专利名称：带有形状记忆合金致动器的井下工具的制作方法
带有形状记忆合金致动器的井下工具
背景技术：
烃回收取决于许多不同类型的井下工具的致动。所述致动可以是液压流体致动、 电致动、机械致动、光学致动。取决于致动的类型或待致动的工具，或将发生致动的岩层的 特定性质，选择最适合于该目的的不同类型的致动。考虑到用于井下环境的工具的种类不 断增多，新的致动类型总是受到本领域的欢迎。
发明内容
一种井下工具致动器，包括形状记忆材料；滑轮系统，其与形状记忆材料接合并且 固定就位；和井下工具部件，其操作性地连接到形状记忆材料并且可响应形状记忆材料从 马氏体相到奥氏体相的相变而移动。一种地下安全阀，包括外壳；可枢转地安装于外壳的挡板；和固定附连到挡板并 且固定附连到外壳的形状记忆材料丝线，所述丝线具有允许挡板处于闭合位置的第一长度 和导致挡板打开的第二长度。一种安全阀，包括外壳；布置于外壳上的流管；和在其一端固定到外壳并且在其 另一端固定到流管的形状记忆材料致动器，当所述致动器转变为奥氏体相时所述致动器将 流管推到与阀打开状态关联的位置。一种用于致动安全阀的方法，包括将处于马氏体相的形状记忆材料的一端固定到 阀的外壳；将所述材料的另一端固定到可移动阀部件；和将所述材料加热到与相变到奥氏 体相关联的温度。
现在参考附图，其中在这几幅图中相似的元件类似地进行编号图1是由形状记忆合金致动器致动的安全阀的挡板的透视图；图2是与图1中所示相同的装置，但是处于打开而不是闭合位置；图3是可由形状记忆合金丝线通过流管(flow tube)致动的安全阀的示意图；图4是处于打开而不是闭合位置的图3的装置；图5是可用形状记忆合金致动器致动的安全阀的另一个实施例的一部分的横截 面图；图6是处于打开而不是闭合位置的图5中所示的装置；图7是由形状记忆合金致动的安全阀处于闭合位置时的另一个实施例；图8是处于打开而不是闭合位置的图7中所示的装置；以及图9是可由形状记忆合金致动的安全阀的又一个实施例，该实施例类似于图7和 8的实施例，但是进一步使用了传统的扭簧，以用于备用的故障保险操作。
具体实施例方式参考图1和2，示出了能够由用作致动器的形状记忆合金的构造来致动的井下工
3具的第一实施例。在这些图中，只是以透视图的方式示出了总体安全阀10的关注于挡板12 的这一小部分。应当理解该装置的构造与现有技术的区别不仅在于通过形状记忆合金致 动，而且还在于这样的事实挡板12将不通过流管(未显示)的推动被打开，而是如图所示 由形状记忆合金直接打开。更具体地，示出了锚固于挡板锚固点16的一个或多个形状记忆 合金丝线14。丝线(一个或多个)14进一步锚固于锚固点18。应当理解尽管图1中所示 的两个丝线14被显示为环绕滑轮(一个或多个)20，但是取决于所需的致动长度，滑轮(一 个或多个)20可以是必要的或非必要的。参考图2将更清楚刚才所述的区别，因为锚固点 18未与丝线(一个或多个)14相对地布置在滑轮(一个或多个)20的另一侧，即，丝线简单 地终止而没有首先环绕滑轮。将在下文描述滑轮的重要性。若忽略滑轮的构造而仅仅讨论图2的布置，则显而易见的是挡板12闭合时丝线14 的长度比挡板12打开时丝线14的长度更长。利用对应于丝线14的位置和路径的固有属 性来允许挡板12的致动。在马氏体相中具有第一长度并且在奥氏体相中具有更短长度的 形状记忆合金丝线允许对丝线简单加热来实现它的缩短。而且，由于形状记忆合金的奥氏 体相更为强劲，因此在该布置中将有足够的强度使工具的另一个部件与形状记忆合金一起 移动。当例如如图所示连接到挡板时，形状记忆合金充当安全阀的挡板12的致动器。更具 体地，每个丝线14被训练为当被充分加热以将丝线14的材料从它的马氏体相变为它的奥 氏体相时，所述丝线14在奥氏体相中具有更短长度，该长度大致相当于图2中所示的长度。 在不加热时，丝线14保持处于它的马氏体相，如上所述马氏体相更长使得挡板12不被推动 到打开位置。由于需要在来自地面的推动力丧失时自动闭合的挡板保持打开，在这种情况下， 使用能量或者产生能量(电学的或者化学的)的信号来加热丝线14 ；该实施例中的挡板销 22是扭力销(torsion pin)(应当理解传统的非形状记忆合金扭簧可以用于使挡板返回到 闭合位置，这一点也是目前的标准做法)，当打开挡板12时所述扭力销被加扭转负荷，由此 导致作用于挡板12的反作用的闭合力；如果来自地面的打开推动力丧失则该反作用的闭 合力生效。也应当理解由于扭力销22的反作用力，形状记忆合金丝线14必须具有足够的 强度，从而当移动到它们的更短长度时克服扭力销22的偏压。现在说明图1中所示的固定滑轮(一个或多个)20，其目的是延长丝线(一个或多 个)14的总长度。由于为了实现工具的致动而需要的形状记忆合金的长度的总体变化，滑 轮在一些实施例中是期望的或必要的。形状记忆合金丝线的变化百分比可以高达12%，然 而，在变化百分比为12%时形状记忆合金丝线是不稳定的，因此为了保证更长的使用寿命， 训练的变化百分比最好被限制为更小的百分比。在一个实施例中，用于致动井下工具的形 状记忆合金被设置为大约5%的变化百分比。显然，本领域的普通技术人员容易确定将挡 板12例如从闭合位置旋转到它的打开位置必须有什么样的长度变化。这可以简单地通过 测量在挡板的两个位置处的从挡板上的锚固点到主体上的锚固点的距离来获得。于是相对 简单地在数学上确定(在总长度的大约5%的变化下)产生操作挡板12所需的预期变化所 需的形状记忆合金丝线的总长度。丝线14所需的长度越大，滑轮20对产生致动器的帮助 越大。这是由于利用固定滑轮允许形状记忆合金保持在相对小的局部区域，而不是延伸离 它的实际操作部件相对长的距离。当然应当理解可以简单地使丝线沿着工具主体进一步向 远处延伸，但这可能是并不期望的，原因是丝线受损的机会随着暴露的长度而更大。
参见图3和4，示意性地示出了形状记忆致动安全阀的另一个实施例。在该实施例 中，挡板50在销52处可枢转地安装，并且可通过流管移动经过挡板50处于其闭合位置时 的所占据的位置而被推动到打开状态。不同于常用的通过液压流体源来致动流管54的手 段，本实施例通过使用形状记忆合金丝线56致动流管。该丝线与先前实施例的丝线的类似 之处在于它在它的两个轴向长度上的使用。当丝线处于它的马氏体相时它更长；当丝线被 加热超过丝线进入它的奥氏体相的温度阈值时它变短。丝线本身被构造为具有足够的纵向 变化和压缩施力弹簧58的力，由此将流管54向井下移动和通过挡板50，使挡板50在其枢 轴销52上旋转。为了将形状记忆合金丝线保持在井下工具的相对小的区域中，同时赋予它 足够的长度以实现它的指定任务，希望提供多个固定滑轮60。这样允许利用形状记忆合金 丝线的过长的长度的优点，以便获得流管实现完全行程所需的总移动，同时避免由于形状 记忆合金丝线的长度而使工具不易于使用。重要的是注意滑轮必须是固定的，原因是如果 它们是不固定的，则将不会实现丝线的长度变化，而是将仅仅倍增扭矩。然而，使用固定滑 轮的话，丝线的所有缩短将被传递到正在移动的末端部件。在图示中，显示了四个滑轮，然 而应当注意，根据正在操作的井下工具的致动的总长度，更多或更少的滑轮都可以是有效 的。当然，形状记忆合金丝线56将被锚固在锚固点62和流管54(或待致动工具的其他移 动部件)上的适当位置64。在图4中显示了致动后图3的部件的相对位置。参考图5和6，示出了另一个实施例，其中使用形状记忆合金致动器致动安全阀挡 板，但是在该实例中，利用形状记忆合金是利用它的形状变化能力而不是它的长度变化能 力。在图5中，示出了处于闭合位置的挡板100，其中形状记忆合金致动器102被显示为处 于大致90°弯折位置。这将是形状记忆合金的马氏体相。当将形状记忆合金102加热到超 过将形状记忆合金变化到它的奥氏体相所需的阈值温度时，形状记忆合金102将开始将它 自身变形为图6中所示的形状。在这样的位置，挡板100是打开的。由于如上所述形状记 忆合金的奥氏体相是更强劲的相，因此形状记忆合金生成足够打开挡板100的力是毫无困 难的。现在参考图7和8，再次重复图5和6的概念，利用形状记忆合金是利用它的形状 变化能力来打开挡板150。应当理解形状记忆材料152现在被显示为呈现类似于常用螺旋 形扭簧的构造的卷绕构造。同样地，图7的图示是马氏体相，而图8的图示是奥氏体相。结 合前文，本领域的普通技术人员将清楚地理解图7和8中公开的内容。最后，为了符合一些地区的某些管理规定，图7和8中所示的方案略作修改以改善 挡板的故障保险操作。这通过在邻近形状记忆合金扭簧152的某个位置增加传统的扭簧 160实现。为了简便起见，申请人仅在图9中示出了处于打开位置的该装置，因为在闭合位 置它基本类似于图7。应当理解，根据前面的公开内容，图9的实施例将需要形状记忆合金 生成的全部总力，原因是在该实施例中它必须克服扭簧160以打开挡板。尽管显示和描述了优选实施例，但是可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下 对其进行修改和替换。因此，应当理解本发明通过举例说明而不是限制被描述。
权利要求
一种井下工具致动器，包括形状记忆材料；滑轮系统，其与形状记忆材料接合并且固定就位；和井下工具部件，其与形状记忆材料操作性地连接，并且能够响应形状记忆材料从马氏体相到奥氏体相的相变而移动。
2.一种地下安全阀，包括 夕卜壳；以可枢转方式安装于外壳的挡板；和固定附连到挡板并且固定附连到外壳的形状记忆材料丝线，所述丝线具有允许挡板处 于闭合位置的第一长度和使挡板打开的第二长度。
3.如权利要求2所述的地下安全阀，还包括枢轴销，挡板围绕着所述枢轴销枢转，并且 形状记忆材料丝线布置在所述枢轴销上，从而当丝线转变为它的第二长度时对挡板施加角动量。
4.如权利要求2所述的地下安全阀，还包括固定位于所述阀的至少一个滑轮。
5.如权利要求4所述的地下安全阀，其中所述滑轮以可自由旋转的方式与所述丝线接I=I ο
6.如权利要求2所述的地下安全阀，其中所述丝线是螺旋形扭簧。
7.如权利要求6所述的地下安全阀，其中所述阀还包括非形状记忆材料扭簧。
8.一种安全阀，包括 夕卜壳；布置于外壳上的流管；和在其一端固定到外壳上并且在其另一端固定到流管上的形状记忆材料致动器，当所述 致动器转变为奥氏体相时，所述致动器将流管推动到与阀打开状态关联的位置。
9.如权利要求8所述的安全阀，其中所述致动器被定位在它的一端与另一端之间的曲 折路径中。
10.如权利要求9所述的安全阀，其中所述曲折路径是固定定位的至少一个滑轮。
11.如权利要求9所述的安全阀，其中所述至少一个滑轮是自由旋转的。
12.如权利要求10所述的安全阀，其中所述至少一个滑轮是一组滑轮，所述滑轮一起 操作以延长致动器的在外壳固定部与流管固定部之间的长度。
13.一种用于致动安全阀的方法，包括将处于马氏体相的形状记忆材料的一端固定到阀的外壳； 将所述形状记忆材料的另一端固定到可移动阀部件；和 将所述形状记忆材料加热到与相变到奥氏体相相关联的温度。
14.如权利要求13所述的方法，还包括使所述形状记忆材料沿着外壳与可移动部件之 间的曲折路径延伸。
15.如权利要求13所述的方法，其中所述加热步骤使所述形状记忆材料的长度减小。
全文摘要
公开了一种井下工具致动器，包括形状记忆材料；滑轮系统，其与形状记忆材料接合并且固定就位；和井下工具部件，其可操作地连接到形状记忆材料并且可响应形状记忆材料从马氏体相到奥氏体相的相变而移动。还公开了相应的方法。
文档编号E21B23/00GK101910549SQ200880124921
公开日2010年12月8日 申请日期2008年12月9日 优先权日2007年12月12日
发明者加里(本)·B·莱克 申请人:贝克休斯公司