CN109072680A - 包含碳纳米管材料的可变形井下结构以及形成和使用此类结构的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于在井筒中使用的可变形井下物品包括：管状部件，所述管状部件被配置成放置于井筒中；可变形材料，所述可变形材料环绕所述管状部件的外表面设置；以及导电元件，所述导电元件包含键合至所述可变形材料的碳纳米管(CNT)材料。为了形成此类可变形井下物品，环绕管状部件的外表面设置可变形材料，并且将包含碳纳米管(CNT)材料的导电元件键合至所述可变形材料。在使用时，可以将所述可变形井下物品定位在井筒内，并且所述可变形材料可以膨胀到膨胀状态。所述可变形材料的膨胀可能会使所述导电元件的所述碳纳米管(CNT)材料经受应变，并且可以测量所述导电元件的电气性质以推断出关于所述可变形材料的状态的信息。

Description

包含碳纳米管材料的可变形井下结构以及形成和使用此类结 构的方法

优先权声明

本申请要求2016年3月7日提交的美国专利申请系列号15/063,034“DEFORMABLEDOWNHOLE STRUCTURES INCLUDING CARBON NANOTUBE MATERIALS，AND METHODS OFFORMING AND USING SUCH STRUCTURES”的申请日期的权益。

技术领域

在各种实施方案中，本公开总体上涉及用于监测设置在井筒中的可变形井下结构的膨胀的材料。更明确地说，本公开的实施方案涉及包含合并到可变形材料中的碳纳米管材料的井下结构以及形成和使用碳纳米管材料和可变形材料的方法。

背景技术

针对石油和天然气开采的钻井常规上采用钻杆的纵向延伸的段或所谓的“管柱”，较大直径的钻头固定在所述钻杆的一端。在已钻出井筒的选定部分并且在一些情况中扩孔至比初始用钻头(这就是被称作“领眼”钻头的情况)钻出的直径大的直径之后，通常会给井筒衬有或套有套管或衬套的管柱或段。此类套管或衬套展现出比用于钻出井筒的钻杆大的直径以及比钻头或用于扩大井筒的扩孔器的直径小的直径。常规上，在将套管或衬套管柱放到井筒中之后，用水泥将套管或衬套管柱粘结在适当位置以密封在套管或衬套管柱的外部与井筒壁之间。

管状管柱(诸如钻杆、套管或衬套)可以(例如)被管的外壁与井套管的内壁或井筒壁之间的环形空间环绕。通常，希望密封井深的上部部分与下部部分之间的此类环形空间。可以用井下物品(诸如适形装置)来密封或填充所述环形空间。适形装置包括封隔器、桥塞、防砂筛管和密封剂。可膨大的封隔器和桥塞特别可用于密封环形空间，因为所述封隔器和桥塞在暴露于井筒流体、井筒温度等时会膨大(例如，膨胀)并且填充环形空间的截面区域。

发明内容

在本公开的一些实施方案中，一种用于在井筒中使用的可变形井下物品包括：管状部件，所述管状部件被配置成放置于井筒中；可变形材料，所述可变形材料环绕所述管状部件的外表面设置；以及导电元件，所述导电元件包含键合至所述可变形材料的碳纳米管(CNT)材料。

本公开的额外实施方案包括形成此类可变形井下物品的方法。举例来说，可以环绕管状部件的外表面设置可变形材料，并且可以将包含碳纳米管(CNT)材料的导电元件键合至所述可变形材料。

本公开的另外的实施方案包括在井筒中使用此类可变形井下物品的方法。可以将可变形井下物品定位在井筒内。所述可变形井下物品可以包括管状部件、环绕所述管状部件的外表面设置的可变形材料以及包含碳纳米管(CNT)材料的导电元件，所述碳纳米管材料键合至所述可变形材料。所述可变形材料可以在井筒中膨胀到膨胀状态。所述可变形材料的膨胀可能会使所述导电元件的所述碳纳米管(CNT)材料经受应变，并且可以测量所述导电元件的电气性质。可以使用所述电气性质的测量结果来推断出关于所述可变形材料的状态的信息。

附图说明

虽然说明书结尾附有权利要求书来特别地指出以及清楚地声明了被认为是本公开的实施方案的事物，但是在结合附图阅读时从对本公开的示例性实施方案的以下描述中可以更容易地了解本公开的实施方案的各种特征和优点，其中：

图1示出井筒的实例，所述井筒包括设置于其中的至少一个可变形井下物品；

图2A是与图1中的可变形井下物品类似的可变形井下物品的简化的并且示意性地示出的截面侧视图，所述可变形井下物品包含处于压缩状态的可变形材料并且具有设置于其中的处于第一应变状态的CNT材料的卷绕纤维；

图2B是图2A中的可变形井下物品的简化的并且示意性地示出的截面侧视图，示出了井筒内处于膨胀状态的可变形材料，并且其中设置于其中的CNT材料的卷绕纤维处于与第一应变状态不同的第二应变状态；

图2C是图2B中的可变形井下物品的简化的并且示意性地示出的展开图；

图3A至图3C是包括图2A至图2C中的卷绕纤维的电路的简化的并且示意性地示出的电路图；

图4A是可变形井下物品的另一个实施方案的简化的并且示意性地示出的截面侧视图，所述可变形井下物品包含处于压缩状态的可变形材料并且具有设置于其中的处于第一应变状态的CNT材料的卷绕纤维；

图4B是图3A中的可变形井下物品的简化的并且示意性地示出的截面侧视图，示出了井筒内处于膨胀状态的可变形材料，并且其中设置于其中的CNT材料的卷绕纤维处于与第一应变状态不同的第二应变状态；

图4C是图4B中的可变形井下物品的简化的并且示意性地示出的展开图；

图5A至图5C是包括图4A至图4C中的卷绕纤维的电路的简化的并且示意性地示出的电路图；

图6是根据另一个实施方案的设置于可变形材料中的CNT材料的简化的并且示意性地示出的展开图；

图7A至图7C是示出使用反应注射成型工艺形成如本文中描述的可变形井下物品的简化的截面侧视图；

图8A是根据另一个实施方案的与图1中的可变形井下物品类似的可变形井下物品的透视图；

图8B是图8A中的可变形井下物品的简化的并且示意性地示出的视图；

图8C示出将可变形材料设置在图8A的可变形井下物品的管状部件上的操作；

图9A是根据另一个实施方案的与图1中的可变形井下物品类似的可变形井下物品的简化的并且示意性地示出的视图；

图9B是图9A中的可变形井下物品的简化的并且示意性地示出的截面图；以及

图9C示出将可变形材料设置在图9A的可变形井下物品的管状部件上的操作。

具体实施方式

本文中呈现的图示不打算是任何特定部件、装置或***的实际视图，而仅是用于描述本公开的实施方案的理想化表示。诸图之间共同的元件可以保持相同的数值指示。

可变形井下物品(诸如可膨胀(例如，适形)封隔器、桥塞和防砂筛管)可以包含可变形材料，所述可变形材料在暴露于井筒流体、井筒温度、从地下地层的表面提供的活化流体等之后会膨胀并且可以填充管状构件的外表面与井筒的内壁(诸如井筒内地层的暴露表面)之间的环形空间的截面区域。在一些情况中，可能希望验证可变形材料的膨胀以便确保可变形井下物品的正常功能。本公开的实施方案可以使得可变形井下物品的使用者能够确认可变形井下物品的可变形材料已膨大(即，膨胀)以便确保可变形井下物品将按照预期起作用。

碳纳米管(CNT)可以展现出高的电导率。根据本公开的实施方案，包含碳纳米管(CNT)材料的导电元件可以键合至可变形井下物品的可变形材料，并且在使用中，可变形材料的膨胀可能会使导电元件的碳纳米管(CNT)材料经受应变。CNT材料经受应变可能会导致CNT材料的至少一种电气性质的变化。举例来说，CNT在经受应变时可能会展现出电导率和电阻率的可测量的变化。可以测量导电元件的电气性质，并且可以使用所述电气性质的测量结果来推断出关于可变形材料的状态的信息。

图1示出井筒***100的非限制性实例，所述井筒***包括井筒110，所述井筒穿过地下地层112钻出并且进入一对生产地层或储层114、116中，希望从该对生产地层或储层开采出烃或以其它方式提取矿物、石油和天然气等。在一些实施方案中，井筒110可以衬有金属套管。许多穿孔118可以穿透并延伸到地层114、116中，使得采出液121可以从地层114、116流入井筒110中。井筒110可以具有基本上垂直的支腿117和偏斜的或基本上水平的支腿119。井筒110可以包括通过管状部件122设置于其中的生产管柱或组件(总体上在120处指示)，所述管状部件在地面126处从钻机124向下延伸。生产组件120沿着其长度限定内部轴向流动孔128。可以在生产组件120与井筒套管(若存在)或井筒壁132之间限定环空130。生产区134如所示沿着生产组件120定位于选定位置处。可以在井筒110内通过一对封隔器装置136将每个生产区134隔离。虽然在图1中仅示出三个生产区134，但是可以存在沿着垂直支腿117和水平支腿119按连续方式布置的大量的此类区。

每个生产区134可以包括流量控制或生产流量控制装置138，以控制进入生产组件120中一种或多种流体的流的一个或多个方面。如本文中使用，术语“一种流体”或“多种流体”包括液体、气体、烃、多相流体、两种或更多种流体的混合物、水、盐水、工程流体(诸如钻井泥浆)、从地面注入的流体(诸如水)以及天然存在的流体(诸如石油和天然气)。

图2A示出图1中所示的井筒***100的封隔器装置136。封隔器装置136是可变形井下物品，其包含环绕管状部件122的外表面设置的可变形材料150。图2A示出处于初始的未膨大或压缩状态的可变形材料150，在所述未膨大或压缩状态下，可变形材料150具有比井筒110的壁132的直径小的直径。可变形材料150可以环绕井筒110内的管状部件122的一段。管状部件122可以是井下套管或衬套管柱、生产管道或管子、或井筒110内的其它管状部件的一部分。管状部件122可以包括多个孔123，所述孔被配置成使采出液121从地层114、116流经生产组件120。在将管状部件122定位在井筒110内的选定位置之后，可能会使可变形材料150膨大(例如，膨胀)。在可变形材料150处于初始的未膨大状态时，将封隔器装置136定位在井筒110中，在所述未膨大状态下，可变形材料150具有比井筒110的壁132(图1)的直径小的直径。

如图2B中所示，在将封隔器装置136定位在井筒110内的选定位置之后，可变形材料在径向方向上膨大(例如，膨胀)。在一些实施方案中，暴露于井筒流体会使可变形材料150膨胀并接触井筒110的壁132以在管状部件122与壁132之间形成压缩的、不漏流体的密封。因此，可变形材料150的外径可以增加，直到其接触地下地层112内的井筒110的壁132为止。在其它实施方案中，管子、套管、衬套的内壁或其它表面可以环绕封隔器装置136沿周向设置，并且可变形材料150可以在管状部件122与管子、套管、衬套的内壁或其它表面之间形成压缩的、不漏流体的密封。因此，一旦可变形材料150膨胀，便基本上防止了流体(例如，从地层114、116)通过环空130经过封隔器装置136的外部的纵向流(从图2B的视角看，在垂直方向上)。

可变形材料150可以被配制成在填满环形空间130之前会一直膨胀。在一些实施方案中，井筒110的直径可能不足以允许可变形材料150完全回到膨胀状态。另外，可变形材料150可能不会均一地膨大(例如，膨胀)，因为井筒110的直径可能不是均一的。膨大可能会导致可变形材料150的半径(从管状部件122到可变形材料150的外表面来测量)增加了可变形材料150的初始半径的约20％至约300％。在一些实施方案中，可变形材料150的初始半径可以是在约0.5英寸(1.27cm)至约2英寸(5.08cm)的范围中，并且更明确地说，是约1英寸(2.54cm)。

可变形材料150可以包括任何合适类型的可变形材料。如本文中使用，术语“可变形材料”表示并且包括在暴露于井下环境之后在至少一个维度上可以膨大、膨胀或以其它方式增加大小的任何材料。举出非限制性实例，可变形材料150可以包括如以下任一案件中所描述的适形材料：2015年7月28日颁布的发明名称为“Process for the Preparation ofConformable Materials for Downhole Screens”的美国专利9,090,012(下文称为‘012专利)；2014年4月1日颁布的发明名称为“Sand Screen，Expandable Screen and Method ofMaking”的美国专利8,684,075；2016年1月5日颁布的发明名称为“Conformable MaterialsContaining Heat Transfer Nanoparticles and Devices Made Using Same”的美国专利9,228,420；以及2013年12月24日提交的发明名称为“Swellable Downhole StructuresIncluding Carbon Nitride Materials，and Methods of Forming and Using SuchStructures”的美国专利公布No.2015/0176363，以上各案的全部公开内容特此以引用方式并入本文中。此类适形材料可以用在适形防砂筛管中，诸如在市场上可购自Houston，TX的Baker Hughes Inc.的适形防砂管理***。再举出非限制性实例，可变形材料150可以包括如以下任一案件中所描述的可膨大材料：2012年2月21日颁布的发明名称为“Swelling Delay Cover for a Packer”的美国专利8,118,092；2012年7月24日颁布的发明名称为“Sealing Feed Through Lines for Downhole Swelling Packers”的美国专利8,225,861；2008年9月30日提交的发明名称为“Water Swelling Rubber Compound forUse in Reactive Packers and Other Downhole Tools”的美国专利公布No.2009/0084550；2014年3月13日提交的发明名称为“Enhanced Water Swellable Compositions”的美国专利公布No.2015/0210825；2008年6月6日提交的发明名称为“Wrap-On ReactiveElement Barrier Packer and Method of Creating Same”的美国专利公布No.2009/0139708；以及2012年5月22日颁布的发明名称为“Water Swelling Rubber Compound forUse in Reactive Packers and Other Downhole Tools”的美国专利8,181,708(下文称为“‘708专利”)，以上各案的全部公开内容特此以引用方式并入本文中。

作为非限制性实例，可变形材料150可以是开孔泡沫材料。所述开孔泡沫材料可以包括粘弹性形状记忆聚合材料。此类粘弹性形状记忆聚合物材料可以展现出单向形状记忆效应。换句话说，粘弹性形状记忆材料在通过(例如)改变材料的温度、使材料暴露于井筒流体或使材料暴露于电刺激、化学刺激或另一种刺激触发时可以恢复到原始的形状和/或大小。

可以膨胀(例如，展现出形状记忆效应)的开孔泡沫材料包括各种各样的聚合物。此类聚合物可以包括聚氨酯、聚酰胺、聚脲、聚乙烯醇、乙烯醇-乙烯基酯共聚物、酚醛聚合物、聚苯并咪唑、包含聚氧化乙烯单元的共聚物以及其组合。举例来说，包含聚氧化乙烯单元的共聚物包括与N，N′-亚甲基-双丙烯酰胺交联的聚氧化乙烯/丙烯酸/甲基丙烯酸共聚物、与乙二醇二甲基丙烯酸酯交联的聚氧化乙烯/甲基丙烯酸/N-乙烯基-2-吡咯烷酮共聚物以及与乙二醇二甲基丙烯酸酯交联的聚氧化乙烯/聚甲基丙烯酸甲酯/N-乙烯基-2-吡咯烷酮共聚物。在一些实施方案中，泡沫适形材料可以包括通过使聚碳酸酯多元醇与聚异氰酸酯反应制得的聚氨酯。此类聚合物可以以化学方式或至少以物理方式交联以便展现出形状记忆性质。

根据本公开的实施方案，管状部件122可以由高强度材料形成。在一些实施方案中，管状部件122包含金属。管状部件122的一部分可以包含电介质材料。举例来说，上面形成有可变形材料150的管状部件122的部分可以包含电介质材料。

根据本公开的实施方案，封隔器装置136还包括至少一个导电元件152，所述至少一个导电元件包含键合至可变形材料150的碳纳米管(CNT)材料。如下文更详细地讨论，导电元件152被定位和被配置成使得在可变形材料150膨大之后将向导电元件152施加应力，导电元件152响应于所述应力而经受应变。

在图2A和图2B中所示的实施方案中，导电元件152包括布置成线圈的多根纤维。所述纤维包含交联的碳纳米管。图2A和图2B是在与管状部件122的纵轴平行的平面中截取的封隔器装置136的截面侧视图。如图2A和图2B中所示，线圈可以在可变形材料150中取向，使得线圈的轴线154垂直于管状部件122的纵轴延伸并且在可变形材料150内从管状部件122向外径向地延伸。换句话说，线圈可以在可变形材料150中取向，使得线圈的轴线154沿着可变形材料150的半径延伸。虽然在图2A和图2B中仅示出了两根卷绕纤维，但是在本公开的实施方案中可以采用CNT材料的任何数目的卷绕纤维。在采用CNT材料的多根纤维的实施方案中，卷绕纤维可以绕着管状部件122同心地并且沿着管状部件122的长度分散在可变形材料150中。

在本公开的实施方案中可以采用的交联碳纳米管的线圈可以通过将碳纳米管垫中的垫卷起而形成，诸如市场上可购自Tucson，Arizona的MER Corporation的那些碳纳米管垫。

在一些实施方案中，CNT可以在卷绕纤维内在至少一个方向上彼此大体上对准。在一些实施方案中，CNT可以沿着CNT材料的卷绕纤维的长度彼此大体上对准，和/或在可变形材料150膨胀之后在导电元件172的预计应变的方向上彼此大体上对准。在其它实施方案中，CNT可以随机地取向和分散在CNT材料的卷绕纤维中。此外，导电元件152的CNT材料中的CNT可以包括单壁CNT、双壁CNT和多壁CNT。

在一些实施方案中，导电元件152可以设置在可变形材料150内。在此类实施方案中，导电元件152可以被可变形材料150至少基本上环绕(例如，完全环绕)。

导电元件152可以共价键合至可变形材料150。换句话说，可以在导电元件152与可变形材料150之间直接提供共价原子键。在此种配置中，在可变形材料150从图2A中的状态膨胀到图2B中的状态时，可变形材料150的膨胀可能会施加应力，导电元件152响应于所述应力而经受应力，并且导电元件152没有相对于相邻的可变形材料150沿着其间的界面发生很大的相对位移。在一些实施方案中，导电元件152的CNT材料的CNT可以共价键合至可变形材料150。

封隔器装置136还可以包括至少一个电子部件155。图2C是在图2B中概述的包括电子部件155的封隔器装置136的一部分的放大图。在一些实施方案中，至少一个电子部件155可以是耦接至导电元件152的电容器C，所述导电元件可以用作电感器L，以形成图3A中所示的LC(例如，谐振)电路。在其它实施方案中，电子装置156可以包括耦接至导电元件152的电阻器R，所述导电元件可以用作电感器L，以形成图3B中所示的RL(例如，电阻器-电感器)电路。在另外的实施方案中，如图3C中所示，导电元件152可以耦接至电容器C和电阻器R以形成RLC电路。在额外的实施方案中，导电元件152可以并联地或串联地耦接至电阻器和电容器的任何组合。导电体(例如，电线)可以可操作地耦接导电元件152与电子部件155(例如，电容器或电阻器)。

继续参看图2A至图2C，封隔器装置136还可以包括感应测井工具140。感应测井工具140可以提供在可变形材料150中并且通过管状部件122与可变形材料150隔开。感应测井工具140可以包括从感应测井工具140延伸至地面126的电缆141。地面设备142(图1)可以包括用于向感应测井工具140中的一个或多个发射器线圈143和一个或多个接收器线圈144提供电力的电源供应器。在其它实施方案中，电源供应器和/或发射器信号驱动器和接收器处理器可以位于感应测井工具140中。感应测井工具140可以被配置成测量导电元件152的至少一种电气性质(例如，电导率、电阻率、电感等)。举例来说，感应测井工具140可以在导电元件经受应变时测量导电元件152的电感的变化。

参看图2C，在一些实施方案中，发射器线圈143的轴线145与导电元件142的轴线154可以是同轴的。发射器线圈143和导电元件142可以进一步与管状部件122的孔123对准。在其它实施方案中，发射器线圈143与导电元件142可以不是同轴的和/或可以不与孔123对准。导电元件142和/或发射器线圈143的直径可以小于孔123的直径。举例来说，孔123的直径可以是在约0.5英寸(1.27cm)至约2英寸(5.08cm)的范围中，并且更明确地说，是约1英寸(2.54cm)。在其它实施方案中，导电元件142和/或发射器线圈143的直径可以大于孔123的直径。

感应测井工具140的物理原理描述于(例如)Doll，Introduction to InductionLogging and Application to Logging of Wells Drilled with Oil Based Mud，第1卷，第6期(1949年6月)，第148页至第162页中，所述文章的公开内容以引用方式整体并入本文中。举出非限制性实例，感应测井工具140可以是如以下各案中描述的感应测井工具：2007年3月13日颁布的发明名称为“Method and Apparatus for Internal Calibration inInduction Logging Instruments”的美国专利7,190,169；2013年7月16日颁布的发明名称为“Performing Downhole Measurement Using Tuned Transmitters and UntunedReceivers”的美国专利8,487,625；以及2015年12月29日颁布的发明名称为“Apparatusand Method for Capacitive Measuring of Sensor Standoff in Boreholes Filledwith Oil Based Drilling Fluid”的美国专利9,223,046，以上各案的全部公开内容以引用方式并入本文中。导电元件152所受的应变可能会导致绕着导电元件152发射的感应或电磁场的可测量的变化，可以根据在感应测井工具140中测量出的功率损失或谐振频率来测量所述变化。

图4A至图4C与图2A至图2C类似并且示出可以在井筒***(诸如图1中的井筒***100)中采用的封隔器装置170的另一个实施方案。封隔器装置170是可变形井下物品，与封隔器装置136类似，如之前在本文中参看图2A至图2C所描述，所述可变形井下物品包括管状部件122和环绕管状部件122设置的可变形材料150。封隔器装置170还包括导电元件152，所述导电元件包含键合至可变形材料150的碳纳米管(CNT)材料，并且导电元件152被定位和被配置成使得在可变形材料150膨大之后将向导电元件152施加应变。

图4C是图4B中概述的封隔器装置170的一部分的放大图。继续参看图4A至图4C，封隔器装置170还可以包括代替感应测井工具140的电子装置156。电子装置156可以可操作地耦接至导电元件152并且被配置成测量导电元件152的至少一种电气性质(例如，电导率、电阻率、电感等)。在一些实施方案中，电子装置156可以位于封隔器装置170内，诸如位于管状部件122内的凹口或其它容器内。在其它实施方案中，电子装置156可以位于生产组件120的另一个部件中，诸如位于生产组件120中的另一个接头中。在另外的实施方案中，电子装置156可以位于地面。

电子装置156可以包括电子信号处理器158、存储器装置160和通信装置162。封隔器装置170还可以包括电池或其它电源供应器164。电源供应器164可以位于电子装置156中或位于可变形材料150中。封隔器装置170可以包括耦接至导电元件152和电源供应器164的至少一个电气部件174。在一些实施方案中，至少一个电子部件174包括耦接至导电元件152的电容器C，所述导电元件可以用作电感器L，以形成如图5A中所示的LC(例如，谐振)电路。在其它实施方案中，电子部件174可以包括耦接至导电元件152的电阻器R，所述导电元件可以用作电感器L，以形成如图5B中所示的RL(例如，电阻器-电感器)电路。在其它实施方案中，导电元件152可以耦接至电容器C和电阻器R以形成如图5C中所示的RLC电路。导电体(例如，电线)可以可操作地耦接电子部件174、导电元件152与电源供应器164。电线可以在两个或更多个位置处接触导电元件152，使得电源供应器164可以经由电线使电流流经导电元件152。导电体可以进一步将电子部件174和/或导电元件152耦接至电子装置156。

电子装置156可以包括万用表或电压表，所述万用表或电压表允许电子装置156在封隔器装置136的使用和可变形材料150的膨胀期间测量导电元件152的电气性质。举例来说，电子装置156可以通过测量LC电路、RL电路或RLC电路的谐振频率的变化来测量导电元件152的电感或电阻率的变化。通信装置162可以包括发射器和/或接收器，所述发射器和/或接收器用于将与导电元件152的所测量的电气性质有关的信息传输到地面126以进行分析，和/或用于从地面126接收信息，诸如操作命令。通信装置162可以包括(例如)泥浆-脉冲遥测***。

图6示出设置在可变形材料150中的导电元件172的另一个配置。导电元件172可以具有绕着导电元件172的轴线176振荡的锯齿形状。导电元件172可以在可变形材料150中取向，使得锯齿形状的轴线176垂直于管状部件122的纵轴延伸并且在可变形材料150内从管状部件122向外径向地延伸。换句话说，导电元件172可以在可变形材料150中取向，使得线圈的轴线154沿着可变形材料150的半径延伸。导电元件172被定位和被配置成在可变形材料150膨大之后将向导电元件172施加应变。导电元件172所受的应变可能会导致绕着导电元件172发射的感应或电磁场的可测量的变化，如之前在本文中参看图2A至图2C所描述，可以根据在感应测井工具140中测量出的功率损失或谐振频率来测量所述变化。如之前在本文中参看图4A至图4C所描述，还可以通过将导电元件172耦接至电气部件174、电源供应器164和电子装置156来测量导电元件172所受的应变。在其它实施方案中，设置于可变形材料150中的导电元件可以具有任何其它形状，所述形状被配置成使得在可变形材料150膨大之后将向导电元件172施加应变。

如之前所提及，导电元件152、172的CNT材料中的CNT可以是交联的，使得直接共价原子键在导电元件152、172中将相邻的CNT直接联结在一起。导电元件152、172的CNT材料中的CNT的此类交联可能会使所述CNT材料与具有未交联的CNT的CNT材料相比展现出增加的机械强度(例如，较高的抗张强度或屈服强度)。用于使CNT交联的方法在本领域中是已知的并且在(例如)D.N.Ventura等人的A Flexible Cross-Linked Multi-Walled CarbonNanotube Paper for Sensing Hydrogen，Carbon 50(2012)，第2672页至第2674页中公开，所述文章的内容以引用方式整体并入本文中。举例来说，如其中所公开，可以用胺基对CNT进行官能化以形成胺化CNT，并且胺化CNT可以与苯醌交联。

另外，导电元件152、172的CNT材料中的CNT可以用金属纳米颗粒进行浸渍。换句话说，金属纳米颗粒可以附接至CNT的外壁。在一些实施方案中，CNT可以用铂、铜、银、金、钌、铑、锡或钯纳米颗粒以及其组合中的至少一者进行浸渍。金属纳米颗粒附接至CNT可以增加CNT的电导率。

本公开的实施方案还包括形成如本文中描述的可变形井下物品(诸如封隔器装置136、170)的方法。举例来说，根据此类方法，可以环绕管状部件122的外表面设置可变形材料150，所述管状部件被配置成放置于井筒中，并且可以将包含碳纳米管(CNT)材料的导电元件152、172键合至可变形材料150。

在一些实施方案中，如图7A至图7C中所示，可以通过使用成型工艺(诸如反应注射成型工艺)来环绕管状部件122对可变形材料150成型来环绕管状部件122的外表面设置可变形材料150。

如图7A中所示，管状部件122可以至少部分地定位于其中具有型腔182的模具180内。型腔182的大小和形状可以对应于将在其中环绕管状部件122形成的可变形材料150。在一些实施方案中，型腔182的大小和形状可以对应于处于图2B和图3B中所示的膨胀状态的可变形材料150的大小和形状。参看图7B，可以将导电元件152(或图4A至图4C中的导电元件172)定位在型腔182内的选定位置。可以在将管状部件122至少部分地定位在模具180内之前或之后将导电元件152定位在型腔182内。可以在图2B和图4B中所示的膨胀状态下将导电元件152设置在型腔182内。如图7C中所示，可以在型腔182内环绕管状部件122来提供可变形材料150。

在一些实施方案中，用于形成可变形材料150的成型工艺可以包括反应注射成型工艺。在此类工艺中，可以将液体前驱体作为液体或膏剂注射到模具180的型腔182中。化学反应可能会导致分子(例如，聚合物链或单体单元)之间的交联以便导致不可流动的聚合物材料的形成。所述聚合物材料可以是如之前在本文中参看图2A至图2C所描述。如之前所提及，可变形材料150可以包括形状记忆聚合材料。在一些实施方案中，可变形材料150可以如前述‘012专利中所描述般形成，所述专利在之前以引用方式并入本文中。

在成型工艺期间，可以如之前在本文中所描述将导电元件152键合至可变形材料150。明确地说，在环绕管状部件122形成可变形材料150时，导电元件152的碳纳米管(CNT)材料中的CNT可以共价键合至可变形材料150。

举例来说，在一些实施方案中，可变形材料150可以包括聚氨酯。在此类实施方案中，可以通过(例如)在模具180的型腔182内使具有每分子两个或更多个反应羟基的醇(例如，多元醇)与具有每分子一个以上反应异氰酸酯基的异氰酸酯反应来形成聚氨酯。在一些实施方案中，在环绕或邻近于导电元件152、172形成可变形材料150之前，可以用胺基对导电元件152、172的碳纳米管(CNT)材料中的CNT进行官能化。在可变形材料150的形成期间，可以在反应注射成型工艺期间使胺化碳纳米管与聚异氰酸酯反应，导致在CNT材料的CNT与可变形材料150的聚氨酯之间形成共价键。

可以允许可变形材料150在模具180的型腔182中固化。由于可变形材料150和导电元件152、172可能是在膨胀状态下形成，因此对可变形材料150和导电元件152、172进行压缩。如之前在本文中参看图2A和图2B所描述，可以压缩可变形材料150，直到可变形材料150的直径具有比井筒110的壁132(图1)的直径小的直径为止。在对可变形材料150进行压缩时，也可以将导电元件152、172压缩到压缩状态，在所述压缩状态下，如图2A和图4A中所示，导电元件152、172的长度减小。

图8A至图8C示出可以在井筒***(诸如图1中的井筒***100)中采用的封隔器装置200的另一个实施方案。封隔器装置200是可变形井下物品，与封隔器装置136类似，所述可变形井下物品包括管状部件122。环绕管状部件122设置的可变形材料202可以包括橡胶或弹性体。在一些实施方案中，可变形材料202的弹性体可以包括如之前在本文中参看图2A至图2C描述的可变形材料150。举例来说，可变形材料202可以是如美国专利公布No.2009/0139708和‘708专利中所描述的橡胶或弹性体，所述专利中的每一者之前以引用方式并入本文中。

图8B示出其中设置有导电元件152的可变形材料202的部分截面图。如之前在本文中参看图2A至图2C所描述，导电元件152可以在可变形材料202中取向，使得线圈的轴线154垂直于管状部件122的纵轴延伸并且在可变形材料150内从管状部件122向外径向地延伸。换句话说，线圈可以在可变形材料202中取向，使得线圈的轴线154沿着可变形材料202的半径延伸。

导电元件152被定位和被配置成使得在可变形材料202膨大之后将向导电元件152施加应力。导电元件152可能会响应于所施加的应力而经受应变，并且导电元件152没有相对于相邻的可变形材料202沿着其间的界面发生很大的相对位移。导电元件152所受的应变可能会导致绕着导电元件152发射的感应或电磁场的可测量的变化，如之前在本文中参看图2A至图2C所描述，可以根据在感应测井工具140中测量出的功率损失或谐振频率来测量所述变化。如之前在本文中参看图4A至图4C所描述，还可以通过将导电元件152耦接至电气部件174、电源供应器164和电子装置156来测量导电元件152所受的应变。在其它实施方案中，设置于可变形材料202中的导电元件可以具有任何其它形状，所述形状被配置成使得在可变形材料202膨大之后将向导电元件152施加应变。

本公开的实施方案还包括形成可变形井下物品(诸如封隔器装置200)的方法。举例来说，根据此类方法，如之前在本文中参看图2A至图2C、图4A至图4C以及图6所描述，可以环绕管状部件122的外表面设置可变形材料202，所述管状部件被配置成放置于井筒中，并且将包含碳纳米管(CNT)材料的导电元件152键合至可变形材料202。

在一些实施方案中，可以在可变形材料202处于未固化状态时将导电元件152设置于可变形材料202中并键合至可变形材料202的橡胶或弹性体。在一些实施方案中，可以用本领域中已知的方式在固化芯棒上固化可变形材料202。在其它实施方案中，可以在管状部件122上固化可变形材料202。举例来说，可以通过如美国专利公布No.2009/0139708中描述的方法来固化可变形材料202，所述专利之前以引用方式并入本文中。可以将处于固化或未固化状态并且其中设置有导电元件152的可变形材料202缠绕到管状部件122上，如在由图8C中所示的箭头206所绘示的方向上。

图9A至图9C示出可以在井筒***(诸如图1中的井筒***100)中采用的封隔器装置210的另一个实施方案。封隔器装置210是可变形井下物品，与封隔器装置136类似，所述可变形井下物品包括管状部件122。封隔器装置210还包括可变形材料212，与之前在本文中参看图8A至图8C描述的可变形材料202类似。导电元件214可以设置于可变形材料212中。如之前在本文中参看图8A至图8C所描述，导电元件214可以设置于处于未固化状态的可变形材料212中。

导电元件214包括布置成线圈的纤维，所述线圈在可变形材料212内绕管状部件122同心地延伸。在一些实施方案中，如之前在本文中参看图2A至图2C、图4A至图4C以及图6所描述，导电元件214可以包含键合至可变形材料202的碳纳米管(CNT)材料。在其它实施方案中，导电元件214可以包括设置于可变形材料202内的碳纳米管(CNT)线。图9B是在横向于管状部件122的纵轴的平面中截取的封隔器装置210的截面图。如图9B中所示，导电元件214环绕管状部件122的至少一部分沿周向延伸。导电元件214可以环绕管状部件122的圆周以圆形或螺旋形方式完整地延伸一次或多次。虽然在图9A至图9C中仅示出一个导电元件214，但是在本公开的实施方案中可以采用任何数目个导电元件214。在采用多个导电元件214的实施方案中，每个导电元件214可以环绕管状部件122的圆周完整地延伸一次或多次。

在一些实施方案中，导电元件214的末端可以直接或间接电接触。举例来说，导电元件214的末端可以连接在电路中。换句话说，导电元件214的末端可以连接至如之前在本文中参看图2A至图3C所描述的电气部件155，或如之前在本文中参看图4A至图5C所描述的电气部件174。在其它实施方案中，导电元件214的末端可以直接耦接至彼此。

如之前在本文中参看图8A至图8C所描述，其中设置有导电元件214的可变形材料212可以绕着管状部件122形成。举例来说，可以将其中设置有导电元件214的可变形材料212顺着由图9C中所示的箭头216所绘示的方向绕着管状部件122缠绕。

导电元件214被定位和被配置成使得在可变形材料212膨大之后将向导电元件214施加应力。导电元件214可以响应于所施加的应力而经受应变，并且导电元件152没有相对于相邻的可变形材料212沿着其间的界面发生很大的相对位移。导电元件214所受的应变可能会导致绕着导电元件214发射的感应或电磁场的可测量的变化，如之前在本文中参看图2A至图2C所描述并且如图9B中所示，可以根据在感应测井工具140中测量出的功率损失或谐振频率来测量所述变化。如之前在本文中参看图4A至图4C所描述，还可以通过将导电元件152耦接至电气部件174、电源供应器164和电子装置156来测量导电元件214所受的应变。在其它实施方案中，设置于可变形材料212中的导电元件可以具有任何其它形状，所述形状被配置成使得在可变形材料212膨大之后将向导电元件214施加应变。

在额外实施方案中，本公开包括在井筒110中使用可变形井下物品(诸如封隔器装置136、封隔器装置170、封隔器装置200或封隔器装置210)的方法。举例来说，可以在可变形材料150、202、212处于未膨大或压缩状态(例如，图2A和图4A中所示的状态)时将封隔器装置136、170、200、210定位在井筒110内的所期望位置处。接着可以使可变形材料150、202、212在井筒110中的选定位置处膨大或膨胀到膨胀状态(例如，图2B和图4B中所示的状态)。可以通过施加刺激(例如，暴露于井筒110环境中)使可变形材料150、202、212膨大(例如，膨胀)。所述刺激可以是热刺激、化学刺激、电刺激等。可变形材料150、202、212的膨大或膨胀可以进一步导致导电元件152、172、214的膨胀，因为导电元件152、172、214被定位和被配置成使得通过可变形材料150、202、212向导电元件152、172、214施加应变。

如之前所提及，可变形材料150、202、212的膨胀可能会更改导电元件152、172、214的碳纳米管(CNT)材料的应变状态，如此可能会使导电元件152、172、214的电感和电阻率改变。结果，可以使用封隔器装置136、170、200、210的电子装置156或感应测井工具140来在可变形材料150、202、212的膨胀期间和/或之后如之前在本文中所描述般直接地或间接地测量导电元件152、172、214的电感或电阻率。结果，可以确定可变形材料150、202、212的膨胀率和/或膨胀程度以便确保可变形材料150、202、212已按照预期膨胀，并且封隔器装置136、170、200、210将按照预期安全地操作。

虽然本公开已描述了包括由碳纳米管(CNT)材料形成的导电元件的可变形井下物品的实施方案，但是本发明并未如此受限。举例来说，合并在可变形井下物品中的导电元件可以包含任何导电材料，包括但不限于导电金属。根据本公开的任一实施方案，此类导电金属可以任选地涂布有电介质材料并嵌入于可变形材料中。

在下文陈述了本公开的额外的非限制性示例性实施方案。

实施方案1：一种用于在井筒中使用的可变形井下物品，所述可变形井下物品包括：管状部件，所述管状部件被配置成放置于井筒中；可变形材料，所述可变形材料环绕所述管状部件的外表面设置；以及导电元件，所述导电元件包含键合至所述可变形材料的碳纳米管(CNT)材料。

实施方案2：如实施方案1所述的可变形井下物品，其中所述导电元件被定位和被配置成使得在所述可变形材料膨大之后向所述导电元件施加应力，并且所述导电元件响应于所述所施加的应力而经受应变。

实施方案3：如实施方案1或实施方案2所述的可变形井下物品，所述可变形井下物品还包括电子装置，所述电子装置可操作地耦接至所述导电元件并且被配置成测量所述导电元件的至少一种电气性质。

实施方案4：如实施方案1至3中任一实施方案所述的可变形井下物品，其中所述CNT材料从所述管状部件的至少一部分向外径向地延伸。

实施方案5：如实施方案1至3中任一实施方案所述的可变形井下物品，其中所述CNT材料包含交联碳纳米管，并且所述CNT材料延伸

实施方案6：如实施方案1至5中任一实施方案所述的可变形井下物品，其中所述导电元件共价键合至所述可变形材料。

实施方案7：如实施方案1至6中任一实施方案所述的可变形井下物品，其中所述CNT材料包含交联的碳纳米管(CNT)，并且其中所述CNT材料中的CNT共价键合至所述可变形材料。

实施方案8：如实施方案1至7中任一实施方案所述的可变形井下物品，其中所述导电元件设置在所述可变形材料内。

实施方案9：如实施方案1至8中任一实施方案所述的可变形井下物品，其中所述CNT材料中的CNT用金属纳米颗粒进行浸渍。

实施方案10：如实施方案9所述的可变形井下物品，其中所述金属纳米颗粒包括钯纳米颗粒。

实施方案11：如实施方案7所述的可变形井下物品，其中所述CNT材料中的CNT与苯醌交联。

实施方案12：如实施方案1至11中任一实施方案所述的可变形井下物品，其中所述可变形材料包括形状记忆聚合物。

实施方案13：如实施方案12所述的可变形井下物品，其中所述形状记忆聚合物包括聚氨酯。

实施方案14：一种形成用于在井筒中使用的可变形井下物品的方法，所述方法包括：环绕管状部件的外表面设置可变形材料，所述管状部件被配置成放置于井筒中；以及将包含碳纳米管(CNT)材料的导电元件键合至所述可变形材料。

实施方案15：如实施方案14所述的方法，其中环绕所述管状部件的所述外表面设置所述可变形材料包括环绕所述管状部件对所述可变形材料成型。

实施方案16：如实施方案15所述的方法，其中环绕所述管状部件对所述可变形材料成型包括反应注射成型工艺。

实施方案17：如实施方案14至16中任一实施方案所述的方法，其中将包含所述碳纳米管(CNT)材料的所述导电元件键合至所述可变形材料包括将所述导电元件共价键合至所述可变形材料。

实施方案18：一种在井筒中使用可变形井下物品的方法，所述方法包括：将可变形井下物品定位在井筒中，所述可变形井下物品包括管状部件、环绕所述管状部件的外表面设置的可变形材料以及包含碳纳米管(CNT)材料的导电元件，所述碳纳米管材料键合至所述可变形材料；在所述井筒中使所述可变形材料膨胀至膨胀状态，所述可变形材料的膨胀使所述导电元件的所述碳纳米管(CNT)材料经受应变；以及测量所述导电元件的电气性质。

实施方案19：如实施方案18所述的方法，其中测量所述导电元件的所述电气性质包括测量所述导电元件的电阻率或电感。

实施方案20：如实施方案18或实施方案19所述的方法，所述方法还包括将通过测量所述导电元件的所述电气性质而获得的测量结果与所述可变形材料的膨胀程度相关。

实施方案21：如实施方案18至20中任一实施方案所述的方法，其中所述导电元件共价键合至所述可变形材料。

虽然在本文中已相对于某些所示实施方案描述了本公开，但是本领域的普通技术人员将认识和了解到本公开并未如此受限。而是，在不脱离如下文声明的本公开的范围(包括其法律等效物)的情况下，可以对所示实施方案进行许多增添、删减和修改。另外，如发明人所设想到的，来自一个实施方案的特征可以与另一个实施方案的特征结合，同时仍包含在本公开的范围内。

Claims (20)

1.一种用于在井筒中使用的可变形井下物品，所述可变形井下物品包括：

管状部件，所述管状部件被配置成放置于井筒中；

可变形材料，所述可变形材料环绕所述管状部件的外表面设置；以及

导电元件，所述导电元件包含键合至所述可变形材料的碳纳米管(CNT)材料。

2.如权利要求1所述的可变形井下物品，其中所述导电元件被定位和被配置成使得在所述可变形材料膨大之后向所述导电元件施加应力，并且所述导电元件响应于所述所施加的应力而经受应变。

3.如权利要求1所述的可变形井下物品，所述可变形井下物品还包括电子装置，所述电子装置可操作地耦接至所述导电元件并且被配置成测量所述导电元件的至少一种电气性质。

4.如权利要求1所述的可变形井下物品，其中所述CNT材料从所述管状部件的至少一部分向外径向地延伸。

5.如权利要求1所述的可变形井下物品，其中所述CNT材料环绕所述管状部件的至少一部分沿周向延伸。

6.如权利要求1至5中任一项所述的可变形井下物品，其中所述导电元件共价键合至所述可变形材料。

7.如权利要求1至5中任一项所述的可变形井下物品，其中所述CNT材料包含交联的碳纳米管(CNT)，并且其中所述CNT材料中的CNT共价键合至所述可变形材料。

8.如权利要求1至5中任一项所述的可变形井下物品，其中所述CNT材料中的CNT用金属纳米颗粒进行浸渍。

9.如权利要求8所述的可变形井下物品，其中所述金属纳米颗粒包括钯纳米颗粒。

10.如权利要求7所述的可变形井下物品，其中所述CNT材料中的CNT与苯醌交联。

11.如权利要求1至5中任一项所述的可变形井下物品，其中所述可变形材料包括形状记忆聚合物。

12.如权利要求11所述的可变形井下物品，其中所述形状记忆聚合物包括聚氨酯。

13.一种形成用于在井筒中使用的可变形井下物品的方法，所述方法包括：

环绕管状部件的外表面设置可变形材料，所述管状部件被配置成放置于井筒中；以及

将包含碳纳米管(CNT)材料的导电元件键合至所述可变形材料。

14.如权利要求13所述的方法，其中环绕所述管状部件的所述外表面设置所述可变形材料包括环绕所述管状部件对所述可变形材料成型。

15.如权利要求14所述的方法，其中环绕所述管状部件对所述可变形材料成型包括反应注射成型工艺。

16.如权利要求13至15中任一项所述的方法，其中将包含所述碳纳米管(CNT)材料的所述导电元件键合至所述可变形材料包括将所述导电元件共价键合至所述可变形材料。

17.一种在井筒中使用可变形井下物品的方法，所述方法包括：

将可变形井下物品定位在井筒中，所述可变形井下物品包括管状部件、环绕所述管状部件的外表面设置的可变形材料以及包含碳纳米管(CNT)材料的导电元件，所述碳纳米管材料键合至所述可变形材料；

在所述井筒中使所述可变形材料膨胀至膨胀状态，所述可变形材料的膨胀使所述导电元件的所述碳纳米管(CNT)材料经受应变；以及

测量所述导电元件的电气性质。

18.如权利要求17所述的方法，其中测量所述导电元件的所述电气性质包括测量所述导电元件的电阻率或电感。

19.如权利要求17所述的方法，所述方法还包括将通过测量所述导电元件的所述电气性质而获得的测量结果与所述可变形材料的膨胀程度相关。

20.如权利要求17至19中任一项所述的方法，其中所述导电元件共价键合至所述可变形材料。