внутри или вокруг скважинного инструмента, расположенного в стволе скважины. Способ дополнительно включает в себя воздействие насыщенного минерального раствора на уплотнительный элемент из набухающего металла и обеспечение или создание возможности для набухания уплотнительного элемента из набухающего металла.
В качестве дополнительного или альтернативного варианта, способ может включать в себя один или более следующих отличительных признаков по отдельности или в комбинации. Уплотнительный элемент из набухающего металла может содержать металл, выбранный из группы, состоящей из магния, кальция, алюминия и любой их комбинации. Уплотнительный элемент из набухающего металла может содержать металлический сплав, содержащий металл, выбранный из группы, состоящей из магния, кальция, алюминия и любой их комбинации. Скважинный инструмент может содержать уплотнительную поверхность, смежную с уплотнительным элементом из набухающего металла; причем уплотнительная поверхность содержит углубление или выступ в области уплотнительной поверхности, смежной с уплотнительным элементом из набухающего металла.  Скважинный инструмент может содержать уплотнительную поверхность, смежную с уплотнительным элементом из набухающего металла; причем уплотнительная поверхность содержит сегменты, соединения в косой стык, стыковые соединения, стыковые соединения с накладками или их комбинацию. Скважинный инструмент может содержать уплотнительную поверхность, смежную с уплотнительным элементом из набухающего металла; причем уплотнительная поверхность была изготовлена методом аддитивного производства. Уплотнительный элемент из набухающего металла может содержать связующий компонент. Уплотнительный элемент из набухающего металла может содержать оксид металла. Скважинный инструмент может быть расположен в зоне ствола скважины, температура которой составляет более 177°C (350°F). Минерализация насыщенного минерального раствора может составлять более 10%. Скважинный инструмент может представлять собой устройство регулирования притока.
Предложены уплотнительные элементы из набухающего металла для образования уплотнения в стволе скважины в соответствии с данным изобретением и проиллюстрированными фигурами. Приведенный в качестве примера уплотнительный элемент из набухающего металла содержит уплотнительный пакет из набухающего металла, содержащий: уплотнительный элемент; причем уплотнительный элемент не является уплотнительным элементом из набухающего металла, при этом уплотнительный элемент из набухающего металла является смежным с уплотнительным элементом.
В качестве дополнительного или альтернативного варианта, уплотнительные элементы из набухающего металла могут включать в себя один или более следующих отличительных признаков по отдельности или в комбинации. Уплотнительный элемент из набухающего металла может содержать металл, выбранный из группы, состоящей из магния, кальция, алюминия и любой их комбинации. Уплотнительный элемент из набухающего металла может содержать металлический сплав, содержащий металл, выбранный из группы, состоящей из магния, кальция, алюминия и любой их комбинации. Уплотнительный элемент может представлять собой эластомерное набивное уплотнение шевронного типа, выполненное с возможностью приведения в действие уплотнительным элементом из набухающего металла. Указанный уплотнительный элемент может представлять собой металлический уплотнительный элемент, выполненный с возможностью приведения в действие уплотнительным элементом из набухающего металла для создания уплотнения с металлическим контактом. Уплотнительный элемент из набухающего металла может содержать связующий компонент. Уплотнительный элемент из набухающего металла может содержать оксид металла.
Предложены системы для уменьшения гидравлического сообщения с трубчатым элементом в соответствии с данным изобретением и проиллюстрированными фигурами. Приведенная в качестве примера система содержит: устройство регулирования притока, содержащее проток между кольцевым пространством и внутренней частью трубчатого элемента; трубчатый элемент, соединенный с устройством регулирования притока; и уплотнительный элемент из набухающего металла, по меньшей мере частично расположенный на пути потока.
В качестве дополнительного или альтернативного варианта, система может включать один или более следующих отличительных признаков по отдельности или в комбинации. Уплотнительный элемент из набухающего металла может содержать металл, выбранный из группы, состоящей из магния, кальция, алюминия и любой их комбинации. Уплотнительный элемент из набухающего металла может содержать металлический сплав, содержащий металл, выбранный из группы, состоящей из магния, кальция, алюминия и любой их комбинации. Уплотнительный элемент из набухающего металла может содержать связующий компонент. Уплотнительный элемент из набухающего металла может содержать оксид металла. Устройство регулирования притока может быть расположено в зоне ствола скважины, температура которой составляет более 177°C (350°F). Инструмент устройства регулирования притока может содержать уплотнительную поверхность, смежную с уплотнительным элементом из набухающего металла; причем уплотнительная поверхность содержит углубление или выступ в области уплотнительной поверхности, смежной с уплотнительным элементом из набухающего металла. Устройство регулирования притока может содержать уплотнительную поверхность, смежную с уплотнительным элементом из набухающего металла; причем уплотнительная поверхность содержит сегменты, соединения в косой стык, стыковые соединения, стыковые соединения с накладками или их комбинацию. Устройство регулирования притока может содержать уплотнительную поверхность, смежную с уплотнительным элементом из набухающего металла; причем уплотнительная поверхность была изготовлена методом аддитивного производства.
Примеры
Данное изобретение можно лучше понять со ссылкой на следующие примеры, которые предлагаются в качестве иллюстрации. Данное изобретение не ограничено приведенными в данном документе примерами.
Пример 1
Пример 1 иллюстрирует экспериментальную проверку концепции для испытания набухания набухающего металла в присутствии насыщенного минерального раствора. Приведенный в качестве примера набухающий металл, содержащий магниевый сплав, созданный в процессе производства твердого раствора, был подготовлен в виде пары длинных металлических стержней длиной 2,54 см (1 дюйм) и диаметром 1,27 см (0,5 дюйма). Стержни были помещены в кусок лифтовой трубы с внутренним диаметром 1,59 см (0,625 дюйма). Стержни подвергали воздействию 20%-ного раствора хлорида калия и давали им возможность набухать. На фиг. 7 представлена фотография, иллюстрирующая вид сверху двух образцов стержней из набухающего металла и части лифтовой трубы. На фиг. 8 представлена фотография, иллюстрирующая вид сбоку образца стержня из набухающего металла, проиллюстрированного на фиг. 7 и вставленного в кусок лифтовой трубы, и дополнительно иллюстрирующая экструзионный зазор между образцом стержня из набухающего металла и частью лифтовой трубы.
После набухания образец лифтовой трубы выдерживал давление в 2,06 МПа (300 фунт/кв. дюйм) без утечки. Давление в 4,14 МПа (600 фунтов/кв. дюйм) было необходимо, чтобы вызвать сдвиг набухающего металла в лифтовой трубе. Таким образом, было показано, что без какой-либо поддержки набухающий металл образует уплотнение в лифтовой трубе и выдерживает давление в 2,06 МПа (300 фунтов/кв. дюйм) с экструзионным зазором 0,32 см (1/8 дюйма). На фиг. 9 представлена фотография, иллюстрирующая вид сбоку набухшего образца стержня из набухающего металла, проиллюстрированного на фиг. 7 и 8, после герметизации куска лифтовой трубы. На фиг. 10 проиллюстрирован график зависимости давления от времени для части указанного эксперимента, в которой давление было увеличено внутри лифтовой трубы, проиллюстрированной на фиг. 9, до давления, достаточного для того, чтобы вытолкнуть набухший металлический стержень из лифтовой трубы.
В качестве наглядной демонстрации те же металлические стержни помещали в трубы из ПВХ, подвергали воздействию 20%-ного раствора хлорида калия и давали им возможность набухать. Набухающий металл разрывал трубы из ПВХ. На фиг. 11 представлена фотография, иллюстрирующая изометрическое изображение нескольких образцов металлических стержней, расположенных внутри секций пластиковой лифтовой трубы, до набухания. На фиг. 12 представлена фотография, иллюстрирующая изометрическое изображение образца набухшего металлического стержня, который набух до степени, достаточной для разрушения секции пластиковой лифтовой трубы, проиллюстрированной на фиг. 11.
Приведен один или более иллюстративных примеров, включающих в себя раскрытые в данном документе примеры. С целью ясности изложения в данной заявке описаны и проиллюстрированы не все отличительные признаки физической реализации. Следовательно, раскрытые системы и способы хорошо приспособлены для достижения упомянутых целей и преимуществ, а также целей и преимуществ, которые им присущи. Конкретные примеры, раскрытые выше, являются всего лишь иллюстративными, поскольку идеи данного изобретения могут быть изменены и применены на практике различными, но эквивалентными способами, очевидными для специалистов в данной области техники, пользующихся преимуществами приведенных в данном документе идей. Кроме того, никакие ограничения не предназначены для применения к элементам конструкции или устройства, проиллюстрированным в данном документе и отличным от описанных в приведенной ниже формуле изобретения. Следовательно, является очевидным, что конкретные иллюстративные примеры, раскрытые выше, могут быть изменены, объединены или модифицированы, и все такие вариации рассматриваются как входящие в объем данного изобретения. Системы и способы, иллюстративно раскрытые в данном документе, могут подходящим образом применяться на практике в отсутствие какого-либо элемента, который конкретно не раскрыт в данном документе, и/или любого необязательного элемента, раскрытого в данном документе.
Хотя подробно описаны данное изобретение и его преимущества, следует понимать, что различные изменения, замены и преобразования могут быть выполнены в данном документе без отклонения от сущности и объема данного изобретения, как определено в последующей формуле изобретения.