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本申請要求2014年12月5日提交的美國申請?zhí)?4/561523的權(quán)益，所述美國申請以引用的方式全文并入本文。

發(fā)明背景

發(fā)明領(lǐng)域

本公開大體涉及可降解滑環(huán)和利用這些可降解滑環(huán)進(jìn)行井下應(yīng)用的系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

在地下地層中鉆出井筒用于生產(chǎn)烴類(石油和天然氣)。在地下地層中位于不同深度的各個阱或區(qū)中捕集烴類。在很多操作如壓裂中，在井下位置需要錨固裝置(諸如封隔器、橋塞等)以便于生產(chǎn)石油和天然氣。在這樣的操作后，必須先拆除或銷毀錨固裝置，然后才能開始以下操作。這樣的拆除操作可能是昂貴和/或耗時的。期望提供一種錨固裝置，該錨固裝置可提供充分的錨固性能，同時提供期望的且可預(yù)測的降解特征。

本公開在本文提供受控制的可降解滑環(huán)和使用這些可降解滑環(huán)進(jìn)行井下應(yīng)用的系統(tǒng)。

發(fā)明概要

一方面，公開了一種錨固裝置，所述錨固裝置包括：可降解基板，所述可降解基板具有第一硬度；以及粒狀抓持材料，所述粒狀抓持材料與所述可降解基板的外延部相關(guān)，其中所述粒狀抓持材料具有比所述第一硬度更大的第二硬度。

另一方面，公開了一種錨固井下裝置的方法，所述方法包括：為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應(yīng)用所述粒狀抓持材料，其中所述粒狀抓持材料具有比所述第一硬度更大的第二硬度。

另一方面，公開了一種井下系統(tǒng)，所述井下系統(tǒng)包括：套管柱；以及與所述套管柱相關(guān)的錨固裝置，所述錨固裝置包括：可降解基板，所述可降解基板具有第一硬度；以及粒狀抓持材料，所述粒狀抓持材料與所述可降解基板的外延部相關(guān)，其中所述粒狀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內(nèi)徑的硬度。

相當(dāng)廣泛地概述了本文公開的設(shè)備和方法的某些特征的例子，目的在于可以更好地理解以下對本公開的詳細(xì)描述。當(dāng)然，在下文中公開的設(shè)備和方法具有另外的特征，這些特征將形成隨附權(quán)利要求的主題。

附圖簡述

參考附圖可以最好地理解本文的公開內(nèi)容，其中相同的參考數(shù)字表示相同的元件，在附圖中：

圖1為根據(jù)本公開的實(shí)施方案的包括井下元件的示例性鉆探系統(tǒng)的示意圖；

圖2為根據(jù)本公開的一個實(shí)施方案的用于井下系統(tǒng)的示例性井下裝置諸如圖1所示的一個井下裝置的示意圖；

圖3a示出了根據(jù)本公開的一個實(shí)施方案的與井下裝置諸如圖2所示與井下系統(tǒng)一起使用的井下裝置一起使用的示例性錨固裝置的基板的局部視圖；

圖3b示出了圖3a所示錨固裝置的局部橫截面視圖；以及

圖3c示出了圖3a所示具有粒狀抓持材料的錨固裝置的局部橫截面視圖。

具體實(shí)施方式

圖1示出了便于生產(chǎn)石油和天然氣的井下系統(tǒng)的示例性實(shí)施方案。在某些實(shí)施方案中，系統(tǒng)100允許進(jìn)行壓裂操作以便于生產(chǎn)石油和天然氣。系統(tǒng)100包括在地層104中形成的井筒106，井筒106中設(shè)置有套管108。

在一個示例性實(shí)施方案中，井筒106是從地面102到井下位置110鉆出的。套管108可設(shè)置在井筒106內(nèi)以便于生產(chǎn)。在一個示例性實(shí)施方案中，套管108穿過多個生產(chǎn)區(qū)z1…zn設(shè)置在井下位置110。井筒106可為垂直井筒、水平井筒、傾斜井筒或任何其他合適類型的井筒或它們的任意組合。

為了便于井下操作諸如壓裂操作，在套管柱108內(nèi)使用橋塞116a、封隔器116b或其他合適的井下裝置。在某些實(shí)施方案中，此類井下裝置116a、116b經(jīng)由錨固組件118錨固到套管柱108。在某些實(shí)施方案中，橋塞116a利用錨固組件118和壓裂球120來隔離區(qū)z1…zn以進(jìn)行壓裂操作。在某些實(shí)施方案中，壓裂球120設(shè)置在井下位置110處以連同壓裂塞116a一起阻塞并密封局部區(qū)112中的流體流，促進(jìn)針對穿孔114的流動。在某些實(shí)施方案中，封隔器116b連同錨固組件118一起用于隔離區(qū)z1…zn以進(jìn)行壓裂操作。

在某些實(shí)施方案中，壓裂流體124從壓裂流體源122泵送到井下位置110以在通過井下裝置116a、116b隔離的區(qū)112中流過穿孔114。有利的是，壓裂操作允許更多的石油和天然氣可用于生產(chǎn)。

通常在期望操作(諸如壓裂操作)之后并且在以下操作之前，拆除或銷毀錨固裝置118，以允許石油和天然氣流過套管108。在一個示例性實(shí)施方案中，錨固裝置118被構(gòu)造成錨固在局部區(qū)112的套管108上，直到錨固裝置118分解或降解預(yù)定時間，以便于生產(chǎn)石油和天然氣。有利的是，在一個示例性實(shí)施方案中，錨固裝置118在本文中由多種材料形成，以具有可預(yù)測的且可調(diào)節(jié)的降解特征，同時允許具有合適的錨固特征。

圖2示出了用于井下系統(tǒng)諸如圖1所示的系統(tǒng)100的井下裝置216，諸如橋塞、封隔器或任何其他合適的井下裝置。在一個示例性實(shí)施方案中，井下系統(tǒng)200包括井下裝置216，該井下裝置經(jīng)由錨固組件218而與套管208對接以錨固井下裝置216。在某些實(shí)施方案中，壓裂球220與井下裝置216一起用于在井筒內(nèi)隔離壓裂流體流。

在一個示例性實(shí)施方案中，錨固組件218包括楔形件224和滑環(huán)228。在某些實(shí)施方案中，楔形件224被推進(jìn)到井下，以使滑環(huán)228向外抵靠套管208推進(jìn)，從而錨固在套管208上。在某些實(shí)施方案中，滑環(huán)228可在其抵靠套管208驅(qū)動時，開裂或以其他方式分離。在某些實(shí)施方案中，楔形物224經(jīng)由布設(shè)工具、爆炸物或任何其他合適的裝置來推進(jìn)。在某些實(shí)施方案中，井下裝置216進(jìn)一步利用密封構(gòu)件226來將井下裝置216抵靠套管208密封并且進(jìn)一步阻止移動。密封構(gòu)件226可經(jīng)由楔形件224而朝向套管208類似地驅(qū)動。

在一個示例性實(shí)施方案中，滑環(huán)228的基板由可降解材料形成，以允許滑環(huán)228在期望錨固功能執(zhí)行后分解或降解。在某些實(shí)施方案中，連同滑環(huán)228的基板一起使用二次材料以將滑環(huán)228錨固在套管208上。通常，二次材料比套管208更硬，以允許滑環(huán)228部分地嵌入套管208中。在某些實(shí)施方案中，對于給定區(qū)域來說，暴露于井下裝置216和滑環(huán)228的井下溫度在特定井下位置從100華氏度變?yōu)?50華氏度。有利的是，如本文所述的滑環(huán)228可允許在某些井下環(huán)境中在期望時間后降解，同時允許具有合適的錨固性能。在某些實(shí)施方案中，滑環(huán)228的多個部分可降解或另外不會阻止進(jìn)一步井下操作或限制井筒內(nèi)的流動。

圖3a、圖3b和圖3c示出了滑環(huán)328的一個示例性實(shí)施方案。在一個示例性實(shí)施方案中，滑環(huán)328包括基板331和粒狀抓持材料330。在某些實(shí)施方案中，滑環(huán)328與圖2所示的井下裝置一起用于將井下裝置錨固在套管上。有利的是，滑環(huán)328為可降解裝置，允許滑環(huán)328在無任何二次拆除或銷毀操作的情況下降解。

在一個示例性實(shí)施方案中，基板331為可降解材料。有利的是，通過由可降解材料形成滑環(huán)328的基板331，井下裝置可由滑環(huán)328錨固期望時間段，隨后滑環(huán)328可崩解以允許在無任何銷毀的情況下進(jìn)行進(jìn)一步操作。在某些實(shí)施方案中，基板331由可腐蝕金屬諸如受控制的電解金屬包括但不限于intallic形成?；?31材料可包括：鎂合金；鎂硅合金；鎂鋁合金；鎂鋅合金；鎂錳合金；鎂鋁鋅合金；鎂鋁錳合金；鎂鋅鋯合金；以及鎂稀土元素合金。稀土元素可包括但不限于鈧、釔、鑭、鈰、鐠、釹和鉺。在某些實(shí)施方案中，基板材料331進(jìn)一步涂有鋁、鎳、鐵、鎢、銅、鈷。在某些實(shí)施方案中，基板331材料被壓實(shí)并鍛造。在某些實(shí)施方案中，這些元素可形成為粉末并且基板可由被壓制的粉末形成。在一個示例性實(shí)施方案中，基板331的材料是基于滑環(huán)328的期望降解特征來選擇的。

在一個示例性實(shí)施方案中，基板331形成大致圓柱形形狀，具有內(nèi)延程度336和外延部334。在某些實(shí)施方案中，內(nèi)延程度336具有正在減小或已經(jīng)減小的半徑部分，以允許井下裝置保持在滑環(huán)328內(nèi)。在一個示例性實(shí)施方案中，基板331的材料相對于井下裝置的相對硬度來選擇，以防止對井下裝置造成損壞。在一個示例性實(shí)施方案中，滑環(huán)328的外延部334被配置成與套管對接。在一個示例性實(shí)施方案中，外延部334包括粒狀抓持材料330，該粒狀抓持材料被設(shè)計(jì)成與套管對接。

在一個示例性實(shí)施方案中，滑環(huán)328可被配置成在展開時斷裂成幾個區(qū)段。在某些實(shí)施方案中，滑環(huán)328可通過如先前圖2所示的楔形件而展開。為了促進(jìn)滑環(huán)328的壓裂，滑環(huán)328的某些實(shí)施方案包括啟裂點(diǎn)332，這些啟裂點(diǎn)設(shè)置在外延部334上。啟裂點(diǎn)332包括但不限于切口、凹槽、狹縫、穿孔等。啟裂點(diǎn)332可充當(dāng)應(yīng)力集中點(diǎn)，以便在滑環(huán)328展開時，沿滑環(huán)328的縱向軸線啟動裂化、壓裂或分離。在某些實(shí)施方案中，啟裂點(diǎn)332經(jīng)由電火花加工基板331而形成。

在一個示例性實(shí)施方案中，外延部334包括粒狀抓持材料330，該粒狀抓持材料被配置成與套管或其他合適的錨固介質(zhì)對接。在一個示例性實(shí)施方案中，粒狀抓持材料330的材料被選擇成比對接套管更硬。套管可具有大約120ksi的硬度。套管等級的范圍可為l80至q125。有利的是，相對較硬的錨固粒狀抓持材料330允許粒狀抓持材料330將井下裝置牢固地錨固到套管或其他合適的錨固介質(zhì)。在某些實(shí)施方案中，錨固粒狀抓持材料330由比基板331更硬的材料形成。有利的是，材料，特別是可降解材料，可能不具有合適的硬度來充分地錨固到套管或其他合適的錨固材料，要求使用如本文所述的較硬錨固粒狀抓持材料330。選擇用于基板331的材料和粒狀抓持材料330可能要小心地選擇，以確保與基板331相比，抓持材料330在套管或錨固介質(zhì)中嵌入得更遠(yuǎn)。

在一個示例性實(shí)施方案中，粒狀抓持材料330處于滑環(huán)328的外延部334上。在某些實(shí)施方案中，粒狀抓持材料330設(shè)置在底切部分338中。有利的是，滑環(huán)328的大部分可被粒狀抓持材料330覆蓋以允許具有更大的錨固性能。在某些實(shí)施方案中，通過覆蓋滑環(huán)328的大部分，滑環(huán)328的基板331可以避免或減少損壞。有利的是，通過利用粒狀抓持材料330，基板331可形成為具有低強(qiáng)度材料以允許滑環(huán)328具有更大的延展性。在一個示例性實(shí)施方案中，粒狀抓持材料330一般可為具有類似大小和規(guī)則或不規(guī)則形狀的粒狀形式。在某些實(shí)施方案中，粒狀抓持材料330a可以相對較大。在其他實(shí)施方案中，粒狀抓持材料330b與其他粒狀抓持材料330a相比可以相對較小。如圖3c所示，粒狀材料330a、330b的晶粒大小可基于應(yīng)用而發(fā)生變化。在某些實(shí)施方案中，粒狀材料330a、330b在多個層中應(yīng)用于滑環(huán)328。有利的是，粒狀材料330a、330b的多個層的使用可通過分配錨固力并且允許較硬材料(或較大粒狀材料)330a與套管或錨固介質(zhì)對接，同時較軟粒狀材料(或較小粒狀材料)330b與基板331對接而防止對基板331造成損壞。在某些實(shí)施方案中，與套管或錨固介質(zhì)對接的材料330a具有0.5mm至10mm的晶粒大小。在一個實(shí)施方案中，與套管或錨固介質(zhì)對接的材料330a具有1mm至5mm的晶粒大小。在某些實(shí)施方案中，與基板331對接的材料330b具有1μm至2mm的晶粒大小。在一個實(shí)施方案中，與基板331對接的材料330b具有50μm至1mm的晶粒大小。在某些實(shí)施方案中，層330a、330b的合并后的厚度的范圍為0.5mm至10mm。在一個實(shí)施方案中，層330a、330b的合并后的厚度的范圍為2mm至5mm。另外，滑環(huán)328的特征和性能可通過相對于基板331和套管或錨固介質(zhì)改變層330a、330b來調(diào)整和設(shè)計(jì)。有利的是，粒狀抓持材料330可被配置成大小和形狀設(shè)定為允許通過預(yù)期流動路徑并且允許在基板331分解后繼續(xù)進(jìn)行操作。

在一個示例性實(shí)施方案中，粒狀抓持材料330由崩解成小顆粒的可崩解材料形成。粒狀抓持材料330可由任何合適的材料包括但不限于氧化物、碳化物和氮化物形成。在某些實(shí)施方案中，粒狀抓持材料330由氧化鋁、碳化硅、碳化鎢、二氧化鋯和氮化硅形成。在某些實(shí)施方案中，粒狀抓持材料330可包含陶瓷型支撐劑或其他高硬度材料。

在一個示例性實(shí)施方案中，粒狀抓持材料330設(shè)置在形成于基板331中的底切部分338中。在某些實(shí)施方案中，底切部分338具有比外延部334更小的外徑，以允許將粒狀抓持材料330包含在內(nèi)，同時與外延部334的剩余部分保持相同或相似的外徑。有利的是，底切部分338可以方便粒狀抓持材料330和粘結(jié)劑339的使用。

粒狀抓持材料330可經(jīng)由粘結(jié)劑339或任何其他合適的粘合劑而附接到基板331。在某些實(shí)施方案中，粘結(jié)劑是可降解的。粘結(jié)劑包括但不限于增韌丙烯酸、環(huán)氧樹脂、低金屬點(diǎn)金屬(諸如鋁、鎂、鋅和它們的合金)等。在其他實(shí)施方案中，底切部分338可以保持粒狀抓持材料330而無需任何額外的部件。在某些實(shí)施方案中，各種大小的粒狀材料330a、330b通過各種粘結(jié)劑339a、339b來結(jié)合。在某些實(shí)施方案中，各種粘結(jié)劑339a、339b可基于粒狀材料330a、330b的大小以及滑環(huán)328內(nèi)的相對位置而發(fā)生變化。

因此，一方面，公開了一種錨固裝置，所述錨固裝置包括：可降解基板，所述可降解基板具有第一硬度；以及粒狀抓持材料，所述粒狀抓持材料與所述可降解基板的外延部相關(guān)，其中所述粒狀抓持材料具有比所述第一硬度更大的第二硬度。在某些實(shí)施方案中，所述粒狀抓持材料是可崩解的。在某些實(shí)施方案中，所述可降解基板包括以下各項(xiàng)之一：鎂合金；鎂硅合金；鎂鋁合金；鎂鋅合金；鎂錳合金；鎂鋁鋅合金；鎂鋁錳合金；鎂鋅鋯合金；以及鎂稀土元素合金。在某些實(shí)施方案中，所述粒狀抓持材料包括以下各項(xiàng)之一：碳化硅；氧化物；碳化物；氮化物；以及陶瓷。在某些實(shí)施方案中，所述粒狀抓持材料小于預(yù)期流動路徑。在某些實(shí)施方案中，所述可降解基板包括至少一個啟裂點(diǎn)。在某些實(shí)施方案中，進(jìn)一步包括與所述粒狀抓持材料和所述可降解基板相關(guān)的粘結(jié)劑。在某些實(shí)施方案中，所述粘結(jié)劑是可降解的。在某些實(shí)施方案中，所述粒狀抓持材料包括多個顆粒層。在某些實(shí)施方案中，所述多個顆粒層中的每個顆粒層均具有對應(yīng)的晶粒大小。在某些實(shí)施方案中，所述多個顆粒層中的最內(nèi)顆粒層具有最內(nèi)層硬度或最內(nèi)層晶粒大小并且與所述可降解基板相鄰，所述多個顆粒層中的最外層具有最外層硬度或最外層晶粒大小，并且所述最內(nèi)層晶粒大小小于所述最外層晶粒大小或者所述最內(nèi)層硬度小于所述最外層硬度。

另一方面，公開了一種錨固井下裝置的方法，所述方法包括：為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應(yīng)用所述粒狀抓持材料，其中所述粒狀抓持材料具有比所述第一硬度更大的第二硬度。在某些實(shí)施方案中，所述粒狀抓持材料是可崩解的。在某些實(shí)施方案中，所述可降解基板包括以下各項(xiàng)之一：鎂合金；鎂硅合金；鎂鋁合金；鎂鋅合金；鎂錳合金；鎂鋁鋅合金；鎂鋁錳合金；鎂鋅鋯合金；以及鎂稀土元素合金。在某些實(shí)施方案中，所述粒狀抓持材料包括以下各項(xiàng)之一：碳化硅；氧化物；碳化物；氮化物；以及陶瓷。在某些實(shí)施方案中，進(jìn)一步包括與所述粒狀抓持材料和所述可降解基板相關(guān)的粘結(jié)劑。在某些實(shí)施方案中，所述粒狀抓持材料包括多個顆粒層。在某些實(shí)施方案中，所述多個顆粒層中的最內(nèi)顆粒層具有最內(nèi)層硬度或最內(nèi)層晶粒大小并且與所述可降解基板相鄰，所述多個顆粒層中的最外層具有最外層硬度或最外層晶粒大小，并且所述最內(nèi)層晶粒大小小于所述最外層晶粒大小或者所述最內(nèi)層硬度小于所述最外層硬度。

另一方面，公開了一種井下系統(tǒng)，所述井下系統(tǒng)包括：套管柱；以及與所述套管柱相關(guān)的錨固裝置，所述錨固裝置包括：可降解基板，所述可降解基板具有第一硬度；以及粒狀抓持材料，所述粒狀抓持材料與所述可降解基板的外延部相關(guān)，其中所述粒狀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內(nèi)徑的硬度。在某些實(shí)施方案中，所述粒狀抓持材料是可崩解的。在某些實(shí)施方案中，所述錨固裝置與封隔器或橋塞相關(guān)。在某些實(shí)施方案中，所述錨固裝置與楔形件相關(guān)。

前面的公開內(nèi)容為了便于說明而涉及某些特定實(shí)施方案。然而，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，這樣的實(shí)施方案的各種變化和修改是顯而易見的。本公開的意圖在于，在隨附權(quán)利要求書的范圍和精神之內(nèi)的所有這樣的變化和修改均包含在本文的公開內(nèi)容內(nèi)。