抗沖蝕磨損的葉輪式水力脈沖鉆井提速工具的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種抗沖蝕磨損的葉輪式水力脈沖鉆井提速工具，包括管狀殼體，特征在于：管狀殼體內(nèi)靠近下部設(shè)有自激振蕩腔，在自激振蕩腔上方裝有葉輪座，葉輪座上偏心裝有葉輪軸和葉輪，葉輪上方設(shè)有水流變壓擋板，并通過壓帽限制其軸向位置；葉輪、葉輪軸、葉輪座、自激振蕩腔材料采用YG8硬質(zhì)合金材料制成，在葉輪、葉輪軸和葉輪座的外表面均涂覆有高硬度低摩擦系數(shù)的氮化碳復(fù)合涂層，在自激振蕩腔內(nèi)表面涂覆有高硬度低摩擦系數(shù)的氮化碳復(fù)合涂層。優(yōu)點(diǎn)是：可大幅度降低流體和鉆井工具之間的摩擦阻力，提高流體的速度；提升葉輪等關(guān)鍵部件抗水力沖蝕能力和抗磨損能力，并可延長鉆具的使用壽命和保證運(yùn)行可靠性，提高油井油田的生產(chǎn)效率。
【專利說明】抗沖蝕磨損的葉輪式水力脈沖鉆井提速工具

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于石油鉆采【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種抗沖蝕磨損的葉輪式水力脈沖鉆井提速工具。

【背景技術(shù)】
[0002]目前，隨著油田勘探向更深層的地層發(fā)展，對(duì)鉆井作業(yè)提出了更高的要求，近年來我國通過重大專項(xiàng)計(jì)劃，設(shè)計(jì)出了水力脈沖鉆井提速工具，滿足了現(xiàn)代油井發(fā)展的提速要求，解決了傳統(tǒng)鉆井方式的能量傳輸、轉(zhuǎn)換、分配等方面的存在的問題。水力脈沖鉆井提速工具通過水力脈沖和空化射流技術(shù)來提高鉆井速度。并且該類裝置脈沖射流與空化射流可調(diào)，當(dāng)鉆具內(nèi)連續(xù)流動(dòng)的鉆井液調(diào)制為脈沖空化射流時(shí)，同時(shí)水流變壓擋板設(shè)計(jì)為斜坡模式，噴射出的鉆井液速度得到很大提升，同時(shí)能夠降低巖石破碎強(qiáng)度，減少壓持效應(yīng)，破巖效率得到很大提高。
[0003]在上述水力脈沖鉆井提速工具能夠很好地提升鉆井液速度的同時(shí)也帶來另外一個(gè)問題，由于水流變壓擋板的斜坡設(shè)計(jì)以及鉆井液的脈沖進(jìn)出使得水流變壓擋板、葉輪和葉輪軸承受到很大的切向應(yīng)力以及鉆井液中一些顆粒物的沖蝕，故導(dǎo)致上述部件出現(xiàn)嚴(yán)重的沖蝕磨損，甚至開裂，進(jìn)而縮短了水力脈沖空化射流發(fā)生器的使用壽命，同時(shí)也降低油田的生產(chǎn)效率。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實(shí)用新型為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問題而提供一種可提高鉆具鉆井液速度、防止鉆具內(nèi)部產(chǎn)生嚴(yán)重磨損沖蝕且可大幅度提高鉆具使用壽命的抗沖蝕磨損的葉輪式水力脈沖鉆井提速工具。
[0005]本實(shí)用新型為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是:
[0006]抗沖蝕磨損的葉輪式水力脈沖鉆井提速工具，包括管狀殼體，其特征在于:所述管狀殼體內(nèi)靠近下部設(shè)有自激振蕩腔，在自激振蕩腔上方裝有葉輪座，所述葉輪座上偏心裝有葉輪軸和葉輪，所述葉輪上方設(shè)有水流變壓擋板，并通過壓帽限制其軸向位置；所述葉輪、葉輪軸、葉輪座、自激振蕩腔材料采用YG8硬質(zhì)合金材料制成，在所述葉輪、葉輪軸和葉輪座的外表面均涂覆有高硬度低摩擦系數(shù)的氮化碳復(fù)合涂層，在所述自激振蕩腔內(nèi)表面涂覆有高硬度低摩擦系數(shù)的氮化碳復(fù)合涂層。
[0007]本實(shí)用新型還可以采用如下技術(shù)方案:
[0008]所述高硬度低摩擦系數(shù)的氮化碳復(fù)合涂層為涂敷在葉輪、葉輪軸和葉輪座表面具有良好結(jié)合力的氮碳化鈦結(jié)合基層、沉積在氮碳化鈦結(jié)合基層上的TiCN-C3N4復(fù)合抗沖蝕磨損層和沉積在TiCN-C3N4復(fù)合抗沖蝕磨損層上的TiCN減磨層三層復(fù)合結(jié)構(gòu)。
[0009]所述氮化碳復(fù)合涂層的總厚度為8-13微米，所述氮碳化鈦結(jié)合基層厚度為2-3微米，所述TiCN-C3N4復(fù)合抗沖蝕磨損層的厚度為3-6微米，所述TiCN減磨層的厚度為3_4微米。
[0010]本實(shí)用新型具有的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是:由于本實(shí)用新型采用上述技術(shù)方案，通過將化學(xué)性能穩(wěn)定的氮化碳復(fù)合涂層應(yīng)用到水力脈沖工具表面，這樣不僅可大幅度降低流體和鉆井工具之間的摩擦阻力，提高流體的速度；而且由于氮化碳復(fù)合涂層具有很高的硬度與較低的摩擦磨損系數(shù)，因而在葉輪、葉輪軸、葉輪座及自激振蕩腔表面進(jìn)行氮化碳復(fù)合涂層處理可以大幅度提升葉輪等關(guān)鍵部件抗水力沖蝕能力和抗磨損能力，并可提升鉆具的使用壽命和運(yùn)行可靠性，提高油井油田的生產(chǎn)效率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0012]圖2是本實(shí)用新型葉輪座的剖視圖。
[0013]圖中:1、管狀殼體；2、壓帽；3、水流變壓擋板；4、葉輪；5、葉輪軸；6、葉輪座；7、自激振蕩腔；8、氮化碳復(fù)合涂層；8-1、氮碳化鈦結(jié)合基層；8-2、TiCN-C3N4復(fù)合抗沖蝕磨損層；8-3、TiCN減磨層。

【具體實(shí)施方式】
[0014]為能進(jìn)一步了解本實(shí)用新型的
【發(fā)明內(nèi)容】
、特點(diǎn)及功效，茲例舉以下實(shí)施例，并配合附圖詳細(xì)說明如下:
[0015]請(qǐng)參閱圖1和圖2，抗沖蝕磨損的葉輪式水力脈沖鉆井提速工具，包括管狀殼體1，所述管狀殼體內(nèi)靠近下部設(shè)有自激振蕩腔7，在自激振蕩腔上方裝有葉輪座6，所述葉輪座上偏心裝有葉輪軸5和葉輪4，所述葉輪上方設(shè)有水流變壓擋板3，并通過壓帽2限制其軸向位置。所述葉輪、葉輪軸、葉輪座、自激振蕩腔材料采用YG8硬質(zhì)合金材料制成，在所述葉輪、葉輪軸和葉輪座的外表面均涂覆有高硬度低摩擦系數(shù)的氮化碳復(fù)合涂層8，在所述自激振蕩腔內(nèi)表面涂覆有高硬度低摩擦系數(shù)的氮化碳復(fù)合涂層8。
[0016]所述高硬度低摩擦系數(shù)的氮化碳復(fù)合涂層8為涂敷在葉輪、葉輪軸和葉輪座表面具有良好結(jié)合力的氮碳化鈦結(jié)合基層8-1、沉積在氮碳化鈦結(jié)合基層上的TiCN-C3N4復(fù)合抗沖蝕磨損層8-2和沉積在TiCN-C3N4復(fù)合抗沖蝕磨損層上的TiCN減磨層8_3三層復(fù)合結(jié)構(gòu)。
[0017]所述氮化碳復(fù)合涂層的總厚度為8-13微米，所述氮碳化鈦結(jié)合基層厚度為2-3微米，所述TiCN-C3N4復(fù)合抗沖蝕磨損層的厚度為3-6微米，所述TiCN減磨層的厚度為3_4微米。
[0018]所述氮化碳復(fù)合涂層中的TiCN_C3N4抗沖蝕磨損層內(nèi)為納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，也即是TiCN為納米尺度晶粒，晶粒尺度為50-500納米，C3N4為非晶結(jié)構(gòu)，TiCN鑲嵌在非晶C3N4相中。
[0019]實(shí)施案例1:采用電弧放電等離子源輔助氣相沉積技術(shù)，在400°C、氬氣環(huán)境下，對(duì)葉輪、葉輪軸、葉輪座、自激振蕩腔各部件經(jīng)過氬氣輝光清洗結(jié)束后，在Ar、TiCl4、N2、乙炔和H2環(huán)境中，30Pa氣壓條件下，采用一 200V條件沉積2微米厚的過渡金屬TiCN氮碳化鈦結(jié)合基層8-1 ;隨后在10Pa氣壓條件下，-100V偏壓條件沉積3微米TiCN_C3N4抗沖蝕磨損層8-2。最后在5Pa氣壓條件下沉積3微米TiCN減磨層8-3。氮化碳復(fù)合涂層總厚度在控制在8微米，制備結(jié)束后自然冷卻，即可得到TiCN/TiCN-C3N4/TiCN涂層鉆井提速工具。
[0020]實(shí)施案例2:采用電弧放電等離子源輔助氣相沉積技術(shù)，在500°C、氬氣環(huán)境下，對(duì)葉輪、葉輪軸、葉輪座、自激振蕩腔各部件經(jīng)過氬氣輝光清洗結(jié)束后，在Ar、TiCl4、N2、乙炔和H2環(huán)境中，50Pa氣壓條件下，采用一 300V條件沉積3微米厚的過渡金屬TiCN氮碳化鈦結(jié)合基層8-1 ;隨后在40Pa氣壓條件下，-150V偏壓條件沉積5微米TiCN_C3N4抗沖蝕磨損層8-2。最后在10Pa氣壓條件下沉積3微米TiCN減磨層8_3。氮化碳復(fù)合涂層總厚度在控制在11微米，制備結(jié)束后自然冷卻，得到TiCN/TiCN-C3N4/TiCN涂層鉆井提速工具。
[0021]實(shí)施案例3:采用電弧放電等離子源輔助氣相沉積技術(shù)，在600°C、氬氣環(huán)境下，對(duì)葉輪、葉輪軸、葉輪座、自激振蕩腔各部件經(jīng)過氬氣輝光清洗結(jié)束后，在Ar、TiCl4、N2、乙炔和4環(huán)境中，60Pa氣壓條件下，采用一 400V偏壓條件沉積3微米厚的過渡金屬TiCN氮碳化鈦結(jié)合基層8-1 ;隨后在50Pa氣壓條件下，-250V偏壓條件沉積6微米TiCN_C3N4抗沖蝕磨損層8-2。最后在20Pa氣壓條件下沉積4微米TiCN減磨層8-3。氮化碳復(fù)合涂層總厚度在控制在13微米，制備結(jié)束后自然冷卻，得到TiCN/TiCN-C3N4/TiCN涂層鉆井提速工具。
[0022]本實(shí)用新型附圖描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本實(shí)用新型，而不能理解為對(duì)本實(shí)用新型的限制。
【權(quán)利要求】
1.一種抗沖蝕磨損的葉輪式水力脈沖鉆井提速工具，包括管狀殼體，其特征在于:所述管狀殼體內(nèi)靠近下部設(shè)有自激振蕩腔，在自激振蕩腔上方裝有葉輪座，所述葉輪座上偏心裝有葉輪軸和葉輪，所述葉輪上方設(shè)有水流變壓擋板，并通過壓帽限制其軸向位置；所述葉輪、葉輪軸、葉輪座、自激振蕩腔材料采用YG8硬質(zhì)合金材料制成，在所述葉輪、葉輪軸和葉輪座的外表面均涂覆有高硬度低摩擦系數(shù)的氮化碳復(fù)合涂層，在所述自激振蕩腔內(nèi)表面涂覆有高硬度低摩擦系數(shù)的氮化碳復(fù)合涂層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抗沖蝕磨損的葉輪式水力脈沖鉆井提速工具，其特征在于:所述高硬度低摩擦系數(shù)的氮化碳復(fù)合涂層為涂敷在葉輪、葉輪軸和葉輪座表面具有良好結(jié)合力的氮碳化鈦結(jié)合基層、沉積在氮碳化鈦結(jié)合基層上的TiCN-C3N4復(fù)合抗沖蝕磨損層和沉積在TiCN-C3N4復(fù)合抗沖蝕磨損層上的TiCN減磨層三層復(fù)合結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的抗沖蝕磨損的葉輪式水力脈沖鉆井提速工具，其特征在于:所述氮化碳復(fù)合涂層的總厚度為8-10微米，所述氮碳化鈦結(jié)合基層厚度為2-3微米，所述TiCN-C3N4復(fù)合抗沖蝕磨損層的厚度為3-6微米，所述TiCN減磨層的厚度為3_4微米。
【文檔編號(hào)】F03B3/00GK204040908SQ201420463529
【公開日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2014年8月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月15日
【發(fā)明者】劉傳剛, 馬認(rèn)琦, 孔學(xué)云, 吳占民, 李寧 申請(qǐng)人:中國海洋石油總公司, 中海油能源發(fā)展股份有限公司