CN103981503A - 用于井下工具的非金属滑动部件的表面硬化处理 - Google Patents

Abstract

一种对用于井下工具的滑动部件进行表面硬化处理的方法以及用于井下工具的滑动部件。用于井下工具的滑动部件具有经表面硬化处理的支承表面。能够是在封隔器、桥塞、或者其它井下工具上使用的滑动机构的滑动件或者其它部件的滑动部件由诸如塑料、复合材料或者陶瓷的非金属基础材料组成。为了对滑动部件进行表面硬化处理，相对于离子溅射装置对至少支承表面进行定位。首先，通过将中间材料离子溅射到滑动部件的非金属基础材料上将中间层结合到支承表面上。然后，相对于电火花加工装置对滑动部件的支承表面进行定位，电火花加工装置具有由被选择用以在滑动部件上进行沉积的外部材料组成的电极。通过使用电火花加工装置，将外层结合在至少支承表面上。

Description

用于井下工具的非金属滑动部件的表面硬化处理

相关申请的交叉引用

本申请与具有代理人案号No.205-0327US并且标题为“HardSurfacing Metallic Slip Components for Downhole Tools”的美国申请_/____同时提交，该申请的全部内容通过参引的方式并入本文。

技术领域

本发明涉及对用于井下工具的滑动部件进行表面硬化处理的方法以及用于井下工具的滑动部件。

背景技术

井下工具使用滑动件来与套管接合并且将井下工具保持就位。例如，封隔器是一种使用滑动件的井下工具。封隔器主要使用在油井和天然气井中来将不同生产区隔开。在封隔器上，滑动件在封隔器与套管或者井孔之间提供摩擦保持，当遭受高压、高温、以及作用力时，该摩擦保持有助于将封隔器保持就位。封隔器和相关的滑动件是或永久性的或可回收的。

永久性封隔器通常制造成本较低并且通常能够承受高压和高温。相反地，可回收封隔器能够通过使用液压或者机械的方式“复原”。在封隔器“复原”之后，其能够利用管件或者工作管柱沿孔向上带出。因为将可回收封隔器设计成可再次使用，所以可回收封隔器通常更复杂并且具有更多的机械零件。

因为其是永久性的，所以永久性封隔器通常通过碾磨或者钻孔来损坏它而将其去除。换言之，永久封隔器设计成一次性使用并且将其损坏而将其去除。因此，需要用更易碾磨或者钻孔的材料构造永久性封隔器。更易碾磨或者钻孔的材料的示例由诸如复合材料、陶瓷或者塑料的非金属材料制成。能够使用诸如超高分子量聚乙烯（UHMW）、聚四氟乙烯（PTFE）或者类似的工程级塑料的塑料，因为它们具有高分子量和长分子链，尽管也可以使用其它热塑聚乙烯。

一般来说，越易碾磨/钻孔的材料强度越差，并且因此越不能承载。因此，用更耐用的金属材料形成永久性封隔器会使永久性封隔器更坚固。但是，更高的强度意味着更难对永久性封隔器进行碾磨或者钻孔来去除它。封隔器的更高的强度意味着需要更多的安装钻机时间来对封隔器进行碾磨或者钻孔以将其去除。因此，在使用由金属材料组成的永久性封隔器之间存在内在的矛盾，因为当不再需要封隔器时，消耗大量时间来碾磨或者钻孔。因为安装钻机时间是昂贵的，所以额外的安装钻机时间的额外的费用能够等于或者超过与可回收封隔器相比通过使用永久性封隔器所节约的费用。

使用更耐用的材料也能够导致当对金属材料进行钻孔或者碾磨时发生被称为“钻头寻迹（bit tracking）”的问题。在钻头寻迹时，用于碾磨工具的钻头停留在一个路径上并且不再切割需进行钻孔或者碾磨的材料。当发生这种情况时，应适当地拾起钻头并且快速地再次接触正进行钻孔的材料。在钻头寻迹时，可以去除一些材料，但是实际上，钻头仅抵靠井下工具的表面进行磨损。实质上，在钻头寻迹时，钻头旋转，但是不能适当地切割需去除的封隔器或者其它材料。不幸地，操作者在表面不容易观察到钻头寻迹发生与否，因为即使未对需钻孔的封隔器或者其它材料进行钻孔或者碾磨，钻头仍继续正常旋转。

当需要密封井的套管或者井孔中的管件或者其它管道时，例如当需要将水泥或者其它浆料泵送至地层中时，可以使用井下工具。在此情形中，适当的是相对井套管对管件进行密封并且防止浆料的流体压力将管件提升出井。封隔器、桥塞等设计用于这些常规目的。滑动机构是以下装置：其在这些井下工具上使用以与井孔接触并且将井下工具在基本上没有移动的情况下保持在井孔中并且如上所述阻碍流动或者压力。通常，滑动机构用于与井孔接触来将井下工具在基本上没有运动情况下保持在井孔中。

在现有技术中使用的现有滑动机构包括T式、液压式、以及箭式滑动机构，将对它们进行简要描述。

图1A至图1B示出了根据现有技术的T式滑动机构10。机构10包括多个滑动部件，例如T式滑动件20、圆锥体30、以及保持架40——T式滑动件20、圆锥体30、以及保持架40中的每一者布置在封隔器12等的心轴14上。T式滑动件20具有搭接端部24和T式端部28，搭接端部24和T式端部28通过颈部22相互连接。保持架40中的滑动槽42保持T式端部28，而圆锥体30中的槽32保持搭接端部24。具体地，搭接端部24具有肩部或者突部25（图1），该肩部或者突部25在保持架的槽32中的凹槽35中行进。

当圆锥体30更靠近滑动保持架40机械或者液压移动时，T式滑动件20设定到套管壁中。为此，滑动件的搭接端部24具有由圆锥体30推动的斜面边缘27。

图2A至图2B示出了根据现有技术的液压式滑动机构110。机构110包括多个滑动部件，例如液压式滑动件120、圆锥体130、以及保持架140——液压式滑动件120、圆锥体130、以及保持架140中的每一者设置在封隔器12等的心轴14上。液压式滑动件120围绕心轴14配合并且具有搭接面124a至124b，搭接面124a至124b配合穿过保持架140中的滑动槽142。弹簧160沿滑动件120的长度设置在中央通道122中并且座置在滑动槽142中的中央条带144之下。当圆锥体130已经被拉出离开设定位置时，通常是叶片式弹簧的此弹簧将滑动件120向收回位置偏压。但是，如设定位置中所示，液压式滑动件120在其外面上具有搭接部126，搭接部126能够设定到附近的套管壁（未示出）中。

为了将液压式滑动件120设定到套管壁中，圆锥体130向滑动保持架140下面也向液压式滑动件120下面进一步移动（通常通过液压致动）。在圆锥体130上的斜面边缘137推靠滑动件120的斜面端部127。因此，圆锥体130应当滑动到滑动保持架140下面以将滑动件120推动通过滑动槽142。

图3A至图3B示出了根据现有技术的箭式滑动机构210。此机构210包括多个滑动部件，例如箭式滑动件220、圆锥体230、以及保持架240——箭式滑动件220、圆锥体230、以及保持架240中的每一者设置在封隔器12等的心轴14上。箭式滑动件220围绕心轴14配合并且具有搭接端部224和配合端部228，搭接端部224和配合端部228通过颈部222相互连接。配合端部228配合在保持架240中的类似成形的槽242中，而颈部222配合在保持架240的边缘上的肩部区域224之下。当圆锥体230更靠近滑动保持架240机械或者液压地移动时，箭式滑动件220设定到套管壁中。具体地，滑动件220的搭接端部224在其内侧上包括斜面边缘227。当圆锥体230朝向保持架240移动时，圆锥体斜面边缘237与滑动件的斜面端部227接合，将滑动件的搭接端部224推动到套管壁中。当滑动件220设定时，在滑动件的搭接端部224上的搭接部226设定到周围的套管壁（未示出）中。无论滑动件220设定与否，保持架240通过这些滑动槽242保持连接至箭式滑动件222的配合端部228。

滑动件的要求是滑动件咬合或者锁定在工具中；主要示例是用于将封隔器锁定在套管或者井孔中的所选择的位置中的封隔器滑动件。问题是使滑动件易于通过碾磨或者钻孔技术去除，由此削减井构型、完成时间、以及成本。

现有技术的滑动件已经由灰色和可延展式的铸铁制成。这些铸铁可更易于进行碾磨/钻孔，但是，仍需要大量碾磨/钻孔时间。最近以来，滑动件已由胶合在复合滑动基体中的陶瓷咬合元件制成。在复合材料滑动件中的加工是允许的但未被证实，因为复合材料滑动件基础材料可能存在延展性问题。因此，这些解决方法在此未提出理想的解决方法。

另外，已知通过对表面进行阳极化处理以形成阳极化处理的金属涂层来对铝制金属封隔器的表面进行硬化处理。但是，这是有问题的，因为已经发现阳极化处理产生仅仅几埃或几微米的非常薄的涂层。因为这是相对薄的层，所以滑动件不易与基底附着。离子溅射也已经用于形成金属涂层。但是，这也仅产生几埃或者几微米量级的薄基底，也已经发现其缺少足够的强度。

本公开的主题涉及克服或者至少缓解上文所提到的问题中的一个或者更多个。

发明内容

用于井下工具的滑动部件具有已表面硬化处理的支承表面。滑动部件能够是在封隔器、桥塞、或者其它井下工具上使用的滑动机构的滑动件或者其它部件。事实上，滑动部件能够是井下工具的滑动机构的滑动件、圆锥体和/或保持架并且甚至能够包括井下工具的心轴的与滑动机构相邻的部分。不管怎样，滑动部件由诸如塑料、复合材料、以及陶瓷的非金属基础材料组成。

为了对滑动部件进行表面硬化处理，相对于离子溅射装置对滑动部件的至少支承表面进行定位，离子溅射装置包括离子枪和靶材料。支承表面能够是滑动件的用于与井下管状物接合的抓紧表面，但是受到磨损、摩擦等的任何支承表面能够受益于所公开的技术。通过使用离子溅射装置，通过将中间材料离子溅射到非金属基材料上，将中间层结合在滑动部件的至少支承表面上。中间材料能够是镍、铁、钴、金、银、这些金属的合金或者结合。

在与中间层结合之后，相对于电火花沉积装置对至少支承表面进行定位，电火花沉积装置具有由用于在滑动部件上沉积所选择的外部材料组成的电极。通过使用电火花沉积装置，通过将电极的外部材料电火花沉积至中间层的金属材料将外层至少结合在中间层上。

在将外部材料电火花沉积至基础材料时，在外部材料与金属基础材料之间形成冶金结合，在金属基础材料中，滑动部件的整体温度很好地保持在基础材料的熔点以下。这样，滑动部件的整体温度能够保持在危害其结构的温度以下。例如，如果整体温度超过约250℃并持续任何足够长的时间，那么会对使用热固树脂的复合滑动节段造成损坏。

多种外部材料能够用于电火花加工，这些材料包括但不限于金属材料、金属陶瓷材料、陶瓷材料、表面硬化合金、钴基表面硬化合金、铁基表面硬化合金、镍基表面硬化合金、不锈钢、镍超合金、以及钴基合金，例如（司太立）金属合金。（STELLITE是DELOROSTELLITE控股公司的注册商标）。如一些具体示例，表面硬化合金能够是可从印第安纳州的戈申的Stellite Coatings（司太立涂层）购买的UNS R30001、UNS R30035、以及UNS N99646。

能够通过对外层进行表面处理来诱发压应力或者消除拉应力来进一步增大外层的至少一部分的硬度。例如，对外层进行表面处理能够涉及使用机械过程例如喷丸硬化、喷丸加工、以及抛光，或者能够涉及使用非机械过程例如超声冲击硬化以及激光冲击硬化。

前述概要无意于概括本公开的每个潜在实施方式或者每方面。

附图说明

图1A示出了具有根据现有技术的T式滑动机构的井下工具的部分截面。

图1B示出了图1A的T式滑动件的立体图。

图2A示出了具有根据现有技术的液压式滑动机构的井下工具的部分截面。

图2B示出了图2A的液压式滑动件的立体图。

图3A示出了具有根据现有技术的箭式滑动机构的井下工具的部分截面。

图3B示出了图3A的箭式滑动件的立体图。

图4示出了对根据本公开的滑动部件进行表面处理的离子溅射系统的示意图。

图5A示出了在诸如图4中示出的离子溅射系统通过使用离子溅射已经将中间层沉积至部件的至少支承表面之后的滑动部件。

图5B示出了图5A的滑动部件的详细视图。

图6示出了对根据本公开的滑动部件进行表面处理的电火花沉积系统的示意图。

图7示出了在图6的电火花沉积系统通过使用电火花加工已经将硬外层沉积至通过使用离子溅射所沉积的中间层之后的滑动部件的详细视图。

图8示出了已将表面处理施加于抓紧或者支承表面的滑动部件。

具体实施方式

图4示出了根据本公开的离子溅射系统400的示意图。离子溅射系统400包括室C、离子枪410、以及靶420，用以在表面硬化处理过程中将中间层施加至工件320，工件320是用于井下工具的非金属滑动部件。在此示例中，工件320是非金属滑动部件，例如在诸如封隔器、桥塞等的井下工具上使用的滑动机构的部件，并且更具体地，工件320是用于滑动机构的滑动件，例如箭式滑动件。尽管本示例针对滑动件的表面硬化处理，但是就本公开的优势而言，可以理解，本公开所公开的表面硬化处理过程能够施加于井下工具的任何滑动部件（或者任何部件），该井下工具具有能够受益于表面硬化处理的支承表面。

由离子溅射系统400执行的真空溅射是将薄层的结合材料沉积到基底上的已被广泛接受的方法。根据此技术，在室C中，离子束从离子枪410射到靶420处。优选地，室C保持近乎于真空状态。离子对靶420产生的冲击使得靶材的原子从靶材上射出并且沉积到滑动件320的表面324上。靶420的示例材料包括镍、铁、金和银以及这些材料的合金或者结合。

图5A至图5B示出了在图4的离子溅射系统400通过使用离子溅射已经将中间层450沉积至滑动件320的表面324之后的非金属滑动件320。离子溅射金属层450能够具有五千埃至一万埃的量级的厚度。因为离子溅射过程在基底材料上输入低热量并且能够使所述层附着至基底——在此情形中该基底是滑动件320的非金属抓紧部段326，所以离子溅射是施加金属层450的优选过程。具有高热量输入的过程可能对非金属抓紧部段326的下层材料造成损坏，这是因为热量输入可使下层材料熔化。但是，如果除了离子溅射的其它过程具有足够低的热量输入使得不会熔化或者损坏非金属滑动件320的下层材料并且能够附着于非金属滑动件320的下层材料，那么可以使用这些过程。

对此部分，据信，离子溅射过程不应当将下层基础材料的温度提升到危害其结构的温度以上。危害基础材料的结构的实际温度取决于所涉及的具体基础材料、基础材料所暴露的时间段、以及其它因素。一般来讲，危害温度可以是基础材料的固相线温度、熔点温度、或者基础材料的物理性能（例如，硬度、分子组成、晶体结构、机械结合、基体等）进行不利变化的其它温度。例如，如果整体温度超过约250℃并持续任何相当长的时间，则可能对使用热固树脂作为基础材料的复合滑动节段造成损坏。

在利用离子溅射过程进行处理以施加中间层450之后，随后能够利用先前根据图4公开的电火花过程对滑动件320进行处理来施加外部电火花加工层。具体地，图6示出了根据本公开的用于对非金属滑动部件320进行表面硬化处理的电火花沉积系统500的示意图。电火花沉积也被称为电火花硬化、电火花韧化、电火花合金化、脉冲熔融表面处理、以及脉冲电极表面处理。一般而言，电火花沉积是脉冲微焊过程，脉冲微焊过程通过使用快速电源放电来实现金属从电极向接触表面的转移。其它“脉冲”技术，例如冲击焊接和磁脉冲焊接也通过使用“脉冲”转移少量材料来实现金属转移。

电火花系统500包括控制单元510，控制单元510连接至非金属滑动件320和电极514，电极514能够相对于滑动件320定位以及运动。与电极514相关的参数和来自控制单元510的电能控制成使得在电极顶端524中、和滑动件320中、以及特别是在需要由电火花过程沉积材料的位置526处产生受控的静电力。

更具体地，电极514相对于滑动件320定位成使得静电力与辉光放电条件基本上相同。随后，电极514前进成与滑动件320的表面接触并且随后快速收回以在滑动件320与电极514之间产生火花弧。优选地，控制该过程使得在电极514与工件512之间没有显著电流流动。以此方式，仅由火花弧本身产生滑动件320的主要加热作用。此加热作用基本上仅在电极514已经接触滑动件320的位置处发生，并且在此处将迅速发生空气淬火，如美国专利No.4,551,603中所教导的。

在电火花过程中，也控制参数使得火花弧具有使电极514的一部分熔化的足够的能量。电极的顶端524是阳极并且优选地具有非常小的面积使得弧火花能够使电极514的顶端524熔化但是并不大幅地加热滑动件320。随着电极514从滑动件320收回，电极材料534的沉积留在了滑动件的表面324上。重复此过程直到滑动件320的所需区域已经具有沉积在其上的电极材料534。这些沉积可以被认为是少量的所需表面处理材料从接触电极414到滑动件320的表面324的转移。最后，这些微焊将重叠，从而产生结合至滑动件320的下层材料的完整的新硬化表面。

图7示出了在电火花沉积系统500通过使用电火花已经将金属外层550沉积到通过使用离子溅射所沉积的金属基底层450之后的图5B的滑动部件320的示例。如上所述，电火花沉积涉及诸如金属的所需表面处理材料的少量熔融微滴从接触电极（514）到滑动件320的表面324的转移。这些微焊重叠，从而产生完整的新表面。另外，因为电火花材料结合至滑动件的表面324的金属基底，所以由离子溅射表面处理形成冶金结合。这与诸如电弧喷射或者高速燃料增氧过程的其它低热量输入过程形成对比。

如上所述，电极材料的沉积留在滑动件的表面324上以形成电火花加工层550。电极沉积材料能够包括金属材料、金属陶瓷材料、或者陶瓷材料，并且能够包括金属碳化物、金属氮化物、或者金属硼化物。一个优选示例是烧结碳化钨，其包括金属碳化物和基体延展性金属。可替代地，也可以使用表面硬化合金例如钴基、铁基、或者镍基表面硬化合金。这些合金的具体示例包括UNS R30001、UNS R30035或者UNSN99646。在附加的替代方案中，可以使用：镍合金，例如Ni超合金；不锈钢合成物，例如马氏体不锈钢；或者钴基合金（例如（司太立））。

在改进电火花加工层550的硬度的附加实施方式中，能够通过机械加工例如喷丸硬化、喷丸加工、以及抛光进一步改进电火花加工层550的材料性能。也能够使用非机械过程，例如超声冲击硬化和激光冲击硬化。进一步加工能够通过诱发压应力或者消除拉应力增大电火花材料层的至少一部分的硬度。

如上所述，电火花过程具有极低的热量输入。据信，该过程产生远离电极514和滑动件的表面324的结合相接部的几摄氏度的量级的最大温度上升。因此，此低热量输入过程不改变非金属滑动件320的完整，但是在硬外表面与介入离子溅射基底结合材料层之间产生冶金结合。据信，所公开的过程产生硬化区，其不局限于低结合强度例如12000psi或更低。

如上所述，滑动部件的多个部分能够是根据文中所公开的技术进行处理的硬化表面。图8示出了滑动件320例如箭式滑动件，其中，所公开的过程已经施加至咬边或者表面326，其也被称为滑动件320的抓紧表面。滑动件320的其它支承表面可以受益于本公开所公开的表面硬化处理。例如，滑动件320的端部上的斜面327能够根据本公开进行处理。因此，本领域中普通技术人员可以理解，在下方主要冶金地结合至中间层的硬外层能够提供改善的耐磨性、耐腐蚀性、以及另外的抗剪切和形变性能使得滑动部件的任何支承表面能够受益于所公开的处理。

另如上所述，所公开的过程也能够用于硬化多种滑动件，例如T式滑动件、液压式滑动件、或者箭式滑动件。实际上，所公开的过程也能够用于硬化滑动部件或者甚至至少部分由非金属材料制成的诸如封隔器的井下工具的任何支承表面。例如，所公开的过程能够用于井下工具的圆锥体、测量环、心轴、或者类似部件。

优选的和其它实施方式的前文描述无意于限制或者约束由申请人设想的本发明原理的范围或者应用。就本公开的优势而言，可以理解，上文根据所公开的主题的任何实施方式或者方面所描述的特征能够单独使用或者与所公开的主题的任何其它实施方式或者方面中的任何其它所公开的特征联合使用。

为了公开文中包含的本发明原理，申请人要求所附权利要求提供的所有专利权。因此，意在使所附权利要求包括在下列权利要求或其等同物的范围内对本公开的所有最大限度的改型和变型。

Claims (16)

1.一种对用于井下工具的滑动部件进行表面硬化处理的方法，所述滑动部件具有支承表面并且由基础材料组成，所述基础材料是非金属的，所述方法包括：

对所述滑动部件的至少所述支承表面进行定位用以进行表面硬化处理；

通过将中间材料离子溅射到所述非金属基础材料上使中间层结合到至少所述支承表面上；以及

通过将外部材料电火花沉积至所述中间层的至少所述中间材料而将外层至少结合在所述中间层上。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，对所述滑动部件的至少所述支承表面进行定位用以进行表面硬化处理包括相对于离子溅射装置对至少所述支承表面进行定位。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，对所述滑动部件的至少所述支承表面进行定位用以进行表面硬化处理还包括相对于电火花沉积装置对至少所述支承表面进行定位。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述外部材料电火花沉积至所述基础材料包括在所述外部材料与所述中间材料之间形成冶金结合。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述外部材料电火花沉积至至少所述中间材料包括将所述滑动部件的整体温度保持在危害所述非金属基础材料的结构的温度以下。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述中间材料离子溅射到所述支承表面上包括将所述滑动部件的整体温度保持在危害所述非金属基础材料的结构的温度以下。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述滑动部件的所述基础材料选自由塑料、工程级塑料、复合材料、以及陶瓷构成的组。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，中间材料包括镍、铁、钴、金、银、所述这些金属的合金或者其组合。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述外部材料选自由碳化物、氮化物、硼化物、烧结碳化钨、表面硬化合金、钴基表面硬化合金、铁基表面硬化合金、镍基表面硬化合金、不锈钢、镍超合金、以及钴基合金构成的组。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述钴基合金选自由UNSR30001、UNS R30035、以及UNS N99646构成的组。

11.根据权利要求1所述的方法，还包括通过对所述外层进行表面处理以诱发压应力或者消除拉应力来增大所述外部材料的所述外层的至少一部分的硬度。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，对所述外层进行表面处理包括：

使用选自由喷丸硬化、喷丸加工、以及抛光构成的组的机械过程；或者

使用选自由超声冲击硬化和激光冲击硬化构成的组的非机械过程。

13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述滑动部件包括所述井下工具的滑动机构的至少一个滑动件，并且其中，所述支承表面包括所述至少一个滑动件的抓紧表面。

14.根据权利要求1所述的方法，其中，所述滑动部件选自由所述井下工具的滑动机构的滑动件、圆锥体、以及保持架构成的组。

15.根据权利要求1所述的方法，其中，所述滑动部件包括所述井下工具的心轴的与所述井下工具的滑动机构相邻的至少一部分。

16.一种用于井下工具的滑动部件，所述滑动部件由基础材料组成并且具有支承表面，所述基础材料是非金属的、具有固相线温度、并且具有熔点，至少所述支承表面通过下述步骤进行处理：

对所述滑动部件的至少所述支承表面进行定位用以进行表面硬化处理；

通过将中间材料离子溅射到所述非金属基础材料上使中间层结合到至少所述支承表面上；以及

通过将外部材料电火花沉积至所述中间层的至少所述中间材料而将外层至少结合在所述中间层上。