[0002] 本申请要求于2014年9月30日提交的申请号为14/501889的美国申请的优先权，其全部内容通过引用并入本文中。
背景技术
[0003] 因为它们密封到粗糙或包括
缺陷的表面的能
力，所以弹性体通常用作井下应用的密封材料。这种
密封件的应用包括在
地层钻孔中采用的管状系统，例如在
烃回收和二
氧化
碳封存工业中。然而，弹性体可以在高温和高压下以及在
腐蚀性环境中降解。因此，工业总是愿意接受改进的用于在井眼中布置以执行各种功能(例如填充环形空间、隔离区域和提供密封件)的材料、装置和方法。
发明内容
[0004] 本文公开了一种布置装置的方法。该方法包括：将设备
定位在预先确定的
位置；其中设备包括含有可膨胀石墨和
粘合剂的组合物，并且其中该组合物具有第一形状；并且将该组合物暴露于
微波能量以使得该组合物获得不同于第一形状的第二形状。
[0005] 在另一方面，提供了一种组合物，其包括：可膨胀石墨；和包括
铝热剂、Al和Ni的混合物或包括前述物质的至少一种的组合的活化材料。
[0006] 还公开了一种包括组合物的设备，该组合物含有：可膨胀石墨；粘合剂；和包括铝热剂、Al和Ni的混合物或包括前述物质的至少一种的组合的活化材料。
[0007] 一种制备设备的方法包括：复合可膨胀石墨；粘合剂；和包括铝热剂、Al和Ni的混合物或包括前述物质的至少一种的组合的活化材料，以形成混合物；并且在低于100°F的
温度下压缩模制混合物。
[0008] 在另一方面，一种布置装置的方法包括：将设备定位在预先确定的位置；其中该装置包括含有可膨胀石墨的组合物；粘合剂；和包括铝热剂、Al和Ni的混合物或包括前述物质的至少一种的组合的活化材料，并且其中该组合物具有第一形状；并且将该组合物暴露于所选的能量形式以使得该组合物获得不同于第一形状的第二形状。
附图说明
[0009] 以下描述不应以任何方式被认为是限制性的。参考附图，给相同的元件编以同样的号码：
[0010] 图1A示出了
套管、产品管和井下元件的纵向截面，其中井下元件抵靠生产管的外径安置；
[0011] 图1B示出了套管、生产管和井下元件的纵向截面，其中井下元件经由套管和生产管之间的井眼的环形空间中的微波原位活化形成密封件；
[0012] 图2是包括可膨胀石墨和活化材料的组合物的示例性实施方式的示意图；以及[0013] 图3是包括可膨胀石墨和活化材料的组合物的另一示例性实施方式的示意图。
具体实施方式
[0014] 石墨是由碳
原子的六
角形阵列或网络的层构成的，这些碳原子仅通过弱范德华力保持在一起。可膨胀石墨(一种合成的石墨插层化合物)在加热时体积上可以膨胀几百倍。膨胀石墨具有较高的热量和化学
稳定性、柔韧性、可压缩性以及适应性，并且是对于多种应用都很有前途的替代型密封或填充材料。
[0015] 然而，不是最初形成膨胀石墨然后在不同的时间和/或位置布置膨胀石墨，
发明人已经发现在某些情况下，布置可膨胀石墨并在使用时使其膨胀可能是有利的。例如，井下条件下的可膨胀石墨的原位活化可能是具有挑战性的，这是因为为了活化(膨胀)可膨胀石墨通常需要高温加热源，从而增加了操作成本并对其它井下工具造成了热量损坏。
[0016] 本发明人已经发现可膨胀石墨可以经由两种活化方法(即，在不引入任何有害热量源的情况下的
微波能量和触发化学)来活化。在微波方法中，微波源生成仅引起可膨胀石墨膨胀的集中在可膨胀石墨上的强微波能量，从而实现所需的密封或填充功能。
[0017] 在触发化学方法中，将活化材料与可膨胀石墨共混而形成
复合材料。当活化材料暴露于
电流、电磁
辐射、或热量(触发)时，发生强烈的放热量反应并在第二部分中生成大量的局部热量。生成的热量提供了足以使可膨胀石墨膨胀的热量冲击。因为热量是在复合材料中局部地产生的并被可膨胀石墨快速吸收，所以极大地最小化或避免了对工具的其它部分的任何有害影响。
[0018] 本文中公开的可膨胀石墨的原位活化的优点包括快速设置、低成本、高安全性以及改进的可靠性。此外，含有可膨胀石墨的组合物在其原位活化之后展现出所需的
弹性模量，从而能够实现井眼中空间的密封所需的紧密性，该空间可以是在开放式井眼或套管式井眼中。在一个方面中，这种方法可以为钻机操作者提供足够的时间和机会以对使用这种材料制成的设备进行最优化的定位，同时不管井眼的形状或构造的异常，仍然在没有显著的边缘空隙的井眼内确保所需地紧密的“配合”或“密封”。因为可以对含有可膨胀石墨的组合物的活化进行控制，所以可以在已经将包括这种材料的装置定位在井下位置之后布置或活化这种材料，由此防止了在将装置安置在井眼中期间布置这种装置。
[0019] 在一个实施方式中，一种布置装置的方法包括：将设备定位在预先确定的位置；其中该设备包括含有可膨胀石墨和粘合剂的组合物，并且其中该组合物具有第一形状；并且将该组合物暴露于微波能量以引起该组合物获得不同于第一形状的第二形状。该方法进一步可以包括通过在井眼中布置该装置隔离或完成井眼。如本文中所使用，该设备可以与该装置相同或者该设备可以是该装置的一部分。
[0020] 如本文中所使用，可膨胀石墨是指具有在石墨层之间插入的插层材料的石墨。石墨包括天然石墨、集结石墨、热量解石墨等。多种多样的化学品已经用于插入石墨材料。这些化学品包括酸、
氧化剂、卤化物等等。示例性的插层材料包括
硫酸、
硝酸、铬酸、
硼酸、SO3或卤化物，比如FeCl3、ZnCl2和SbCl5。在加热时，插层剂从液态或固态转
化成气相。气体形成生成压力，其推动相邻的碳层开分，从而导致膨胀石墨。
[0021] 示例性粘合剂包括非金属、金属、
合金或包括前述物质的至少一种的组合。非金属选自以下组，该组由SiO2、Si、B、B2O3及其组合组成。金属可以是铝、
铜、
钛、镍、钨、铬、
铁、锰、锆、铪、
钒、铌、钼、
锡、铋、锑、铅、镉、硒或包括前述物质的至少一种的组合。合金包括
铝合金、
铜合金、钛合金、镍合金、钨合金、铬合金、铁合金、锰合金、锆合金、铪合金、钒合金、铌合金、钼合金、锡合金、铋合金、锑合金、铅合金、镉合金以及硒合金。在一个实施方式中，粘合剂包括铜、镍、铬、铁、钛、铜合金、镍合金、铬合金、铁合金、钛合金或包含前述物质的金属或金属合金的至少一种的组合。示例性合金包括
钢、镍铬基合金(比如因科镍合金*)和镍铜基合金(比如蒙乃尔合金)。镍铬基合金可以含有约40-75％的Ni和约10-35％的Cr。镍-铬基合金还可以含有约1％至约15％的铁。在镍铬基合金中还可以包括少量的Mo、Nb、Co、Mn、Cu、Al、Ti、Si、C、S、P、B或包括前述物质的至少一种的组合。镍铜基合金主要由镍(高达约67％)和铜组成。镍-铜基合金还可以含有少量的铁、锰、碳以及
硅。这些材料可以成不同的形状，比如颗粒、
纤维和线。可以使用这些材料的组合。
[0022] 粘合剂是微米或纳米尺寸的。在一个实施方式中，粘合剂具有约0.05微米至约10微米、特别是约0.5至约5微米、更特别是约0.1至约3微米的平均粒度。在不希望受理论束缚的情况下，据信当粘合剂具有在这些范围内的尺寸时，其在可膨胀石墨颗粒之间均匀地分散。
[0023] 可膨胀石墨基于组合物的总重量以约20重量％至约95重量％、约20重量％至约80重量％或约50重量％至约80重量％的量存在。粘合剂基于组合物的总重量的量以5重量％至75重量％或20重量％至50重量％的量存在。有利地，粘合剂当暴露于微波能量时熔融或
软化，并且在冷却时将膨胀石墨粘合在一起以进一步改进所得制品的结构完整性。
粘合机制包括机械互
锁、化学键合或者其组合。
[0024] 该组合物进一步可以包括填料，比如碳、
炭黑、
云母、粘土、玻璃纤维或陶瓷材料。示例性碳包括
无定形碳、天然石墨和
碳纤维。示例性的陶瓷材料包括SiC、Si3N4、SiO2、BN等。
这些材料可以成不同的形状，比如颗粒、纤维和线。可以使用这些材料的组合。填料可以基于组合物的总重量以约0.5重量％至约10重量％或约1重量％至约8重量％的量存在。
[0025] 除了含有可膨胀石墨的组合物之外，该装置进一步包括纤维网。纤维网约束可膨胀石墨并防止在设置后挤出。纤维网是柔性的并可以通过编织和针织经受高压、高温和酸性环境的材料形成。示例性纤维网材料包括碳纤维、金属丝、
石棉纤维、可膨胀石墨纤维。金属线包括铁基线、
不锈钢线、铜线、由铜-镍合金制成的线构件、铜-镍-锌合金(镍
银)、
黄铜或铍铜。纤维网的网孔尺寸足够小以在使用期间将所有材料限制在内部。在一个实施方式中，网具有4至140、特别是10至40的网孔尺寸。纤维网可以采取容器的形状，在含有可膨胀石墨的组合物的外部且至少部分地将其包围地设置。
[0026] 可膨胀石墨可以通过施加微波能量来活化。微波能量具有约1mm至约1m的
波长。膨胀迅速发生。例如，在将可膨胀石墨暴露于微波能量几分钟(例如约3min至约5min)内可以将插层剂加热超过沸点，并且引起石墨膨胀至其原始体积的许多倍。使用微波能量的一个优点是其可以产生较高的加热速率。一旦生成微波辐射，可以在几秒钟内达到高温并且膨胀可以几乎立刻开始。一旦使石墨膨胀，就可以关闭微波辐射。此外，微波辐射可以只集中在含有石墨的组合物上，由此使由于微波辐射产生的高温导致的工具退化的
风险最小化。
[0027] 在一个实施方式中，微波能量通过设置在可膨胀石墨组合物附近的微波源生成。可以操作微波源来改变微波能量的
水平。可替代地，微波能量在另一位置生成并通过一系列
波导引导至可膨胀石墨组合物。例如，微波能量可以在地球表面上生成并且在地下被引导至可膨胀石墨组合物。
[0028] 在图1A和1B中示出了在井眼中布置装置的示例性方法。如图1A所示，含有可膨胀石墨的组合物3抵靠生产管2的外径安置。纤维网4
叠加在组合物3上。微波发生器5定位在靠近组合物3的管件中。微波发生器5生成引导至组合物3的引起组合物3中的可膨胀石墨膨胀的微波能量，由此填充管2的外径与套管1之间的空间。
[0029] 有利地，管的材料(特别是对于其中安置含有可膨胀石墨的组合物的部分)以这样的方式来选择，使得它们允许微波通过而不吸收或反射任何显著量的微波能量。在一个实施方式中，生成的微波能量的大于约70％、大于约80％、大于约90％或大于约95％到达含有可膨胀石墨的组合物。这种材料包括高韧性的陶瓷，比如氧化铝、氧化锆、碳化硅、氮化硅、以及基于这些陶瓷材料(比如纤维增强型陶瓷复合材料)的复合材料。
[0030] 在另一实施方式中，一种布置装置的方法包括：将设备定位在预先确定的位置；其中该设备包括含有可膨胀石墨、粘合剂和活化材料的组合物，该活化材料包括铝热剂、Al和Ni的混合物或包括前述物质的至少一种的组合，并且其中该组合物具有第一形状；并且将该组合物暴露于所选的能量形式以使得该组合物获得不同于第一形状的第二形状。该方法进一步可以包括通过在井眼中布置该装置隔离或完成井眼。
[0031] 铝热剂和类铝热剂组合物可以用作活化材料。铝热剂组合物包括，例如产生称为铝热量反应的放热量
氧化还原反应的
金属粉末(还原剂)和金属氧化物(氧化剂)。还原剂的选择包括，例如铝、镁、
钙、钛、锌、硅、硼以及包括前述物质的至少一种的组合，然而氧化剂的选择包括，例如氧化硼、氧化硅、氧化铬、氧化锰、氧化铁、氧化铜、氧化铅以及包括前述物质的至少一种的组合。类铝热剂组合物包括铝和镍的混合物。
[0032] 因为这些组合物在井眼温度下是稳定的但是在活化后产生极其强烈但非爆炸性的放热量反应，所以铝热剂和类铝热剂组合物的使用是有利的。可以通过将包括活化材料的含有石墨的组合物暴露于所选的能量形式来实现活化。所选的能量形式包括电流；
电磁辐射，其包括红外线辐射、紫外线辐射、γ射线辐射以及微波辐射；或热量。所生成的能量由可膨胀石墨吸收并使含有可膨胀石墨的设备膨胀。同时，能量是局部的，因此使装置的其它部分的任何潜在的退化最小化。
[0033] 活化材料可以是分散在可膨胀石墨基体中的粉末、颗粒、丸粒等。可替代地，活化材料以分散在可膨胀石墨中的箔的形式存在。在图2和图3中示出了组合物的示例性实施方式。如这些图所示，活化材料6可以均匀地分散在可膨胀石墨基体7中。
[0034] 没有特别地限制活化材料的量，并且通常是以足以生成足够的能量以在活化材料暴露于所选的能量形式时使可膨胀石墨膨胀的量存在。在一个实施方式中，活化材料基于组合物的总重量以约0.5重量％至约20重量％的量存在。
[0035] 该组合物还可以包括在可以通过微波能量活化的组合物的上下文中的本文中所描述的粘合剂和/或填料。
[0036] 包括可膨胀石墨的组合物可以用于制造在多种应用中使用的制品(设备或元件)。如本文中所使用，含有可膨胀石墨的组合物包括可以通过微波能量活化的组合物和可以通过铝热剂或类铝热剂活化材料活化的组合物两者。除了含有可膨胀石墨的组合物之外，制品进一步可以包括设置在本文中公开的组合物外部并至少部分地将其包围的纤维网。使用可膨胀石墨的制品可以是配置成膨胀以获得与其当前形状不同的形状的任何设备。例如，制品可以具有适合于填充在围绕一个或多个生产管的位置中的钻孔内的环面的类型。如本文中所使用，术语“生产管”被定义成包括，例如用于完井的任何类型的管，比如但不限于生产管、生产套管、中间套管以及通过它们烃类流到表面的设备。在非限制性实施方式中，这种制品的
实施例包括用于阻断非靶向生产或水区的环形隔离器等。
[0037] 示例性的制品包括密封件、高压珠粒压裂筛管塞、筛管基管塞、球
阀和
阀座的涂层、
垫圈、压缩填充元件、可膨胀填充元件、O形环、粘合密封件、子弹密封件、地下
安全阀密封件、地下安全阀
挡板密封件、
动态密封件、V形环、
支撑环、
钻头密封件、衬管端口塞、大气盘、大气室盘、碎片阻挡件、钻入刺激衬管塞、流入控制设备塞、挡板、阀座、球形阀座、直接连接盘、钻入直线型盘、气举阀塞、
流体损失控制挡板、
电子潜水
泵密封件、剪切塞，
挡板阀、气举阀以及套筒。具体地，制品是密封件、封隔器、流体控制设备、具有设置在管件表面上的组合物的管件。没有特别限制这些制品的形状。在一个实施方式中，这些制品抑制了流动。
[0038] 可以使用各种方法来制造该设备。在一种实施方式中，一种成型设备的方法包括：复合可膨胀石墨；粘合剂；和可选地包括铝热剂、Al和Ni的混合物或包括前述物质的至少一种的组合的活化材料，以形成混合物；并且在低于100°F的温度下压缩模制混合物。该方法进一步包括将纤维网设置在由压缩模制成型的产品的表面上。当不包括活化材料时，可以通过微波能量活化该设备。当包括活化材料时，可以通过将活化材料暴露于本文中所描述的
选定的能量形式来活化该设备。
[0039] 含有使用可膨胀石墨、粘合剂和活化材料的组合物的制品可以放置在预先确定的合适位置，然后活化或暴露于合适的能量形式。在制品设置为井眼的情况下，能量可以从地表源输送到井眼中或生成在井下。在一个方面中，辐射源可以在放置该设备时或在放置该设备之后传送。一旦已经设置该设备，就可以活化辐射源。活化材料将吸收辐射和热量，从而引起可膨胀石墨膨胀。该方法包括作为环形隔离器(例如封隔器等)使用的方法，以及其中在放置之后进行空间填充的任何用途都是所希望的。
[0040] 所有引用的
专利、专利申请和其它参考文献通过引用整体并入本文中。然而，如果本申请中的术语与所并入的参考文献中的术语矛盾或冲突，则来自本申请的术语优先于来自所并入的参考文献的冲突术语。
[0041] 本文中所公开的所有范围均包括端点，并且这些端点可以彼此独立地组合。如本文中所使用的后缀“该/这些(s)”意图在于包括其修饰的术语的单数和复数形式两者，从而包括该术语的至少一个(例如，该/这些
着色剂包括至少一种着色剂)。“或者”意指“和/或”。“可选的”或“可选地”意指随后描述的事件或情形可以或可以不发生，并且该描述包括事件发生的情形和事件不发生的情形。如本文中所使用，“组合”包括共混物、混合物、合金、反应产物等。“其组合”意指“包括一个或多个列出的项目和可选地未列出的类似项目的组合”。
所有参考文献通过引用并入本文中。
[0042] 除非在本文中另外指出或与上下文明显矛盾，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)使用的术语“一个(a)”以及“一个(an)”以及“该”以及类似的指代词应被解释为涵盖单数和复数形式两者。此外，应该进一步指出的是本文中的术语“第一”、“第二”等不指代任何顺序、数量或重要性，而是用于将一个元件与另一个元件区分开。结合数量使用的修饰语“约”包括所陈述的值，并且具有上下文所规定的含义(例如，它包括与特定数量的测量相关联的误差程度)。
[0043] 尽管已经参照一个或多个示例性实施方式对本发明进行了描述，但是本领域技术人员将理解到在不脱离本发明的范围的情况下，可以做出各种改变并且可以用其元件代替等价物。此外，在不脱离本发明的实质范围的情况下，可以做出许多
修改以使特定情况或材料适应于本发明的教导。因此，意图在于本发明不应该受限于如作为实施本发明所想到的最佳模式所公开的特定实施方式，而是本发明将落入权利要求的范围的所有实施方式包括在内。另外，在本附图和本
说明书中，已经公开了本发明的示例性实施方式，并且尽管可能已经采用了特定术语，但是除非另有
声明，否则这些术语仅仅在一般和描述意义上使用而不是出于限制的目的，因此本发明的范围并不限于此。
