铁基形状记忆合金修补油井套管的装置和方法 【技术领域】
本发明涉及一种管道修补装置，尤其是一种应用铁基形状记忆合金修补油井套管的装置和方法。
背景技术
目前油田采油油井套管损坏严重有多方面原因：地应力作用、地下水浸泡和原油硫化氢腐蚀、偶然机械损伤和热采作业交变温度影响等。油井套管损坏可归纳为三类形式：错口、孔洞和裂纹。套管局部损坏泄漏，导致地下水流入井内，油井灌满水被迫终止采油封井闲置。中国国内油井大多较深，一般超过1000公尺，一口新井井上加井下建设费要500万元，西部油井深达5000公尺，费用要几千万甚至上亿。目前中国东部油田属于中后期采油，油井损坏严重，据初步统计属于此类的闲置井有两万多口，每年还有1/10工作井转入此类封井行列，按以上估计最低积压资金也在1000亿元人民币以上，若其中修复1/10油井，年增油产值即达70亿元，此项技术的经济价值大小可见一斑。
目前油田的主要补井技术有两种：一是采用锥头挤压波纹管修补套管，波纹管展平扩径管壁直接复盖封闭套管缺陷，由于这种纯机械的扩径伴随有管径回弹，所以在修复后短周期便发生松动和泄漏；另一种是针对形状长的缺陷或补漏位置不易精确确定的情况，设置长的中间过渡管，采用复盖缺陷封闭两端、形成密封空间的方式修补套管，但是这种刚性紧固的界面受到交变应力的反复作用时，会逐步松动和脱落，最后甚至补井器成为“落鱼”掉入井下。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种铁基形状记忆合金修补油井套管的装置和方法，可以克服已有技术的不足，本发明还提出形状记忆大恢复量地铁基形状记忆合金涨圈和送进记忆新工艺以及提高界面强韧化的新方法，通过加压覆盖和强化密封能有效地修补套管。本发明修补石油套管的装置、材料和工艺简单易行、稳定可靠、非常实用，也可以在其它方面推广使用。
本发明包括上记忆涨圈、扩孔锥、内衬管、外衬管、下记忆涨圈、施压环、液压缸、加热器构成；外衬管和内衬管组成复合管，复合管上下端有鱼眼状凹槽，上记忆涨圈安装于上端鱼眼状凹槽，下记忆涨圈置于下端鱼眼状凹槽，液压缸置于施压环之上，施压环置于上记忆涨圈上，液压缸有拉杆可连接牵引扩孔锥。所述的复合管是圆形或星形。所说的加热器是喷射蒸汽装置、电热设备或燃烧器。
所说的记忆涨圈是铁基形状记忆合金，其化学成分的质量百分比如下：
Si 3.0～6.0 Mn 4.0～30 Cr 0～18 Ni 0～18 N 0.01～0.04 Zr 0.05～1.47
Ti 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)，
除杂质外其余为铁；其中合金中存在碳化物ZrC或TiC。
所说的铁基形状记忆合金中存在共格碳化物ZrC或TiC的热处理工艺方法为：
高温固熔退火 1050～1200℃ 2～8小时；
中温时效退火 600～900℃ 4～12小时。
利用所说的装置修补油井套管的方法包括下述步骤：
1)清除套管损坏处的油垢，外衬管和内衬管组成的复合管，将上记忆涨圈、下记忆涨圈装配嵌入复合管两端的鱼眼状槽内；
2)将复合管复盖石油套管损坏处，通过液压缸驱动，施压环和扩孔锥相向运动，轴向压迫上记忆涨圈和下记忆涨圈，楔紧复合管两端。
3)通过机械送进记忆工艺和加热相变记忆工艺，使复合管整体外胀扩径，连续压紧密封修补套管；所说的机械送进记忆是：加热升温250～300℃，再加载送进扩径2～9％；所说的加热相变记忆是：再升温至300～350℃，上记忆涨圈、下记忆涨圈记忆再加热。
上述的方法所说的记忆涨圈是铁基形状记忆合金，其化学成分的质量百分比如下：
Si 3.0～6.0 Mn 4.0～30 Cr 0～18 Ni 0～18 N 0.01～0.04 Zr 0.05～1.47
Ti 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)，
除杂质外其余为铁；其中合金中存在碳化物ZrC或TiC。
合金材料中的碳化钛电子衍射谱见图2(b)，该衍射谱中大斑点属于奥氏体基体斑点，小斑点是碳化钛斑点。可以看出二者晶体取向完全一致，即存在
(110)r//(110)TiC (001)r//(001)TiC [110]r//[110]TiC
照片中的“白圈”表示暗场像所用的(002)TiC斑点，见图2(a)。弥散TiC粒径平均100，根据这种同位向分布的特点说明是共格或半共格析出。本发明提出的合金，其记忆恢复率比一般铁基形状记忆合金高约30～50％，经过一次训练线性记忆恢复率可以达到4.2％。只所以获得高记忆恢复率，可以解释为由于奥氏体基体中时效析出的碳化物ZrC或TiC与基体形成共格界面，这种正错配撑大了母相滑移面的面间距，使偏位错和ε-马氏体定向形核，为提高形状记忆性能创造了有利条件。
两类碳化物晶格常数为fcc a＝4.2，基体晶格常数为fcc a0＝3.59，二者错配度为：
δ＝2(a-a0)/(a+a0)，则错配度较大为16％。这样析出相的粒子稍微长大，将很快破坏共格，因此要恰当控制时效程度，避免过时效碳化物粒子过分长大。在共格错配条件下对于层错面(111)的面间距增加了0.335，其两层共增0.67，这已高于偏位错启动能垒△E的对应高度0.52，于是很容易启动1/6[112]偏位错，形成的层错又进一步成为ε-马氏体的核胚。显然，对于同一界面按最有利的能量条件，将启动同一晶面指数的偏位错，因此就形成了平行排列的层错和ε-马氏体核。这种平行排列的几何特征提高了形状记忆过程的参照度，相当于是向导形状记忆的路标，因此大大提高了形状记忆恢复率。对于油田补井所使用的记忆合金圈，因为要保证顺利下井，则涨圈尺寸比套管内径要小很多，而且只有当回复扩径具有过盈时，才能产生密封压力，因此要求形状记忆的恢复率在6～8％之间。一般铁基形状记忆合金恢复率仅有1.5～1.8％，即使对于本发明的高记忆率形状记忆合金，也只能达到2.3～2.5％。为了弥补这一差距获得大幅度膨胀，本发明提出了一种机械送进记忆和加热相变记忆综合的工艺，以保证形状记忆合金圈具有6％以上的高形状记忆恢复率。工艺过程如图3所示，分为三个阶段：
(1)预备训练变形：加载形状记忆合金材料，超过弹性限E后，进行大幅度缩径，发生EM应力诱发相变后，卸载弹性恢复达到N点。
(2)机械送进记忆：加热升温沿N-As-P-B路线，相变发生部分逆转变，升温至As以上P点，再加载送进扩张变形至Q点，卸载至R点。
(3)相变记忆：再由R点升温，继续发生相变逆转变，形状扩张达到C点。
送进记忆工艺的特点主要是借助于机械送进记忆和加热相变记忆的组合方式，获得了大幅度形状记忆恢复率。
本发明提出了大幅度提高形状记忆恢复量的碳化物析出工艺和送进记忆工艺。这种修补石油套管的装置和方法，具有施工工艺简单易行、效果稳定可靠、缩短工期的特点，可以在多方面广泛应用，可用于多种管道补漏。
【附图说明】
图1是本发明装置结构示意图。
图2是碳化钛电子衍射谱及透射电子显微镜暗场像。
图3是送进记忆工艺过程。
【具体实施方式】
本发明形状记忆合金修补油井套管装置结构见图1，包括下记忆涨圈1、扩孔锥2、内衬管3、外衬管4、上记忆涨圈5、施压环6、液压缸7、加热器8，形状记忆修补油井装置用外衬管4和内衬管3组成复合管，复盖套管缺陷内表面，通过液压缸7驱动，使施压环6和扩孔锥2相向运动，用以轴向压迫上记忆涨圈1和下记忆涨圈5，由于二者外表面具有锥度，故利用轴向送进可以楔紧复合管的两端，形成间隔密封空间；另外采用机械送进记忆工艺和加热相变记忆工艺，整体形成大幅度地膨胀扩径，持续对套管壁加压，进一步形成轴向连续密封体，达到修补套管的目的；上述所说的内衬管是高强金属管，所说的外衬管是外表涂填料的高塑金属管；上述复合管其原来截面形状是圆形或星形的，其两端带有鱼眼状喇叭口，上记忆涨圈和下记忆涨圈分别置于鱼眼状喇叭口中；所说的液压缸是下井液压管传递压力的施压装置，用它完成楔紧上记忆涨圈和下记忆涨圈后，再借助于所连接的抽油管向上提拉扩孔锥，进一步向上挤压截面星形变圆或扩大复合管孔径；所说的加热器可以是喷射蒸汽装置、可以是电热设备、可以是燃烧器，目的是提高温度使形状记忆合金发生相变，上记忆涨圈和下记忆涨圈产生形状记忆效应，能大幅度地外胀加压。
现以实施例具体说明本发明的应用。探明内径φ121mm油井套管，于井下800m处有一长×宽为160×10mm纵向裂纹，通过刮削、洗井，清除了套管损坏处的油垢，露出金属光泽。将外部为锥状、内壁为柱状的上记忆涨圈、下记忆涨圈装配嵌入复合管两端的喇叭口内，三者组成补井装配体。其中8m长外衬管和内衬管复合成八角星形截面的波纹管，外衬管3.5mm紫铜管，内衬管厚度为4mm退火30CrMo钢管，其外径114mm、内径86mm、上下端为圆形喇叭口，槽径110mm、槽长150mm。槽壁厚2mm。上记忆涨圈与下记忆涨圈形状相同、尺寸一致，外径114mm、内径103mm、圈高150mm、外表锥度为1/20。补井所用上记忆涨圈和下记忆涨圈为铁基形状记忆合金材料，经电弧炉冶炼、锻造热挤成管。其化学成分(wt％)如下表所示(满足要求的范围)： C Si Mn Cr Ni Ti N 0.135 5.8 20.1 5 2 0.5 0.023
上记忆涨圈、下记忆涨圈热处理工艺为1150℃、6小时退火，800℃、8小时时效。
液压扩孔锥最高压力40吨，定径带φ106mm、带宽20mm，辅带φ105mm、辅带宽30mm，锥杆与锥头采用螺纹结合与端部楔紧的结构。卸下液压扩孔锥头，将锥杆穿入补井装配体中，露出螺纹端头和销孔，旋入锥头后在端部打入横销。用抽油管将液压缸和扩孔锥以及内衬管、外衬管、上记忆涨圈、下记忆涨圈等补井装配体平稳送入井下预定缺陷位置。
井上送压启动油缸，先楔入上记忆涨圈和下记忆涨圈，上下各楔入70mm。
通过蒸汽加热，送进记忆工艺为250℃、加热2小时。提升φ106mm液压扩孔锥，终加热至350℃、30分钟，使记忆合金圈继续膨胀并压紧管壁，扩孔5％。最终封闭打压20MPa，2小时无渗漏，经过三年使用一直稳定。本发明综合了端部密封与整体压合的各自优点，压封界面形成高强高韧结合，能强力抵抗突发载荷的震击；另外对于轴向交变载荷，高塑性外衬管和填料层具有良好吸收能量作用，疲劳冲击在传递中逐步被耗散，缓解局部应力集中，从而保护了端部的持久密封。本发明具有施工简单、缩短工期、工艺可靠的特点，也可广泛用于其它多种管道补漏。