用于井下工具的高强度耐腐蚀超音速火焰(hvof)涂层的制作方法
【专利说明】用于井下工具的高强度耐腐蚀超音速火焰（HVOF)涂层
[0001] 关于联邦政府赞助的研宄或开发的声明
[0002] 不适用。
[0003] 背景 发明领域
[0004] 本发明总体上涉及增强井下工具和其它装置的耐久性和工作寿命的涂层。更特 别地，本发明涉及施加至井下工具和其它装置的超音速火焰（high-velocity-oxy-fuel) (HVOF)涂层，以增强强度，耐磨粒磨损，耐腐蚀，和耐剥落及开裂。
【背景技术】
[0005] 在向地表内钻探钻孔（或钻井孔）、诸如从地表岩层回收碳氢化合物或矿物中，传 统的做法是在"钻柱"下端处连接钻头，然后旋转钻头同时施加钻压，以允许钻头沿预定轨 迹向下推进至地表中以形成钻孔。典型的钻柱由钻管段首尾相连装配组成，加一个设置在 钻管段底部和钻头之间的"底部钻具组合"（BHA)。该BHA典型地由附属组件组成，诸如选 择用于符合待钻探的井的特殊要求的钻铤，稳定器，扩孔器和/或其它钻具和配件。
[0006] 钻柱和钻头经常通过与钻孔上的地表面上（或在海上钻井作业中，海底支撑的钻 井平台或合适配合的浮船上）建造的钻塔连接的"转盘"或"顶部驱动"的方式旋转。在钻 探过程中，凭借钻柱在压力下从地表向下泵送钻探流体（通常被称为"钻探泥浆"或简称为 "泥浆"），离开钻头进入钻井孔，并且然后向上穿过钻柱和钻井孔之间的环形空间（"井筒 环"）回到地表。钻探流体携带钻孔切割物至地表，冷却钻头，并在钻孔壁上形成保护块（以 稳固及密封钻孔壁），及其它有益的功能。在地表，除了其它可能的处理外，通过移除钻孔切 割物而处理钻探流体，然后凭借钻柱在压力下通过向井下泵送而进行再循环。
[0007] 作为通过单独的转盘或顶部驱动进行旋转的替换，钻头同样可以使用在紧靠钻头 上方整合进BHA的"井下马达"旋转。通过采用井下马达旋转钻头而不旋转钻柱的钻探技 术通常被称为"滑动"钻探。在某些类型的钻井作业中通常在作业的不同阶段使用滑动钻 探和钻柱旋转。
[0008] 从钻探作业获得的钻孔典型地与固定到位的套管一致，并且然后完井以开始从储 层生产碳氢化合物流体。
[0009] 在钻探和生产作业中，多种装置，管件，井下工具，和相关的金属器件遭受严酷的 井下状况。例如，井下工具和装置通常暴露至轴向和径向冲击负荷，源自与外部组件接触滑 动的摩擦负载，高压力，腐蚀流体，磨粒流体，或其组合。这些状况可能有害地磨损和/或降 低该工具和装置的工作寿命。因此，专门的涂层，被称为金属喷涂层，通常施加至这些工具 和装置的外表面以保护它们免受严酷的状况。
[0010] 超音速火焰WC-10C〇-4Cr (HVOF)涂层是用在钻探工具上的传统金属喷涂层的一 种类型。HVOF涂层确实提供加强的保护，但是，常见的失效模式，包括起泡，剥落，和开裂已 在该领域观察到。
[0011] 因此，本领域仍然有用于井下工具和装置的改进的金属喷涂层材料的需求。该金 属喷涂层材料与传统金属喷涂层相比如果它们提供加强的屈服强度，耐腐蚀性，和耐热冲 击性，将特别地受到好评。
【发明内容】
[0012] 在一个实施方式中通过井下工具满足本领域的这些和其它需求。在一个实施方式 中，井下工具包括由金属或金属合金制成的主体。另外，该井下工具包括设置在主体上的涂 层。该涂层包括至少75体积％的平均晶粒尺寸小于1.0 μπι的碳化钨。涂层中晶粒尺寸小 于0. 5 μ??的碳化钨的含量在涂层的40至64体积％之间。
[0013] 在另一个实施方式中通过一种用于在井下工具上形成保护涂层的方法满足本领 域的这些和其它需求。在一个实施方式中，该方法包括（a)采用热喷涂体系沉积金属粉末 至井下工具。该金属粉末包括至少75体积％的碳化钨。另外，该方法包括（b)在（a)过程 中在井下工具上形成厚度大于0.002英寸的涂层。进一步，该方法包括（c)保持涂层中晶 粒尺寸小于0. 5 μπι的碳化钨的含量在涂层的40至64体积％之间。
[0014] 在另一个实施方式中通过钻探体系满足本领域的这些和其它需求。在一个实施方 式中，该体系包括从钻塔延伸至井下的钻柱。另外，该系统包括耦合至钻柱的井下马达。该 井下马达包括耦合至轴承组件的驱动部分。进一步，该体系包括耦合至井下马达的钻头。 该轴承组件包括壳体和可旋转支撑（rotatably supported)在壳体内的芯棒。该芯棒包括 主体和沉积在主体外表面上的保护涂层。该涂层包括至少75体积％的平均晶粒尺寸小于 I. 0 μπι的碳化钨。涂层中晶粒尺寸小于0. 5 μπι的碳化钨的含量在涂层的40至64体积％ 之间。
[0015] 在此描述的实施方式包括试图解决与某些现有装置、体系和方法相关的多种缺点 的特性和优势的组合。前述已经很广泛地概述了本发明的特性和技术优势，以便以下本发 明的详细描述可被更好地理解。以上描述的多种特性，以及其它特性对本领域的技术人员 来说在阅读以下详细描述的基础上及通过参考附图将是显而易见的。本领域技术人员应该 意识到，公开的构思和特定的实施方式可容易作为修改或设计为了实现与本发明相同的目 的的其它结构的基础。本领域技术人员同样应该认识到这样的等同结构不超出所附的权利 要求中提出的本发明的实质和范围。
【附图说明】
[0016] 为了详细地描述本发明的优选实施方式，现在将参考附图，其中：
[0017] 图1是一个钻探系统的实施方式的示意图，包括根据在此描述的原理的轴承芯 棒；
[0018] 图2是图1的井下马达的纵向截面图；
[0019] 图3是图2的芯棒的纵向截面图；
[0020] 图4A-4C是表1中列出的三个HVOF WC-10C〇-4Cr涂层样品的微观结构的扫描电 子显微照片；
[0021] 图5A-?是表1和2中列出的四个HVOF WC-10C〇-4Cr涂层在热冲击测试和染色 渗透检测后的每个样品的照片；
[0022] 图6A-6D是表1和2中列出的四个HVOF WC-10C〇-4Cr涂层在腐蚀测试后的每个 样品的照片；
[0023] 图7是依据表3中列出的每个HVOF WC-10C〇-4Cr涂层样品中尺寸小于0. 5μπι的 碳化钨的体积百分数的裂纹密度的图解说明；及
[0024] 图8是一个包括根据在此描述的原理的HVOF WC-10C〇-4Cr涂层的径向轴承实施 方式的分解图。
【具体实施方式】
[0025] 以下讨论针对本发明的多个实施方式。尽管可优选这些实施方式的一个或多个， 但是公开的实施方式不应该解释为，或另外用于限定本公开、包括权利要求的范围。另外， 本领域的技术人员将理解以下的描述具有广泛的应用，并且讨论的任一实施方式仅仅是该 实施方式的示例，并且不是意在宣布本公开、包括权利要求的范围限于该实施方式。
[0026] 以下描述和权利要求中使用一些术语指代特定的特征或组件。作为本领域的技术 人员将意识到不同的人可能采用不同的名称指代相同的特征或组件。该文件不是意在区分 名称上不同而非功能上不同的组件或特征。附图不一定是按照比例的。在此的一些特征或 组件可依比例放大或以稍微图解的形式显示，并且为了清晰和简洁，传统元件的一些细节 将不示出。
[0027] 在以下讨论和权利要求中，术语"包括"和"包含"用于开放式形式，并且因此应解 释为"包括，但不限于..."。同时，术语"耦合"欲指间接或直接连接。因此，如果第一装置 耦合至第二装置，该连接可直接连接，或通过经其它装置、组件和连接的非直接连接。另外， 在本文中使用时，术语"轴向的"和"轴向地"一般指沿或平行于中心轴（例如主体或接口 的中心轴），同时术语"径向的"和"径向地" 一般指垂直于中心轴。例如，轴向距离指沿或 平行于中心轴测量的距离，并且径向距离指垂直于中心轴测量的距离。
[0028] 现在参考附图1，显示了用于在地球层位内钻探钻孔16的钻探系统10。在这个实 施方式中，系统10包括在地面的钻塔11，从钻塔11向井下延伸的钻柱12,井下马达20,和 耦合至马达20的钻头15。井下马达20包括液压驱动或动力部分30,弯壳体21，和轴承组 件40。马达20构成了底部钻具组合（BHA)的一部分并设置在钻柱12的下端与钻头15之 间。液压驱动部分30将沿钻柱12向下泵送的钻探流体压力转换为钻头15上的旋转能量。 通过钻柱12和/或马达20施加力或重量至钻头15,同样称为钻压（WOB)，旋转的钻头15 啮合地球地层并行进以形成沿预定路径朝向目标区域的钻孔16。沿钻柱12向下泵送并经 过马达20的钻探流体或泥浆通过位于钻头刃面内的喷嘴穿过钻头15。钻探流体冷却钻头 15并从钻头15的刃面冲走切割物。钻探流体和切割物被从钻孔16的底部17推动通过在 钻柱12和钻孔侧壁19之间形成的环带18至地面。
[0029] 现在参考图2,弯壳体21设置在驱动部分30和轴承组件40之间。液压驱动部分 30包括螺旋形转子31，其优选由出于耐磨和耐腐蚀目的可以是镀铬的或被涂覆了的钢制 成，被安放在定子35内，所述定子包括沿螺旋形弹性体插入物37排列的热处理过的钢管 3