CN107130931B - 套管前通井旋流可钻钻具 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种套管前通井旋流可钻钻具，包括外筒、接箍以及导引端座，外筒内设置第一导流定子、第二导流定子、第三导流定子、第四导流定子、剪切转子、振动转子、旋流转子、上导流罩壳、下导流罩座以及钻头。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。本发明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；增强固井流体流动性，改变流动方向，提高固井顶替效率，提高固井质量。

Description

套管前通井旋流可钻钻具
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，涉及套管前通井旋流可钻钻具。
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。
固井是向井内下入套管并向井眼和套管之间的环形空间注入水泥的施工作业，是钻完井作业过程中不可缺少的一个重要环节，在钻井作业中一般至少要有两次固井（生产井），多至4-5次固井（深探井）。最上面的固井是表层套管固井，它起的是“泥浆通路，油气门户”的作用。在下一次开钻之前，表层套管上要装防喷器预防井喷。防喷器之上要装泥浆导管，是钻井液返回泥浆池的通路。钻井过程中往往要下技术套管固井，它起的是“巩固后方，安全探路”的作用。和公路的隧道、煤矿中的巷道一样，钻井过程中也会遇到井塌、高压和不稳定的地层，同时也是为了在向前“探路” 中遇险有个退路，起到“救助”的作用。
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，同时，良好的钻井液流动，为下套管的顺利进行和固井作业提供保障。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旋流可钻钻具，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；增强固井流体流动性，改变流动状态，提高固井顶替效率，提高固井质量。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
一种套管前通井旋流可钻钻具，包括外筒、外筒上端连接的接箍以及外筒下端连接的导引端座，外筒内从上到下顺次间隔设置第一导流定子、第二导流定子、第三导流定子以及第四导流定子，剪切转子位于第一导流定子和第二导流定子之间，剪切转子的轴的上下两端分别对应转动支撑于第一导流定子和第二导流定子上，振动转子位于第二导流定子和第三导流定子之间，振动转子的轴的上下两端分别对应转动支撑于第二导流定子和第三导流定子上，旋流转子位于第三导流定子和第四导流定子之间，旋流转子轴的上端转动支撑于第三导流定子上，旋流转子轴向下延伸形成驱动轴，驱动轴穿设第四导流定子并转动支撑在第四导流定子上，位于第四导流定子上方的驱动轴上装设有上导流罩壳与下导流罩座，上导流罩壳与下导流罩座固定连接，防脱环固定于靠近第四导流定子的外筒上，钻头安装在驱动轴的轴端，钻头位于导引端座的中心孔中，驱动轴与下导流罩座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。
上述套管前通井旋流可钻钻具，
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。
上述套管前通井旋流可钻钻具，
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。
上述套管前通井旋流可钻钻具，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。
上述套管前通井旋流可钻钻具，旋流转子包括42CrMo材质的基体以及在基体表面形成的耐磨耐蚀层，基体包括旋流转子轴和螺旋叶片，旋流转子轴外径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。
上述套管前通井旋流可钻钻具，旋流转子轴外径d1＝45mm，基体外径d2＝115mm，旋流转子的螺旋叶片为5枚且叶片导程S=108mm×5。
上述套管前通井旋流可钻钻具，旋流转子对应处的外筒外壁上形成一层具有多头螺旋肋的橡胶套，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外壁进行脱脂，以铜矿砂为喷料对外筒外壁进行喷砂处理，再使用60℃的流水清洗外筒外壁，干燥，外筒外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外壁上，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％。
上述套管前通井旋流可钻钻具，粘接剂涂层包括靠近外筒外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。
上述套管前通井旋流可钻钻具，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。
上述套管前通井旋流可钻钻具，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。
本发明通过接箍与套管连接后，流体从套管向下注入时，依次经由剪切转子、振动转子和旋流转子，使其流动性增强，产生周期性的振动，在井眼底部环空形成螺旋流场，提高固井顶替效率，提高固井质量。钻头上的切削工作部工作，破碎，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为第一导流定子的结构示意图。
图3为第一导流定子导流孔的结构示意图。
图4为旋流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。
图中：1接箍,2外筒,3第三导流定子,4旋流转子,5上导流罩壳,6下导流罩座,7第四导流定子,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旋流转子轴，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,21振动转子，22齿体,23齿套,24圆柱部,25圆心,26第一导流定子,27橡胶套,28第二导流定子，29剪切转子,30密封填料。
具体实施方式
如图1至图7所示，一种套管前通井旋流可钻钻具，包括外筒2、外筒上端连接的接箍1以及外筒下端连接的导引端座8，外筒内从上到下顺次间隔设置第一导流定子26、第二导流定子28、第三导流定子3以及第四导流定子7。剪切转子29位于第一导流定子和第二导流定子之间，剪切转子的轴的上下两端分别对应转动支撑于第一导流定子和第二导流定子上。振动转子21位于第二导流定子和第三导流定子之间，振动转子的轴的上下两端分别对应转动支撑于第二导流定子和第三导流定子上。旋流转子4位于第三导流定子和第四导流定子之间，旋流转子轴15的上端转动支撑于第三导流定子上，旋流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。驱动轴穿设第四导流定子并转动支撑在第四导流定子上。也就是说，旋流转子轴和驱动轴构成的整根轴上转动支撑在第三导流定子上，下转动支撑在第四导流定子上。位于第四导流定子上方的驱动轴上装设有上导流罩壳5与下导流罩座6，上导流罩壳与下导流罩座固定连接。优选地，上导流罩壳与下导流罩座连接后整体呈椭球型，可以起到改变流体方向的作用。第一导流定子26、第二导流定子28、第三导流定子3以及第四导流定子7均与外筒固定连接。防脱环11固定于靠近第四导流定子的外筒上，也就是说，防脱环位于第四导流定子下方切且靠近第四导流定子设置，目的是放置外筒内机构/结构从外筒下端脱出。钻头安装在驱动轴的轴端，钻头位于导引端座的中心孔中，驱动轴与下导流罩座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连接在下导流罩座的上端面上，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。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。第一导流定子26、第二导流定子28、第三导流定子3以及第四导流定子7均设置有上下贯穿相应导流定子的导流孔，例如导流孔13、导流孔16。优选地，流体通过导流孔改变流动方向，垂直打在相应转子的叶上。
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转子固定连接。
剪切转子转动，对流体产生剪切搅拌作用，破坏循环液体的内部结构，使其流动性增强，使水泥颗粒充分均匀地分散到水泥浆液流中，提高水泥浆的流变性。再通过振动转子，带动装有偏心质量块的振动转子径向振动，产生可以传导一定距离的振动波，产生周期性的振动。流入旋流转子，使钻井液在环空中形成旋流场，改变流动状态，冲洗井壁虚泥饼、残留的固相颗粒，提高钻井液的携砂能力，降低岩屑在环空中的堆积程度，从而达到提高井眼清洗度的目的，提高水泥浆封固质量，提高固井顶替效率，提高固井质量。
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Mkg，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Mkg，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，旋流转子包括42CrMo材质的基体以及在基体表面形成的耐磨耐蚀层，基体包括旋流转子轴15和螺旋叶片14，旋流转子轴外径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，旋流转子轴外径d1＝45mm，基体外径d2＝115mm，旋流转子螺旋叶片为5枚，旋流转子叶片导程S=108mm×5。
旋流转子对应处的外筒外壁上形成一层具有多头螺旋肋的橡胶套27，外筒材质N80钢，当然，橡胶套的位置还可以靠下，如图1.
橡胶套的形成方法为：
用甲苯为溶剂采用蒸汽脱脂对外筒外壁进行脱脂，以铜矿砂为喷料对外筒外壁进行喷砂处理，再使用60℃的流水清洗外筒外壁，干燥，外筒外壁形成粘接剂涂层，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外壁上，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，形成结合在外筒上的橡胶套；
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。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。橡胶套内进一步整流流体流向，保证螺旋流场。
粘接剂涂层包括靠近外筒外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 (6)

1.一种套管前通井旋流可钻钻具，其特征在于：包括外筒、外筒上端连接的接箍以及外筒下端连接的导引端座，外筒内从上到下顺次间隔设置第一导流定子、第二导流定子、第三导流定子以及第四导流定子，剪切转子位于第一导流定子和第二导流定子之间，剪切转子的轴的上下两端分别对应转动支撑于第一导流定子和第二导流定子上，振动转子位于第二导流定子和第三导流定子之间，振动转子的轴的上下两端分别对应转动支撑于第二导流定子和第三导流定子上，旋流转子位于第三导流定子和第四导流定子之间，旋流转子轴的上端转动支撑于第三导流定子上，旋流转子轴向下延伸形成驱动轴，驱动轴穿设第四导流定子并转动支撑在第四导流定子上，位于第四导流定子上方的驱动轴上装设有上导流罩壳与下导流罩座，上导流罩壳与下导流罩座固定连接，防脱环固定于靠近第四导流定子的外筒上，钻头安装在驱动轴的轴端，钻头位于导引端座的中心孔中，驱动轴与下导流罩座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；
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。
2.根据权利要求1所述的套管前通井旋流可钻钻具，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。
3.根据权利要求1所述的套管前通井旋流可钻钻具，其特征在于：旋流转子包括42CrMo材质的基体以及在基体表面形成的耐磨耐蚀层，基体包括旋流转子轴和螺旋叶片，旋流转子轴外径d1，基体外径d2，定义参数D＝0.375×（d1＋d2），d1单位mm，d2单位mm，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。
4.根据权利要求3所述的套管前通井旋流可钻钻具，其特征在于：旋流转子轴外径d1＝45mm，基体外径d2＝115mm，旋流转子的螺旋叶片为5枚且叶片导程S=108mm×5。
5.根据权利要求1所述的套管前通井旋流可钻钻具，其特征在于：旋流转子对应处的外筒外壁上形成一层具有多头螺旋肋的橡胶套，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外壁进行脱脂，以铜矿砂为喷料对外筒外壁进行喷砂处理，再使用60℃的流水清洗外筒外壁，干燥，外筒外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外壁上，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％。
6.根据权利要求5所述的套管前通井旋流可钻钻具，其特征在于：粘接剂涂层包括靠近外筒外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。
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Application publication date: 20170905

Assignee: Daqing Howard drilling and mining equipment Co., Ltd.

Assignor: Wang Yupeng

Contract record no.: 2018230000038

Denomination of invention: Drafting cyclone drillable drilling tool at fronts of casings

Granted publication date: 20180410

License type: Common License

Record date: 20180713

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Granted publication date: 20180410

Termination date: 20210713

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