一種仿生耐磨損膨脹錐及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種仿生耐磨損膨脹錐及其制造方法，本發(fā)明將涂層與仿生非光滑形態(tài)相結(jié)合，在膨脹錐工作面加工預(yù)制涂層槽，在預(yù)制涂層槽內(nèi)設(shè)置厚度與槽深相一致的涂層，涂層與膨脹錐表面無臺階光滑過渡，在涂層表面設(shè)置凹體單元，從而在膨脹錐表面形成非光滑形態(tài)。表面硬化層與仿生非光滑形態(tài)結(jié)合，使膨脹錐不必整體改變材質(zhì)，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(yè)風險。
【專利說明】一種仿生耐磨損膨脹錐及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及油氣田開發(fā)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種仿生耐磨損膨脹錐及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]膨脹管技術(shù)是石油工程領(lǐng)域內(nèi)出現(xiàn)的重大新技術(shù)，也是近幾年的一個熱點研究領(lǐng)域。膨脹管技術(shù)是在液壓或機械力的作用下，驅(qū)動膨脹錐在膨脹管內(nèi)產(chǎn)生軸向移動，使膨脹管超過彈性極限發(fā)生永久塑性變形從而達到增大采油管柱或井眼內(nèi)徑的目的。膨脹管技術(shù)可有效地解決傳統(tǒng)井深結(jié)構(gòu)井越深、套管層數(shù)越多，最終的井眼直徑將會很小的問題，可用于鉆井、完井、采油、修井等作業(yè)過程。
[0003]目前國內(nèi)外所用膨脹錐為高強度鋼，膨脹管是由低碳鋼經(jīng)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(nèi)表面構(gòu)成的一對摩擦副的摩擦過程。由于膨脹錐的外徑大于膨脹管的內(nèi)徑，塑性變形所需要的力導(dǎo)致膨脹錐與可膨脹套管內(nèi)表面間的接觸壓力遠遠高于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(jié)果表明，為了使套管被擴張變形，膨脹工具與套管內(nèi)壁間的接觸面壓力可以高達500-800MPa，作業(yè)過程中接觸界面伴隨極高的溫升，由于膨脹錐和膨脹管材料都屬于鋼材，所以存在粘著現(xiàn)象，造成一定的粘著磨損。且作業(yè)環(huán)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(yè)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(nèi)外主要以在膨脹管表面涂潤滑劑、包含潤滑劑的微膠囊涂層、在膨脹錐中附加一個機構(gòu)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(fā)揮作用，固體潤滑涂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(dǎo)致膨脹錐磨損嚴重，提高了作業(yè)風險。完全用硬質(zhì)合金材料制成的膨脹錐，可以顯著提高膨脹錐的硬度，但由于硬質(zhì)合金材料脆性大，在膨脹作業(yè)過程中存在容易脆裂的危險。本發(fā)明的目的就在于針對上述現(xiàn)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(jīng)過億萬年的進化，優(yōu)化出一身適應(yīng)環(huán)境的本領(lǐng)，如穿山甲、螻蛄和蜣螂等都具有非光滑的體表形態(tài)，其作用在于減阻、脫附和耐磨。利用仿生學(xué)方法，將生物表面非光滑理論應(yīng)用到膨脹管技術(shù)中，將為提高膨脹管技術(shù)水平提供新的發(fā)展思路。對膨脹錐表面進行織構(gòu)處理，達到降低摩擦阻力、延長使用壽命、降低作業(yè)壓力、提高作業(yè)成功率的目的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的一個目的在于提供一種仿生耐磨損膨脹錐，本發(fā)明將涂層與仿生非光滑形態(tài)相結(jié)合，用于膨脹錐技術(shù)，提高膨脹錐的耐磨性，延長膨脹錐壽命。
[0007]本發(fā)明的另一目的在于提供所述耐磨損膨脹錐的制造方法。
[0008]為達上述目的，一方面，本發(fā)明提供了一種耐磨損膨脹錐，所述膨脹錐在其工作面設(shè)置預(yù)制涂層槽2，在預(yù)制涂層槽2內(nèi)設(shè)置涂層，在涂層表面設(shè)置凹體單元3。
[0009]根據(jù)本發(fā)明所述的膨脹錐，本發(fā)明所述預(yù)制涂層槽2跨越膨脹錐定徑段4和變徑段5的交界部分設(shè)置，其中該預(yù)制涂層槽2占變徑段5的寬度不小于變徑段寬度的三分之二，預(yù)制涂層槽環(huán)繞膨脹錐設(shè)置一周。
[0010]根據(jù)本發(fā)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(shè)置，其中該凹體單元帶6占變徑段5的寬度不小于變徑段寬度的四分之一，凹體單元帶6環(huán)繞膨脹錐設(shè)置一周。
[0011]本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當理解的是，這里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(jù)本發(fā)明所述的膨脹錐，本發(fā)明所述預(yù)制涂層槽2深度50?500 u m。
[0013]根據(jù)本發(fā)明所述的膨脹錐，本發(fā)明進一步優(yōu)選所述預(yù)制涂層槽2深度為200 u m。
[0014]根據(jù)本發(fā)明所述的膨脹錐，本發(fā)明進一步優(yōu)選所述涂層厚度與預(yù)制涂層槽深度一致；
[0015]根據(jù)本發(fā)明所述的膨脹錐，所述涂層硬度大于60HRC ；
[0016]根據(jù)本發(fā)明所述的膨脹錐，本發(fā)明優(yōu)選所述涂層硬度為60?70HRC。
[0017]根據(jù)本發(fā)明所述的膨脹錐，本發(fā)明所述凹體單元的底部和涂層槽底部距離為
10?460 u mD
[0018]根據(jù)本發(fā)明所述的膨脹錐，本發(fā)明進一步優(yōu)選所述凹體單元3的底部和涂層槽底部距離為150 u m。
[0019]根據(jù)本發(fā)明所述的膨脹錐，本發(fā)明最優(yōu)選的是，所述預(yù)制涂層槽2深度為200 u m,凹體單元3深度為50 u m。
[0020]根據(jù)本發(fā)明所述的膨脹錐，本發(fā)明所述凹體單元3為平行或網(wǎng)格狀條紋、球冠狀凹坑；
[0021]其中本發(fā)明優(yōu)選所述凹體單元3為球冠狀凹坑；
[0022]根據(jù)本發(fā)明所述的膨脹錐，本發(fā)明優(yōu)選所述凹體單元表面特征尺寸50?500 ym，對于球冠狀凹坑來說特征尺寸為凹坑直徑，對于平行或網(wǎng)格狀條紋來說特征尺寸為條紋寬度。
[0023]本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當理解的是，由于所述凹體單元可以為多種形態(tài)，如上述的網(wǎng)格狀條紋、球冠狀凹坑，故這里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(yīng)為其直徑；當凹體單元為網(wǎng)格狀條紋時，所述寬度為條紋的寬度，而非長度。
[0024]其中本發(fā)明更進一步優(yōu)選當所述凹體單元為平行或網(wǎng)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(yōu)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(yōu)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(fā)明預(yù)制涂層槽內(nèi)設(shè)置的涂層與膨脹錐表面無臺階光滑過渡，在涂層表面設(shè)置凹體單元，從而在膨脹錐表面形成非光滑形態(tài)，該非光滑形態(tài)能夠?qū)⑴蛎涘F作業(yè)過程中的磨粒由滑動摩擦變?yōu)闈L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，并有利于形成潤滑膜。
[0027]其中更優(yōu)選所述涂層為碳化鎢。
[0028]另一方面，本發(fā)明還提供了所述耐磨損膨脹錐的制造方法，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(yù)制涂層槽2 ；
[0030]( 2 )在預(yù)制涂層槽2內(nèi)設(shè)置涂層
[0031](3)在涂層表面設(shè)置凹體單元3 ；
[0032]優(yōu)選使用激光器加工凹體單元3。
[0033]根據(jù)本發(fā)明所述的方法，在加工完凹體單元后還包括對涂層表面進行鏡面拋光的步驟。
[0034]根據(jù)本發(fā)明所述的方法，在步驟(I)加工預(yù)制涂層槽后還包括采用有機溶劑清洗膨脹錐和預(yù)制涂層槽內(nèi)噴砂粗化的預(yù)處理步驟。
[0035]其中本發(fā)明優(yōu)選的有機溶劑為丙酮。
[0036]綜上所述，本發(fā)明提供了一種仿生耐磨損膨脹錐及其制造方法。本發(fā)明的耐磨損膨脹錐具有如下優(yōu)點:
[0037]1、本發(fā)明提供一種仿生耐磨損的膨脹錐制造方法，將硬質(zhì)涂層與仿生非光滑形態(tài)相結(jié)合應(yīng)用于膨脹錐表面，提高膨脹錐耐磨損性能，減小膨脹錐作業(yè)過程中的磨損，降低摩擦阻力，延長膨脹錐壽命，可以用于膨脹管技術(shù)。
[0038]2、本發(fā)明的膨脹錐具有仿生非光滑表面，該非光滑形態(tài)可以儲存磨粒，使原本的滑動摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動摩擦，降低摩擦阻力。
[0039]3、本發(fā)明將仿生非光滑形態(tài)與表面硬化層的結(jié)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(zhì)。
[0040]4、本發(fā)明將仿生非光滑應(yīng)用于膨脹錐表面，能夠減少膨脹錐作業(yè)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，并有利于形成潤滑膜。
[0041]5、本發(fā)明提供一種環(huán)狀預(yù)制涂層槽結(jié)構(gòu)設(shè)計，該預(yù)制涂層槽提高了涂層與錐基體的結(jié)合強度，實現(xiàn)涂層與基體無臺階光滑過渡。
[0042]6、本發(fā)明采用的涂層為硬質(zhì)涂層，硬質(zhì)涂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(zhì)涂層避免了通常膨脹技術(shù)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(fā)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(yù)制涂層槽，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(fā)明的實施過程和產(chǎn)生的有益效果，旨在幫助閱讀者更好地理解本發(fā)明的實質(zhì)和特點，不作為對本案可實施范圍的限定。
[0046]實施例1
[0047]本發(fā)明提供一種仿生耐磨損的膨脹錐，如圖1所示，將涂層與仿生非光滑形態(tài)相結(jié)合應(yīng)用于膨脹錐表面，提高膨脹錐耐磨損性能，為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案:在膨脹錐I工作面機械加工出200 iim深的預(yù)制涂層槽2，在預(yù)制涂層槽內(nèi)噴涂碳化鎢涂層，涂層與膨脹錐表面無光滑過渡，該涂層硬度為65HRC。在涂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]以碳化鎢涂層為例，包括以下幾個步驟:
[0049](I)預(yù)制涂層槽加工:在膨脹錐工作面機械加工出200 Pm深的預(yù)制涂層槽2，在定徑段4預(yù)制涂層槽部分寬度為25mm，在變徑段5預(yù)制涂層槽部分寬度為15mm，其中變徑段寬度為30mm。
[0050](2)預(yù)處理:采用丙酮等有機溶劑清洗膨脹錐表面，對預(yù)制涂層槽進行噴砂粗化處理步驟，提高涂層與膨脹錐基體的結(jié)合強度。
[0051](3)設(shè)置碳化鎢涂層:采用噴涂的方法在預(yù)制涂層槽內(nèi)噴涂碳化鎢涂層。
[0052](4)凹體單元加工:設(shè)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,采用激光束在涂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)涂層表面拋光:對涂層表面進行鏡面拋光處理，使涂層與膨脹錐表面無光滑過渡。
[0054]仿生非光滑形態(tài)與表面硬化層的結(jié)合，使膨脹錐不必整體改變材質(zhì)，使表面得到較高硬度。該非光滑形態(tài)能夠?qū)⑴蛎涘F作業(yè)過程中能夠儲存，降低膨脹錐表面的磨損。
【權(quán)利要求】
1.一種仿生耐磨損膨脹錐，其特征在于，所述膨脹錐在膨脹錐基體(I)工作面設(shè)置預(yù)制涂層槽(2)，在預(yù)制涂層槽(2)內(nèi)設(shè)置涂層，在涂層表面設(shè)置凹體單元(3);優(yōu)選所述預(yù)制涂層槽(2 )深度50?500 u m,更優(yōu)選為200 y m。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膨脹錐，其特征在于，所述預(yù)制涂層槽(2)跨越膨脹錐定徑段(4)和變徑段(5)的交界設(shè)置，其中該預(yù)制涂層槽(2)占變徑段(5)的寬度不小于變徑段寬度的三分之二，預(yù)制涂層槽(2)環(huán)繞膨脹錐設(shè)置一周。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膨脹錐，其特征在于，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(shè)置，其中該凹體單元帶(6)占變徑段(5)的寬度不小于變徑段寬度的四分之一，凹體單元帶(6)環(huán)繞膨脹錐設(shè)置一周。
4.根據(jù)權(quán)利要求1?3任意一項所述的膨脹錐，其特征在于，所述預(yù)制涂層槽(2)內(nèi)設(shè)置的涂層厚度與預(yù)制涂層槽深度一致，優(yōu)選所述涂層硬度大于60HRC，更優(yōu)選為60?70HRC ;再優(yōu)選所述涂層為碳化鎢。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膨脹錐，其特征在于，所述凹體單元(3)的底部和涂層槽(2)底部距離為10?460 u m ;優(yōu)選為150 u m。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膨脹錐，其特征在于，所述凹體單元為平行或網(wǎng)格狀條紋、球冠狀凹坑，凹體單元表面寬度50?500 u m。
7.權(quán)利要求1?6任意一項所述耐磨損膨脹錐的制造方法，其特征在于，所述方法包括: (1)在膨脹錐的膨脹錐基體(I)工作面加工預(yù)制涂層槽(2); (2)在預(yù)制涂層槽(2)內(nèi)設(shè)置涂層； (3)在涂層表面加工凹體單元(3)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，步驟(3)是使用激光器加工凹體單元(3)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，在加工完凹體單元后還包括對涂層表面進行鏡面拋光的步驟。
10.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的方法，其特征在于，在步驟(I)加工預(yù)制涂層槽(2)后還包括采用有機溶劑清洗膨脹錐和預(yù)制涂層槽內(nèi)噴砂粗化的預(yù)處理步驟；優(yōu)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(yōu)先權(quán)日:2013年12月27日
【發(fā)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(xué)