阅读说明：本技术 井下工具和可控制地崩解工具的方法 (Downhole tool and the method for being controllably disintegrated tool ) 是由 许英晴 张智慧 拉贾尼·萨蒂 列维·奥伯格 德里克·谢尔比·贝尔 金姆·安·诺伦 道恩· 于 2018-02-01 设计创作，主要内容包括：一种可控制地崩解井下制品的方法,包括将第一制品设置在井下环境中,所述第一制品是要崩解的所述井下制品；在设置所述第一制品之后将第二制品设置在所述井下环境中,所述第二制品携载装置、化学物质或包括前述至少一者的组合；以及用来自所述第二制品的所述装置、所述化学物质或包括前述至少一者的所述组合来崩解所述第一制品。(A method of it being controllably disintegrated underground product, including the first product is arranged in subsurface environment, first product is the underground product to be disintegrated；The second product is arranged in the subsurface environment after first product is set, the second product Portable carrying device, chemical substance or including at least one aforementioned combination；And with from second product described device, the chemical substance or including at least one the aforementioned combination be disintegrated first product.)

井下工具和可控制地崩解工具的方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年3月1日提交的美国申请号15/446231的权益，该申请以引用方式全文并入本文。

背景技术

油和天然气井通常利用井筒部件或工具，这些井筒部件或工具由于其功能而仅需要具有远小于井的使用寿命的有限使用寿命。在部件或工具服务功能完成之后，必须将其移除或进行处置以便恢复流体路径的原始大小以供使用，包括烃生产、CO₂封存等。常规地通过将部件或工具铣削或钻出井筒来完成部件或工具的处置，这些一般是耗时且昂贵的操作。

近来，已经开发出自行崩解或无干预的井下工具。代替铣削或钻井操作，这些工具可以通过使用各种井筒流体溶解工程材料来移除。由于井下工具经常经受高压，因此通常需要具有高机械强度的可崩解材料以确保井下工具的完整性。另外，材料最初必须具有最少崩解，使得在工具服务期间维持工具的尺寸和压力完整性。理想地，材料在工具功能完成之后可以迅速地崩解，因为材料越早崩解，井就可以越块地投入生产。

自行崩解或无干预的井下工具的一个挑战在于，一旦井中的状况允许工程材料的腐蚀反应开始，崩解过程就可以开始。因此，崩解时段不可如用户期望的那样控制，而是由井状况和产品性质支配。对于某些应用，与崩解时段相关联的不确定性和工具尺寸在崩解期间的变化可以给井操作和规划带来困难。不受控制的崩解还可能会延迟井生产。因此，非常期望开发出在工具的服务期间具有最少崩解或没有崩解的井下工具，使得它们具有执行其预期功能所需的机械性质并且然后迅速地崩解。

发明内容

一种可控制地崩解井下制品的方法包括将第一制品设置在井下环境中，所述第一制品是要崩解的所述井下制品；在设置所述第一制品之后将第二制品设置在所述井下环境中，所述第二制品携载装置、化学物质或包括前述至少一者的组合；以及用来自所述第二制品的所述装置、所述化学物质或包括前述至少一者的所述组合来崩解所述第一制品。

一种可控制地崩解井下制品的方法包括将井下制品设置在井下环境中，所述井下制品包括：基体材料，所述基体材料包括Zn、Mg、Al、Mn、其合金或包括前述至少一者的组合；以及装置，所述装置附接到或嵌入在所述井下制品中，所述装置被配置成有助于所述井下制品的崩解；以及激活所述装置以崩解所述井下制品。

一种井下组件包括制品，所述制品包括：基体材料，所述基体材料包括Zn、Mg、Al、Mn、其合金或包括前述至少一者的组合；以及装置，所述装置附接到或嵌入在所述制品中，所述装置被配置成有助于所述制品的崩解。

附图说明

以下描述不应被视为以任何方式进行限制。参考附图，相似元件编号相似：

图1A至图1G示出了崩解井下制品的示例性方法，其中图1A示出设置在井筒中的第一制品；图1B示出执行压裂操作；图1C示出携载装置或化学物质的第二制品设置在井筒中；图1D示出从第二装置释放装置或化学物质；图1E示出第二制品生成信号以激活装置；图1F示出对化学物质施加压力以释放腐蚀性材料；并且图1G示出第一制品已经被移除。

图2A至图2C示出了崩解井下制品的另一个示例性方法，其中图2A示出第一制品和设置在第一制品附近的第二制品，第二制品携载有助于第一制品的崩解的装置；图2B示出第一装置通过第二制品上的装置被破坏成碎片；并且图2C示出第一制品被移除。

图3A至图3D示出了崩解井下制品的又一个示例性方法，其中图3A示出在其中嵌入有装置的第一制品设置在井筒中；图3B示出执行压裂操作；图3C示出具有发射器的第二制品设置在井筒中，发射器生成信号以激活第一制品中的装置；并且图3D示出在嵌入的装置被激活之后可崩解制品被移除。

图4是包括在其中嵌入有***装置的制品的井下组件的局部截面图。

具体实施方式

本公开提供了有效地延迟或减少各种井下工具在工具的服务期间崩解但可以在不再需要工具之后激活工具的崩解过程的方法。本公开还提供了一种容纳具有受控崩解轮廓的可崩解制品的井下组件。

在一个实施方案中，一种可控制地崩解井下制品的方法包括将第一制品设置在井下环境中，所述第一制品是要崩解的井下制品；在设置第一制品之后将第二制品设置在井下环境中，所述第二制品携载装置、化学物质或包括前述至少一者的组合；以及用来自第二制品的装置、化学物质或包括前述至少一者的组合来崩解第一制品。

要崩解的井下制品包括金属、金属复合材料或包括前述至少一者的组合。选择井下制品的材料使得制品在井下环境中具有最少腐蚀或受控腐蚀。在具体实施方案中，井下制品具有在200℉(93℃)下在含水3wt.％KCl溶液中确定的小于约100mg/cm²/时、小于约10mg/cm²/时、或小于约1mg/cm²/时的腐蚀速率。

任选地，制品具有耐受井下流体的腐蚀的表面涂层，诸如金属层。如本文所使用，“耐受”是指在遇到腐蚀性井下状况(即，盐水、硫化氢等，在大于大气压力的压力下，以及在超过50℃的温度下)使得制品的任何部分暴露时，金属层在大于或等于24小时或36小时的时段内不被腐蚀或者具有最少受控腐蚀。

然后执行井下操作，所述井下操作可以是在钻井、增产、完井、生产或修复期间执行的操作。特别提及压裂操作。

当不再需要井下制品时，将携载装置、化学物质或包括前述至少一者的组合的第二制品设置在井下环境中。第二制品上的装置和化学物质有助于第一制品的崩解。示例性装置包括***装置和容纳***装药的装置，诸如射孔枪。合适的化学物质包括腐蚀性材料，诸如固体酸或凝胶酸。示例性腐蚀性材料包括凝胶HCl、凝胶H₂SO₄、磷酸、铌酸、SO₃、SO₂、磺化酸等等。可以使用化学物质的组合。任选地，化学物质具有封装腐蚀性化学物质的壳体。壳体的示例性材料包括聚乙二醇、聚丙二醇、聚乙醇酸、聚己内酯、聚对二氧环己酮、聚羟基脂肪酸酯、聚羟基丁酸酯、其共聚物或包括前述至少一者的组合。

在崩解第一制品时，装置和化学物质可以从第二制品递送到第一制品。有几种方式将装置和化学物质从第二制品递送到第一制品。在一个实施方案中，经由套管柱将携载装置、化学物质或包括前述至少一者的组合的第二制品设置在第一制品附近，例如，第二制品沿着井筒向下行进并在第一制品的顶部处停止。然后从第二制品释放装置、化学物质或包括前述至少一者的组合。在释放装置和化学物质之后，将第二制品拉到远离第一制品的安全距离，使得第二制品不受崩解第一制品的条件影响。在另一个实施方案中，第二制品沿着井筒向下行进并在远离第一制品的安全距离处停止，然后从第二制品释放装置、化学制品或包括前述至少一者的组合。向井下环境施加的压力随后可以将装置和化学物质携载到第一制品。

在将诸如***装置的装置递送到第一制品之后，装置可以被定时器或从第二制品传输到***装置的信号激活。定时器可以是***装置的一部分。在***装置被从第二制品接收到的信号触发的情况下，第二制品可以包括有效地生成命令信号的发射器，并且***装置可以具有接收并处理此类命令信号的接收器。信号并不特别受限并且包括电磁辐射、声信号、压力或者包括前述至少一者的组合。在激活***装置之后，井下制品可以破坏成离散的碎片，碎片可以在井下流体中进一步腐蚀并且完全崩解或流回到井筒的地面。

在将化学物质递送到要崩解的制品的情况下，当向化学物质施加压力时，可以释放化学物质中的腐蚀性材料。腐蚀性材料与要移除的制品进行反应，并且迅速将制品腐蚀掉。

第二制品上的装置也可以是容纳***装药的装置，诸如射孔枪。在这个实施方案中，不从第二制品释放装置。当携载装置的第二制品设置在距要移除的物品合适距离处时，装置将要崩解的制品破坏成小碎片。被破坏的碎片也可以在井下流体中腐蚀以在被携载回到井筒的地面之前完全地崩解或变成更小的碎片。

第一制品和第二制品并不特别受限。示例性第一制品包括封隔器、压裂球和塞，诸如桥塞、压裂塞等。示例性第二制品包括底部钻具组件(BHA)。BHA可以包括安装工具和塞，诸如桥塞、压裂塞等。

在另一个实施方案中，诸如***装置的装置附接到或嵌入在要崩解的制品中。一旦不再需要制品或包括制品的井下组件，就通过定时器或从第二制品接收的信号来激活装置。第二制品可以包括有效地生成命令信号的发射器，并且***装置可以具有接收并处理此类命令信号的接收器。

图1A至图1G示出了崩解井下制品的示例性方法。在所述方法中，将第一制品10设置在井筒20中。然后执行压裂操作，从而产生断裂30。将携载装置或化学物质40的第二制品50设置在井筒中。从第二制品50释放装置或化学物质40并递送到第一制品10。当装置40是***装置时，第二制品50可以生成信号70以激活装置40。可选地，当将化学物质40递送到第一制品10时，向化学物质40施加压力80，以从化学物质释放***性材料。在激活装置之后或在释放腐蚀性化学物质之后，制品10迅速崩解。

图2A至图2C示出了崩解井下制品的另一个示例性方法。在所述方法中，将可崩解制品100设置在井筒200中。执行诸如压裂操作的操作以产生断裂300。通过套管柱600将具有装置400的井下工具500设置在井筒中。一旦装置500定位在远离可崩解装置100的合适距离处，装置400(例如，其为射孔枪)可以将制品100破坏成小碎片900。被破坏的碎片可以被井下流体携载回到地面。被破坏的碎片在存在井下流体的情况下也可以腐蚀以在被携载回到井筒的地面之前完全地崩解或变成更小的碎片。

在图3A至图3D所示的方法中，将在其中嵌入有装置45的可崩解制品15设置在井筒25中。执行压裂操作，从而产生断裂35。将具有诸如发射器的激活装置56的井下工具55设置在井筒中。激活装置可以生成信号75以激活装置45。一旦装置45被激活，制品15就被崩解并且随后从井筒移除。

图4是井下组件的局部截面图。所述组件包括在其中嵌入有***装置的制品。如图4所示，井下组件包括具有穿过其中的流道(未示出)的环形主体81；围绕环形主体81设置的截锥形元件83；携载在环形主体81上并被配置成接合截锥形元件83的一部分的密封元件85；以及围绕环形主体81设置的滑动区段84。截锥形元件83具有嵌入在其中的***装置82。一旦不再需要井下组件，就可以激活装置82。在截锥形元件崩解之后，滑车失去支撑，从而导致井下组件从套管壁脱离。

如本文所述，要崩解的制品包括基体材料，所述基体材料包括金属、金属复合材料或包括前述至少一者的组合。金属包括金属合金。基体材料在井下流体中具有受控腐蚀速率，所述井下流体可以是水、盐水、酸或包括前述至少一者的组合。在一个实施方案中，井下流体包括氯化钾(KCl)、盐酸(HCl)、氯化钙(CaCl₂)、溴化钙(CaBr₂)或溴化锌(ZnBr₂)，或者包括前述至少一者的组合。

示例性基体材料包括锌金属、镁金属、铝金属、锰金属、其合金或包括前述至少一者的组合。基体材料还包括Ni、W、Mo、Cu、Fe、Cr、Co、其合金或包括前述至少一者的组合。

特别提及镁合金。适于使用的镁合金包括镁与以下项的合金：铝(Al)、镉(Cd)、钙(Ca)、钴(Co)、铜(Cu)、铁(Fe)、锰(Mn)、镍(Ni)、硅(Si)、银(Ag)、锶(Sr)、钍(Th)、钨(W)、锌(Zn)、锆(Zr)，或者包括这些元素中的至少一者的组合。特别有用的合金包括与Ni、W、Co、Cu、Fe或其他金属成合金的镁。可以包括不同量的合金元素或微量元素以调整镁的腐蚀速率。例如，这些元素中的四者(镉、钙、银和锌)对腐蚀速率具有轻到中度加速影响，而四种其他元素(铜、钴、铁和镍)对腐蚀具有更大的影响。包括以上合金元素的不同组合以实现不同程度的耐腐蚀性的示例性商用镁合金包括但不限于例如与铝、锶和锰成合金的那些，诸如AJ62、AJ50x、AJ51x和AJ52x合金，以及与铝、锌和锰成合金的那些，诸如AZ91A-E合金。

如本文所使用，金属复合材料是指具有以下项的复合材料：包含纳米基体材料的基本上连续的蜂窝状纳米基体；包含颗粒核心材料的多种分散颗粒，所述颗粒核心材料包括分散在蜂窝状纳米基体中的Mg、Al、Zn或Mn或者其组合；以及在分散颗粒之间延伸贯穿蜂窝状纳米基体的固态粘合层。基体包括通过压紧粉末颗粒而形成的变形粉末颗粒，所述粉末颗粒包括颗粒核心和至少一个涂层，涂层通过固态粘合进行结合以形成基本上连续的蜂窝状纳米基体并留下颗粒核心作为分散颗粒。分散颗粒具有约5μm至约300μm的平均颗粒大小。纳米基体材料包括Al、Zn、Mn、Mg、Mo、W、Cu、Fe、Si、Ca、Co、Ta、Re或Ni，或其氧化物、碳化物或氮化物，或者前述材料中的任何材料的组合。纳米基体材料的化学组成不同于颗粒核心材料的化学组成。

材料可以由包覆颗粒形成，诸如Zn、Mg、Al、Mn、其合金或包括前述至少一者的组合的粉末。粉末一般具有约50微米至约150微米且更具体地约5微米至约300微米或者约60微米至约140微米的颗粒大小。粉末可以使用诸如化学气相沉积、阳极化等方法进行涂覆，或者通过诸如冷冻研磨、球磨等物理方法与金属或金属氧化物(诸如Al、Ni、W、Co、Cu、Fe、这些金属中的一种等的氧化物)混合。涂层可以具有约25nm至约2,500nm的厚度。Al/Ni和Al/W是涂层的具体示例。可以存在多于一个涂层。附加涂层可以包括Al、Zn、Mg、Mo、W、Cu、Fe、Si、Ca、Co、Ta或Re。此类包覆镁粉在本文中被称为受控电解材料(CEM)。然后通过例如使用等静压机在约40ksi至约80ksi(约275MPa至约550MPa)下进行冷压、然后进行锻造或烧结和机械加工来模制或压缩CEM材料，以提供可崩解制品的期望形状和尺寸。包括由此形成的复合材料的CEM材料已经在美国专利号8,528,633和9,101,978中描述。

任选地，基体材料还包括诸如碳化物、氮化物、氧化物、沉淀物、弥散体、玻璃、碳等添加物，以便控制可崩解制品的机械强度和密度。

要崩解的井下制品上的任选表面涂层(金属层)包括在周围井下条件下耐受腐蚀且在存在从第二制品释放或附接/嵌入在第一制品的化学物质或装置的情况下可以被井下流体移除的任何金属。在一个实施方案中，金属层包括铝合金、镁合金、锌合金或铁合金。金属层包括单个层，或者包括相同或不同金属的多个层。

金属层具有小于或等于约1,000微米(即，约1毫米)的厚度。在一个实施方案中，金属层可以具有约10微米至约1,000微米、具体地约50微米至约750微米且更具体地约100微米至约500微米的厚度。金属层可以由用于沉积金属的任何合适方法形成，包括化学镀工艺或通过电沉积。

以下阐述本公开的各种实施方案。

实施方案1.一种可控制地崩解井下制品的方法，所述方法包括：将第一制品设置在井下环境中，所述第一制品是要崩解的所述井下制品；在设置所述第一制品之后将第二制品设置在所述井下环境中，所述第二制品携载装置、化学物质或包括前述至少一者的组合；以及用来自所述第二制品的所述装置、所述化学物质或包括前述至少一者的所述组合来崩解所述第一制品。

实施方案2.如实施方案1的方法，其中所述装置是***装置，并且所述方法还包括从所述第二制品释放所述装置、所述化学物质或包括前述至少一者的组合。

实施方案3.如实施方案2的方法，其中当所述第二制品设置在所述第一制品附近时，从所述第二制品释放所述装置、所述化学物质或包括前述至少一者的组合。

实施方案4.如实施方案3的方法，所述方法还包括在从所述第二制品释放所述装置、所述化学物质或包括前述至少一者的组合之后，将所述第二制品拉离所述第一制品。

实施方案5.如实施方案2的方法，所述方法还包括向所述井下环境施加压力，以将从所述第二制品释放的所述装置、所述化学物质或包括前述至少一者的组合递送到所述第一制品。

实施方案6.如实施方案2至5中任一项的方法，所述方法还包括激活所述***装置。

实施方案7.如实施方案6的方法，其中所述***装置由定时器或从所述第二制品传输到所述***装置的信号激活。

实施方案8.如实施方案6或实施方案7的方法，其中所述第二制品包括发射器，并且所述***装置包括接收器，所述接收器被配置成接收由所述发射器发送的信号。

实施方案9.如实施方案8的方法，其中所述信号包括电磁辐射、声信号、压力或包括前述至少一者的组合。

实施方案10.如实施方案1至9中任一项的方法，其中所述化学物质包括封装在壳体内的腐蚀性材料。

实施方案11.如实施方案10的方法，其中所述方法还包括在所述化学物质设置在所述第一制品附近之后从所述壳体释放所述腐蚀性材料。

实施方案12.如实施方案11的方法，所述方法还包括向所述化学物质施加压力以释放所述腐蚀性材料。

实施方案13.如实施方案1的方法，其中所述第二制品中的所述装置是容纳***装药的装置。

实施方案14.如实施方案13的方法，所述方法还包括使用容纳***装药的所述装置将所述第一制品破坏成多个离散的碎片。

实施方案15.如实施方案14的方法，所述方法还包括用井下流体来腐蚀所述多个离散的碎片。

实施方案16.如实施方案1至15中任一项的方法，其中所述第一制品包括Zn、Mg、Al、Mn、其合金或包括前述至少一者的组合。

实施方案17.如实施方案1至16中任一项的方法，其中所述第一制品具有表面涂层，所述表面涂层包括耐受井下流体的腐蚀的金属的金属层。

实施方案18.如实施方案1至17中任一项的方法，所述方法还包括在设置所述第一制品之后但在设置所述第二制品之前执行井下操作。

实施方案19.一种可控制地崩解井下制品的方法，所述方法包括：将井下制品设置在井下环境中，所述井下制品包括：基体材料，所述基体材料包括Zn、Mg、Al、Mn、其合金或包括前述至少一者的组合；以及装置，所述装置附接到或嵌入在所述井下制品中，所述装置被配置成有助于所述井下制品的崩解；以及激活所述装置以崩解所述井下制品。

实施方案20.如实施方案19的方法，其中所述井下制品具有表面涂层，所述表面涂层包括耐受井下流体的腐蚀的金属的金属层。

实施方案21.如实施方案19或实施方案20的方法，其中所述装置是***装置。

实施方案22.如实施方案19至21中任一项的方法，所述方法还包括将第二制品设置在所述井下环境中，以及用从所述第二制品接收到的信号来激活附接到或嵌入所述第一制品中的所述装置。

实施方案23.一种井下组件，所述井下组件包括：制品，所述制品包括：基体材料，所述基体材料包括Zn、Mg、Al、Mn、其合金或包括前述至少一者的组合；以及装置，所述装置附接到或嵌入在所述制品中，所述装置被配置成有助于所述制品的崩解。

实施方案24.如实施方案23的井下组件，其中所述制品具有表面涂层，所述表面涂层包括耐受井下流体的腐蚀的金属的金属层。

实施方案25.如实施方案23或实施方案24的井下组件，其中所述装置包括有效地激活所述装置的定时器或接收器。

实施方案26.如实施方案23至25中任一项的井下组件，所述井下组件还包括第二制品，所述第二制品包括发射器，所述发射器被配置成生成信号以激活附接到或嵌入在所述制品中的所述装置。

本文公开的所有范围都包括端点，并且端点彼此可独立地结合。如本文所使用，“组合”包括共混物、混合物、合金、反应产物等。所有参考文献都以引用的方式全文并入本文中。

除非本文另外地指示或明显地与上下文矛盾，否则在描述本发明的上下文中(特别是在所附权利要求的上下文中)使用术语“一个”和“一种”和“所述”以及类似指代物意图解释为涵盖单数和复数两者。“或”是指“和/或”。结合量使用的修饰词“约”包括所述的值并具有由上下文指明的含义(例如，其包括与特定量的测量相关联的误差程度)。