[實(shí)用新型]一種仿生耐磨損膨脹錐

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201320878719.6
• 申請(qǐng)日: 2013-12-27
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN203729931U
• 公開(kāi)（公告）日: 2014-07-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 石白茹;王惠;裴曉含;邵天敏;魏松波;李濤;李益良;鄭立臣;陳強(qiáng)
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中國(guó)石油天然氣股份有限公司;清華大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): E21B29/10
• 分類(lèi)號(hào): E21B29/10
• 代理公司: 北京三友知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11127
• 代理人: 韓蕾

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型涉及油氣田開(kāi)發(fā)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種仿生耐磨損膨脹錐。

背景技術(shù)

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(gè)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(dòng)膨脹錐在膨脹管內(nèi)產(chǎn)生軸向移動(dòng)，使膨脹管超過(guò)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(huì)很小的問(wèn)題，可用于鉆井、完井、采油、修井等作業(yè)過(guò)程。

目前國(guó)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(guò)程也就是膨脹錐表面和膨脹套管內(nèi)表面構(gòu)成的一對(duì)摩擦副的摩擦過(guò)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(dòng)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(guò)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(duì)膨脹錐表面造成嚴(yán)重的磨粒磨損和破壞，因此在膨脹過(guò)程中對(duì)膨脹錐存在嚴(yán)重的摩擦磨損問(wèn)題。膨脹管作業(yè)過(guò)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(guò)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。

國(guó)內(nèi)外主要以在膨脹管表面涂潤(rùn)滑劑、包含潤(rùn)滑劑的微膠囊涂層、在膨脹錐中附加一個(gè)機(jī)構(gòu)用以提供潤(rùn)滑劑等方法降低摩擦磨損，但液體潤(rùn)滑材料在接觸面壓力高達(dá)500-800MPa時(shí)不能發(fā)揮作用，固體潤(rùn)滑涂層在長(zhǎng)井段的膨脹過(guò)程中存在嚴(yán)重的磨損消耗脫落失去作用等問(wèn)題，導(dǎo)致膨脹錐磨損嚴(yán)重，提高了作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。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(guò)程中存在容易脆裂的危險(xiǎn)。本實(shí)用新型的目的就在于針對(duì)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(zhǎng)膨脹錐使用壽命的方法。

自然界的動(dòng)物經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年的進(jìn)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(duì)膨脹錐表面進(jìn)行織構(gòu)處理，達(dá)到降低摩擦阻力、延長(zhǎng)使用壽命、降低作業(yè)壓力、提高作業(yè)成功率的目的。

實(shí)用新型內(nèi)容

本實(shí)用新型的目的在于提供一種仿生耐磨損膨脹錐，本實(shí)用新型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(zhǎng)膨脹錐壽命。

為達(dá)上述目的，本實(shí)用新型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。

根據(jù)本實(shí)用新型所述的膨脹錐，本實(shí)用新型所述預(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。

根據(jù)本實(shí)用新型所述的膨脹錐，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。

本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)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。

根據(jù)本實(shí)用新型所述的膨脹錐，本實(shí)用新型所述預(yù)制涂層槽2深度50～500μm。

根據(jù)本實(shí)用新型所述的膨脹錐，本實(shí)用新型進(jìn)一步優(yōu)選所述預(yù)制涂層槽2深度為200μm。

根據(jù)本實(shí)用新型所述的膨脹錐，本實(shí)用新型進(jìn)一步優(yōu)選預(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；

根據(jù)本實(shí)用新型所述的膨脹錐，所述涂層為硬度大于60HRC的涂層；

根據(jù)本實(shí)用新型所述的膨脹錐，本實(shí)用新型優(yōu)選所述涂層為硬度60～70HRC的涂層。

根據(jù)本實(shí)用新型所述的膨脹錐，本實(shí)用新型優(yōu)選所述涂層為碳化鎢的涂層。

根據(jù)本實(shí)用新型所述的膨脹錐，本實(shí)用新型所述凹體單元3的底部和涂層槽2底部距離為10～460μm。

根據(jù)本實(shí)用新型所述的膨脹錐，本實(shí)用新型進(jìn)一步優(yōu)選所述凹體單元3的底部和涂層槽2底部距離為150μm。

根據(jù)本實(shí)用新型所述的膨脹錐，本實(shí)用新型最優(yōu)選的是，所述預(yù)制涂層槽2深度為200μm，凹體單元3深度為50μm。