用于井下工具的金属滑动部件的表面硬化处理制造技术

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镁、铝、铝合金、或者镁合金的金属基础材料组成。为了对滑动部件进行表面硬化处理，相对于电火花装置对至少支承表面进行定位。通过使用电火花装置，外层至少结合在支承表面上。在另一实施方式中，首先，通过将中间材料离子溅射到滑动部件的金属基础材料上能够将中间层结合到至少支承表面上。然后，通过电火花沉积能够将外层至少结合在中间层上。

【技术实现步骤摘要】
用于井下工具的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N0.205-0326US并且标题为“Hard SurfacingNon-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。
本专利技术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。
技术介绍
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不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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，所述基础材料是金属的，所述方法包括：相对于电火花沉积装置对所述滑动部件的至少所述支承表面进行定位；以及通过将外部材料电火花沉积至所述基础材料而将外层至少结合在所述支承表面上。

【技术特征摘要】
2013.02.07 US 13/762,2071.一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，所述基础材料是金属的，所述方法包括: 相对于电火花沉积装置对所述滑动部件的至少所述支承表面进行定位；以及 通过将外部材料电火花沉积至所述基础材料而将外层至少结合在所述支承表面上。2.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金属基础材料之间形成冶金结合。3.根据权利要求2所述的方法，其中，形成所述冶金结合包括将所述滑动部件的整体温度保持在所述基础材料的熔点以下。4.根据权利要求3所述的方法，其中，将所述滑动部件的整体温度保持在所述熔点以下包括将所述滑动部件的整体温度保持在危害所述滑动部件的设计强度水平的温度以下。5.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镁、铝、铝合金、以及镁合金构成的组。6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述铝合金选自由6000系列铝合金构成的组。7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述铝合金是铝合金6061-T6。8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电火花加工的外部材料包括金属材料、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 、以及钴基合金中的至少一者。9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述钴基合金选自由UNSR3000UUNS R30035、以及UNS N99646构成的组。10.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而增大所述外层的至少一部分的硬度。11.根据权利要求10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。12.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。13.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。14.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。15.一种用于井下工具...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗伯特·P·巴德拉科，
申请(专利权)人：韦特福特兰姆有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US