帶有動態(tài)的金屬對金屬的形狀記憶材料密封件的井工具的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明總的涉及結(jié)合地下井實施的操作和所用的設(shè)備，在下面描述的一個實例中，更具體地，本發(fā)明提供帶有動態(tài)的金屬對金屬的形狀記憶材料密封件的井工具。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)用彈性體密封件來對井工具的運動零件進行密封時，會產(chǎn)生熱量。如此的熱量可使密封件變壞，使得密封件不再充分地提供其密封功能。所產(chǎn)生的熱量還可損壞某種井工具的其他部件。因此，將會容易地認識到，在構(gòu)造井工具和在井工具中提供密封件的行業(yè)中，一直需要有各種改進。
【附圖說明】
[0003]圖1是井工具和可實施本發(fā)明原理的相關(guān)方法的代表性正視圖。
[0004]圖2是井工具的一部分的代表性剖視圖。
[0005]圖3A-D是井工具內(nèi)密封方法中所用形狀記憶材料密封件的代表性剖視圖。
[0006]圖4A-D是井工具內(nèi)密封方法中所用形狀記憶材料密封件的另一實例的代表性剖視圖。
【具體實施方式】
[0007]附圖中代表性地示出了可實施本發(fā)明原理的井工具10和相關(guān)方法。然而，應(yīng)該清楚地理解到，井工具和方法只是本發(fā)明原理在實踐中的一種應(yīng)用，各種各樣其他的實例都是可能的。因此，本發(fā)明范圍決不局限于這里所描述的和/或附圖中圖示的井工具和方法。
[0008]在下面描述的實例中，金屬對金屬的密封件至少部分地由形狀記憶材料制成。形狀記憶材料的超彈性特性可用來最大程度地減小或消除密封插入力，以讓密封表面上有較寬的機械公差，增強密封能力，并使動態(tài)密封件中的磨損減到最小。
[0009]金屬環(huán)密封件可用形狀記憶材料制造。該形狀記憶材料密封件可變形而提供容易的組裝，僅需很小的插入力或沒有插入力。熱量致使密封件膨脹而激活密封表面之間的密封。
[0010]在一個實例中，形狀記憶材料密封件會變形，于是它可容易地插入到井工具中。當(dāng)加熱時，形狀記憶材料返回到其記憶形狀。記憶形狀較佳地是環(huán)形的金屬密封環(huán)，但其他的形狀也可采用。
[0011]環(huán)形的形狀記憶密封件的圓形截面過盈配合在井工具的密封表面之間。該過盈配合導(dǎo)致形狀記憶材料的密封件與井工具密封表面呈金屬對金屬的密封接觸。
[0012]即使在使用井工具過程中，隨著溫度向下鉆進而改變，形狀記憶材料密封件將保持密封表面之間的該過盈配合。形狀記憶材料密封件可具有足夠的壁厚，該壁厚足以承受向下鉆進時作用在密封件上的流體壓力，或密封件可部分地或全部地填充流體，以阻止密封件坍癟等。在其他的實施例中，密封件內(nèi)部可與一側(cè)上的外部達到壓力平衡(例如，通過密封件側(cè)面內(nèi)的孔或其他的開口等)。在一個實例中，密封件可具有C形橫截面。
[0013]形狀記憶材料密封件可用作為靜態(tài)的或動態(tài)的密封件?？梢钥紤]，某些形狀記憶材料密封件可具有優(yōu)秀的抗腐蝕特性。在動態(tài)的密封件中，與彈性體密封件相比，腐蝕形狀記憶材料密封件的可能性很小。對于滾軸錐形鉆頭中的密封來說，減小因與形狀記憶材料密封件金屬對金屬密封產(chǎn)生的熱量可以是有利的。
[0014]形狀記憶材料在某些實例中是這樣進行選擇的:它在室溫下是處于馬氏體相，而在向下鉆進溫度下它是處于奧氏體相。在室溫的馬氏體相中，形狀記憶材料具有低的彈性模量并可塑性變形。當(dāng)它被加熱到奧氏體相時，形狀記憶材料的彈性模量是三倍之大，且材料將返回到其熱處理的記憶形狀。
[0015]形狀記憶材料可包括以下中的任何一種:N1-T1、N1-T1-Nb, N1-T1-Hf, N1-T1-Pd、N1-T1-Zr, Cu-Zr, N1-Al、Fe-Mn-Si, Cu-Al-Ni, Cu-Zn-Al,以及 Fe-N1-Co-Ti。如果需要的話，其他的形狀記憶材料也可采用。在某些實例中，添加到形狀記憶合金或替代形狀記憶合金，形狀記憶材料還可包括形狀記憶聚合物(例如，聚亞安酯、其他的嵌段共聚物、線性的無定形聚降冰片烯、由聚降冰片烯單元組成的有機-無機混合聚合物，它們部分地由低聚倍半硅氧烷替代，等)。
[0016]在一個實例中，可使用帶有大的溫度滯后特性的形狀記憶材料。形狀記憶材料可在室溫下形成為馬氏體相。一旦加熱，該材料將轉(zhuǎn)變到高強度的奧氏體相。由于大的溫度滯后特性，一旦冷卻回到室溫，材料將保持在奧氏體相中。
[0017]在其他的實例中，形狀記憶材料可在向下鉆進溫度和地面溫度下處于其馬氏體相中。在這些實例中，即使材料冷卻回到其馬氏體相，材料也可保持在其熱處理的記憶形狀中。在向下鉆進時讓形狀記憶材料處于其馬氏體相的一個優(yōu)點在于，如此的材料在其馬氏體相時通常更加耐腐蝕。
[0018]如果形狀記憶材料密封件不是要被再次使用，或如果井工具不是需要拆卸，則具有大的溫度滯后特性的材料可以是首選的。如果形狀記憶材料密封件是要被再次使用，或如果希望井工具快速拆卸，則具有小的溫度滯后特性的材料可以是首選的。具有相對大溫度滯后特性的形狀記憶材料的實例包括N1-T1-Nb和N1-T1-Fe。
[0019]在圖1中代表性地示出了可實施本發(fā)明原理的鉆頭10。該鉆頭10屬于本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員熟知的類型，由于該種鉆頭使用其上具有貼合地殼的切割元件14的多個大體錐形滾軸或錐體12，所以，該類型鉆頭被技術(shù)人員公知為滾軸錐體鉆頭或三錐體鉆頭。
[0020]每個錐體12可轉(zhuǎn)動地固定到相應(yīng)的從鉆頭10的主體18向下延伸(如圖1所示)的臂16上。在該實例中，各有三個錐體12和臂16。
[0021]然而，應(yīng)該清楚地理解到，本發(fā)明的原理可融入到具有其他數(shù)量錐體和臂的鉆頭，以及其他類型鉆頭和鉆頭構(gòu)造中。圖1中所示的鉆頭10只是各種鉆頭和可利用這里所述原理的其他井工具的一個實例。
[0022]現(xiàn)另外參照圖2，圖中代表性地示出了其中一個臂16的剖視圖。在該視圖中，可以看到錐體12圍繞臂16的軸頸20轉(zhuǎn)動。錐體12和軸頸20之間使用固定球22，以將錐體固定在該臂上。
[0023]潤滑劑通過通道26從腔室24供應(yīng)到錐體12和軸頸20之間的接口。當(dāng)鉆頭10用來鉆探井筒時，壓力平衡裝置28確保潤滑劑的壓力基本上與向下鉆進環(huán)境的壓力相同。
[0024]密封件30用來阻止碎片和井流體進入到錐體12和軸頸20之間接口，并防止?jié)櫥瑒慕涌趨^(qū)域跑逸掉。當(dāng)錐體12圍繞軸頸20轉(zhuǎn)動時，密封件30較佳地隨錐體一起轉(zhuǎn)動，并如下文中更完整地描述的，錐體12抵靠住軸頸外表面密封。然而，在其他的實例中，密封件可靜止地保持在軸頸20上，讓錐體12相對于軸頸和密封件轉(zhuǎn)動。
[0025]該實例中的密封件30包括形狀記憶材料，并在各個軸頸20和錐體12上的密封表面之間形成金屬對金屬的密封。如此的金屬對金屬的密封提高了密封件30的能力，用以排除碎片、減小磨損、防止?jié)櫥瑒┡芤莸?，以及減小動態(tài)密封中產(chǎn)生的熱量。如果使用形狀記憶材料的話，則該形狀記憶材料可用來將密封件30的金屬部件偏置到密封的接觸中。
[0026]現(xiàn)另外參照圖3A，圖中代表性地示出了密封件30的一個實例的放大比例的剖視圖。在該實例中，密封件30具有記憶形狀，該記憶形狀是具有圓形橫截面的環(huán)形。密封件30經(jīng)過熱處理，使密封件的形狀記憶材料在室溫下處于馬氏體相中。
[0027]密封件30然后變形，如圖3B中所示。較佳的是，密封件30是以這樣的方式變形，使它更適合于快速地安裝在井工具內(nèi)，諸如是鉆頭10內(nèi)。在該實例中，密封件30的徑向?qū)挾葴p小，以使密封件快速地配裝在軸頸20和錐體12之間。
[0028]如圖3C所示，密封件30然后安裝在鉆頭10內(nèi)。應(yīng)注意，由于密封件30變形，較佳地，在密封件30和錐體12與軸頸20上所形成的密封表面38、44之間不存在過盈。這可減小或消除金屬密封件30因安裝造成可能的損壞。
[0029]密封件30然后加熱，這樣，它轉(zhuǎn)變到其奧氏體相并膨脹到(或朝向)其記憶形狀。在圖3D中，密封件30顯示為膨脹到與各個密封表面38、44的金屬對金屬的密封接觸。形狀記憶聚合物材料可將密封件30的金屬部件(諸如外面的耐腐蝕層)膨脹到金屬對金屬的密封接觸。
[0030]在鉆頭10的制造過程中，可實施密封件30的加熱，或由于鉆頭經(jīng)受向下鉆進溫度而出現(xiàn)加熱。本發(fā)明的范圍不局限于加熱密封件30的任何特殊方式。
[0031]應(yīng)注意到，密封件30可完全地或部分地填充液體和/或氣體，以便完全地或部分地平衡作用在向下鉆進密封上的流體壓力。替代地，一個或多個開口可設(shè)置在密封件30的壁內(nèi)，以平衡密封件內(nèi)部的壓力和密封件一側(cè)上的壓力。
[0032]現(xiàn)另外參照圖4A-D，圖中代表性地示出了密封件30的另一種構(gòu)造。在該構(gòu)造中，密封件30具有大致C形的橫截面。
[0033]如同圖3A-D的密封件30那樣，形成和熱處理圖4A_D的密封件，使它在室溫下具有處于馬氏體相中的某種記憶形狀。密封件30然后變形，安裝在井工具內(nèi)并加熱。一旦加熱，密封件30力圖返回到其記憶形狀，由此，形成抵靠在密封表面38、44上的靜態(tài)和/或動態(tài)的金屬對金屬的密封。
[0034]替代地，或添加地，密封件30可用作為對另一密封件的備用或冗余密封，諸如彈性體密封件(例如，O形環(huán)等)。在該膨脹的向下鉆進狀態(tài)中，密封件30將關(guān)閉表面38、44(或其他表面)之間的擠壓間隙，由此，減緩由于彈性體密封件的壓差造成的擠壓。
[0035]現(xiàn)可完整地認識到，以上披露的發(fā)明對構(gòu)造用于井工具中的密封件提供了很大的進步。密封件30包括鉆頭10中金屬對金屬的動態(tài)密封，該密封可快速地安裝在鉆頭中，而不干預(yù)密封或損壞密封。
[0036]以上披露的發(fā)明對本行業(yè)提供了井工具(例如，鉆頭10)。在一個實例中，井工具可包括第一和第二密封表面38、44以及形狀記憶材料密封件30，該密封件30動態(tài)地密封在第一