CN110005336A - 一种煤层气专用耐磨高效螺杆钻具及加工工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种煤层气专用耐磨高效螺杆钻具及加工工艺，主要包括：旁通阀总成、液压马达总成、万向轴总成和传动轴总成，所述传动轴总成包括：传动轴外壳和设置在传动轴外壳内的传动轴，在所述传动轴外壳和传动轴之间从前之后依次设置有前径向轴承、串轴承和后径向轴承，所述液压马达总成采用双马达设计包括上马达总成和下马达总成，所述上马达总成和下马达总成之间通过螺纹结构连接成一体，所述旁通阀总成的下端与上马达总成相连接，所述下马达总成的下端与万向轴总成相连接，所述万向轴总成的下端与传动轴总成相连接。

Description

一种煤层气专用耐磨高效螺杆钻具及加工工艺
技术领域
本发明涉及到一种煤层气专用耐磨高效螺杆钻具及加工工艺。
背景技术
煤层气是储存在煤层中以甲烷为主要成分，以吸附在煤基表面为主，部分游离于煤空隙中或溶解于煤层水中的烃类气体，我国煤层气资源十分丰富，居世界第三，全国大于5000亿m³的含煤层气盆地共14个，可采资源总量约10万亿m³，由于我国天然气缺口长期存在，天然气是补充这个缺口的重要非常规能源，是一种高效洁净的能源，也是能源行业中发展空间较大的新兴产业之一。我国的煤层次开发利用刚刚起步，煤层气与一般油气层相比，孔隙度低，易坍塌，易污染，易井漏、气侵，为减少钻井安全事故，需要高效钻进，一次完成作业，避免钻具效率低下，发生故障而中途起钻。另外煤层的性质决定了煤层气井在排水采气过程会产生较多的煤粉，大量的地层煤粉顺着压裂缝排流到煤层气井筒，加上压裂时残留的压裂砂砾，也会由驱动钻具的循环井液进入钻具内腔，对钻具特别是对常规钻具马达橡胶内衬造成过度磨砺，使橡胶发生较大磨损，从而降低马达效率，甚至发生故障。加上常规钻具另一个薄弱环节：径向和推力轴承耐磨性能欠佳，使用寿命短，使用时间＜150h，很难满足煤层气高效一次性钻进要求。研制了一种耐磨砺长寿命高效率煤层气专用螺杆钻具满足煤层气钻修井市场非常重要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种煤层气专用耐磨高效螺杆钻具及加工工艺。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种煤层气专用耐磨高效螺杆钻具，主要包括：旁通阀总成、液压马达总成、万向轴总成和传动轴总成，所述传动轴总成包括：传动轴外壳和设置在传动轴外壳内的传动轴，在所述传动轴外壳和传动轴之间从前之后依次设置有前径向轴承、串轴承和后径向轴承，所述液压马达总成采用双马达设计包括上马达总成和下马达总成，所述上马达总成和下马达总成之间通过螺纹结构连接成一体，所述旁通阀总成的下端与上马达总成相连接，所述下马达总成的下端与万向轴总成相连接，所述万向轴总成的下端与传动轴总成相连接；所述上马达总成包括：上马达定子、上马达转子和设置在上马达定子与上马达转子之间的上马达定子橡胶衬套；所述下马达总成包括：下马达定子、下马达转子和设置在下马达定子与下马达转子之间的下马达定子橡胶衬套；所述上马达转子中间设置有空心孔，所述下马达转子采用实心结构，井液从旁通阀总成先进入上马达总成，一部分流入上马达转子与上马达定子之间的上密封空腔，推动上马达转子在上马达定子中旋转，一部分从上马达转子中间的空心孔通过，从上马达转子下端的出水孔流出，进入下马达转子与下马达定子之间的下密封空腔，同时从上密封空腔过来的井液也合并进入下密封空腔，共同推动下马达转子在下马达定子中旋转将转矩传递给传动轴，带动传动轴轴向旋转。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：所述上马达转子的转子头数为五头，所述下马达转子的转子头数为九头。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种煤层气专用耐磨高效螺杆钻具的加工工艺，包括如下工艺步骤：
（1）、制作上下马达定子橡胶衬套：
按照质量百分百比将20-30%的羟基丁腈橡胶XNBR，15-18%的聚氨酯Pu，10-35%的聚氯乙烯，4-6%橡胶隔离剂，混合加热至85℃，加入1-3%三嗪类粘合剂，使胶乳凝聚2h后，离心、洗涤、脱水、过滤，加入9-11%的增韧聚酰胺PA66，添加2-3%的超耐磨纳米碳黑N110补强，3-4%氧化镁活化剂，3-4%的氧化镁硫化剂，2-3%的马来酸酐接枝增韧剂，2-3%的邻苯二甲酸软化剂，2%的酮胺防老剂，2-3%的橡胶促进剂PX进行混炼制成上下马达定子橡胶衬套；
（2）、制作上下马达定子和转子，与步骤（1）制成的上下马达定子橡胶衬套组装得到上下马达总成；
（3）、对传动轴总成的前后径向轴承和串轴承进行处理：
在径向轴承接触面进行聚晶金刚石烧结钎焊工艺及表面修光工艺，在7600MPa、1650℃及液态金属催化剂作用下进行聚晶金刚石烧结，使前后径向轴承获得更高温度更高耐磨性；在串轴承端面使用碳化钨粉末进行等离子高温高速热熔喷雾，使耐磨合金颗粒雾化在串轴承表面，厚度0.3-0.5mm，雾化气流速度720m/s，粒子速度490m/s，雾化沉积后修光处理。
（4）制作传动轴外壳和传动轴，与步骤（3）制成的前后径向轴承和串轴承组装得到传动轴总成；
（5）、制作旁通阀总成和万向轴总成，对旁通阀总成、万向轴总成、上马达总成、下马达总成和传动轴总成进行组装，得到煤层气专用耐磨高效螺杆钻具。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：所述橡胶隔离剂按照质量百分百比包括如下组分：30-40%机羟酸盐、30-35%氯化钙、25-40%助悬剂。
本发明的优点是：本发明一种煤层气专用耐磨高效螺杆钻具，大大增加了钻具效率，采用上下双马达驱动，使钻具的功率大幅增加，效率可达到常规单马达钻具的两倍以上，同时又可避免单马达过长引起的滞胀，从而提高钻具的磨铣效率。其及加工工艺，由于采用羟基丁腈制作上下马达定子橡胶衬套，引入的羟基提高了胶体的分子极性，与聚氨酯Pu、聚氯乙烯、增韧聚酰胺（PA66）更易相溶和热塑合，羟基基因之间发生反应，羟基与氨基反应形成耐磨的共聚物，使得混胶胶体比普通丁腈性能大大提高，高温165℃拉伸强度可达43.5-4935MPa，撕裂强度59.5-69.3KN/m，扯断伸长率达450-482%，粘着性能提高90%，耐磨性能提高160%，超耐磨N110纳米碳黑增加了耐磨性和拉伸强度、定伸应力。经试验使用该工艺制作的上下马达总成可在高固相井液中安全使用350-400h，弹性变形＜2.6%，过盈测试无渗漏，耐磨性能优越。同时对传动轴总成的上下径向轴承和串轴承进行处理，使径向轴承获得更高温度更高耐磨性。硬度比一般径向轴承提高32%，耐磨性能提高2-3倍，经试验上下径向轴承和串轴承使用时间可达350h，使用寿命丝毫不逊进口产品，从而保证钻具可在煤层气井高效连续作业，一次性完成作业任务。
附图说明
图1为本发明一种煤层气专用耐磨高效螺杆钻具的上半段结构示意图。
图2为本发明一种煤层气专用耐磨高效螺杆钻具的下半段结构示意图。
图中：1、旁通阀总成，2、万向轴总成，3、传动轴总成，31、传动轴外壳，32、传动轴，33、前径向轴承，34、串轴承，35、后径向轴承，4、上马达总成，5、下马达总成，41、上马达定子，42、上马达转子，421、空心孔，422、出水孔，43、上马达定子橡胶衬套，44、上密封空腔，51、下马达定子，52、下马达转子，53、下马达定子橡胶衬套，54、下密封空腔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例描述一下本发明的具体内容。
如图1、图2所示，一种煤层气专用耐磨高效螺杆钻具，主要包括：旁通阀总成1、液压马达总成、万向轴总成2和传动轴总成3，所述传动轴总成3包括：传动轴外壳31和设置在传动轴外壳31内的传动轴32，在所述传动轴外壳31和传动轴32之间从前之后依次设置有前径向轴承33、串轴承34和后径向轴承35，所述液压马达总成采用双马达设计包括上马达总成4和下马达总成5，所述上马达总成4和下马达总成5之间通过螺纹结构连接成一体，所述旁通阀总成1的下端与上马达总成4相连接，所述下马达总成5的下端与万向轴总成2相连接，所述万向轴总成2的下端与传动轴总成3相连接；所述上马达总成4包括：上马达定子41、上马达转子42和设置在上马达定子41与上马达转子42之间的上马达定子橡胶衬套43；所述下马达总成5包括：下马达定子51、下马达转子52和设置在下马达定子51与下马达转子52之间的下马达定子橡胶衬套53；所述上马达转子42中间设置有空心孔421，所述下马达转子52采用实心结构，井液从旁通阀总成1先进入上马达总成4，一部分流入上马达转子42与上马达定子41之间的上密封空腔44，推动上马达转子42在上马达定子41中旋转，一部分从上马达转子42中间的空心孔421通过，从上马达转子42下端的出水孔422流出，进入下马达转子52与下马达定子51之间的下密封空腔54，同时从上密封空腔44过来的井液也合并进入下密封空腔54，共同推动下马达转子52在下马达定子51中旋转将转矩传递给传动轴（32），带动传动轴（32）轴向旋转。
在本实施例中，所述上马达转子42的转子头数为五头，所述下马达转子52的转子头数为九头。
一种煤层气专用耐磨高效螺杆钻具的加工工艺，包括如下工艺步骤：
（1）、制作上下马达定子橡胶衬套：
按照质量百分百比将20-30%的羟基丁腈橡胶XNBR，15-18%的聚氨酯Pu，10-35%的聚氯乙烯，4-6%橡胶隔离剂，混合加热至85℃，加入1-3%三嗪类粘合剂，使胶乳凝聚2h后，离心、洗涤、脱水、过滤，加入9-11%的增韧聚酰胺PA66，添加2-3%的超耐磨纳米碳黑N110补强，3-4%氧化镁活化剂，3-4%的氧化镁硫化剂，2-3%的马来酸酐接枝增韧剂，2-3%的邻苯二甲酸软化剂，2%的酮胺防老剂，2-3%的橡胶促进剂PX进行混炼制成上下马达定子橡胶衬套；
（2）、制作上下马达定子和转子，与步骤（1）制成的上下马达定子橡胶衬套组装得到上下马达总成；
（3）、对传动轴总成的前后径向轴承和串轴承进行处理：
在径向轴承接触面进行聚晶金刚石烧结钎焊工艺及表面修光工艺，在7600MPa、1650℃及液态金属催化剂作用下进行聚晶金刚石烧结，使前后径向轴承获得更高温度更高耐磨性；在串轴承端面使用碳化钨粉末进行等离子高温高速热熔喷雾，使耐磨合金颗粒雾化在串轴承表面，厚度0.3-0.5mm，雾化气流速度720m/s，粒子速度490m/s，雾化沉积后修光处理。
（4）制作传动轴外壳和传动轴，与步骤（3）制成的前后径向轴承和串轴承组装得到传动轴总成；
（5）、制作旁通阀总成和万向轴总成，对旁通阀总成、万向轴总成、上马达总成、下马达总成和传动轴总成进行组装，得到煤层气专用耐磨高效螺杆钻具。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：所述橡胶隔离剂按照质量百分百比包括如下组分：30-40%机羟酸盐、30-35%氯化钙、25-40%助悬剂。
实施例1:
一种煤层气专用耐磨高效螺杆钻具的加工工艺，包括如下工艺步骤：
（1）、制作上下马达定子橡胶衬套：
按照质量百分百比将20%的羟基丁腈橡胶XNBR，15%的聚氨酯Pu，35%的聚氯乙烯，4%橡胶隔离剂，所述橡胶隔离剂按照质量百分百比包括如下组分：30%机羟酸盐、30%氯化钙、40%助悬剂，混合加热至85℃，加入1%三嗪类粘合剂，使胶乳凝聚2h后，离心、洗涤、脱水、过滤，加入9%的增韧聚酰胺PA66，添加2%的超耐磨纳米碳黑N110补强，3%氧化镁活化剂，3%的氧化镁硫化剂，2%的马来酸酐接枝增韧剂，2%的邻苯二甲酸软化剂，2%的酮胺防老剂，2%的橡胶促进剂PX进行混炼制成上下马达定子橡胶衬套；
（2）、制作上下马达定子和转子，与步骤（1）制成的上下马达定子橡胶衬套组装得到上下马达总成；
（3）、对传动轴总成的前后径向轴承和串轴承进行处理：
在径向轴承接触面进行聚晶金刚石烧结钎焊工艺及表面修光工艺，在7600MPa、1650℃及液态金属催化剂作用下进行聚晶金刚石烧结，使前后径向轴承获得更高温度更高耐磨性；在串轴承端面使用碳化钨粉末进行等离子高温高速热熔喷雾，使耐磨合金颗粒雾化在串轴承表面，厚度0.3mm，雾化气流速度720m/s，粒子速度490m/s，雾化沉积后修光处理。
（4）制作传动轴外壳和传动轴，与步骤（3）制成的前后径向轴承和串轴承组装得到传动轴总成；
（5）、制作旁通阀总成和万向轴总成，对旁通阀总成、万向轴总成、上马达总成、下马达总成和传动轴总成进行组装，得到煤层气专用耐磨高效螺杆钻具。
实施例2:
一种煤层气专用耐磨高效螺杆钻具的加工工艺，包括如下工艺步骤：
（1）、制作上下马达定子橡胶衬套：
按照质量百分百比将30%的羟基丁腈橡胶XNBR，18%的聚氨酯Pu，10%的聚氯乙烯，6%橡胶隔离剂，所述橡胶隔离剂按照质量百分百比包括如下组分：40%机羟酸盐、35%氯化钙、25%助悬剂，混合加热至85℃，加入3%三嗪类粘合剂，使胶乳凝聚2h后，离心、洗涤、脱水、过滤，加入11%的增韧聚酰胺PA66，添加3%的超耐磨纳米碳黑N110补强，4%氧化镁活化剂，4%的氧化镁硫化剂，3%的马来酸酐接枝增韧剂，3%的邻苯二甲酸软化剂，2%的酮胺防老剂，3%的橡胶促进剂PX进行混炼制成上下马达定子橡胶衬套；
（2）、制作上下马达定子和转子，与步骤（1）制成的上下马达定子橡胶衬套组装得到上下马达总成；
（3）、对传动轴总成的前后径向轴承和串轴承进行处理：
在径向轴承接触面进行聚晶金刚石烧结钎焊工艺及表面修光工艺，在7600MPa、1650℃及液态金属催化剂作用下进行聚晶金刚石烧结，使前后径向轴承获得更高温度更高耐磨性；在串轴承端面使用碳化钨粉末进行等离子高温高速热熔喷雾，使耐磨合金颗粒雾化在串轴承表面，厚度0.4mm，雾化气流速度720m/s，粒子速度490m/s，雾化沉积后修光处理。
（4）制作传动轴外壳和传动轴，与步骤（3）制成的前后径向轴承和串轴承组装得到传动轴总成；
（5）、制作旁通阀总成和万向轴总成，对旁通阀总成、万向轴总成、上马达总成、下马达总成和传动轴总成进行组装，得到煤层气专用耐磨高效螺杆钻具。
实施例3：
一种煤层气专用耐磨高效螺杆钻具的加工工艺，包括如下工艺步骤：
（1）、制作上下马达定子橡胶衬套：
按照质量百分百比将25%的羟基丁腈橡胶XNBR，16%的聚氨酯Pu，26%的聚氯乙烯，5%橡胶隔离剂，所述橡胶隔离剂按照质量百分百比包括如下组分：35%机羟酸盐、33%氯化钙、32%助悬剂，混合加热至85℃，加入2%三嗪类粘合剂，使胶乳凝聚2h后，离心、洗涤、脱水、过滤，加入10%的增韧聚酰胺PA66，添加2%的超耐磨纳米碳黑N110补强，3%氧化镁活化剂，3%的氧化镁硫化剂，2%的马来酸酐接枝增韧剂，2%的邻苯二甲酸软化剂，2%的酮胺防老剂，2%的橡胶促进剂PX进行混炼制成上下马达定子橡胶衬套；
（2）、制作上下马达定子和转子，与步骤（1）制成的上下马达定子橡胶衬套组装得到上下马达总成；
（3）、对传动轴总成的前后径向轴承和串轴承进行处理：
在径向轴承接触面进行聚晶金刚石烧结钎焊工艺及表面修光工艺，在7600MPa、1650℃及液态金属催化剂作用下进行聚晶金刚石烧结，使前后径向轴承获得更高温度更高耐磨性；在串轴承端面使用碳化钨粉末进行等离子高温高速热熔喷雾，使耐磨合金颗粒雾化在串轴承表面，厚度0.5mm，雾化气流速度720m/s，粒子速度490m/s，雾化沉积后修光处理。
（4）制作传动轴外壳和传动轴，与步骤（3）制成的前后径向轴承和串轴承组装得到传动轴总成；
（5）、制作旁通阀总成和万向轴总成，对旁通阀总成、万向轴总成、上马达总成、下马达总成和传动轴总成进行组装，得到煤层气专用耐磨高效螺杆钻具。

Claims (4)

1.一种煤层气专用耐磨高效螺杆钻具，主要包括：旁通阀总成（1）、液压马达总成、万向轴总成（2）和传动轴总成（3），所述传动轴总成（3）包括：传动轴外壳（31）和设置在传动轴外壳（31）内的传动轴（32），在所述传动轴外壳（31）和传动轴（32）之间从前之后依次设置有前径向轴承（33）、串轴承（34）和后径向轴承（35），其特征在于：所述液压马达总成采用双马达设计包括上马达总成（4）和下马达总成（5），所述上马达总成（4）和下马达总成（5）之间通过螺纹结构连接成一体，所述旁通阀总成（1）的下端与上马达总成（4）相连接，所述下马达总成（5）的下端与万向轴总成（2）相连接，所述万向轴总成（2）的下端与传动轴总成（3）相连接；所述上马达总成（4）包括：上马达定子（41）、上马达转子（42）和设置在上马达定子（41）与上马达转子（42）之间的上马达定子橡胶衬套（43）；所述下马达总成（5）包括：下马达定子（51）、下马达转子（52）和设置在下马达定子（51）与下马达转子（52）之间的下马达定子橡胶衬套（53）；所述上马达转子（42）中间设置有空心孔（421），所述下马达转子（52）采用实心结构，井液从旁通阀总成（1）先进入上马达总成（4），一部分流入上马达转子（42）与上马达定子（41）之间的上密封空腔（44），推动上马达转子（42）在上马达定子（41）中旋转，一部分从上马达转子（42）中间的空心孔（421）通过，从上马达转子（42）下端的出水孔（422）流出，进入下马达转子（52）与下马达定子（51）之间的下密封空腔（54），同时从上密封空腔（44）过来的井液也合并进入下密封空腔（54），共同推动下马达转子（52）在下马达定子（51）中旋转将转矩传递给传动轴（32），带动传动轴（32）轴向旋转。
2.按照权利要求1所述的一种煤层气专用耐磨高效螺杆钻具，其特征在于：所述上马达转子（42）的转子头数为五头，所述下马达转子（52）的转子头数为九头。
3.按照权利要求2所述的一种煤层气专用耐磨高效螺杆钻具的加工工艺，其特征在于：包括如下工艺步骤：
（1）、制作上下马达定子橡胶衬套：
按照质量百分百比将20-30%的羟基丁腈橡胶XNBR，15-18%的聚氨酯Pu，10-35%的聚氯乙烯，4-6%橡胶隔离剂，混合加热至85℃，加入1-3%三嗪类粘合剂，使胶乳凝聚2h后，离心、洗涤、脱水、过滤，加入9-11%的增韧聚酰胺PA66，添加2-3%的超耐磨纳米碳黑N110补强，3-4%氧化镁活化剂，3-4%的氧化镁硫化剂，2-3%的马来酸酐接枝增韧剂，2-3%的邻苯二甲酸软化剂，2%的酮胺防老剂，2-3%的橡胶促进剂PX进行混炼制成上下马达定子橡胶衬套；
（2）、制作上下马达定子和转子，与步骤（1）制成的上下马达定子橡胶衬套组装得到上下马达总成；
（3）、对传动轴总成的前后径向轴承和串轴承进行处理：
在径向轴承接触面进行聚晶金刚石烧结钎焊工艺及表面修光工艺，在7600MPa、1650℃及液态金属催化剂作用下进行聚晶金刚石烧结，使前后径向轴承获得更高温度更高耐磨性；在串轴承端面使用碳化钨粉末进行等离子高温高速热熔喷雾，使耐磨合金颗粒雾化在串轴承表面，厚度0.3-0.5mm，雾化气流速度720m/s，粒子速度490m/s，雾化沉积后修光处理；
（4）制作传动轴外壳和传动轴，与步骤（3）制成的前后径向轴承和串轴承组装得到传动轴总成；
（5）、制作旁通阀总成和万向轴总成，对旁通阀总成、万向轴总成、上马达总成、下马达总成和传动轴总成进行组装，得到煤层气专用耐磨高效螺杆钻具。
4.按照权利要求3所述的一种煤层气专用耐磨高效螺杆钻具的加工工艺，其特征在于：所述橡胶隔离剂按照质量百分百比包括如下组分：30-40%机羟酸盐、30-35%氯化钙、25-40%助悬剂。
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