CN103742093A - 一种仿生耐磨损膨胀锥及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种仿生耐磨损膨胀锥及其制造方法，本发明将涂层与仿生非光滑形态相结合，在膨胀锥工作面加工预制涂层槽，在预制涂层槽内设置厚度与槽深相一致的涂层，涂层与膨胀锥表面无台阶光滑过渡，在涂层表面设置凹体单元，从而在膨胀锥表面形成非光滑形态。表面硬化层与仿生非光滑形态结合，使膨胀锥不必整体改变材质，使表面得到较高硬度。该仿生耐磨损膨胀锥能够降低磨损，提高膨胀锥的耐磨性，延长膨胀锥寿命，降低摩擦力和膨胀压力，降低作业风险。

Description

一种仿生耐磨损膨胀锥及其制造方法

技术领域

本发明涉及油气田开发技术领域，具体涉及一种仿生耐磨损膨胀锥及其制造方法。

背景技术

膨胀管技术是石油工程领域内出现的重大新技术，也是近几年的一个热点研究领域。膨胀管技术是在液压或机械力的作用下，驱动膨胀锥在膨胀管内产生轴向移动，使膨胀管超过弹性极限发生永久塑性变形从而达到增大采油管柱或井眼内径的目的。膨胀管技术可有效地解决传统井深结构井越深、套管层数越多，最终的井眼直径将会很小的问题，可用于钻井、完井、采油、修井等作业过程。

目前国内外所用膨胀锥为高强度钢，膨胀管是由低碳钢经特殊加工而成的套管。套管的膨胀过程也就是膨胀锥表面和膨胀套管内表面构成的一对摩擦副的摩擦过程。由于膨胀锥的外径大于膨胀管的内径，塑性变形所需要的力导致膨胀锥与可膨胀套管内表面间的接触压力远远高于普通机械传动中接触表面间的压力，机械轴承中，接触面压通常只有20-50MPa，研究结果表明，为了使套管被扩张变形，膨胀工具与套管内壁间的接触面压力可以高达500-800MPa，作业过程中接触界面伴随极高的温升，由于膨胀锥和膨胀管材料都属于钢材，所以存在粘着现象，造成一定的粘着磨损。且作业环境中存在的砂粒，对膨胀锥表面造成严重的磨粒磨损和破坏，因此在膨胀过程中对膨胀锥存在严重的摩擦磨损问题。膨胀管作业过程中的磨损主要包括粘着磨损、接触疲劳磨损和磨粒磨损，通过提高膨胀锥表面材料的强度和硬度，改变膨胀锥和膨胀管接触界面的材料特性，可以使膨胀锥的磨损降低。

国内外主要以在膨胀管表面涂润滑剂、包含润滑剂的微胶囊涂层、在膨胀锥中附加一个机构用以提供润滑剂等方法降低摩擦磨损，但液体润滑材料在接触面压力高达500-800MPa时不能发挥作用，固体润滑涂层在长井段的膨胀过程中存在严重的磨损消耗脱落失去作用等问题，导致膨胀锥磨损严重，提高了作业风险。完全用硬质合金材料制成的膨胀锥，可以显著提高膨胀锥的硬度，但由于硬质合金材料脆性大，在膨胀作业过程中存在容易脆裂的危险。本发明的目的就在于针对上述现有方法的不足，提供一种新的提高膨胀锥耐磨损、延长膨胀锥使用寿命的方法。

自然界的动物经过亿万年的进化，优化出一身适应环境的本领，如穿山甲、蝼蛄和蜣螂等都具有非光滑的体表形态，其作用在于减阻、脱附和耐磨。利用仿生学方法，将生物表面非光滑理论应用到膨胀管技术中，将为提高膨胀管技术水平提供新的发展思路。对膨胀锥表面进行织构处理，达到降低摩擦阻力、延长使用寿命、降低作业压力、提高作业成功率的目的。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种仿生耐磨损膨胀锥，本发明将涂层与仿生非光滑形态相结合，用于膨胀锥技术，提高膨胀锥的耐磨性，延长膨胀锥寿命。

本发明的另一目的在于提供所述耐磨损膨胀锥的制造方法。

为达上述目的，一方面，本发明提供了一种耐磨损膨胀锥，所述膨胀锥在其工作面设置预制涂层槽2，在预制涂层槽2内设置涂层，在涂层表面设置凹体单元3。

根据本发明所述的膨胀锥，本发明所述预制涂层槽2跨越膨胀锥定径段4和变径段5的交界部分设置，其中该预制涂层槽2占变径段5的宽度不小于变径段宽度的三分之二，预制涂层槽环绕膨胀锥设置一周。

根据本发明所述的膨胀锥，所述凹体单元3组成凹体单元带6，所述凹体单元带6跨越膨胀锥定径段4和变径段5的交界设置，其中该凹体单元带6占变径段5的宽度不小于变径段宽度的四分之一，凹体单元带6环绕膨胀锥设置一周。

本领域技术人员应当理解的是，这里所述的变径段宽度指的是变径段沿膨胀锥轴心方向的宽度。

根据本发明所述的膨胀锥，本发明所述预制涂层槽2深度50～500μm。

根据本发明所述的膨胀锥，本发明进一步优选所述预制涂层槽2深度为200μm。

根据本发明所述的膨胀锥，本发明进一步优选所述涂层厚度与预制涂层槽深度一致；

根据本发明所述的膨胀锥，所述涂层硬度大于60HRC；

根据本发明所述的膨胀锥，本发明优选所述涂层硬度为60～70HRC。

根据本发明所述的膨胀锥，本发明所述凹体单元的底部和涂层槽底部距离为10～460μm。

根据本发明所述的膨胀锥，本发明进一步优选所述凹体单元3的底部和涂层槽底部距离为150μm。

根据本发明所述的膨胀锥，本发明最优选的是，所述预制涂层槽2深度为200μm，凹体单元3深度为50μm。

根据本发明所述的膨胀锥，本发明所述凹体单元3为平行或网格状条纹、球冠状凹坑；

其中本发明优选所述凹体单元3为球冠状凹坑；

根据本发明所述的膨胀锥，本发明优选所述凹体单元表面特征尺寸50～500μm，对于球冠状凹坑来说特征尺寸为凹坑直径，对于平行或网格状条纹来说特征尺寸为条纹宽度。

本领域技术人员应当理解的是，由于所述凹体单元可以为多种形态，如上述的网格状条纹、球冠状凹坑，故这里所述的凹体单元表面宽度为通常意义上所述的宽度，即凹体单元距离最短的相对两个边缘的垂直距离，譬如当凹体单元为球冠状时，所述宽度应为其直径；当凹体单元为网格状条纹时，所述宽度为条纹的宽度，而非长度。

其中本发明更进一步优选当所述凹体单元为平行或网格状条纹时，所述凹体单元宽度为50～500μm，条纹间距为10～1000μm；其中优选为所述凹体单元宽度为150μm，条纹间距为200μm；

当所述凹体单元为球冠状凹坑时，所述凹体单元直径为50～500μm，相邻凹体单元圆心相互距离为150～1400μm；其中优选为所述凹体单元直径为150μm，相邻凹体单元圆心相互距离为300μm。

本发明预制涂层槽内设置的涂层与膨胀锥表面无台阶光滑过渡，在涂层表面设置凹体单元，从而在膨胀锥表面形成非光滑形态，该非光滑形态能够将膨胀锥作业过程中的磨粒由滑动摩擦变为滚动摩擦，降低膨胀锥表面的磨损，减少接触面积，减少沙粒黏附，起到储存磨粒和润滑剂的作用，并有利于形成润滑膜。

其中更优选所述涂层为碳化钨。

另一方面，本发明还提供了所述耐磨损膨胀锥的制造方法，所述方法包括：

（1）在膨胀锥的膨胀锥基体1工作面加工预制涂层槽2；

（2）在预制涂层槽2内设置涂层

（3）在涂层表面设置凹体单元3；

优选使用激光器加工凹体单元3。

根据本发明所述的方法，在加工完凹体单元后还包括对涂层表面进行镜面抛光的步骤。

根据本发明所述的方法，在步骤（1）加工预制涂层槽后还包括采用有机溶剂清洗膨胀锥和预制涂层槽内喷砂粗化的预处理步骤。

其中本发明优选的有机溶剂为丙酮。

综上所述，本发明提供了一种仿生耐磨损膨胀锥及其制造方法。本发明的耐磨损膨胀锥具有如下优点：

1、本发明提供一种仿生耐磨损的膨胀锥制造方法，将硬质涂层与仿生非光滑形态相结合应用于膨胀锥表面，提高膨胀锥耐磨损性能，减小膨胀锥作业过程中的磨损，降低摩擦阻力，延长膨胀锥寿命，可以用于膨胀管技术。

2、本发明的膨胀锥具有仿生非光滑表面，该非光滑形态可以储存磨粒，使原本的滑动摩擦转变为滚动摩擦，降低摩擦阻力。

3、本发明将仿生非光滑形态与表面硬化层的结合，使材料表面获得整体材料无法得到的特殊硬度，而不必整体改变材质。

4、本发明将仿生非光滑应用于膨胀锥表面，能够减少膨胀锥作业过程中的接触面积，减少沙粒黏附，起到储存磨粒和润滑剂的作用，并有利于形成润滑膜。

5、本发明提供一种环状预制涂层槽结构设计，该预制涂层槽提高了涂层与锥基体的结合强度，实现涂层与基体无台阶光滑过渡。

6、本发明采用的涂层为硬质涂层，硬质涂层具有比钢基体材料更高的硬度，为膨胀锥表面提供更高的硬度，使其耐磨粒磨损性能显著提高，同时硬质涂层避免了通常膨胀技术中钢与钢的接触，降低了工作面在高载荷作用下的磨损。

附图说明

图1为本发明实施例1仿生耐磨损膨胀锥。

其中，1为膨胀锥基体，2为预制涂层槽，3为凹体单元，4为膨胀锥的定径段，5为膨胀锥的变径段，6为凹体单元带。

具体实施方式

以下通过具体实施例详细说明本发明的实施过程和产生的有益效果，旨在帮助阅读者更好地理解本发明的实质和特点，不作为对本案可实施范围的限定。

实施例1

本发明提供一种仿生耐磨损的膨胀锥，如图1所示，将涂层与仿生非光滑形态相结合应用于膨胀锥表面，提高膨胀锥耐磨损性能，为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：在膨胀锥1工作面机械加工出200μm深的预制涂层槽2，在预制涂层槽内喷涂碳化钨涂层，涂层与膨胀锥表面无光滑过渡，该涂层硬度为65HRC。在涂层表面加工出凹体单元3，该凹体单元3深度为50μm，凹体单元形成凹体单元带。

以碳化钨涂层为例，包括以下几个步骤：

（1）预制涂层槽加工：在膨胀锥工作面机械加工出200μm深的预制涂层槽2，在定径段4预制涂层槽部分宽度为25mm，在变径段5预制涂层槽部分宽度为15mm，其中变径段宽度为30mm。

（2）预处理：采用丙酮等有机溶剂清洗膨胀锥表面，对预制涂层槽进行喷砂粗化处理步骤，提高涂层与膨胀锥基体的结合强度。

（3）设置碳化钨涂层：采用喷涂的方法在预制涂层槽内喷涂碳化钨涂层。

（4）凹体单元加工：设计凹体单元，所述凹体单元为球冠状凹坑，直径为150μm，深度为50μm，凹坑中心间距为300μm，采用激光束在涂层表面加工出圆形凹坑单元，凹体单元形成凹体单元带，在保径段4的凹体单元带宽度为5mm，在变径段5的凹体单元带宽度为12mm。

（5）涂层表面抛光：对涂层表面进行镜面抛光处理，使涂层与膨胀锥表面无光滑过渡。

仿生非光滑形态与表面硬化层的结合，使膨胀锥不必整体改变材质，使表面得到较高硬度。该非光滑形态能够将膨胀锥作业过程中能够储存，降低膨胀锥表面的磨损。

Claims (10)

1.一种仿生耐磨损膨胀锥，其特征在于，所述膨胀锥在膨胀锥基体（1）工作面设置预制涂层槽（2），在预制涂层槽（2）内设置涂层，在涂层表面设置凹体单元（3）；优选所述预制涂层槽（2）深度50～500μm，更优选为200μm。

2.根据权利要求1所述的膨胀锥，其特征在于，所述预制涂层槽（2）跨越膨胀锥定径段（4）和变径段（5）的交界设置，其中该预制涂层槽（2）占变径段（5）的宽度不小于变径段宽度的三分之二，预制涂层槽（2）环绕膨胀锥设置一周。

3.根据权利要求1所述的膨胀锥，其特征在于，所述凹体单元（3）组成凹体单元带（6），所述凹体单元带（6）跨越膨胀锥定径段（4）和变径段（5）的交界设置，其中该凹体单元带（6）占变径段（5）的宽度不小于变径段宽度的四分之一，凹体单元带（6）环绕膨胀锥设置一周。

4.根据权利要求1～3任意一项所述的膨胀锥，其特征在于，所述预制涂层槽（2）内设置的涂层厚度与预制涂层槽深度一致，优选所述涂层硬度大于60HRC，更优选为60～70HRC；再优选所述涂层为碳化钨。

5.根据权利要求1所述的膨胀锥，其特征在于，所述凹体单元（3）的底部和涂层槽（2）底部距离为10～460μm；优选为150μm。

6.根据权利要求1所述的膨胀锥，其特征在于，所述凹体单元为平行或网格状条纹、球冠状凹坑，凹体单元表面宽度50～500μm。

7.权利要求1～6任意一项所述耐磨损膨胀锥的制造方法，其特征在于，所述方法包括：

（1）在膨胀锥的膨胀锥基体（1）工作面加工预制涂层槽（2）；

（2）在预制涂层槽（2）内设置涂层；

（3）在涂层表面加工凹体单元（3）。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤（3）是使用激光器加工凹体单元（3）。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在加工完凹体单元后还包括对涂层表面进行镜面抛光的步骤。

10.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，在步骤（1）加工预制涂层槽（2）后还包括采用有机溶剂清洗膨胀锥和预制涂层槽内喷砂粗化的预处理步骤；优选所述的有机溶剂为丙酮。

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