相關(guān)申請的交叉引用

本申請要求于2014年9月30日提交的申請?zhí)枮?4/501889的美國申請的優(yōu)先權(quán)，其全部內(nèi)容通過引用并入本文中。

背景技術(shù)：

因為它們密封到粗糙或包括缺陷的表面的能力，所以彈性體通常用作井下應(yīng)用的密封材料。這種密封件的應(yīng)用包括在地層鉆孔中采用的管狀系統(tǒng)，例如在烴回收和二氧化碳封存工業(yè)中。然而，彈性體可以在高溫和高壓下以及在腐蝕性環(huán)境中降解。因此，工業(yè)總是愿意接受改進的用于在井眼中布置以執(zhí)行各種功能(例如填充環(huán)形空間、隔離區(qū)域和提供密封件)的材料、裝置和方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本文公開了一種布置裝置的方法。該方法包括：將設(shè)備定位在預(yù)先確定的位置；其中設(shè)備包括含有可膨脹石墨和粘合劑的組合物，并且其中該組合物具有第一形狀；并且將該組合物暴露于微波能量以使得該組合物獲得不同于第一形狀的第二形狀。

在另一方面，提供了一種組合物，其包括：可膨脹石墨；和包括鋁熱劑、al和ni的混合物或包括前述物質(zhì)的至少一種的組合的活化材料。

還公開了一種包括組合物的設(shè)備，該組合物含有：可膨脹石墨；粘合劑；和包括鋁熱劑、al和ni的混合物或包括前述物質(zhì)的至少一種的組合的活化材料。

一種制備設(shè)備的方法包括：復(fù)合可膨脹石墨；粘合劑；和包括鋁熱劑、al和ni的混合物或包括前述物質(zhì)的至少一種的組合的活化材料，以形成混合物；并且在低于100°f的溫度下壓縮模制混合物。

在另一方面，一種布置裝置的方法包括：將設(shè)備定位在預(yù)先確定的位置；其中該裝置包括含有可膨脹石墨的組合物；粘合劑；和包括鋁熱劑、al和ni的混合物或包括前述物質(zhì)的至少一種的組合的活化材料，并且其中該組合物具有第一形狀；并且將該組合物暴露于所選的能量形式以使得該組合物獲得不同于第一形狀的第二形狀。

附圖說明

以下描述不應(yīng)以任何方式被認為是限制性的。參考附圖，給相同的元件編以同樣的號碼：

圖1a示出了套管、產(chǎn)品管和井下元件的縱向截面，其中井下元件抵靠生產(chǎn)管的外徑安置；

圖1b示出了套管、生產(chǎn)管和井下元件的縱向截面，其中井下元件經(jīng)由套管和生產(chǎn)管之間的井眼的環(huán)形空間中的微波原位活化形成密封件；

圖2是包括可膨脹石墨和活化材料的組合物的示例性實施方式的示意圖；以及

圖3是包括可膨脹石墨和活化材料的組合物的另一示例性實施方式的示意圖。

具體實施方式

石墨是由碳原子的六角形陣列或網(wǎng)絡(luò)的層構(gòu)成的，這些碳原子僅通過弱范德華力保持在一起?？膳蛎浭?一種合成的石墨插層化合物)在加熱時體積上可以膨脹幾百倍。膨脹石墨具有較高的熱量和化學穩(wěn)定性、柔韌性、可壓縮性以及適應(yīng)性，并且是對于多種應(yīng)用都很有前途的替代型密封或填充材料。

然而，不是最初形成膨脹石墨然后在不同的時間和/或位置布置膨脹石墨，發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在某些情況下，布置可膨脹石墨并在使用時使其膨脹可能是有利的。例如，井下條件下的可膨脹石墨的原位活化可能是具有挑戰(zhàn)性的，這是因為為了活化(膨脹)可膨脹石墨通常需要高溫加熱源，從而增加了操作成本并對其它井下工具造成了熱量損壞。

本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)可膨脹石墨可以經(jīng)由兩種活化方法(即，在不引入任何有害熱量源的情況下的微波能量和觸發(fā)化學)來活化。在微波方法中，微波源生成僅引起可膨脹石墨膨脹的集中在可膨脹石墨上的強微波能量，從而實現(xiàn)所需的密封或填充功能。

在觸發(fā)化學方法中，將活化材料與可膨脹石墨共混而形成復(fù)合材料。當活化材料暴露于電流、電磁輻射、或熱量(觸發(fā))時，發(fā)生強烈的放熱量反應(yīng)并在第二部分中生成大量的局部熱量。生成的熱量提供了足以使可膨脹石墨膨脹的熱量沖擊。因為熱量是在復(fù)合材料中局部地產(chǎn)生的并被可膨脹石墨快速吸收，所以極大地最小化或避免了對工具的其它部分的任何有害影響。

本文中公開的可膨脹石墨的原位活化的優(yōu)點包括快速設(shè)置、低成本、高安全性以及改進的可靠性。此外，含有可膨脹石墨的組合物在其原位活化之后展現(xiàn)出所需的彈性模量，從而能夠?qū)崿F(xiàn)井眼中空間的密封所需的緊密性，該空間可以是在開放式井眼或套管式井眼中。在一個方面中，這種方法可以為鉆機操作者提供足夠的時間和機會以對使用這種材料制成的設(shè)備進行最優(yōu)化的定位，同時不管井眼的形狀或構(gòu)造的異常，仍然在沒有顯著的邊緣空隙的井眼內(nèi)確保所需地緊密的“配合”或“密封”。因為可以對含有可膨脹石墨的組合物的活化進行控制，所以可以在已經(jīng)將包括這種材料的裝置定位在井下位置之后布置或活化這種材料，由此防止了在將裝置安置在井眼中期間布置這種裝置。

在一個實施方式中，一種布置裝置的方法包括：將設(shè)備定位在預(yù)先確定的位置；其中該設(shè)備包括含有可膨脹石墨和粘合劑的組合物，并且其中該組合物具有第一形狀；并且將該組合物暴露于微波能量以引起該組合物獲得不同于第一形狀的第二形狀。該方法進一步可以包括通過在井眼中布置該裝置隔離或完成井眼。如本文中所使用，該設(shè)備可以與該裝置相同或者該設(shè)備可以是該裝置的一部分。

如本文中所使用，可膨脹石墨是指具有在石墨層之間插入的插層材料的石墨。石墨包括天然石墨、集結(jié)石墨、熱量解石墨等。多種多樣的化學品已經(jīng)用于插入石墨材料。這些化學品包括酸、氧化劑、鹵化物等等。示例性的插層材料包括硫酸、硝酸、鉻酸、硼酸、so3或鹵化物，比如fecl3、zncl2和sbcl5。在加熱時，插層劑從液態(tài)或固態(tài)轉(zhuǎn)化成氣相。氣體形成生成壓力，其推動相鄰的碳層開分，從而導(dǎo)致膨脹石墨。

示例性粘合劑包括非金屬、金屬、合金或包括前述物質(zhì)的至少一種的組合。非金屬選自以下組，該組由sio2、si、b、b2o3及其組合組成。金屬可以是鋁、銅、鈦、鎳、鎢、鉻、鐵、錳、鋯、鉿、釩、鈮、鉬、錫、鉍、銻、鉛、鎘、硒或包括前述物質(zhì)的至少一種的組合。合金包括鋁合金、銅合金、鈦合金、鎳合金、鎢合金、鉻合金、鐵合金、錳合金、鋯合金、鉿合金、釩合金、鈮合金、鉬合金、錫合金、鉍合金、銻合金、鉛合金、鎘合金以及硒合金。在一個實施方式中，粘合劑包括銅、鎳、鉻、鐵、鈦、銅合金、鎳合金、鉻合金、鐵合金、鈦合金或包含前述物質(zhì)的金屬或金屬合金的至少一種的組合。示例性合金包括鋼、鎳鉻基合金(比如因科鎳合金*)和鎳銅基合金(比如蒙乃爾合金)。鎳鉻基合金可以含有約40-75％的ni和約10-35％的cr。鎳-鉻基合金還可以含有約1％至約15％的鐵。在鎳鉻基合金中還可以包括少量的mo、nb、co、mn、cu、al、ti、si、c、s、p、b或包括前述物質(zhì)的至少一種的組合。鎳銅基合金主要由鎳(高達約67％)和銅組成。鎳-銅基合金還可以含有少量的鐵、錳、碳以及硅。這些材料可以成不同的形狀，比如顆粒、纖維和線?？梢允褂眠@些材料的組合。

粘合劑是微米或納米尺寸的。在一個實施方式中，粘合劑具有約0.05微米至約10微米、特別是約0.5至約5微米、更特別是約0.1至約3微米的平均粒度。在不希望受理論束縛的情況下，據(jù)信當粘合劑具有在這些范圍內(nèi)的尺寸時，其在可膨脹石墨顆粒之間均勻地分散。

可膨脹石墨基于組合物的總重量以約20重量％至約95重量％、約20重量％至約80重量％或約50重量％至約80重量％的量存在。粘合劑基于組合物的總重量的量以5重量％至75重量％或20重量％至50重量％的量存在。有利地，粘合劑當暴露于微波能量時熔融或軟化，并且在冷卻時將膨脹石墨粘合在一起以進一步改進所得制品的結(jié)構(gòu)完整性。粘合機制包括機械互鎖、化學鍵合或者其組合。

該組合物進一步可以包括填料，比如碳、炭黑、云母、粘土、玻璃纖維或陶瓷材料。示例性碳包括無定形碳、天然石墨和碳纖維。示例性的陶瓷材料包括sic、si3n4、sio2、bn等。這些材料可以成不同的形狀，比如顆粒、纖維和線?？梢允褂眠@些材料的組合。填料可以基于組合物的總重量以約0.5重量％至約10重量％或約1重量％至約8重量％的量存在。

除了含有可膨脹石墨的組合物之外，該裝置進一步包括纖維網(wǎng)。纖維網(wǎng)約束可膨脹石墨并防止在設(shè)置后擠出。纖維網(wǎng)是柔性的并可以通過編織和針織經(jīng)受高壓、高溫和酸性環(huán)境的材料形成。示例性纖維網(wǎng)材料包括碳纖維、金屬絲、石棉纖維、可膨脹石墨纖維。金屬線包括鐵基線、不銹鋼線、銅線、由銅-鎳合金制成的線構(gòu)件、銅-鎳-鋅合金(鎳銀)、黃銅或鈹銅。纖維網(wǎng)的網(wǎng)孔尺寸足夠小以在使用期間將所有材料限制在內(nèi)部。在一個實施方式中，網(wǎng)具有4至140、特別是10至40的網(wǎng)孔尺寸。纖維網(wǎng)可以采取容器的形狀，在含有可膨脹石墨的組合物的外部且至少部分地將其包圍地設(shè)置。

可膨脹石墨可以通過施加微波能量來活化。微波能量具有約1mm至約1m的波長。膨脹迅速發(fā)生。例如，在將可膨脹石墨暴露于微波能量幾分鐘(例如約3min至約5min)內(nèi)可以將插層劑加熱超過沸點，并且引起石墨膨脹至其原始體積的許多倍。使用微波能量的一個優(yōu)點是其可以產(chǎn)生較高的加熱速率。一旦生成微波輻射，可以在幾秒鐘內(nèi)達到高溫并且膨脹可以幾乎立刻開始。一旦使石墨膨脹，就可以關(guān)閉微波輻射。此外，微波輻射可以只集中在含有石墨的組合物上，由此使由于微波輻射產(chǎn)生的高溫導(dǎo)致的工具退化的風險最小化。

在一個實施方式中，微波能量通過設(shè)置在可膨脹石墨組合物附近的微波源生成。可以操作微波源來改變微波能量的水平?？商娲?，微波能量在另一位置生成并通過一系列波導(dǎo)引導(dǎo)至可膨脹石墨組合物。例如，微波能量可以在地球表面上生成并且在地下被引導(dǎo)至可膨脹石墨組合物。

在圖1a和1b中示出了在井眼中布置裝置的示例性方法。如圖1a所示，含有可膨脹石墨的組合物3抵靠生產(chǎn)管2的外徑安置。纖維網(wǎng)4疊加在組合物3上。微波發(fā)生器5定位在靠近組合物3的管件中。微波發(fā)生器5生成引導(dǎo)至組合物3的引起組合物3中的可膨脹石墨膨脹的微波能量，由此填充管2的外徑與套管1之間的空間。

有利地，管的材料(特別是對于其中安置含有可膨脹石墨的組合物的部分)以這樣的方式來選擇，使得它們允許微波通過而不吸收或反射任何顯著量的微波能量。在一個實施方式中，生成的微波能量的大于約70％、大于約80％、大于約90％或大于約95％到達含有可膨脹石墨的組合物。這種材料包括高韌性的陶瓷，比如氧化鋁、氧化鋯、碳化硅、氮化硅、以及基于這些陶瓷材料(比如纖維增強型陶瓷復(fù)合材料)的復(fù)合材料。

在另一實施方式中，一種布置裝置的方法包括：將設(shè)備定位在預(yù)先確定的位置；其中該設(shè)備包括含有可膨脹石墨、粘合劑和活化材料的組合物，該活化材料包括鋁熱劑、al和ni的混合物或包括前述物質(zhì)的至少一種的組合，并且其中該組合物具有第一形狀；并且將該組合物暴露于所選的能量形式以使得該組合物獲得不同于第一形狀的第二形狀。該方法進一步可以包括通過在井眼中布置該裝置隔離或完成井眼。

鋁熱劑和類鋁熱劑組合物可以用作活化材料。鋁熱劑組合物包括，例如產(chǎn)生稱為鋁熱量反應(yīng)的放熱量氧化還原反應(yīng)的金屬粉末(還原劑)和金屬氧化物(氧化劑)。還原劑的選擇包括，例如鋁、鎂、鈣、鈦、鋅、硅、硼以及包括前述物質(zhì)的至少一種的組合，然而氧化劑的選擇包括，例如氧化硼、氧化硅、氧化鉻、氧化錳、氧化鐵、氧化銅、氧化鉛以及包括前述物質(zhì)的至少一種的組合。類鋁熱劑組合物包括鋁和鎳的混合物。

因為這些組合物在井眼溫度下是穩(wěn)定的但是在活化后產(chǎn)生極其強烈但非爆炸性的放熱量反應(yīng)，所以鋁熱劑和類鋁熱劑組合物的使用是有利的?？梢酝ㄟ^將包括活化材料的含有石墨的組合物暴露于所選的能量形式來實現(xiàn)活化。所選的能量形式包括電流；電磁輻射，其包括紅外線輻射、紫外線輻射、γ射線輻射以及微波輻射；或熱量。所生成的能量由可膨脹石墨吸收并使含有可膨脹石墨的設(shè)備膨脹。同時，能量是局部的，因此使裝置的其它部分的任何潛在的退化最小化。

活化材料可以是分散在可膨脹石墨基體中的粉末、顆粒、丸粒等。可替代地，活化材料以分散在可膨脹石墨中的箔的形式存在。在圖2和圖3中示出了組合物的示例性實施方式。如這些圖所示，活化材料6可以均勻地分散在可膨脹石墨基體7中。

沒有特別地限制活化材料的量，并且通常是以足以生成足夠的能量以在活化材料暴露于所選的能量形式時使可膨脹石墨膨脹的量存在。在一個實施方式中，活化材料基于組合物的總重量以約0.5重量％至約20重量％的量存在。

該組合物還可以包括在可以通過微波能量活化的組合物的上下文中的本文中所描述的粘合劑和/或填料。

包括可膨脹石墨的組合物可以用于制造在多種應(yīng)用中使用的制品(設(shè)備或元件)。如本文中所使用，含有可膨脹石墨的組合物包括可以通過微波能量活化的組合物和可以通過鋁熱劑或類鋁熱劑活化材料活化的組合物兩者。除了含有可膨脹石墨的組合物之外，制品進一步可以包括設(shè)置在本文中公開的組合物外部并至少部分地將其包圍的纖維網(wǎng)。使用可膨脹石墨的制品可以是配置成膨脹以獲得與其當前形狀不同的形狀的任何設(shè)備。例如，制品可以具有適合于填充在圍繞一個或多個生產(chǎn)管的位置中的鉆孔內(nèi)的環(huán)面的類型。如本文中所使用，術(shù)語“生產(chǎn)管”被定義成包括，例如用于完井的任何類型的管，比如但不限于生產(chǎn)管、生產(chǎn)套管、中間套管以及通過它們烴類流到表面的設(shè)備。在非限制性實施方式中，這種制品的實施例包括用于阻斷非靶向生產(chǎn)或水區(qū)的環(huán)形隔離器等。

示例性的制品包括密封件、高壓珠粒壓裂篩管塞、篩管基管塞、球閥和閥座的涂層、墊圈、壓縮填充元件、可膨脹填充元件、o形環(huán)、粘合密封件、子彈密封件、地下安全閥密封件、地下安全閥擋板密封件、動態(tài)密封件、v形環(huán)、支撐環(huán)、鉆頭密封件、襯管端口塞、大氣盤、大氣室盤、碎片阻擋件、鉆入刺激襯管塞、流入控制設(shè)備塞、擋板、閥座、球形閥座、直接連接盤、鉆入直線型盤、氣舉閥塞、流體損失控制擋板、電子潛水泵密封件、剪切塞，擋板閥、氣舉閥以及套筒。具體地，制品是密封件、封隔器、流體控制設(shè)備、具有設(shè)置在管件表面上的組合物的管件。沒有特別限制這些制品的形狀。在一個實施方式中，這些制品抑制了流動。

可以使用各種方法來制造該設(shè)備。在一種實施方式中，一種成型設(shè)備的方法包括：復(fù)合可膨脹石墨；粘合劑；和可選地包括鋁熱劑、al和ni的混合物或包括前述物質(zhì)的至少一種的組合的活化材料，以形成混合物；并且在低于100°f的溫度下壓縮模制混合物。該方法進一步包括將纖維網(wǎng)設(shè)置在由壓縮模制成型的產(chǎn)品的表面上。當不包括活化材料時，可以通過微波能量活化該設(shè)備。當包括活化材料時，可以通過將活化材料暴露于本文中所描述的選定的能量形式來活化該設(shè)備。

含有使用可膨脹石墨、粘合劑和活化材料的組合物的制品可以放置在預(yù)先確定的合適位置，然后活化或暴露于合適的能量形式。在制品設(shè)置為井眼的情況下，能量可以從地表源輸送到井眼中或生成在井下。在一個方面中，輻射源可以在放置該設(shè)備時或在放置該設(shè)備之后傳送。一旦已經(jīng)設(shè)置該設(shè)備，就可以活化輻射源?；罨牧蠈⑽蛰椛浜蜔崃?，從而引起可膨脹石墨膨脹。該方法包括作為環(huán)形隔離器(例如封隔器等)使用的方法，以及其中在放置之后進行空間填充的任何用途都是所希望的。

所有引用的專利、專利申請和其它參考文獻通過引用整體并入本文中。然而，如果本申請中的術(shù)語與所并入的參考文獻中的術(shù)語矛盾或沖突，則來自本申請的術(shù)語優(yōu)先于來自所并入的參考文獻的沖突術(shù)語。

本文中所公開的所有范圍均包括端點，并且這些端點可以彼此獨立地組合。如本文中所使用的后綴“該/這些(s)”意圖在于包括其修飾的術(shù)語的單數(shù)和復(fù)數(shù)形式兩者，從而包括該術(shù)語的至少一個(例如，該/這些著色劑包括至少一種著色劑)?！盎蛘摺币庵浮昂?或”?！翱蛇x的”或“可選地”意指隨后描述的事件或情形可以或可以不發(fā)生，并且該描述包括事件發(fā)生的情形和事件不發(fā)生的情形。如本文中所使用，“組合”包括共混物、混合物、合金、反應(yīng)產(chǎn)物等?！捌浣M合”意指“包括一個或多個列出的項目和可選地未列出的類似項目的組合”。所有參考文獻通過引用并入本文中。

除非在本文中另外指出或與上下文明顯矛盾，否則在描述本發(fā)明的上下文中(特別是在所附權(quán)利要求的上下文中)使用的術(shù)語“一個(a)”以及“一個(an)”以及“該”以及類似的指代詞應(yīng)被解釋為涵蓋單數(shù)和復(fù)數(shù)形式兩者。此外，應(yīng)該進一步指出的是本文中的術(shù)語“第一”、“第二”等不指代任何順序、數(shù)量或重要性，而是用于將一個元件與另一個元件區(qū)分開。結(jié)合數(shù)量使用的修飾語“約”包括所陳述的值，并且具有上下文所規(guī)定的含義(例如，它包括與特定數(shù)量的測量相關(guān)聯(lián)的誤差程度)。

盡管已經(jīng)參照一個或多個示例性實施方式對本發(fā)明進行了描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解到在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，可以做出各種改變并且可以用其元件代替等價物。此外，在不脫離本發(fā)明的實質(zhì)范圍的情況下，可以做出許多修改以使特定情況或材料適應(yīng)于本發(fā)明的教導(dǎo)。因此，意圖在于本發(fā)明不應(yīng)該受限于如作為實施本發(fā)明所想到的最佳模式所公開的特定實施方式，而是本發(fā)明將落入權(quán)利要求的范圍的所有實施方式包括在內(nèi)。另外，在本附圖和本說明書中，已經(jīng)公開了本發(fā)明的示例性實施方式，并且盡管可能已經(jīng)采用了特定術(shù)語，但是除非另有聲明，否則這些術(shù)語僅僅在一般和描述意義上使用而不是出于限制的目的，因此本發(fā)明的范圍并不限于此。