氟化彈性材料防噴器封隔器和方法
2023-09-16 01:38:25 2
專利名稱：氟化彈性材料防噴器封隔器和方法
技術領域：
總體而言，本文公開的主題的實施方案涉及用於生產比現有封隔器更好地經受住惡劣環境的氟化彈性材料防噴器封隔器的方法和系統，且更詳細地講，其機制和技術。
背景技術：
在過去的數年間，隨著化石燃料價格提高，開發新井的重要性顯著增加。例如在油氣勘探應用中，在鑽井時，將安全裝置放置就位以防止由與鑽井活動相關的不測事件引起的對人員的損傷和對環境和/或設備的損害。因此，井控是油氣勘探的一個重要方面。油氣勘探中的鑽井包括穿透多種地下地質結構或「層」。有時，井眼將穿透地層壓力明顯高於井眼中所保持的壓力的層。在這種情況發生時，稱該井具有「井湧傾向」。與井湧相關的壓力增加通常通過地層流體(其可為液體、氣體或其組合)流入井眼而產生。壓力比較高的井湧傾向於從井眼井口中的進入點蔓延(從高壓區到低壓區)。如果讓井湧到達地面，則鑽井流體、井工具及其他鑽井結構可從井眼中噴出且井的完整性可被破壞，對環境產生嚴重後果(例如油不受控制地溢流到海底)。這些「井噴」還可導致鑽井設備(例如包括鑽機)災難性破壞和井隊人員相當大的死傷。由於井噴的風險，防噴器(「Β0Ρ」)通常以深水鑽孔配置安裝在地面上或海底以有效密封井眼直到可採取積極對策來控制井湧。可啟動BOP以使得井湧被充分控制且系統 「循環帶出」。有幾種類型的Β0Ρ，一種常見的類型是環形防噴器。環形BOP通常包括可啟動以密閉鑽杆和井工具從而圍繞井眼完全密封的環形彈性材料「封隔單元」。在封隔單元的鑽孔內沒有鑽杆或井工具的情形下，封隔單元可被壓到使鑽孔完全封閉的程度，充當井眼的閥門。通常，封隔單元是在圍繞鑽杆密封的情況下使用，其中可手動或通過機械迅速壓封隔單元以實現圍繞管道的密封從而防止井噴。具有封隔單元的環形BOP的實例公開在本發明的受讓人的美國專利2，609，836號 ("Knox")中，該專利的全文以引用的方式結合到本文中。所述封隔單元包括嵌入彈性材料主體中的多個金屬插入件。在圍繞鑽杆壓封隔單元或其本身以抵抗井眼壓力來密封時， 彈性材料主體被徑向向內擠壓，同時引起金屬插入件徑向向內移動。圖1為包括外殼102的背景技術的環形BOP 101的實例。環形BOP 101具有貫穿延伸的鑽孔120且圍繞縱軸103布置。封隔單元105圍繞縱軸103布置在環形BOP 101內。 封隔單元105包括彈性材料環形體107。封隔單元105包括與BOP 101的鑽孔120同心的鑽孔111。環形BOP 101通過泵送到活塞室112的開口 113中的流體而啟動。所述流體對活塞117施加壓力，其使活塞117向上移動。隨著活塞117向上移動，活塞117通過楔形面118 將力傳遞給封隔單元105。從楔形面118傳遞到封隔單元105的力向上朝向環形BOP 101 的可拆卸端蓋119且向內朝向環形BOP 101的縱軸103。因為封隔單元105保持抵靠著環形BOP 101的可拆卸端蓋119，所以封隔單元105沒有由於從活塞117傳遞到封隔單元105 的力而向上移位。然而，封隔單元105因傳遞力向內移位，其將封隔單元105壓向環形BOP101的縱軸103。在鑽管130沿縱軸103定位的情況下，在具有足夠徑向壓力時，封隔單元 105將圍繞鑽管密封到「閉合位置」。圖2中示出開啟位置，而圖3中示出閉合位置。如果不存在鑽管，封隔單元105(具有足夠的徑向壓力時)將完全密封鑽孔111。環形BOP 101中使用的封隔單元105的實例示於圖4中。如前所述，封隔單元105 包括彈性材料環形體107且可包括多個金屬插入件109。金屬插入件109可彼此以相等的徑向距離分布在封隔單元105的彈性材料環形體107中。封隔單元105包括鑽孔111。傳統封隔單元使用彈性材料環形體丁腈橡膠(NBR)，其由於良好的物理性質和耐油性而用於BOP應用中。然而，NBR在暴露於溴化鋅(SiBr2)流體時顯示出加速的化學降解，溴化鋅流體為在鑽井中出於各種目的而使用的「泥漿(mud) 」的組分。NBR的另一備選物為氟烴彈性體(FKM)，其對包括SiBr2的化學品具有良好的耐受性。然而，FKM的機械強度不如NBR且其價格昂貴。改善化學降解的另一方法是使NBR成型的BOP部件表面氟化。美國專利5，214，102 號和5，274，049號(其內容以引用的方式全部包括在本文中)描述了用於降低靜態和動態摩擦係數並改善製品的磨損壽命的成型彈性材料製品的氟化。具體地說，這兩篇文獻研究了氟化彈性體如Kraton、Hytrel及其他熱塑性橡膠(具有彈性性質和熱塑性性質二者的材料)。沿著相同路線，在 Journal of Applied Polymer kience，89 卷，第 971-979 頁 (2003)中幹Ij登的題為"Enhancement of the Chemical Resistance of Nitrile Rubber by Direct FlU0rinati0n(通過直接氟化增強丁腈橡膠的耐化學品性)」的文章(其全部內容完全結合在本文中)研究了在丁腈橡膠上加上氟化層以防止化學品滲透到橡膠內且觀察到機械性質損失的減緩。然而，表面氟化的NBR對於本應用仍然不夠好，特別是在進行氟化時觀察到在彈性材料中出現裂紋。因此，希望提供避免前述問題和缺陷的系統和方法。
發明內容
根據一個示例性實施方案，提供了用於環形防噴器中的封隔器單元。所述封隔器單元包括彈性體主體(elastomer body)，所述彈性體主體包含具有聚合物鏈的羧基丁腈橡膠(XNBR)基礎聚合物的配混物；和連接到所述聚合物鏈的一定數量的氟原子。所述配混物包含50-60% XNBR、25-35%碳黑，且餘量包括其他材料，且當所述彈性體主體被氟化時，所述量的氟原子從所述聚合物鏈置換至少等量的氫原子。根據另一示例性實施方案，提供了安裝在井上的環形防噴器。所述環形防噴器包括具有圍繞縱軸貫穿延伸的鑽孔的外殼；圍繞所述縱軸布置在所述外殼內的封隔單元； 和經構造以沿所述縱軸移動並向所述縱軸擠壓所述封隔單元的活塞。所述封隔單元包括彈性體主體，所述彈性體主體包括具有聚合物鏈的羧基丁腈橡膠(XNBR)基礎聚合物的配混物，和連接到所述聚合物鏈的一定量的氟原子。所述配混物包含50-60% XNBR、25-35%碳黑且餘量包括其他材料，且當所述彈性體主體被氟化時，所述量的氟原子從所述聚合物鏈置換至少等量的氫原子。根據又一示例性實施方案，提供了包括彈性體主體的裝置，所述彈性體主體包括具有聚合物鏈的羧基丁腈橡膠(XNBR)基礎聚合物的配混物；和連接到所述聚合物鏈的一定量的氟原子。所述配混物包括50-60% XNBR、25-35%碳黑且餘量包括其他材料，且當所述彈性體主體被氟化時，所述量的氟原子從所述聚合物鏈置換至少等量的氫原子。
結合在本申請文件中並構成本申請文件的一部分的
了一個或多個實施方案並且與所述描述一起來解釋這些實施方案。在圖中圖1為常規環形防噴器的示意圖；圖2為在環形防噴器中處於開啟位置的封隔單元區段的示意圖；圖3為在環形防噴器中處於閉合位置的封隔單元區段的示意圖；圖4為封隔單元的示意圖；圖5-8分別示出根據示例性實施方案的CP-N、CP-X、CP_H和CP-F的未氟化樣品的紅外光譜；圖9-11分別示出根據示例性實施方案的等級L、M和H的CP-N的氟化樣品的紅外光譜；圖12-14分別示出根據示例性實施方案的等級L、M和H的CP-X的氟化樣品的紅外光譜；圖15-17分別示出根據示例性實施方案的等級L、M和H的CP-H的氟化樣品的紅外光譜；圖18-20示出根據示例性實施方案的氟化之後樣品的表面；以及圖21示出根據一個示例性實施方案的封隔器單元上的氟原子分布。
具體實施例方式下文參照附圖來描述示例性實施方案。不同圖中的相同參考數字標識相同或類似元件。以下詳述不限制本發明。事實上，本發明的範圍由隨附權利要求書限定。為簡單起見，以下實施方案用來討論環形BOP系統的術語和結構。然而，接下來討論的實施方案不限於這些系統，而是可應用於需要具有預定化學和機械特性的某些彈性體的其他系統。貫穿本申請文件提到的「(一個)實施方案」是指關於實施方案描述的特定特徵、 結構或特性包括在所公開的主題的至少一個實施方案中。因此，在整個本申請文件的不同位置出現的短語「在(一個)實施方案中」未必是指同一實施方案。此外，特定特徵、結構或特性可以任何合適的方式組合在一個或多個實施方案中。根據一個示例性實施方案，用於製造環形BOP系統的封隔單元的彈性材料主體的各種可能材料已被表面氟化且隨後測試化學和機械特徵。將處理過的材料與基準材料相比較。將傳統NBR聚合物基體用作基準材料。還測試了上文論述的FKM配混物。其他測試材料為基於羧基丁腈橡膠(XNBR)和氫化丁腈橡膠(HNBR)的配混物。現在提供這些材料的結構的簡要論述。NBR實際上是丙烯腈和丁二烯的不飽和共聚物的複雜家族。通過選擇具有與其他性質平衡的適當丙烯腈含量的彈性體，橡膠混配機可在需要耐油、耐燃料和耐化學品的多種應用領域中使用NBR。多數NBR製造商製得了至少20種常規彈性體變體。NBR生產商改變聚合溫度來製備「熱」和「冷」聚合物。丙烯腈(ACN)和丁二烯(BD)的比率根據具體耐油和耐燃料性以及低溫需求而變化。還提供了含有第三單體(例如二乙烯基苯、甲基丙烯酸)的專用NBR聚合物。將一些NBR彈性體氫化以降低聚合物骨架的化學反應性，改善耐熱性(例如HNBR)。 各種改性獨特地決定了不同性質。向NBR聚合物的骨架中加入羧酸基團(XNBR)可以改變加工和固化性質。結果是聚合物基質具有增加的強度，其通過改善的拉伸、磨損、模量和耐磨性測定。消極作用包括壓縮變形、耐水性、回彈性和一些低溫性質降低。從NBR、HNBR和XNBR的該描述中，注意到這些家族包括大量具有不同性質的產物。因此，找到在氟化之後顯示出更合乎需要的性質的一種或多種組分不是顯而易見或簡單的。由於溴化鋅鹽水已用於一些鑽孔泥漿和完井溶液中以增加流體密度，井操作人員已觀察到環形BOP中見到的傳統丁腈橡膠彈性體對溴化鋅流體顯示不利作用。將三種BOP 丁腈橡膠配混物(見表1)以三種等級(即，等級L(低)、M(中)和 H(高))氟化。氟化等級的特點在於，例如，就氟/碳比率而言的氟化樣品表面上氟原子的所得濃度。該比率可通過SEM-EDS(掃描電子顯微鏡法和能量色散體系)測定。對於以所述三種等級L、M和H氟化的一組樣品，測得以下氟碳原子比對於等級L，0. 10-0. 18 ；對於等級M，0. 18-0. 26 ；且對於等級H，0. 26-0. 34。同時測試氟化樣品與其相應未氟化的對照物和FKM配混物。流體相容性試驗通過如稍後論述將樣品浸泡在處於185 T的高溫下的 ZnBr2鹽水以及柴油中數天(例如7天)來進行。表 權利要求
1.用於環形防噴器中的封隔器單元，所述封隔器單元包括彈性體主體，其包括具有聚合物鏈的羧基丁腈橡膠(XNBR)基礎聚合物的配混物；和連接到所述聚合物鏈的一定量的氟原子，其中所述配混物包含50-60% XNBR、25-35%碳黑且餘量包括其他材料，且當所述彈性體主體被氟化時，所述量的氟原子從所述聚合物鏈置換至少等量的氫原子。
2.權利要求1的封隔器單元，其中氟原子的量與所述配混物的碳原子的量之比為 0. 10-0. 18。
3.權利要求2的封隔器單元，其中(i)具有聚合物鏈且沒有氟原子的羧基丁腈橡膠 (XNBR)基礎聚合物的對照配混物與(ii)具有所述聚合物鏈和連接到所述聚合物鏈的所述量的氟原子的羧基丁腈橡膠(XNBR)基礎聚合物的配混物之間的改變對於拉伸為約_2%、 對於伸長率為14%、對於IOOMod為-8%、對於硬度為-2且對於磨損為77%。
4.權利要求2的封隔器單元，其中所述其他材料包括硫、抗氧化劑、增塑劑、工藝助劑、 促進劑和基於SiO的化合物。
5.權利要求2的封隔器單元，其中(i)具有聚合物鏈且沒有氟原子的羧基丁腈橡膠 (XNBR)基礎聚合物的對照配混物與(ii)在85°C下在SiBr2中浸泡約7天的具有所述聚合物鏈和連接到所述聚合物鏈的所述量的氟原子的羧基丁腈橡膠(XNBR)基礎聚合物的配混物之間的改變對於拉伸為約_19%、對於伸長率為-42%、對於IOOMod為34%、對於硬度為3、對於磨損為-47%且對於體積為2.5%。
6.權利要求2的封隔器單元，其中(i)具有聚合物鏈且沒有氟原子的羧基丁腈橡膠 (XNBR)基礎聚合物的對照配混物與(ii)在85°C下在柴油中浸泡約7天的具有所述聚合物鏈和連接到所述聚合物鏈的所述量的氟原子的羧基丁腈橡膠(XNBR)基礎聚合物的配混物之間的改變對於拉伸為約-23%、對於伸長率為-31%、對於IOOMod為-15%、對於硬度為-8、對於磨損為-59%且對於體積為19%。
7.權利要求1的封隔器單元，其中氟原子的量與所述配混物的碳原子的量之比為0. 18-0. 26 ο
8.權利要求7的封隔器單元，其中(i)具有聚合物鏈且沒有氟原子的羧基丁腈橡膠 (XNBR)基礎聚合物的對照配混物與(ii)具有所述聚合物鏈和連接到所述聚合物鏈的所述量的氟原子的羧基丁腈橡膠(XNBR)基礎聚合物的配混物之間的改變對於拉伸為約-16%、 對於伸長率為21%、對於IOOMod為-31%、對於硬度為-5且對於磨損為50%。
9.權利要求7的封隔器單元，其中所述其他材料包括硫、抗氧化劑、增塑劑、工藝助劑、 促進劑和基於SiO的化合物。
10.權利要求7的封隔器單元，其中(i)具有聚合物鏈且沒有氟原子的羧基丁腈橡膠 (XNBR)基礎聚合物的對照配混物與(ii)在85°C下在SiBr2中浸泡約7天的具有所述聚合物鏈和連接到所述聚合物鏈的所述量的氟原子的羧基丁腈橡膠(XNBR)基礎聚合物的配混物之間的改變對於拉伸為約_19%、對於伸長率為-41%、對於IOOMod為43%、對於硬度為4、對於磨損為-37%且對於體積為2%。
11.權利要求7的封隔器單元，其中(i)具有聚合物鏈且沒有氟原子的羧基丁腈橡膠 (XNBR)基礎聚合物的對照配混物與(ii)在85°C下在柴油中浸泡約7天的具有所述聚合物鏈和連接到所述聚合物鏈的所述量的氟原子的羧基丁腈橡膠(XNBR)基礎聚合物的配混物之間的改變對於拉伸為約_16%、對於伸長率為-23%、對於IOOMod為-14%、對於硬度為-11、對於磨損為-51%且對於體積為20%。
12.權利要求1的封隔器單元，其中氟原子的量與所述配混物的碳原子的量之比為 0. 26-0. 34ο
13.權利要求12的封隔器單元，其中(i)具有聚合物鏈且沒有氟原子的羧基丁腈橡膠 (XNBR)基礎聚合物的對照配混物與(ii)具有所述聚合物鏈和連接到所述聚合物鏈的所述量的氟原子的羧基丁腈橡膠(XNBR)基礎聚合物的配混物之間的改變對於拉伸為約-13%、 對於伸長率為、對於IOOMod為-30%、對於硬度為-5且對於磨損為51%。
14.權利要求12的封隔器單元，其中所述其他材料包括硫、抗氧化劑、增塑劑、工藝助劑、促進劑和基於SiO的化合物。
15.權利要求12的封隔器單元，其中(i)具有聚合物鏈且沒有氟原子的羧基丁腈橡膠 (XNBR)基礎聚合物的對照配混物與(ii)在85°C下在ZnBr2中浸泡約7天的具有所述聚合物鏈和連接到所述聚合物鏈的所述量的氟原子的羧基丁腈橡膠(XNBR)基礎聚合物的配混物之間的改變對於拉伸為約_17%、對於伸長率為-40%、對於IOOMod為36%、對於硬度為 3、對於磨損為-36%且對於體積為2%。
16.權利要求12的封隔器單元，其中(i)具有聚合物鏈且沒有氟原子的羧基丁腈橡膠 (XNBR)基礎聚合物的對照配混物與(ii)在85°C下在柴油中浸泡約7天的具有所述聚合物鏈和連接到所述聚合物鏈的所述量的氟原子的羧基丁腈橡膠(XNBR)基礎聚合物的配混物之間的改變對於拉伸為約_21%、對於伸長率為-23%、對於IOOMod為、對於硬度為-11、對於磨損為-49%且對於體積為20%。
17.安裝在井上的環形防噴器，所述環形防噴器包括 具有圍繞縱軸貫穿延伸的鑽孔的外殼；圍繞所述縱軸布置在所述外殼內的封隔單元；和經構造以沿所述縱軸移動並向所述縱軸擠壓所述封隔單元的活塞，其中所述封隔單元包括彈性體主體，其包括具有聚合物鏈的羧基丁腈橡膠(XNBR)基礎聚合物的配混物，和連接到所述聚合物鏈的一定量的氟原子，其中所述配混物包含50-60% XNBR、25-35%碳黑且餘量包括其他材料，且當所述彈性體主體被氟化時，所述量的氟原子從所述聚合物鏈置換至少等量的氫原子。
18.權利要求17的環形防噴器，其中氟原子的量與所述配混物的碳原子的量之比為0. 18-0. 26 ο
19.權利要求17的環形防噴器，其中氟原子的量與所述配混物的碳原子的量之比為 0. 26-0. 34ο
20.裝置，其包括彈性體主體，其包括具有聚合物鏈的羧基丁腈橡膠(XNBR)基礎聚合物的配混物，和連接到所述聚合物鏈的一定量的氟原子，其中所述配混物包括50-60% XNBR、25-35%碳黑且餘量包括其他材料，且當所述彈性體主體被氟化時，所述量的氟原子從所述聚合物鏈置換至少等量的氫原子。
全文摘要
本發明公開了用於環形防噴器中的封隔器單元。所述封隔器單元包括彈性體主體，所述彈性體主體包括具有聚合物鏈的羧基丁腈橡膠(XNBR)基礎聚合物的配混物，和連接到所述聚合物鏈的一定量的氟原子。所述配混物包括50-60％XNBR、25-35％碳黑且餘量包括其他材料。當所述彈性體主體被氟化時，所述量的氟原子從所述聚合物鏈置換至少等量的氫原子。
文檔編號E21B33/06GK102391553SQ20111019245
公開日2012年3月28日 申請日期2011年6月30日 優先權日2010年6月30日
發明者M·Y·黃 申請人:海德裡爾美國製造業有限責任公司