專利名稱：鐵基形狀記憶合金修補(bǔ)油井套管的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種管道修補(bǔ)裝置，尤其是一種應(yīng)用鐵基形狀記憶合金修補(bǔ)油井套管的裝置和方法。
背景技術(shù)：
目前油田采油油井套管損壞嚴(yán)重有多方面原因地應(yīng)力作用、地下水浸泡和原油硫化氫腐蝕、偶然機(jī)械損傷和熱采作業(yè)交變溫度影響等。油井套管損壞可歸納為三類形式錯口、孔洞和裂紋。套管局部損壞泄漏，導(dǎo)致地下水流入井內(nèi)，油井灌滿水被迫終止采油封井閑置。中國國內(nèi)油井大多較深，一般超過1000公尺，一口新井井上加井下建設(shè)費(fèi)要500萬元，西部油井深達(dá)5000公尺，費(fèi)用要幾千萬甚至上億。目前中國東部油田屬于中后期采油，油井損壞嚴(yán)重，據(jù)初步統(tǒng)計(jì)屬于此類的閑置井有兩萬多口，每年還有1/10工作井轉(zhuǎn)入此類封井行列，按以上估計(jì)最低積壓資金也在1000億元人民幣以上，若其中修復(fù)1/10油井，年增油產(chǎn)值即達(dá)70億元，此項(xiàng)技術(shù)的經(jīng)濟(jì)價值大小可見一斑。
目前油田的主要補(bǔ)井技術(shù)有兩種一是采用錐頭擠壓波紋管修補(bǔ)套管，波紋管展平擴(kuò)徑管壁直接復(fù)蓋封閉套管缺陷，由于這種純機(jī)械的擴(kuò)徑伴隨有管徑回彈，所以在修復(fù)后短周期便發(fā)生松動和泄漏；另一種是針對形狀長的缺陷或補(bǔ)漏位置不易精確確定的情況，設(shè)置長的中間過渡管，采用復(fù)蓋缺陷封閉兩端、形成密封空間的方式修補(bǔ)套管，但是這種剛性緊固的界面受到交變應(yīng)力的反復(fù)作用時，會逐步松動和脫落，最后甚至補(bǔ)井器成為“落魚”掉入井下。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種鐵基形狀記憶合金修補(bǔ)油井套管的裝置和方法，可以克服已有技術(shù)的不足，本發(fā)明還提出形狀記憶大恢復(fù)量的鐵基形狀記憶合金漲圈和送進(jìn)記憶新工藝以及提高界面強(qiáng)韌化的新方法，通過加壓覆蓋和強(qiáng)化密封能有效地修補(bǔ)套管。本發(fā)明修補(bǔ)石油套管的裝置、材料和工藝簡單易行、穩(wěn)定可靠、非常實(shí)用，也可以在其它方面推廣使用。
本發(fā)明包括上記憶漲圈、擴(kuò)孔錐、內(nèi)襯管、外襯管、下記憶漲圈、施壓環(huán)、液壓缸、加熱器構(gòu)成；外襯管和內(nèi)襯管組成復(fù)合管，復(fù)合管上下端有魚眼狀凹槽，上記憶漲圈安裝于上端魚眼狀凹槽，下記憶漲圈置于下端魚眼狀凹槽，液壓缸置于施壓環(huán)之上，施壓環(huán)置于上記憶漲圈上，液壓缸有拉桿可連接牽引擴(kuò)孔錐。所述的復(fù)合管是圓形或星形。所說的加熱器是噴射蒸汽裝置、電熱設(shè)備或燃燒器。
所說的記憶漲圈是鐵基形狀記憶合金，其化學(xué)成分的質(zhì)量百分比如下Si 3.0～6.0 Mn 4.0～30 Cr 0～18 Ni 0～18 N 0.01～0.04 Zr 0.05～1.47Ti 0.05～0.8，C≥0.13Zr+0.26Ti-0.02和C≤0.13Zr+0.26Ti+0.02；Mn≥2.2Cr+3.3Si+1.1(Ti+Zr)-2.0Ni-60(C+N)，除雜質(zhì)外其余為鐵；其中合金中存在碳化物ZrC或TiC。
所說的鐵基形狀記憶合金中存在共格碳化物ZrC或TiC的熱處理工藝方法為高溫固熔退火1050～1200℃ 2～8小時；中溫時效退火600～900℃ 4～12小時。
利用所說的裝置修補(bǔ)油井套管的方法包括下述步驟1)清除套管損壞處的油垢，外襯管和內(nèi)襯管組成的復(fù)合管，將上記憶漲圈、下記憶漲圈裝配嵌入復(fù)合管兩端的魚眼狀槽內(nèi)；2)將復(fù)合管復(fù)蓋石油套管損壞處，通過液壓缸驅(qū)動，施壓環(huán)和擴(kuò)孔錐相向運(yùn)動，軸向壓迫上記憶漲圈和下記憶漲圈，楔緊復(fù)合管兩端。
3)通過機(jī)械送進(jìn)記憶工藝和加熱相變記憶工藝，使復(fù)合管整體外脹擴(kuò)徑，連續(xù)壓緊密封修補(bǔ)套管；所說的機(jī)械送進(jìn)記憶是加熱升溫250～300℃，再加載送進(jìn)擴(kuò)徑2～9％；所說的加熱相變記憶是再升溫至300～350℃，上記憶漲圈、下記憶漲圈記憶再加熱。
上述的方法所說的記憶漲圈是鐵基形狀記憶合金，其化學(xué)成分的質(zhì)量百分比如下Si 3.0～6.0 Mn 4.0～30 Cr 0～18 Ni 0～18 N 0.01～0.04 Zr 0.05～1.47Ti 0.05～0.8；C≥0.13Zr+0.26Ti-0.02和C≤0.13Zr+0.26Ti+0.02；Mn≥2.2Cr+3.3Si+1.1(Ti+Zr)-2.0 Ni-60(C+N)，除雜質(zhì)外其余為鐵；其中合金中存在碳化物ZrC或TiC。
合金材料中的碳化鈦電子衍射譜見圖2(b)，該衍射譜中大斑點(diǎn)屬于奧氏體基體斑點(diǎn)，小斑點(diǎn)是碳化鈦斑點(diǎn)?？梢钥闯龆呔w取向完全一致，即存在(110)r//(110)TiC(001)r//(001)TiC[110]r//[110]TiC照片中的“白圈”表示暗場像所用的(002)TiC斑點(diǎn)，見圖2(a)。彌散TiC粒徑平均100，根據(jù)這種同位向分布的特點(diǎn)說明是共格或半共格析出。本發(fā)明提出的合金，其記憶恢復(fù)率比一般鐵基形狀記憶合金高約30～50％，經(jīng)過一次訓(xùn)練線性記憶恢復(fù)率可以達(dá)到4.2％。只所以獲得高記憶恢復(fù)率，可以解釋為由于奧氏體基體中時效析出的碳化物ZrC或TiC與基體形成共格界面，這種正錯配撐大了母相滑移面的面間距，使偏位錯和ε-馬氏體定向形核，為提高形狀記憶性能創(chuàng)造了有利條件。
兩類碳化物晶格常數(shù)為fcc a＝4.2，基體晶格常數(shù)為fcc a0＝3.59，二者錯配度為δ＝2(a-a0)/(a+a0)，則錯配度較大為16％。這樣析出相的粒子稍微長大，將很快破壞共格，因此要恰當(dāng)控制時效程度，避免過時效碳化物粒子過分長大。在共格錯配條件下對于層錯面(111)的面間距增加了0.335，其兩層共增0.67，這已高于偏位錯啟動能壘△E的對應(yīng)高度0.52，于是很容易啟動1/6[112]偏位錯，形成的層錯又進(jìn)一步成為ε-馬氏體的核胚。顯然，對于同一界面按最有利的能量條件，將啟動同一晶面指數(shù)的偏位錯，因此就形成了平行排列的層錯和ε-馬氏體核。這種平行排列的幾何特征提高了形狀記憶過程的參照度，相當(dāng)于是向?qū)螤钣洃浀穆窐?biāo)，因此大大提高了形狀記憶恢復(fù)率。對于油田補(bǔ)井所使用的記憶合金圈，因?yàn)橐ＷC順利下井，則漲圈尺寸比套管內(nèi)徑要小很多，而且只有當(dāng)回復(fù)擴(kuò)徑具有過盈時，才能產(chǎn)生密封壓力，因此要求形狀記憶的恢復(fù)率在6～8％之間。一般鐵基形狀記憶合金恢復(fù)率僅有1.5～1.8％，即使對于本發(fā)明的高記憶率形狀記憶合金，也只能達(dá)到2.3～2.5％。為了彌補(bǔ)這一差距獲得大幅度膨脹，本發(fā)明提出了一種機(jī)械送進(jìn)記憶和加熱相變記憶綜合的工藝，以保證形狀記憶合金圈具有6％以上的高形狀記憶恢復(fù)率。工藝過程如圖3所示，分為三個階段(1)預(yù)備訓(xùn)練變形加載形狀記憶合金材料，超過彈性限E后，進(jìn)行大幅度縮徑，發(fā)生EM應(yīng)力誘發(fā)相變后，卸載彈性恢復(fù)達(dá)到N點(diǎn)。
(2)機(jī)械送進(jìn)記憶加熱升溫沿N-As-P-B路線，相變發(fā)生部分逆轉(zhuǎn)變，升溫至As以上P點(diǎn)，再加載送進(jìn)擴(kuò)張變形至Q點(diǎn)，卸載至R點(diǎn)。
(3)相變記憶再由R點(diǎn)升溫，繼續(xù)發(fā)生相變逆轉(zhuǎn)變，形狀擴(kuò)張達(dá)到C點(diǎn)。
送進(jìn)記憶工藝的特點(diǎn)主要是借助于機(jī)械送進(jìn)記憶和加熱相變記憶的組合方式，獲得了大幅度形狀記憶恢復(fù)率。
本發(fā)明提出了大幅度提高形狀記憶恢復(fù)量的碳化物析出工藝和送進(jìn)記憶工藝。這種修補(bǔ)石油套管的裝置和方法，具有施工工藝簡單易行、效果穩(wěn)定可靠、縮短工期的特點(diǎn)，可以在多方面廣泛應(yīng)用，可用于多種管道補(bǔ)漏。


圖1是本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是碳化鈦電子衍射譜及透射電子顯微鏡暗場像。
圖3是送進(jìn)記憶工藝過程。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明形狀記憶合金修補(bǔ)油井套管裝置結(jié)構(gòu)見圖1，包括下記憶漲圈1、擴(kuò)孔錐2、內(nèi)襯管3、外襯管4、上記憶漲圈5、施壓環(huán)6、液壓缸7、加熱器8，形狀記憶修補(bǔ)油井裝置用外襯管4和內(nèi)襯管3組成復(fù)合管，復(fù)蓋套管缺陷內(nèi)表面，通過液壓缸7驅(qū)動，使施壓環(huán)6和擴(kuò)孔錐2相向運(yùn)動，用以軸向壓迫上記憶漲圈1和下記憶漲圈5，由于二者外表面具有錐度，故利用軸向送進(jìn)可以楔緊復(fù)合管的兩端，形成間隔密封空間；另外采用機(jī)械送進(jìn)記憶工藝和加熱相變記憶工藝，整體形成大幅度地膨脹擴(kuò)徑，持續(xù)對套管壁加壓，進(jìn)一步形成軸向連續(xù)密封體，達(dá)到修補(bǔ)套管的目的；上述所說的內(nèi)襯管是高強(qiáng)金屬管，所說的外襯管是外表涂填料的高塑金屬管；上述復(fù)合管其原來截面形狀是圓形或星形的，其兩端帶有魚眼狀喇叭口，上記憶漲圈和下記憶漲圈分別置于魚眼狀喇叭口中；所說的液壓缸是下井液壓管傳遞壓力的施壓裝置，用它完成楔緊上記憶漲圈和下記憶漲圈后，再借助于所連接的抽油管向上提拉擴(kuò)孔錐，進(jìn)一步向上擠壓截面星形變圓或擴(kuò)大復(fù)合管孔徑；所說的加熱器可以是噴射蒸汽裝置、可以是電熱設(shè)備、可以是燃燒器，目的是提高溫度使形狀記憶合金發(fā)生相變，上記憶漲圈和下記憶漲圈產(chǎn)生形狀記憶效應(yīng)，能大幅度地外脹加壓。
現(xiàn)以實(shí)施例具體說明本發(fā)明的應(yīng)用。探明內(nèi)徑φ121mm油井套管，于井下800m處有一長×寬為160×10mm縱向裂紋，通過刮削、洗井，清除了套管損壞處的油垢，露出金屬光澤。將外部為錐狀、內(nèi)壁為柱狀的上記憶漲圈、下記憶漲圈裝配嵌入復(fù)合管兩端的喇叭口內(nèi)，三者組成補(bǔ)井裝配體。其中8m長外襯管和內(nèi)襯管復(fù)合成八角星形截面的波紋管，外襯管3.5mm紫銅管，內(nèi)襯管厚度為4mm退火30CrMo鋼管，其外徑114mm、內(nèi)徑86mm、上下端為圓形喇叭口，槽徑110mm、槽長150mm。槽壁厚2mm。上記憶漲圈與下記憶漲圈形狀相同、尺寸一致，外徑114mm、內(nèi)徑103mm、圈高150mm、外表錐度為1/20。補(bǔ)井所用上記憶漲圈和下記憶漲圈為鐵基形狀記憶合金材料，經(jīng)電弧爐冶煉、鍛造熱擠成管。其化學(xué)成分(wt％)如下表所示(滿足要求的范圍)

上記憶漲圈、下記憶漲圈熱處理工藝為1150℃、6小時退火，800℃、8小時時效。
液壓擴(kuò)孔錐最高壓力40噸，定徑帶φ106mm、帶寬20mm，輔帶φ105mm、輔帶寬30mm，錐桿與錐頭采用螺紋結(jié)合與端部楔緊的結(jié)構(gòu)。卸下液壓擴(kuò)孔錐頭，將錐桿穿入補(bǔ)井裝配體中，露出螺紋端頭和銷孔，旋入錐頭后在端部打入橫銷。用抽油管將液壓缸和擴(kuò)孔錐以及內(nèi)襯管、外襯管、上記憶漲圈、下記憶漲圈等補(bǔ)井裝配體平穩(wěn)送入井下預(yù)定缺陷位置。
井上送壓啟動油缸，先楔入上記憶漲圈和下記憶漲圈，上下各楔入70mm。
通過蒸汽加熱，送進(jìn)記憶工藝為250℃、加熱2小時。提升φ106mm液壓擴(kuò)孔錐，終加熱至350℃、30分鐘，使記憶合金圈繼續(xù)膨脹并壓緊管壁，擴(kuò)孔5％。最終封閉打壓20MPa，2小時無滲漏，經(jīng)過三年使用一直穩(wěn)定。本發(fā)明綜合了端部密封與整體壓合的各自優(yōu)點(diǎn)，壓封界面形成高強(qiáng)高韌結(jié)合，能強(qiáng)力抵抗突發(fā)載荷的震擊；另外對于軸向交變載荷，高塑性外襯管和填料層具有良好吸收能量作用，疲勞沖擊在傳遞中逐步被耗散，緩解局部應(yīng)力集中，從而保護(hù)了端部的持久密封。本發(fā)明具有施工簡單、縮短工期、工藝可靠的特點(diǎn)，也可廣泛用于其它多種管道補(bǔ)漏。
權(quán)利要求
1.一種鐵基形狀記憶合金修補(bǔ)油井套管的裝置，其特征在于其結(jié)構(gòu)包括上記憶漲圈、擴(kuò)孔錐、內(nèi)襯管、外襯管、下記憶漲圈、施壓環(huán)、液壓缸、加熱器構(gòu)成；外襯管和內(nèi)襯管組成復(fù)合管，復(fù)合管上下端有魚眼狀凹槽，上記憶漲圈安裝于上端魚眼狀凹槽，下記憶漲圈置于下端魚眼狀凹槽，液壓缸置于施壓環(huán)之上，施壓環(huán)置于上記憶漲圈上，液壓缸有拉桿可連接牽引擴(kuò)孔錐。
2.按照權(quán)利要求1所說的修補(bǔ)油田井套管裝置，其特征在于所說的復(fù)合管截面是圓形或星形。
3.按照權(quán)利要求1所說的修補(bǔ)油田井套管裝置，其特征在于所說的加熱器是噴射蒸汽裝置、電熱設(shè)備或燃燒器。
4.按照權(quán)利要求1所說的修補(bǔ)油田井套管裝置，其特征在于所說的記憶漲圈是鐵基形狀記憶合金，其化學(xué)成分的重量百分比如下Si 3.0～6.0 Mn 4.0～30 Cr 0～18 Ni 0～18 N 0.01～0.04 Zr 0.05～1.47Ti 0.05～0.8；C≥0.13Zr+0.26Ti-0.02和C≤0.13Zr+0.26Ti+0.02；Mn≥2.2Cr+3.3Si+1.1(Ti+Zr)-2.0Ni-60(C+N)；除雜質(zhì)外其余為鐵；其中合金中存在碳化物ZrC或TiC。
5.按照權(quán)利要求4所說的修補(bǔ)油井套管裝置，其特征在于所說的鐵基形狀記憶合金中存在共格碳化物ZrC或TiC的熱處理工藝方法為高溫固溶退火1050～1200℃ 2～8小時；中溫時效退火600～900℃ 4～12小時。
6.一種利用權(quán)利要求1所說的裝置修補(bǔ)油井套管的方法，其特征在于它包括下述步驟1)清除套管損壞處的油垢，外襯管和內(nèi)襯管組成的復(fù)合管，將上記憶漲圈、下記憶漲圈裝配嵌入復(fù)合管兩端的魚眼狀槽內(nèi)；2)將復(fù)合管復(fù)蓋石油套管損壞處，通過液壓缸驅(qū)動，施壓環(huán)和擴(kuò)孔錐相向運(yùn)動，軸向壓迫上記憶漲圈和下記憶漲圈，楔緊復(fù)合管兩端；3)通過機(jī)械送進(jìn)記憶工藝和加熱相變記憶工藝，使復(fù)合管整體外脹擴(kuò)徑，連續(xù)壓緊密封修補(bǔ)套管；所說的機(jī)械送進(jìn)記憶是加熱升溫250～300℃，再加載送進(jìn)擴(kuò)徑2～9％；所說的加熱相變記憶是再升溫至300～350℃，上記憶漲圈、下記憶漲圈記憶再加熱。
7.按照權(quán)利要求6所說的的方法，其特征在于所說的記憶漲圈是鐵基形狀記憶合金，其化學(xué)成分的重量百分比如下Si 3.0～6.0 Mn 4.0～30 Cr 0～18 Ni 0～18 N 0.01～0.04 Zr 0.05～1.47Ti 0.05～0.8；C≥0.13Zr+0.26Ti-0.02和C≤0.13Zr+0.26Ti+0.02；Mn≥2.2Cr+3.3Si+1.1(Ti+Zr)-2.0Ni-60(C+N)；除雜質(zhì)外其余為鐵；其中合金中存在碳化物ZrC或TiC。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用鐵基形狀記憶合金修補(bǔ)油井套管裝置和方法，它的組成包括上記憶漲圈、下記憶漲圈、外襯管、內(nèi)襯管、液壓缸、擴(kuò)孔錐、施壓環(huán)和加熱器。其中上記憶漲圈和下記憶漲圈的鐵基形狀記憶合金的成分為，3～6％Si、4～30％Mn、0～18％Cr、0～18％Ni、0.05～1.47％Zr、0.05～1.47％Ti、0.01～0.04％N、0.05～0.8％Ti，特別要求有碳化物ZrC、TiC存在，因此規(guī)定碳含量必須與合金中的Zr或Ti相匹配。本發(fā)明提出大幅度提高形狀記憶恢復(fù)量的碳化物析出工藝和送進(jìn)記憶工藝。這種修補(bǔ)石油套管的裝置和方法，工藝簡單易行、效果穩(wěn)定可靠、結(jié)構(gòu)非常實(shí)用，可以在多方面廣泛應(yīng)用。
文檔編號E21B17/00GK1563662SQ20041001900
公開日2005年1月12日 申請日期2004年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月13日
發(fā)明者劉文西, 陳士儀, 劉潔 申請人:劉文西