使用石墨烯的井下管件的摩擦和磨损减少制造技术

本说明书的主题可以被具体化为(除了其他方面外)一种方法，其包括：提供具有含内表面的孔的外部管状构件，将润滑剂层施加至所述外部管状构件的所述内表面的至少一部分，将所述外部管状构件定位在所述井筒的至少一部分中，提供包括具有外表面的内部构件的钻井总成，将润滑剂层施加至所述内部构件的所述外表面的至少一部分，将所述内部构件插入所述外部管状构件的所述孔中，通过所述钻井总成的所述孔来提供钻井液，使所述内部构件相对于所述外部构件旋转，测量在所述外部构件与所述内部构件之间的机械磨损的指标，确定所述所测得的指标超过预先确定的阈值水平，以及触发后续操作。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本文件一般描述了用于可定位在井筒中的设备的摩擦和磨损减少技术，更具体地说，描述了使用石墨烯作为润滑剂的摩擦和磨损减少技术。背景与来自地球的烃类的回收有关，通常使用多种不同的方法和设备来钻探井筒。根据一种常用方法，将牙轮钻头或固定切削刃钻头抵靠地下地层旋转来形成井筒。钻头通过附接到钻头的钻柱的旋转和/或通过由地下钻井马达赋予钻头的旋转力而在井筒中旋转，该地下钻井马达由钻井液沿着钻柱向下并穿过井下马达的流动来提供动力。经常地，当正在钻井时，耦接的套管柱伸入井筒的开孔部分中，并通过在套管柱的外部与井筒壁之间的环空中的循环的水泥泥浆来用水泥胶结在适当的位置处。这通过本领域中已知的并且用于本领域中已知的钻井目的的方法来完成。随后井筒被钻得更深。当钻得更深时，旋转的钻柱与钻柱底部上的钻头一起延伸穿过套管柱的内部。钻柱包括在钻具接头处接合(即，螺纹连接)在一起的钻杆接头，并且由在表面处的钻机旋转。当旋转钻柱时，钻杆并且更具体地是钻具接头的较大的外径部分可以抵靠套管的内壁摩擦。像所有移动机构一样，旋转的钻柱展现出可导致套管和钻柱中的任一个或两个的机械磨损的摩擦。由于需要克服摩擦阻力而增加的动力或者由于归因于磨损的总成的维护或修复，摩擦和机械磨损可致使钻探低效。附图说明图1是用于钻探井筒的示例性钻机的图。图2是用于设置在井筒中的井下工具的摩擦和磨损减少技术的示例性过程的流程图。图3是用于设置在井筒中的井下工具的摩擦和磨损减少技术的示例性后续操作的流程图。图4是为井下工具施加润滑剂的示例性过程的流程图。详细描述图1是用于钻探井筒12的示例性钻机10的图。钻机10包括由通常定位在地球表面18上的井架16所支撑的钻柱14。井筒12至少部分地由套管34加衬。钻柱14穿过套管34中的孔从井架16延伸到井筒12中。钻柱14的下端部分包括至少一个钻铤20，并且在一些实现方式中包括以地下钻井液为动力的马达22和钻头24。钻头24可以是固定切削刃钻头、牙轮钻头或适合于钻探井筒的任何其他类型的钻头。钻井液供应系统26使钻井液(通常称为“钻井泥浆”)向下循环通过钻柱14的孔，用于通过钻头24或在其附近进行排放以有助于钻井操作。钻井液随后通过在井筒12与钻柱14之间形成的环空28朝向表面18流回。可通过使用转盘或顶部驱动来旋转钻柱14(并且因此旋转钻头24)和/或通过利用由循环的钻井液供应给地下马达22的旋转动力来旋转钻头而对井筒12进行钻探。为了减少在钻柱14与套管34之间的摩擦的量，将润滑剂层60施加至钻柱14的外表面19，并将润滑剂层62施加至套管34的孔的内表面21。在一些实施方案中，润滑剂层60、62可以是石墨烯层。在一些实施方案中，可将石墨烯施加至套管34的内表面21和钻柱14的外表面19，以形成润滑剂层60、62。例如，可将呈粉末形式的石墨烯喷洒、喷砂、粉末涂覆或以其他方式施加至套管34和钻柱14。在另一个实例中，套管34和钻柱14可与固体石墨相接触(例如，摩擦)，以留下石墨烯层作为润滑剂层60、62。在一些实施方案中，可将石墨烯悬浮在液体(例如，乙醇)中以形成石墨烯悬浮液，并且可将悬浮液喷涂到套管34的内表面和钻柱14的外表面19上，以形成润滑剂层60、62。例如，石墨烯悬浮液可使用可商购获得的气动喷涂机或无气喷涂机来进行喷涂。在一些实现方式中，包含分散在乙醇中的石墨烯单层薄片的具有重量浓度为1mg/L的石墨烯的可商购获得的经溶液处理的石墨烯(SPG)可以在钻井操作开始的时候被用在套管34、衬管和立管的内壁上，和/或用在钻柱14的外表面19上。可以使用任何合适的可商购获得的喷涂或喷洒系统来将SPG喷涂或喷洒在指定的钢表面上。在一些实现方式中，石墨烯能够提供改进的摩擦学性能，并且将石墨烯施加在接触的井下表面上可以减少摩擦和磨损。在一些实现方式中，在井下的套管34与钻柱14之间的接触可磨损润滑剂层60、62，并且可提供润滑剂涂层(例如，石墨烯)的补给。当将钻杆、钻铤、底孔总成或其他井下工具从井筒12中起出时，可以通过将经溶液处理的石墨烯喷洒在钻杆、钻铤、底孔总成或其他井下工具上来重新施加润滑剂层60、62，以使得可建立新的涂层。在一些实现方式中，经溶液处理的石墨烯可在连续的基础上被添加至循环的钻井液，以有助于在井下补充磨损的石墨烯涂层。在一些实现方式中，保护的石墨烯层的施加能够在旋转操作期间减小摩擦系数，并且在起出期间或在滑动钻井期间减少滑动摩擦。在一些实现方式中，保护的石墨烯层的施加还能够在钻井操作期间减少套管34的内表面21上的磨损、钻柱14上的磨损以及底孔总成工具的机械磨损。在一些实现方式中，石墨烯的施加能够改进井筒完整性和井下工具/管件(例如，随钻测量工具、随钻测井工具、稳定器叶片、连接接头、钻头、齿、旋转可转向系统、钻杆、重型钻杆、钻铤)的使用寿命。监测器70测量在钻柱14与套管34之间的机械磨损的指标。在一些实现方式中，监测器70可测量悬浮在钻井液中并对应于钻柱14和套管34中的至少一个的一种或多种预先确定材料的浓度。例如，钻柱14和套管34可由已知的材料(例如，钢、铁、铝、陶瓷)构造，并且监测器70可以被配置来检测和测量从井下部件磨损掉的并悬浮在从井下流至表面的钻井液中的已知材料的量。这种已知材料的浓度可随时间变化来测量，以估计沿着钻柱14和套管34已发生的磨损的量。在一些实现方式中，监测器70可测量在钻柱14与套管34之间形成的转矩的量。例如，在钻柱14与套管34之间形成的转矩的量可以被用来估计沿着钻柱14与套管34已发生的磨损的量，和/或估计在它们之间作用的井下摩擦力。在一些实现方式中，监测器70可指示钻柱14和/或套管34的一个或多个机械尺寸。例如，钻柱14可以以初始外径开始其使用寿命，初始外径随着摩擦和机械磨损侵蚀掉钻柱14的外表面而逐渐地缩小。在另一个实例中，套管34可以以初始内径开始其使用寿命，初始内径随着摩擦和机械磨损侵蚀掉套管34的内表面而逐渐地增大。监测器70可以被配置来测量钻柱14和/或套管34的这些和/或其他机械尺寸，以确定沿着钻柱14和/或套管34已发生的磨损的量。在一些示例性钻井操作中，套管34、衬管或立管可根据钻井程序伸入井筒12中。钻柱14可下入到井筒12中以钻井。套管中的井本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种减少可定位在井筒中的钻井设备的摩擦的方法，所述方法包括：提供具有含内表面的孔的外部管状构件；将第一润滑剂层施加至所述外部管状构件的所述内表面的至少一部分；将所述外部管状构件定位在所述井筒的至少一部分中；提供包括具有外表面的内部构件的钻井总成，所述内部构件具有与所述外部构件的中心纵向轴线对齐的中心纵向轴线；将第二润滑剂层施加至所述内部构件的所述外表面的至少一部分；将所述内部构件插入所述外部管状构件的所述孔中；通过所述钻井总成的所述孔来提供钻井液；使所述内部构件相对于所述外部构件旋转；测量在所述外部构件与所述内部构件之间的机械磨损和摩擦中的至少一个的指标；确定所述所测得的指标超过预先确定的阈值水平；以及响应于确定所述所测得的指标超过所述预先确定的阈值水平来触发后续操作。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种减少可定位在井筒中的钻井设备的摩擦的方法，所述方
法包括：
提供具有含内表面的孔的外部管状构件；
将第一润滑剂层施加至所述外部管状构件的所述内表面的至少
一部分；
将所述外部管状构件定位在所述井筒的至少一部分中；
提供包括具有外表面的内部构件的钻井总成，所述内部构件具有
与所述外部构件的中心纵向轴线对齐的中心纵向轴线；
将第二润滑剂层施加至所述内部构件的所述外表面的至少一部
分；
将所述内部构件插入所述外部管状构件的所述孔中；
通过所述钻井总成的所述孔来提供钻井液；
使所述内部构件相对于所述外部构件旋转；
测量在所述外部构件与所述内部构件之间的机械磨损和摩擦中
的至少一个的指标；
确定所述所测得的指标超过预先确定的阈值水平；以及
响应于确定所述所测得的指标超过所述预先确定的阈值水平来
触发后续操作。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述第一润滑剂层和所述第
二润滑剂层中的至少一个包括石墨烯。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述外部管状构件是管状套
管、衬管或立管，并且所述内部构件是钻井管件或钻井工具。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述指标是悬浮在所述钻井
液中并且对应于所述外部构件与所述内部构件中的至少一个的一种
或多种预先确定材料的浓度。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述指标指示在所述内部构
件与所述外部构件之间形成的转矩的量。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述指标指示所述外部构件
与所述内部构件中的至少一个的一个或多个机械尺寸。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述后续操作引起所述所测
得的指标落到所述预先确定的阈值水平之下。
8.如权利要求7所述的方法，其中所述后续操作包括增加悬浮
在所述钻井液中的石墨烯的浓度。
9.如权利要求7所述的方法，其中所述后续操作包括：
从所述孔抽出所述内部构件；
将第三润滑剂层施加至所述外表面；以及
将所述内部构件重新插入所述孔中。
10.如权利要求1所述的方法，其中将第一润滑剂层施加至所述
内表面和将第二润滑剂层施加至所述外表面中的至少一个包括：
使石墨烯悬浮在液体中以形成石墨烯悬浮液；以及
将所述悬浮液施加至所述内表面和所述外表面中的至少一个。
11.如权利要求1所述的方法，其中将第一润滑剂层施加至所述

\t内表面和将第二润滑剂层施加至所述外表面中的至少一个包括：
将石墨烯施加至所述内表面和所述外表面中的至少一个。
12.一种用于减少可定位在井筒中的钻柱的摩擦的系统，所述井
筒包括具有含内表面的孔的外部管状构件的至少一部分以及施加至
所述外...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·塞缪尔，N·阿尼科特，
申请(专利权)人：哈利伯顿能源服务公司，
类型：发明
国别省市：美国;US