专利名称：采用搅拌摩擦焊对管道的接头执行环形加硬的方法
技术领域：
在此公开的各实施方式主要涉及用在钻井操作中的改进的工具接头或其它磨损面。特别地，在此公开的各实施方式主要涉及向工具接头或其它磨损面涂覆耐磨材料或改进工具接头或其它磨损面的性能的方面。
背景技术：
钻探用于碳氢化合物开采的井眼涉及钻杆的使用，钻头连接到钻杆的一端，用于钻穿地层。钻杆的旋转运动确保钻探的推进。典型的钻杆可以达到长度约30英尺的分段， 且因此，这些分段由工具接头彼此连接。工具接头为钻杆的各分段之间的连接构件一一个构件(外壳)具有内螺纹，配合构件(销)具有外螺纹，该一个构件和该配合构件通过内螺纹和外螺纹装配成连续单元，钻杆形成钻杆柱。通常，这些工具接头具有明显大于钻杆本体的直径，因此要求磨损防护，特别是在钻穿高磨蚀、高硅质土层时。特别地，随着钻探的执行，工具接头摩擦钻成的孔和/或钻成的孔衬里(即，套管)。连接的强度的设计围绕在螺纹之上的壁厚和外壳的热处理性能。在钻探期间，螺纹之上的壁厚随着它摩擦壁或套管而变薄。因此，根据工具接头的剩余强度预测钻杆的寿命。由于希望增加工具接头的寿命，已经执行了大量的尝试，以向工具接头(或其它易磨损面，如稳定器或钻铤)提供焊接保护性硬化面合金或覆层，以形成环形加硬层。已经采用多种方法来向接头涂覆这种磨损降低材料，包括GMAW(气体保护金属极电弧焊)、 GTAW (钨电极惰性气体保护焊)、PTA (等离子体转移弧)和FCAW (熔剂芯焊丝电弧焊)。这些焊接工艺特征在于，在电焊条(可消耗的或者不可消耗的)和工具接头基材之间建立电弧。一旦建立这种电弧，强热形成等离子体。形成等离子体的气体经由来自管状线的外部气体或成分提供。等离子体的温度超过10000度的绝对温度，且在焊缝的中心最高，且沿着焊缝的宽度降低。在历史上，且在实际中，工具接头已经涂有碳化钨，以抵抗钻孔中的岩层对工具接头的磨损。然而，碳化钨贵，它可以用作切割工具，以切割工具在其中行进的套管，基质为软钢，其容易侵蚀掉，以允许碳粒子脱落。其它现有技术使用的比硅质土材料硬的表面硬化材料在凝固之后且一旦冷却就以碎裂的方式碎裂和破裂，这是因为其结构的易碎属性和该结构不能承受凝固收缩应力， 且通常在破裂时发射声能，以及如之前所述的那样，引起相当大的套管磨损。这些表面硬化材料为属于公知的“高铬-铁”组的合金，它们的高耐磨性源于存在共晶和/或过共晶型铬-碳微结构。硅质土颗粒具有约800布氏硬度值(BHN)的硬度。在U. S.专利No. 5，244, 559中，所使用的表面硬化材料属于包含初生碳化钨的高铬-铁组，在硬度至少为300BHN至600Hv 的基质中，初生碳化钨具有约1700HV的硬度。处于这么高硬度的这些初生碳化钨是易碎的，几乎不具有抗张强度，因此在冷却时以取决于金属和碳化钨的混合物中的初生碳化钨的相对数量的频率从熔融状态撕开。因此，当通过焊接或采用大块焊接执行涂覆时，这种在比硅质土材料硬的表面硬化材料在焊缝范围内形成收缩裂缝。已经在多年时间内广泛且成功地涂覆这种材料，用于工具接头的环形加硬层和其它工业产品的表面硬化。虽然这些材料已经变得且仍被业内人员广泛接受，但用户表示期望一种环形硬化层工具接头合金，其将外壳友好性与没有脆性裂纹地焊接相结合，以最小化任何机械故障风险问题。实际上，在大多数工业(包括石油和天然气工业中井下钻探设备的使用)中，构成给定工厂的结构和设备的金属成分必须具有完整性，这意味着没有任何种类的裂缝，因为这种裂缝可能会穿过块体发展并损坏部件。U.S.专利No. 6，375，865描述了一种具有马氏体-奥氏体微观结构的合金，其在焊接至工业产品之前预加热并在焊接后变凉。这种结构类型的合金可以无裂缝地沉积(由预处理和后处理进一步辅助)，且以出色的金属至金属磨损性能和低脆性为特征。由磨损机制产生的磨损在包括钻探工业的多部分工业中总是存在且仍保持主要关注。然而，由于可以使用的材料与GMAW、GTAff, PTA和FCAW —起使用的限制，以及对不伤害外壳的材料的类型限制，对可以使用的材料的类型存在一些限制。因此，对发展通过采用处理技术和/或涂覆材料以增加组件的使用寿命来改进工具接头或其它磨损面的性能的方法存在持续的需求。
发明内容
在一个方面中，在此公开的实施方式涉及一种向用在井眼操作中的工具涂覆磨损降低材料的方法，包括将硬化面合金焊接到工具的表面，其中所述焊接包括将合金摩擦搅拌到工具的表面中。在另一个方面中，在此公开的实施方式涉及一种将磨损降低材料涂覆至用在井眼操作中的管状构件的方法，包括下述步骤将高熔化温度硬化面合金的预成型套管在目标位置处定位为与管状构件的外表面同心；以及将预成型套管焊接至管状构件的外表面，其中所述焊接包括将合金摩擦搅拌到工具的外表面中。在又一个方面中，在此公开的实施方式涉及一种用于将磨损降低材料涂覆至用在井眼操作中的工具的方法，包括下述步骤将预成型的、可锻宽度的具有高熔化温度的硬化面合金定位在工具的外表面上；以及将所述预成型宽度焊接至工具的外表面，其中所述焊接包括将合金摩擦搅拌到工具的外表面中。根据接下来的描述和随附的权利要求，本发明的其它方面和优点将是明显的。
图1为根据一种实施方式的具有凸起的环形加硬层的工具接头的壳体的部分纵向截面图。图2为类似于图1的图示根据一种实施方式的具有凸起的环形加硬层的工具接头的销的视图。
图3为类似于图1的图示根据另一种实施方式的工具接头的壳体的平接式环形加硬层的视图。图4为类似于图1的图示根据另一种实施方式的工具接头的销的平接式环形加硬层的视图。图5为根据一种实施方式的环形加硬的稳定器的纵向视图。图6A至6D图示了根据一种实施方式的搅拌摩擦焊工具的使用。图7A至7D图示了根据一种实施方式的焊缝的形成。图8为环形加硬层焊缝的一种实施方式的示意图。
具体实施例方式在一个方面中，在此公开的各实施方式涉及环形加硬层在用在井眼操作中的工具的表面上的形成。特别地，在此公开的各实施方式涉及采用搅拌摩擦焊接形成环形加硬层焊缝。本发明的方法可以用来在用在井眼操作中的任何类型的工具上形成环形加硬层或磨损降低材料层。然而，特定的实施方式可以涉及使用摩擦搅拌焊接以将环形加硬层应用到井下工具或元件的具有比其它相邻元件大的OD的区域，因此防止元件磨损成为必要。 例如，具有比其它相邻井下元件大的OD的元件可以包括工具接头、钻铤、稳定器等。然而， 本领域技术人员将会认识到，本发明的方法不受此限制，且代替的是，摩擦搅拌焊接可以用来向任何井下元件涂覆磨损降低材料。摩擦搅拌焊接采用施加至两个物体之间的界面的旋转和轨道运动的组合来将两件焊接在一起。旋转构件通常应用于界面(接头)，并以轨道方式运动，直到达到所述材料的塑化状态。旋转构件沿着界面移动，以在两个物体之间形成接缝。因此，摩擦搅拌焊接工艺通常涉及通过使搅拌销或心轴旋转而在接头的两侧接合两个相邻工件的材料。施加力，以一起推动心轴和工件，由心轴和工件之间的相互作用引起的摩擦加热导致接头两侧的材料塑化。心轴沿着接头经过，在其前进时使接头处的材料塑化，尾随前进的心轴留下的塑化材料冷却并固化以形成焊缝。摩擦搅拌焊接工具的一种示例性操作在图6A至6D中示出。如图6A至6D所示， 两个工件(即，工件60a和60b)对准，使得工件60a和60b的将被焊接在一起的边缘沿着界面62保持直接接触。摩擦搅拌焊接工具65具有位于其远端的台肩64和从台肩64中心向下延伸的焊接销66。当旋转工具65与工件60a和60b之间的界面62接触时，销66被推动与两个工件60a和60b的材料都接触，如图所示。销66在材料中的旋转对焊接工具销66 和台肩64以及在工件界面处产生大量的摩擦加热。所述加热倾向于软化工件60a和60b 靠近旋转销66的材料，由此引起来自两个工件60a和60b的材料的塑化和混合，以形成焊缝68。然而，如图6A至6D所示，且如上文在其常规使用中所描述的那样，摩擦搅拌焊接工具以该工具的销或心轴在与两个物体之间的界面/接缝共面的方位压入该界面的方式沿着该界面移动。本领域技术人员将认识到，当在工具(如焊接到管状物上的套管)的外表面上涂覆耐磨层时，摩擦搅拌焊接工具的销或心轴垂直于界面或接缝平面定向。根据被环形加硬的元件及其结构，本领域技术人员将认识到，工具的任一种定向都可以使用。
根据在此公开的实施方式的可以执行环形加硬的材料的类型可以取决于特定应用所期望的材料性能，如硬度、韧性、外壳友好耐磨性(casing-friendly wear resistance)等，以及其中使用该工具的井眼的类型(套管井或裸孔)。然而，在特定的实施方式中，执行环形加硬的硬化面合金可以包括铁合金，如钢，以及铁-镍-基合金，铜-基合金和钴-基合金。在使用摩擦搅拌焊接中，之前通过常规焊接技术不可焊接的合金可以采用摩擦搅拌焊接。被焊接的材料的类型中的其它元素包括但不限于，铬、钼、锰、硅、碳、硼、 钨、铝、钛、铌、钽、钒、镍、钴、锆、磷和铼。用在环形加硬中的这些合金中的一些可以被描述为“高熔点温度混合物”或具有比钢高的熔化温度的混合物。其它这种高熔点温度混合物可以形成井下使用的工具元件的基材。然而，也可以使用较低熔点温度的合金。而且，在裸孔钻探(其中外壳友好性不必要)中，该合金设置有分散在其中的碳化钨。除了能够焊接在先前通过常规焊接技术是不可焊接的大量合金之外，还可以实现更大硬度的磨损降低材料。例如，通过采用搅拌摩擦，可以实现增大约5-15洛氏C点(当采用相同的材料将摩擦搅拌焊接缝与常规焊缝相比时)的硬度。也就是说，对于在采用常规焊接时将具有45-55洛氏C范围的硬度的合金来说，当采用搅拌摩擦时可以实现约50-70 洛氏C硬度。这种改善的硬度可能源于材料微观结构的改变(即，通过晶粒细化/再结晶， 以产生精细沉淀物，如碳化钨)。本发明的搅拌摩擦技术的另一副产品可以是，与常规焊缝相比，表面粗糙度降低，即不平度高度降低。为了焊接本发明中使用的高熔点材料，返回参照图6A至6D，摩擦搅拌焊接工具的销66和台肩64可以涂覆有超磨蚀材料。在一种实施方式中，多晶立方氮化硼(PCBN) 可以用作涂覆在用于具有一体的销66的台肩64的基材上的超磨蚀剂。在优选的实施方式中，替代涂覆，台肩64和销66 (其可以与或不与台肩一体形成)由多晶立方氮化硼本身形成，而不是涂覆多晶立方氮化硼。适合用在本发明的方法中的工具可以包括类似于在美国专禾Ij 7，124，929，7，270，257和美国专利申请No. 2005/0082342中披露的工具，美国专利 7，124，929，7，270, 257和美国专利申请No. 2005/0082342转让给本受让人并通过引用将它们的全部内容结合于此。现在参照图1和2，示出了井下工具的一个例子，特别是已经通过摩擦搅拌焊接执行环形加硬的工具接头。如图1和2所示，用于钻杆14的工具接头10图示为具有位于钻杆14的端部处的壳体12，壳体12在16处为内螺纹。壳体12的内螺纹16螺纹接纳具有与螺纹16配合的螺纹20的销18，使得销18可以拧入壳体12中。销18形成钻杆(如14)的端部，使得管的管柱或接头可以螺纹固定在一起和脱离，用于钻探石油、天然气或其它井。壳体12和销18被扩大，并具有外圆柱面22，该外圆柱面22的外径大于其上沉积环形加硬层M的钻杆14的外径。在这种实施方式中，环形加硬层M处的联接件的外径大于外圆柱面22，使得环形加硬层优选在工具接头用在钻杆柱中时接触井眼壁或套管。本领域技术人员将认识到，当选择环形加硬层M的外径时，应当仔细考虑与其中使用钻杆柱的井眼的直径相关的因素，以降低对通过该井眼到地面的钻井流体的环形流的不利影响。例如，环形加硬层的这种厚度可以在不损害合金性能的约3/32至1/4英寸厚的范围内，且可以沉积成单层或双层。现在参照图3和4，示出了用于钻杆34的工具接头30的另一种实施方式。除了下述方面之外，工具接头30类似于图1和图2的工具接头10 工具接头30具有减小的圆柱形部46，该圆柱形部46通过从壳体32的外圆柱面42去除圆周带材形成，或者最初形成有这些减小的直径段32，环形加硬层44焊接在该空间中，使得焊接沉积的表面硬化的表面基本上与壳体32和销38的外圆柱面42平齐。本领域技术人员将认识到，当期望平接式环形加硬层时，可以从工具接头30上去除类似于图1和2中示出的环形加硬层M的厚度的材料量，以便类似厚度的环形加硬层44可以沉积在其上并与外表面42平齐。参照图5，图示了根据发明的稳定器50。稳定器50具有细长圆筒形或管状本体 52，本体52具有用于钻杆(未示出)的钻杆柱中的连接的销51和壳体56。稳定器50具有从本体向外延伸的稳定器肋58，稳定器肋58用于扶正井眼(未示出)中的钻杆。环形加硬合金M焊接至稳定器肋58。而且，虽然本发明的方法特别适于对工具接头和稳定器执行环形加硬，但它也可应用于任何要求执行环形加硬或表面硬化的表面，如钻铤、结构构件、工艺元件、耐磨板等。因此，虽然本申请涉及摩擦搅拌焊接用于将硬化面合金焊接至井下工具的外表面的一般用途，但具体的实施方式还涉及各种技术，硬化面合金通过该技术可以被提供至、相对于定位至或固定至下面的工具表面。例如，硬化面合金可以设置成多种形状和形式。一种示例性实施方式(图7A-7D中示出)可以包括用于与管状构件一起使用的硬化面合金的预成型套管72。套管(完整或分开的)72可以在管道76的接头70的壳体段74上滑动，其中与管道76的其它部分相比，壳体端74具有较大的外径。它可以位于(和临时固定到) 接头70的期望具有磨损防护的区域。摩擦搅拌焊接工具65 (具有如上所述的台肩和销组件)可以与套管72接触。当工具65旋转并被垂直于套管72/接头70的表面推动时，由工具65的旋转产生的摩擦加热使旋转工具65附近的套管72和接头70 (在靠近套管72的区域中)的材料软化，由此引起套管72和接头70的材料塑化和混合，以形成焊接到接头70 的表面上的环形加硬层78。而且，虽然通过将套管72简单地滑动至目标位置而将套管72 设置到接头70上，但套管72可以任选地干涉配合或点固焊接到目标位置。而且，虽然通常认为套管是相对刚性的材料(在合金在工具上的定位期间不容易变形)，但其它实施方式可以使用非刚性、可锻材料，其在合金在工具上的定位期间可以执行一定程度的变形。例如，代替预成型的套管材料，预形成的、可锻宽度的合金可以定位在工具上，该工具采取通用形状形式的工具表面(即，对于管状构件，合金线或带可以缠绕在管状构件的圆周周围)。因此，可以以多种宽度供应这种材料(或形成为具有多种宽度)， 宽度范围从数毫米到数厘米，例如，从约5mm到约5cm。然而，本领域技术人员将认识到，也可以使用较大或较小的宽度。因此，取决于尺寸，如可以通过拔丝或通过本领域熟知的高剪切压制(或带状铸造)形成所述材料。而且，为了帮助这种可锻材料在工具上的相对放置，可以使用增粘剂或粘合剂，使得合金可以精确地放置到工具的目标位置。一旦将合金放置在工具上，则如上所述，合金和工具部分可以采用摩擦搅拌焊接在一起。可替换地，也在本发明的范围之内的是，这种可锻材料在摩擦搅拌焊接工具沿着仍将被焊接的金属-工具界面移动之前连续地送到工具上 (或缠绕在工具周围)。而且，也在本发明的范围之内的是，在焊接过程期间，例如根据将要焊接至工具的材料的宽度，可以在一次或多次操作中完成对整个环形加硬层区域的焊接。因此，例如，对于宽于可用摩擦搅拌焊接工具的环形加硬层，可以执行多个焊接焊道88a、88b，如图8所示。在这种多次操作期间，一些实施方式可以改变工具的旋转方向，而其它实施方式可以在多次操作期间采用相同的旋转方向。而且，本领域技术人员将认识到，在焊接过程期间，靠近期望的或新形成的焊缝的一些基材尽管不具有与其相混合的其它材料也可以被搅拌。本发明的焊接技术的副产品可以是表面粗糙度的降低，即不平度高度降低。例如， 在一种实施方式中，与常规涂覆的焊缝相比，采用本发明的方法涂覆的环形加硬层可以具有降低的不平度高度。而且，本发明的环形加硬层通常是可修补的。因此，特别地，井下元件可以在车间或在钻探平台位置处现场重复地重新涂覆环形加硬层。而且，当执行重新涂覆时，可以在相同或不同的早期焊缝类型上执行新的金属合金的到所使用的管道中的摩擦搅拌焊接。有利地，本发明的各实施方式可以为下述方面中的至少一种而做准备。常规焊接工艺对可以用在对井下工具执行环形加硬中的环形加硬材料的类型存在限制。例如，采用在环形加硬中通常采用的焊接技术，即气体保护金属极电弧焊，环形加硬材料选择有限。具体地，外壳友好的材料难以焊接，并在焊接期间由于液固转化期间在微观结构中出现的应力导致破裂(无论是否执行预热处理和后热处理)。而且，采用常规措施(如常规的包含碳化钨的环形加硬层)更容易焊接的材料对磨损套管柱来说是熟知的。然而，采用本发明的焊接方法，可以与摩擦搅拌焊接技术一起使用的材料的数量不会引起与常规保护气体电弧焊相关的相同限制。通过对可以使用的材料类型具有很少 (或没有)限制，该技术可以用来涂覆壳体或开孔友好的焊缝。而且，除了在环形加硬层材料方面具有较宽的选择之外，与摩擦搅拌焊接相关联的固体处理原理可能降低微观结构缺陷，降低了破裂的发生频率。通过降低破裂的发生频率，可以消除对其它热处理(如预热处理和/或后热处理)的需求。此外，该焊接技术的危险可以很小，这又允许在任何给定位置处(包括在钻探平台位置处)放置环形加硬层，允许更好的重建维修。较低的不平度高度也是可以实现的，给出了更平滑的加工，并降低了对表面精加工或研磨的外观需求。虽然已经参照有限数量的实施方式描述了本发明，但本领域技术人员受益于本发明的公开而将会认识到，不偏离在此公开的本发明的范围的其它实施方式是可以想出的。 因此，本发明的保护范围应当仅由随附的权利要求限定。
权利要求
1.一种向用在井眼操作中的工具涂覆磨损降低材料的方法，包括下述步骤 将硬化面合金焊接到工具的表面，其中所述焊接包括将合金摩擦搅拌到工具的表面中。
2.根据权利要求1所述的方法，其中摩擦搅拌包括在摩擦搅拌焊销上施加向下的作用力并转动摩擦搅拌焊销，以产生摩擦热，以便所述销进入合金和工具表面并在合金和工具中产生塑化区域。
3.根据权利要求1所述的方法，其中硬化面合金包括铁基合金。
4.根据权利要求1所述的方法，其中硬化面合金包括分散在其中的碳化钨颗粒。
5.根据权利要求1所述的方法，其中被焊接的磨损降低材料具有范围从约50至70洛氏C的硬度。
6.一种将磨损降低材料涂覆至用在井眼操作中的管状构件的方法，包括下述步骤 将高熔化温度硬化面合金的预成型套管在目标位置处定位为与管状构件的外表面同心；以及将预成型套管焊接至管状构件的外表面，其中所述焊接包括将合金摩擦搅拌到工具的外表面中。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述定位包括将预成型套管点固焊接至管状构件的所述目标位置。
8.根据权利要求6所述的方法，其中所述定位包括将预成型套管干涉配合到管状构件的所述目标位置。
9.根据权利要求6所述的方法，其中所述焊接包括至少一个焊接焊道。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述焊接包括至少两个焊接焊道。
11.根据权利要求6所述的方法，其中摩擦搅拌包括在摩擦搅拌焊销上施加向下的作用力并转动摩擦搅拌焊销，以产生摩擦热，以便所述销进入合金和工具表面并在合金和工具中产生塑化区域。
12.根据权利要求6所述的方法，其中硬化面合金包括铁基合金。
13.根据权利要求6所述的方法，其中硬化面合金包括分散在其中的碳化钨颗粒。
14.根据权利要求6所述的方法，其中被焊接的磨损降低材料具有范围从约50至70洛氏C的硬度。
15.一种用于将磨损降低材料涂覆至用在井眼操作中的工具的方法，包括下述步骤 将预成型的、可锻宽度的具有高熔化温度的硬化面合金定位在工具的外表面上；以及将所述预成型宽度焊接至工具的外表面，其中所述焊接包括将合金摩擦搅拌到工具的外表面中。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述定位包括将所述预成型宽度包裹在管状工具构件的外表面周围。
17.根据权利要求15所述的方法，其中所述焊接包括至少一个焊接焊道。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述焊接包括至少两个焊接焊道。
19.根据权利要求15所述的方法，其中所述定位包括在搅拌摩擦焊工具执行所述焊接之前同时输送所述预成型宽度。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述焊接包括至少一个焊接焊道。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述焊接包括至少两个焊接焊道。
22.根据权利要求15所述的方法，其中所述宽度的范围为从5mm至5cm。
23.根据权利要求15所述的方法，其中所述预成型宽度包括高剪切压紧材料。
24.根据权利要求15所述的方法，其中摩擦搅拌包括在摩擦搅拌焊销上施加向下的作用力并转动摩擦搅拌焊销，以产生摩擦热，以便所述销进入合金和工具表面并在合金和工具中产生塑化区域。
25.根据权利要求15所述的方法，其中硬化面合金包括铁基合金。
26.根据权利要求15所述的方法，其中硬化面合金包括分散在其中的碳化钨颗粒。
27.根据权利要求15所述的方法，其中被焊接的磨损降低材料具有范围从约50至70 洛氏C的硬度。
全文摘要
本发明公开了一种向用在井眼操作中的工具涂覆磨损降低材料的方法，包括将硬化面合金焊接到工具的表面，其中所述焊接包括将合金摩擦搅拌到工具的表面中。还公开了采用摩擦搅拌焊接预成型套管或一定宽度的磨损降低材料的方法。
文档编号B23K20/12GK102170992SQ200980139473
公开日2011年8月31日 申请日期2009年8月13日 优先权日2008年8月14日
发明者卡里·A·罗斯, 拉塞尔·J·施蒂尔, 谢尔顿·W·阿尔萨普, 马达普斯·K·克沙凡恩 申请人:史密斯运输股份有限公司