[發明專利]一種具有TiN或TiAlN薄膜的膨脹錐及加工方法無效

申請號：	201310741201.2	申請日：	2013-12-27
公開（公告）號：	CN103758477A	公開（公告）日：	2014-04-30
發明（設計）人：	劉合;商宏飛;魏松波;邵天敏;李濤;石白茹;裴曉含;鄭立臣;李益良;孫強;高揚	申請（專利權）人：	中國石油天然氣股份有限公司;清華大學
主分類號：	E21B29/10	分類號：	E21B29/10;C23C14/06;C23C14/32
代理公司：	北京三友知識產權代理有限公司 11127	代理人：	韓蕾
地址：	100007 ***	國省代碼：	北京;11
權利要求書：	查看更多	說明書：	查看更多
摘要：
搜索關鍵詞：	一種具有 tin tialn 薄膜膨脹加工方法
鉆瓜網技術展會專利詞庫專利權人專利榜在售專利公布日期熱門專利

【說明書】：

技術領域

本發明屬于油氣田開發技術領域，具體涉及一種具有TiN或TiAlN薄膜的膨脹錐及加工方法。

背景技術

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采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，可用于鉆井、完井、采油、修井等作業過程。

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。由于膨脹錐的外徑大于膨脹管的內徑，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，由于膨脹錐和膨脹管材料都屬于鋼材，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，對膨脹錐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。

國內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，導致膨脹錐磨損嚴重，提高了作業風險。完全用硬質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。本發明的目的就在于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。

氣相沉積的TiN和TiAlN薄膜具有較高硬度，優良的耐磨損性能，已經成功應用作刀具涂層，顯著提高了刀具的使用壽命。將TiN和TiAlN薄膜用于膨脹錐表面，提高膨脹錐的表面硬度，避免鋼與鋼的直接接觸，降低摩擦阻力和粘著磨損，從而達到降低膨脹壓力、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

本發明的一個目的在于提供一種具有TiN或TiAlN薄膜的膨脹錐，本發明在膨脹錐外表面特定位置沉積硬質薄膜，該薄膜具有良好的耐磨損性能，避免了膨脹錐鋼基體與膨脹管鋼基體的直接接觸而造成的粘著磨損，從而提高膨脹錐的壽命。

本發明的另一目的在于提供所述具有TiN或TiAlN薄膜的膨脹錐的加工方法。

為達上述目的，一方面，本發明提供了一種具有TiN或TiAlN薄膜的膨脹錐，在所述膨脹錐1工作面外表面至少在膨脹錐變徑段2的區域設置TiN或TiAlN薄膜3，所述薄膜3環繞膨脹錐設置一周；所述薄膜3厚度為0.5-5μm。

本發明優選所述薄膜3厚度為2μm。

本發明優選所述薄膜3納米硬度在20GPa-30GPa。

根據本發明所述的膨脹錐，在所述TiN或TiAlN薄膜3和膨脹錐1工作面外表面之間還設置過渡層6；

所述的過渡層，TiN薄膜3采用Ti過渡層，TiAlN薄膜3采用TiAl過渡層。

根據本發明所述的膨脹錐，本發明優選所述過渡層厚度為0.1～0.5μm；

其中更優選為0.2μm。

根據本發明所述的膨脹錐，本發明還優選所述TiN或TiAlN薄膜3和過渡層6形狀匹配且重疊設置。