一种井下压裂用喷嘴加工方法与流程

本发明属于油气田开采技术领域，具体涉及一种井下压裂用喷嘴加工方法。

背景技术：

压裂改造是油气井特别低渗增产的主要措施，占石油储量25～30％产能由压裂增产，世界范围内，压裂增产比例越来越高。油田井下喷射压裂是分段压裂中的关键技术，在喷射过程中，喷嘴是将泵压转化为喷射流体动能的关键部件。在高压的作用下，高速流动的石英砂和射孔液通过喷嘴内径射出，以击穿油气产层，由于磨料流速高和硬度大，因此对喷嘴内孔造成严重的磨损，采用普通合金钢热处理或涂层的喷嘴工作10分钟后内孔磨损严重，扩径明显，无法射开油气产层。国内多采用传统粉末冶金加工的y-g系硬质合金喷嘴，但是当钴含量较高时，喷嘴耐磨性不够，磨损较快导致内孔变形，使用寿命仅为15h。当钴含量较低时，喷嘴脆性太高，容易导致喷嘴脆性断裂，导致无法继续施工。因此喷嘴的硬度和韧性很难兼具，这也导致目前的喷嘴使用寿命短，施工效率低等问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种井下压裂用喷嘴加工方法，加工的喷嘴具有耐磨性能优异，高强度耐冲击以及高精度等特点，喷嘴的优异性能使井下作业更加安全和高效。

本发明采用以下技术方案：

一种井下压裂用喷嘴加工方法，将原材料与粘接剂混合制成混合料，采用金属注射成型工艺，依次进行喂料、注射成型和脱粘处理，然后烧结成型制成喷嘴，喷嘴成型后使用金刚石砂轮对喷嘴的螺纹处进行精磨，然后对喷嘴进行深冷处理。

具体的，原材料按质量百分数计，包括90％～91％的碳化钨、8％～8.5％的钴和0.5％～1.5％的钽。

具体的，粘结剂为石蜡基多组元粘结剂、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、高密度聚乙烯和硬脂酸，石蜡基多组元粘结剂、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、高密度聚乙烯和硬脂酸的质量比为(74～79)：(10～15)：10：1。

进一步的，粘结剂占混合料总体积分数的40％～60％。

具体的，注射的温度为120～130℃，注射压力为120～140mpa，模温为40℃。

具体的，烧结成型的温度为1400～1500℃，保温时间为2～3h。

具体的，深冷处理具体为：

先以1.5～2.5℃/s冷却至-196℃，保温24～32h后拿到室内升温至室温，再在150～165℃回火处理。

进一步的，制备的喷嘴表面硬度为91～91.5hra，抗弯强度高于2650mpa。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明采用mim工艺加工的喷嘴相比传统粉末冶金的喷嘴的致密度更高，其强度和硬度相比粉末冶金也有大幅度提升，足够高的硬度使喷嘴的耐磨性能提高，更高的强度使喷嘴在井下作业更加安全，避免发生脆性断裂，精磨后的螺纹精度更高，喷嘴与喷枪配合更紧密。

进一步的，8％的钴含量使喷嘴保证硬度的同时具有一定的抗弯强度，脆性也不会太大。少量的钽元素可以起到细化晶粒的作用，进一步提高性能。

进一步的，该粘结剂对硬质合金粉末的润湿性能好，喂料的流变性能好粉末装载率达50-60％。

进一步的，通过对喷嘴在不同烧结温度、保温时间和升温速度的实验，得出最佳烧结工艺参数。在该参数下烧结出的硬质合金力学性能最佳。

进一步的，深冷处理可以使喷嘴表面产生压应力，还可以起到细化晶粒和稳定尺寸的作用。表面压应力使喷嘴耐磨性和抗疲劳性能提高，晶粒细化使喷嘴综合性能均有提高。

综上所述，本发明加工出的喷嘴相比传统烧结出的硬质合金喷嘴硬度更高、抗弯强度更高、使用寿命大幅度提升。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为加工后成品图；

图2为压裂15层后效果图；

图3为传统粉末冶金生产的yg12喷嘴压裂15层后效果图。

具体实施方式

本发明提供了一种井下压裂用喷嘴加工方法，采用金属注射成型工艺(mim)烧结成型，成型后螺纹处用金刚石砂轮精磨，精磨后的喷嘴采用深冷处理，该工艺加工出的喷嘴相比传统粉末冶金加工的硬质合金喷嘴精度更高、硬度更高、抗弯强度更高，现场使用寿命提升3倍以上。

本发明一种井下压裂用喷嘴加工方法，材料成分为91％的碳化钨、8％的钴和0.5％～1.5％的钽，并采用金属注射成型工艺(mim)烧结成型，包括以下步骤：

s1、将碳化钨、钴和钽与粘结剂混合、喂料、注射成型、脱粘以及烧结成型，成型后螺纹处用金刚石砂轮精磨，以达到高精度；

s2、螺纹处精磨加工，然后进行深冷处理，深冷处理后的喷嘴表面为压应力，且组织更加致密，硬度和抗弯强度均有提升。

先以2℃/s缓慢冷却至-196℃，保温24小时后拿到室内升温至室温，再在150℃左右回火处理。

喷嘴表面硬度达到91～91.5hra，抗弯强度高于2650mpa。喷嘴硬度高于磨料(石英砂)硬度，大幅度减小磨损速率，提高使用寿命。高强度保证喷嘴在使用过程中不出现变形等问题，提高安全保障。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

请参阅图1和图2，将原材料(91％wc+8％co+1％ta)与粘结剂混合、喂料、注射成型、脱粘后烧结成型，粘结剂占混合料总体积分数的40％，粘结剂中的石蜡基多组元粘结剂、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、高密度聚乙烯和硬脂酸的质量比为79：15：10：1，注射的温度为120℃，注射压力为120mpa，模温为40℃，烧结成型温度为1400℃，保温时间为2.5h，成型后螺纹处用金刚石砂轮精磨；精磨后的喷嘴采用深冷处理，首先以2℃/s缓慢冷却至-196℃，保温24小时后拿到室内升温至室温，再在150℃回火处理。

实施例2

将原材料(90％wc+8.5％co+1.5％ta)与粘结剂混合、喂料、注射成型、脱粘后烧结成型，粘结剂占混合料总体积分数的50％，粘结剂中的石蜡基多组元粘结剂、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、高密度聚乙烯和硬脂酸的质量比为77：13：10：1，注射的温度为125℃，注射压力为125mpa，模温为40℃，烧结成型温度为1440℃，保温时间为2.4h，成型后螺纹处用金刚石砂轮精磨；精磨后的喷嘴采用深冷处理，首先以1.5℃/s缓慢冷却至-196℃，保温28小时后拿到室内升温至室温，再在155℃回火处理。

实施例3

将原材料(90.5％wc+8％co+1.5％ta)与粘结剂混合、喂料、注射成型、脱粘后烧结成型，粘结剂占混合料总体积分数的60％，粘结剂中的石蜡基多组元粘结剂、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、高密度聚乙烯和硬脂酸的质量比为75：11：10：1，注射的温度为128℃，注射压力为130mpa，模温为40℃，烧结成型温度为1480℃，保温时间为2.8h，成型后螺纹处用金刚石砂轮精磨；精磨后的喷嘴采用深冷处理，首先以2.5℃/s缓慢冷却至-196℃，保温32小时后拿到室内升温至室温，再在165℃回火处理。

实施例4

将原材料(91％wc+8％co+1％ta)与粘结剂混合、喂料、注射成型、脱粘后烧结成型，粘结剂占混合料总体积分数的55％，粘结剂中的石蜡基多组元粘结剂、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、高密度聚乙烯和硬脂酸的质量比为74：10：10：1，注射的温度为130℃，注射压力为140mpa，模温为40℃，烧结成型温度为1500℃，保温时间为3h，成型后螺纹处用金刚石砂轮精磨；精磨后的喷嘴采用深冷处理，首先以2.2℃/s缓慢冷却至-196℃，保温30小时后拿到室内升温至室温，再在160℃回火处理。

下井作业前用内六角扳手将喷嘴拧进喷枪，并上密封胶进行密封。喷射砂为100目石英砂，井下作业压力约70mpa，单层喷射时间平均2小时作业，该喷嘴于2018年11月在大庆油田井下压裂大队施工15层，捞出后喷嘴主体无损坏，内孔无明显扩径，完成一口井的工作量无任何问题，基本达到国外进口水平。

在连续喷射三口井，压裂43层后，喷嘴内径单边扩径约0.3～0.5mm，相比于传统粉末冶金生产的硬质合金喷嘴，如图3所示，压裂14层后扩径明显，无法继续使用。所以，新工艺加工的喷嘴的使用寿命相比传统粉末冶金喷嘴大幅度提升3倍左右，大大提高了井下工作效率。

经过分析，寿命提高的主要原因是该发明加工的喷嘴耐磨性大幅提高，mim工艺加工的喷嘴致密度和精度高于粉末冶金产品，深冷处理后喷嘴表面产生压应力，进一步提高耐磨性能，同时，抗弯强度也提高10％左右。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。