CN106640015A - 耐冲蚀压裂滑套 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐冲蚀压裂滑套，滑套基体材料采用QT500球墨铸铁铸造成型；滑套流道入口采用22°锥面锥形孔，球座密封面采用球弧密封面的流道结构形式；内部流道表面采用在NH₃ 500 ml/min、N₂ 500 ml/min、压力240 MPa、温度550～560 ℃条件下进行18 h离子渗氮处理。滑套流道出口采用６０°锥形孔，渗氮层的厚度不超过400 μm。本发明的滑套具有耐冲蚀能力强、密封性能高的特点，满足压裂滑套的现场施工要求。

Description

耐冲蚀压裂滑套

技术领域

本发明涉及一种井下作业工具领域中的一种压裂用耐冲蚀压裂滑套。

技术背景

水平井分段压裂技术已成为当今油气增产的重要手段，是开发低渗透油藏有效动用方式，滑套球座作为水平井分段压裂工艺的重要部件，重点与难点在于提高压裂滑套耐冲蚀性，耐冲蚀性的改善首要着手点就是压裂滑套的材质、结构和表面处理工艺。

作为水平井裸眼分段压裂技术的核心硬件，压裂滑套作为水平井分段压裂具的重要组成部分，在多段压裂过程中的作用至关重要，其耐冲蚀性能和密封性能的好坏直接影响着压裂施工的效果。

在水平井分段压裂工艺中，投球开启自锁滑套的作用是分层控制开关，高含砂量的流体会对滑套内壁进行强烈的冲蚀，如果滑套的耐冲蚀性不高，极有可能造成滑套锥面被冲蚀变形，投球后无法形成有效密封，滑套打开失败，严重影响分层压裂施工正常进行。

压裂滑套的安全可靠性能决定了分段压裂工艺的成败，因此，耐冲蚀压裂滑套对水平井分段压裂技术的发展具有重大意义。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术存在的问题，提供一种耐冲蚀压裂滑套，以提高压裂滑套的耐冲蚀性和密封性。

本发明方法是这样实现的：

一种耐冲蚀压裂滑套,滑套基体材料采用QT500球墨铸铁铸造成型；滑套流道入口采用22°锥面锥形孔，球座密封面采用球弧密封面的流道结构形式；内部流道表面采用在NH₃ 500 ml/min、N₂ 500 ml/min、压力240 MPa、温度550～560 ℃条件下进行18 h离子渗氮处理。

滑套流道出口采用６０°锥形孔，渗氮层的厚度不超过400 μm。

本发明的优点在于：

(1) 滑套基体材料采用组织均匀、耐磨损性能好的QT500球墨铸铁材料；

(2) 滑套流道采用22°锥面锥形孔+球弧密封面流道结构，避免了球座位置密封面的冲蚀，而且球座密封由线密封改进为面密封，大大提高了压裂密封性能。

(3) 滑套表面处理采用适合球墨铸铁基体材料的离子渗碳处理技术，进一步提高了滑套的耐冲蚀能力。

(4) 按此要求成型的滑套具有耐冲蚀能力强、密封性能高的特点，满足压裂滑套的现场施工要求。

附图说明

图1为耐冲蚀压裂滑套的结构示意图。

1是22°锥面锥形孔、２是球弧密封面、３是圆柱孔、４是６０°锥形孔。

具体实施方式

现结合说明书附图进一步说明本发明：如附图1所示，在分段压裂过程中，当对该滑套以下的井段进行压裂时，所投球的尺寸为１．７５英寸为例，球直径都小于22°锥面锥形孔1的直径，球可以通过22°锥面锥形孔1进入球弧密封面2进行密封，此时球会与球弧密封面2配合而形成密封，由于球密封形式由线密封改进为面密封，其密封能力大大提高，保障了压裂的可靠性，然后通过地面泵车系统打压至要求压力，从而实现压裂该段地层，实现这一段地层的压裂。

本实施例中滑套基体材料采用QT500球墨铸铁铸造成型。

本实施例中滑套流道采用22°锥面锥形孔1+球弧密封面2的流道结构形式，滑套流道出口采用６０°锥形孔4。

本实施例中内部流道表面采用在NH₃ 500 ml/min，N₂ 500 ml/min，压力240 MPa，温度550～560 ℃，进行18 h离子渗氮的表面处理方法；离子渗氮后从试样表面测至比基体维氏硬度值（HV275）高50HV_0.3处的垂直距离为渗氮层深度，QT500渗氮层的厚度不超过400 μm。

本实施例中表面处理为离子渗氮生产条件下，QT500渗氮层的厚度不超过400μm。

本实施例中22°锥面锥形孔1以及圆柱孔3面都为精车加工工艺，在设计尺寸的基础上尺寸公差最好采用上偏差，其表面粗糙度为R6.3~R3.2左右，球弧密封面2表面粗糙度为R1.6~R0.8左右。

本实施例中对非关键尺寸进行圆整处理，特别关键尺寸为球弧密封面2的球心位置， 22°锥面锥形孔1球弧密封面2与滑套为过盈配合面，其公差应选择上偏差，同时在相应的滑套设计中，滑套的圆柱孔3选择下偏差。

关于过盈配合面，可以采用加热装配法。对于加热温度可以采用如下的经验公式（1-1）进行计算

（１）

t为加热后的温度（装配温度）（℃）

t0为加热前的环境温度（℃）

为轴与孔的过盈量（mm）

为加热后孔与轴的间隙量，通常可取

加热时工件的线胀系数，材料为钢时取20~200℃内的较小系数11x10-6

l为被加热孔的内径（mm）

根据公式（１），取，环境温度为t0=20℃，装配温度为200℃，内径l=105.5mm，此时能够装配的最大过盈配合量为0.083mm，即在设计过程中的过盈量小于该值即可。

本实施例中对滑套表面处理具有以下特征：

对于球墨铸铁，可以采用的提高材料表面硬度和抗冲蚀磨损性能的措施很多，如表面相变硬化、表面熔凝、表面熔敷、表面化学热处理等。由于球墨铸铁的含碳量超过3%，激光或等离子表面相变硬化和表面熔凝处理极容易形成白口脆性组织，在表面处理过程中产生裂纹失效；类似的，熔敷处理时也容易产生裂纹，需要采取预热、缓冷等特殊工艺措施。对比分析表明，离子渗氮处理是合理的提高球墨铸铁表面硬度的方法。

球墨铸铁氮化具有两个方面的特点：一是铸铁中较高的碳、硅含量阻碍氮原子的扩散，氮化层较薄；二是硅与氮形成极硬的硅氮化合物 Si₃N₄（HV1000），提高铸铁的表面硬度。与钢一样，铸铁氮化可以采用气体氮化、液体氮化、离子氮化等各种途径，氮化组织也基本相似，由表层白色的氮化物层（ε + γ’+ α-Si₃N₄）和次层黑色扩散层（过饱和氮的组成 α-Fe + α-Si₃N₄）组成，其中ε相是碳氮化合物。ε相的耐磨性、抗咬合性、耐蚀性较好，扩散层由于α-Fe中固溶了氮，使其疲劳强度得以提高。资料显示，球铁氮化后疲劳强度提高25-30%，离子氮化处理提高耐磨性效果比淬火处理的好，且具有珠光体+铁素体组织的球铁氮化效果最佳。

Claims (2)

1.一种耐冲蚀压裂滑套, 其特征在于：滑套基体材料采用QT500球墨铸铁铸造成型；滑套流道入口采用22°锥面锥形孔，球座密封面采用球弧密封面的流道结构形式；内部流道表面采用在NH₃ 500 ml/min、N₂ 500 ml/min、压力240 MPa、温度550～560 ℃条件下进行18 h离子渗氮处理。

2.如权利要求1所述的一种耐冲蚀压裂滑套, 其特征在于：滑套流道出口采用６０°锥形孔，渗氮层的厚度不超过400 μm。