一種仿生耐磨損膨脹錐及其製造方法
2023-05-06 03:30:26 2
一種仿生耐磨損膨脹錐及其製造方法
【專利摘要】本發明提供了一種仿生耐磨損膨脹錐及其製造方法，本發明將塗層與仿生非光滑形態相結合，在膨脹錐工作面加工預製塗層槽，在預製塗層槽內設置厚度與槽深相一致的塗層，塗層與膨脹錐表面無臺階光滑過渡，在塗層表面設置凹體單元，從而在膨脹錐表面形成非光滑形態。表面硬化層與仿生非光滑形態結合，使膨脹錐不必整體改變材質，使表面得到較高硬度。該仿生耐磨損膨脹錐能夠降低磨損，提高膨脹錐的耐磨性，延長膨脹錐壽命，降低摩擦力和膨脹壓力，降低作業風險。
【專利說明】一種仿生耐磨損膨脹錐及其製造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及油氣田開發【技術領域】，具體涉及一種仿生耐磨損膨脹錐及其製造方法。
【背景技術】
[0002]膨脹管技術是石油工程領域內出現的重大新技術，也是近幾年的一個熱點研究領域。膨脹管技術是在液壓或機械力的作用下，驅動膨脹錐在膨脹管內產生軸向移動，使膨脹管超過彈性極限發生永久塑性變形從而達到增大採油管柱或井眼內徑的目的。膨脹管技術可有效地解決傳統井深結構井越深、套管層數越多，最終的井眼直徑將會很小的問題，可用於鑽井、完井、採油、修井等作業過程。
[0003]目前國內外所用膨脹錐為高強度鋼，膨脹管是由低碳鋼經特殊加工而成的套管。套管的膨脹過程也就是膨脹錐表面和膨脹套管內表面構成的一對摩擦副的摩擦過程。由於膨脹錐的外徑大於膨脹管的內徑，塑性變形所需要的力導致膨脹錐與可膨脹套管內表面間的接觸壓力遠遠高於普通機械傳動中接觸表面間的壓力，機械軸承中，接觸面壓通常只有20-50MPa，研究結果表明，為了使套管被擴張變形，膨脹工具與套管內壁間的接觸面壓力可以高達500-800MPa，作業過程中接觸界面伴隨極高的溫升，由於膨脹錐和膨脹管材料都屬於鋼材，所以存在粘著現象，造成一定的粘著磨損。且作業環境中存在的砂粒，對膨脹維表面造成嚴重的磨粒磨損和破壞，因此在膨脹過程中對膨脹錐存在嚴重的摩擦磨損問題。膨脹管作業過程中的磨損主要包括粘著磨損、接觸疲勞磨損和磨粒磨損，通過提高膨脹錐表面材料的強度和硬度，改變膨脹錐和膨脹管接觸界面的材料特性，可以使膨脹錐的磨損降低。
[0004]國內外主要以在膨脹管表面塗潤滑劑、包含潤滑劑的微膠囊塗層、在膨脹錐中附加一個機構用以提供潤滑劑等方法降低摩擦磨損，但液體潤滑材料在接觸面壓力高達500-800MPa時不能發揮作用，固體潤滑塗層在長井段的膨脹過程中存在嚴重的磨損消耗脫落失去作用等問題，導致膨脹錐磨損嚴重，提高了作業風險。完全用硬質合金材料製成的膨脹錐，可以顯著提高膨脹錐的硬度，但由於硬質合金材料脆性大，在膨脹作業過程中存在容易脆裂的危險。本發明的目的就在於針對上述現有方法的不足，提供一種新的提高膨脹錐耐磨損、延長膨脹錐使用壽命的方法。
[0005]自然界的動物經過億萬年的進化，優化出一身適應環境的本領，如穿山甲、螻蛄和蜣螂等都具有非光滑的體表形態，其作用在於減阻、脫附和耐磨。利用仿生學方法，將生物表面非光滑理論應用到膨脹管技術中，將為提高膨脹管技術水平提供新的發展思路。對膨脹錐表面進行織構處理，達到降低摩擦阻力、延長使用壽命、降低作業壓力、提高作業成功率的目的。
【發明內容】
[0006]本發明的一個目的在於提供一種仿生耐磨損膨脹錐，本發明將塗層與仿生非光滑形態相結合，用於膨脹錐技術，提高膨脹錐的耐磨性，延長膨脹錐壽命。
[0007]本發明的另一目的在於提供所述耐磨損膨脹錐的製造方法。
[0008]為達上述目的，一方面，本發明提供了一種耐磨損膨脹錐，所述膨脹錐在其工作面設置預製塗層槽2，在預製塗層槽2內設置塗層，在塗層表面設置凹體單元3。
[0009]根據本發明所述的膨脹錐，本發明所述預製塗層槽2跨越膨脹錐定徑段4和變徑段5的交界部分設置，其中該預製塗層槽2佔變徑段5的寬度不小於變徑段寬度的三分之二，預製塗層槽環繞膨脹錐設置一周。
[0010]根據本發明所述的膨脹錐，所述凹體單元3組成凹體單元帶6，所述凹體單元帶6跨越膨脹錐定徑段4和變徑段5的交界設置，其中該凹體單元帶6佔變徑段5的寬度不小於變徑段寬度的四分之一，凹體單元帶6環繞膨脹錐設置一周。
[0011]本領域技術人員應當理解的是，這裡所述的變徑段寬度指的是變徑段沿膨脹錐軸心方向的寬度。
[0012]根據本發明所述的膨脹錐，本發明所述預製塗層槽2深度50?500 u m。
[0013]根據本發明所述的膨脹錐，本發明進一步優選所述預製塗層槽2深度為200 u m。
[0014]根據本發明所述的膨脹錐，本發明進一步優選所述塗層厚度與預製塗層槽深度一致；
[0015]根據本發明所述的膨脹錐，所述塗層硬度大於60HRC ；
[0016]根據本發明所述的膨脹錐，本發明優選所述塗層硬度為60?70HRC。
[0017]根據本發明所述的膨脹錐，本發明所述凹體單元的底部和塗層槽底部距離為
10?460 u mD
[0018]根據本發明所述的膨脹錐，本發明進一步優選所述凹體單元3的底部和塗層槽底部距離為150 u m。
[0019]根據本發明所述的膨脹錐，本發明最優選的是，所述預製塗層槽2深度為200 u m,凹體單元3深度為50 u m。
[0020]根據本發明所述的膨脹錐，本發明所述凹體單元3為平行或網格狀條紋、球冠狀凹坑；
[0021]其中本發明優選所述凹體單元3為球冠狀凹坑；
[0022]根據本發明所述的膨脹錐，本發明優選所述凹體單元表面特徵尺寸50?500 ym，對於球冠狀凹坑來說特徵尺寸為凹坑直徑，對於平行或網格狀條紋來說特徵尺寸為條紋寬度。
[0023]本領域技術人員應當理解的是，由於所述凹體單元可以為多種形態，如上述的網格狀條紋、球冠狀凹坑，故這裡所述的凹體單元表面寬度為通常意義上所述的寬度，即凹體單元距離最短的相對兩個邊緣的垂直距離，譬如當凹體單元為球冠狀時，所述寬度應為其直徑；當凹體單元為網格狀條紋時，所述寬度為條紋的寬度，而非長度。
[0024]其中本發明更進一步優選當所述凹體單元為平行或網格狀條紋時，所述凹體單元寬度為50?500 u m,條紋間距為10?1000 u m ;其中優選為所述凹體單元寬度為150 u m，條紋間距為200 ii m ;
[0025]當所述凹體單元為球冠狀凹坑時，所述凹體單元直徑為50?500 u m,相鄰凹體單元圓心相互距離為150?1400 u m ;其中優選為所述凹體單元直徑為150 u m,相鄰凹體單元圓心相互距離為300 u m。
[0026]本發明預製塗層槽內設置的塗層與膨脹錐表面無臺階光滑過渡，在塗層表面設置凹體單元，從而在膨脹錐表面形成非光滑形態，該非光滑形態能夠將膨脹錐作業過程中的磨粒由滑動摩擦變為滾動摩擦，降低膨脹錐表面的磨損，減少接觸面積，減少沙粒黏附，起到儲存磨粒和潤滑劑的作用，並有利於形成潤滑膜。
[0027]其中更優選所述塗層為碳化鎢。
[0028]另一方面，本發明還提供了所述耐磨損膨脹錐的製造方法，所述方法包括:
[0029](I)在膨脹錐的膨脹錐基體I工作面加工預製塗層槽2 ；
[0030]( 2 )在預製塗層槽2內設置塗層
[0031](3)在塗層表面設置凹體單元3 ；
[0032]優選使用雷射器加工凹體單元3。
[0033]根據本發明所述的方法，在加工完凹體單元後還包括對塗層表面進行鏡面拋光的步驟。
[0034]根據本發明所述的方法，在步驟(I)加工預製塗層槽後還包括採用有機溶劑清洗膨脹錐和預製塗層槽內噴砂粗化的預處理步驟。
[0035]其中本發明優選的有機溶劑為丙酮。
[0036]綜上所述，本發明提供了一種仿生耐磨損膨脹錐及其製造方法。本發明的耐磨損膨脹錐具有如下優點:
[0037]1、本發明提供一種仿生耐磨損的膨脹錐製造方法，將硬質塗層與仿生非光滑形態相結合應用於膨脹錐表面，提高膨脹錐耐磨損性能，減小膨脹錐作業過程中的磨損，降低摩擦阻力，延長膨脹錐壽命，可以用於膨脹管技術。
[0038]2、本發明的膨脹錐具有仿生非光滑表面，該非光滑形態可以儲存磨粒，使原本的滑動摩擦轉變為滾動摩擦，降低摩擦阻力。
[0039]3、本發明將仿生非光滑形態與表面硬化層的結合，使材料表面獲得整體材料無法得到的特殊硬度，而不必整體改變材質。
[0040]4、本發明將仿生非光滑應用於膨脹錐表面，能夠減少膨脹錐作業過程中的接觸面積，減少沙粒黏附，起到儲存磨粒和潤滑劑的作用，並有利於形成潤滑膜。
[0041]5、本發明提供一種環狀預製塗層槽結構設計，該預製塗層槽提高了塗層與錐基體的結合強度，實現塗層與基體無臺階光滑過渡。
[0042]6、本發明採用的塗層為硬質塗層，硬質塗層具有比鋼基體材料更高的硬度，為膨脹錐表面提供更高的硬度，使其耐磨粒磨損性能顯著提高，同時硬質塗層避免了通常膨脹技術中鋼與鋼的接觸，降低了工作面在高載荷作用下的磨損。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0043]圖1為本發明實施例1仿生耐磨損膨脹錐。
[0044]其中，I為膨脹錐基體，2為預製塗層槽，3為凹體單元，4為膨脹錐的定徑段，5為膨脹錐的變徑段，6為凹體單元帶。
【具體實施方式】[0045]以下通過具體實施例詳細說明本發明的實施過程和產生的有益效果，旨在幫助閱讀者更好地理解本發明的實質和特點，不作為對本案可實施範圍的限定。
[0046]實施例1
[0047]本發明提供一種仿生耐磨損的膨脹錐，如圖1所示，將塗層與仿生非光滑形態相結合應用於膨脹錐表面，提高膨脹錐耐磨損性能，為實現上述目的，本發明採取以下技術方案:在膨脹錐I工作面機械加工出200 iim深的預製塗層槽2，在預製塗層槽內噴塗碳化鎢塗層，塗層與膨脹錐表面無光滑過渡，該塗層硬度為65HRC。在塗層表面加工出凹體單元3，該凹體單元3深度為50 u m,凹體單元形成凹體單元帶。
[0048]以碳化鎢塗層為例，包括以下幾個步驟:
[0049](I)預製塗層槽加工:在膨脹錐工作面機械加工出200 Pm深的預製塗層槽2，在定徑段4預製塗層槽部分寬度為25mm，在變徑段5預製塗層槽部分寬度為15mm，其中變徑段寬度為30mm。
[0050](2)預處理:採用丙酮等有機溶劑清洗膨脹錐表面，對預製塗層槽進行噴砂粗化處理步驟，提高塗層與膨脹錐基體的結合強度。
[0051](3)設置碳化鎢塗層:採用噴塗的方法在預製塗層槽內噴塗碳化鎢塗層。
[0052](4)凹體單元加工:設計凹體單元，所述凹體單元為球冠狀凹坑，直徑為150 Pm，深度為50 u m,凹坑中心間距為300 u m,採用雷射束在塗層表面加工出圓形凹坑單元，凹體單元形成凹體單元帶，在保徑段4的凹體單元帶寬度為5mm，在變徑段5的凹體單元帶寬度為 12mm。
[0053](5)塗層表面拋光:對塗層表面進行鏡面拋光處理，使塗層與膨脹錐表面無光滑過渡。
[0054]仿生非光滑形態與表面硬化層的結合，使膨脹錐不必整體改變材質，使表面得到較高硬度。該非光滑形態能夠將膨脹錐作業過程中能夠儲存，降低膨脹錐表面的磨損。
【權利要求】
1.一種仿生耐磨損膨脹錐，其特徵在於，所述膨脹錐在膨脹錐基體(I)工作面設置預製塗層槽(2)，在預製塗層槽(2)內設置塗層，在塗層表面設置凹體單元(3);優選所述預製塗層槽(2 )深度50?500 u m,更優選為200 y m。
2.根據權利要求1所述的膨脹錐，其特徵在於，所述預製塗層槽(2)跨越膨脹錐定徑段(4)和變徑段(5)的交界設置，其中該預製塗層槽(2)佔變徑段(5)的寬度不小於變徑段寬度的三分之二，預製塗層槽(2)環繞膨脹錐設置一周。
3.根據權利要求1所述的膨脹錐，其特徵在於，所述凹體單元(3)組成凹體單元帶(6)，所述凹體單元帶(6)跨越膨脹錐定徑段(4)和變徑段(5)的交界設置，其中該凹體單元帶(6)佔變徑段(5)的寬度不小於變徑段寬度的四分之一，凹體單元帶(6)環繞膨脹錐設置一周。
4.根據權利要求1?3任意一項所述的膨脹錐，其特徵在於，所述預製塗層槽(2)內設置的塗層厚度與預製塗層槽深度一致，優選所述塗層硬度大於60HRC，更優選為60?70HRC ;再優選所述塗層為碳化鎢。
5.根據權利要求1所述的膨脹錐，其特徵在於，所述凹體單元(3)的底部和塗層槽(2)底部距離為10?460 u m ;優選為150 u m。
6.根據權利要求1所述的膨脹錐，其特徵在於，所述凹體單元為平行或網格狀條紋、球冠狀凹坑，凹體單元表面寬度50?500 u m。
7.權利要求1?6任意一項所述耐磨損膨脹錐的製造方法，其特徵在於，所述方法包括: (1)在膨脹錐的膨脹錐基體(I)工作面加工預製塗層槽(2); (2)在預製塗層槽(2)內設置塗層； (3)在塗層表面加工凹體單元(3)。
8.根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，步驟(3)是使用雷射器加工凹體單元(3)。
9.根據權利要求8所述的方法，其特徵在於，在加工完凹體單元後還包括對塗層表面進行鏡面拋光的步驟。
10.根據權利要求7或8所述的方法，其特徵在於，在步驟(I)加工預製塗層槽(2)後還包括採用有機溶劑清洗膨脹錐和預製塗層槽內噴砂粗化的預處理步驟；優選所述的有機溶劑為丙酮。
【文檔編號】E21B29/10GK103742093SQ201310741121
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年12月27日 優先權日:2013年12月27日
【發明者】石白茹, 王惠, 裴曉含, 邵天敏, 魏松波, 李濤, 李益良, 鄭立臣, 陳強 申請人:中國石油天然氣股份有限公司, 清華大學