将铁合金调理成对开裂敏感和可破碎元件以用于油井中的制作方法

专利名称：将铁合金调理成对开裂敏感和可破碎元件以用于油井中的制作方法
将铁合金调理成对幵裂敏感和可破碎元件以用于油井中
背景技术：
本发明一般地涉及袖田勘探、采油和试采，更具体地，涉及将铁合金
元件(工具、设备，及其构件)调理(conditioning)成对开裂敏感并可破碎的元 件以用于油井的井下。
在上游石油天然气工业中，井下工具和设备(B卩，在油井下，油井的一 部分可以是水平的)的装配和运行需要相当长的时间和相当可观的作业成 本。另外，当这些工具和设备不能再用于碳氢化合物的勘探、采油或油井 试采时，将其从油井中收回需要额外的油井维修时间、费用和风险(例如， 工具的不正确收回可能会对完井造成破坏，而完井本身还很有生产力)。从 油井操作者的立场出发，通过省略设备的回收(打捞)作业来简化油井作业， 除了具有技术、安全和可靠性的优点外，还节省了成本。
在用于碳氢化合物生产的油井的开发中，有一些工具和设备，以及工 具和设备的构件仅需要和利用一次，之后它们就被废弃了，因此也不具有 价值了。这类工具的相当大型的工具实例是射孔枪。射孔枪是一种长管状 产品，装有爆炸装药，炸药下至井下是为了通过这些装药的爆炸和超音速 射流的形成来穿透一个或多个地层，并可以实现和/或辅助碳氢化合物的释 放。另外的仅使用一次的井下工具的实例是控制或安全装置的止回阀。止 回阀是完井的重要元件，因为它们使流体仅向一个方向流动，或仅允许向 一个方向施加压力。现在在很多完井中常用的弹簧止回阀是挡板阀。在一 些情况中，挡板包含爆破盘，爆破盘是特别设计的，可以在设定的压差下 破碎成无害的碎片。另外的仅利用一次的井下工具的实例是用于流动控制 和/或区域隔离的插栓和其他限流器。其中包括桥塞和，更一般地，可以包 括任何其他的临时插塞(有时称作活门(dart))，用于隔离井眼的两个截然不 同部分。在操作油井时， 一旦工具或设备已经实现其指定功能并达到使用 寿命，就将其遗弃在井下是非常理想的。然而，在当前的工具和油井维护
的实践中，将工具丢弃在井中存在着巨大的风险，会干扰随后的釆油和/或 妨碍作业。相反，如果井下工具和设备及井下工具和设备的构件可预测地 能破碎成小的且无害的碎片，并且碎片经过一段时间后因腐蚀而任选地消 失，就能避免这种工具的收回(打捞)作业，因此，除为钻台提供更高的安全 性和可靠性之外，还呈现出新的技术和经济优势。
发明概述
在本发明的实施方案中，描述了一种技术，其包括提供在油井中装配 的工具，以执行井下功能。这种井下功能要求所述工具的元件具有最低的 结构完整性。该技术包括由铁合金形成元件的至少一部分，并对所述铁合 金充氢以使其比充氢前更易于破裂。
在本发明的另一个实施方案中，描述了可以用于油井的技术，其包括 提供用于限定蚀刻图案的模板。该技术包括使模板与井下元件建立接触， 并使模板成为阴极，井下元件成为阳极，以根据图案蚀刻井下元件使其以 后易于破裂。
在本发明的另一个实施方案中，描述了可用于油井的设备，其包括适 于在油井中装配的元件，并具有第一和第二材料。所述第一和第二材料适 于由油井中井下元件的分解形成的碎片形成原电池。
从下面的附图、说明书和权利要求中，本发明的优势和其他特征将更 明显。


图1的图示适用于低碳钢和碳钢(以碳为主要合金元素的铁合金，并且
碳百分比限于1左右)，描述了在不同冶金状态(例如不同温度下淬火(Q)和
淬火加回火(Q&T))下，它们的硬度滩氏硬度，HV)与碳含量的关系。
图2的图示描述了铸铁(含碳含量超过2重量％的铁合金)的抗拉强度与
其硬度和碳当量的关系。
图3的图示显示了铸铁的抗拉强度与抗压强度之间的线性关系。
图4描绘的光学显微图显示了与铁碳钢中珠光体微结构相关的氢致开
裂(hydrogen cracking)。
图5描绘的光学显微图显示了与铁碳钢中渗碳体微结构相关的氢致开裂。
图6的流程图描述了在根据本发明的实施方案的井下构件中引起破裂 的技术。
图7、 8及9的流程图描述了不同的对铁合金充氢的技术，所述铁合金 形成根据本发明的实施方案的井下构件的至少一部分。
图IO的流程图描述了在根据本发明的实施方案的井下构件中用模板形 成可引起破裂的凹槽的技术。
图U、 12、 13、 14、 15、 16、 17、 18、 19、 20、 21、 22、 23、 24、 25 及26的图显示了根据本发明的不同实施方案的示例模板图案。
图27为根据本发明的实施方案的井下构件的透视图。
图28是图27中井下构件的俯视图，显示了使用井下爆炸以促使根据 本发明的实施方案的构件的分解。
图29的流程图描述了根据本发明的实施方案，加速井下碎片降解的技术。
图30是根据本发明的实施方案的挡板阀的透视图。
图31是根据本发明的实施方案的图30的挡板阀的挡板盘的俯视图。
发明详述
根据本发明的实施方案，安全地将工具丢弃在井下的经济的方案利用 市售铁合金，并在铁合金中施加力场(压力、应力)和氢时使其易于开裂和破 碎。就像"以毒攻毒"一样，以一种反直观的方式，此处所阐述的本发明的 实施方案加速了由系统地避免的或者井下环境中发生的引起麻烦的自然降 解，从而使完井和作业中不再需要的元件迅速地消失。元件破碎产生的碎 片落入井底，随着时间发生腐蚀(降解)，对油井的作业是无害的。根据本发 明的实施方案所述的材料在合适的环境条件下对氢脆变和电化学腐蚀敏 感。例如，所述材料可以是低合金钢、铸铁、马氏体不锈钢(包括410-13Cr 型、17-4 PH型钢)。然而，还可以可选地使用其他材料，只要这种材料主 要含铁(例如，铁含量达到50重量％)或者包括铁组分，例如复合材料。根 据本发明的实施方案中的调理技术可以使用的不锈钢的其他实例是奥氏体
合金，例如A286;含有高达25重量％的铬和15重量％的镍的合金，因此 全部为奥氏体，从而不易于开裂，并且比其他提到的铁合金更昂贵。根据 本发明的实施方案中可以使用的铁合金中还包括双相不锈钢(25Cr型)。与 奥氏体不锈钢相同，双相不锈钢对氢脆变的敏感性较低，并且和其他的不 锈钢一样，非不锈钢的铁合金(例如碳钢)相比，其碎片较难腐蚀(降解)。
根据此处说明的本发明的实施方案，井下元件的至少一部分可由高强 度铁合金形成，这种铁合金经过预处理，在该元件己经执行完其预期的功 能后，在施加力场(压力)(永久的(静载荷)或短暂的(例如冲击或爆炸))的作用 下易于发生破碎。在一些实施方案中，这种分解的产生是由于所施加力(压 力、应力)的增大，所述施加力可由注入流体并使压力累积而引起，可由丢 落受重力驱动的物体造成的冲击而引起，可由爆炸装药的爆炸而引起，或 者由其他的射流而引起。这些引发井下元件破碎的技术可用于例如临时插 塞、挡板阀或打孔抢等。在某些情况中，由于对该元件的铁合金材料所应 用的调理，不使用外部干涉，而井下元件的设计使之随时间发生破碎。
此处描述的是预先处理特定的井下元件使其以后发生破碎的技术涉及 由氢脆变引起的低温开裂机理。在正常情况下，这种形式的破坏是要系统 地避免的，在油田服役期间这仍是一种人们最为担心的破坏。低温开裂属 于通常发生在周围环境中或低温(即，与井中温度相当)下的延时开裂，下述 条件为低温开裂的必要条件(顺序不分先后)(l)拉伸应力，(2)自身敏感的 微结构(例如马氏体微结构)，及(3)氢的存在(即铁微结构中的原子氢)。根据 本发明的实施方案的技术利用了渗入氢引起低温开裂的机理，以实现使大 型元件破碎成碎片的目的，从而使这种大型元件可以被永久地丢弃于井中。 这样，根据本发明的实施方案的技术利用了氢脆变使坚固且可靠的元件在 充氢并因而变脆后在较低的强度下发生破碎。在一个实例中，使用由高强 度铁合金制成的挡板盘用于流量控制装置，以控制压力。在某一时间点， 当挡板需要永久性地释放压力时，对该挡板进行井中原位充氢，例如通过 使用电源进行所述充氢(阴极充氢)。当氢在挡板元件的高强度铁合金中在一 段时间内可预测的扩散和集聚以后(注铁合金中氢的聚集优选发生在沿内 边界处，在后面将进一步讨论)，挡板盘变差，在低得多的强度下可预测地 发生破坏，所述强度远低于未充氢时需要的强度(实际上，如果没有氢，挡
板不会发生破坏)。在流体静压下引起挡板破坏(破碎)的结果是流体的释放。
铁合金(如碳钢和铸铁)是一些最便宜的结构材料；它们容易获得并且可 以被加工成多种有用的形状，这使其用于油田应用具有吸引力。这些材料 中有铁合金，比如过共析钢(即，含碳的含量大于0.77重量％的铁-碳合金， 例如1095号钢)， 一般还有碳含量大于0.5重量％的低合金钢。这些合金用 作井下元件(如打孔抢、临时插塞等)时具有极大的优势。这些合金便宜，可 加工，并且在井下应用时短时间内具有足够的强度。根据本发明的实施方 案可以使用的其他铁合金还包括不锈钢(例如410-13Cr型、17-4 PH型、 奥氏体A286-型)，或双相合金(如25Cr-型合金)。在此处描述的调理状态下， 这些材料可能不能用作永久性的工具。然而，当经过合适调理后(根据工业 标准)，这些材料是可以用于永久性的井下工具，这取决于井中条件和腐蚀 抑制剂的使用等因素。
图1含有的图示IO表示碳钢的硬度与碳含量的关系。这些钢或是经淬 火处理因而为马氏体，或是经过淬火加回火处理因而具有一些回火马氏体。 图1表明碳钢的硬度一般随着碳的百分比的增加而增大，如表示不同回火 温度的硬度与碳含量的关系曲线12所示。当这类铁合金在使用期间中因疏 忽而接触到氢脆变环境时，就会最终在远低于合金正常屈服强度的工程应 力下发生脆性的晶间断裂。在包含拉伸分力(tensile component)的力场(压 力、应力)存在时，取决于分力(压力、应力)的程度和铁合金中渗入氢的水 平(即，扩散的氢的量)会发生碎裂成核和生长。
结合适当的机械设计(例如元件表面的凹口和应力集中点(stress riser))， 氢脆变可以优先在这些凹口和应力梯级附近集中而发生作用。因此，元件 的破裂可预见地发生在这些具有较大应力的理想区域。通过机械设计，可 预见的破裂路径的扩展可以任选地用于多种井下工具，或者工具的部件， 以从大型原件形成小的且无害的碎片。下面将进一步讨论这类工具的实例。
除了特别便宜之外，铸铁，尤其是灰口铸铁的石墨组织缺乏韧性，因 此便于发生所希望的破裂。与铁碳钢相似，铸铁的抗拉强度随着硬度的增 大而增大，但随铸铁碳含量或碳当量数的增加而降低，如图2中所示。在 这方面，图2描绘了不同铸铁和钢的抗拉强度与硬度的对应关系，点24表 示铸铁，点30表示钢。如图2中所描绘的，碳含量约为4.5重量％的灰口 铸铁的抗拉强度低至25千磅/平方英寸(ksi)。然而，应当注意，铸铁的抗压 强度可以相对较高。例如，图3描绘的图示40表示铸铁的抗拉强度与抗压 强度的关系。正如评价出的关系44所示的那样，抗拉强度同样为25ksi的 碳含量为4.5重量％的铸铁的抗压强度高得多，估计为90ksi左右。对于井 下应用，耐高坍塌压力是主要的，抗压强度具有重要意义，如果材料主要 受到压力(压力、应力)作用，或设计使其在施加力场(压力、应力)下发生破 裂，那么碳含量为4.5重量％的铸铁材料就可满足需要。相比于钢，铸铁表 现出新的机械性能，这与本发明的合金调理技术组合产生了新的井下应用 技术。
钢和铸铁都对氢致开裂敏感。如果存在大量的奥氏体(通常灰口铸铁中 不存在奥氏体，或者奥氏体铸铁)，要使合金破裂就需要大量充氢，这可以 简单地解释为奥氏体具有较高的韧性和较大的氢溶解度(但是氢扩散能力 较低)。能促进铁合金中氢致开裂的脆相的实例有马氏体、铁素体、贝氏体、 碳化物(如渗碳体)和石墨(石墨存在于铸铁中)。这些脆相的百分含量高的铁 合金本身具有高的准静态强度，以及低的韧性(高的脆性)，尤其是处于加载 的条件下时，加载的条件产生高的应变速率(例如冲击)。应当注意，本发明 的实施方案不限于铁-碳合金，而包括所有的铁合金，只要合金一旦放置于 井筒的环境中，有或没有所提出的充氢方法，都对氢致开裂敏感。根据本 发明的实施方案，可以使用的铁合金的其他具有吸引力的实例有低合金钢、 马氏体不锈钢、沉淀强化(PH)马氏体钢，如那些含有铬作为主要合金添加 剂的钢(例如13Cr-型、17-4PH型合金)，和双相不锈钢(例如25Cr-型)。包 括镍、钼和氮的铁合金尽管成本较高，耐腐蚀性较好，以及易于形成较多 的奥氏体，但仍可以用于本发明，尤其如果它们被处理后的微结构对氢脆 变敏感，或受到充分充氢。
除了铁合金中脆相和存在氢之外，在施加力场(压力、应力)时使起始破 裂密度(fractureinitiation)变高，并因此形成细小的碎片的因素有定向排列 的微结构(例如，纤维微结构)；晶界相夹杂物(碳化物、氧化物等)和仿晶界 型铁素体(allotriomorph);(硫化物，例如，存在于低质量的钢中)；细小的 马氏体条和片(产生高密度界面，为氢的扩散和聚集提供了场所)；奥氏体晶 粒中不存在夹杂物，或夹杂物的浓度最小(从而避免例如一些碳钢中针状铁
素体的生长)；及冷加工(即，高位错密度、亚晶界等)。考虑这些影响氢脆 变引起的脆性破裂的因素，这里描述的高密度界面的存在是一个不可忽视 的控制碎片形成的因素。
作为在特别易于氢致开裂的微结构中沿着晶界开裂(即，穿晶断裂)的实 例，图4描绘了光学显微图50，图中的52表示在铁碳钢的珠光体(即铁素 体和渗碳体)微结构内沿晶界的开裂。作为另一实例，图5描绘了另一张光 学显微图60，图中的62表示球状碳化物(即渗碳体)微结构内发生的沿晶界 的开裂。
除了促使铁合金在低于其正常屈服强度的当量拉应力下发生破裂(即 没有氢致脆变)之外，铁合金中原子态氢的存在可以加快在含水和离子环境 (包括盐水和酸性环境)中的腐蚀(降解)。与含水的流体相接触后，铁合金中 释放出氢阳离子(H+)，以及相应地，铁-碳合金碎片表面的水合氢离子的浓 度(H30+)增加，这有助于降低边界层中的pH，从而形成酸性和腐蚀性更强 的环境，阻止了钝化的发生，并因而通过逐步的质量损失增强了碎片的腐 蚀(即降解)。
参考图6，根据本发明的一些实施方案，可以依照技术100使井下元件 (即井下环境中装配的工具或设备的一个或多个部件)对破裂敏感。在所述技 术100中，井下元件的至少一部分由相对较脆并对氢脆变高度敏感的铁合 金制成，依照块104中所述。依照块108中所述，技术100包括对铁合金 充氢。根据本发明的其他实施方案，技术100可以包括附加的操作，例如 如果充氢不是在井中原位实施的，则可能需要密封井下元件以防止氢的脱 气。
由铁合金制成的井下元件的具体实例包括临时插塞和挡板阀。在井下 装配之前，将铁合金进行热处理以使微结构对氢致开裂敏感。在一个假设 的实例中，热处理后的铁合金可以在其淬火状态下被输运。由于具有未回 火的马氏体微结构，这种铁合金对氢脆变最敏感。在另一个实例中，考虑 得更实际，铁合金可以经过调理以处于淬火加回火状态。在该实例中，回 火马氏体的存在和百分比可能增加的奥氏体有助于控制合金开裂敏感性， 并且重要地是，完全排除了其在井下装配前过早开裂的情况。包括沉淀硬 化马氏体钢，并含有约12-18重量％的铬(例如410-13Cr-型、17-4PH型)
的马氏体型的铁合金现在以其淬火加回火态使用。对这种合金，如果充氢 到可控制的量，将可预见地在远低于合金正常强度的施加应力下破裂，即 氢降低了合金强度。井下元件(临时插塞或挡板盘之类)在其一个或多个表面 具有比如机加工凹口的不连续时，可用于使氢致开裂正好在那些凹口内发 展，因此形成尺寸可控制的碎片。在该实例中，机加工凹口在应力场中是 应力集中点，应力(拉力)高的地方就是氢致开裂优先发生的地方。
可利用多种技术将氢引入铁合金晶格中。有些技术可以比其他的更实
用。例如，参考图7，根据本发明的一些实施方案，依照技术120，可以使 用热处理对铁合金充氢。在技术120中，根据块124中所述提供了高的氢 分压气氛。取决于本发明的特定实施方案，该气氛可以包括或不包括蒸汽， 因为蒸汽能保证氢迅速地被吸附和扩散进入铁合金的内部。根据块128中 所述，在高的氢分压气氛中对铁合金进行热处理。作为更具体的实例，铁 合金的热处理可以在只含有氢气的炉中进行(即氢分压等于炉内气压的情 况)。进行技术120之后可以进行密封操作以防止氢的脱气。与本发明的其 他实施方案不同，热处理对铁合金充氢在井下装配之前进行。
图8描述了技术140，其中利用对铁合金酸化处理来对铁合金充氢。更 具体地，根据技术140，提供了酸溶液(块144)。酸是富水合氢离子(H+)的 溶液，足以保证充氢，但是也相对温和以避免铁合金分解。根据块148中 所述，将铁合金浸入酸溶液中。技术120的效率取决于一些因素，如酸溶 液的组成、温度、浓度，以及铁合金上是否粘附有腐蚀产物。进行技术120 之后可以进行密封操作以使氢的脱气最小，除非充氢是在井中进行的；在 这种情况下，如果井的环境中存在或形成酸性条件(例如通过泵入酸液)，在 铁合金中会发生一定程度的充氢。根据本发明的实施方案，在酸性井中利 用有意的充氢以丢弃井下元件。
根据在图9中描述的技术160，阴极充氢是非常有效的向铁合金中引入 氢并促进低温开裂的方法。根据技术160，提供了相对于合金为阳极的材料 (块164)，以及电解液或者导电流体(块168)，这些能形成原电池。因此， 由于这种布置，铁合金相对于阳极材料是阴极。根据块172中所述，将铁 合金和阳极材料都放入电解液中(含水，以易于释放氢离子)，铁合金和所述 材料之间连接有直流(DC)电源(块176)，以对铁合金阴极充氢。在这点上， 电源的负极端子与阳极材料连接，电源的正极端子与作为阴极的铁合金连
接。使用电源(例如通过电线或钢丝(slickline)连接)可以使铁合金的充氢更 快。
因此，至少上面所述的三种方法可以用于对铁合金充氢。应当注意， 根据本发明的一些实施方案，可以使用这些方法的组合。例如，根据本发 明的一些实施方案，酸化处理和阴极充氢可以结合使用，使氢进入铁合金。
阴极充氢可以在铁合金(井下元件中)的井下装配之前实施；或者可选 地，阴极充氢可以原位进行，即在井下环境中，使用现有的导电的离子流 体(例如，水、压裂液(frac. fluids)、稀酸、盐水溶液)。应当注意，进行井下 阴极充氢可以呈现显著的经济优势； 一个原因是井下装配之前充氢可能需 要密封处理，在这种情况中，可以在应用含氢阻挡层作为涂层前，通过快 冷密封(可能至零度以下)氢脆化部件。与塑料或弹性体相比，金属涂层(例 如由金属(如锡或锌)组成)的氢的渗透性低，可以在进行充氢后使用。
在本发明的一些实施方案中，可以通过在铁合金表面上指定的位置上 形成凹口、凹槽的图案或阵列和其他不连续，对井下元件预处理以使其以 后易于破裂。反过来，这些不连续预处理铁合金，使其以后易于在选定位 置处破裂。对于射孔枪的实例，例如可以在管状炸药携带器的内表面上形 成凹槽的图案。根据本发明的一些实施方案，凹槽的图案可以由模板产生。 一般地，模板是阴极，而井下元件作为阳极(例如通过电源连接)，因而在预 先选择的位置发生质量损失或去除。对于井下元件是射孔枪的情况，模板 可以是管状模板，其被放置于管状携带器的内侧。管状炸药携带器已经发 生选择性的质量损失后，可以将阳极和阴极互换(通过使用连接的电源)，这 样管状炸药携带器就适当地进行充氢。
根据本发明的特定实施方案，模板可以是消耗性的、部分消耗性的、 或非消耗性的，可以由反应性比要蚀刻的铁合金的小(即阳极性较强)的网状 材料组成；例如模板可以由锌合金制成。在井下元件的铁合金上有意地进 行蚀刻有助于影响开裂，例如控制裂纹生长以得到细小的碎片。为了便于 细小碎片的形成，根据本发明的一些实施方案，由细网形成的模板可能特 别合适。这种细网便于在铁合金表面形成较高密度的凹口，从而有助于形 成更细的碎片。
因而，参考图10，根据本发明的一些实施方案，技术180可以用来在 井下元件上形成破裂图案。根据技术180，提供了模板(块184)以形成蚀刻 图案。根据块188中所述，该模板用作阴极，井下元件用作阳极，因而形 成原电池，以在井下元件上蚀刻凹槽。
可以选择其上形成凹槽等的元件的特定表面或一些表面，使对井下元 件的整体结构完整性(包括压力等级)的影响可以忽略，以进行其井下功能。 对于井下元件是具有管状炸药携带器射孔枪的实例，射孔枪外表面的压力 通常超过内径的压力。因此，炸药携带器内表面的凹槽对携带器(即射孔枪) 的坍塌压力等级的影响很小。换言之，由模板形成的凹槽在压应力下产生 的影响远小于相同大小的拉应力下产生的影响.
图27 —般地描述了井下管状元件300的实例(如射孔枪)，其具有管状 元件304，管状元件304的内表面由管状模板310蚀刻(形成凹槽)。如图28 所示，由于模板的蚀刻，井下元件300在其内表面具有凹口(凹槽)区域318， 这便于元件300的分解。如图28所示，当井下元件300完成其功能，达到 其服役寿命后，炸药320可以下至井下元件300的中心通道内并引爆(非限 制性实例)，产生爆炸力，与有凹槽/凹口的区域318联合引起元件304分解。
作为另一个实例，流量控制装置(如图30中所示的示例性挡板阀400) 至少有一个元件被模板蚀刻。更具体地，挡板阀400具有限定了中心通道 并含有阀座404的管状主体402。挡板盘410通过枢轴(pivotably)安装，以 控制流体通过阀座404的传输。如图30所示，挡板盘410可以由弹簧加载 以关闭通过阀座404的流体的传输。
参考图31与图30的结合，根据本发明的一些实施方案，可以使用上 述蚀刻在挡板盘410上形成凹口(凹槽)430。因此，挡板阀400的设计可以 相对简单，以使挡板盘410可以在足够的静压力下破坏(即破碎)，以释放流 体。
取决于本发明的特定实施方案，模板可以有多种形式。作为本发明的 可能实施方案的实例，由电化学活性材料制成的模板可以是金属丝编织网 200(图11);皱纹金属网202(图12);网状金属片204(图13);金属筛网206(图 14);圆孔穿孔金属片208(图15);六边形孔穿孔金属片210(图16); cane 穿孔金属片(cane perforated sheet)212(图17);交织的穿孔金属片214(图18);
焊接金属丝布216(图19);电铸金属丝布218(图20);模铸金属筛网220(图 21);编织筛网222(图22);正方形穿孔金属片224(图23);菱形穿孔金属片 226(图24);椭圆形穿孔金属片228(图25);英国国旗图案穿孔金属片230(图 26)。
在本发明的其他实施方案中，披露了可以在井下元件上粘附材料以形 成内部原电池，在井下元件破碎成碎片后这些内部原电池具有活性。这种 材料可以是全部或部分地覆盖元件的一个或多个特定表面的涂层，对于例 如模板包括锌的实施方案(作为非限制性实例)，这种材料可以来源于模板。 在这个实例中，模板可以是消耗性的材料。例如充氢元件上存在的锌涂层 或层可以帮助加快所形成的碎片的降解。因此，对于射孔枪的情况，例如， 位于射孔枪内径处的模板可以由比如锌的材料制成，当装药盒分解后，锌 构成所形成的原电池的阳极。
综上所述，图29描述了技术350，根据块354中所述，这种技术包括 在井下元件材料上沉积电化学性质不同的材料的涂层。与石油天然气工业 中通常使用的涂层完全相反，使用沉积涂层(块358)来加快所形成碎片的降 解，并应用于井下。
其他的变化是可以想到的，并在附录的权利要求的范围之内。例如， 沉积材料以形成原电池可以与对铁合金充氢的技术组合。利用这种组合， 例如，氢脆性在凹槽的凹处(最深的位置)最大，因而在施加冲击下可以很好 地控制破裂。
其他的实施方案在附录的权利要求的范围内。例如，在前面的叙述中， 都使用射孔枪作为说明将井下元件制成对开裂敏感的一个实例。但这里描 述的技术可以应用于其他的井下元件，如流量控制装置和阀门、封隔器(作 为非限制性实例)。更具体地，根据本发明的实施方案，可以将与临时阀门 相连接使用的插塞或其他元件预处理，使其在完成其预期井下功能达到其 服役寿命后易于破裂或腐蚀。因此，很多变化是可以想到的，但所有这些 变化都在附录的范围内。
虽然已经对有限数量的实施方案进行了描述，但了解了本公开的益处 的本领域技术人员可以意识到很多更改和变化。附录的权利要求包含了所 有这些处于本发明的真正精神和范围内的更改和变化。
权利要求
1.一种方法，其包括提供在油井中装配以进行井下功能的工具，所述井下功能要求所述工具的元件具有最低的结构完整性；由铁合金形成元件的至少一部分；及对所述合金充氢，使元件比充氢前更易于开裂。
2、 权利要求l的方法，其还包括 在油井的井下运行所述工具； 执行所述井下功能；及执行完所述井下功能后，冲击所述元件以使其破裂。
3、 权利要求l的方法，其还包括在所述元件在油井的井下装配前调理所述铁合金，以使其微结构对氢 致开裂敏感。
4、 权利要求1的方法，其中所述充氢操作包括 在充分富氢的气氛中通过热处理对所述铁合金充氢，以调理铁合金； 将铁合金浸入酸中；和/或对铁合金阴极充氢。
5、 权利要求4的方法，其还包括 使用权利要求7的操作中的至少两种对所述合金充氢。
6、 权利要求1的方法，其中所述对铁合金充氢的操作包括在油井的井下对所述合金阴极充氢。
7、 权利要求1的方法，其中所述对铁合金充氢的操作包括-在油井的井下装配元件之前对井下元件阴极充氢。
8、 权利要求7的方法，其还包括 充氢后密封井下元件以防止氢的损失。
9、 权利要求8的方法，其中所述密封包括充氢后在合金上形成锌、锡、 和/或其他低熔融温度金属的涂层。
10、 权利要求l的方法，其中所述提供操作包括提供阀门。
11、 用于油井的方法，其包括提供模板以限定蚀刻图案； 在模板和井下元件之间建立接触；及致使模板成为阴极，井下元件成为阳极，以根据所述图案对井下元件 进行蚀刻，来预处理井下元件使其以后易于破裂。
12、 权利要求ll的方法，其中所述致使操作保持了井下元件的结构完 整性，该完整性高于所述井下元件执行的井下功能所要求的最低的结构完 整性。
13、 权利要求ll的方法，其中所述致使操作包括给所述模板和井下元 件连接电源，以形成活性电化腐蚀单元。
14、 权利要求11的方法，其中所述提供模板操作包括 提供含有不锈钢、镍合金、锌合金、铜合金中的至少一种的模板。
15、 用于油井的方法，其包括-提供具有第一材料的井下元件；和在所述井下元件上提供第二材料，所述第一和第二材料由油井中井下 元件的碎片形成活性原电池。
16、 权利要求15的方法，其还包括在所述井下元件上形成第二材料的涂层。
17、权利要求15的方法，其还包括将第二材料形成模板；和使用所述模板在井下元件上蚀刻破裂图案。
18、 权利要求15的方法，其中所述使用模板蚀刻的操作包括蚀刻井下 元件的充氢材料。
19、 用于油井的设备，其包含适于在油井中装配的元件，该元件包括已经充氢的铁合金，以在合金 中引发破裂，且合金的结构完整性高于执行井下功能的元件所要求的最低 的结构完整性。
20、 权利要求19的设备，其中所述元件包含射孔枪或流量控制装置。
21、 权利要求20的设备，其中所述铁合金适于在充入氢的存在下提高 起始破裂的密度。
22、 权利要求20的设备，其还包含对井中的井下元件阴极充氢的系统。
23、 用于油井的设备，其包含-适于在油井中装配的元件；和 限定元件的蚀刻的模板，其中所述模板是阴极，所述元件是阳极，以蚀刻元件使元件以后易于 破裂。
24、 权利要求23的设备，其中所述元件包含射孔枪或流量控制装置。
25、 权利要求23的设备，其中所述模板包含不锈钢、镍合金、锌合金、 铜合金。
26、 用于油井的设备，其包含适于在油井中装配的元件，该元件具有第一材料和第二材料，其中 所述第一和第二材料适于由油井中井下元件的分解形成的碎片形成原 电池。
27、 权利要求26的设备，其中所述第二材料包含元件上的涂层。
28、 权利要求26的设备，其中所述第二材料包含用于在井下元件中蚀 刻破裂图案的模板。
29、 权利要求26的设备，其中所述第一材料包含铁合金。
30、 权利要求26的设备，其中所述元件包含射孔枪或流量控制装置。
全文摘要
本发明提供了一种技术，其包括提供在油井中装配的工具以执行井下功能。所述井下功能要求所述工具的元件具有最低的结构完整性。该技术包括由铁合金形成所述元件的至少一部分，并对所述合金充氢，使元件比充氢前更易于开裂。
文档编号E21B34/00GK101372887SQ20081014599
公开日2009年2月25日 申请日期2008年8月22日 优先权日2007年8月24日
发明者A·T·沃纳, M·玛丽亚 申请人:普拉德研究及开发股份有限公司