一種耐磨損膨脹錐及其加工方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種耐磨損膨脹錐及其加工方法。所述膨脹錐（1）在工作面設(shè)置預(yù)制涂層槽（4），該預(yù)制涂層槽（4）跨越膨脹錐保徑段（3）和變徑段（2）的交界部分設(shè)置，其中該預(yù)制涂層槽（4）占變徑段（2）的寬度不小于變徑段寬度的三分之二，預(yù)制涂層槽（4）環(huán)繞膨脹錐設(shè)置一周；在預(yù)制涂層槽內(nèi)設(shè)置硬質(zhì)涂層（5），且硬質(zhì)涂層（5）覆蓋預(yù)制涂層槽（4）全部底部表面，所述硬質(zhì)涂層（5）硬度大于60HRC。本發(fā)明涂層與膨脹錐基體結(jié)合強(qiáng)度高，硬質(zhì)涂層提高了膨脹錐表面硬度，增強(qiáng)了膨脹錐的耐磨損性能，延長了膨脹錐的使用壽命，降低了膨脹壓力，在膨脹管技術(shù)中具有廣泛的應(yīng)用價值。
【專利說明】一種耐磨損膨脹錐及其加工方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于油氣田開發(fā)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體的說涉及一種耐磨損膨脹錐及其加工方法。
【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(diǎn)研究領(lǐng)域。膨脹管技術(shù)是在液壓或機(jī)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(dá)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(qiáng)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(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通機(jī)械傳動中接觸表面間的壓力，機(jī)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(kuò)張變形，膨脹工具與套管內(nèi)壁間的接觸面壓力可以高達(dá)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(yán)重的磨粒磨損和破壞，因此在膨脹過程中對膨脹錐存在嚴(yán)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(qiáng)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(jī)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(dá)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(yán)重的磨損消耗脫落失去作用等問題，導(dǎo)致膨脹錐磨損嚴(yán)重，提高了作業(yè)風(fēng)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。將高強(qiáng)度鋼與硬質(zhì)合金在設(shè)計結(jié)構(gòu)上相結(jié)合，在膨脹錐工作面機(jī)械加工出一個50-500 μ m深的預(yù)制涂層槽，在槽中設(shè)置50-500 μ m硬質(zhì)涂層，涂層與膨脹錐基體表面無臺階牢固結(jié)合，把以前的鋼與鋼接觸變成了鋼與硬質(zhì)合金接觸，減輕粘著磨損，膨脹錐工作面達(dá)到高硬度，耐磨粒磨損性能提高，且不存在錐體脆裂的風(fēng)險。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的一個目的在于提供一種耐磨損膨脹錐，本發(fā)明的膨脹錐能夠提高膨脹錐在膨脹過程中的耐磨損性能，減小膨脹過程中膨脹錐表面與膨脹管表面鋼材之間的粘附力，延長膨脹錐的使用壽命。[0006]本發(fā)明的另一目的在于提供所述耐磨損膨脹錐的加工方法。
[0007]為達(dá)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I在工作面設(shè)置預(yù)制涂層槽4，該預(yù)制涂層槽跨越膨脹錐保徑段3和變徑段2的交界部分設(shè)置，其中該預(yù)制涂層槽4在變徑段2的寬度不小于變徑段寬度的三分之二，預(yù)制涂層槽4圍繞膨脹錐I設(shè)置一圈；預(yù)制涂層槽4內(nèi)設(shè)置硬質(zhì)涂層5，且硬質(zhì)涂層5覆蓋預(yù)制涂層槽4全部底部表面，所述硬質(zhì)涂層5硬度大于60HRC ；
[0008]根據(jù)本發(fā)明所述的耐磨損膨脹錐，本發(fā)明優(yōu)選所述硬質(zhì)涂層5硬度為60?70HRC ；
[0009]根據(jù)本發(fā)明所述的耐磨損膨脹錐，所述硬質(zhì)涂層5可以采用本發(fā)明常規(guī)的硬質(zhì)涂層材料，譬如碳化鎢涂層、氧化鉻涂層等；本發(fā)明優(yōu)選所述硬質(zhì)涂層5為碳化鎢。
[0010]其中本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明中變徑段的寬度，指的是變徑段沿膨脹錐中心軸線的方向的寬度。
[0011]根據(jù)本發(fā)明所述的耐磨損膨脹錐，設(shè)置預(yù)制涂層槽4的膨脹錐周長占全部膨脹錐總周長；也就是說所述預(yù)制涂層槽4圍繞膨脹錐I設(shè)置一圈。
[0012]根據(jù)本發(fā)明所述的耐磨損膨脹錐，所述預(yù)制涂層槽4深度50-500 μ m。
[0013]根據(jù)本發(fā)明所述的耐磨損膨脹錐，所述硬質(zhì)涂層厚度與所述預(yù)制涂層槽深度相一致。
[0014]根據(jù)本發(fā)明所述的耐磨損膨脹錐，在膨脹錐工作面加工出預(yù)制涂層槽4后，通過熱噴涂、激光熔覆或堆焊方法將所述硬質(zhì)涂層5設(shè)置在預(yù)制涂層槽4內(nèi)。
[0015]根據(jù)本發(fā)明所述的耐磨損膨脹錐，在將所述硬質(zhì)涂層5設(shè)置在預(yù)制涂層槽4內(nèi)后還包括對硬質(zhì)涂層5進(jìn)行鏡面拋光處理，使得槽內(nèi)涂層與膨脹錐表面無臺階光滑過渡。
[0016]根據(jù)本發(fā)明所述的耐磨損膨脹錐，在膨脹錐工作面加工出預(yù)制涂層槽4后，先經(jīng)過預(yù)處理再將所述硬質(zhì)涂層5設(shè)置在預(yù)制涂層槽4內(nèi)。
[0017]根據(jù)本發(fā)明所述的耐磨損膨脹錐，加工出預(yù)制涂層槽4后，所述預(yù)處理為采用有機(jī)溶劑清洗膨脹錐1，以除去表面油污，對預(yù)制涂層槽內(nèi)采用噴砂粗化處理，提高涂層的結(jié)合力。
[0018]其中優(yōu)選所述有機(jī)溶劑為汽油、丙酮或四氯化碳；
[0019]其中還優(yōu)選所述噴砂粗化處理為金剛砂噴砂粗化處理；以去除表面氧化膜，并產(chǎn)生均勻而凹凸不平的粗糙表面。
[0020]另一方面，本發(fā)明還提供了所述耐磨損膨脹錐的加工方法，所述方法包括在膨脹錐工作面加工出預(yù)制涂層槽4后，通過熱噴涂、激光熔覆或堆焊方法將所述硬質(zhì)涂層5設(shè)置在預(yù)制涂層槽內(nèi)的步驟。
[0021]根據(jù)本發(fā)明所述的方法，在將所述硬質(zhì)涂層5設(shè)置在預(yù)制涂層槽內(nèi)后還包括對硬質(zhì)涂層5進(jìn)行打磨和拋光處理的步驟。
[0022]根據(jù)本發(fā)明所述的方法，在膨脹錐工作面加工出預(yù)制涂層槽4后，先經(jīng)過預(yù)處理再將所述硬質(zhì)涂層5設(shè)置在預(yù)制涂層槽內(nèi)；
[0023]根據(jù)本發(fā)明所述的方法，本發(fā)明優(yōu)選所述預(yù)處理為采用有機(jī)溶劑清洗膨脹錐1，然后對預(yù)制涂層槽4采用噴砂粗化處理；
[0024]其中優(yōu)選所述有機(jī)溶劑為汽油、丙酮或四氯化碳；[0025]其中還優(yōu)選所述噴砂粗化處理為金剛砂噴砂粗化處理，去除表面氧化膜，產(chǎn)生均勻而凹凸不平的粗糙表面。
[0026]綜上所述，本發(fā)明提供了一種耐磨損膨脹錐及其加工方法。本發(fā)明的耐磨損膨脹錐具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0027]1、本發(fā)明提供一種基于硬質(zhì)涂層提高膨脹錐耐磨損性能的方法，可以減小膨脹錐作業(yè)過程中的磨損，可以用于膨脹管技術(shù)。
[0028]2、本發(fā)明提供一種預(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(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)涂層與基體表面無臺階光滑過渡。
[0029]3、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，膨脹錐表面硬度提高20%以上，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粘著磨損，降低了膨脹作業(yè)壓力和作業(yè)風(fēng)險。
[0030]4、本發(fā)明提供了一種工藝相對簡單、適合產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的膨脹錐表面涂層技術(shù)強(qiáng)化方法，涂層具有硬度高，結(jié)合力強(qiáng)的特點(diǎn)，在膨脹管技術(shù)中具有廣泛的應(yīng)用價值，同時降低了生產(chǎn)成本。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]圖1為實(shí)施例1的耐磨損膨脹錐結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖2為圖1的A-A部位的縱切剖視圖；
[0033]圖3為圖1的B處的預(yù)制涂層槽局部放大示意圖；
[0034]圖4為圖1的B處的涂覆了硬質(zhì)涂層的預(yù)制涂層槽局部放大示意圖；
[0035]其中，I為膨脹錐，2為變徑段，3為保徑段，4為預(yù)制涂層槽，5為硬質(zhì)涂層。
【具體實(shí)施方式】
[0036]以下通過具體實(shí)施例詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)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(shí)質(zhì)和特點(diǎn)，不作為對本案可實(shí)施范圍的限定。
[0037]實(shí)施例1
[0038]本發(fā)明提供一種附有硬質(zhì)涂層的高耐磨膨脹錐1，如圖1-4所示，為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案:在膨脹錐工作面機(jī)械加工出大于50 μ m深的預(yù)制涂層槽4，該預(yù)制涂層槽4跨越膨脹錐保徑段3和變徑段2的交界部分設(shè)置，在預(yù)制涂層槽中噴涂硬質(zhì)涂層5 (如碳化鎢WC)，涂層的厚度大于50 μ m，該類涂層硬度60?70HRC。
[0039]以碳化鎢涂層為例，包括以下幾個步驟:
[0040]預(yù)制涂層槽4加工:在膨脹錐工作面機(jī)械加工出200 μ m的預(yù)制涂層槽4，如圖3所
/Jn ο
[0041]預(yù)處理:采用丙酮清洗膨脹錐1，去除表面油污和污染物并吹干表面，對預(yù)制涂層槽4表面進(jìn)行噴砂粗化處理，以利于涂層的機(jī)械結(jié)合。
[0042]涂覆WC涂層:采用熱噴涂的方法在預(yù)制涂層槽內(nèi)噴涂碳化鎢涂層5，直至涂層高填滿預(yù)制涂層槽4，如圖4所示。
[0043]涂層表面拋光:對涂層5進(jìn)行表面打磨和拋光處理，直至涂層5和錐體表面高度一致，實(shí)現(xiàn)涂層與膨脹錐表面無臺階光滑過渡，同時對涂層區(qū)域的錐度修正和變徑段2相應(yīng)的錐角。
[0044]本發(fā)明，在膨脹錐表面設(shè)計加工出一個50-500 μ m深的預(yù)制涂層槽4，在該預(yù)制涂層槽中形成表面硬質(zhì)層，其硬化層厚度較厚，避免因硬化層厚度薄在服役中被磨損掉的現(xiàn)象。通過表面硬質(zhì)層的強(qiáng)化，使材料表面獲得整體材料無法得到的特殊性能，而不必改變整體材質(zhì)。
[0045]硬化層可以通過激光熔覆，熱噴涂、堆焊等方法形成。
[0046]本發(fā)明的一個具體實(shí)施例中，所述預(yù)制涂層槽4占變徑段2的寬度為變徑段寬度的 2/3。
【權(quán)利要求】
1.一種耐磨損膨脹錐，其特征在于，所述膨脹錐(I)在工作面設(shè)置預(yù)制涂層槽(4)，該預(yù)制涂層槽(4)跨越膨脹錐保徑段(3)和變徑段(2)的交界部分設(shè)置，其中該預(yù)制涂層槽(4)占變徑段(2)的寬度不小于變徑段寬度的三分之二，預(yù)制涂層槽(4)環(huán)繞膨脹錐設(shè)置一周；在預(yù)制涂層槽內(nèi)設(shè)置硬質(zhì)涂層(5 )，且硬質(zhì)涂層(5 )覆蓋預(yù)制涂層槽(4 )全部底部表面，所述硬質(zhì)涂層(5)硬度大于60HRC，優(yōu)選硬度為60?70HRC，更優(yōu)選所述硬質(zhì)涂層(5)為碳化鎢。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐磨損膨脹錐，其特征在于，所述預(yù)制涂層槽(4)深度50-500 μ mD
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐磨損膨脹錐，其特征在于，所述硬質(zhì)涂層(5)厚度與所述預(yù)制涂層槽(4)深度相一致。
4.根據(jù)權(quán)利要求1?3任意一項所述的耐磨損膨脹錐，其特征在于，在膨脹錐(I)工作面加工出預(yù)制涂層槽(4)后，通過熱噴涂、激光熔覆或堆焊方法將所述硬質(zhì)涂層(5)設(shè)置在預(yù)制涂層槽(4)內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的耐磨損膨脹錐，其特征在于，在將所述硬質(zhì)涂層(5)設(shè)置在預(yù)制涂層槽(4 )內(nèi)后還包括對涂層(5 )進(jìn)行鏡面拋光處理的步驟。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的耐磨損膨脹錐，其特征在于，在膨脹錐工作面加工出預(yù)制涂層槽(4 )后，先將膨脹錐(I)經(jīng)過預(yù)處理再將所述硬質(zhì)涂層(5 )設(shè)置在預(yù)制涂層槽(4 )內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的耐磨損膨脹錐，其特征在于，所述預(yù)處理為采用有機(jī)溶劑清洗膨脹錐(1)，然后對預(yù)制涂層槽(4)采用噴砂粗化處理；其中優(yōu)選所述有機(jī)溶劑為汽油、丙酮或四氯化碳；其中還優(yōu)選噴砂粗化處理為使用金剛砂噴砂粗化處理。
8.權(quán)利要求1?7任意一項所述耐磨損膨脹錐的加工方法，其特征在于，所述方法包括在膨脹錐工作面加工出預(yù)制涂層槽(4 )后，通過熱噴涂、激光熔覆或堆焊方法將所述硬質(zhì)涂層(5)設(shè)置在預(yù)制涂層槽(4)內(nèi)的步驟。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，在將所述硬質(zhì)涂層(5)設(shè)置在預(yù)制涂層槽(4)內(nèi)后還包括對硬質(zhì)涂層(5)進(jìn)行鏡面拋光處理的步驟。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，在膨脹錐工作面加工出預(yù)制涂層槽(4)后，先經(jīng)過預(yù)處理再將所述硬質(zhì)涂層(5)設(shè)置在預(yù)制涂層槽(4)內(nèi)；優(yōu)選所述預(yù)處理為采用有機(jī)溶劑清洗膨脹錐(1)，然后對預(yù)制涂層槽(4)采用噴砂粗化處理；其中優(yōu)選所述有機(jī)溶劑為汽油、丙酮或四氯化碳；其中還優(yōu)選所述噴砂粗化處理為使用金剛砂噴砂粗化處理。
【文檔編號】E21B29/10GK103742094SQ201310741174
【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】裴曉含, 邵天敏, 李益良, 黃嘯, 石白茹, 魏松波, 李濤, 鄭立臣, 韓偉業(yè), 陳琳 申請人:中國石油天然氣股份有限公司, 清華大學(xué)