專利名稱：用來(lái)將一形狀記憶材料件置入一空腔內(nèi)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種將形狀記憶材料件置入空腔內(nèi)的方法。
西德專利說(shuō)明書3544128號(hào)已指出過(guò)，利用形狀記憶材料的套筒來(lái)提供一種管道連接件，此連接件在安裝之前保持在低溫下時(shí)予以拉伸，隨即在安裝上后使之加熱到記憶材料的相轉(zhuǎn)變溫度之上，引致此套筒環(huán)繞待連接之管道端部收縮。
但在許多情況下，上述管道的外部可能是難以接近的，例如，當(dāng)此管道構(gòu)成從油井開采烴類物質(zhì)所用地表下管列的一部分時(shí)便是如此。除此，有可能需將形狀記憶材料件安裝到無(wú)外殼的鉆孔或其它環(huán)繞地洞構(gòu)造而形成的空腔內(nèi)。然后須將此形狀記憶材料件在空腔內(nèi)移過(guò)相當(dāng)一段距離，最后使之安置在空腔內(nèi)的所述位置上。
這樣，本發(fā)明的目的之一在于提供一種方法，將一形狀記憶材料件置入空腔內(nèi)，同時(shí)避免它在運(yùn)進(jìn)空腔的過(guò)程中發(fā)生纏繞。
本發(fā)明的這一方法包括使此形狀記憶材料件成為適合用于空腔內(nèi)的展開形式，同時(shí)讓此材料件處在高于該材料本身的相變換溫度之上;
將此形狀記憶材料件冷卻至該相變換溫度之下;
使此形狀記憶材料件變形至緊縮形狀，得以自由地通過(guò)空腔運(yùn)動(dòng)并能附著在一運(yùn)動(dòng)裝置上;
使附著有此形狀記憶材料件的上述裝置通過(guò)空腔，同時(shí)保持此材料件的溫度在該相轉(zhuǎn)變溫度之下;
驅(qū)使上述運(yùn)動(dòng)裝置移至擬放置此形狀記憶材料的位置;
將此材料件加熱到該相轉(zhuǎn)變溫度之上，同時(shí)讓此形狀記憶材料返回至其展開形式;
從空腔內(nèi)撤出運(yùn)動(dòng)裝置。
在本說(shuō)明書及權(quán)利要求書中，應(yīng)將“空腔”一詞理解為任何這樣的受限空間，它只能通過(guò)一狹窄的或細(xì)長(zhǎng)的入口接近，例如用來(lái)輸送流體的細(xì)長(zhǎng)管道列或管子，鉆入地表面下結(jié)構(gòu)內(nèi)用來(lái)生產(chǎn)烴類物質(zhì)的有外殼或無(wú)外殼的鉆孔等。所說(shuō)空腔可以是這些管道列或鉆孔本身的一部分，在此種情況下，空腔實(shí)際上呈管狀形式并與空腔進(jìn)口具同一寬度。
最好是使此記憶材料件包括一由記憶金屬或合金構(gòu)成的板件，此板件在輸入空腔之前變形，通過(guò)卷軸、彎曲或折疊方式使之緊縮，致使此已變形板件的外部寬度小于空腔和空腔進(jìn)口的內(nèi)部寬度。
本發(fā)明的方法最好包括以下步驟使包括一板狀的形狀記憶材料的構(gòu)件在其溫度高于此材料的相變換溫度時(shí)，預(yù)成形為大致的管狀形式，使得此構(gòu)件安裝就位后，常能貼靠住空腔的內(nèi)壁展開;
在將上述構(gòu)件的溫度保持到該相變換溫度以下時(shí)，把它圍繞一運(yùn)動(dòng)裝置的一部分卷曲，同時(shí)讓此裝置移動(dòng)到空腔之內(nèi);
加熱此構(gòu)件到所說(shuō)變換溫度之上，導(dǎo)致它在其欲達(dá)位置處貼靠空腔內(nèi)壁展開;然后使此運(yùn)動(dòng)裝置與已展開的這一構(gòu)件分離。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，則是將一形狀記憶材料的管狀件冷卻到其相轉(zhuǎn)變溫度之下時(shí)，圍繞運(yùn)動(dòng)裝置卷曲成瓦楞形，得以在此已變形的形狀記憶材料件與空腔進(jìn)口之間，當(dāng)前者輸入到后者內(nèi)的過(guò)程中，形成有足夠的間隙。在記憶材料件安裝到空腔內(nèi)的位置處，把它加熱到相轉(zhuǎn)變溫度之上，使得此材料件再次從卷曲狀態(tài)舒張開向返回至其原始管狀形式。
在本說(shuō)明書及權(quán)利要求書中，述及的記憶材料定義為在某一變換溫度下變形的材料。這類記憶材料已描述在下述美國(guó)專利號(hào)中3012882，3174581，3351463，3567523，3753700，3783037，4036669與4146392。
上列專利所述的記憶材料中，多數(shù)是記憶金屬或合金，它們?cè)谵D(zhuǎn)變溫度下從馬氏體相變至奧氏體或反之。正如上述專利中所說(shuō)，對(duì)于某些組成的記憶材料來(lái)說(shuō)，此種轉(zhuǎn)變溫度是由一定的溫度范圍構(gòu)成，在此范圍內(nèi)，這類記憶材料由于緩慢的相變而漸變其形狀。一般，此種記憶材料件是在其為奧氏體時(shí)進(jìn)行預(yù)成形，然后冷卻至其處于向馬氏體變換的過(guò)程，繼之在其保持為馬氏體的狀態(tài)下變形。當(dāng)此記憶材料件加熱至其轉(zhuǎn)變溫度之上時(shí)，它便會(huì)返回到原來(lái)預(yù)成形的構(gòu)型。
應(yīng)知此種記憶材料件可以含純記憶金屬或合金之外的其它材料。例如，此種記憶材料件可以由一種復(fù)合材料構(gòu)成或是由一種記憶金屬與其它材料的交迭層組成的疊層件。
現(xiàn)在將參考附圖對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)解釋，在附圖中，

圖1示明在一空腔內(nèi)載有呈卷軸式結(jié)構(gòu)之形狀記憶材料的運(yùn)動(dòng)裝置;
圖2是圖1所示裝置沿Ⅱ-Ⅱ線的剖面圖，圖3是載有形狀記憶材料折疊式構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)裝置的剖面圖。
現(xiàn)來(lái)參考圖1，其中所示的運(yùn)動(dòng)裝置1載有一形狀記憶材料的卷軸式構(gòu)件2。
運(yùn)動(dòng)裝置1包括一圓柱狀的中部3和兩個(gè)端部4與5，圍繞后者分別安裝上保護(hù)用的穩(wěn)定器6與7。運(yùn)動(dòng)裝置1是由一金屬線8下懸至鉆孔或管道列之類的管狀空腔10之內(nèi)。另一種情形下，此運(yùn)動(dòng)裝置可以為一管道列所攜載或構(gòu)成此管道列的一部分，這樣的管道列如是鉆孔管筒列或是小尺寸的連續(xù)式管子。
穩(wěn)定器6與7保護(hù)此種形狀記憶材料構(gòu)件，在運(yùn)動(dòng)裝置下降到構(gòu)件2的安裝位置過(guò)程，不會(huì)觸及空腔壁。在此下降過(guò)程中，構(gòu)件2卷繞住運(yùn)動(dòng)裝置1的柱形狀中部3，并能為亦由形狀記憶材料制成的夾子12保持就位。
下面說(shuō)明，在將此運(yùn)動(dòng)裝置1降落到鉆孔9之前，把形狀記憶材料構(gòu)件2繞此運(yùn)動(dòng)裝置固定好的步驟;以及當(dāng)裝置1已到達(dá)構(gòu)件2欲達(dá)位置，使構(gòu)件2與裝置1分開的步驟。
使形狀記憶材料構(gòu)件2的表面上取這樣一種展開形狀，它大致符合該構(gòu)件將放入的鉆孔段或管道列的大致輪廓。為此，可將一形狀記憶材料的矩形板繞一圓柱狀體卷曲，此柱狀體的直徑相當(dāng)于鉆孔或管道列的內(nèi)部寬度。在上述將形狀記憶材料件預(yù)成形的工序中，使構(gòu)件2的溫度保持在高于其奧氏體-馬氏體的轉(zhuǎn)變溫度。此轉(zhuǎn)變溫度能通過(guò)改變形狀記憶材料的組成影響其變化。當(dāng)用在生產(chǎn)烴類物質(zhì)的油井中時(shí)，取決于該形狀記憶材料構(gòu)件的實(shí)際放置位置和使用情況，這一轉(zhuǎn)變溫度一般確定在約50°至100℃之間。
在構(gòu)件2的上述預(yù)成形工序之后，即將此構(gòu)件冷卻到奧氏體-馬氏體的轉(zhuǎn)變溫度之下。
現(xiàn)在，此形狀記憶材料處于馬氏體狀態(tài)，易于變形并以圖2所示方式卷繞到運(yùn)動(dòng)裝置1上。
必要時(shí)，可將記憶材料構(gòu)成的夾子12依同樣方式預(yù)成形，使得此夾子能松開此構(gòu)件;而當(dāng)夾子12冷卻到低于奧氏體-馬氏體轉(zhuǎn)變溫度，成為圖1所示形狀時(shí)，便夾合在構(gòu)件2的外周。
隨后，當(dāng)形狀記憶材料件的溫度保持在低于其奧氏體-馬氏體的轉(zhuǎn)變溫度以下時(shí)，即令此運(yùn)動(dòng)裝置1下降進(jìn)入鉆孔9中。當(dāng)運(yùn)動(dòng)裝置1定位到構(gòu)件2欲達(dá)的位置上時(shí)，即可采用例如直接或間接的電激勵(lì)加熱器或微波源(未示明)，把它加熱到高于記憶材料的奧氏體-馬氏體轉(zhuǎn)變溫度之上。這時(shí)，夾子12從構(gòu)件2上脫開，而構(gòu)件2便貼靠空腔10的壁部鋪攤至其展開形狀。
可以有多種方式將展開的構(gòu)件2貼靠井壁10封接。例如，可將一撓性材料的管套(未示明)繞套在構(gòu)件2的至少是其端部上，此種管套浸漬有適當(dāng)?shù)恼澈蟿?，例如商品名為EpIKOTE的一種粘合劑。在構(gòu)件2貼靠空腔壁展開后，此種粘合劑便從管套內(nèi)釋放出，使構(gòu)件永久性地固定于空腔內(nèi)。
另外，也可將某種形式的粘合劑直接涂到構(gòu)件2的外表面，而這種粘合劑只有在同泥漿或一種特殊的循環(huán)流體作長(zhǎng)時(shí)間接觸后，才發(fā)揮出它的膠粘性質(zhì)。上述粘合劑也可取下述形式，即在它經(jīng)高溫處理后才具有粘接性質(zhì);或者原是一種雙組份型的粘合劑，當(dāng)其中的第二種組份受到例如鉆孔內(nèi)流體的靜壓而游離時(shí)，它才成為活性的。除此，此類粘合劑也可以是軟金屬型，通過(guò)它，可以從形狀記憶材料構(gòu)件的預(yù)定約束膨脹，獲得金屬與金屬的封接特性。
上述形狀記憶材料構(gòu)件可以跨過(guò)一鉆孔的下述區(qū)域設(shè)置，在此區(qū)域的鉆孔壁已破裂，并且使鉆井液損失到地表下結(jié)構(gòu)中或有地層結(jié)構(gòu)水流到鉆孔內(nèi)。在鉆穿這種破裂的結(jié)構(gòu)時(shí)，可將運(yùn)動(dòng)裝置1包括到一鉆桿柱中，而要是鉆井液的流失發(fā)生，則使此構(gòu)件跨越此流失區(qū)定位，同時(shí)將一加熱裝置(未示明)通過(guò)此鉆桿柱降下，把運(yùn)動(dòng)裝置1加熱到形狀記憶材料轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的溫度，借此使構(gòu)件固定到鉆孔壁上。上述粘合劑的強(qiáng)度要足以在短時(shí)間內(nèi)經(jīng)受住地層結(jié)構(gòu)液與鉆井液之間的壓力差，直到此鉆孔已為套管隔離。還要求上述強(qiáng)度能承受來(lái)自鉆桿柱穩(wěn)定器在下鉆或提鉆時(shí)的沖擊力，同時(shí)還要允許此鉆桿柱的井底設(shè)備能通過(guò)此已展開的構(gòu)件從鉆孔中撤回。
除上面所述將一形狀記憶材料構(gòu)件用作一種補(bǔ)塊兼鉆孔〔patch-Wh∶le-dr∶lling(pWD)〕的工具外，還有許許多多的應(yīng)用中可能需要將形狀記憶材料的構(gòu)件置入空腔之內(nèi)，例如對(duì)侵蝕的石油或天然氣管道進(jìn)行井下修補(bǔ);
對(duì)跑水或流沙的開采區(qū)實(shí)行井下封閉，同時(shí)保持住能通到石油或天然氣儲(chǔ)藏點(diǎn)的更深開采區(qū);
修補(bǔ)從地理環(huán)境上不能接近的從井口到分離器的出油管線、散裝油或天然氣輸送管線;
將一種穿管式的可脹塞堵置于油井內(nèi);
在雙層鉆桿柱的油井完工時(shí)，修復(fù)其中失效的鎖閂，以及修復(fù)在內(nèi)部的難以接近的表面設(shè)備，例如更換反應(yīng)罐或煤氣設(shè)備內(nèi)的加熱線圈。
應(yīng)知，除了將這種形狀記憶材料繞運(yùn)動(dòng)裝置1的柱狀部卷繞之外，還可采用任何其它適當(dāng)?shù)姆绞綄⑺潭ǖ胶笳咧稀?br> 在圖3所示的實(shí)施例中，運(yùn)動(dòng)裝置30載有一形狀記憶材料的原管狀件31，在其處于馬氏體狀態(tài)時(shí)，通過(guò)繞裝置30折疊而變形成凹凸?fàn)畹耐呃阈?。?dāng)運(yùn)動(dòng)裝置30到達(dá)形狀記憶材料件31欲置放的位置時(shí)，將前者加熱，使此形狀記憶材料件恢復(fù)到其原始的可配合鉆孔33內(nèi)部寬度的管狀形式。
除了在附圖中所示的特殊形式外，可根據(jù)形狀記憶材料件將從事的工作類型，使之取任何其它適當(dāng)?shù)男螤?。例如，可將形狀記憶材料通過(guò)井部降到運(yùn)動(dòng)裝置的下端，用作打撈工具回收遺棄在井中的設(shè)備。此時(shí)，可將形狀記憶材料件繞到，或在可能時(shí)進(jìn)到丟失的設(shè)備內(nèi)或是落定到此設(shè)備的頂端上，然后加熱使其變形，而牢牢地抓住此設(shè)備，由此隨同運(yùn)動(dòng)裝置一起從井中撤出。
上述運(yùn)動(dòng)裝置可裝配上冷卻和/或加熱裝置。當(dāng)運(yùn)動(dòng)裝置進(jìn)到空腔內(nèi)時(shí)，可激勵(lì)冷卻裝置使形狀記憶材料件保持在馬氏體狀態(tài)，而當(dāng)此運(yùn)動(dòng)裝置到達(dá)記憶材料件擬放在的位置上時(shí)，則激勵(lì)加熱裝置使記憶材料件成為奧氏體。
要是運(yùn)動(dòng)裝置是從溫度低于記憶材料的奧氏體-馬氏體轉(zhuǎn)變溫度的環(huán)境下，進(jìn)入到溫度正好高于上述溫度的空腔內(nèi)時(shí)，則可利用運(yùn)動(dòng)裝置固有的熱量，使此形狀記憶材料在其輸送階段保持為馬氏體，并在到達(dá)其欲放置的位置上后允許其轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。運(yùn)動(dòng)裝置在其通過(guò)空腔轉(zhuǎn)移過(guò)程中，可用熔化中的冰塊充填它使之降溫，以免記憶材料在其到達(dá)欲放置的位置之前發(fā)生膨脹。
熟悉本項(xiàng)工藝的人從以上說(shuō)明即知，除附圖中所示實(shí)施例之外，是可以有許許多多可能的變動(dòng)方法，來(lái)將一形狀記憶材料件置入于一空腔內(nèi)的。因此，應(yīng)知本發(fā)明以附圖所示的實(shí)施例僅僅是用作說(shuō)明目的。
權(quán)利要求
1.一種用來(lái)將形狀記憶材料件置入一空腔內(nèi)的方法，此方法包括使此形狀記憶材料件成為適合用于空腔內(nèi)的展開形式，同時(shí)讓此記憶材料件處在高于該材料本身的相轉(zhuǎn)變溫度之上；將此形狀記憶材料件冷卻至該相轉(zhuǎn)變溫度之下；使此形狀記憶材料件變形至緊縮形狀，得以自由地運(yùn)動(dòng)入空腔內(nèi)并能附著在一運(yùn)動(dòng)裝置上；使附著有此形狀記憶材料件的上述裝置通過(guò)空腔，同時(shí)將此記憶材料件的溫度保持在前述相轉(zhuǎn)變溫度之下；驅(qū)使上述運(yùn)動(dòng)裝置移至擬放置此形狀記憶材料的位置；將此記憶材料件加熱到該相轉(zhuǎn)變溫度之上，同時(shí)讓此形狀記憶材料返回至其展開形式；從空腔內(nèi)撤出此運(yùn)動(dòng)裝置。
2.如權(quán)利要求1中所述的這種方法，其中的空腔及其進(jìn)口都取大致的管狀形式，而形狀記憶材料件則包括一種記憶金屬板，該板在運(yùn)入空腔之前，經(jīng)卷繞、彎曲或折疊成一緊縮形狀，使此變形后的板的外部寬度小于空腔及其進(jìn)口的內(nèi)部寬度。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，它包括以下各步驟使包括一板狀的形狀記憶材料的構(gòu)件在其溫度高于此材料的相轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，預(yù)成形為大致的管狀形式，使得此構(gòu)件安裝就位后，常能貼靠住空腔的內(nèi)壁展開;在將上述構(gòu)件的溫度保持到所說(shuō)相轉(zhuǎn)變溫度以下時(shí)，把它圍繞一運(yùn)動(dòng)裝置的圓柱狀部段卷曲，同時(shí)讓此運(yùn)動(dòng)裝置移動(dòng)到空腔之內(nèi);加熱此構(gòu)件到所說(shuō)轉(zhuǎn)變溫度之上，導(dǎo)致它在其欲達(dá)位置處貼靠空腔內(nèi)壁展開;然后使此運(yùn)動(dòng)裝置與已展開的這一構(gòu)件分離。
4.如權(quán)利要求3所述的這種方法，其中的空腔構(gòu)成地下石油或天然氣生產(chǎn)井的一部分，而此運(yùn)動(dòng)裝置裝有保護(hù)用的穩(wěn)定器槳葉，后者是裝在前述圓柱狀部段之上方或下方，并有一對(duì)夾子當(dāng)運(yùn)動(dòng)裝置降入井內(nèi)之際用來(lái)固定處在卷曲形狀的記憶材料構(gòu)件，同時(shí)，在將運(yùn)動(dòng)裝置與包括一形狀記憶材料的板件構(gòu)件相分離的步驟中，此步驟是在運(yùn)動(dòng)裝置已到達(dá)該構(gòu)件擬安放之位置時(shí)，通過(guò)從此構(gòu)件上撤下這對(duì)夾子來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
5.如權(quán)利要求3所述的這種方法，其中的構(gòu)件包括一形狀記憶材料的板件，它是通過(guò)運(yùn)動(dòng)裝置中的冷卻裝置使其溫度降至前述轉(zhuǎn)變溫度范圍之下，直至此運(yùn)動(dòng)裝置業(yè)已到達(dá)該構(gòu)件欲安裝的位置。
6.如權(quán)利要求3所述的這種方法，其中的構(gòu)件在運(yùn)動(dòng)裝置已到達(dá)此構(gòu)件欲安裝的位置后，通過(guò)運(yùn)動(dòng)裝置中的加熱裝置，加熱到高于前述轉(zhuǎn)變溫度范圍的一個(gè)溫度。
7.如權(quán)利要求3所述的這種方法，其中的形狀記憶材料構(gòu)件在貼靠空腔內(nèi)壁展開之后，通過(guò)使此構(gòu)件上攜載的粘合劑活化，把構(gòu)件固定到所說(shuō)內(nèi)壁上。
8.如權(quán)利要求7所述的這種方法，其中的粘合劑包括一種商品名為EpIKOTE粘合劑，它浸漬于一撓性的管套內(nèi)，后者在已卷曲的構(gòu)件送入空腔內(nèi)的過(guò)程中圍繞在此構(gòu)件的至少一部分上。
9.如權(quán)利要求3所述的這種方法，其中所說(shuō)將形狀記憶材料構(gòu)件預(yù)成形的步驟包括，使此形狀記憶材料板件繞一圓柱形部件卷曲，此圓柱件的直徑小于擬將形狀記憶材料構(gòu)件置入其中之空腔的內(nèi)部寬度。
10.如權(quán)利要求2所述的這種方法，其中的形狀記憶材料件預(yù)成形為這樣的管狀形式，當(dāng)它冷卻到低于轉(zhuǎn)變溫度的溫度下時(shí)，通過(guò)折疊變形為瓦楞狀，下降進(jìn)至一井內(nèi)時(shí)，再次加熱到高于此轉(zhuǎn)變溫度的一個(gè)溫度，而得以允許此形狀記憶材料件復(fù)原至其管狀形式。
全文摘要
由一運(yùn)動(dòng)裝置將一種形狀記憶材料件帶至空腔內(nèi)該記憶材料件欲達(dá)的位置，同時(shí)此記憶材料件變形至緊縮形式，在此使記憶材料件加熱到它的相轉(zhuǎn)變溫度之上，而得以導(dǎo)致該材料件返回至其適用于該空腔內(nèi)的原始形狀。
文檔編號(hào)F16L55/163GK1040859SQ8910666
公開日1990年3月28日 申請(qǐng)日期1989年8月29日 優(yōu)先權(quán)日1988年8月31日
發(fā)明者吉克布·吉恩·皮爾格羅姆 申請(qǐng)人:國(guó)際殼牌研究有限公司