CN104874978B

CN104874978B - 全金属螺杆定子的加工方法

Info

Publication number: CN104874978B
Application number: CN201510182480.2A
Authority: CN
Inventors: 李红; 刘运荣; 任小玲; 胡琼; 车强
Original assignee: Research Institute of Sinopec Petroleum Engineering Machinery Co Ltd
Current assignee: Sinopec Oilfield Equipment Corp; Research Institute of Sinopec Oilfield Equipment Co Ltd
Priority date: 2015-04-17
Filing date: 2015-04-17
Publication date: 2017-04-12
Anticipated expiration: 2035-04-17
Also published as: CN104874978A

Abstract

本发明涉及一种全金属螺杆定子的加工方法，利用液压成形方法加工衬套，并在壳体和衬套之间充填自蔓延反应的原料，然后采用自蔓延反应将壳体和衬套连接成一整体。本发明工艺简单，且无需后处理和机械加工，容易低成本和环保地扩大生产规模。

Description

全金属螺杆定子的加工方法

技术领域

本发明涉及一种油气井钻井工程中螺杆钻具的加工方法，尤其涉及一种全金属螺杆定子的加工方法，用于加工螺杆钻具的全金属螺杆定子。

背景技术

螺杆钻具在石油钻井、地质钻探作业中发挥的作用十分重要，是打定向孔的主要器具。

现有普通螺杆钻具的使用寿命一般为200～300小时，性能不稳定，其薄弱环节是定子橡胶耐高温程度低。常规螺杆钻具中螺杆定子衬套的内部螺旋体由橡胶构成，硫化粘接在衬套外壳内。这种结构导致常规螺杆在使用上存在缺点和不足：① 衬套耐磨性差，磨损严重，失效以后进行施工作业并更换，代价大；② 定子衬套橡胶受耐温性能的限制，无法用于深井及高温油井；③ 衬套橡胶在碳化氢化合物侵蚀下容易老化失效；④ 衬套橡胶表面磨擦因数大，启动和运行扭矩大，启动困难；⑤ 单级压差低，限制了高扬程螺杆的应用；⑥ 衬套橡胶尺寸稳定性差，在不同井温下尺寸可相差0.5mm；⑦ 加工困难，可换性差。

延长螺杆钻具的使用寿命、提高其输出性能、满足特殊钻井工艺及特定区块的特殊需求始终是螺杆钻具的发展方向，将定子做成全金属的结构是提高螺杆使用寿命的有效方法之一。

加工全金属螺杆定子可以通过机械加工、铸造加工、液压成形等方式实现。实践证明，采用机械加工螺旋线面在型线精度和表面光洁度的控制上都有一定的难度；采用铸造加工，成本高，不适合螺杆钻具等超长件的加工。

中国专利申请号为CN 201010604651.3的发明专利公开的一种全金属螺杆泵定子的加工方法，通过“沿径向方向将制作金属螺杆泵定子的金属棒料用电火花切割的方法切割成两个截面为半圆的棒料，在切割开的两片棒料径向全长截面上用铣削加工的方法加工出螺杆泵转子运行的凹槽型线，然后通过固定销连接在一起，穿入一个固定外筒中，形成完整的全金属螺杆泵定子”，上述方法并没有提出基于液压成形的螺杆钻具中全金属螺杆定子的加工方法。

目前，可以实现加工全金属螺杆的定子衬套，但是制作出衬套后，如何将衬套和定子壳体连接成一整体并没有提出解决方案。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种全金属螺杆定子加工方法，可以将壳体和衬套连接成一整体从而生产出全金属螺杆定子，有效解决了目前常规螺杆钻具寿命短的问题。

为了解决上述的问题，本发明所采用的技术方案为：

一种全金属螺杆定子的加工方法，包括以下步骤：

S1、加工钢衬套；

利用芯模并通过液压成形方法将钢圆管加工成与芯模外形一致的钢衬套，芯模留在钢衬套内，不取出；

S2、加工铝衬套；

利用钢衬套并通过液压成形方法将铝圆管加工成与钢衬套外形一致的铝衬套，钢衬套和芯模留在铝衬套内，不取出；

S3、加工铝管、壳体、用于芯模定位的定位接头和用于芯模固定的固定底座接头；

S4、将铝管插入壳体内，分别将定位接头和固定底座接头与壳体固定，芯模通过定位接头和固定底座接头定位和固定，在定位接头底面下方设置加热装置，在铝衬套、壳体、加热装置和固定底座接头所形成的的空腔内充填自蔓延反应的原料；

S5、加热装置对自蔓延反应的原料加热，当自蔓延反应的原料到着火点温度时，整个反应体系开始被引燃，剧烈反应放出的热量使靠近反应区的未反应区被预热，达到着火温度时又开始反应，从而使燃烧波推移前进，直到反应结束；

S6、待整个螺杆定子冷却，卸掉定位接头、芯模和固定底座接头，加工成全金属螺杆定子。

按上述方案，在本发明中，所述定位接头包括接头本体和定位肋板，4根定位肋板均匀分布固定在接头本体内，接头本体上设有与壳体配合的螺纹。

按上述方案，在本发明中，所述固定底座接头包括隔离层和底座本体，隔离层为石墨材料且设在底座本体顶面，所述底座本体中部设有定位台阶，底座本体侧面设有与壳体配合的螺纹。

按上述方案，在本发明中，所述自蔓延反应的原料为高放热反应的两种或两种以上的物质的混合物。

按上述方案，在本发明中，所述的自蔓延反应的原料是Mg 和Fe₂O₃, Mg含量为25wt%-35 wt %，Fe₂O₃含量为65 wt %-75 wt %。

按上述方案，在本发明中，所述自蔓延反应的原料是Al 和Fe₂O_3， Al含量为20 wt%-30 wt %，Fe₂O₃含量为70 wt %-80 wt %。

按上述方案，在本发明中，所述自蔓延反应的原料是TiC-Fe体系，其中，Fe含量为10 wt % -40 wt %，粒子直径10μm的C粉含量为20 wt %-40 wt %、钛粉含量为20 wt %-40wt %，其余为铝热剂。

按上述方案，在本发明中，所述铝管厚度与铝衬套的厚度相同，其厚度为1mm～2.5mm。

本发明的有益效果是：

1、加工精度高、工艺简单，本发明通过在精加工的壳体和液压成形的衬套之间充填材料，然后采用自蔓延形成，将壳体和衬套连接成一整体，无需后续处理和机械加工。

2、除启动反应外，不需要外热，极大节约能源，成本低廉。

3、设备、工艺简单，易于操作；无需复杂的合成设备、仪器，壳体、定位接头、发热电阻，以及固定底座接头等均易获得。

4、反应时低沸点杂质挥发逸出，产品纯度高，可集合成与密实化为一体。

5、可以通过改变热的释放和传输速度来控制过程的速度、温度、转化率和产物的成分及结构。

6、容易扩大生产规模。

附图说明

图1 是本发明的全金属螺杆定子加工装置的结构示意图。

图2 是图1中B处局部放大结构示意图。

图3 是图1中A-A横断面结构示意图。

图4 是固定底座接头的结构示意图。

图中：1-定位接头； 2-壳体； 3-自蔓延反应的原料； 4-芯模；5-固定底座接头； 6-加热装置； 7 -铝管；8 -钢衬套； 9 -铝衬套；10-接头本体；11-定位肋板；12-隔离层；13-底座本体；14-定位台阶；15-螺纹。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种全金属螺杆定子的加工方法，包括以下步骤：

S1、加工钢衬套8；

将内表面光滑的钢圆管，通过常规液压成形方法，采用常规螺杆橡胶衬套的芯模4，加工成与芯模4外形一致的钢衬套8，且芯模4留在钢衬套8内，不取出。

S2、加工铝衬套9;

同S1方法, 将内表面光滑的铝圆管，通过常规液压成形方法，采用上述刚衬套8和芯模4，加工成与钢衬套8外形一致的铝衬套9，钢衬套8和芯模4留在铝衬套9内，不取出。

S3、加工铝管7、精加工壳体2（壳体2与常规螺杆钻具的定子壳体相同，壳体2内径等于铝管7外径）、加工用于芯模定位的定位接头1和用于芯模固定的固定底座接头5。

S4、将铝管7插入壳体2内，将定位接头1和固定底座接头5分别与壳体2固定（通过螺纹固定），芯模4通过定位接头1和固定底座接头5定位和固定，在定位接头1底面下方设置加热装置6，在铝衬套9、壳体2、加热装置6和固定底座接头5所形成的的空腔内充填自蔓延反应的原料3。

S5、加热装置6通电，当自蔓延反应的原料3预热到着火点温度时，整个反应体系开始被引燃，剧烈反应放出的热量使靠近反应区的未反应区被预热，达到着火温度时又开始反应，从而使燃烧波推移前进，直到反应结束。

S6、待整个螺杆定子冷却到室内温度，卸掉定位接头1、芯模4和固定底座接头5，加工成全金属螺杆定子。

本发明所提供的全金属螺杆定子的加工方法工艺简单、易于操作、加工精度高、除启动反应外，不需要外热，极大节约能源，成本低廉；通过在精加工的壳体2和液压成形的衬套之间充填材料，然后采用自蔓延形成，将壳体2和衬套连接成一整体，无需后续处理和机械加工，反应时低沸点杂质挥发逸出，产品纯度高，可集合成与密实化为一体；本发明可以通过改变热的释放和传输速度来控制过程的速度、温度、转化率和产物的成分及结构。

在本发明中定位接头1、壳体2、自蔓延反应的原料3、芯模4、固定底座接头5和加热装置6均易获得，容易扩大生产规模。

如图1和图3所示，所述定位接头1包括接头本体10和定位肋板11，4根定位肋板11均匀分布固定在接头本体10内，接头本体10上设有与壳体2配合的螺纹15（壳体2的相应位置也设有与之相配合的螺纹）。

如图1和图4所示，所述固定底座接头5包括隔离层12和底座本体13，隔离层12为石墨材料且设在底座本体13顶面，石墨材料可以防止自蔓延反应后反应产物与接头粘接，所述底座本体13中部设有定位台阶14，底座本体13侧面设有与壳体2配合的螺纹15（壳体2的相应位置也设有与之相配合的螺纹）。

如图1所示，芯模4的上下两端分别通过定位接头1和固定底座接头5定位，当自蔓延反应的原料3充满空腔时，芯模4、钢衬套8和铝衬套9固定。

在本发明中，所述自蔓延反应的原料3为高放热反应的两种或两种以上的物质的混合物。通过试验可以得出许多高放热反应的两种或两种以上的物质的混合物的组合配方，现提供三种配方，这三种配方均能满足全金属螺杆定子的加工要求：

第一种：所述的自蔓延反应的原料是Mg 和Fe₂O₃, Mg含量为25wt%-35 wt %，Fe₂O₃含量为65 wt %-75 wt %。

第二种：所述自蔓延反应的原料是Al 和Fe₂O_3， Al含量为20 wt %-30 wt %，Fe₂O₃含量为70 wt %-80 wt %。

第三种：所述自蔓延反应的原料是TiC-Fe体系，其中，Fe含量为10 wt % -40 wt%，粒子直径10μm的C粉含量为20 wt %-40 wt %、钛粉含量为20 wt %-40 wt %，其余为铝热剂。

按上述方案，在本发明中，根据自蔓延反应配方、合成带宽度和反应传播速度确定铝衬套的厚度为1mm～2.5mm。

以上仅是实现本发明的优选实施例，基于本发明权利要求本原理的其它形式在本发明范围之内。例如：本发明中所述自蔓延反应的原料(3)为高放热反应的两种或两种以上的物质的混合物的任何配方均属于本发明要求的保护范围。

Claims

1.一种全金属螺杆定子的加工方法，其特征在于：包括以下步骤，

S1、加工钢衬套；

S2、加工铝衬套；

2.根据权利要求1所述的全金属螺杆定子的加工方法，其特征在于：所述定位接头包括接头本体和定位肋板，4根定位肋板均匀分布固定在接头本体内，接头本体上设有与壳体配合的螺纹。

3.根据权利要求1所述的全金属螺杆定子的加工方法，其特征在于：所述固定底座接头包括隔离层和底座本体，隔离层为石墨材料且设在底座本体顶面，所述底座本体中部设有定位台阶，底座本体侧面设有与壳体配合的螺纹。

4.根据权利要求1所述的全金属螺杆定子的加工方法，其特征在于：所述自蔓延反应的原料为高放热反应的两种或两种以上的物质的混合物。

5.根据权利要求4所述的全金属螺杆定子的加工方法，其特征在于：所述的自蔓延反应的原料是Mg 和Fe₂O₃, Mg含量为25wt%-35 wt %，Fe₂O₃含量为65 wt %-75 wt %。

6.根据权利要求4所述的全金属螺杆定子的加工方法，其特征在于：所述自蔓延反应的原料是Al 和Fe₂O_3， Al含量为20 wt %-30 wt %，Fe₂O₃含量为70 wt %-80 wt %。

7.根据权利要求4所述的全金属螺杆定子的加工方法，其特征在于：所述自蔓延反应的原料是TiC-Fe体系，其中，Fe含量为10 wt % -40 wt %，粒子直径10μm的C粉含量为20 wt%-40 wt %、钛粉含量为20 wt %-40 wt %，其余为铝热剂。

8.根据权利要求1所述的全金属螺杆定子的加工方法，其特征在于：所述铝管厚度与铝衬套的厚度相同，其厚度为1mm～2.5mm。