一种梯度涂层螺杆钻具马达的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种梯度涂层螺杆钻具马达，其结构包括转子、定子，其特征包括表面涂层、梯度结构、纳米复合材料。该发明转子外表涂层可增加转子的耐蚀性和耐磨性，提高螺杆马达转子的使用寿命；梯度结构可充分利用材料的性能并降低材料成本；纳米复合材料的使用可降低摩擦系数减少泥浆的附着；本发明的梯度涂层螺杆钻具马达特别适用于高转速、复杂恶劣钻井地层的场合。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明属于石油装备领域，具体涉及一种梯度涂层螺杆钻具马达。 一种梯度涂层螺杆钻具马达
【背景技术】
[0002] 螺杆钻具是一种的井下动力钻具，它采用容积式马达，以钻井液为动力，产生转速 和扭矩，广泛用于打定向井、丛式井和水平钻井，因此能满足钻井新工艺的要求，在国外得 到了迅速的发展。我国从上世纪80年代开始研制螺杆钻具，80年代中期引进了美国迪纳 (DYNA-DRILL)钻具技术，90年代初形成生产规模，产品覆盖全国80%以上地区。螺杆钻具 共由四部分组成：万向轴总成、马达总成、传动轴总成和旁通阀总成，而其中马达总成是螺 杆钻具的核心部件。马达由定子、转子组成，定子是在钢管内壁上压注橡胶衬套而成，其内 孔是具有一定几何参数的螺旋，转子是一根有硬层的螺杆。
[0003] 由于螺杆钻具工作环境复杂恶劣，经常发生失效，导致钻井事故频繁发生，严重影 响了钻井速度的提高，而处理这些事故耗费了大量的人力、物力和财力，造成巨大的经济损 失。研究表明，螺杆钻具转动部分的损坏占螺杆失效的近40%，提别是螺杆马达转子的腐 蚀、磨损、断裂。螺杆马达转子工作过程中时刻受到泥浆和沙粒的摩擦和碰撞，转子表面还 经常堆积泥浆，不易排污，严重影响了工作效率。考虑上述的原因，开发了适合高转速、复杂 恶劣钻井地层作业的具有高耐蚀耐磨性且可自清洁功能的梯度涂层螺杆钻具马达。
【发明内容】
[0004] 本发明是为了克服现有技术中的腐蚀、磨损严重、排污困难等不足之处，提供了一 种用于螺杆钻具的梯度涂层螺杆钻具马达，旨在为高转速、复杂恶劣钻井地层作业的螺杆 钻具提供一种螺杆钻具马达。
[0005] 本发明通过下述技术方案实现：
[0006] 本发明的梯度涂层螺杆钻具马达，包括转子、定子两部分，所述转子包括转子外 表和转子基体，所述转子外表即螺杆表面，所述转子基体即螺杆基体；所述转子外表采用 A1203基或Si3N4基耐蚀耐磨陶瓷涂层材料，所述转子基体的基体材料为合金钢、工具钢、高 速钢或者硬质合金材料，所述转子外表的涂层为梯度分布，即所述A1 203基或Si3N4基耐蚀耐 磨陶瓷涂层材料由转子外表即螺杆表面到转子基体即螺杆基体逐渐减少，所述转子基体的 基体材料由螺杆表面到螺杆基体是逐渐增加的；所述转子即螺杆，所述螺杆包括螺杆螺纹， 所述螺纹包括螺纹牙项和螺纹谷底，所述A1 203基或Si3N4基耐蚀耐磨陶瓷涂层材料由螺杆 螺纹牙顶到螺纹谷底也是逐渐减少的；所述螺纹牙顶表面的所述陶瓷涂层材料含量最高， 其体积含量达80% -100% ;所述陶瓷涂层材料连续梯度变化或阶梯分布变化，所述陶瓷涂 层厚度由螺杆螺纹牙顶到螺纹谷底也是梯度递减变化的，涂层的厚度为5 μ m-20 μ m ;所述 梯度涂层螺杆钻具马达的转子具有多头大螺旋角螺杆；所述定子的头数及螺旋角与转子相 匹配。
[0007] 优选所述转子外表为，其纳米陶瓷的体积含量为30% -60%，所述转子外表涂层 表面的摩擦系数小于0. 3,所述转子外表涂层的纳米复合陶瓷材料平均粒径小于200nm，所 述纳米复合陶瓷材料的硬度大于90HRA。
[0008] 优选所述转子头数为3-10头，呈圆周对称分布，螺杆的螺旋角为30度?60度，转 速达300r / min;定子的头数及螺旋角与转子的相匹配。
[0009] 优选内部基体为合金钢、工具钢、高速钢或者硬质合金材料，这样即可减少作业时 泥浆和沙粒的腐蚀、摩擦和碰撞，又增加了转子表面的硬度，使螺杆钻具马达转子使用寿命 得到大幅度提1?。
[0010] 所述转子的外表的涂层为梯度分布，陶瓷涂层材料（A1203基或Si3N4基陶瓷材 料）由螺杆表面到螺杆基体是逐渐减少，基体材料（合金钢、工具钢、高速钢或者硬质合 金）由螺杆表面到螺杆基体是逐渐增加的；同时，陶瓷涂层材料（A1203基或Si3N4基陶 瓷材料）由螺杆螺纹牙顶到螺纹谷底也是逐渐减少的；螺杆螺纹牙顶表面的陶瓷材料含 量最高，其体积含量达80%以上。涂层材料梯度变化，可以是连续梯度变化，也可以是阶 梯分布变化，涂层厚度由螺杆螺纹牙顶到螺纹谷底也是梯度递减变化的，涂层的厚度为 5 μ m-20 μ m。这样设计可从分利用涂层材料的耐蚀耐磨性能和基体材料的高强度高刚度抗 扭性能，又可降低涂层材料的成本。
[0011] 所述转子，其涂层表面为纳米复合陶瓷材料，其纳米陶瓷的体积含量为 30% -60%，即可减少纳米复合陶瓷材料在制备过程中纳米颗粒的团聚，从而影响定子表面 的力学性能，又可有效降低涂层表面的摩擦系数，摩擦系数小于0. 3,减少泥浆的附着，减少 泥浆堆积，便于排污，具有自清洁性；表面纳米材料平均粒径小于200nm，纳米复合陶瓷材 料的硬度大于90HRA。
[0012] 所述转子，转子头数大螺旋角，头数为3-10头，呈圆周对称分布，螺杆的螺旋角为 30度?60度，适于高速作业，转速可达300r / min;定子的头数及螺旋角与转子的相匹配。
[0013] 本发明具有下述技术效果：
[0014] 1)该钻具马达专用螺杆钻具作业，转子表层采用陶瓷涂层材料，减少腐蚀的同时， 又解决了螺杆转子的磨损问题，提高了螺杆马达的寿命。
[0015] 2)该转子涂层采用梯度结构，利用涂层材料和基体材料的性能，又可降低涂层材 料的成本。
[0016] 3)该转子梯度涂层表面采用纳米复合陶瓷材料，可转子表面的摩擦系数，减少泥 浆的附着，便于排污，具有自清洁功能，适于高速作业。。
【专利附图】
【附图说明】
[0017] 下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作详细说明：
[0018] 图1为本发明梯度涂层螺杆钻具马达示意图
[0019] 附图标记：
[0020] 1-转子2-橡胶3-定子
【具体实施方式】
[0021] 以下将结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不 限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变 换均包含在本发明的保护范围内。为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方 式，并结合其附图，对本发明进行阐述。
[0022] 以5头螺旋螺杆钻具马达为例，图1为本梯度涂层螺杆钻具马达三维图。梯度涂 层螺杆钻具马达结构由转子1和定子3组成，转子1特征包括表面涂层、梯度结构、纳米复 合材料。
[0023] 转子1表面采用A1203基陶瓷涂层材料，转子1基体材料采用细晶粒高性能高速钢 (W 6Mo5Cr4V2)，其高速钢硬度为63-66HRC，抗弯强度为3. 5-4GPa。
[0024] 转子1，其外表的A1203基陶瓷涂层为梯度分布，A1 203陶瓷材料的体积含量由螺杆 表面到螺杆基体递减，基体主体材料W的体积含量由螺杆表面到螺杆基体递增；同时，A1 203 陶瓷材料的体积含量由螺杆螺纹牙顶到螺纹谷底递减，W的体积含量由螺杆螺纹牙顶到螺 纹谷底递增；螺杆螺纹牙顶表面的A120 3陶瓷材料含量最高，其体积含量达90%。涂层厚度 由螺杆螺纹牙顶到螺纹谷底也是梯度递减变化的，螺杆螺纹牙顶涂层厚度为10 μ m，螺杆螺 纹谷底涂层厚度为5 μ m。
[0025] 转子1，其涂层表面为A1203基纳米复合陶瓷材料，其纳米A1 203陶瓷材料的体积含 量为40 %，另50 %的A1203陶瓷材料为微米级颗粒，平均粒径为1-2 μ m，纳米A1203陶瓷材 料的平均粒径为l〇〇nm，纳米复合陶瓷材料的硬度93HRA。
[0026] 涂层表面摩擦系数小于0· 25。
[0027] 转子1，转子头数为5头，呈圆周对称分布，螺杆的螺旋角为40度；定子3的头数 为6头，螺旋角为45度。
[0028] 尽管参考实施例对所公开的涉及一种螺杆钻具钻头进行了特别描述，以上描述的 实施例是说明性而不是限制性的。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本 发明创造宗旨的情况下，进行其他实施例，均应属于本发明的保护范围。以上所述仅为本发 明的优选实施例而己，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各 种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包 含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1. 一种梯度涂层螺杆钻具马达，其特征在于，包括转子、定子两部分，所述转子包括转 子外表和转子基体，所述转子外表即螺杆表面，所述转子基体即螺杆基体；所述转子外表采 用A1 203基或Si3N4基耐蚀耐磨陶瓷涂层材料，所述转子基体的基体材料为合金钢、工具钢、 高速钢或者硬质合金材料，所述转子外表的涂层为梯度分布，即所述A1 203基或Si3N4基耐蚀 耐磨陶瓷涂层材料由转子外表即螺杆表面到转子基体即螺杆基体逐渐减少，所述转子基体 的基体材料由螺杆表面到螺杆基体是逐渐增加的；所述转子即螺杆，所述螺杆包括螺杆螺 纹，所述螺纹包括螺纹牙项和螺纹谷底，所述A1 203基或Si3N4基耐蚀耐磨陶瓷涂层材料由 螺杆螺纹牙顶到螺纹谷底也是逐渐减少的；所述螺纹牙顶表面的所述陶瓷涂层材料含量最 高，其体积含量达80% -100%;所述陶瓷涂层材料连续梯度变化或阶梯分布变化，所述陶瓷 涂层厚度由螺杆螺纹牙顶到螺纹谷底也是梯度递减变化的，涂层的厚度为5 μ m-20 μ m ;所 述梯度涂层螺杆钻具马达的转子具有多头大螺旋角螺杆；所述定子的头数及螺旋角与转子 相匹配。
2. 根据权利要求1所述的梯度涂层螺杆钻具马达，其特征在于，所述转子外表为，其 纳米陶瓷的体积含量为30% -60%，所述转子外表涂层表面的摩擦系数小于0.3,所述转 子外表涂层的纳米复合陶瓷材料平均粒径小于200nm，所述纳米复合陶瓷材料的硬度大于 90HRA。
3. 根据权利要求1所述的梯度涂层螺杆钻具马达，其特征在于，所述转子头数为3-10 头，呈圆周对称分布，螺杆的螺旋角为30度?60度，转速达300r / min;定子的头数及螺 旋角与转子的相匹配。
【文档编号】H02K1/22GK104065187SQ201410143809
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年4月11日 优先权日:2014年4月11日
【发明者】郭健, 郭小芳, 李艳征 申请人:江苏长城石油装备制造有限公司