具有改进的磨耗和磨损性能的低摩擦涂层及其制备方法

具有改进的磨耗和磨损性能的低摩擦涂层及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及具有改进性能的涂料的领域。更具体地涉及多层低摩擦涂层，其具有 改进的耐磨耗和磨损性能，以及涉及制备这种涂层的方法和使用这种涂层降低摩擦和改进 耐磨性的方法。
【背景技术】
[0002] 大位移旋转钻探设备：
[0003] 在旋转钻探操作中，钻头与井底钻具组件的末端连接，所述井底钻具组件与包含 钻杆和钻具接头的钻柱连接，所述钻具接头可以通过旋转台或顶部驱动装置在表面上旋 转。钻柱和井底钻具组件的重量引起钻头在土中钻孔。随着操作的进行，向钻柱加入新钻 杆区段以增加其总体长度。在钻探操作期间定期地向裸钻孔加套管以稳定墙壁，并且再次 开始钻探操作。结果，钻柱通常同时在裸钻孔和在已经安装于钻孔中的套管内操作。或者， 挠性油管可以代替在钻具组件中的钻柱。钻柱和井底钻具组件的组合或挠性油管和和井底 钻具组件的组合在本文中称为钻柱组件。钻柱的旋转经由钻柱和井底钻具组件向钻孔提供 能量。在挠性油管钻探中，能量通过钻井液泵输送到钻头。可通过旋转输送的能量受限为 钻柱或挠性油管所能耐受的最大扭矩。
[0004] 在经地下地层钻孔期间，钻杆组件与钢套管和岩层两者进行大量滑动接触。该滑 动接触主要由钻杆组件在钻孔中的旋转和轴向运动引起。在钻杆组件的运动表面与套管和 地层的静止表面之间的摩擦在钻杆上形成相当大的拖滞，并在钻探操作期间引起过大的扭 矩和拖滞。摩擦导致的问题是任何钻探操作中固有的，但在定向钻探或大位移钻探（ERD) 井（ExtendedReachDrillingWell)中尤其麻烦。定向钻探或ERD是井眼相对于垂直方 向的有意偏移。在某些情况下，与垂直方向之间的角度可以相对于垂直方向高达90度。此 类井通常称为水平井，并且可以从钻探平台钻探到相当大的深度和相当大的距离。
[0005] 在所有钻探操作中，钻杆组件倾向于抵靠在钻孔或井套管侧上，但这种倾向由于 重力作用在定向钻探井中大得多。随着钻柱的长度或垂直方向偏离程度的增加，旋转的钻 杆组件所形成的摩擦量也增加。为克服这种摩擦增加，需要额外的动力来旋转钻杆组件。在 某些情况下，钻杆组件与套管壁或钻孔之间的摩擦超过钻杆组件能够承受的最大扭矩和/ 或钻机的最大扭矩容量且必须停止钻探操作。结果，能够利用可用的定向钻探设备和技术 钻探的井株受到限制。
[0006] 降低摩擦是在这种超大位移地下油气旋转钻探应用中的关键要求。一种降低由钻 柱组件与套管（在套管井的情况下）或钻孔（在裸眼井的情况下）之间接触所引起的摩 擦的方法是改进钻探泥浆的润滑性。在工业钻探操作中，已经试图通过主要使用基于水和 /或油的泥浆溶液降低摩擦，所述泥浆溶液含有各种类型的昂贵和通常环境不友好的添加 剂。柴油和其它矿物油也通常用作润滑剂，但是在处理泥浆方面存在问题。已经知道某些 矿物例如膨润土能帮助降低在钻柱组件与裸钻孔之间的摩擦。已经使用材料例如特氟龙降 低摩擦，但是这些材料缺乏耐久性和强度。其它添加剂包括植物油、沥青、石墨、洗涤剂和花 生壳，但是它们各自存在自身的限制。虽然这些泥浆实现了一些益处，但是泥浆的处理是个 问题。另外，更大的问题是COF随着温度的提高而增加，尤其是在基于水的泥浆的情况下。
[0007]另一种降低在钻柱组件与井套管或裸钻孔之间的摩擦的方法是在钻柱组件上使 用硬端面材料（在本文中也称为加硬带（hardbending)或硬面）。美国专利4,665, 996(将 其公开内容引入本文供参考）公开了使用具有以下组成的合金使得钻管的主要耐受表面 耐磨损：50-65%的钴，25-35%的钼，1-18%的铬，2-10%的硅，和小于0. 1%的碳，用于降 低在钻柱和套管或岩石之间的摩擦。结果，对于旋转钻探操作、尤其定向钻探所需的扭矩降 低。所公开的合金还提供了在钻柱上的优异耐磨损性，同时降低在井套管上的磨损。可以 使用堆焊或热喷方法将加硬带应用于部分的钻柱组件上。
[0008] 虽然加硬带能在一定程度上有效地用于保护钻具接头，但是已经知道碳化物粒子 引起套管材料的严重磨损，由此限制了此技术的有效性。
[0009] 另一种降低在钻柱组件与井套管或裸钻孔之间的摩擦的方法是使用铝钻柱，这是 因为铝比钢更轻。但是。铝钻柱是昂贵的，并且难以用于钻探操作中，并且其不能与许多类 型的钻井液相容（例如具有高pH的钻井液）。
[0010] 美国专利7, 182, 160、6, 349, 779和6, 056, 073公开了设计在钻柱中的沟槽段，用 于改进在环面中的液体流动和减少与钻孔壁之间的接触和摩擦。
[0011] 在地下旋转钻探操作、尤其定向钻探操作期间遇到的另一个问题是在套管和钻柱 组件上的磨损，这是当金属表面彼此接触时出现的。这种在油气井的钻探期间金属表面 之间的磨耗导致同时在钻柱组件和井套管上的过度磨损。目前，一种用于减少钻杆组件 的磨损的优选解决方案是钻杆组件的硬面部分。含有碳化钨的合金例如stellite 6和 Stellitel2(Cabot Corporation的商标）具有作为硬面材料的优异耐磨损性。硬面保护了 钻柱组件，但是倾向于引起井套管的过度磨耗。此问题在定向钻探期间是尤其严重的，这是 因为具有搁置于井套管上的倾向的钻杆组件随着钻柱旋转而连续地磨蚀井套管。另外，这 些硬面合金的一部分，例如碳化钨，可以导致摩擦问题更严重。
[0012] 经涂覆的带套筒的油气井生产设备：
[0013] 除了地下旋转油气钻探设备之外，在油气井生产设备中的摩擦也是个问题。油气 井生产设备存在基本的机械问题，这可能对于矫正、修复或减轻是昂贵的或甚至是禁止的。 摩擦在油田设备中是普遍存在的，在移动中发生接触磨损并损失它们的初始尺寸，并且这 些设备因为侵蚀、腐蚀和沉积物而受损。它们阻碍了成功操作，其可以由于选择使用如下 所述经涂覆的带有套筒的油气井生产设备来减缓。这些油气井生产设备包括但不限于钻 机设备，隔水管（MarineRiserSystem)系统，管状物品，井口，采油树（Tree)和阀；包括 人工举升设备的生产设备，完井管柱和设备；地层和砂石面完井工具；以及修井挖潜（well intervention)设备。
[0014] 石化和化学工业设备和装置：
[0015] 用于石化和化学生产中的设备的组件经受在机械和化学效果方面的下降。例如， 这些组件由于重复表面摩擦发生磨损，导致失效并需要修理或替换。在某些情况下，由于磨 损产生的残渣也可能污染产物，使得产物无法被接受。除了磨损之外，在表面之间的过度摩 擦也会增加操作所需的能量。较高的能量成本也可以在操作中泵送流体的同时达到，这是 由于在流体和用于输送流体的组件表面之间的过度摩擦或阻力。另一个组件变差可以涉及 腐蚀，在这种情况下需要定期地替换组件。腐蚀也可能导致在换热器管的内直径中的结焦， 导致传热效率的降低。这些是对成功石化操作的所有潜在阻碍，为了矫正、修理或减轻可能 是昂贵的或甚至禁止的。
[0016] 这些涂料的非限制性的示例应用包括挤出机，机筒，齿轮箱，轴承，压缩器，泵，管 道，套管，模塑模具，阀门，以及反应器容器。
[0017] 对于本发明的要求：
[0018] 考虑到对于大位移井旋转钻探设备、经涂覆的套筒油气井生产设备以及石化和化 学工业设备和装置的这些广泛要求的昂贵性质，需要具有改进性能的低摩擦涂层，例如摩 擦、磨损、磨耗、腐蚀、侵蚀和沉积物。关于这些应用的操作环境，其通常包括高负荷和严重 磨耗条件，传统和常规的低摩擦涂层（例如石墨，M〇S2，WS2)可能在一些情况下要求耐久性。 因此，需要开发低摩擦涂层，其与现有技术的涂料相比，能通过改进的耐磨耗性和在经涂覆 部件以及端面材料（例如套管钢）上都降低的摩擦而在这些环境中具有充足的耐久性。
[0019] 概述
[0020] 根据本发明的一个方面，有利的多层低摩擦涂层包含：i)选自CrN、TiN、TiAIN、TiAlVN、TiAIVCN、TiSiN、TiSiCN、TiAlSiN及其组合的底层，其中底层的厚度是 0.l-100ym，ii)选自0、11、51、1、0(：、11(：、51(：、1(：及其组合的粘合促进层，其中粘合促进 层的厚度是〇. 1-50ym，并且其与底层的表面邻接，和iii)选自基于富勒烯的复合材料、基 于金刚石的材料、类金刚石碳OLC)及其组合的功能层，其中功能层的厚度是0.l-50ym， 并且与粘合促进层的表面邻接。所述粘合促进层处于底层和功能层之间，并且也可以提供 附加的提高韧性的作用。通过环块摩擦实验检测，低摩擦涂层的功能层的摩擦系数小于或 等于0. 15,并且通过改良ASTMG105磨耗实验检测，低摩擦涂层的耐磨耗性获得小于或等于 20ym的磨损疤痕深度以及小于或等于0. 03克的重量损失。
[0021] 根据本发明的另一个方面，一种制备多层低摩擦涂层的方法，包括：i)提供用 于涂层的基材；ii)在基材表面上沉积选自CrN、TiN、TiAIN、TiAlVN、TiAIVCN、TiSiN、 TiSiCN、TiAlSiN及其组合的底层，其中底层的厚度是0.1-100ym，iii)在底层表面上沉 积选自Cr、Ti、Si、W、CrC、TiC、SiC、WC及其组合的粘合促进层，其中粘合促进层的厚度是 0. 1-50ym，并且其与底层的表面邻接，和iv)在粘合促进层的表面上沉积选自基于富勒烯 的复合材料、基于金刚石的材料、类金刚石碳OLC)及其组合的功能层，其中功能层的厚度 是0. 1-50ym，并且与粘合促进层的表面邻接。通过环块摩擦实验检测，低摩擦涂层的功能 层的摩擦系数小于或等于0. 15,并且通过改良ASTMG105磨耗实验检测，低摩擦涂层的耐磨 耗性获得小于或等于20ym的磨损疤痕深度以及小于或等于0. 03克的重量损失。
[0022] 所公开的多层低摩擦涂层、制备这种涂层的方法以及使用这种涂层用于地下旋转 钻探设备、经涂覆的套筒油气井生产设备以及石化和化学工业设备和装置的方法以及它们 的有利应用和/或用途的这些和其它特征以及优点将在以下详细说明、特别是结合所附的 附图而体现出来。
[0023] 附图简述
[0024] 为了帮助本领域技术人员制备和使用本发明的主题，参考附图，其中：
[0025] 图1显示了用不同涂层结构沉积的试样在高砂CETR-BOR试验之后的X-截面显微 照片，其中底层构成（含铁）基材，粘合促进CrN层（提高韧性）将一个或多个顶部功能层 从基材分开。关于结构的更详细说明可以参见下文中的表1。
[0026] 定义
[0027] "井底钻具组合"（BHA)包括一个或多个装置，包括但不限于稳定器、可变径稳定 器、回扩铰刀、钻铤、挠性钻铤、旋转导向钻具、辊扩孔器、减震接头、钻探液马达、随钻测井 (LffD)工具、随钻测量（MWD)工具、取芯钻具、下铰刀、扩孔器、扶正器、涡轮、弯壳体、弯曲 马达、随钻震击器、加速震击器、转换接头、缓冲震击器、扭矩降低工具、浮动接头、打捞工 具、打捞震击器、套洗管道、测井工具、勘测钻具接头，这些装置中任何一个的非磁性对等 物，以及它们的组合和它们相关的外部连接装置。
[0028] "套管"是安装在井眼中的管道，用于防止塌孔并使钻探能够以更高的流体密度且 在流体不会流入加套地层的情况下在套管管柱底部下方继续。通常，多个套管管柱安装在 直径逐渐变小的井眼中。
[0029] "套管扶正器"在它在孔内移动时被绑扎在套管的外侧。扶正器通常装备有钢簧或 金属指形件，其推靠在地层上以实现远离地层壁，其目的是扶正套管以在套管周围提供更 均匀的环形空间，从而实现更好的水泥密封。扶正器可包括指状装置以刮擦井眼，从而驱除 可能抑制水泥与地层直接接触的钻探流体滤渣。
[0030] "邻接的（Contiguous) "指的是互相相邻使得它们可共有共同的边缘或表面的物 体。"不邻接的（Non-Contiguous) "指的是由于它们偏离或互相移位而不具有共同的边缘或 表面的物体。例如，钻具接头是直径较大的缸，其是不邻接的，这是因为直径较小的缸（钻 管）定位在钻具接头之间。
[0031] "联轴器"是在两个管道之间的联接设备，通常是、但不必然是单独的设备，其可以 将两个较大的部件联接在一起。例如，联轴器用于连接在人工提升管泵送设备中的两个抽 油管。
[0032] "钻铤"是井底钻具组合中在钻头附近的重壁管道。钻铤的刚度帮助钻头直线钻 探，而钻铤的重量用于对钻头施加重量以向前钻探。
[0033] "钻杆"定义为管状管道的全长，由方钻杆（如果存在的话）、钻管和钻铤组成，其 从孔的表面到底部组成钻探组件。钻杆不包括钻头。在随钻加套操作的特殊情况下，用于 转入泥土地层的套管管柱将被视为钻杆的一部分。
[0034] "钻杆组件"定义为钻探钻柱和井底钻具组件的组合，或挠性油管和井底钻具组件 的组合。钻杆组件不包括钻头。
[0035] "钻探钻柱"定义为圆柱，或钻管的管柱，其附接有钻具接头，钻探钻柱与包括钻具 接头的井底钻具组件之间的过渡管道，包括钻具接头和耐磨垫的重质钻管，其将来自顶部 驱动装置或方钻杆的流体和旋转动力传输到钻铤和钻头。在某些参考文献中，但不是在本 文献中，术语"钻探钻柱"包括钻管和井底钻具组合中的钻铤两者。
[0036] "弯头、T形管和联接器"通常用于管道设备以便连接流动管线，从而完成用于流体 的流路，例如将井眼与地面生产设施连接。
[0037] "方钻杆"是穿过装备有老式旋转台设备的钻探平台上的钻机地板的平侧面多边 形管道部件。扭矩被施加至该四、六或八面管道部件以旋转在下方连接的钻管。
[0038] "测井工具"是通常在井内移动以进行测量的仪器，例如在钻杆上或在钢丝绳上的 开启或加套孔内钻探期间。该仪器安装在构造成伸入井内的一系列托架中，例如圆柱形装 置，其提供用于仪器的环境隔离。
[0039] "柱塞举升装置"是使油管管柱上下移动以从油管净化水（类似于管路"清管"操 作）的装置。在柱塞举升装置处于油管底部的情况下，清管装置设计成堵塞流体流动，并 因此通过来自下方的流体压力在孔内向上推动它。当柱塞举升装置在井眼内向上移动时， 它由于不允许水分离并流经柱塞举升装置而转移水。在油管的顶部，一个装置触发柱塞举 升装置构型的改变使得它现在旁通流体，由此重力克服向上的流动料流在油管内向下拉动 它。摩擦和磨损是柱塞举升装置操作的重要参数。摩擦降低了柱塞举升装置下落或上升的 速度，且外表面的磨损提供降低该装置在孔内向上移动时的效力的间隙。
[0040] "生产设备"是定义为包括与油和/或气井的钻探、完井、增产、修井或生产有关的 任何设备的广义术语。生产设备包括本文所述基于油气生产的目的使用的任何设备。为便 于确定术语，将流体注入井内定义为以负速度生产。因此，对用词"生产"的提及将包括"注 入"，除非另外声明。
[0041] "减震接头"是经改良的钻铤，其具有吸收震动的弹簧状元件以提供震击器接头的 两端之间的相对轴向运动。减震接头有时有用于钻探很硬的地层，其中可能出现高级别的 轴向震动。
[0042] "套筒"是设计用于固定于另一个部件上的管状部件。套筒的内表面和外表面可以 具有圆形或非圆形的横截面。内表面和外表面可以通常具有不同的几何形状，即外表面可 以是具有圆形横截面的圆柱形，而内表面可以具有椭圆形或其它非圆形的横截面。或者，外 表面可以是椭圆形的，内表面是圆形的，或者一些其它组合。针、狭缝和其它