带有动态的金属对金属的形状记忆材料密封件的井工具.pdf

一种井工具可包括密封表面以及形状记忆材料密封件，该密封件动态地密封在密封表面之间，使形状记忆材料密封件和各个密封表面之间形成金属对金属的接触。一种井工具中的密封方法，所述方法可包括：形成形状记忆材料密封件；热处理形状记忆材料密封件；然后变形形状记忆材料密封件；然后将形状记忆材料密封件安装在井工具内；以及然后加热形状记忆材料密封件，由此致使形状记忆材料密封件膨胀到与密封表面金属对金属的密封接触，所述密封表面相对于形状记忆材料密封件位移。一种钻头可包括：形成在钻头的锥体和轴颈上的密封表面；以及形状记忆材料密封件，该密封件动态地密封在密封表面之间，使形状记忆材料密封件和各个密封表面之间形成金属对金属的接触。

1.  一种井工具，包括：
第一和第二密封表面；以及
形状记忆材料密封件，该密封件动态地密封在第一和第二密封表面之 间，使形状记忆材料密封件和各个第一和第二密封表面之间形成金属对金属的 接触。

2.  如权利要求1所述的井工具，其特征在于，当在第一和第二密封表面之 间存在相对位移时，所述形状记忆材料密封件密封抵靠住第一和第二密封表 面。

3.  如权利要求1所述的井工具，其特征在于，所述第一密封表面形成在钻 头锥体上，且其中，所述第二密封表面形成在钻头轴颈上。

4.  如权利要求3所述的井工具，其特征在于，所述形状记忆材料密封件在 锥体围绕轴颈转动时密封在锥体和轴颈之间。

5.  如权利要求1所述的井工具，其特征在于，所述形状记忆材料密封件膨 胀到与各个第一和第二密封表面密封接触。

6.  如权利要求1所述的井工具，其特征在于，所述形状记忆材料密封件响 应于施加到形状记忆材料密封件上的热量而膨胀到密封接触。

7.  如权利要求1所述的井工具，其特征在于，所述形状记忆材料密封件具 有大致圆形的横截面。

8.  如权利要求1所述的井工具，其特征在于，所述形状记忆材料密封件具 有大致C形的横截面.

9.  如权利要求1所述的井工具，其特征在于，所述形状记忆材料密封件包 括形状记忆合金。

10.  如权利要求1所述的井工具，其特征在于，所述形状记忆材料密封件包 括形状记忆聚合物。

11.  一种井工具中的密封方法，所述方法包括：
形成形状记忆材料密封件；
热处理形状记忆材料密封件；
然后变形形状记忆材料密封件；
然后将形状记忆材料密封件安装在井工具内；以及
然后加热形状记忆材料密封件，由此致使形状记忆材料密封件膨胀到与 第一密封表面金属对金属的密封接触，所述第一密封表面相对于形状记忆材料 密封件位移。

12.  如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述形成还包括形成横截面 大致为圆形的所述形状记忆材料密封件。

13.  如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述形成还包括形成横截面 大致为C形的所述形状记忆材料密封件。

14.  如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述第一密封表面在钻头锥 体围绕钻头轴颈转动时形成在钻头锥体上。

15.  如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述形状记忆材料密封件还 膨胀到与形成在轴颈上的第二密封表面金属对金属的密封接触。

16.  如权利要求15所述的方法，其特征在于，当所述锥体围绕轴颈转动时， 所述形状记忆材料密封件密封抵靠住第一和第二密封表面。

17.  如权利要求11所述的方法，其特征在于，当在第一和第二密封表面之 间存在相对位移时，所述形状记忆材料密封件密封抵靠住第一和第二密封表 面。

18.  如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述形状记忆材料密封件包 括形状记忆合金。

19.  如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述形状记忆材料密封件包 括形状记忆聚合物。

20.  如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述加热包括将形状记忆材 料转变到奥氏体相。

21.  一种钻头，包括：
第一和第二密封表面，它们分别形成在钻头的锥体和轴颈上；以及
形状记忆材料密封件，该密封件动态地密封在第一和第二密封表面之 间，使形状记忆材料密封件和各个第一和第二密封表面之间形成金属对金属的 接触。

22.  如权利要求21所述的钻头，其特征在于，当在第一和第二密封表面之 间存在相对位移时，所述形状记忆材料密封件密封抵靠住第一和第二密封表 面。

23.  如权利要求21所述的钻头，其特征在于，所述形状记忆材料密封件在 锥体围绕轴颈转动时密封在锥体和轴颈之间。

24.  如权利要求21所述的钻头，其特征在于，所述形状记忆材料密封件膨 胀到与各个第一和第二密封表面密封接触。

25.  如权利要求21所述的钻头，其特征在于，所述形状记忆材料密封件响 应于施加到形状记忆材料密封件上的热量而膨胀到密封接触。

26.  如权利要求21所述的钻头，其特征在于，所述形状记忆材料密封件具 有大致圆形的横截面。

27.  如权利要求21所述的钻头，其特征在于，所述形状记忆材料密封件具 有大致C形的横截面。

28.  如权利要求21所述的钻头，其特征在于，所述形状记忆材料密封件包 括形状记忆合金。

29.  如权利要求21所述的钻头，其特征在于，所述形状记忆材料密封件包 括形状记忆聚合物。

30.  如权利要求21所述的钻头，其特征在于，所述形状记忆材料处于奥氏 体相。

带有动态的金属对金属的形状记忆材料密封件的井工具
技术领域
本发明总的涉及结合地下井实施的操作和所用的设备，在下面描述的一个 实例中，更具体地，本发明提供带有动态的金属对金属的形状记忆材料密封件 的井工具。
背景技术
当用弹性体密封件来对井工具的运动零件进行密封时，会产生热量。如此 的热量可使密封件变坏，使得密封件不再充分地提供其密封功能。所产生的热 量还可损坏某种井工具的其他部件。因此，将会容易地认识到，在构造井工具 和在井工具中提供密封件的行业中，一直需要有各种改进。
附图说明
图1是井工具和可实施本发明原理的相关方法的代表性正视图。
图2是井工具的一部分的代表性剖视图。
图3A-D是井工具内密封方法中所用形状记忆材料密封件的代表性剖视图。
图4A-D是井工具内密封方法中所用形状记忆材料密封件的另一实例的代 表性剖视图。
具体实施方式
附图中代表性地示出了可实施本发明原理的井工具10和相关方法。然而， 应该清楚地理解到，井工具和方法只是本发明原理在实践中的一种应用，各种 各样其他的实例都是可能的。因此，本发明范围决不局限于这里所描述的和/ 或附图中图示的井工具和方法。
在下面描述的实例中，金属对金属的密封件至少部分地由形状记忆材料制 成。形状记忆材料的超弹性特性可用来最大程度地减小或消除密封插入力，以 让密封表面上有较宽的机械公差，增强密封能力，并使动态密封件中的磨损减 到最小。
金属环密封件可用形状记忆材料制造。该形状记忆材料密封件可变形而提 供容易的组装，仅需很小的插入力或没有插入力。热量致使密封件膨胀而激活 密封表面之间的密封。
在一个实例中，形状记忆材料密封件会变形，于是它可容易地插入到井工 具中。当加热时，形状记忆材料返回到其记忆形状。记忆形状较佳地是环形的 金属密封环，但其他的形状也可采用。
环形的形状记忆密封件的圆形截面过盈配合在井工具的密封表面之间。该 过盈配合导致形状记忆材料的密封件与井工具密封表面呈金属对金属的密封 接触。
即使在使用井工具过程中，随着温度向下钻进而改变，形状记忆材料密封 件将保持密封表面之间的该过盈配合。形状记忆材料密封件可具有足够的壁 厚，该壁厚足以承受向下钻进时作用在密封件上的流体压力，或密封件可部分 地或全部地填充流体，以阻止密封件坍瘪等。在其他的实施例中，密封件内部 可与一侧上的外部达到压力平衡(例如，通过密封件侧面内的孔或其他的开口 等)。在一个实例中，密封件可具有C形横截面。
形状记忆材料密封件可用作为静态的或动态的密封件。可以考虑，某些形 状记忆材料密封件可具有优秀的抗腐蚀特性。在动态的密封件中，与弹性体密 封件相比，腐蚀形状记忆材料密封件的可能性很小。对于滚轴锥形钻头中的密 封来说，减小因与形状记忆材料密封件金属对金属密封产生的热量可以是有利 的。
形状记忆材料在某些实例中是这样进行选择的：它在室温下是处于马氏体 相，而在向下钻进温度下它是处于奥氏体相。在室温的马氏体相中，形状记忆 材料具有低的弹性模量并可塑性变形。当它被加热到奥氏体相时，形状记忆材 料的弹性模量是三倍之大，且材料将返回到其热处理的记忆形状。
形状记忆材料可包括以下中的任何一种：Ni-Ti、Ni-Ti-Nb、Ni-Ti-Hf、 Ni-Ti-Pd、Ni-Ti-Zr、Cu-Zr、Ni-Al、Fe-Mn-Si、Cu-Al-Ni、Cu-Zn-Al，以及 Fe-Ni-Co-Ti。如果需要的话，其他的形状记忆材料也可采用。在某些实例中， 添加到形状记忆合金或替代形状记忆合金，形状记忆材料还可包括形状记忆聚 合物(例如，聚亚安酯、其他的嵌段共聚物、线性的无定形聚降冰片烯、由聚 降冰片烯单元组成的有机-无机混合聚合物，它们部分地由低聚倍半硅氧烷替 代，等)。
在一个实例中，可使用带有大的温度滞后特性的形状记忆材料。形状记忆 材料可在室温下形成为马氏体相。一旦加热，该材料将转变到高强度的奥氏体 相。由于大的温度滞后特性，一旦冷却回到室温，材料将保持在奥氏体相中。
在其他的实例中，形状记忆材料可在向下钻进温度和地面温度下处于其马 氏体相中。在这些实例中，即使材料冷却回到其马氏体相，材料也可保持在其 热处理的记忆形状中。在向下钻进时让形状记忆材料处于其马氏体相的一个优 点在于，如此的材料在其马氏体相时通常更加耐腐蚀。
如果形状记忆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， 则具有大的温度滞后特性的材料可以是首选的。如果形状记忆材料密封件是要 被再次使用，或如果希望井工具快速拆卸，则具有小的温度滞后特性的材料可 以是首选的。具有相对大温度滞后特性的形状记忆材料的实例包括Ni-Ti-Nb 和Ni-Ti-Fe。
在图1中代表性地示出了可实施本发明原理的钻头10。该钻头10属于本技 术领域内技术人员熟知的类型，由于该种钻头使用其上具有贴合地壳的切割元 件14的多个大体锥形滚轴或锥体12，所以，该类型钻头被技术人员公知为滚 轴锥体钻头或三锥体钻头。
每个锥体12可转动地固定到相应的从钻头10的主体18向下延伸(如图1 所示)的臂16上。在该实例中，各有三个锥体12和臂16。
然而，应该清楚地理解到，本发明的原理可融入到具有其他数量锥体和臂 的钻头，以及其他类型钻头和钻头构造中。图1中所示的钻头10只是各种钻 头和可利用这里所述原理的其他井工具的一个实例。
现另外参照图2，图中代表性地示出了其中一个臂16的剖视图。在该视图 中，可以看到锥体12围绕臂16的轴颈20转动。锥体12和轴颈20之间使用 固定球22，以将锥体固定在该臂上。
润滑剂通过通道26从腔室24供应到锥体12和轴颈20之间的接口。当钻 头10用来钻探井筒时，压力平衡装置28确保润滑剂的压力基本上与向下钻进 环境的压力相同。
密封件30用来阻止碎片和井流体进入到锥体12和轴颈20之间接口，并防 止润滑剂从接口区域跑逸掉。当锥体12围绕轴颈20转动时，密封件30较佳 地随锥体一起转动，并如下文中更完整地描述的，锥体12抵靠住轴颈外表面 密封。然而，在其他的实例中，密封件可静止地保持在轴颈20上，让锥体12 相对于轴颈和密封件转动。
该实例中的密封件30包括形状记忆材料，并在各个轴颈20和锥体12上的 密封表面之间形成金属对金属的密封。如此的金属对金属的密封提高了密封件 30的能力，用以排除碎片、减小磨损、防止润滑剂跑逸等，以及减小动态密封 中产生的热量。如果使用形状记忆材料的话，则该形状记忆材料可用来将密封 件30的金属部件偏置到密封的接触中。
现另外参照图3A，图中代表性地示出了密封件30的一个实例的放大比例 的剖视图。在该实例中，密封件30具有记忆形状，该记忆形状是具有圆形横 截面的环形。密封件30经过热处理，使密封件的形状记忆材料在室温下处于 马氏体相中。
密封件30然后变形，如图3B中所示。较佳的是，密封件30是以这样的方 式变形，使它更适合于快速地安装在井工具内，诸如是钻头10内。在该实例 中，密封件30的径向宽度减小，以使密封件快速地配装在轴颈20和锥体12 之间。
如图3C所示，密封件30然后安装在钻头10内。应注意，由于密封件30 变形，较佳地，在密封件30和锥体12与轴颈20上所形成的密封表面38、44 之间不存在过盈。这可减小或消除金属密封件30因安装造成可能的损坏。
密封件30然后加热，这样，它转变到其奥氏体相并膨胀到(或朝向)其记 忆形状。在图3D中，密封件30显示为膨胀到与各个密封表面38、44的金属 对金属的密封接触。形状记忆聚合物材料可将密封件30的金属部件(诸如外 面的耐腐蚀层)膨胀到金属对金属的密封接触。
在钻头10的制造过程中，可实施密封件30的加热，或由于钻头经受向下 钻进温度而出现加热。本发明的范围不局限于加热密封件30的任何特殊方式。
应注意到，密封件30可完全地或部分地填充液体和/或气体，以便完全地 或部分地平衡作用在向下钻进密封上的流体压力。替代地，一个或多个开口可 设置在密封件30的壁内，以平衡密封件内部的压力和密封件一侧上的压力。
现另外参照图4A-D，图中代表性地示出了密封件30的另一种构造。在该 构造中，密封件30具有大致C形的横截面。
如同图3A-D的密封件30那样，形成和热处理图4A-D的密封件，使它在 室温下具有处于马氏体相中的某种记忆形状。密封件30然后变形，安装在井 工具内并加热。一旦加热，密封件30力图返回到其记忆形状，由此，形成抵 靠在密封表面38、44上的静态和/或动态的金属对金属的密封。
替代地，或添加地，密封件30可用作为对另一密封件的备用或冗余密封， 诸如弹性体密封件(例如，O形环等)。在该膨胀的向下钻进状态中，密封件 30将关闭表面38、44(或其他表面)之间的挤压间隙，由此，减缓由于弹性 体密封件的压差造成的挤压。
现可完整地认识到，以上披露的发明对构造用于井工具中的密封件提供了 很大的进步。密封件30包括钻头10中金属对金属的动态密封，该密封可快速 地安装在钻头中，而不干预密封或损坏密封。
以上披露的发明对本行业提供了井工具(例如，钻头10)。在一个实例中， 井工具可包括第一和第二密封表面38、44以及形状记忆材料密封件30，该密 封件30动态地密封在第一和第二密封表面38、44之间，使形状记忆材料密封 件30和各个第一和第二密封表面38、44之间形成金属对金属的接触。
当在第一和第二密封表面38、44之间存在相对位移时，形状记忆材料密封 件30可密封抵靠住第一和第二密封表面38、44。
第一密封表面38可形成在钻头锥体12上，第二密封表面44可形成在钻头 轴颈20上。形状记忆材料密封件30可在锥体12围绕轴颈20转动时密封在锥 体12和轴颈20之间。
形状记忆材料密封件30可膨胀到与各个第一和第二密封表面38、44密封 接触。形状记忆材料密封件30可响应于施加到形状记忆材料密封件30上的热 量而膨胀到密封接触。
形状记忆材料密封件30可具有大致圆形的横截面或大致C形的横截面。为 保持与本发明范围相一致，也可采用其他的形状。
以上还描述了井工具中的密封方法。在一个实例中，该方法可包括：形成 形状记忆材料密封件30；对形状记忆材料密封件30进行热处理；然后使形状 记忆材料密封件30变形；然后将形状记忆材料密封件30安装在井工具内；以 及然后加热形状记忆材料密封件30，由此致使形状记忆材料密封件30膨胀到 与第一密封表面38金属对金属的密封接触，第一密封表面38相对于形状记忆 材料密封件30位移。
以上披露的发明对本行业提供了钻头10。在一个实例中，钻头10包括分别 形成在钻头10的锥体12和轴颈20上的第一和第二密封表面38、44，以及形 状记忆材料密封件30，该密封件30动态地密封在第一和第二密封表面38、44 之间，使形状记忆材料密封件30和各个第一和第二密封表面38、44之间形成 金属对金属的接触。
形状记忆材料密封件可包括形状记忆合金和/或形状记忆聚合物。加热形状 记忆材料可使形状记忆材料转变到奥氏体相。然而，形状记忆材料可在向下钻 进温度下处于奥氏体相或马氏体相。
尽管以上描述了各种实例，每个实例具有一定的特征，但应该理解到，一 个实例的特殊的特征并不必要专一地用于该实例。相反，以上描述的和/或附图 中所示的任何特征可与任何的实例组合，添加到或替代于这些实例的任何其他 特征。一个实例的特征对于另一实例的特征不是互相排斥的。相反，本发明的 范围包括任何特征的任何组合。
尽管上述每个实例包括特征的某种组合，但应该理解到，一个实例的所有 特征不必要是都要用到。相反，可使用上述的任何特征，也可不使用任何其他 的特殊特征或多种特征。
应该理解到，这里所描述的各种实施例可在各种定向上使用，诸如，倾斜 的、倒置的、水平的、垂直的等等，并可用在各种构造中，而不脱离本发明的 原理。实施例的描述只是作为本发明原理的有用应用的实例，本发明不局限于 这些实施例的任何特殊的细节。
在以上代表性实例的描述中，方向性术语(诸如“以上”、“以下”、“上 部”、“下部”等)为方便起见用来涉指附图。然而，应该清楚地理解到，本 发明范围并不局限于这里所述的任何特殊的方向。
术语“包括”、“包含”以及类似的术语在本说明书中没有限制性含义使 用。例如，如果系统、方法、装置、器件等被描述为“包括”某种特征或元件， 则系统、方法、装置、器件等可包括该特征或元件，并还可包括其他的特征或 元件。同样地，术语“包含”被考虑意指“包含，但不限于”。
当然，本技术领域内技术人员在仔细考虑上述本发明代表性实施例的描述 之后，容易地认识到，对于特殊的实施例可作出许多修改、添加、替代、删除 以及其他的变化，本发明的原理考虑了如此的变化。例如，各种结构被披露为 分开地形成，但在其他的实例中，也可一体地形成，以及反之亦然。因此，以 上的详细描述应清楚地被理解为仅是借助于说明和实例给出的，本发明的精神 和范围只能由附后权利要求书和其等价物予以限定。