石油油井用膨胀合金材料及膨胀管装置.pdf

本发明涉及石油油井用膨胀合金材料及膨胀管装置，膨胀合金材料的组成：C：0.03－0.5；Si：0－6.0；Mn：0－15；Cr：0－20；Ni：0－20；N：0.02－0.08；P≤0.03；S≤0.03；混合稀土：0.1；Ti：0－0.8；Zr：0－1.47；余量为Fe。其中合金中存有TiC和ZrC碳化物的总量为0.1－1.5％。其强塑性K＝σ·δ可达3800MPa％；膨胀管形状记忆连接扩径后仍能保持良好密封状态，膨胀管抗内压接近50MPa；工艺装置中的弹头活塞和扶正器以及水力锚固定机构等，结构简单、运行平稳、使用方便。这一发明对于石油钻井、完井和修补长井段具有重要意义，对其它管道修复也有重要推广价值。

1、  一种膨胀合金材料，其特征在于它的重量百分比组成如下：
C：0.03-0.5；Si：0-6.0；Mn：0-15；Cr：0-20；Ni：0-20；N：0.02-0.08；P≤0.03；S≤0.03；混合稀土RE：0.1；Ti：0-0.8；Zr：0-1.47；Fe：余量；同时要求合金体积中存在碳化物TiC和ZrC碳化物体积百分数的总量为0.1-1.5％。

2、  按照权利要求1所述的膨胀合金材料，其特征在于所述的膨胀合金中碳化物的析出工艺：1000-1200℃ 1小时固溶水淬，400-900℃ 0.5-10小时时效。

3、  一种利用权利要求1所述的膨胀合金材料制成的膨胀管装置，其特征在于：包括导向头、下封锥、固定螺母、弹头活塞、下膨胀管、固定环、扶正器、形状记忆接头、密封圈、上膨胀管、橡胶环、定位环、定位缸、液压管、回复弹簧、水力锚、承重卡钳与加热器构成；
所说的下膨胀管与相邻上膨胀管之间或其它膨胀管与膨胀管之间，用形状记忆接头抱紧连接；连接所说的形状记忆接头嵌入被连接膨胀管端对接所形成的环形凹槽内；所说的形状记忆接头内侧与膨胀管外侧之间有密封圈；所说的底部膨胀管扩径内侧的上部装有弹头活塞，内侧下部装有下封锥和导向头；用螺纹旋入液压管中心用贯穿于弹头活塞，再用固定螺母锁紧；所说的液压管用固定环和扶正器定位，液压管上部凸缘园柱可在定位缸柱内滑动；所说的定位缸中部有周向120°分布装的三对水力锚和回复弹簧；所说的承重卡钳可夹持液压管；所说的定位缸上部有加热形状记忆接头用的加热器；所说的膨胀管之间用铁基形状记忆接头和高塑性金属密封圈连接。

石油油井用膨胀合金材料及膨胀管装置
技术领域
本发明涉及一种石油油井用膨胀合金材料及膨胀管装置，尤其是用于石油修井，具有优异强塑性的材料和膨胀工艺装置。
背景技术
实体膨胀管SET(Solid Expandable Tubulars)是石油钻井、完井和修井工程中一项新兴技术，方法的特点是将套管下入井内预定位置，通过中间管输送泥浆液，注满套管外侧的间隙空间，然后下部扩充锥受液体压力的推动，自下而上地扩径膨胀套管；使管径发生10-30％塑变；膨胀管技术优化井身结构，原有技术套管由多种尺寸套管组成，具有上大下小锥形井身结构，例如国内陆地超深井和海洋钻井采用套管结构系列为30”-20”-133/8”-95/8”-7”-5”，则油井上部钻孔尺寸过大、破岩扭矩大，钻速低进尺少，因此钻井成本高。而采用膨胀管技术，上部井眼小，钻井进尺大，可采用小套管，能节约费用；另外实体膨胀管注满水泥浆，利用膨胀管挤压可提高压实效果，根本改善了固井质量；同时新技术扩大了套管工作通径，方便井下作业，利于提高单井产量；尤其是能修复长井段套管，以往对于长距离存在孔洞、裂纹、错断缺陷的套管无法修复，而用膨胀管解决大段侧钻井和斜钻井套管腐蚀问题十分有效；利用膨胀管悬挂和封隔，密封效果好、作业简单、成本低廉、使用寿命长；此外便于应急处理复杂地层多发事故，能妥善解决含盐压裂碎石带、压裂与压力敏感地段和泥岩层、流沙层、贮煤层、盐膏层、变压力层、糖葫芦井眼塌方等复杂井况；实体管作为应急管封隔，也显著优于常规封隔器，由此看来膨胀管技术是很有发展前景的重大技术变革，例如，中国专利CN1079886C公开了一种可膨胀管状套筒。但是当前存在三个问题：一是膨胀管采用低合金高强度钢，膨胀扩径塑性有余，应付外压强度不足；二是下井套管之间采用特殊螺纹连接，加工困难，施工装配较为繁琐；三是下井工具过于复杂，对于51/2”井口，下井地工具零件竟超过2000多个；同时该装置遇到复杂地层，膨胀运行不平稳。
为此发明提供了石油油井用膨胀合金材料及膨胀管装置，可以克服已有技术的不足。本发明膨胀管材、膨胀装置以及套管连接工艺简单易行、稳定可靠、非常实用，也可以在其它方面推广使用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种石油油井用膨胀合金材料及膨胀管装置，可以克服已有技术的不足。本发明提供了具有高塑性的相变膨胀管和弹头式膨胀装置以及套管间的形状记忆连接方法。本发明膨胀管材、膨胀装置以及套管连接工艺简单易行、稳定可靠、非常实用，也可以在其它方面推广使用。
本发明的膨胀合金材料的重量百分比组成(％)如下：
C：0.03-0.50；Si：0-6.0；Mn：0-15；Cr：0-20；Ni：0-20；N：0.02-0.08；P≤0.03；S≤0.03；混合稀土R_E：0.1^*；Ti：0-0.8；Zr：0-1.47；Fe：余量；另外，要求合金中存在碳化物TiC和ZrC的总体积含量为0.1-1.5％。(*为加入量)。
上述合金的制造方法(通用方法)是加入Ti和Zr而熔炼成的合金，在1000-1200℃的温度范围内进行均质化处理，然后在400-900℃的温度范围内进行时效处理，使碳化物析出。
碳化物例如碳化锆析出如图1所示，图1(a)为透射电子显微镜(111)ZrC暗场像，图1(b)为电子衍射谱，其中大斑点为奥氏体斑点，属于[121]晶带轴，小班点是同位向共格碳化锆析出相的斑点。
本发明的膨胀合金材料在膨胀扩径过程中具有高塑性，同时也满足抗外压要求，具有高强度。为了表达延伸率δ和强度σ两方面的综合要求，可用二者乘积K＝σ·δ(MPa％)，表达材料的“强塑性”。如图2取σ-δ坐标，显然对于一定K值的函数是双曲线，不同K值曲线将图中划分为不同的强塑性区域。图下部是塑性较好的低碳钢，虽然延伸率高，但K值偏低。其中中碳调质钢K有所提高，对比之下双相钢强塑性较好，中部显示的是现在用膨胀合金材料，K＝25000MPa％，如图右中部所示。本发明的膨胀合金材料具有良好的强塑性K≥38000MPa％，如图右上角所示。
本发明主要构思是利用了相变诱发塑性Trip(Transfomation inducedplasticity)机制。材料原始状态原子排列为A、B、C、A、B、C.....顺序密排堆垛的面心立方fcc奥氏体组织，见图3左，当材料负载，在应力作用下，产生周期层错，形成心的A、B、A、B、A、B....堆垛顺序，形成新相为hcp的ε马氏体，图3右。在组织相变过程中形变促进了塑变。一般材料早期产生位错塞积，导致局部应力集中，加剧局部塑变直至断裂。发明的膨胀合金材料层错能低，位错容易交滑移，所以材料受载后早期屈服，退火态屈服强度为35000MPa左右。这种材料拉力试棒受载拉伸时，整个标记长度上均匀变细，不发生局部缩颈现象，退火态延伸率δ≈50％。这种材料综合强化机制主要包括晶界强化、固溶强化、相变强化、层错强化、位错强化和弥散强化等，强度可表示如下：
σ＝∑σ_i＝σ_晶界+σ_固溶+σ_相变+σ_层错+σ_位错+σ_弥散
层错与位错先后引起早期屈服，因而具有低的屈强比σ_s/σ_b＝0.4。由于综合强化，具有大的加工硬化率dσ/dε≈3。本发明的膨胀材料具有低屈服、快硬化、高强度、宽塑变的特点，非常适合膨胀扩径的要求。综合比较，本发明材料具备以下优势：
1)优异的强塑性，如实际需要可提高至5000MPa％。
2)退火态材料低屈服，能平稳启动膨胀变形。
3)具有高硬化率，dσ/dε≥3。
4)成分便于调整，可借助时效硬化，进一步提高强度。
本发明的膨胀管装置由导向头、下封锥、固定螺母、弹头活塞、下膨胀管、固定环、扶正器、形状记忆接头、密封圈、上膨胀管、橡胶环、定位环、定位缸、液压管、回复弹簧、水力锚、承重卡钳、加热器构成。所说的下膨胀管与相邻上膨胀管之间或其它膨胀管与膨胀管之间，用形状记忆接头抱紧连接；连接所说的形状记忆接头嵌入被连接膨胀管端对接所形成的环形凹槽内。所说的形状记忆接头内侧与膨胀管外侧之间有密封圈；所说的底部膨胀管扩径内侧的上部装有弹头活塞，内侧下部装有下封锥和导向头；将液压管用螺纹旋入，贯穿弹头活塞中心，再用固定螺母锁紧；所说的液压管用固定环和扶正器定位，液压管上部凸缘圆柱可在定位缸柱内滑动；所说的定位缸中部有周向120°分布装的三对水力锚和回复弹簧；所说的承重卡钳可夹持液压管；所说的定位缸上部有加热形状记忆接头用的加热器。所说的膨胀管之间用铁基形状记忆接头和高塑性金属密封圈连接。
本发明突出的实质性特点和显著进步可以从下述实例中得以体现。但它们不会对本发明作任何限制。
附图说明
图1.碳化锆的电子显微镜图及电子衍射谱。
图2.材料强塑性分布图。
图3.材料结构转变示意图。
图4.膨胀管装置图。
具体实施方式
实施例：
本发明的膨胀管装置如图4所示，它包括导向头1、下封锥2、固定螺母3、弹头活塞4、下膨胀管5、固定环6、扶正器7、形状记忆接头8、密封圈9、上膨胀管10、橡胶环11、定位环12、定位缸13、液压管14、回复弹簧15、水力锚16、承重卡钳17和加热器18构成。
膨胀管系列由若干膨胀管连接而成，其中下膨胀管5与相邻上部膨胀管10之间或其它膨胀管与膨胀管之间，用形状记忆接头(铁基形状记忆合金，例如，化学重量百分比组成：C 0.045，Mn 27.8，Cr 4.98，Si 5.21，P 0.02，S 0.02，余量为Fe)8连接，见图4右部放大图。形状记忆接头连接时嵌入被连接膨胀管端部对接所形成的环形凹槽内，形状记忆接头内侧与膨胀管外侧之间装有密封圈9。经过加热形状记忆接头收缩，抱紧膨胀管达到连接目的。底部膨胀管扩径内侧上部装有弹头活塞4，内侧下部装有下封锥2和导向头1。螺纹旋入的液压管14贯穿于弹头活塞中心，用固定螺母3锁紧。
上述所说的液压管用固定环6和扶正器7定位，液压管上部凸缘园柱可在定位缸13柱腔内滑动。在定位缸中部装有周向120°三对水力锚16和回复弹簧15，承重卡钳17可夹持液压管14，其上部有形状记忆头用的加热器18。
本发明的膨胀管有如下特点：
利用形状记忆效应连接膨胀管，即将密封圈套入被连接膨胀管端的细径部分，通过加热形状记忆接头收缩，挤压密封圈，形成三向压应力状态，从而提高界面强度，能传递巨大轴向力。密封圈材料是具有高塑性金属(例如紫铜)，受到形状记忆接头强烈挤压后能产生微小流变，弥合微小空隙起到密封作用。形状记忆材料是铁基形状记忆合金。密封圈材料是紫铜。
膨胀管合金的时效强塑化工艺是：1000-1200℃1小时固溶水淬，400-900℃ 0.5-10小时时效，提高弥散强化效果，这样在强化同时还降低了材料基体的层错能，产生更好的相变诱发塑性效果。
弹头活塞应预先压入底部膨胀管的扩径段上部，然后装配下封锥，以保证膨胀管通道畅通无阻。
弹头活塞向上运动的动力，是依靠底部液压的推动或依靠液压管向上拉动，或者采用既推又拉的综合作用。为防止膨胀管相对套管滑移，膨胀开始即加压，水利锚受压后向外突起，卡住套管内壁锚死固定；卸压时在回复弹簧作用下，水利锚自动回归原位。
应用实施例：
用膨胀管技术进行修井施工，将规格φ107.95mm×6.35mm的实体膨胀管(SET)用修补多处存在空洞和裂纹井段。原井套管：139.4mm×7.7mm，深度：2884.44米，原井内径：124mm，膨胀管下深：1666-1882m，膨胀管底：1880.66m；单管长：7.8m，根数：10根；膨胀管长：78.26m；膨胀管外径：φ108mm；内径：φ95mm；壁厚：6.5mm；连接：形状记忆收缩(紫铜密封)；修井质量优良，产量十分稳定。具体施工相关参数参考如下：