[发明专利]使用石墨烯的井下管件的摩擦和磨损减少

说明书

技术领域

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。