面邻接的粘合促进层以及与 粘合促进层表面邻接的功能层的所述低摩擦涂层的方法还可以包括沉积1-100个系列的 额外涂层的步骤，其中每个系列的额外涂层包括额外粘合促进层、额外功能层和任选的额 外底层的组合，其中每个系列的增加涂层具有如下组成：A)任选的额外底层，其与功能层 和额外粘合促进层的表面邻接，其中任选的额外底层位于功能层和额外粘合促进层之间； B)额外粘合促进层，其与功能层或任选的额外底层和额外功能层的表面邻接，并且额外粘 合促进层位于功能层和额外功能层之间，或位于任选的额外底层和额外功能层之间；和C) 额外功能层，其与额外粘合促进层的表面邻接。
[0105] 在本发明制备低摩擦涂层的方法中，任选的额外底层可以由各种不同的材料制 成，包括但不限于CrN、TiN、TiAlN、TiAlVN、TiAlVCN、TiSiN、TiSiCN、TiAlSiN及其组合。任 选的额外底层的厚度可以是〇? 1-100um，或2-75ym，或2-75ym，或3-50ym，或5-35ym， 或 10-25ym。任选的额外底层可以具有 800-35000VHN或 1000-3300VHN或 1200-3000VHN 或 1500-2500VHN或 1800-2200VHN的硬度。
[0106] 在本发明制备低摩擦涂层的方法中，额外粘合促进层可以由以下非限制性的示 例材料制成：Cr、Ti、Si、W、CrC、TiC、SiC、WC及其组合。额外粘合促进层的厚度可以是 0-60ym，或 0? 1-50ym，或 1-25ym，或 2-20ym，或 3-15ym，或 5-10ym。额外粘合促进层 可以具有 200-2500VHN或 500-2000VHN或 800-1700VHN或 1000-1500VHN的硬度。也通常 在任选的额外底层和额外粘合促进层的界面处具有组成梯度或过渡，其可以在0. 01-10um 或0. 05-9ym或0. 1-8ym或0. 5-5ym的厚度范围内变化。
[0107] 在本发明制备低摩擦涂层的方法中，额外功能层可以由各种不同的材料制成，包 括但不限于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。非 限制性示例的基于金刚石的材料包括化学气相沉积（CVD)的金刚石或聚晶金刚石复合 片（PDC)。非限制性示例的类金刚石碳包括ta-C，ta-C:H，DLCH，PLCH，GLCH，Si-DLC，N-DL C，〇-DLC，B-DLC，Me-DLC，F-DLC，以及它们的组合。额外功能层的厚度可以是0.l-50ym， 或0? 2-40ym，或0? 5-25ym，或1-20ym，或2-15ym，或5-10ym。额外功能层可以具 有 1000-7500VHN或 1500-7000VHN或 2000-6500VHN或 2200-6000VHN或 2500-5500VHN 或3000-5000VHN的硬度。额外功能层的表面粗糙度可以是0.Olym-l.OymRa，或 0? 03ym_0. 8ymRa，或 0? 05ym_0. 5ymRa，或 0? 07ym_0. 3ymRa，或 0? 1ym_0. 2ym Ra。也通常在额外粘合促进层和额外功能层的界面处具有组成梯度或过渡，其可以在 0? 01-10ym或0? 05-9ym或0? 1-8ym或0? 5-5ym的厚度范围内变化。
[0108] 在本发明制备低摩擦涂层的方法中，通过环块摩擦实验检测，所述低摩擦涂层的 功能层的摩擦系数是小于或等于0. 15,或小于或等于0. 12,或小于或等于0. 10,或小于或 等于0. 08。通过环块摩擦实验检测，本文公开的多层低摩擦涂层得到小于或等于500ym、 或小于或等于300ym、或小于或等于100ym、或小于或等于50ym的配合端面磨损疤痕深 度。
[0109] 本发明制备低摩擦涂层的方法也获得在耐磨性方面的出人意料的改进效果。改良 ASTMG105磨耗实验可以用于检测耐磨性。尤其是，通过改良ASTMG105磨耗实验检测耐磨耗 性，本文公开的多层低摩擦涂层得到的磨损疤痕深度和重量损失比相同功能层的单层涂层 低至少5倍，或低至少4倍，或低至少2倍。通过改良ASTMG105磨耗实验检测，本文公开的 多层低摩擦涂层获得的磨损疤痕深度是小于或等于20ym，或小于或等于15ym，或小于或 等于10ym，或小于或等于5ym，或小于或等于2ym。通过改良ASTMG105磨耗实验检测，本 文公开的多层低摩擦涂层获得的重量损失是小于或等于〇. 03克，或小于或等于0. 02克，或 小于或等于〇. 01克，或小于或等于〇. 005克，或小于或等于0. 004克，或小于或等于0. 001 克。
[0110] 对于本发明制备低摩擦涂层的方法，沉积一个或多个底层、一个或多个粘合促进 层和/或一个或多个功能层的步骤可以选自以下非限制性的示例方法：物理气相沉积，等 离子辅助的化学气相沉积，以及化学气相沉积。非限制性示例的物理气相沉积涂覆方法是 磁控溅射、离子束辅助沉积、阴极电弧沉积和脉冲激光沉积。
[0111] 本发明制备低摩擦涂层的方法还可以包括将最外功能层进行后处理的步骤以达 到表面粗糖度为0.011^111-1.0 1^1111^，或0.03 1^111-0.8 1^1111^，或0.05 1^111-0.5 1^1111^，或 0. 07ym-0. 3ymRa，或0.lym-0. 2ymRa。非限制性示例的后处理步骤可以包括机械抛 光、化学抛光、光滑层沉积、超细超级抛光工艺、摩擦化学抛光工艺、电化学抛光工艺及其组 合。
[0112] 本发明制备低摩擦涂层的方法可以应用于各种用于涂覆的基材的表面。用于涂覆 方法的基材的非限制性例子包括钢、不锈钢、加硬带、铁合金、铝基合金、钛基合金、陶瓷和 镍基合金。加硬带材料的非限制性例子包括基于金属陶瓷的材料，金属基质复合材料，纳米 结晶金属合金，无定形合金，以及硬金属合金。其它非限制示例类型的加硬带包括元素钨、 钛、铌、钼、铁、铬和硅的碳化物、氮化物、硼化物和氧化物，它们分散在金属合金基质内。这 种加硬带可以通过焊接遮盖、热喷涂或激光/电子束覆层来沉积。加硬带层的厚度可以等 于外涂层的厚度或是外涂层厚度的数倍。非限制性示例的加硬带厚度是在钻杆组件表面上 的约和3mm。加硬带表面可以具有图案设计以降低导致磨损的磨料粒子的夹带。 本文公开的多层低摩擦涂层可以沉积在加硬带图案的顶部上。加硬带图案可以包括凹进和 凸起区域，并且加硬带中的厚度变化可以与其总厚度那样多。
[0113] 本发明制备低摩擦涂层的方法可以施用于设备的一部分表面上，所述设备选自以 下的非限制性示例类型：用于地下旋转钻探的钻头，用于地下旋转钻探的钻杆组件，套管， 油管，联轴器，工作钻柱，挠性油管，管道，提升器，活塞，扶正器，完井钻柱，生产钻柱，以及 石化和化学生产设备。另外，本文公开的多层低摩擦涂覆方法可以施用于在本文定义部分 中所述的设备的一部分表面上。
[0114] 使用多层低摩擦涂层的示例性方法的实施方案：
[0115] 本发明公开的多层低摩擦涂层可以施用于设备的一部分表面上，所述设备选自以 下的非限制性示例类型：用于地下旋转钻探的钻头，用于地下旋转钻探的钻杆组件，套管， 油管，联轴器，工作钻柱，挠性油管，管道，提升器，活塞，扶正器，完井钻柱，生产钻柱，以及 石化和化学生产设备。
[0116] 更尤其是，本文公开的多层低摩擦涂层可以用于改进钻具的性能，尤其是用于在 含有粘土和相似物质的地层中钻探的钻头。本发明公开了使用低表面能新型材料或涂覆体 系以提供热力学低能量表面，例如用于井底钻具组件的非水润湿性表面。本文公开的多层 低摩擦涂层适合用于在多粘土区域（gumbo-prone)区域中的油气钻探，例如使用基于水的 钻探液（本文简写为WBM)进行高粘土含量的深页岩钻探，以防止钻头和井底钻具组件结 球。
[0117] 此外，本文公开的多层低摩擦涂层当涂敷至钻柱组件时能够同时减少接触摩擦、 钻头结球并减少磨损，且同时不会牺牲在加套管钻孔处的耐久性和机械完整性。因此，本文 公开的多层低摩擦涂层是"套管友好的"，因为它们不会缩短套管的寿命或使套管的功能退 化。本文公开的涂层的特征也在于对速度减弱摩擦性能不太敏感或不敏感。因此，具有本 文公开的多层低摩擦涂层的钻杆组件提供了低摩擦表面，其优点既在于减轻了卡瓦粘附振 动，又减少了寄生转矩，从而进一步实现了超大位移钻探。
[0118] 用于钻杆组件的本发明多层低摩擦涂层提供了以下示例性的非限制性优点：i) 减轻卡瓦粘滞振动，ii)减少扭矩和拖滞以便延长大位移井的位移，以及iii)减轻钻头和 其它井底钻具组件的结球。这三个优点连同最小化寄生转矩可以引起井底钻探设备的穿透 钻速及耐久性的显著改善，从而也有助于缩短非生产时间（本文简写为NPT)。本文公开的 多层低摩擦涂层不仅减少摩擦，而且还耐受要求化学稳定性、耐腐蚀性、抗冲击性、耐磨损、 耐侵蚀性和机械完整性（涂层_基材界面强度）的不利井下钻探环境。本文公开的多层低 摩擦涂层也能经得起复杂几何形状应用的检验而不会损坏基质性质。此外，本文公开的多 层低摩擦涂层还提供了防止井底组件结球所需的低能量表面。
[0119] 主体组件或经涂覆的钻杆组件可以包括在暴露的外表面的至少一部分上的加硬 带，从而提供改进的耐磨性和耐久性。钻杆组件经历在加硬带区域中的显著磨损，这是因为 这些区域是在钻杆和套管或裸钻孔之间的主要接触点。磨损可以由夹带在界面中并磨蚀表 面的磨砂和岩石颗粒加剧。在经涂覆的钻杆组件上的本发明涂层显示高硬度性能以帮助减 轻磨料磨损。使用具有图案设计的表面的加硬带可以促进磨料粒子流过经涂覆的加硬区域 并减少磨损量和对涂层和组件的加硬部分的损害。使用涂层以及带图案的加硬带将进一步 减少由于磨料粒子引起的磨损。
[0120] 所以，本发明的另一个方面是在主体组件的暴露外表面的至少一部分上在加硬带 上使用多层低摩擦涂层，其中加硬带表面具有图案设计以减少引起磨损的磨料粒子的夹 带。
[0121] 在钻探期间，磨砂和悬浮在钻井液中的其它岩石粒子会迀移到在主体组件或钻柱 组件与套管或裸钻孔之间的界面中。这些磨料粒子一旦进入此界面，就会加速主体组件、钻 柱组件和套管的磨损。需要延长设备寿命以使得钻探和经济效率最大化。因为在主体组件 或钻柱组件的表面之上的加硬带与套管或裸钻孔之间的接触最大，所以其经历了由于夹带 砂子和岩石颗粒引起的最多磨损。所以有利的是一起使用加硬带和多层低摩擦涂层以提供 磨损保护和低摩擦。另外有利的是使用具有图案设计的加硬带，其中在加硬带材料之间的 沟槽允许颗粒流过加硬区域且不会被夹带和磨蚀界面。甚至更有利的是减少在加硬带和套 管或裸钻孔之间的接触面积，从而减轻由于岩石切割引起的发粘或成球。多层低摩擦涂层 可以按照任何排布施用，但是优选其施用于图案的全部区域，因为流过所述图案的物质将 具有减少的粘附于管道上的机会。
[0122] 本发明的一个方面涉及一种有利的用于地下旋转钻探操作的经涂覆的钻杆组件， 其包含：具有暴露外表面的主体组件，其包括与井底钻具组件连接的钻柱，与井底钻具组件 连接的挠性油管，或与井底钻具组件连接的套管钻柱，在主体组件的暴露外表面的至少一 部分上的加硬带，其中加硬带表面可以具有或不具有图案设计，在至少一部分加硬带上的 多层低摩擦涂层，以及位于加硬带和多层低摩擦涂层之间的一个或多个缓冲层。
[0123] 本发明的另一个方面涉及一种有利的在地下旋转钻探操作期间降低在经涂覆的 钻杆组件中的摩擦的方法，其包含：提供钻杆组件，其包含具有暴露外表面的主体组件，所 述主体组件包括与井底钻具组件连接的钻柱，与井底钻具组件连接的挠性油管，或与井底 钻具组件连接的套管柱，在主体组件的暴露外表面的至少一部分上的加硬带，其中加硬带 表面可以具有或不具有图案设计，在至少一部分加硬带上的多层低摩擦涂层，以及位于加 硬带和多层低摩擦涂层之间的一个或多个缓冲层；并且在地下旋转钻探操作中使用经涂覆 的钻杆组件。
[0124] 本发明的另一个方面涉及在主体组件的外表面或加硬带与多层低摩擦涂层之间 设置一个或多个缓冲层。缓冲层可以是通过一种或多种包括以下的技术产生或沉积的：电 化学或无电镀覆方法，等离子气相沉积（PVD)或等离子辅助化学气相沉积（PACVD)方法，渗 碳、氮化或硼化方法，或者超细超抛光方法。缓冲层可以是渐变的，并且可以用于多个功能 目的，包括但不限于：减少表面粗糙度，改进与其它层的粘合性，改进机械完整性和性能。
[0125] 本发明的另一个方面涉及一种有利的在主体组件的外表面或加硬带与多层低摩 擦涂层之间形成一个或多个缓冲层的方法。缓冲层可以是通过一种或多种包括以下的技术 产生或沉积的：电化学或无电镀覆方法，等离子气相沉积（PVD)或等离子辅助化学气相沉 积（PACVD)方法，渗碳、氮化或硼化方法，或者超细超抛光方法。缓冲层可以是渐变的，并且 可以用于多个功能目的，包括但不限于：减少表面粗糙度，改进与其它层的粘合性，改进机 械完整性和性能。
[0126] 在另一个实施方案中，缓冲层可以与加硬带一起使用，其中加硬带位于暴露的外 表面或内表面的至少一部分上，从而向经涂覆的钻杆组件提供改进的耐磨性和耐久性，其 中加硬带表面可以具有图案设计以降低导致磨损的磨料颗粒的夹带。另外，多层低摩擦涂 层可以沉积在缓冲层的顶部上。
[0127] 关于各层和界面的其它细节
[0128] 关于用于本文公开的多层低摩擦涂层中的功能层的其它细节如下所述：
[0129] 基于富勒稀的复合材料：
[0130] 包括类富勒烯纳米粒子的基于富勒烯的复合材料涂层也可以用作一个或多个功 能层。类富勒烯纳米粒子与典型的金属相比具有有利的摩擦学性质，同时减轻常规分层材 料（例如，石墨、M〇S2)的缺点。近球形富勒烯也可起到纳米级球轴承的作用。中空类富勒 烯纳米粒子的主要有利益处可有助于以下三种作用：（a)滚动摩擦，（b)富勒烯纳米粒子用 作间隔装置，其消除了两个匹配的金属表面的微凸体之间的金属间接触，以及（c)三种本 体材料转移。当纳米粒子的形状得以保持时，在摩擦表面之间的界面中的类富勒烯纳米粒 子的滑动/滚动可以是在低负荷下的主摩擦机制。类富勒烯纳米粒子的有利效果随着负荷 而增加。发现类富勒烯纳米粒子的外片层在高接触负荷（约lGpa)下发生剥落。剥落的类 富勒烯纳米粒子的转移在苛刻的接触条件下似乎是主要的摩擦机制。能够通过将这些粒子 引入到涂层的粘结相中以充分利用类富勒烯纳米粒子的机械和摩擦性质。此外，将类富勒 烯纳米粒子引入到金属粘结相中的复合材料涂层（例如，Ni-P化学镀覆）能够提供具有适 用于本发明多层低摩擦涂层的功能层的自润滑和优异防粘附特性的薄膜。
[0131] 超硬材料（金刚石、类金刚石碳）
[0132] 可以使用超硬材料、诸如金刚石和类金刚石碳（DLC)作为用于本发明多层低摩擦 涂层的功能层。金刚石是人类已知的最硬的材料，并且在特定条件下当通过化学气相沉积 (本文简写为CVD)沉积时可产生低摩擦系数。
[0133] 在一个有利的实施方案中，可以使用类金刚石碳（DLC)作为本文所述多层低摩擦 涂层中的功能层。DLC表示非晶态碳材料，其显示一些类似于天然金刚石的独特性质。合适 的类金刚石碳0>LC)层或涂层可以选自ta-C，ta-C:H，DLCH，PLCH，GLCH，Si-DLC，含钛的类 金刚石碳（Ti-DLC)，含铬的类金刚石碳（Cr-DLC)，Me-DLC，F-DLC、S-DLC、其它DLC层类型 和它们的组合。DLC涂层包括显