[发明专利]用于井下工具的非金属滑动部件的表面硬化处理

说明书

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“Hard Surfacing 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。