СКВАЖИННЫЙ ИНСТРУМЕНТ С ДИНАМИЧЕСКИМ УПЛОТНЕНИЕМ ТИПА "МЕТАЛЛ-МЕТАЛЛ", ВЫПОЛНЕННЫМ ИЗ МАТЕРИАЛА С ПАМЯТЬЮ ФОРМЫ
WELDING TOOL WITH DYNAMIC SEALING OF "METAL-METAL" TYPE, IMPLEMENTED FROM MATERIAL WITH MEMORY OF THE FORM

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение, в общем, относится к работам, осуществляемым и оборудованию, используемому применительно к подземными скважинами, а в частности, в одном раскрытом ниже примере, обеспечивает скважинный инструмент с динамическим уплотнением типа «метал-метал», выполненным из материала с памятью формы.
Уровень техники
При использовании уплотнений из эластомера для уплотнения подвижных частей скважинных инструментов может выделяться тепло. Это тепло может ухудшить характеристики уплотнений таким образом, что они больше не смогут обеспечивать надлежащее уплотнение. Выделяющаяся теплота также может повредить другие компоненты определенных скважинных инструментов. Отсюда следует, что необходимы дальнейшие усовершенствования в области конструирования скважинных инструментов и обеспечения их уплотнений.
Краткое описание графических материалов
На фиг. 1 показан вид сбоку скважинного инструмента и соответствующий способ, способные воплотить принципы настоящего изобретения.
На фиг. 2 показан поперечный разрез части скважинного инструмента.
На фиг. 3А-D показаны поперечные разрезы уплотнения, выполненного из материала с памятью формы, согласно способу обеспечения уплотнения в скважинном инструменте.
На фиг. 4А-D показаны поперечные разрезы другого примера уплотнения, выполненного из материала с памятью формы, согласно способу обеспечения уплотнения в скважинном инструменте.
Раскрытие изобретения
На чертежах представлены скважинный инструмент 10 и соответствующий способ, воплощающие принципы настоящего изобретения. Однако следует понимать, что скважинный инструмент и способ являются только одним из примеров воплощения принципов настоящего изобретения на практике, и что возможны различные варианты других примеров. Поэтому объем настоящего изобретения ни в коем случае не ограничен деталями скважинного инструмента и способа, раскрытыми в настоящем документе и/или изображенными на чертежах.
В раскрытых ниже примерах уплотнения типа «металл-металл», по меньшей мере, частично выполняют из материала с памятью формы. Сверхупругое поведение материалов с памятью формы может быть использовано для минимизации или исключения усилий при вставке уплотнения, чтобы обеспечить большие механические допуски для поверхностей уплотнения, увеличить их уплотняющие способности и минимизировать износ в динамическом уплотнении.
Металлическое кольцевое уплотнение может быть выполнено из материала с памятью формы. Уплотнение, выполненное из материала с памятью формы, деформируют, чтобы обеспечить легкость сборки, что позволяет обойтись малыми усилиями при вставке уплотнения или совсем без них. Тепло вызывает расширение материала для активизируемого уплотнения между поверхностями уплотнения.
В одном из примеров уплотнение, выполненное из материала с памятью формы, деформируют, чтобы его легко можно было вставить в скважинный инструмент. При нагревании материал с памятью формы возвращает уплотнение в его исходную форму. Исходная форма, предпочтительно, является тороидальным металлическим уплотнительным кольцом, но также могут применяться и другие формы.
Круглое поперечное сечение тороидального уплотнения с памятью формы является посадкой с натягом между поверхностями уплотнения скважинного инструмента. Такая посадка с натягом приводит к тому, что уплотнение, выполненное из материала с памятью формы, находится в уплотняющем контакте типа «металл-металл» с поверхностями уплотнения скважинного инструмента.
Уплотнение, выполненное из материала с памятью формы, будет поддерживать эту посадку с натягом между поверхностями уплотнения, даже при изменениях температур внутри скважины во время использования скважинного инструмента. Уплотнение, выполненное из материала с памятью формы, может иметь достаточную толщину стенок, чтобы противостоять давлениям текучих сред, воздействующим на уплотнение внутри скважины, или же уплотнение может быть полностью или частично заполнено текучей средой, предотвращающей его разрушение и т.д. В других примерах давление внутри уплотнения может быть сбалансировано относительно давления на одной стороне снаружи (например, через отверстие или другой проем в боку уплотнения и т.д.). В одном из примеров уплотнение может иметь поперечное сечение С-образной формы.
Уплотнение, выполненное из материала с памятью формы, может использоваться как статическое или динамическое уплотнение. Это предполагает, что некоторый материал с памятью формы может иметь отличные антиэрозионные свойства. В динамическом уплотнении вероятность истирания уплотнения, выполненного из материала с памятью формы, меньше по сравнению с уплотнением из эластомера. Для обеспечения уплотнения в шарошке бурового долота уменьшение генерируемого тепла, благодаря уплотнению типа «металл-металл», выполненному из материала с памятью формы, может быть преимуществом.
Материал с памятью формы в некоторых примерах выбирают таким образом, чтобы он был представлен мартенситной фазой при комнатной температуре, и аустенитной фазой в условиях внутрискважинных температур. При комнатной температуре и мартенситной фазе материал с памятью формы имеет более низкий модуль упругости и может подвергаться пластической деформации. При нагревании до перехода в аустенитную фазу, модуль материала с памятью формы может утраиваться, и материал будет возвращаться в его исходную форму, полученную при термообработке.
Материал с памятью формы может содержать любой из сплавов: 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 и Fe-Ni-Co-Ti. При необходимости могут быть использованы другие материалы с памятью формы. Материалы с памятью формы в некоторых примерах могут содержать полимер с памятью формы (например, полиуретаны, другие блок-сополимеры, линейный некристаллический полинорборнен, органо-неорганические гибридные полимеры, состоящие из полинорборнена, частично замещенного полиэдральным олигосилсесквиоксаном, и т.д.) в дополнение или вместо сплава с памятью формы.
В одном из примеров может быть использован материал с памятью формы с большим температурным гистерезисом. Материал с памятью формы может быть представлен мартенситной фазой при комнатной температуре. При нагревании материал будет переходить в высокопрочную аустенитную фазу. Благодаря большому температурному гистерезису, материал будет оставаться в аустенитной фазе при обратном охлаждении до комнатной температуры.
В других примерах материал с памятью формы может быть представлен мартенситной фазой, как при внутрискважинных температурах, так и при температурах поверхности. В этих примерах материал может оставаться в форме, сообщенной ему во время тепловой обработки, даже после его охлаждения до мартенситной фазы. Преимущество того, что материал с памятью формы представлен мартенситной фазой во внутрискважинных условиях, заключается в том, что такие материалы, в целом, более устойчивы к эрозии, когда они находятся в мартенситной фазе.
Если уплотнение, выполненное из материала с памятью формы, не используют повторно, или если демонтаж скважинного инструмента не требуется, тогда может быть предпочтительным материал с большей температурой гистерезиса. Если уплотнение, выполненное из материала с памятью формы, подлежит повторному использованию, или если желательным является демонтаж скважинного инструмента, тогда может быть предпочтительным материал с меньшей температурой гистерезиса. В качестве примера, материалы с памятью формы с относительно большой температурой гистерезиса содержат Ni-Ti-Nb и Ni-Ti-Fe.
На фиг. 1 проиллюстрировано буровое долото 10, способное воплощать принципы настоящего изобретения. Буровое долото 10 является буровым долотом, известным специалистам как шарошечное буровое долото или трехшарошечное буровое долото, из-за использования множественных, главным образом, конической формы шарошек или конусных шарошек 12, с расположенными на них зацепляющими землю режущими элементами 14.
Каждая из конических шарошек 12 прикреплена с возможностью вращения к соответствующей лапе 16, проходящей вниз (что изображено на фиг. 1) из основного корпуса 18 долота 10. В этом примере показаны три конических шарошки 12 и лапы 16.
Однако следует понимать, что принципы настоящего изобретения могут быть применены в буровых долотах с другим количеством конических шарошек и лап, и других типах и конфигурациях буровых долот. Буровое долото 10, изображенное на фиг. 1, является лишь одним примером разнообразия буровых долот и других бурильных инструментов, которые могут использовать раскрытые в настоящем разделе принципы.
На фиг. 2 дополнительно показан поперечный разрез одной из лап 16. В этом разрезе можно видеть, что конусная шарошка 12 вращается вокруг шейки 20 лапы 16. Для закрепления конической шарошки на шейке между конической шарошкой 12 и шейкой 20 используют замковые шары 22.
Смазку подают к поверхности между конической шарошкой 12 и шейкой 20 из камеры 24 через проход 26. Устройство 28 выравнивания давления обеспечивает выравнивание давления смазки с давлением внутрискважинной среды, когда буровое долото 10 используют для бурения ствола скважины.
Уплотнение 30 используют для предотвращения попадания обломков и скважинных текучих сред в пространство между конической шарошкой 12 и шейкой 20, и предотвращения вытекания смазки из промежуточной области. Так как коническая шарошка 12 вращается вокруг шейки 20, уплотнение 30, предпочтительно, вращается с конической шарошкой и плотно прижато к наружной поверхности шейки, что подробнее раскрыто ниже. Однако в других примерах уплотнение может оставаться неподвижным на шейке 20, тогда как коническая шарошка 12 вращается относительно шейки и уплотнения.
Уплотнение 30 в этом примере содержит материал с памятью формы и формирует уплотнения «металл-металл» между поверхностями уплотнения на каждой шейке 20 и конической шарошке 12. Такое уплотнение типа «металл-металл» усиливает способность уплотнения 30 исключать обломки, уменьшать износ, предотвращать вытекание смазочного материала и т.д., а также уменьшает количество тепла, выделяемого в уплотнении подвижного соединения. Если используют полимер с памятью формы, то он может быть использован для отклонения металлического компонента уплотнения 30 в уплотняющий контакт.
На фиг. 3А в увеличенном масштабе проиллюстрирован поперечный разрез одного из примеров исполнения уплотнения 30. В этом примере уплотнение 30 имеет память формы, являющейся тороидом, имеющим круглое поперечное сечение. Уплотнение 30 подвергают термообработке, так что материал с памятью формы находится в мартенситной фазе при комнатной температуре.
Уплотнение 30 затем деформируют, что изображено на фиг. 3В. Предпочтительно, уплотнение 30 деформируют таким образом, чтобы сделать его более пригодным для установки в скважинный инструмент, такой как буровое долото 10. В этом примере радиальную ширину уплотнения 30 уменьшают, чтобы позволить уплотнению встать между шейкой 20 и конической шарошкой 12.
Уплотнение 30 затем устанавливают в буровое долото 10, что показано на фиг. 3С. Следует отметить, что благодаря деформации уплотнения 30, между уплотнением 30 и поверхностями 38, 44 уплотнения, выполненными на конической шарошке 12 и шейке 20, предпочтительно, нет промежуточного пространства. Это может уменьшить или исключить потенциальное повреждение металлического уплотнения 30 из-за установки.
Уплотнение 30 затем нагревают, так что оно переходит в аустенитную фазу и расширяется в свою исходную форму. На фиг. 3D уплотнение 30 изображено как расширенное в уплотняющий контакт типа «металл-металл» с каждой из поверхностей 38, 44 уплотнения. Полимерный материал с памятью формы может растягивать металлический компонент (такой как внешний, устойчивый к эрозии слой) уплотнения 30 в уплотняющий контакт «металл-металл».
Нагревание уплотнения 30 может быть осуществлено во время изготовления долота 10, или оно может происходить из-за воздействия внутрискважинных температур на долото. Объем настоящего изобретения не ограничивается каким-либо конкретным способом нагревания уплотнения 30.
Следует отметить, что уплотнение 30 может быть полностью или частично заполнено жидкостью и/или газом для полной или частичной компенсации давления текучей среды, действующей на уплотнение внутри скважины. Альтернативно, в стенке уплотнения 30 могут быть предусмотрены одно или несколько отверстий для выравнивания давления внутри уплотнения относительно давления на одной стороне уплотнения.
Дополнительно, на фиг. 4A-D проиллюстрированы другие конфигурации уплотнения 30. В этой конфигурации уплотнение 30, в целом, имеет С-образное поперечное сечение.
Также как уплотнение 30 на фиг. 3A-D, уплотнение на фиг. 4A-D выполняют и подвергают термической обработке таким образом, что оно запоминает форму в своей мартенситной фазе при комнатной температуре. Уплотнение 30 затем деформируют, устанавливают в скважинный инструмент и нагревают. При нагревании уплотнение 30 пытается вернуть свою форму, образуя при этом статическое и/или динамическое уплотнение типа «металл-металл» между поверхностями 38, 44 уплотнения.
Альтернативно или дополнительно, уплотнение 30 может быть использовано как вспомогательное или резервное уплотнение для другого уплотнения, например, уплотнения из эластомера (например, О-образного и др.). В его расширенном внутрискважинном состоянии, уплотнение 30 будет перекрывать экструзионный зазор между поверхностями 38, 44 (или другими поверхностями), тем самым, уменьшая выдавливание эластомерного уплотнения благодаря разности давлений на эластомерном уплотнении.
Отсюда становится понятно, что вышеприведенное раскрытие обеспечивает значительные преимущества в области конструирования уплотнений, используемых в скважинных инструментах. Уплотнение 30 содержит динамическое уплотнение типа «металл-металл» в буровом долоте 10, которое легко может быть установлено в долото без нарушения или повреждения уплотнения.
Скважинный инструмент (например, буровое долото 10) оснащают раскрытым выше изобретением. В одном из примеров, скважинный инструмент может содержать первую и вторую поверхности 38, 44 уплотнения, и уплотнение 30, выполненное из материала с памятью формы, обеспечивающее динамическое уплотнение между первой и второй поверхностями 38, 44 уплотнения с контактом типа «металл-металл» между уплотнением 30, выполненным из материала с памятью формы, и каждой из поверхностей 38, 44 уплотнения.
Уплотнение 30, выполненное из материала с памятью формы, может плотно прижиматься к первой и второй поверхностям 38, 44 уплотнения, во время относительного смещения между первой и второй поверхностями 38, 44 уплотнения.
Первая поверхность 38 уплотнения может быть выполнена на конической шарошке 12 бурового долота, а вторая поверхность 44 уплотнения может быть выполнена на шейке 20 бурового долота. Уплотнение 30, выполненное из материала с памятью формы, может обеспечивать уплотнение между конической шарошкой 12 и шейкой 20 при вращении конической шарошки 12 вокруг шейки 20.
Уплотнение 30, выполненное из материала с памятью формы, может расширяться в уплотняющий контакт с каждой из поверхностей 38, 44 уплотнения. Уплотнение 30, выполненное из материала с памятью формы, может расширяться в уплотняющий контакта в ответ на тепловое воздействие на уплотнение 30, выполненное из материала с памятью формы.
Уплотнение 30, выполненное из материала с памятью формы, может иметь, в целом, круглое поперечное сечение или, в целом, С-образное поперечное сечение. Могут быть использованы другие формы без отклонения от объема настоящего изобретения.
Способ обеспечения уплотнения в скважинном инструменте также раскрыт выше. В одном из примеров способ может содержать: формирование уплотнения 30, выполненного из материала с памятью формы; термическую обработку уплотнения 30, выполненного из материала с памятью формы; последующее деформирование уплотнения 30, выполненного из материала с памятью формы; последующую установку уплотнения 30, выполненного из материала с памятью формы, в скважинный инструмент; и последующее нагревание уплотнения 30, выполненного из материала с памятью формы, вызывающее расширение уплотнения 30, выполненного из материала с памятью формы, в уплотняющий контакт типа «металл-металл» с первой поверхностью 38 уплотнения, смещающейся относительно уплотнения 30, выполненного из материала с памятью формы.
Вышеприведенное изобретение также обеспечивает буровое долото 10. В одном из примеров, буровое долото 10 содержит первую и вторую поверхности 38, 44 уплотнения, образованные, соответственно, на конической шарошке 12 и шейке 20 бурового долота 10, а также уплотнение 30, выполненное из материала с памятью формы, обеспечивающее динамическое уплотнение между первой и второй поверхностями 38, 44 уплотнения с контактом типа «металл-металл» между уплотнением 30, выполненным из материала с памятью формы, и каждой из поверхностей 38, 44 уплотнения.
Материал с памятью формы может содержать сплав с памятью формы и/или полимер с памятью формы. Нагревание материала с памятью формы может инициировать переход материала с памятью формы в аустенитную фазу. Однако материал с памятью формы может быть в фазе аустенита или мартенсита и при температурах внутри скважины.
Несмотря на то, что выше были раскрыты различные примеры, при этом каждый пример имел конкретные признаки, следует понимать, что совсем необязательно, чтобы конкретный признак одного примера был использован только с этим примером. Наоборот, любой из раскрытых выше и/или изображенных на чертежах признаков может быть скомбинирован с любым из примеров, в дополнение или взамен любого другого признака этих примеров. Признаки, приведенные в одном примере, не являются взаимоисключающими для других признаков, приведенных в другом примере. Наоборот, объем настоящего изобретения охватывает любую комбинацию этих признаков.
Несмотря на то, что каждый раскрытый выше пример содержит определенную комбинацию признаков, следует понимать, что совсем необязательно, чтобы были использованы все признаки одного примера. Наоборот, любой из раскрытых выше признаков может быть использован без любого другого конкретного признака или признаков.
Следует понимать, что различные варианты осуществления, раскрытые в настоящем разделе, могут быть использованы в различных направлениях, например, наклонных, обратных, горизонтальных, вертикальных и т.д. и в различных конфигурациях, без отклонения от принципов настоящего изобретения. Варианты осуществления раскрыты лишь как примеры полезного использования принципов настоящего изобретения, не ограничивающегося какими-либо конкретными деталями настоящих вариантов осуществления.
В приведенном выше раскрытии примеров, термины направления (такие как «выше», «ниже», «верхний», «нижний» и т.д.) используют для удобства понимания прилагаемых чертежей. Однако следует понимать, что объем настоящего изобретения не ограничивается какими-либо конкретными направлениями, раскрытыми в разделе.
Термины «включающий в себя», «включает в себя», «содержащий», «содержит» и им подобные используют в настоящем раскрытии в неограничивающем значении. Например, если система, способ, аппарат, устройство и т.д. раскрыты, как «включающие в себя» определенный признак или элемент, то система, способ, аппарат, устройство и т.д. может включать в себя этот признак или элемент, а также может включать в себя другие признаки или элементы. Аналогично, термин «содержит» подразумевает «содержит, но не ограничивается этим».
Конечно, специалисту в данной области техники, после тщательного изучения приведенного выше описания представительных вариантов осуществления настоящего раскрытия, будут очевидны различные модификации, дополнения, замены, исключения и другие изменения, которые могут быть выполнены в конкретных вариантах осуществления, и такие изменения предусмотрены принципами настоящего изобретения. Например, конструкции, раскрытые, как сформированные отдельно, в других примерах могут быть сформированы единым целым, и наоборот. Соответственно, предшествующее раскрытие подлежит пониманию, так как приведено посредством примера и иллюстративного материала, идея и объем настоящего изобретения ограничиваются исключительно прилагаемой формулой изобретения и ее эквивалентами.