具有非晶态涂层的地下组件的制作方法

本申请要求2014年4月30日提交的美国临时专利申请号61/986,288的优先权的权益，其公开通过引用全部合并于此。

技术领域

本公开涉及适合于地下使用的组件(例如用于油气回收钻井的钻杆)以及制作这样的组件的方法。

背景技术：

用于地下使用的组件面对例如高压、化学腐蚀和物理侵蚀等富有挑战性的环境。这些组件在例如油气回收、隧道施工和底层结构基础施工等应用中非常有用或甚至是必要的。

例如，用于油气回收的钻井可牵涉使用钻杆，其在钻柱中彼此连接并且在末端处配备有钻头。钻柱向钻头提供转矩、力和循环流体以便穿透各种类型的地下地层。图1示意示出示范性钻柱的一部分，其包括每个长度约30至45英尺并且在钻杆1末端处通过工具接头2彼此可连接的钻杆1。图1示出在钻杆彼此连接之前的钻杆。可保护这些工具接头以防被耐磨覆盖3磨损并且它们可具有明显大于钻杆1的本体的直径。在垂直钻探条件下，工具接头2可由于工具接头2的较大直径而保护钻杆1的本体，这有效地避免钻杆1的本体与钻柱钻探的井壁直接接触。

如果井不是完全直的，例如在水平钻探中，钻柱或钻柱中的个体钻杆可弹性弯曲。钻柱或个体钻杆的弯曲、使用增加的钻杆长度(例如，约45英尺)或更接近工具接头直径但比之还要小的管直径可使工具接头对钻杆本体的保护的有效性减小并且可导致钻杆本体与井壁直接接触。这样的直接接触可使钻杆暴露于磨损机构，其可明显影响钻杆的完整性。这样的机构可包括与地下地层接触的磨损、金属部件之间的磨损和/或刮伤以及与钻探流体和钻屑接触的磨损。

保护钻杆的可能方法可包括在钻杆本体上放置一个或多个夹持器来使钻杆保持远离井壁、在钻杆上放置夹持器橡胶套、施加涂料、环氧树脂涂层、应用粉末冶金抗氧化、通过表面硬化或通过转移等离子弧使特定材料与钻杆的基层材料成合金的焊接或熔融工艺以及用包含铬碳化物和硼化物的沉淀物的结晶钢基体显微组织热喷涂耐磨层。

这些方法可能不足以消除钻杆与井壁的直接接触，或不足以防止钻杆被这样的接触磨损。这些方法可引入另外的风险，其包括钻杆的灾难性失效，例如在井下夹持器与钻杆分离、焊接或熔融工艺引起的钻杆基层材料的不可取冶金变化(例如由于钻杆自身上的热效应引起的弱化和/或钻杆内表面上的耐腐蚀层的弱化)以及钻杆的大量旋转引起的应力下热喷涂结晶涂层的分层。

技术实现要素：

本文公开这样的方法，其包括：将涂层喷涂到组件表面上，其中该涂层是至少部分非晶态的，其中涂层配置成保护组件以用于地下使用。

根据实施例，涂层未冶金结合到表面。

根据实施例，涂层是完全非晶态的。

根据实施例，组件是钻杆、工作管柱或生产管。

根据实施例，涂层具有大于0.103％的弹性应变极限。

根据实施例，涂层具有大于组件的屈服应变的弹性应变极限。

根据实施例，涂层具有低于组件的弹性模量的弹性模量。

根据实施例，涂层具有最多150GPa的弹性模量。

根据实施例，涂层具有高于表面硬度的硬度。

根据实施例，涂层与钢之间的摩擦系数低于钢与钢之间的摩擦系数。

根据实施例，涂层通过热喷涂工艺喷涂到表面上。

根据实施例，涂层通过冷喷涂工艺喷涂到表面上。

根据实施例，从由双丝电弧喷涂、高速氧燃料喷涂、高速空气燃料喷涂和等离子喷涂组成的组选择热喷涂工艺。

根据实施例，涂层包括完全或部分非晶态金属合金。

根据实施例，非晶态金属合金具有由化学式Fe_a(Cr,Mo)_b(B,C)_c M_d表示的组成，其中a是Fe的重量百分比，b是Cr和Mo的重量百分比总和，c是B和C的重量百分比总和，M是一个或多个过渡金属并且d是所有过渡金属的重量百分比总和。

根据实施例，a的值在40至56，b的值在40至50，c的值在4至6，并且d的值在0至10。

根据实施例，B的重量百分比等于或小于C的重量百分比。

根据实施例，Mo的重量百分比小于Cr的重量百分比。

根据实施例，非晶态金属合金具有小于或等于1150℃的熔点。

根据实施例，涂层进一步包括从由钨、碳化物和硼化物组成的组选择的粒子，其中这些粒子分布在非晶态金属的基体中。

根据实施例，组件包括金属，其从由钢、铝、钛和铸铁组成的组选择。

根据实施例，方法进一步包括在喷涂涂层之前使表面变粗糙。

根据实施例，涂层具有中性或压缩表面残余应力。

本文公开适合于地下使用的组件，其包括其上具有涂层的至少一部分，其中该涂层是至少部分非晶态的。

根据实施例，组件是钻杆、工作管柱或生产管。

根据实施例，部分是钻杆的中间段。

根据实施例，部分包括工具接头的部分。

本文公开在地面钻井的方法，其包括：获得钻柱，其包括钻头和连接于此的多个钻杆，其中钻杆中的至少一部分包括其上的涂层，该涂层是至少部分非晶态的；驱动钻头。

根据实施例，井不是直的。

根据实施例，井具有与地面平行的段。

根据实施例，井具有与地面不平行的段。

本文公开用于在地面钻井的系统，其包括：钻头；彼此连接的多个钻杆；其中钻头连接到钻杆；其中钻杆中的至少一部分包括其上的涂层，该涂层是至少部分非晶态的。

根据实施例，系统进一步包括链钳、脱气器、除砂器、绞车、升降机、泥浆马达、泥浆泵或泥浆罐。

附图说明

图1是图示钻杆的示意图，该钻杆在管末端处的工具接头上具有耐磨覆盖以用于在钻柱中与邻接管的末端连接。

图2是根据实施例非晶态金属合金涂层喷涂到的钻杆的中间段的侧视图。

图3A是沿截面线III-III所取的图2的钻杆上的完全非晶态金属合金的喷涂涂层的横截面扫描电子显微镜(SEM)图像，其示出钻杆、完全非晶态金属合金涂层和其之间的机械结合的显微结构。

图3B是沿截面线III-III所取的图2的钻杆上喷涂的部分非晶态金属合金涂层的横截面扫描电子显微镜(SEM)图像，其示出钻杆、部分非晶态金属合金涂层和其之间的机械结合的显微结构。

图4A和图4B是用于在钻杆的中间段的外表面上施加涂层的相应热喷涂系统的示意图。

图5A示出通过XRD(x射线衍射)获得的热喷涂涂层材料(图3A中的样本1)的完全非晶态部分的特征，其示出在涂层材料中没有任何结晶显微结构。

图5B示出从纳米压痕法测试获得的样本1的加载-卸载压痕曲线，从其可以确定涂层的弹性模量(杨氏模量)。

图6A示出通过XRD(x射线衍射)获得的热喷涂涂层材料(图3B中的样本2)的部分非晶态部分的特征，其示出在多数非晶态基体中共存的多相结晶显微结构。

图6B示出从纳米压痕法测试获得的图6A的样本2的加载-卸载压痕曲线，从其可以确定弹性模量(杨氏模量)。

图7描绘完全非晶态涂层材料的DSC(差式扫描量热测定)，其示出透明玻璃转变和熔化温度。

图8是沿截面线III-III所取的钻杆上的部分非晶态金属合金基体中的碳化钨粒子的喷涂涂层的横截面扫描电子显微镜(SEM)图像，其示出钻杆、部分非晶态金属合金涂层和其之间的机械结合的微观结构。

图9示出图8的涂层的高倍放大扫描电子显微镜(SEM)图像，其示出部分非晶态合金基体中的碳化物粒子并且识别感兴趣区。

图10示出如由能量色散X射线(EDX)光谱法确定的在图9中识别的感兴趣区的化学组成，其证实碳化物和部分非晶态合金基体的组成(为了清楚起见，光谱垂直移位)。

图11示出从纳米压痕法测试获得的图8的样本的加载-卸载压痕曲线，从其可以确定弹性模量(杨氏模量)。

图12示出对于从纳米压痕法测试获得的图8的样本的硬度vs.位移曲线，从其可以确定硬度。

具体实施方式

本文的公开在提高对地下使用组件(例如钻杆或生产管)保护和耐磨性方面可是有用的，而没有使组件失效的风险增加。

根据实施例，用于地下使用的组件(例如，钻杆、生产管)的至少一部分可用具有超过地下使用中组件的应变的高弹性应变极限的涂层热喷涂(例如，在钻杆向下打眼时通过钻杆的弯曲)。用涂层热喷涂的部分可包括可直接接触的组件的一部分(例如钻杆的中间段)，或可刮磨地下结构。涂层可包括非晶态金属合金。涂层可包括至少部分非晶态、非结晶、无序原子尺度结构。涂层可具有比涂层设置所在的组件表面更高的硬度。涂层可在未使用冶金结合的情况下机械结合到组件的下伏面。当组件是钻杆时，涂层可提高对钻杆的热冲击和热循环的耐磨性或耐热震性，而没有使钻杆中失效的风险增加。如与钻杆中常用的钢的仅仅约310HV(维氏硬度)相比，涂层的硬度可大于或等于500HV。如与钻杆中常用的钢的约200GPa相比，涂层的弹性模量可以是最多150GPa，或最多120GPa。涂层与钢之间的摩擦系数可低于钢(在钻杆中常用)与钢之间的摩擦系数。例如，涂层与钢之间的摩擦系数可以是最多0.15。

涂层可以是带(例如，沿钻杆周边的带)。涂层可具有其他配置，例如螺旋(例如，沿钻杆的螺旋)。涂层可以施加在钻杆的中间段或其他部分上。涂层可使用将非晶态金属合金多遍热喷涂到例如0.005至0.1英寸的厚度而建立。涂层可通过热喷涂工艺施加到组件(例如，钻杆)，该热喷涂工艺可从由双丝电弧喷涂、高速氧燃料和高速空气燃料以及等离子喷涂组成的组选择。涂层可通过冷喷涂工艺施加到组件(例如，钻杆)。

涂层中包括的非晶态金属合金可采用粉末或丝的形式，其具有基本上由Cr 25-27％、B 2.0-2.2％、Mo 16-18％、C 2.0-2.5％、余量为Fe(以重量百分比表达)组成的组成。表1示出涂层中可包括的非晶态金属合金的示范性组成。

表1

在实施例中，涂层中包括的非晶态金属合金可具有由化学式Fe_a(Cr,Mo)_b(B,C)_cM_d表示的组成，其中a是Fe的重量百分比，b是Cr和Mo的重量百分比总和，c是B和C的重量百分比总和，M是一个或多个过渡金属并且d是所有过渡金属的重量百分比总和。a的值可在40至56。b的值可在40至50。c的值可在4至6。d的值在0至10。在实施例中，B的重量百分比等于或小于C的重量百分比。在实施例中，Mo的重量百分比小于Cr的重量百分比。

当通过热喷涂工艺施加涂层时，非晶态金属合金的熔点可小于或等于1150℃。非晶态金属合金的相对低熔点使在涂覆期间到基层材料的热输入减少。涂覆期间低的热输入避免基层材料的不可取冶金变化或使之减少。当将涂层施加到在钻杆内部上具有耐腐蚀层的钻杆时，低的热输入还避免耐腐蚀层的不可取冶金变化或使之减少。非晶态金属合金的低熔点还有助于形成涂层的非晶态显微结构。

在涂层还包括从由钨、碳化物和硼化物组成的组选择的耐磨粒子中的至少一个时，非晶态金属合金可充当涂层的基体材料。耐磨粒子可预先混合到非晶态金属合金粉末或丝内，或在喷涂期间并入。

图2示意示出根据实施例具有涂层5的钻杆1(作为组件的示例)的局部视图。该钻杆1在工具接头2处连接到另一个钻杆。涂层5可施加到例如钻杆1的中间段4等部分。涂层5可具有大于组件(例如，钻杆1)在地下使用时将经历的应变(例如，在钻探中使用，由例如在从垂直到水平钻探期间钻杆的弯曲引起)的弹性应变极限。组件可经历多至0.103％的应变。涂层5可具有大于组件的屈服应变的弹性应变极限，该屈服应变可以在0.076至0.155％。例如，涂层5在它失效之前可承受例如0.17％的应变。涂层5可具有比组件更高的弹性模量。涂层5在该示例中具有≤150GPa或≤120GPa的弹性模量，其低于钻杆1的杨氏模量。在钻杆中常用的钢的杨氏弹性模量E是约29×10⁶PSI(200GPa)。涂层5可具有比施加涂层所在的组件(例如，钻杆1)表面更高的强度(硬度)。涂层5在该示例中具有≥500HV(维氏硬度)的硬度。在钻杆中常用的钢的硬度是约310HV。涂层5的较高硬度、较低弹性模量、较高弹性应变极限或它们的组合可至少部分归因于涂层具有这样的原子显微结构，其至少部分或完全非晶态的，而不是结晶原子结构，并且可使涂层在地下使用中更耐磨。

根据实施例，为了形成涂层5，通过热喷涂工艺将非晶态金属合金施加到组件(例如，钻杆1)的部分(例如，中间段4)，例如使用如在图4A中示意描绘的双丝电弧喷涂系统。在工艺中，非晶态金属合金的两个丝(6和7)通过送丝8馈送并且带电，一个为正并且一个为负。丝被强制在一起并且形成电弧，从而使丝熔化。经过喷嘴10的压缩空气使来自丝的熔化金属原子化并且将它喷涂到该部分(例如，钻杆1的中间段4)上。通过移动组件或喷嘴10，可控制涂层的区域。例如，钻杆旋转同时喷嘴静止导致在钻杆的中间段的外表面附近形成带。系统的额定电流越高(例如，350安培、700安培等)，喷涂速率越高。在示例实施例中，采用具有200～225安培的额定电流的系统。涂层5涂覆的中间段4的长度可变化。涂层5的厚度可改变。可基于在钻探期间钻杆所经历的预期曲率半径、钻杆和钻套的相对直径等来选择长度和厚度。在示例中，钻杆的中间三分之一长度被涂覆，但可以涂覆更小或更大长度以使钻探期间管表面上的预期磨损减少。

涂层可以是薄层，例如30毫寸(0.030英寸)的数量级。薄涂层在组件(例如，钻杆)上经历快速冷却，从而导致形成至少部分(例如，多数(在图6A中示出)或完全(在图5A中示出))非晶态结构，而不是结晶结构。可应用多遍热喷涂涂层来建立到期望厚度的涂层5来保护组件以免磨损。在示例中，涂层5具有由多遍热喷涂形成的0.05英寸厚度。尽管在示例中使用双丝电弧喷涂，其他热喷涂工艺(其包括高速氧燃料和高速空气燃料)或冷喷涂、等离子工艺可以用于施加涂层。代替丝形式或除丝形式外，涂层的非晶态金属合金可以采用粉末形式。图4B描绘用于利用高速氧燃料工艺喷涂粉末非晶态金属合金的设置。例如钨、碳化物和硼化物等耐磨粒子也可以作为混合物在非晶态金属合金丝或粉末内施加，其中在沉积涂层后，非晶态金属合金充当耐磨粒子的基体。要涂覆的部分的表面可以在涂覆之前通过喷砂变粗糙(例如参见图3A和3B)，以便于涂层到表面的结合。

涂层5可形成与表面的机械结合，如与具有与表面的冶金结合相对。机械结合在图3A和3B中描绘的涂覆钻杆的显微结构中示出。涂层到表面的结合强度可在7,000～10,000psi的范围内。

根据实施例，因为组件上喷涂的涂层5由于多数或完全非晶态而经历很少或没有收缩，涂层5具有中性或略微压缩的残余表面应力。相比之下，结晶金属涂层凝固且收缩，这导致拉伸表面应力。拉伸表面应力可采用凹形方式使涂覆的物体变弯并且可导致分层。涂层5中的中性或略微压缩表面力可提高涂层到下伏面的结合强度。

涂层的至少部分非晶态结构可有助于在钻探期间利用某些组件(例如钻杆)的高循环来提高耐磨性和抗分层性。更具体地，在涂层中可以使用Fe-Cr-B-Mo-C合金、Ni-Cr-Si-B-Mo-Cu-Co合金、Fe-Cr-B-Mn-Si合金、Fe-Cr-B-Si合金、Fe-Cr-B-Mn-Si-Cu-Ni-Mo合金、Fe-Cr-B-Mn-Si-Ni合金、Fe-Cr-Si-B-Mn-Ni-WC-TiC合金、Fe-Cr-Si-Mn-C-Nd-Ti合金、Fe-Cr-P-C合金、Fe-Cr-Mo-P-C合金、Fe-Cr-Mo-P-C-Ni合金、Fe-P-C-B-Al合金、Fe-Cr-Mo-B-C-Si-Ni-P合金、Fe-Cr-Mo-B-C-Si-W-Ni合金、Ni-Cr-Mo-B合金、Fe-B-Si-Cr-Nb-W合金、Fe-Cr-Mo-B-C-Y合金、Fe-Cr-Mo-B-C-Y-Co合金、Fe-Cr-Mo-W-Nb合金、Fe-Cr-Mo-B-C-Si-W-Mn合金、Fe-Cr-Si-W-Nb合金中的一个或多个。

图5B和6B示出关于如在图3A和3B中识别的涂层5的样本1和2的纳米压痕法测试的结果。涂层5在钻杆上热喷涂。杨氏弹性模量可以从通过测试获得的图5B和6B的加载-卸载压痕曲线计算为≤120GPa以提供大于通过在钻探期间使钻杆弯曲(钻探从垂直到水平具有偏离)引起的应变的弹性应变极限，连同≥500HV的高涂层强度(硬度)。图5A和6A代表完全非晶态涂层材料和包含非晶态基体涂层材料的部分晶相的XRD标绘图。图7描绘涂层的差式扫描量热测定，其示出透明玻璃转变温度和熔化温度。

根据实施例，涂层可以是复合物，其包括例如在涂层的非晶态金属合金基体中分布的钨碳化物和硼化物等粒子。表2示出以下的组成、杨氏模量和硬度：非晶态金属合金“A”(样本1)的同质涂层、非晶态金属合金“B”(样本2)的同质涂层、在基体非晶态金属合金“A”(样本4和样本5)中分布的碳化钨(WC)粒子的复合涂层以及在基体非晶态金属合金“B”(样本3和样本6)中分布的碳化钨(WC)粒子的复合涂层。利用来自MTS的纳米压痕仪XP进行纳米压痕测量。利用多至700mN的负载且利用最大2μm的穿透深度进行压痕。从完整的加载/卸载周期中负载vs.位移曲线确定涂层的硬度和杨氏模量。

表2

参考表2的样本1作为示范性实施例，看到它的弹性模量是110GPa，其仅仅是钢的约55％。钢通常在例如钻杆和其他井下管材等地下组件中使用。具有低弹性模量的涂层可由于下列原因而是有益的。地下组件可在井下作业期间经历拉伸、压缩和弯曲负载。这些负载导致偏斜，或从工程方面导致应变。因为涂层机械结合到组件，涂层可承受与组件基本上相同的应变。根据定义，对于指定应变量，弹性模量越低，应力越低。从而在指定应变下，具有低弹性模量的涂层将比具有高弹性模量的涂层经受更低应力水平。如此，具有低弹性模量的涂层开裂的可能性比具有高弹性模量的涂层更低。尽管样本1具有高于钢的弹性模量，它具有6.8GPa的硬度，其超过钢(3.0GPa左右)的两倍。硬度是耐磨性的通用指标。因此看到样本1的涂层提供高耐磨性连同由于井下加载引起的开裂的倾向性减小。

图8示出表2的样本4的示范性复合涂层。在通过喷砂而变粗糙的衬底上用HVOF喷涂施加样本4的涂层到约20毫寸的厚度。如由表2指示的，样本4的涂层包括设置在部分非晶态金属合金(Cr 25-27％、B 2.0-2.2％、Mo 16～18％、C 2.0-2.5％、余量为Fe)基体中的约20％的碳化钨粒子。

图9是图8的涂层的高倍放大图像。标签1、2和3识别用EDX评价组分的化学性质所处的位点。

图10示出在图9中标识的标签1、2和3处的位点处的化组分。在光学和化学上看到碳化钨粒子仍然离散且被环绕基体所包含，但在化学上不受影响。

再次参考表2，如通过纳米压痕方法测量且在图11中绘制的，样本4的弹性模量是173GPa。该弹性模量是钢的约87％以及常规碳化钨涂层的约一半。硬度(如在图12中绘制的)是11.6，其是钢的近4倍，并且与常规碳化钨涂层的相当。因此看到样本#4的涂层可在具有与钢相似模量的涂层中提供大大增加的耐磨性，并且也提供可与碳化钨涂层相似的耐磨性，但具有低得多的模量并且从而由于井下加载所施加的应变引起的开裂的倾向性更低。

还可以喷涂各种设计的涂层，其包括螺旋配置、带或只是通过整个组件的薄层。涂覆的组件还可以由钢或例如铝或钛等其他材料形成。本公开与之有关的本领域和技术内的工作人员将意识到描述的结构的更改和改变并且可实践过程而并未有意义偏离该公开的原理、精神和范围。

因此，前面的描述不应解读为仅关于在附图中描述和图示的精确结构，而相反应与下列权利要求一致且作为权利要求的支持来解读，这些权利要求具有它们的最充分和公正范围。