CN102959178A - 形状记忆水泥环空天然气运移阻挡装置 - Google Patents

Abstract

管柱周围的环形空间具有形状记忆材料，其具有用于下放的低矮的外形结构。在到达所需的位置并且所述环形空间具有传送过来的用于填充环形空间的水泥之后，触发形状记忆装置以恢复到填充所述环形空间的初始形状以密封环形空间的管柱侧和井孔侧，防止通过水泥的天然气运移。这些结构可以具有各种不同的下放形状，并且还可以具有初始形状，所述初始形状在材料被触发时将用于使水泥移动，以增强其在管柱或井孔壁上的压实。还考虑形状记忆合金和聚合物的组合来增强对抗天然气运移的密封。

Description

形状记忆水泥环空天然气运移阻挡装置

发明人：Thomas Mathew、Michael H.Johnson及Steve Rosenblatt

技术领域

本发明的领域是将延伸到地下位置的管柱周围的环形空间中的通过水泥的天然气运移减到最小或阻止的装置。

背景技术

管柱在井孔中用水泥密封。凝固水泥可以收缩并在环形空间的任一侧上被拉离所述管柱或者其可以在裸眼固井应用中被拉离井孔壁。也可能存在其他原因，比如在固井、沉淀和压实之前未完成的泥饼移除或未完成的钻进流体移除。随后由于地质结构活动同样可以产生裂缝。与在水泥凝固之后缓减产生的裂缝或开口相比，本发明关注通过凝固水泥的天然气运移。通过水泥的天然气运移可以是危险的情形并且是墨西哥湾深水事故的所讨论的原因中的一个。

早先解决水泥中天然气运移的努力处理了传送水泥的方法或者在水泥中添加添加剂的方法，正如由USP5,327,969；5,503,227；5,199,489；6,936,574；7,060,129和7,373,981阐述的。

在完全不相关的人工髋关节领域中，使用形状记忆结构来保持髋关节的固定接合剂，正如在USP6,280,477中描述的。

其他应用涉及为水泥留出通道的环形空间中的封隔器并且使用多种偏压装置来获得抵靠着井孔壁的封隔器的密封材料。在US公报2010/0126735的图2和3中，基管56具有支撑构件54，其在环形空间38中留有水泥通过的间隙。在图2B的实施方式中，所述构件54是形状记忆材料，其设计成向管56的膨胀构件42施加递增的力来推向地层36。甚至在36处的井孔壁，这种设计在防止天然气沿着井孔壁迁移中存在缺点。增强材料在下放到膨胀层中产生的开口的点期间可能被破坏。环形空间中的水泥可能仍然被拉离密封件42，尽管正如计划好的所有其他功能如果水泥经历使其不仅远离密封件42而且远离管柱56的收缩。

处理水泥天然气运移的另一种尝试是Halliburton在管外部使用橡胶毂套的努力从而所述毂套在所述环形空间中。这种想法是在橡胶环膨胀以希望横跨所述环之前将水泥泵入所述环中，希望利用橡胶的粘结密封阻止管处的天然气运移并且在水泥凝固之前当所述毂套在其膨胀到井孔时将水泥推远。这种设计的问题是膨胀过程是如此的慢以致于毂套的外径永远不会达到井孔壁，当水泥到达井孔壁和毂套外径时，在凝固之后来自于二者的收缩在两个位置出为天然气运移流出了敞开通道，仍然存在同样的天然气运移问题。

在US公报2009/0186196中描述了多稳态结构构件。

本发明以新的方法解决天然气运移问题。其使用一端紧固到管柱的形状记忆材料结构，当其恢复到初始形状时，其通过使已经凝固的水泥移动而填充环形空间直到实现与裸眼或井孔壁的接触，将该结构的径向延伸元件置于压缩载荷之下以密封或者至少将区域之间通过水泥的天然气运移减到最少。可选地，形状记忆或双稳态结构可以整体或部分被膨胀材料覆盖。从对优选实施方式以及相关附图的描述的研究中本发明的那些和其他特征对于本领域技术人员来说是显而易见的，应该理解的是本发明的全部范围从所附的权利要求确定。

发明内容

管柱周围的环形空间具有形状记忆材料，其具有用于下放的低矮的外形结构。在到达所需的位置并且所述环形空间具有传送过来的用于填充环形空间的水泥之后，触发形状记忆装置以恢复到填充所述环形空间的初始形状以密封环形空间的管柱侧和井孔侧，防止通过水泥的天然气运移。这些结构可以具有各种不同的下放形状，并且还可以具有初始形状，所述初始形状在材料被触发时将用于使水泥移动，以增强其在管柱或井孔壁上的压实。还考虑形状记忆合金和聚合物的组合来增强对抗天然气运移的密封。可以使用膨胀材料的外部覆层。

附图说明

图1是天然气运移阻隔件在下放期间的截面视图；

图2示出了布设好的天然气运移阻隔件；

图3示出了所述阻隔件的布设，其可以在中间开始并且向相对端部推进以使水泥移动；

图4图示了阻隔件用作活塞的能力，以使水泥移动从而与限定环形空间的地层和管柱增强接触；

图5示出了在下放之前处于初始形状的由平行的盘构成的天然气运移阻隔件的一种结构；

图6是在转变温度以上施加压缩和热量移除之后图5的视图，其中仍然施加压紧力从而保持低矮（low profile）形状；

图7示出了当温度再次越过转变温度时地层处的朝向初始形状的恢复；

图8示出了在压实到支撑管之前在初始条件下实心环或线圈的使用；

图9是在转变温度以上和热量移除时压实之后图8的视图，同时仍然压实以保持所示出的低矮形状；

图10示出了一组环或线圈，其中在临界温度以上进行压实之前形状记忆聚合物由形状记忆合金支撑；

图11是在转变温度以上进行压实之后将热量移除的图10的视图，同时保持压紧力以获得用于下放的低矮外形；

图12是越过转变温度时的地层附近的图11的视图；

图13是处于其带转角结构的初始形状的替代性实施方式；

图14是在越过转变温度并施加压缩力之后将热量移除的图13的视图，同时保持压缩力以获得天然气运移阻隔件的用于下放的低矮外形；

图15是图14的视图，其中在地层处越过转变温度并且阻隔件恢复到其原始的图13的形状；

图16是图5的替代性实施方式，其中膨胀材料围绕突出构件并且在管与天然气运移阻隔件之间；

图17是热和压缩力的组合施加之后伴随有热量移除的图16的视图，同时保持压缩以保持图示出的形状；

图18是在所需的位置处施加热量之后的图17的视图，以便尝试将所述形状恢复到初始的图16的形状并且膨胀材料膨胀以增强天然气运移阻隔件性能。

具体实施方式

图1示出了地层的区域10和12，其中存在井孔16，所述井孔具有管柱18（在该示例中是套管）和环形空间22中的天然气运移装置20，所述环形空间中将填充水泥或其他密封材料24。在下放位置，该天然气运移装置20具有低矮的环形形状并且优选地是由形状记忆材料制成的。进一步优选地可用的形状记忆材料是合金。还可以使用如下的其他材料：所述材料可以更小外形下放，然后借助添加到孔14中的刺激物或使用孔14中的流体而转变成另外的形状或者体积，比如利用机械冲击或弯曲力触发的双稳态材料。双稳态材料可以作为天然气运移装置独立使用或者与形状记忆材料结合使用以在恢复到初始形状时辅助形状记忆装置的转变。

在图2中，与井中流体的接触已经向装置20赋予了足够的热量，以使其能够恢复到大于其下放形状的初始形状，从而获得与井孔壁16的接触，同时将水泥24向外推动。在该结构中，存在由装置20实现的对管18和井孔壁16的密封。在图2结构中的装置20具有由于在一侧上推压井孔壁16并且在另一侧上推压管18而产生的内部压缩应力。不存在水泥收缩的问题，因为所述密封是在其中在水泥有机会凝固之前使水泥移动的区域中实现的。作为使用井中流体来使所述装置20越过其转变温度从而其可以恢复到初始形状的替代方式，可以添加辅助热量H来开始所述转变，并将其保持到图2中示出的结束位置。另一种可用的热源可以是在水泥凝固时放出的热量或者来自于水泥24的原料或添加剂之间的反应的热量。对于整个装置20而言，形状记忆合金是优选的，因为合金在抵靠井孔壁16时会形成比例如形状记忆聚合物更大的压缩应力。不过，合金和聚合物形状记忆材料还可以结合在单个装置中，或者可以在单个装置中使用合金或聚合物的不同的组成，正如下面讨论的。

图3是对使用在不同温度下触发、以恢复到初始形状从而可以将水泥24从变大的装置20与井孔壁16之间更有效地移除的材料混合物的说明。例如，图3示出了形状记忆合金26的一部分被触发以从装置20的中部恢复到初始形状，从而开始将水泥推向相对的端部，正如由箭头28和30标示出的。当使用井中流体或诸如H之类的外部源将温度进一步升高到更高水平时，诸如32和34之类的其他区段将开始依序改变形状并且那些区段与井孔壁16之间的任何水泥24将被在箭头28和30的方向上推到装置20的相对两端之外。

图4示出了在不同转变温度下恢复到初始形状的材料的一种不同应用。在该种情况下，区段36首先移动并且作为在水泥24上的活塞以朝向井孔壁16驱动水泥24。最终在到达甚至更高的触发温度后，区段38将开始恢复到其初始形状，其不必一定要与区段36具有相同的初始形状。本领域技术人员将会意识到的是，通过越过转变温度触发的形状的恢复性改变可以包括体积上的某种程度的改变以及形状上更显著的改变。在该示例中，装置20使水泥24中的内部压力升高。箭头40表示存在通常通过具有用于防止回流的止回阀的水泥底部（cement shoe）流入环空22中的水泥24的单向流路。因此，装置20作为活塞的用途也可以操作用来减少通过水泥24的天然气运移，甚至不会迫使水泥从装置20的整个长度出来。

图5图示了密封紧固到管柱18的外表面的环形毂套（hub）42的设计，所述环形毂套42具有一组具有外端部46的盘44。当该形状在所需的位置恢复时，端部46旨在以盘端部46被压缩甚至如图7中所示稍微形状畸变的方式接合比如地层10或12。这些形状44可以等间隔或者随机间隔。46处的外部形状可以是圆形或矩形，或是设计成当越过转变温度、形状恢复时周向完全与井孔10接触的其他形状。图5的初始形状必须在外形上减小，以用于下放到图7的位置。这是通过施加压缩同时增加装置的总体温度到转变温度以上然后保持压缩力同时降低装置20的温度实现的。在图6的结构中，伸展构件已经变平为基本环形的形状，其相比于初始形状具有显著低矮的外形。需要注意的是，伸展构件的形状在图6中仍然是可辨别的，尽管为了下放已经大大减小了整体外形。从这些图的对比中可以清楚理解使对装置20的损坏最小化的好处。施加不管来自于何种源的热量实现图7的向图5形状的恢复。在端部46处存在一些扭曲变形的事实反映出井孔16可能并不会让每个形状都完全伸展至其初始尺寸，从而迫使一些端部优选地是所有端部46发生一定程度的变形——表示所述环空22已经被形状记忆材料填满并且天然气运移密封装置已经抵靠着管柱18和井孔16布置就位。

图16-18是图5-7的替代性实施方式，区别在于，在形状44以及它们的端部46上添加了膨胀材料45的覆盖物。可以将另一层膨胀材料47放置在管柱18与毂套42之间。甚至在添加膨胀材料47的情况下，毂套42仍然可以利用紧固件或通过焊接固定到管柱18。膨胀材料45和47可以是连续的，以完全包住图示出的形状，或者其可以是分段的并且施加在具有最大冲击的位置上（比如在端部46处），或者作为与管柱18接触的一个或多个环。如前所述，利用高于转换点的温度和压缩使图16的初始位置改变，然后移除热量同时保持压缩以保持图17的形状为用于下放的低矮外形。当如图18中所示到达所需的位置时，来自于井中流体的热量和/或诸如冲击或弯曲之类的另外的刺激因素将使天然气运移阻隔件恢复到图16的形状，其中具有如图19所示的抵靠着井孔壁16的一些形状畸变——因为所述形状由于与管柱18和井孔壁16接触而保持压缩应力。井中流体或添加的流体也将使诸如橡胶之类的膨胀材料在管柱18和井孔壁16处改变形状或者体积，以补偿任何水泥由于在凝固时轻微的收缩而被拉动的趋势。还可以想到在碳氢化合物或水存在的情况下膨胀的其他膨胀材料。

图8图示了使用形状记忆材料的处于初始结构中的一堆环或盘簧48的使用，图9是用于下放的较低矮外形结构，这是在转变温度以上的温度下利用压缩获得的，从而获得环形圆柱形形状。在压缩力仍然施加的情况下热量的移除将导致图9形状的保留，直到从不管什么源施加热量，并且装置20处在合适的位置。那时形状将恢复到图8的形状，但是环48往往不会完全变成初始的图8形状。所述环或线圈48发生一些变形是优选的，从而所述形状或这些形状可以处于压缩状态，以形成天然气运移密封装置，或者至少是所述环或线圈48布置于其中的填充了水泥的环空中的阻挡结构。

图10是图8的变型，其中所述环或线圈50是在内部52处具有形状记忆合金、在外部54处具有形状记忆聚合物的复合结构。如前所述，图11位置是用于下放的低矮外形位置，图12位置是在井孔16中的所需位置处施加热量之后的情形。需要注意的是，所述合金在恢复形状以与井孔接触时产生了压缩强度。另一方面，聚合物在朝向图10的初始形状的恢复过程中更软，从而其作为更容易由通过合金芯52形成的压缩应力展开的密封材料。虽然使用中空的中心56来减小迫使初始形状改变、以及便于朝着初始形状恢复所需的能量，但是也可以想到实心的中心56。

图13-15示出了初始环形形状58的另一个变型，其在60处固定到管柱18上并且具有与管柱18间隔开的悬臂自由端62。替代性地，自由端62可以固定到管柱18。如前所述，在施加压缩力的情况下越过转变温度以获得图14的环形圆柱形形状，随后移除热量同时保持压缩力从而获得图14的形状。在其中热量添加到所述形状使所述形状的温度高于转变温度的井孔16中，弯曲部64穿过井孔16从而通过从管柱18延伸到井孔壁16、同时使在与井孔16的接触位置处的水泥24移动来提供针对水泥24的天然气运移密封。

本领域技术人员将会意识到的是，本发明在其各个实施方式中允许用于下放的低矮外形，从而天然气运移装置不容易被破坏；并且本发明在其各个实施方式中允许了改变形状和/或体积的能力，以在水泥凝固之前横跨环形水泥空间，从而其可以减慢或消除天然气运移。水泥在凝固时收缩的事实不影响横跨环形间隙的装置的操作，尽管存在水泥。虽然形状记忆合金是优选的，但是整个装置可以是具有阶段转变温度的不同合金的复合物，从而装置的部分可以以预定的顺序布设，从而在开始与地层接触之前更有效地将水泥推出。该装置还可以作为活塞来向水泥施加压缩力，以将一些水泥推入具有裂缝或孔隙的地层中的井孔壁中，并且同时使所述装置横跨所述环形空间，从而通过该装置还可以减慢或阻止天然气运移。虽然所述装置的各个变型在图中示出了处于单个位置上，但是可以想到多个位置。在每个位置处，该设计可以是一开始是单个形状或者多个相邻形状，所述多个相邻形状可以在转变温度以上时被压缩成单个形状以获得所需的低矮外形。可以想到合金和聚合物或者合金和泡沫的组合来使用当恢复到初始形状时合金可以形成的压缩力以及在恢复到初始形状时变得更软、从而其能够增强井孔壁处的密封能力的聚合物的优点。替代性地，可以将如图13-15中的锐角用在悬臂设计或者在多个位置处被支撑到管柱上的设计中。

上面的描述是优选实施方式的示例性说明，在不脱离本发明的前体下本领域技术人员可以做出许多修改，本发明的范围由下面权利要求的文字记载和等价范围确定。

Claims (27)

1.一种用于围绕管柱的环形空间的天然气运移控制装置，该管柱位于由井孔壁限定的地下位置中，所述天然气运移控制装置包括：

具有外表面的管柱；

安装到所述外表面的天然气运移控制装置，其具有用于便于插入所述地下位置的小尺寸和横跨所述环形空间的大尺寸；当在所述控制装置附近的所述环形空间基本充满密封材料时，向所述大尺寸的转变被选择性触发，从而该装置在实现与井孔壁接触的过程中使密封材料移动，以至少阻止在所述环形空间中的通过所述密封材料的天然气运移。

2.根据权利要求1所述的装置，其中：

所述选择性触发是向所述装置施加热量。

3.根据权利要求1所述的装置，其中：

所述控制装置包括至少一种形状记忆材料。

4.根据权利要求1所述的装置，其中：

所述选择性触发包括使用来自于井中流体的热量。

5.根据权利要求1所述的装置，其中：

所述选择性触发包括使用添加到所述地下位置的热量。

6.根据权利要求5所述的装置，其中：

至少一些添加的所述热量来自于密封材料的凝固。

7.根据权利要求1所述的装置，其中：

该装置的多个部分与该装置的其他部分在不同的温度下被触发。

8.根据权利要求3所述的装置，其中：

所述装置包括安装在形状记忆合金上的形状记忆聚合物，使得在触发之后，所述形状记忆聚合物接合井孔壁。

9.根据权利要求3所述的装置，其中：

所述装置以所述小尺寸和所述大尺寸密封地固定到所述管柱上。

10.根据权利要求9所述的装置，其中：

所述装置包括在所述小尺寸时的环形圆柱形形状和当触发时具有多个径向伸展构件的基部环形圆柱形形状，所述伸展构件接合所述井孔壁，使得在所述伸展构件内产生压缩应力。

11.根据权利要求10所述的装置，其中：

所述伸展构件具有圆形外周面和基本平行的取向，并具有基本相等的轴向间隔。

12.根据权利要求9所述的装置，其中：

所述装置包括在所述小尺寸时的环形圆柱形形状和在所述大尺寸时的具有中间点的带夹角的形状。

13.根据权利要求12所述的装置，其中：

所述带夹角的形状具有相对的端部，其中至少一个端部固定到所述管柱。

14.根据权利要求13所述的装置，其中：

所述中间点接合所述井孔壁，从而至少在固定到所述管柱的所述端部与所述中间点之间阻止通过密封材料的天然气运移。

15.根据权利要求3所述的装置，其中；

所述装置在所述大尺寸时包括多个环或线圈形状以及中空或实心的芯。

16.根据权利要求15所述的装置，其中：

所述环或线圈还包括由形状记忆聚合物覆盖的形状记忆合金芯，其中当向所述大尺寸的所述转变发生时，所述形状记忆聚合物接触并变形同时由于所述接触而具有压缩应力。

17.根据权利要求7所述的装置，其中：

所述装置首先使所述密封材料从一内部位置向外朝向至少其中一个所述端部移动。

18.根据权利要求3所述的装置，其中：

所述装置使所述密封材料轴向移动，以增加密封材料与经过所述装置的一端的井孔壁的接触压力，同时至少一部分所述装置横跨所述环形空间以接合所述井孔壁。

19.根据权利要求1所述的装置，其中：

所述选择性触发包括向所述装置施加力。

20.根据权利要求19所述的装置，其中：

所述控制装置至少部分是由双稳态材料制成的。

21.根据权利要求20所述的装置，其中：

所述控制装置至少部分是由形状记忆合金制成的。

22.根据权利要求3所述的装置，其中：

所述控制装置包括在其外周面上的膨胀材料。

23.根据权利要求22所述的装置，其中：

所述膨胀材料覆盖至少部分所述控制装置并且定位成用于与井孔壁接触。

24.根据权利要求23所述的装置，其中：

所述膨胀材料抵靠着所述管柱布置。

25.根据权利要求10所述的装置，其中：

所述伸展构件包括在其外周面上的膨胀材料。

26.根据权利要求25所述的装置，其中：

所述膨胀材料覆盖至少部分所述伸展构件并且定位成用于与井孔壁接触。

27.根据权利要求26所述的装置，其中：

所述膨胀材料抵靠着所述管柱和所述基部环形形状布置。

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