用于地層操作的包含細長碳納米顆粒的高溫潤滑劑的制作方法
【專利說明】用于地層操作的包含細長碳納米顆粒的高溫潤滑劑
[0001 ]發(fā)明背景
[0002]本文所描述的實施方案的方法涉及用于井下切割工具的包含細長碳納米顆粒的高溫潤滑劑和其制造方法。
[0003]如本文所使用，術(shù)語“井下切割工具”的所有形式是指可以被操作來通過鉆孔在地下形成井眼以例如達到期望地層的任何種類的井下工具。井下切割工具的實例包括但不限于牙輪鉆頭、聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭、刮刀鉆頭、孕鑲鉆頭、具有切割元件的鉸刀等。井下切割工具包括切割元件，其通過釋放土料例如通過剪切或壓碎切割元件所接觸的相鄰地層材料來幫助切割工具穿透地面。相關(guān)的鉆井技術(shù)例如鉆井液向下穿過鉆柱并且向上穿過在鉆柱和井眼之間形成的環(huán)面的循環(huán)被用于從井眼連續(xù)移除地層材料和其它碎肩。井下切割工具的鉆速是鉆井效率的一個量度。如本文所使用，術(shù)語“鉆速” (“R0P”)是指可以在地下鉆孔的速率。ROP可以表示為在鉆井時隨時間形成的井眼的深度，例如英尺/小時。
[0004]井下切割工具由于某些組件例如軸承、軸承組合件、軸承表面、密封件和其它支撐結(jié)構(gòu)(在本文中統(tǒng)稱為“支撐結(jié)構(gòu)”)上的磨損而必須定期進行更換。更換磨損部件通常需要耗時的步驟，例如停止鉆井操作、從井眼移出(即“起出”)鉆井組合件、更換支撐結(jié)構(gòu)或整個井下切割工具以及將鉆井組合件放回井眼中以繼續(xù)鉆井。與這種更換相關(guān)的停機時間的代價是高昂的。因為潤滑減少運動部件之間的摩擦和相關(guān)磨損，所以潤滑劑經(jīng)常被用來潤滑井下切割工具中的支撐結(jié)構(gòu)。潤滑因此延長井下切割工具的壽命且因此延長任何所需更換之間的時間。
[0005]附圖簡述
[0006]以下圖示被包括來說明本文所描述的示例性實施方案的某些方面且不應(yīng)該被視為排他性實施方案。如受益于本公開的本領(lǐng)域技術(shù)人員將想到，公開的主題能夠在形式及功能上具有大量修改、改動、組合和等效物。
[0007]圖1提供牙輪鉆頭的圖解。
[0008]圖2說明適于鉆出穿透地層的井眼的系統(tǒng)。
[0009]圖3提供包含本文所描述的至少一個實施方案的高溫潤滑劑的牙輪鉆頭的一部分的截面圖。
[0010]圖4提供在本文所描述的至少一個實施方案的高溫潤滑劑中的官能化對齊細長碳納米顆粒的視圖。
【具體實施方式】
[0011]本文所描述的實施方案的方法涉及用于井下切割工具的包含細長碳納米顆粒的高溫潤滑劑和其制造方法。
[0012]雖然本文公開的實施方案專注于提供用于地層鉆井切割工具的包含細長碳納米顆粒的高溫潤滑劑(在文中又簡稱為“潤滑劑”)，但是所述潤滑劑可以有效地用于可以受益于潤滑液的任何其它地層處理設(shè)備或操作。這些處理操作可以包括用于操作的設(shè)備，這些操作包括但不限于井漏操作、增產(chǎn)操作、防砂操作、完井操作、酸化操作、阻垢操作、阻水操作、粘土穩(wěn)定劑操作、壓裂操作、壓裂充填操作、礫石充填操作、井眼加強操作、流掛控制操作和其任何組合。
[0013]此外，如本文的一些實施方案中所描述的包含細長碳納米顆粒的潤滑劑可以用于任何可以受益于潤滑液的非地層操作。這些操作可以在任何工業(yè)中進行，包括但不限于石油天然氣、采礦、化學(xué)、制漿造紙、紙張加工、航空航天、醫(yī)療、汽車等工業(yè)。
[0014]下文提供根據(jù)本公開的一個或多個說明性實施方案。為了簡明起見，本申請中并未描述或示出實際實施方式的所有特征。應(yīng)當理解，在合并有本文公開的實施方案的實際實施方案的開發(fā)中，必須作出許多針對實施細節(jié)的決定以實現(xiàn)開發(fā)者的目標，例如符合制度相關(guān)、商業(yè)相關(guān)、政府相關(guān)和其它的限制，這些限制隨實施方式和時間的不同而變化。雖然開發(fā)者的努力可能是復(fù)雜和耗時的，然而這些努力對于受益于本公開的本領(lǐng)域一般技術(shù)人員來說將會是常規(guī)任務(wù)。
[0015]應(yīng)當注意，當在本文的數(shù)值列表的開頭提供“約”時，該術(shù)語修飾數(shù)值列表中的每個數(shù)字。在一些數(shù)值列表的范圍內(nèi)，列出的一些下限可以大于列出的一些上限。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認識到，所選擇的子集將要求選擇的上限超過所選擇的下限。除非另外說明，否則在本說明書和相關(guān)權(quán)利要求書中使用的表示成分的量、性質(zhì)諸如分子量、反應(yīng)條件等的所有數(shù)值應(yīng)該被理解為在所有情況下被術(shù)語“約”修飾。因此，除非有相反的說明，否則在以下說明書和所附權(quán)利要求書中列出的數(shù)值參數(shù)為近似值，其可以根據(jù)尋求通過本文所描述的示例性實施方案得到的所需性質(zhì)而變化。至少并且不是要試圖限制等同原則應(yīng)用于權(quán)利要求范圍，每個數(shù)值參數(shù)應(yīng)該至少根據(jù)所記錄的有效數(shù)字的數(shù)目并通過應(yīng)用普通的四舍五入技術(shù)來理解。
[0016]用于井眼鉆探的一種重要類型的井下切割工具是牙輪鉆頭，在圖1中示出為100。在牙輪鉆頭中，旋轉(zhuǎn)錐102具有位于其外表面上的鑲齒104并且被安裝在鉆體的一個或多個臂部106上。在鉆井期間，如圖2中所示，鉆機208利用管道210的截面將旋轉(zhuǎn)力轉(zhuǎn)移至牙輪鉆頭200，并利用栗212使鉆井液通過管道210的截面循環(huán)(如流動箭頭A所示)至井眼的底部。當牙輪鉆頭旋轉(zhuǎn)時，施加的鉆壓(“W0B”)迫使旋轉(zhuǎn)錐的下向鑲齒進入被鉆探的地層中。因此，鑲齒的尖端施加超過地層的屈服應(yīng)力的壓縮應(yīng)力，導(dǎo)致形成井眼。所產(chǎn)生的碎片(又稱作“切肩”)被高流量的鉆井液從切割面沖走。
[0017]牙輪鉆頭通常包括一個或多個支撐臂和可以可旋轉(zhuǎn)地安裝在每個支撐臂的內(nèi)部的錐體組合件。每個錐體組合件可以包括基座，其具有在其中形成的空腔或開口，該空腔或開口可以被制作成一定尺寸以接收心軸的外部，從而允許錐體組合件在鉆取井眼時相對于關(guān)聯(lián)心軸轉(zhuǎn)動。各種軸承、軸承組合件、軸承表面、密封件和/或其它支撐結(jié)構(gòu)可以布置在每個錐體組合件的內(nèi)部和關(guān)聯(lián)心軸的外部之間。這些軸承、軸承組合件、軸承表面、密封件和/或其它支撐結(jié)構(gòu)可以被潤滑劑包圍，該潤滑劑可以被封閉并與其它井眼流體(例如鉆井液)分離。這類潤滑劑可以減小旋轉(zhuǎn)力(即，扭力)和軸向力(即，阻力)，降低當量循環(huán)密度，減少井下切割工具的機械磨損等。因此，潤滑劑可以降低與鉆井有關(guān)的成本并且提高鉆井效率，特別可以在偏斜或水平井眼中提高。
[0018]現(xiàn)在參照圖3(牙輪鉆頭的一部分的截面圖)，旋轉(zhuǎn)接頭302由兩個元件限定:被示出為牙輪的第一元件304和被示出為具有心軸的支撐臂的第二元件308。支撐結(jié)構(gòu)318(例如軸承、軸承組合件、密封件等)被構(gòu)造成密封旋轉(zhuǎn)接頭302的一部分，從而限定密封部分312和未密封部分314。如本文的一些實施方案中所公開的包含細長碳納米顆粒的潤滑劑可以位于密封部分312中，以使得該潤滑劑與在鉆井操作期間使用的其它流體分離?？梢酝ㄟ^本領(lǐng)域中已知的任何方法將該潤滑劑放置在密封部分312中，例如通過使用嵌在牙輪鉆頭內(nèi)的密封型潤滑劑供應(yīng)組合件和類似方法。
[0019]在本文公開的一些實施方案中，公開了一種潤滑劑，其包含油溶性潤滑基液或水溶性潤滑基液和流動對齊的細長碳納米顆粒。在其它實施方案中，本文公開了一種鉆頭，其包括限定密封部分和未密封部分的旋轉(zhuǎn)接頭，其中該密封部分包含潤滑劑，該潤滑劑包含油溶性潤滑基液或水溶性潤滑基液以及流動對齊的細長碳納米顆粒。仍在其它實施方案中，本文公開了一種鉆探地層的方法，其包括:提供鉆頭，該鉆頭包括限定密封部分和未密封部分的旋轉(zhuǎn)接頭，其中該密封部分包含潤滑劑，該潤滑劑包含油溶性潤滑基液或水溶性潤滑基液以及流動對齊的細長碳納米顆粒;和利用該鉆頭在地層中鉆出井眼。
[0020]合適的油溶性潤滑基液可以包括但不限于:動物油、植物油、礦物油、柴油、原油、石油衍生物、二醇、酯、硅酮、硬脂酸酯、聚氧乙烯、油溶性聚合物和其任何組合。在一些實施方案中，油溶性潤滑基液可以具有大于約200°C的降解溫度。在其它實施方案中，油溶性潤滑基液可以具有從約200°C、225°C、250°C、275°C、300°C、325°C和350°C的下限范圍到約500°C、475°C、450°C、425°C、400°C、375°C和350°C的上限范圍的范圍內(nèi)的降解溫度。
[0021]合適的水溶性潤滑基液可以包括但不限于:脂肪醇、聚烷二醇、二烷二醇、烷二醇單烷基醚、二烷二醇單烷基醚和其任何組合。在一些實施方案中，油溶性潤滑基液可以具有大于約120°C的降解溫度。在其它實施方案中，油溶性潤滑基液可以具有從約120°C、150°C、175°C、200°C、225°C、250°C、275°C、300°C、325°C 和 350°C 的下限范圍到約 500°C、475°C、450°C、425°C、400°C、375°C和350°C的上限范圍的范圍內(nèi)的降解溫度。油溶性潤滑基液和水溶性潤滑基液的高降解溫度在高溫地層中以及在高溫高壓條件下鉆井時可以特別有用。
[0022]在一些情況下，油溶性或水溶性潤滑基液可以進一步包括增稠劑如例如金屬皂、粘土、硅石、石棉、氧化物、磷酸鹽和其任何組合。受益于本公開的本領(lǐng)域一般技術(shù)人員將認識到包含在本文所描述的實施方案的