基于螺桿鉆具轉(zhuǎn)子鍍鉻工藝的研究與應用

王芳層

(山東華宇工學院 機械工程學院，山東 德州 253034)

螺桿鉆具是一種以鉆井液為動力、把液體壓力能轉(zhuǎn)為機械能的容積式井下動力鉆具。當泥漿泵泵出的泥漿流經(jīng)旁通閥進入馬達，在馬達的進出口形成一定的壓力差，推動轉(zhuǎn)子繞定子的軸線旋轉(zhuǎn)，并將轉(zhuǎn)速和扭矩通過萬向軸和傳動軸傳遞給鉆頭，從而實現(xiàn)鉆井作業(yè)。一般螺桿鉆具使用時間是400 h，轉(zhuǎn)子作為螺桿鉆具的核心零部件，也需要能夠使用400 h，如果轉(zhuǎn)子達不到400 h的使用時間，就需要中途更換轉(zhuǎn)子，造成鉆井時間延誤，鉆井成本增加。轉(zhuǎn)子在工作過程中，由于直接與泥漿接觸，且與定子形成嚙合轉(zhuǎn)動，極易產(chǎn)生腐蝕磨損，因此轉(zhuǎn)子的表面一般需要進行鍍鉻，通過鍍鉻提高轉(zhuǎn)子的使用壽命，延長螺桿鉆具的使用壽命。

目前常用的鉆井液有油基泥漿、水基泥漿和鹽水泥漿。針對油基泥漿和水基泥漿，轉(zhuǎn)子表面需要鍍鉻處理；針對鹽水泥漿，轉(zhuǎn)子表面需要噴涂處理。國內(nèi)鉆井大部分使用的是油基泥漿和水基泥漿，故轉(zhuǎn)子鍍鉻應用更多。

1 背景描述

1.1 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特點

轉(zhuǎn)子作為螺桿鉆具的核心部件，其加工的好壞往往直接影響螺桿鉆具的使用效果。由于轉(zhuǎn)子是一種螺旋結(jié)構(gòu)，大徑處和小徑處鍍鉻厚度不一樣，且整個表面是復雜曲面結(jié)構(gòu)，長度介于1.5～7 m，直徑小的長度稍短，直徑大的長度長。其一般用高端數(shù)控機床加工，轉(zhuǎn)子的螺旋線性可得到保證。容易出現(xiàn)加工問題的是鍍鉻階段，如拋光后粗糙度不達標，鍍鉻后的厚度不合格，鍍鉻后出現(xiàn)針孔、電擊傷、脫皮等，因為鍍鉻一根轉(zhuǎn)子需要較長時間，鍍鉻后的修復則需要更多的時間[1]。

圖1 轉(zhuǎn)子Fig.1 Rotor

1.2 鍍鉻層性能

鉻層具有極高的耐磨性能和防腐性能，但是鍍鉻后的表面如果出現(xiàn)針眼、起皮、電擊傷，這些缺陷會嚴重影響鍍層的性能，所以電鍍工藝的好壞尤為重要[2]。

2 工藝策劃

2.1 工藝方案策劃

制定工藝流程如表1所示[3]。

表1 工藝流程Tab.1 Technological process

2.2 工裝設(shè)計

轉(zhuǎn)子由于其復雜的曲面結(jié)構(gòu)，最大外徑處和最小外徑處鉻層的厚度在實際電鍍過程中會有差別，原因是轉(zhuǎn)子放在井式鍍槽中時最大外徑處更容易電鍍到，最小外徑處(凹處)電流難以達到，所以，如果不屏蔽(絕緣)最大外徑處，轉(zhuǎn)子最小外徑處基本上鍍不上鉻，故需要制作轉(zhuǎn)子最大外徑處的屏蔽工裝。一般是制作直徑和轉(zhuǎn)子大徑差不多的長直管狀塑料圓柱管，把圓柱管套在轉(zhuǎn)子上，割去整個轉(zhuǎn)子小徑處的塑料，這樣正常電鍍分為兩次電鍍。第一次電鍍時，套上屏蔽工裝，鍍小徑處的鍍層，大徑由于套有塑料管，起到了屏蔽作用，所以第一次電鍍過程大徑不參與。第二次電鍍過程，不用套屏蔽工裝，由于大徑距離鍍槽中陽極近，更容易電鍍到，小徑處不用處理，也基本上不參與電鍍，通過兩次電鍍過程來滿足鍍層的要求[4]。

夾持轉(zhuǎn)子入井式電鍍槽中，工裝與轉(zhuǎn)子用螺紋進行連接，如圖2。螺紋一般用轉(zhuǎn)子圖紙上的螺紋，此處需要注意在鍍鉻過程中保護螺紋處不進入鍍液。轉(zhuǎn)子的另外一端需要用堵頭堵塞，防止鍍液進入到轉(zhuǎn)子中孔[5]。

圖2 轉(zhuǎn)子工裝Fig.2 Rotor frock

3 轉(zhuǎn)子電鍍后的檢驗

3.1 常規(guī)檢查

外觀檢測：目測鍍層表面無任何缺陷，手感平滑，顏色一致。厚度檢測：按圖紙要求對齒頂、齒底鍍層厚度和表面粗糙度進行檢測，應滿足要求。

3.2 涂層顯微硬度

涂層顯微硬度、涂層黏附力、浸泡實驗這3個實驗都需要準備轉(zhuǎn)子試樣。轉(zhuǎn)子試樣是從轉(zhuǎn)子上截取的一小段轉(zhuǎn)子，和轉(zhuǎn)子用相同的鍍鉻工藝進行電鍍。實驗之前，確保轉(zhuǎn)子試樣鍍鉻表面光潔，無腐蝕。實驗工具為顯微硬度計。實驗條件和硬度顯示如表2、表3：

表2 顯微硬度實驗條件Tab.2 Microhardness test conditions

表3 顯微硬度實驗結(jié)果(HV)Tab.3 Microhardnes test results(HV)

3.3 涂層黏附力

進行實驗之前，確保轉(zhuǎn)子試樣鍍鉻表面光潔，無腐蝕。固定好試樣，準備好銼刀，沿基體金屬到鍍層方向，與鍍層表面呈約45°的夾角進行反復銼削，觀察鍍層是否出現(xiàn)裂紋或脫落，無鍍層從基體上脫落為合格，有鍍層從基體上脫落為不合格。

3.4 浸泡實驗

將樣品浸泡在3.5% NaCl溶液中，在溶液中持續(xù)輸入壓縮空氣，溫度為室溫，實驗周期是168 h，結(jié)果無腐蝕為合格，有腐蝕為不合格。

圖3 轉(zhuǎn)子試樣Fig.3 Rotor sample

4 應用效果

轉(zhuǎn)子經(jīng)過上述鍍鉻工藝，鍍鉻效果已經(jīng)體現(xiàn)在了螺桿鉆具的使用效果上。如在塔河油田8區(qū)，使用井段1 450～5 004 m，進尺3 554 m，一次下井純鉆269 h，大大提高了鉆進效率，縮短了鉆井時間，節(jié)省了鉆井成本。

5 總結(jié)與展望

螺桿鉆具的原理結(jié)構(gòu)已比較成熟，但國內(nèi)螺桿鉆具相較國外螺桿鉆具在使用效果上還有一定的差距。原因是多方面的，如材料性能、制造精度等，但轉(zhuǎn)子鍍鉻工藝是一個重要的影響因素。提出了一套完整的鍍鉻工藝流程，為轉(zhuǎn)子鍍鉻技術(shù)改進提供了一種思路。