适用于铜基形状记忆合金的性能提升方法及其产品、应用

本发明属于石油开采，具体涉及一种适用于铜基形状记忆合金的性能提升方法及其产品，本发明还涉及一种适用于在高温石油井内作业的筛管材料的制备方法及其产品、应用。

背景技术：

1、石油开采的流程大体分为勘探-钻井-完井-开采四个步，其中，完井工序作为开采油藏前的最后一个步骤，工作目标是将油气储层和钻井的井眼之间相互连通，使后续的开采工作可以顺利进行。但在生产过程中，由于钻井对地层的扰动引起的岩土力学性能变化、井眼管道内外的压力差等因素，出油时地层砂不可避免地流入井筒内部，导致设备磨损、管道堵塞乃至油井报废等问题。

2、在几种主流的完井工艺中，老式的套管射孔完井法、裸眼完井法因基本未对出砂现象进行预防，因此二者都仅适用于出砂情况较小的地层。面对出砂问题，传统的解决办法是使用砾石填充，即使用砾石浆液填充井眼环空，为采油管道创造一个砾石填充层，以阻挡油层砂石流入采油管道，但是，砾石填充仍有许多不足之处。首先，砾石填充层需要从地面向下泵入砾石浆液，容易产生卡死、错断、变形等问题，修井作业难度大；其次，砾石填充工艺需要采用单独设计的封隔器、工艺上需要下入两次管柱，工艺复杂；最后，砾石填充工艺在水平井管道上的工艺仍未成熟，对于水平井，在完井、射孔时易发生坍陷，损害井下装备。

3、针对油气开采管道出砂的问题，美国贝克休斯油田技术服务公司开发出了一种基于多孔形状记忆聚合物(shape memory polymer,smp)的智能筛管材料(shape memorypolyurethane foam for downhole sand control filtration devices,us patent7926565b2,2011-04-19；variable tg shape memory polyurethane for wellboredevices us patent,8365833b2.2013-02-05)。智能筛管由内层的多孔基管和外层的多孔形状记忆聚合物组成，在下井前先压缩外层柔软的多孔形状记忆聚合物(压缩50～80％)，之后下入井内，多孔形状记忆聚合物将在井下高温环境和酸液辅助下膨胀至压缩前的尺寸，充填不同尺寸的井眼环空，并且将对周围井壁产生支撑力，进一步防止井底地层出砂。

4、但是，上述的多孔形状记忆聚合物回复应力低，遇到阻碍、复杂管道时容易导致其形状回复不完全；此外，此类材料需要大量的酸降低其形状记忆回复转变温度，导致其造价高昂；最后，此类材料不能用于高温状态，最高使用温度仅为93℃，而放眼世界范围内的石油资源，70％以上都属于稠油、超稠油和沥青范围内，开采这些油气资源需要使用热采法，使得井底温度在200℃以上，多孔形状记忆聚合物筛管高温环境下性能不稳定，极易发生蠕变和大的应力松弛，甚至融化失效。

5、为了解决上述问题，公开号为cn114352239a的专利文献公开了一种超高应变回复形状记忆合金筛管材料及制备方法与应用，其公开的niti形状记忆合金筛管材料能够在能够在高温油井中应用，但是，niti形状记忆合金筛管材料的原材料价格昂贵，且制备niti记忆合金丝筛管材料时所需要的成型压力较大，制成筛管材料时冷压保压力高达2～80kn，进而导致筛管材料成型设备成本较高；另一方面，niti合金导热率不超过20w/(m·k)，在蒸汽驱动采油工艺中，较难实现对于井底稠油的软化；该现有技术还公开了其压缩50％应力为49.79mpa。

6、铜基形状记忆合金成本相对较低，同时导热性能优于niti合金，作为油井筛管材料具有明显优势，但是铜基形状记忆合金的记忆效应来自于其中的热弹性马氏体相变及其逆变，容易发生马氏体稳定化现象，即热弹性马氏体不易逆转变、马氏体可逆转量减小、甚至失去热弹性导致失去形状记忆效应的情况。

7、基于上述可知，马氏体稳定化现象会严重损害了铜基形状记忆合金的记忆效应，本发明旨在预防铜基形状记忆合金的马氏体稳定化，提高铜基形状记忆合金使用过程中的可靠性，使其可作为石油井的筛管材料，且能够在高温环境下使用。

技术实现思路

1、针对相关技术中的问题，本发明提出一种适用于铜基形状记忆合金的性能提升方法及其产品、应用，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。

2、本发明的技术方案是这样实现的：

3、一种适用于铜基形状记忆合金的性能提升方法，包括如下步骤：

4、(1)将铜基形状记忆合金丝置于反应装置中沙浴加热，真空环境下或惰性气氛下，600～900℃保温4～30h，然后取出铜基形状记忆合金丝进行快速冷却；

5、(2)将冷却后的铜基形状记忆合金丝再次放入反应装置中沙浴加热，真空环境下或惰性气氛下，750～900℃保温10～30min，然后取出铜基形状记忆合金丝进行快速冷却；

6、(3)对冷却后的铜基形状记忆合金丝进行油浴加热，在120～160℃下保温0.5～2h，然后取出铜基形状记忆合金丝进行快速冷却；清洗以去除表面油污。

7、与现有技术相比较，首先，本发明通过热处理提升铜基形状记忆合金的稀晶度，减少铜基形状记忆合金内部的三叉晶界数量，进而显著提升铜基形状记忆合金的力学性能、形状记忆效应；

8、其次，本发明对稀晶度的调控还可有效提升包含有本发明的铜基形状记忆合金的筛管材料的回复性能，可制成不同程度的可回复应变，以应对高温油井井下复杂多变情况所对应的不同需求；

9、再次，在稀晶度调控基础上，本发明采用了专门的分级淬火热处理方法预防马氏体稳定化，使得铜基形状记忆合金具有优良且稳定的形状记忆回复应变，并调整铜基形状记忆合金的相变温度(af温度)在29.9～99.8℃范围，即具有适用于井下高温工作条件的相变温度，进而使包含本发明的铜基形状记忆合金的筛管材料在高温条件(100～350℃)下的可靠高回复应变使用。

10、最后，本发明制备铜基形状记忆合金丝材的方法简单易操作，与现有的niti形状记忆合金相比较，原料成本和加工成本相对较低；另一方面，niti形状记忆合金在200℃时的导热率约为13.2w/m·k，远低于本发明的铜基形状记忆合金(300w/m·k以上)，因此，本发明制得的铜基形状记忆合金在用于蒸汽驱动采油软化井底油层粘度时具有显著优势。

11、优选地，在步骤(1)中，所述铜基形状记忆合金丝为cuznal，其中，cu的原子百分比为66.02～81.75％，zn的原子百分比为15.09～24.52％，al的原子百分比为3.05～9.88％。

12、优选地，所述铜基形状记忆合金丝的丝径为0.7～1.2mm。

13、优选地，在步骤(1)和步骤(2)中，所述沙浴加热的细砂为al2o3小球。

14、更优选地，所述al2o3小球的球径小于所述铜基形状记忆合金丝的丝径；具体地，所述al2o3小球的球径为0.25mm。

15、优选地，在步骤(3)中，所述油浴加热采用的油料为二甲基硅油。

16、优选地，在步骤(3)中，所述清洗的具体操作为：采用质量浓度为95％酒精溶液超声清洗10～30min。

17、优选地，本发明通过水淬实现步骤(1)至(3)的快速冷却。

18、本发明还公开一种铜基形状记忆合金丝，由上述的用于铜基形状记忆合金的性能提升方法制成，制成的铜基形状记忆合金丝在室温下为单一马氏体相。

19、所述铜基形状记忆合金丝的平均晶粒直径为0.006～0.51mm，稀晶度为0.006～0.51。

20、所述铜基形状记忆合金丝的马氏体相变完成温度mf≤50.5℃，相变点af＜100℃。

21、基于上述的、已提升性能的铜基形状记忆合金丝，本发明对其如何制成筛管材料进行进一步地研究，具体地，通过将铜基形状记忆合金丝制成螺旋卷、缠绕制成预制体和冷压成型等工序，制备出多孔的、铜基形状记忆合金筛管材料，本发明的筛管材料由通过稀晶度和相变温度调控后的的铜基形状记忆合金丝相互缠结制备而成，不同的稀晶度带来不同的铜基形状记忆合金丝性能，从而调控筛管材料的可回复应变，本发明的筛管材料制备方法可靠性高，容易实现大批量生产。

22、本发明还公开一种筛管材料的制备方法，包括如下步骤：

23、(1)准备一圆柱状的第一芯轴，将上述的铜基形状记忆合金丝围绕第一芯轴进行绕制并拉伸，铜基形状记忆合金丝相对于第一芯轴的轴线倾斜，制成螺旋卷；

24、(2)步骤(1)制得的螺旋卷通过缠绕、铺排和编织等方式以进行嵌合互锁，制备得到结构稳定的预制体；

25、(3)将步骤(2)制备得到的预制体置于模具中进行冷压成型，制得筛管材料。

26、优选地，在步骤(1)中，所述铜基形状记忆合金丝的丝径与第一芯轴的直径比值为5～15∶1

27、优选地，在步骤(1)中，所述铜基形状记忆合金丝相对于第一芯轴的轴线倾斜形成40～60°的夹角，设为螺旋角。

28、优选地，步骤(2)的具体操作为：准备一圆柱状的第二芯轴，步骤(1)制得的螺旋卷相对于第二芯轴的轴线倾斜，所述螺旋卷围绕第二芯轴进行往复缠绕直至螺旋卷缠绕完毕，并将螺旋卷的末端嵌入内部进行封端处理以锁紧防脱，制得预制体。

29、优选地，所述第二芯轴的直径小于第一芯轴的直径；所述第一芯轴的直径为3～10mm，所述第二芯轴的直径为0.5～4mm。

30、优选地，在步骤(2)中，所述螺旋卷相对于第二芯轴的轴线倾斜形成40～50°的夹角，设为缠绕夹角。

31、优选地，在步骤3)中，所述冷压的加载速率为5～12mm/min，压缩时采用位移控制加载，冷压压力至少900n，保压时长2～15min。由该步骤的冷压压力可看出：本发明的筛管材料成型所需的冷压压力小，与niti形状记忆合金2～80kn的成型压力相比较，本发明的筛管材料的加工成本相对较低。

32、优选地，步骤(2)制得的预制体长度与冷压后的筛管材料在冷压方向上的高度比为2～10：1。

33、优选地，所述第一芯轴和第二芯轴均为不锈钢或碳钢等金属材质芯轴。

34、本发明还公开一种筛管材料，由上述的筛管材料的制备方法制成。

35、具体地，所述筛管材料是由上述的铜基形状记忆合金丝互相缠结组成，丝线之间的间隙构成了筛管材料内部相互连通的孔隙，所述筛管材料的孔隙率为75～85％。

36、所述筛管材料在压缩应变50％对应的应力为2.81～22.67mpa，远低于现有技术的niti形状记忆合金筛管材料在压缩应变50％对应的应力49.79mpa。

37、所述筛管材料具有极好的高温耐受性与热传导性能，导热系数300w/m·k以上，可用于石油天然气钻探完井的防砂工作，特别适用于需要高导热率筛管材料的、环境温度200℃以上的稠油井。

38、可高温条件下实现自发的形状回复，在100～350℃温度下可回复应变达到33～50％，满足实际生产中不低于20.4％可回复应变的使用要求；同时，本发明采用调控稀晶度这种简单经济的方法以使筛管材料具有不同的回复性能，尤其适合复杂多变的高温油井开采需求。

39、本发明还公开一种过滤管组件，适用于在高温石油井内作业，包括外套于采油管外侧的多孔基管，所述多孔基管外套有筛管，所述筛管为上述的筛管材料压制而成的管件；

40、所述筛管材料冷压后在冷压压力方向上的高度作为所述筛管的厚度。

41、本发明还公开上述的过滤管组件的使用方法，包括如下步骤：。

42、1)将所述筛管外套于所述多孔基管，所述筛管的初始厚度为h0；

43、2)控制温度t<mf，即在低温马氏体相状态下，对所述筛管的外周壁施加载荷以变形，并约束其形状，使加压后的筛管厚度h1<h0；

44、3)石油井内的环境温度ta>af，将步骤2)的过滤管组件下入石油井内，由于筛管材料的结构回复(孔隙结构)和相变回复(马氏体相变)的耦合效应，所述筛管可以实现极大的应变回复，所述筛管膨胀回复至厚度h2>h0，完成安装。

45、发生形状回复即膨胀后的筛管材料内部的细观结构仍然是合金丝线相互缠结，保持稳定的通孔孔隙结构，这一稳定且独特的孔隙结构能够保证油气顺利通过本实施例进入采油管，同时对砂石实现有效阻挡。

技术特征：

1.一种适用于铜基形状记忆合金的性能提升方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的用于铜基形状记忆合金的性能提升方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述铜基形状记忆合金丝为cuznal，其中，cu的原子百分比为66.02～81.75％，zn的原子百分比为15.09～24.52％，al的原子百分比为3.05～9.88％；

3.根据权利要求1或2所述的用于铜基形状记忆合金的性能提升方法，其特征在于，在步骤(1)和步骤(2)中，所述沙浴加热的细砂为al2o3小球；

4.根据权利要求1或2所述的用于铜基形状记忆合金的性能提升方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述油浴加热采用的油料为二甲基硅油。

5.一种铜基形状记忆合金丝，其特征在于，由权利要求1至4任一权利要求所述的用于铜基形状记忆合金的性能提升方法制成。

6.一种筛管材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

7.根据权利要求6所述的筛管材料的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述铜基形状记忆合金丝相对于第一芯轴的轴线倾斜形成45～55°的夹角，设为螺旋角；

8.一种筛管材料，其特征在于，由权利要求6或7所述的筛管材料的制备方法制成。

9.一种过滤管组件，适用于在高温石油井内作业，其特征在于，包括外套于采油管外侧的多孔基管，所述多孔基管外套有筛管，所述筛管为权利要求8所述的筛管材料压制而成的管件；

10.权利要求9所述的过滤管组件的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

技术总结
本发明公开了一种适用于铜基形状记忆合金的性能提升方法及其产品，采用合适丝径与成分的铜基形状记忆合金丝通过稀晶度调控热处理、分级淬火热处理调制相变温度并预防马氏体稳定化，提升性能后的铜基形状记忆合金进行螺旋绕制、缠绕和编织、冷压成型等步骤制得一种筛管材料，具有高导热率和稳定的形状记忆效应，在高温下具备高的可回复应变，本发明的制备工艺简单，设备成本与材料成本需求低，可靠性高，本发明还公开一种过滤管组件及其使用方法，在石油天然气钻探完井防砂技术领域具有极好的应用前景。

技术研发人员：袁斌,潘天楠,刘凯,高岩,朱敏
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5