抗冲蚀磨损的叶轮式水力脉冲钻井提速工具的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种抗冲蚀磨损的叶轮式水力脉冲钻井提速工具，包括管状壳体，特征在于：管状壳体内靠近下部设有自激振荡腔，在自激振荡腔上方装有叶轮座，叶轮座上偏心装有叶轮轴和叶轮，叶轮上方设有水流变压挡板，并通过压帽限制其轴向位置；叶轮、叶轮轴、叶轮座、自激振荡腔材料采用YG8硬质合金材料制成，在叶轮、叶轮轴和叶轮座的外表面均涂覆有高硬度低摩擦系数的氮化碳复合涂层，在自激振荡腔内表面涂覆有高硬度低摩擦系数的氮化碳复合涂层。优点是：可大幅度降低流体和钻井工具之间的摩擦阻力，提高流体的速度；提升叶轮等关键部件抗水力冲蚀能力和抗磨损能力，并可延长钻具的使用寿命和保证运行可靠性，提高油井油田的生产效率。
【专利说明】抗冲蚀磨损的叶轮式水力脉冲钻井提速工具
【技术领域】
[0001]本实用新型属于石油钻采【技术领域】，特别是涉及一种抗冲蚀磨损的叶轮式水力脉冲钻井提速工具。
【背景技术】
[0002]目前，随着油田勘探向更深层的地层发展，对钻井作业提出了更高的要求，近年来我国通过重大专项计划，设计出了水力脉冲钻井提速工具，满足了现代油井发展的提速要求，解决了传统钻井方式的能量传输、转换、分配等方面的存在的问题。水力脉冲钻井提速工具通过水力脉冲和空化射流技术来提高钻井速度。并且该类装置脉冲射流与空化射流可调，当钻具内连续流动的钻井液调制为脉冲空化射流时，同时水流变压挡板设计为斜坡模式，喷射出的钻井液速度得到很大提升，同时能够降低岩石破碎强度，减少压持效应，破岩效率得到很大提高。
[0003]在上述水力脉冲钻井提速工具能够很好地提升钻井液速度的同时也带来另外一个问题，由于水流变压挡板的斜坡设计以及钻井液的脉冲进出使得水流变压挡板、叶轮和叶轮轴承受到很大的切向应力以及钻井液中一些颗粒物的冲蚀，故导致上述部件出现严重的冲蚀磨损，甚至开裂，进而缩短了水力脉冲空化射流发生器的使用寿命，同时也降低油田的生产效率。
【发明内容】
[0004]本实用新型为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种可提高钻具钻井液速度、防止钻具内部产生严重磨损冲蚀且可大幅度提高钻具使用寿命的抗冲蚀磨损的叶轮式水力脉冲钻井提速工具。
[0005]本实用新型为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是:
[0006]抗冲蚀磨损的叶轮式水力脉冲钻井提速工具，包括管状壳体，其特征在于:所述管状壳体内靠近下部设有自激振荡腔，在自激振荡腔上方装有叶轮座，所述叶轮座上偏心装有叶轮轴和叶轮，所述叶轮上方设有水流变压挡板，并通过压帽限制其轴向位置；所述叶轮、叶轮轴、叶轮座、自激振荡腔材料采用YG8硬质合金材料制成，在所述叶轮、叶轮轴和叶轮座的外表面均涂覆有高硬度低摩擦系数的氮化碳复合涂层，在所述自激振荡腔内表面涂覆有高硬度低摩擦系数的氮化碳复合涂层。
[0007]本实用新型还可以采用如下技术方案:
[0008]所述高硬度低摩擦系数的氮化碳复合涂层为涂敷在叶轮、叶轮轴和叶轮座表面具有良好结合力的氮碳化钛结合基层、沉积在氮碳化钛结合基层上的TiCN-C3N4复合抗冲蚀磨损层和沉积在TiCN-C3N4复合抗冲蚀磨损层上的TiCN减磨层三层复合结构。
[0009]所述氮化碳复合涂层的总厚度为8-13微米，所述氮碳化钛结合基层厚度为2-3微米，所述TiCN-C3N4复合抗冲蚀磨损层的厚度为3-6微米，所述TiCN减磨层的厚度为3_4微米。
[0010]本实用新型具有的优点和积极效果是:由于本实用新型采用上述技术方案，通过将化学性能稳定的氮化碳复合涂层应用到水力脉冲工具表面，这样不仅可大幅度降低流体和钻井工具之间的摩擦阻力，提高流体的速度；而且由于氮化碳复合涂层具有很高的硬度与较低的摩擦磨损系数，因而在叶轮、叶轮轴、叶轮座及自激振荡腔表面进行氮化碳复合涂层处理可以大幅度提升叶轮等关键部件抗水力冲蚀能力和抗磨损能力，并可提升钻具的使用寿命和运行可靠性，提高油井油田的生产效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是本实用新型的结构示意图；
[0012]图2是本实用新型叶轮座的剖视图。
[0013]图中:1、管状壳体；2、压帽；3、水流变压挡板；4、叶轮；5、叶轮轴；6、叶轮座；7、自激振荡腔；8、氮化碳复合涂层；8-1、氮碳化钛结合基层；8-2、TiCN-C3N4复合抗冲蚀磨损层；8-3、TiCN减磨层。
【具体实施方式】
[0014]为能进一步了解本实用新型的
【发明内容】
、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下:
[0015]请参阅图1和图2，抗冲蚀磨损的叶轮式水力脉冲钻井提速工具，包括管状壳体1，所述管状壳体内靠近下部设有自激振荡腔7，在自激振荡腔上方装有叶轮座6，所述叶轮座上偏心装有叶轮轴5和叶轮4，所述叶轮上方设有水流变压挡板3，并通过压帽2限制其轴向位置。所述叶轮、叶轮轴、叶轮座、自激振荡腔材料采用YG8硬质合金材料制成，在所述叶轮、叶轮轴和叶轮座的外表面均涂覆有高硬度低摩擦系数的氮化碳复合涂层8，在所述自激振荡腔内表面涂覆有高硬度低摩擦系数的氮化碳复合涂层8。
[0016]所述高硬度低摩擦系数的氮化碳复合涂层8为涂敷在叶轮、叶轮轴和叶轮座表面具有良好结合力的氮碳化钛结合基层8-1、沉积在氮碳化钛结合基层上的TiCN-C3N4复合抗冲蚀磨损层8-2和沉积在TiCN-C3N4复合抗冲蚀磨损层上的TiCN减磨层8_3三层复合结构。
[0017]所述氮化碳复合涂层的总厚度为8-13微米，所述氮碳化钛结合基层厚度为2-3微米，所述TiCN-C3N4复合抗冲蚀磨损层的厚度为3-6微米，所述TiCN减磨层的厚度为3_4微米。
[0018]所述氮化碳复合涂层中的TiCN_C3N4抗冲蚀磨损层内为纳米复合结构，也即是TiCN为纳米尺度晶粒，晶粒尺度为50-500纳米，C3N4为非晶结构，TiCN镶嵌在非晶C3N4相中。
[0019]实施案例1:采用电弧放电等离子源辅助气相沉积技术，在400°C、氩气环境下，对叶轮、叶轮轴、叶轮座、自激振荡腔各部件经过氩气辉光清洗结束后，在Ar、TiCl4、N2、乙炔和H2环境中，30Pa气压条件下，采用一 200V条件沉积2微米厚的过渡金属TiCN氮碳化钛结合基层8-1 ;随后在10Pa气压条件下，-100V偏压条件沉积3微米TiCN_C3N4抗冲蚀磨损层8-2。最后在5Pa气压条件下沉积3微米TiCN减磨层8-3。氮化碳复合涂层总厚度在控制在8微米，制备结束后自然冷却，即可得到TiCN/TiCN-C3N4/TiCN涂层钻井提速工具。
[0020]实施案例2:采用电弧放电等离子源辅助气相沉积技术，在500°C、氩气环境下，对叶轮、叶轮轴、叶轮座、自激振荡腔各部件经过氩气辉光清洗结束后，在Ar、TiCl4、N2、乙炔和H2环境中，50Pa气压条件下，采用一 300V条件沉积3微米厚的过渡金属TiCN氮碳化钛结合基层8-1 ;随后在40Pa气压条件下，-150V偏压条件沉积5微米TiCN_C3N4抗冲蚀磨损层8-2。最后在10Pa气压条件下沉积3微米TiCN减磨层8_3。氮化碳复合涂层总厚度在控制在11微米，制备结束后自然冷却，得到TiCN/TiCN-C3N4/TiCN涂层钻井提速工具。
[0021]实施案例3:采用电弧放电等离子源辅助气相沉积技术，在600°C、氩气环境下，对叶轮、叶轮轴、叶轮座、自激振荡腔各部件经过氩气辉光清洗结束后，在Ar、TiCl4、N2、乙炔和4环境中，60Pa气压条件下，采用一 400V偏压条件沉积3微米厚的过渡金属TiCN氮碳化钛结合基层8-1 ;随后在50Pa气压条件下，-250V偏压条件沉积6微米TiCN_C3N4抗冲蚀磨损层8-2。最后在20Pa气压条件下沉积4微米TiCN减磨层8-3。氮化碳复合涂层总厚度在控制在13微米，制备结束后自然冷却，得到TiCN/TiCN-C3N4/TiCN涂层钻井提速工具。
[0022]本实用新型附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
【权利要求】
1.一种抗冲蚀磨损的叶轮式水力脉冲钻井提速工具，包括管状壳体，其特征在于:所述管状壳体内靠近下部设有自激振荡腔，在自激振荡腔上方装有叶轮座，所述叶轮座上偏心装有叶轮轴和叶轮，所述叶轮上方设有水流变压挡板，并通过压帽限制其轴向位置；所述叶轮、叶轮轴、叶轮座、自激振荡腔材料采用YG8硬质合金材料制成，在所述叶轮、叶轮轴和叶轮座的外表面均涂覆有高硬度低摩擦系数的氮化碳复合涂层，在所述自激振荡腔内表面涂覆有高硬度低摩擦系数的氮化碳复合涂层。
2.根据权利要求1所述的抗冲蚀磨损的叶轮式水力脉冲钻井提速工具，其特征在于:所述高硬度低摩擦系数的氮化碳复合涂层为涂敷在叶轮、叶轮轴和叶轮座表面具有良好结合力的氮碳化钛结合基层、沉积在氮碳化钛结合基层上的TiCN-C3N4复合抗冲蚀磨损层和沉积在TiCN-C3N4复合抗冲蚀磨损层上的TiCN减磨层三层复合结构。
3.根据权利要求2所述的抗冲蚀磨损的叶轮式水力脉冲钻井提速工具，其特征在于:所述氮化碳复合涂层的总厚度为8-10微米，所述氮碳化钛结合基层厚度为2-3微米，所述TiCN-C3N4复合抗冲蚀磨损层的厚度为3-6微米，所述TiCN减磨层的厚度为3_4微米。
【文档编号】F03B3/00GK204040908SQ201420463529
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年8月15日 优先权日:2014年8月15日
【发明者】刘传刚, 马认琦, 孔学云, 吴占民, 李宁 申请人:中国海洋石油总公司, 中海油能源发展股份有限公司