CN107130930A - 一种套管前通井震动钻具 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种套管前通井震动钻具，包括外筒、接箍、导引端座、导流器、转子、上导流罩壳、下导流罩座以及钻头，转子轴的上端转动支撑在导流器上，转子轴向下延伸形成驱动轴，驱动轴穿设下导流罩座的中心轴孔并转动支撑在下导流罩座上，钻头安装在驱动轴的轴端，钻头位于导引端座的中心孔中，驱动轴与座体通过防止驱动轴反转的棘轮机构连接。钻井液经由导流器的导流孔进入外筒与转子形成的环形空间，钻井液驱动转子转动，转子将液压动能转变为钻头破碎的机械能，钻头上的切削工作部工作，破碎，并同钻井液共同完成清除砂桥或井底沉砂，防止下套管遇阻或者粘附卡套管，使井眼处于良好状态，为下套管的顺利进行提供保障。

Description

一种套管前通井震动钻具
技术领域
本发明属于地质工程技术领域，具体涉及钻井工具设备，更为具体地，涉及套管前通井震动钻具。
背景技术
石油在国民经济中的作用石油是重要能源，同煤相比，具有能量密度大（等重的石油燃烧热比标准煤高50%）、运输储存方便、燃烧后对大气的污染程度较小等优点。20世纪70年代以来，在世界能源消费的构成中，石油已超过煤而跃居首位。1979年占45%，预计到21世纪初，这种情况不会有大的改变。石油制品还广泛地用作各种机械的润滑剂。沥青是公路和建筑的重要材料。石油化工产品广泛地用于农业、轻工业、纺织工业以及医药卫生等部门，如合成纤维、塑料、合成橡胶制品，已成为人们的生活必需品。
油气在地壳中生成后，呈分散状态存在于生油气层中，经过运移进入储集层，在具有良好保存条件的地质圈闭内聚集，形成油气藏。在一个地质构造内可以有若干个油气藏，组合成油气田。钻井工程在油气田开发中，有着十分重要的地位，在建设一个油气田中，钻井工程往往要占总投资的50%以上。一个油气田的开发，往往要打几百口甚至几千口或更多的井。对用于开采、观察和控制等不同目的的井（如生产井、注入井、观察井以及专为检查水洗油效果的检查井等）有不同的技术要求。应保证钻出的井对油气层的污染最少，固井质量高，能经受开采几十年中的各种井下作业的影响。采油工程是把油、气在油井中从井底举升到井口的整个过程的工艺技术。油气的上升可以依靠地层的能量自喷，也可以依靠抽油泵、气举等人工增补的能量举出。
钻井是一项系统工程，是多专业、多工种利用多种设备、工具、材料进行的联合作业。同时它又是多程序紧密衔接，多环节环环相扣的连续作业。施工的全过程都具有相当的复杂性。每一口井的完成包括钻前工程、钻进工程和完井作业三个阶段。每一项工程阶段又有一系列的施工工序。其主要工序一般包括：定井位、道路勘测、基础施工、安装井架、搬家、安装设备、一次开钻、二次开钻、钻进、起钻、换钻头、下钻、完井、电测、下套管、固井作业等。
石油套管是用于支撑油、气井井壁的钢管，以保证钻井过程进行和完井后整个油井的正常运行。每一口井根据不同的钻井深度和地质情况，要使用几层套管。套管下井后要采用水泥固井，它与油管、钻杆不同，不可以重复使用，属于一次性消耗材料。所以，套管的消耗量占全部油井管的70%以上。
在石油开采过程中使用的不同类型的套管：表层石油套管保护钻井，使其避免受浅水层及浅气层污染， 支撑井口设备并保持套管的其他层重量。技术石油套管分隔不同层面的压力，以便钻液额度正常流通并保护生产套管，以便在钻井内安装反爆裂装置、防漏装置及尾管。油层石油套管将石油和天然气从地表下的储藏层里导出，用于保护钻井，将钻探泥浆分层。
下套管需要通井，清除砂桥或井底沉砂，防止下套管遇阻或者粘附卡套管，以及循环憋泵，使井眼处于良好状态，为下套管的顺利进行提供保障。近年来随着勘探开发工作量的持续增加，钻井工作量呈现大幅度上升趋势，改进钻井技术和设备，提高钻井速度，缩短建井周期，是降低钻井成本的关键。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种套管前通井震动钻具, 清除砂桥或井底沉砂，防止下套管遇阻，使井眼处于良好状态，为下套管的顺利进行提供保障。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
一种套管前通井震动钻具，包括外筒、外筒上端连接的接箍、外筒下端连接的导引端座、位于外筒内并与外筒固定的导流器、位于外筒内且轴线与外筒轴线共线的转子、位于外筒内的上导流罩壳、位于外筒内的下导流罩座以及钻头，导流器上设置有上下贯穿导流器的导流孔，转子轴的上端转动支撑在导流器上，转子轴向下延伸形成驱动轴，驱动轴穿设下导流罩座的中心轴孔并转动支撑在下导流罩座上，上导流罩壳与下导流罩座固定连接，下导流罩座包括与外筒固定的导流盘和位于导流盘上方的座体，导流盘上具有上下方向贯穿导流盘的导流孔，防脱环固定于靠近导流盘的外筒上，钻头安装在驱动轴的轴端，钻头位于导引端座的中心孔中，驱动轴与座体通过防止驱动轴反转的棘轮机构连接，钻头包括叶轮部和位于叶轮部下方的钻头体，叶轮部的叶片的下端设置有第一切削工作部，钻头体的表面设置有第二切削工作部。
上述套管前通井震动钻具，
第一切削工作部包括叶片向外延伸形成的齿体和套在齿体上的齿套，齿套和齿体通过销钉固定连接；
齿套的制备方法为：
取平均粒度2.40μm的Co粉、平均粒度2.13μm的复式碳化钛粉以及平均粒度2.54μm的WC粉装入真空球磨罐中，Co粉、复式碳化钛粉和WC粉总重为M kg，向真空球磨罐中加入235ml×M量的C2H6O作为湿磨介质，球料比为10:1，Co粉、复式碳化钛粉和WC粉的质量比为11：5：84，封闭真空球磨罐抽真空， 以200r/min转速且正反转间歇时间为5min进行球磨55h，向真空球磨罐中加入0.04M kg石蜡，继续以200r/min转速且正反转间歇时间为5min进行球磨5h，真空干燥箱中干燥，得粉末原料；
粉末原料退火处理，退火温度1420℃，采用惰性气体作为退火气氛，然后采用喷雾干燥制粒，采用氩气作为压力介质进行等静压成形，后以40℃/min的升温速率在真空气氛下快速升温至1500℃并维持1500℃时间20min，以10℃/min的降温速率慢速降温至1400℃，在氦气烧结气氛且气体压力9MPa下保温烧结90min,随炉冷却至室温，得预成形坯，将预成形坯加热后在闭式模具中锻造形成锻件，锻件冷却至常温，通过冲压工序移除锻件飞边，通过喷丸处理后形成齿套。
上述套管前通井震动钻具，
第一切削工作部为镶焊在叶轮部叶片下端的若干个切削齿，切削齿包括圆柱部和齿顶部，齿顶部为去顶圆锥体整体向左侧偏歪而成，偏歪距离从齿顶部的根部到顶部逐渐增大，左右方向与圆柱部的轴线垂直，齿顶部的顶部圆滑过渡，左右方向和圆柱部轴线共同确定一截平面，该截平面与齿顶部形成的截交线顺次分为直线、第一圆弧线、第二圆弧线和第三圆弧线，第一圆弧线对应的圆心角为34°，第二圆弧线对应的圆心角为134°，第三圆弧线对应的圆心角为29°，第二圆弧线的圆心位于圆柱部轴线左侧，第一圆弧线向内凹陷以使得齿顶部的左侧向内凹陷；
切削齿的制备方法为：
取平均粒度2.40μm的Co粉、平均粒度2.13μm的复式碳化钛粉以及平均粒度2.54μm的WC粉装入真空球磨罐中，Co粉、复式碳化钛粉和WC粉总重为M kg，向真空球磨罐中加入235ml×M量的C2H6O作为湿磨介质，球料比为10:1，Co粉、复式碳化钛粉和WC粉的质量比为11：5：84，封闭真空球磨罐抽真空， 以200r/min转速且正反转间歇时间为5min进行球磨55h，向真空球磨罐中加入0.04Mkg石蜡，继续以200r/min转速且正反转间歇时间为5min进行球磨5h，真空干燥箱中干燥，得粉末原料；
粉末原料退火处理，退火温度1420℃，采用惰性气体作为退火气氛，采用喷雾干燥制粒，采用氩气作为压力介质进行等静压成形，以40℃/min的升温速率在真空气氛下快速升温至1500℃并维持1500℃时间20min，以10℃/min的降温速率慢速降温至1400℃，在氦气烧结气氛且气体压力9MPa下保温烧结90min,随炉冷却至室温，得预成形坯，将预成形坯加热后在闭式模具中锻造形成锻件，锻件冷却至常温，通过冲压工序移除锻件飞边，通过喷丸处理后形成切削齿。
上述套管前通井震动钻具，接箍具有与外筒上端连接的第一内螺纹段和与套筒连接的第二内螺纹段，第一内螺纹段和第二内螺纹段均开设有向接箍内凹陷的环形填料腔，环形填料腔装入密封填料，密封填料是由石墨、聚对苯二甲酰对苯二胺纤维碎末、聚四氟乙烯纤维碎末和硅酸酯混合而成，石墨、聚对苯二甲酰对苯二胺纤维碎末、聚四氟乙烯纤维碎末和硅酸酯的质量比为1:4:7:6。
上述套管前通井震动钻具，转子包括42CrMo材质的基体以及在基体表面形成的耐磨耐蚀层，基体包括转子轴和螺旋叶片，转子轴外径d1，基体外径d2，定义参数D＝0.375×（d1＋d2），D单位mm；
基体的热处理工艺为：
将基体在退火炉中加热至540℃保温1.0×Dmin, 然后继续加热至860℃保温2.5×Dmin，空冷降温至300℃；在加热炉中将基体加热至860℃保温1.0×Dmin,然后随炉降温至800℃保温1.0×Dmin, 出炉后先水淬冷却到300℃，后在温度保持在60℃的柴油中油淬冷却至油温，将基体加热至320℃保温1.0×Dmin, 然后继续加热至600℃保温2.0×Dmin，随炉冷却至300℃后空冷至室温；
耐磨耐蚀层的生成工艺为：
将热处理后的基体先用砂纸打磨，再进行喷砂处理，将基体浸入30℃的酸洗液中10min，酸洗液由重量含量为8%的硝酸、2%的氢氟酸、4%的过氧化氢和86%的水组成，再流水洗5min后干燥，将基体送入等离子清洗仓内，在惰性气氛下进行等离子清洗，浸入预镀镍液中进行电镀，镍预镀层厚度为1.5μm，预镀镍液的组分为：氯化镍200g／L、盐酸200ml/L以及水，预镀镍液温度20-22℃，电流密度5A/dm2，流水洗10min后干燥，浸入镀铜液中进行电镀，铜镀层厚度为5μm，镀铜液的组分为：硫酸铜100g／L、硫酸20g／L、OP-21乳化剂0.2g／L、氯离子0.2g／L、甲基紫0.01g／L以及水，镀铜液温度22-25℃，电流密度2A/dm2，阴极移动18次/min；流水洗10min后干燥，采用石英砂为喷料进行喷砂处理，流水洗5min后干燥，浸入镀镍液中进行电镀，镍镀层厚度为10μm，镀镍液的组分为：硫酸镍280g／L、氯化镍35g／L、硼酸40g／L、邻苯甲酰磺酰亚胺1g／L、丁炔二醇0．3g／L、十二烷基硫酸钠0．1g／L以及水，镀镍液温度45-48℃，电流密度3.5A/dm2，阴极移动10次/min。
上述套管前通井震动钻具，转子轴外径d1＝45mm，基体外径d2＝115mm，螺旋叶片为5枚，叶片导程S=108mm×5。
上述套管前通井震动钻具，转子包括42CrMo材质的基体以及在基体表面形成的耐磨耐蚀层，基体是由一根42CrMo钢轴的外圆柱面上加工出多头螺旋槽而成，对应地，外筒内壁上形成一层具有多头螺旋腔的橡胶套，外筒材质N80钢，
橡胶套的形成方法为：
用甲苯为溶剂采用蒸汽脱脂对外筒内壁进行脱脂，以铜矿砂为喷料对外筒内壁进行喷砂处理，再使用60℃的流水清洗外筒内壁，干燥，外筒内壁上形成粘接剂涂层，干燥，粘接剂涂层干燥后厚度为35μm，将橡胶注射成型模具安装到外筒内，预热外筒和橡胶注射成型模具至125℃，从两端向中间注混炼胶同时对模腔抽真空，然后进行硫化；
混炼胶由以下重量比的组分构成：天然橡胶35％、氯化橡胶38％、二氧化硅2％、磷酸铵4％、轻质氧化镁10％、硬脂酸3％、炭黑3％以及聚氯乙烯5％。
上述套管前通井震动钻具，粘接剂涂层包括靠近外筒内壁的氰基丙稀酸酯粘接剂层和靠近橡胶套的氯丁酚醛粘接剂层。
上述套管前通井震动钻具，第一切削工作部为在包镶在叶轮部叶片下端的金刚石，第二切削工作部为在包镶在钻头体表面的金刚石。
上述套管前通井震动钻具，钻头叶轮部中心形成安装孔，驱动轴的下端装入安装孔中，并通过销钉将驱动轴和钻头固定连接。
钻井液经由导流器的导流孔进入外筒与转子形成的环形空间，钻井液驱动转子转动，转子将液压动能转变为钻头破碎的机械能，钻头上的切削工作部工作，破碎，并同钻井液共同完成清除砂桥或井底沉砂，防止下套管遇阻，使井眼处于良好状态，为下套管的顺利进行提供保障。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步详细的说明：
图1为本发明的结构示意图。
图2为导流器的结构示意图。
图3为显示导流器导流孔的结构示意图。
图4为转子及的驱动轴结构示意图。
图5为下导流罩座的结构示意图。
图6为显示下导流罩座导流孔的结构示意图。
图7为钻头的结构示意图。
图8为第一切削工作部一种实施例的结构示意图。
图9为第一切削工作部另一种实施例的结构示意图。
图10为接箍密封处的结构示意图。
图11为外筒、橡胶套以及转子的结构示意图。
图中：1接箍,2外筒,3导流器,4转子,5上导流罩壳,6座体,7导流盘,8导引端座,9钻头体,10叶轮部,11防脱环,12驱动轴,13导流孔,14螺旋叶片,15转子轴，16导流孔,17销轴,18叶片,19第一切削工作部,20第二切削工作部,22齿体,23齿套,24圆柱部,25圆心,26转子,27橡胶套,29螺旋腔,30密封填料。
具体实施方式
如图1至图7所示，一种套管前通井震动钻具，包括外筒2、外筒上端连接的接箍1、外筒下端连接的导引端座8、位于外筒内并与外筒固定的导流器3、位于外筒内且其轴线与外筒轴线共线/重合的转子4、位于外筒内的上导流罩壳5、位于外筒内的下导流罩座以及钻头。导流器3上设置有上下贯穿导流器的导流孔13，转子轴15的上端转动支撑在导流器上，具体为导流器的中心。转子轴向下延伸形成驱动轴12，转子轴和驱动轴为一体结构，只不过是轴的两段。驱动轴穿设下导流罩座的中心轴孔并转动支撑在下导流罩座上，也就是说，转子轴和驱动轴构成的整根轴上转动支撑在导流器上，下转动支撑在下导流罩座上。上导流罩壳与下导流罩座固定连接，下导流罩座包括与外筒固定的导流盘7和位于导流盘上方的座体6，导流盘与外筒固定连接，上导流罩壳与座体固定连接。优选地，上导流罩壳与座体连接后整体呈椭球型，可以起到改变流体方向的作用。导流盘7上具有上下方向贯穿导流盘的导流孔16。防脱环11固定于靠近导流盘的外筒上，也就是说，防脱环位于下导流罩座下方切且靠近下导流罩座设置，目的是防止外筒内机构/结构从外筒下端脱出。钻头安装在驱动轴的轴端，钻头位于导引端座8的中心孔中，钻头包括叶轮部10和位于叶轮部下方的钻头体9，叶轮部的叶片18的下端/下边沿设置有第一切削工作部19，钻头体的表面设置有第二切削工作部20。驱动轴与座体6通过防止驱动轴反转的棘轮机构连接，一种具体方式为，棘轮机构的棘爪通过销轴17连接在座体的上端面上，棘轮安装在驱动轴上，棘轮与棘爪配合实现防止驱动轴反转。优选地，流体通过导流孔改变流动方向，垂直打在叶片上，提高能量转换效率。
钻头叶轮部中心形成安装孔，驱动轴的下端装入安装孔中，并通过销钉将驱动轴和钻头固定连接。
第一切削工作部可以为包镶在叶轮部叶片下端的金刚石，也可以采用如下结构：
如图8所示，第一切削工作部包括叶片18向外延伸形成的齿体22和套在齿体上的齿套23，齿套和齿体通过销钉固定连接，销钉优选同时贯穿齿套和齿体。齿体可以是叶片直接切削而成。
齿套的制备方法为：
取平均粒度2.40μm的Co粉、平均粒度2.13μm的复式碳化钛[ (Ti、W)C] 粉以及平均粒度2.54μm的WC粉装入真空球磨罐中，Co粉、复式碳化钛[ (Ti、W)C] 粉和WC粉总重为M kg，向真空球磨罐中加入235ml×M量的C2H6O作为湿磨介质，球料比为10:1，Co粉、复式碳化钛[(Ti、W)C] 粉和WC粉的质量比为11：5：84，封闭真空球磨罐抽真空， 以200r/min转速且正反转间歇时间为5min（即正转5min后反转5min，反复进行）进行球磨55h，向真空球磨罐中加入0.04M kg石蜡，继续以200r/min转速且正反转间歇时间为5min进行球磨5h，真空干燥箱中干燥，得粉末原料；
粉末原料退火处理，退火温度1420℃，采用惰性气体作为退火气氛，然后采用喷雾干燥制粒，采用氩气作为压力介质进行等静压成形，以40℃/min的升温速率在真空气氛下快速升温至1500℃并维持1500℃20min，以10℃/min的降温速率慢速降温至1400℃，在氦气烧结气氛且气体压力9MPa下保温烧结90min,随炉冷却至室温，得预成形坯，将预成形坯加热后在闭式模具中锻造形成锻件，锻件冷却至常温，通过冲压工序移除锻件飞边，通过喷丸处理后形成齿套。
齿体齿套的结构，方便当磨钝后更换。采用该中方法制备的齿套，冲击韧度akV达6.32J/cm2，断裂韧性16.10MPa·m1/2，改善了齿套的韧性。
下面介绍第一切削工作部的另一种结构，当然，第二切削部也可以采用这种结构：
如图9所示，第一切削工作部为镶焊在叶轮部叶片下端的若干个切削齿，图9中所示为单个切削齿，切削齿包括圆柱部24和齿顶部，齿顶部为去顶圆锥体整体向左侧偏歪而成，偏歪距离从齿顶部的根部到顶部逐渐增大，左右方向与圆柱部的轴线垂直，齿顶部的顶部圆滑过渡，左右方向和圆柱部轴线共同确定一截平面，该截平面与齿顶部形成的截交线顺次分为直线、第一圆弧线、第二圆弧线和第三圆弧线，第一圆弧线对应的圆心角a为34°，第二圆弧线对应的圆心角b为134°，第三圆弧线对应的圆心角c为29°，第二圆弧线的圆心25位于圆柱部轴线左侧，第一圆弧线向内凹陷以使得齿顶部的左侧向内凹陷。
切削齿的制备方法为：
取平均粒度2.40μm的Co粉、平均粒度2.13μm的复式碳化钛[ (Ti、W)C] 粉以及平均粒度2.54μm的WC粉装入真空球磨罐中，Co粉、复式碳化钛[ (Ti、W)C] 粉和WC粉总重为M kg，向真空球磨罐中加入235ml×M量的C2H6O作为湿磨介质，球料比为10:1，Co粉、复式碳化钛[(Ti、W)C] 粉和WC粉的质量比为11：5：84，封闭真空球磨罐抽真空， 以200r/min转速且正反转间歇时间为5min进行球磨55h，向真空球磨罐中加入0.04Mkg石蜡，继续以200r/min转速且正反转间歇时间为5min进行球磨5h，真空干燥箱中干燥，得粉末原料；
粉末原料退火处理，退火温度1420℃，采用惰性气体作为退火气氛，采用喷雾干燥制粒，采用氩气作为压力介质进行等静压成形，以40℃/min的升温速率在真空气氛下快速升温至1500℃并维持1500℃20min，以10℃/min的降温速率慢速降温至1400℃，在氦气烧结气氛且气体压力9MPa下保温烧结90min,随炉冷却至室温，得预成形坯，将预成形坯加热后在闭式模具中锻造形成锻件，锻件冷却至常温，通过冲压工序移除锻件飞边，通过喷丸处理后形成切削齿。
该切削齿的齿顶偏离轴线一侧，齿顶部的左侧向内凹陷，切削时，该凹陷部正对被切削物，为主要工作部，这种齿形改善了受力分布状况，提高了破岩效率和工作寿命。
如图10所示，接箍具有与外筒上端连接的第一内螺纹段和与套筒连接的第二内螺纹段，第一内螺纹段和第二内螺纹段均开设有向接箍内凹陷的环形填料腔，环形填料腔装入密封填料30，密封填料是由石墨、聚对苯二甲酰对苯二胺纤维碎末、聚四氟乙烯纤维碎末和硅酸酯混合而成，石墨、聚对苯二甲酰对苯二胺纤维碎末、聚四氟乙烯纤维碎末和硅酸酯的质量比为1:4:7:6。
聚对苯二甲酰对苯二胺纤维碎末和聚四氟乙烯纤维碎末使得密封填料稳定性强，具有良好的耐化学性，对钻井液的适应性广。
如图4所示，转子包括42CrMo材质的基体以及在基体表面形成的耐磨耐蚀层，基体包括转子轴15和螺旋叶片14，转子轴外径d1，基体外径（螺旋叶片的外径）d2，定义参数D＝0.375×（d1＋d2），D单位mm；
基体的热处理工艺为：
将基体在退火炉中加热至540℃保温1.0×Dmin, 然后继续加热至860℃保温2.5×Dmin，空冷降温至300℃；在加热炉中将基体加热至860℃保温1.0×Dmin,然后随炉降温至800℃保温1.0×Dmin, 出炉后先水淬冷却到300℃，后在温度保持在60℃的柴油中油淬冷却至油温，将基体加热至320℃保温1.0×Dmin, 然后继续加热至600℃保温2.0×Dmin，随炉冷却至300℃后空冷至室温。
基体经过退火、淬火、回火热处理工艺后，基体的硬度和韧性得到提高，由于基体形状复杂，截面不均匀，先水淬后油淬，减小工件变形开裂的倾向。
耐磨耐蚀层的生成工艺为：
将热处理后的基体先用砂纸打磨，再进行喷砂处理，优选以金刚砂为喷料，将基体浸入30℃的酸洗液中酸洗10min，酸洗液由重量含量为8%的硝酸、2%的氢氟酸、4%的过氧化氢和其余水（86%的水）组成，再流水洗5min后干燥，将基体送入等离子清洗仓内，在惰性气氛下进行等离子清洗，浸入预镀镍液中进行电镀，镍预镀层厚度为1.5μm，预镀镍液的组分为：氯化镍200g／L、盐酸200ml/L以及水（加水至1L），预镀镍液温度20-22℃，电流密度5A/dm2，就是说首先形成一层1.5μm的镍镀层。流水洗10min后干燥，浸入镀铜液中进行电镀，铜镀层厚度为5μm，镀铜液的组分为：硫酸铜100g／L、硫酸20g／L、OP-21乳化剂0.2g／L、氯离子0.2g／L、甲基紫0.01g／L以及水（加水至1L），镀铜液温度22-25℃，电流密度2A/dm2，优选，阴极移动18次/min，就是说再形成一层5μm的铜镀层。流水洗10min后干燥，采用石英砂为喷料进行喷砂处理，流水洗5min后干燥，浸入镀镍液中进行电镀，镍镀层厚度为10μm，镀镍液的组分为：硫酸镍280g／L、氯化镍35g／L、硼酸40g／L、邻苯甲酰磺酰亚胺1g／L、丁炔二醇0．3g／L、十二烷基硫酸钠0．1g／L以及水（加水至1L），镀镍液温度45-48℃，电流密度3.5A/dm2，阴极移动10次/min，就是说最后形成一层10μm的镍镀层。
在惰性气氛下进行等离子清洗，有效消除表面污染及氧化物，预镀镍作为底层，解决了结合力差的问题，然后镀铜后镀镍，形成耐磨耐蚀复合镀层，与基体结合力良好，解决了镀层在长时间使用脱落的问题。
具体地，转子轴外径d1＝45mm，基体外径d2＝115mm，螺旋叶片为5枚，叶片导程S=108mm×5。
如图11所示，转子26包括42CrMo材质的基体以及在基体表面形成的耐磨耐蚀层，基体是由一根42CrMo钢轴的外圆柱面上加工出多头螺旋槽而成，42CrMo钢轴的外圆柱面上也对应形成了多条螺旋凸肋，对应地，外筒2内壁上硫化一层具有多头螺旋腔的橡胶套27，橡胶套27的内圆柱面上也对应形成了多条螺旋凸肋，外筒材质N80钢。
基体的热处理工艺和耐磨耐蚀层的生成可以采用前述方法。
橡胶套的形成方法为：
用甲苯为溶剂采用蒸汽脱脂对外筒内壁进行脱脂，以铜矿砂为喷料对外筒内壁进行喷砂处理，再使用60℃的流水清洗外筒内壁，干燥，外筒内壁形成粘接剂涂层，干燥，粘接剂涂层干燥后厚度为35μm，将橡胶注射成型模具安装到外筒内，橡胶注射成型模具上的注胶孔位于两端，橡胶注射成型模具中间具有抽真空孔，预热外筒和橡胶注射成型模具至125℃，从两端向中间注混炼胶同时对模腔抽真空，然后进行硫化；
混炼胶由以下重量比的组分构成：天然橡胶35％、氯化橡胶38％、二氧化硅2％、磷酸铵4％、轻质氧化镁10％、硬脂酸3％、炭黑3％以及聚氯乙烯5％。
预热外筒和橡胶注射成型模具至125℃，将从两端向中间注混炼胶同时对模腔抽真空，降低了气泡等缺陷的产生，提高了橡胶套形状精确度和表面的光滑度，能够与转子精密配合。橡胶套中含有磷酸铵、轻质氧化镁、硬脂酸以及聚氯乙烯，形成的橡胶套耐腐蚀性能强，耐强酸强碱，不易发生反应，对钻井液适应性广，使用寿命长。
外筒和橡胶套构成定子，由于定子螺旋腔29的导向作用，高压钻井液流迫使转子转动并使钻井液从上一个空腔流人下一个空腔，转子将液压动能转变为钻头破碎的机械能，这种结构使得输出功率大。
粘接剂涂层包括靠近外筒内壁的氰基丙稀酸酯粘接剂层和靠近橡胶套的氯丁酚醛粘接剂层。氰基丙稀酸酯粘接剂层与金属粘接力强，氯丁酚醛粘接剂层与橡胶套接力强，外筒和橡胶套之间采用两层粘接剂层过渡，橡胶套和外筒结合效果更好。
当然削工作部也可以为金刚石，具体为，第一切削工作部为在包镶在叶轮部叶片下端的金刚石，第二切削工作部为在包镶在钻头体表面的金刚石。转子基体的表面也可以镀铬层。
具体地，钻头叶轮部中心形成安装孔，驱动轴的下端装入安装孔中，并通过销钉将驱动轴和钻头固定连接。

Claims (10)

1.一种套管前通井震动钻具，其特征在于：包括外筒、外筒上端连接的接箍、外筒下端连接的导引端座、位于外筒内并与外筒固定的导流器、位于外筒内且轴线与外筒轴线共线的转子、位于外筒内的上导流罩壳、位于外筒内的下导流罩座以及钻头，导流器上设置有上下贯穿导流器的导流孔，转子轴的上端转动支撑在导流器上，转子轴向下延伸形成驱动轴，驱动轴穿设下导流罩座的中心轴孔并转动支撑在下导流罩座上，上导流罩壳与下导流罩座固定连接，下导流罩座包括与外筒固定的导流盘和位于导流盘上方的座体，导流盘上具有上下方向贯穿导流盘的导流孔，防脱环固定于靠近导流盘的外筒上，钻头安装在驱动轴的轴端，钻头位于导引端座的中心孔中，驱动轴与座体通过防止驱动轴反转的棘轮机构连接，钻头包括叶轮部和位于叶轮部下方的钻头体，叶轮部的叶片的下端设置有第一切削工作部，钻头体的表面设置有第二切削工作部。
2.根据权利要求1所述的套管前通井震动钻具，其特征在于：
第一切削工作部包括叶片向外延伸形成的齿体和套在齿体上的齿套，齿套和齿体通过销钉固定连接；
齿套的制备方法为：
取平均粒度2.40μm的Co粉、平均粒度2.13μm的复式碳化钛粉以及平均粒度2.54μm的WC粉装入真空球磨罐中，Co粉、复式碳化钛粉和WC粉总重为M kg，向真空球磨罐中加入235ml×M量的C2H6O作为湿磨介质，球料比为10:1，Co粉、复式碳化钛粉和WC粉的质量比为11：5：84，封闭真空球磨罐抽真空， 以200r/min转速且正反转间歇时间为5min进行球磨55h，向真空球磨罐中加入0.04M kg石蜡，继续以200r/min转速且正反转间歇时间为5min进行球磨5h，真空干燥箱中干燥，得粉末原料；
粉末原料退火处理，退火温度1420℃，采用惰性气体作为退火气氛，然后采用喷雾干燥制粒，采用氩气作为压力介质进行等静压成形，后以40℃/min的升温速率在真空气氛下快速升温至1500℃并维持1500℃时间20min，以10℃/min的降温速率慢速降温至1400℃，在氦气烧结气氛且气体压力9MPa下保温烧结90min,随炉冷却至室温，得预成形坯，将预成形坯加热后在闭式模具中锻造形成锻件，锻件冷却至常温，通过冲压工序移除锻件飞边，通过喷丸处理后形成齿套。
3.根据权利要求1所述的套管前通井震动钻具，其特征在于：
第一切削工作部为镶焊在叶轮部叶片下端的若干个切削齿，切削齿包括圆柱部和齿顶部，齿顶部为去顶圆锥体整体向左侧偏歪而成，偏歪距离从齿顶部的根部到顶部逐渐增大，左右方向与圆柱部的轴线垂直，齿顶部的顶部圆滑过渡，左右方向和圆柱部轴线共同确定一截平面，该截平面与齿顶部形成的截交线顺次分为直线、第一圆弧线、第二圆弧线和第三圆弧线，第一圆弧线对应的圆心角为34°，第二圆弧线对应的圆心角为134°，第三圆弧线对应的圆心角为29°，第二圆弧线的圆心位于圆柱部轴线左侧，第一圆弧线向内凹陷以使得齿顶部的左侧向内凹陷；
切削齿的制备方法为：
取平均粒度2.40μm的Co粉、平均粒度2.13μm的复式碳化钛粉以及平均粒度2.54μm的WC粉装入真空球磨罐中，Co粉、复式碳化钛粉和WC粉总重为M kg，向真空球磨罐中加入235ml×M量的C2H6O作为湿磨介质，球料比为10:1，Co粉、复式碳化钛粉和WC粉的质量比为11：5：84，封闭真空球磨罐抽真空， 以200r/min转速且正反转间歇时间为5min进行球磨55h，向真空球磨罐中加入0.04Mkg石蜡，继续以200r/min转速且正反转间歇时间为5min进行球磨5h，真空干燥箱中干燥，得粉末原料；
粉末原料退火处理，退火温度1420℃，采用惰性气体作为退火气氛，采用喷雾干燥制粒，采用氩气作为压力介质进行等静压成形，以40℃/min的升温速率在真空气氛下快速升温至1500℃并维持1500℃时间20min，以10℃/min的降温速率慢速降温至1400℃，在氦气烧结气氛且气体压力9MPa下保温烧结90min,随炉冷却至室温，得预成形坯，将预成形坯加热后在闭式模具中锻造形成锻件，锻件冷却至常温，通过冲压工序移除锻件飞边，通过喷丸处理后形成切削齿。
4.根据权利要求1所述的套管前通井震动钻具，其特征在于：接箍具有与外筒上端连接的第一内螺纹段和与套筒连接的第二内螺纹段，第一内螺纹段和第二内螺纹段均开设有向接箍内凹陷的环形填料腔，环形填料腔装入密封填料，密封填料是由石墨、聚对苯二甲酰对苯二胺纤维碎末、聚四氟乙烯纤维碎末和硅酸酯混合而成，石墨、聚对苯二甲酰对苯二胺纤维碎末、聚四氟乙烯纤维碎末和硅酸酯的质量比为1:4:7:6。
5.根据权利要求1所述的套管前通井震动钻具，其特征在于：转子包括42CrMo材质的基体以及在基体表面形成的耐磨耐蚀层，基体包括转子轴和螺旋叶片，转子轴外径d1，基体外径d2，定义参数D＝0.375×（d1＋d2），D单位mm；
基体的热处理工艺为：
将基体在退火炉中加热至540℃保温1.0×Dmin, 然后继续加热至860℃保温2.5×Dmin，空冷降温至300℃；在加热炉中将基体加热至860℃保温1.0×Dmin,然后随炉降温至800℃保温1.0×Dmin, 出炉后先水淬冷却到300℃，后在温度保持在60℃的柴油中油淬冷却至油温，将基体加热至320℃保温1.0×Dmin, 然后继续加热至600℃保温2.0×Dmin，随炉冷却至300℃后空冷至室温；
耐磨耐蚀层的生成工艺为：
将热处理后的基体先用砂纸打磨，再进行喷砂处理，将基体浸入30℃的酸洗液中10min，酸洗液由重量含量为8%的硝酸、2%的氢氟酸、4%的过氧化氢和86%的水组成，再流水洗5min后干燥，将基体送入等离子清洗仓内，在惰性气氛下进行等离子清洗，浸入预镀镍液中进行电镀，镍预镀层厚度为1.5μm，预镀镍液的组分为：氯化镍200g／L、盐酸200ml/L以及水，预镀镍液温度20-22℃，电流密度5A/dm2，流水洗10min后干燥，浸入镀铜液中进行电镀，铜镀层厚度为5μm，镀铜液的组分为：硫酸铜100g／L、硫酸20g／L、OP-21乳化剂0.2g／L、氯离子0.2g／L、甲基紫0.01g／L以及水，镀铜液温度22-25℃，电流密度2A/dm2，阴极移动18次/min；流水洗10min后干燥，采用石英砂为喷料进行喷砂处理，流水洗5min后干燥，浸入镀镍液中进行电镀，镍镀层厚度为10μm，镀镍液的组分为：硫酸镍280g／L、氯化镍35g／L、硼酸40g／L、邻苯甲酰磺酰亚胺1g／L、丁炔二醇0．3g／L、十二烷基硫酸钠0．1g／L以及水，镀镍液温度45-48℃，电流密度3.5A/dm2，阴极移动10次/min。
6.根据权利要求5所述的套管前通井震动钻具，其特征在于：转子轴外径d1＝45mm，基体外径d2＝115mm，螺旋叶片为5枚，叶片导程S=108mm×5。
7.根据权利要求1所述的套管前通井震动钻具，其特征在于：转子包括42CrMo材质的基体以及在基体表面形成的耐磨耐蚀层，基体是由一根42CrMo钢轴的外圆柱面上加工出多头螺旋槽而成，对应地，外筒内壁上形成一层具有多头螺旋腔的橡胶套，外筒材质N80钢，
橡胶套的形成方法为：
用甲苯为溶剂采用蒸汽脱脂对外筒内壁进行脱脂，以铜矿砂为喷料对外筒内壁进行喷砂处理，再使用60℃的流水清洗外筒内壁，干燥，外筒内壁上形成粘接剂涂层，干燥，粘接剂涂层干燥后厚度为35μm，将橡胶注射成型模具安装到外筒内，预热外筒和橡胶注射成型模具至125℃，从两端向中间注混炼胶同时对模腔抽真空，然后进行硫化；
混炼胶由以下重量比的组分构成：天然橡胶35％、氯化橡胶38％、二氧化硅2％、磷酸铵4％、轻质氧化镁10％、硬脂酸3％、炭黑3％以及聚氯乙烯5％。
8.根据权利要求7所述的套管前通井震动钻具，其特征在于：粘接剂涂层包括靠近外筒内壁的氰基丙稀酸酯粘接剂层和靠近橡胶套的氯丁酚醛粘接剂层。
9.根据权利要求1所述的套管前通井震动钻具，其特征在于：第一切削工作部为在包镶在叶轮部叶片下端的金刚石，第二切削工作部为在包镶在钻头体表面的金刚石。
10.根据权利要求1所述的套管前通井震动钻具，其特征在于：钻头叶轮部中心形成安装孔，驱动轴的下端装入安装孔中，并通过销钉将驱动轴和钻头固定连接。
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