專利名稱：油井設備的現(xiàn)場澆鑄的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及油井設備的一種現(xiàn)場澆鑄方法。
背景技術：
圍繞油井外殼澆鑄水泥內襯的標準的實踐是在油井內部和周圍的地層之間產(chǎn)生一個耐液體的密封。
這種和許多其它的現(xiàn)場澆鑄技術的缺點是在凝固或固化時水泥或其它凝固的物質收縮，這是由于水合作用和/或相變導致的較高的原子填密的結果。

發(fā)明內容
本發(fā)明的一個目的是消除已知的現(xiàn)場澆鑄技術的缺點。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種方法，用于現(xiàn)場充填較難達到的井下的空穴，比如(可膨脹的)井管之間的環(huán)形空間，螺紋，泄漏，松孔，開口，礫石包，裂紋或穿孔。
本發(fā)明的另一個目的是在一個碳氫化合物液體井內提供一種產(chǎn)生可靠的和堅固的密封的方法。
按照本發(fā)明，使用一種膨脹合金，它在凝固時膨脹，以及它具有的熔點高于預期的最高的油井溫度，此合金放置在油井的一個空腔內以及保持在高于合金的熔點的溫度，這樣當合金冷卻至油井的環(huán)境溫度時它因此在空腔內凝固和膨脹。
優(yōu)選地，此膨脹合金含有鉍。代替地，此膨脹合金含有鎵或銻。
觀察到已經(jīng)知道使用具有低熔點的鉍組分，以及它在冷卻降溫時膨脹，可參見美國專利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，在工藝上已知的這些現(xiàn)有技術的參考文獻中，沒有由現(xiàn)場澆鑄的鉍合金制造的油井設備。
按照本發(fā)明，優(yōu)選地，合金通過油井下降時放置在一個容器內，其中溫度保持在高于合金的熔點，以及容器的一個出口進入與空腔液體貫通，而隨后引起熔融的合金流動，通過容器的出口進入空腔。
代替的方案是，合金可以在固體狀態(tài)放置入或接近空腔，以及井下加熱至溫度超過合金的熔點，而隨后加熱停止和合金允許在空腔內凝固和膨脹。
任選的方案是，此空腔是在一對共軸的油井管之間的一個環(huán)形空間。這種空腔適當?shù)卦诮咏湎露颂幘哂幸粋€底面或限制流動部分，該部分阻止熔融合金由空腔泄漏進入油井鉆孔的其它部分。
適當?shù)氖?，環(huán)形的空腔是由一個外井管和一個膨脹的內井管的搭接段之間的一個環(huán)形空間形成的。流動的限制部分可以由，例如，由一個柔性的密封環(huán)形成，它位于接近環(huán)形空間的下端處。
在此種情況下，優(yōu)選地一個膨脹合金的環(huán)定位在一個可膨脹的井管的一個預先膨脹段的上面以及圍繞上述的井管的外表面，以及膨脹合金的環(huán)具有一系列交錯排列的非切向的狹縫或開口，它們響應井管徑向的膨脹而張開。代替的方案是，環(huán)可以是開縫環(huán)，并帶有搭接的端部。在井管的膨脹產(chǎn)生熱量時或作為其結果，環(huán)將會熔化和再次凝固，以提供一個環(huán)形的密封。
為了產(chǎn)生一個非常堅固的在環(huán)形空腔內的密封件，最好使上述的坯體是第一坯體，第一坯體是被一個金屬的第二坯體在空腔內軸向地約束，而金屬的第二坯體在凝固時膨脹，以及其中第二坯體的金屬在比第一坯體的金屬更高的溫度凝固，本方法還包括-把第二坯體放置在環(huán)形的空腔內，沿軸向與第一坯體偏移；-借助升高上述兩個坯體的溫度使上述的坯體熔化；-借助降低上述的兩個坯體的溫度使上述的坯體凝固，從而使第二坯體的金屬在第一坯體的金屬之前凝固，因此沿軸向約束第一坯體。
因此，按照本發(fā)明，鉍，鎵或銻和/或它們的合金的特殊的膨脹性能能夠使用于密封井管內的空腔，共軸的井管之間的環(huán)形空間，或油井外殼和地層之間的環(huán)形空間，或者油井或周圍的地層內任何的小間隙或孔洞，比如，螺紋，泄漏，松孔，開口，礫石包，裂紋或穿孔。


本發(fā)明將參見附圖更詳細地說明，其中圖1示出一個可膨脹的井管的縱剖面圖，圍繞它設置兩個可膨脹的合金環(huán)；圖2示出圖1的井管和合金環(huán)在另一個井管內膨脹之后的狀態(tài)；圖3示出合金環(huán)熔化之后圖2的環(huán)形空間的細節(jié)；以及圖4說明在凝固時上可膨脹合金環(huán)如何在環(huán)形空間內膨脹，以及隨后在凝固時下膨脹環(huán)如何膨脹。
具體實施例方式
參見圖1和2，示出可膨脹的井管1，該井管1設有一個環(huán)形的外肩臺2。外肩臺2具有一個環(huán)形凹槽，在其中放置一個O形環(huán)4。在外肩臺2上面放置鉍合金環(huán)5。
金屬鉍的原子序號為83，以及鉍合金含有至少55％的鉍(重量)，當由熔融狀態(tài)轉入固相時膨脹。
純鉍(熔點MP＝271℃)在環(huán)境條件下凝固時膨脹3.32％(體積)，而它的典型的共晶合金，例如Bi60Cd40(熔點MP＝144℃)典型地膨脹1.5％(體積)。
按照本發(fā)明，鉍和鉍合金特殊的膨脹性能可以使用于密封一個外井管7和一個內膨脹的井管1之間的小的環(huán)形空間，如圖2所示。
一個鉍或鉍合金的環(huán)5放置在一個預先膨脹的可膨脹的井管1的鐓鍛的肩臺2上。環(huán)5可以是連續(xù)的或開縫的，以便允許膨脹。肩臺2可以是垂直于管子軸或傾斜一個角度以便允許在一個偏斜的油井內密封。
一個鉍或鉍合金的附加的上環(huán)6，該環(huán)的熔點高于環(huán)5的熔點以及密度小于環(huán)5的密度，該環(huán)放置在一個柔性的耐熱的塑料或橡膠袋8(例如耐烤塑料袋)內，以及袋8和環(huán)6的組合件放置在環(huán)5的頂上，這樣當井管1垂直地由頂至底具有環(huán)6，環(huán)5和隨后是鐓鍛的肩臺2。環(huán)5和6也可以是連續(xù)的或開縫的，以便允許膨脹。
鉍合金環(huán)5和6和預先膨脹的井管1以通常的方式放入油井內。外殼使用已知的管子膨脹技術膨脹，直到肩臺2，O形環(huán)或附加的密封段與外井管7進入接觸。附加的密封段可以包括在井管部分內，作為一個唇部或鐓鍛部分或一個附加的部件，比如彈性體的O形環(huán)4。
一旦井管1已膨脹使得膨脹的井管1的外徑與外井管7接觸或井管1的任何其它外密封機構與外井管7接觸，施加熱量。施加的熱量使用一個化學熱源、電(電阻或電感應)從加熱器的井管1的內部加上，或者通過在井管1內的一種熱液體的傳導。此熱量將提高兩個鉍或鉍合金環(huán)的溫度，直到最終兩個環(huán)熔化和借助重力下垂至環(huán)形空間的最低點。
來自環(huán)5的金屬將占據(jù)環(huán)形空間內最低的部分，隨后是來自環(huán)6的金屬，盡管后者仍被塑料袋8保持。
熱源被移去，或者停止加熱，井孔內的溫度將緩慢地降低至原始的溫度。環(huán)6將首先凝固，以及將膨脹(主要沿垂直的方向膨脹)，然而，在井管1上的某些向外的力將幫助提供對環(huán)6膨脹的一個摩擦阻力。達到這點可借助在放入井孔之前在外井管7或內井管1內機加工的粗糙度或凸耳。環(huán)5將在環(huán)6的凝固之后凝固和膨脹，以及被約束的膨脹帶有在全部方向上一個大的密封力，提供一個在井管1和7之間緊密的金屬-金屬的密封，如圖4所示。
鉍合金可以以一種固態(tài)或液態(tài)相下降到油井內，或者通過一個放熱反應就地產(chǎn)生。
后一種方法可以包括下列步驟Bi2O3和高活性的金屬劑，如Al，以粉末狀態(tài)以1∶1比例混合，這樣使它們具有一個極高的表面積體積比。這種粉末通過一個螺旋管或卸料翻斗組件放置到希望的位置。隨后，粉末(可以是處于球化或仔細燒結的狀態(tài))被電容器的放電或其它電或化學方法“點火”。Al將與Bi2O3內的氧反應，形成幾乎純的Bi，該純的Bi將由于反應產(chǎn)生的放熱本性而熔化，和一個Al2O3的低密度固體渣浮起(無害地)在Bi熔池的表面上。
代替的方案是，如果鉍合金是以固相下降到一個井內，隨后鉍合金材料可以形成填空或外殼組件的一部分(在一個環(huán)形密封環(huán)的情況下)或者以小球或小片的形式通過螺旋管放置到井內。在任何一種情況下，任何準備用鉍合金膨脹密封的管子段的表面清洗可以通過噴射或化學方法進行。
在放置之后，施加熱量，例如通過電阻和/或電感應加熱，超級加熱蒸汽噴射和/或放熱化學反應來施加。產(chǎn)生的熱量將熔化合金，允許形成一個液體柱，隨后液體柱允許冷卻，以及鉍合金將凝固和膨脹。
如果鉍合金是以一種實質上的液相下降到井內，隨后合金可以通過一個雙壁的隔熱的和/或電加熱的螺旋管子熔化在表面上和攜帶至希望的井下位置。
如果使用某種低熔點的合金，比如Bi-Hg合金，有可能產(chǎn)生添加劑(例如Cu)到此合金內，它作為一種“硬化劑”。在本實施例中，帶有熔點低于油井溫度的液體合金通過螺旋管子就地放置。這一點能夠借助重力達到，或者通過一個活塞或表面作用(泵)提供的壓力達到。因此，一種合金化元素的固體球粒能夠添加至“熔池”-如果很好選擇，這樣能產(chǎn)生一個固體的鉍合金。
可膨脹的鉍合金的一系列的適宜的井下用途總結如下-一種可膨脹的油井可拋棄柱塞適當?shù)娜廴诘你G合金的一個液體柱可以產(chǎn)生在外殼束帶內一個普通的機械的或水泥的柱塞的頂面上。使用的合金的熔點選擇高于在該深度處平衡的油井溫度。因此，液體的鉍合金將在外殼內凝固，以及最終的膨脹將鎖定鉍合金柱塞就位，以及形成一個隔離外殼的下段和以上部分的氣密的密封件。
-一個可膨脹的環(huán)形的密封柱塞適當?shù)你G合金的一個液體柱可以產(chǎn)生在環(huán)形的水泥柱的頂部或內部的兩個外殼束帶之間，或內襯和外殼束帶之間。一個環(huán)形的密封件將以與上述可拋棄的柱塞相同的方式產(chǎn)生。
-一個臨時的可反向的柱塞-例如使用于臨時地阻斷一個多橫道油井的橫向通道。
-一個外阻斷介質-一個鉍合金可以被注射進入穿孔，基體巖石或裂縫中，作為一個阻斷材料。在一個實施例中，鉍合金能夠產(chǎn)生一種人工外殼材料。
-一種修理介質-一個鉍合金可以使用于修理砂濾網(wǎng)，泄漏的裝填器，掛架密封件，或油井內的管子或外殼。
-一種代替的裝填器或內襯掛架密封件，類似于環(huán)形密封柱塞，可產(chǎn)生反向裝填器，或內襯掛架密封。在這些情況下，鉍合金能夠讓它們的凝固膨脹被彈性體密封件或更高熔點的鉍合金約束(因此更快地凝固)。這些合金可能特別適用于單孔油井的情況。類似的密封件能夠使用于井頭的密封。
一系列適當?shù)你G，鎵或其它的可膨脹合金的更詳細的說明見下文。
可以廣泛地選擇可膨脹的鉍，鎵合金使用于上述的每一種井下用途。除了純鉍之外，下列a)-f)各節(jié)所述的二元合金可以考慮作為其中能夠派生出三元的，四元的和更高組元的合金的最可能的組件塊。
a)Bi100-xSnx其中x＝0-5。這樣將產(chǎn)生一個固溶合金，其熔點＞141℃。少量的添加元素是可能的，比如Sb，In，Ga，Ag，Cu和Pb。這種合金具有能力借助后凝固沉淀硬化而強化，其中富Sn相將在富Bi的基體內沉淀。這種合金具有最大的凝固膨脹。這種合金的工業(yè)實例包括純鉍(商品為Ostalloy 520)；Bi95Sn5(商品為Cerrocast 9500-1或Ostalloy 524564)。
b)Bi100-xCux其中x＝0-45。這些合金可以考慮作為高溫用途，比如，在地熱油井內。這些合金的熔點的范圍由271℃至約900℃。
c)Bi100-xHgx其中x＝0-45。這些合金可以考慮作為低溫用途。這些合金的熔點的范圍由150℃至271℃。這些合金由于Hg的毒性是較不希望使用的，然而，其它的因素可能對此有影響。
d)Bi100-xSnx其中x＝5-42。這些合金的熔點范圍由138℃至271℃。然而，除非過冷，最后凝固的相在138℃凝固(共晶溫度)。這種合金非常有吸引力，在于其熔點，因為這個溫度適合于大多數(shù)的油井用途。商品合金的實例包括Ostalloy 281，Indalloy 281或Cerrotru5800-2。
鉛(Pb)經(jīng)常按照下式加入Bi100-x-yPby(其中x+y＜45-一般y＜6)。這樣產(chǎn)生一種合金，其熔點低于Bi-Sn二元合金。商品合金的實例包括Cerrobase 5684-2或5742-3；Ostalloy 250277或262271。
補充的合金化添加劑可以使用，它產(chǎn)生一個多相的合金，但是它是極低熔點的合金，比如“木質金屬”(“Wood′s Metal”)，(典型地Bi50Pb25Sn12.5Cd12.5)；這些合金有寬的變化。然而，這些合金中的大多數(shù)具有太低的熔點(例如Dalton Metal:Bi60Pb25Sn15具有熔點92℃，Indalloy117具有熔點47℃)，它在油井用途中是有意義的，但上述的有關冷液體的放置除外。
e)Bi100-xPbx其中x＝0-44.5。這些合金能夠使用于希望的較低的熔點，因為共晶溫度在124℃。銦(In)，鎵(Cd)或錫(Sn)的添加是普通的，以及全部可以降低熔點。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(共晶點在x＝4.5)。這些合金可以考慮作為較高熔點用途，因為其熔點由257℃至271℃。Bi100-xCdx其中x＝0-40(共晶點在x＝4.5)。共晶體的熔點為144℃。Bi100-xInx其x＜33。經(jīng)常包括具有非常低的熔點(＜100℃)的其它元素，(例如Indalloy25)。
因此，本專業(yè)技術人員可以明白，各種的鉍，鎵和其它可膨脹的合金適用于現(xiàn)場澆鑄密封件和/或其它部件，使用于油井結構，翻新處理和拋棄工作。
實例1)進行一項實驗以驗證鉍合金的膨脹行為不僅局限于大氣條件下。一種Bi58Sn42(鉍-錫)合金在400bar壓力的增壓室內凝固。增壓室組成實驗裝置的一部分，它敘述于以下文獻SPE paper64762(Improved Experimental Characterization of Cement/RubberZonal Isolation Materials”，作者為M.G Bosma，E K Cornelissen和A Schwing)。實驗表明，在試驗條件下，合金膨脹達1.41％(體積)。
2)另一個Bi58Sn42合金試樣是澆鑄入一個管子的臟試樣內(即涂覆API管子涂漆)，管子的內徑37.5cm，以及隨后允許凝固成為一個柱塞，在管子內的長度為104.6mm，以試驗合金的密封能力。水壓施加至凝固的柱塞的一端的管子段，以及測量跨過柱塞的壓力差。水壓逐步地增加，在泄漏發(fā)生之前柱塞能夠經(jīng)受80bar的壓差。
權利要求
1.一種油井設備的現(xiàn)場澆鑄方法，其中，使用一種可以在凝固時膨脹的金屬，該方法包括下列的步驟-放置上述金屬的一個坯體在油井的一個空腔內；-將上述的坯體帶至高于該金屬熔點的一個溫度；-冷卻上述的坯體至低于該金屬的熔點，從而使上述的坯體的金屬在空腔內凝固。
2.按照權利要求1的方法，其特征在于，上述的金屬是一種含有鉍的合金。
3.按照權利要求1或2的方法，其特征在于，上述的坯體通過油井下降時放置在一個容器內，其中溫度保持在高于該金屬的熔點，以及容器的一個出口進入與空腔的液體連通，而隨后引起熔融的金屬流動，通過上述的出口進入空腔。
4.按照權利要求1或2的方法，其特征在于，上述的坯體以固體狀態(tài)放置入或接近空腔，以及在井下加熱至溫度超過該金屬的熔點，而隨后加熱停止和允許金屬在空腔內凝固和因此膨脹。
5.按照權利要求1-4中任何一項的方法，其特征在于，所述的空腔是一個環(huán)形的空腔，位于一對共軸的井管之間。
6.按照權利要求5的方法，其特征在于，所述的空腔是一個環(huán)形的空腔，是由一個外井管和一個膨脹的內井管的搭接段之間的一個環(huán)形空間形成的。
7.按照權利要求5或6的方法，其特征在于，此空腔在接近下端處具有一個底面或限制流動部分，它阻止熔融的金屬由空腔泄漏進入油井鉆孔的其它部分。
8.按照權利要求7的方法，其特征在于，限制流動部分是由一個柔性的密封環(huán)形成的，它位于接近環(huán)形空腔的下端處。
9.按照權利要求8的方法，其特征在于，柔性的密封環(huán)具有一系列交錯的非切向的狹縫或開口，這些狹縫或開口響應井管徑向的膨脹而張開。
10.按照權利要求5-9中任何一項的方法，其特征在于，上述的坯體是第一坯體，第一坯體是被一個金屬的第二坯體在空腔內軸向地約束，而第二坯體的金屬在比第一坯體的金屬更高的溫度凝固，本方法還包括-放置第二坯體在環(huán)形的空腔內，沿軸向與第一坯體偏離開；-借助升高上述的兩個坯體的溫度使上述的坯體熔化；-借助降低上述的兩個坯體的溫度使上述的坯體凝固，從而使第二坯體的金屬在第一坯體的金屬之前凝固，因此沿軸向約束第一坯體。
11.實質上如前所述的并且參見附圖的方法。
全文摘要
提供一種油井設備的現(xiàn)場澆鑄的方法，其中使用一種可以在凝固時膨脹的金屬，該方法包括下列的步驟放置上述金屬的一個坯體在油井的一個空腔內；將上述的坯體帶至高于該金屬熔點的一個溫度；冷卻上述的坯體至低于該金屬的熔點，從而使上述的坯體的金屬在空腔內凝固。
文檔編號E21B36/00GK1514905SQ02811431
公開日2004年7月21日 申請日期2002年6月5日 優(yōu)先權日2001年6月5日
發(fā)明者馬丁·G·R·博斯馬, 埃里克·K·科內利森, 克利斯特尼斯·季米特里亞季斯, 邁克·彼得斯, 羅伯特·N·沃勒爾, K 科內利森, N 沃勒爾, 彼得斯, 特尼斯 季米特里亞季斯, 馬丁 G R 博斯馬 申請人:國際殼牌研究有限公司