CN102362044B - 经涂覆的油气井生产装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及经涂覆的油气井生产装置以及制造和利用此类经涂覆的装置的方法。在一种形式中，经涂覆的油气井生产装置包括具有一个或多个本体的油气井生产装置，以及该一个或多个本体的至少一部分上的涂层，其中该涂层选自非晶态合金、经热处理的基于非电镀或电镀镍-磷复合材料(其中磷含量大于12wt％)、石墨、MoS2、WS2、基于富勒烯的复合材料、基于硼化物的金属陶瓷、准晶态材料、基于金刚石的材料、类金刚石碳(DLC)、氮化硼和它们的组合。经涂覆的油气井生产装置可为油气井的井建造、完井和生产提供减少的摩擦、磨损、腐蚀、侵蚀和沉淀物。

Description

经涂覆的油气井生产装置
技术领域
本发明涉及油气井生产操作的领域。本发明更具体地涉及使用涂层来减少油气井生产装置上的摩擦、磨损、腐蚀、侵蚀和沉淀物。此类经涂覆的油气井生产装置包括钻机设备、隔水管(marinerisersystem)系统、管状物品(套管、油管和钻柱)、井口、采油树(tree)和阀、完井管柱和设备、地层和砂石面完井工具、人工举升设备和修井挖潜设备。
背景技术
油气井生产存在基本的机械问题，其校正、修理或减轻可能成本过高或甚至是禁止的。摩擦在油田中是无处不在的，处于移动接触状态的设备磨损并损失它们的原始尺寸，设备可以由于腐蚀和侵蚀而劣化，且设备上的沉淀物会粘附并妨碍它们的操作。这些都是对成功操作的潜在障碍，并且所有五个机械问题，即摩擦、磨损、腐蚀、侵蚀和沉淀物，可以通过如下所述的选择性地使用涂层来减轻。
钻机设备
在将特定位置确定为预期油气区以后，生产操作以钻机的运动和操作开始。在旋转钻探操作中，钻头附接到井底钻具组合组件的端部上，所述井底钻具组合附接到包括钻管和钻具接头的钻柱上。钻柱可以通过旋转台或顶部驱动单元在表面旋转，并且钻柱和井底钻具组合的重量致使旋转钻头在泥土中钻孔。随着操作进行，对钻柱增加新的钻管区段以增加其总长度。在钻探操作期间定期对开启的钻孔加套以使壁稳定，并且恢复钻探操作。结果，钻柱通常既在开启的钻孔(“裸孔”)中又在已安装在钻孔的套管(“加套孔”)内操作。可选地，挠性油管可以代替钻探组件中的钻柱。钻柱与井底钻具组合组件或挠性油管与井底钻具组合组件的组合在本文称为钻杆组件。钻柱的旋转经钻柱和井底钻具组合组件向钻头提供动力。在挠性油管钻探中，动力通过钻探流体传递到钻头。可以通过旋转传输的动力的量被限制在钻柱或挠性油管能够承受的最大扭矩。
在一种可选和不常用的钻探方法中，套管本身用于钻入地层内。切削元件附于套管的底端上，且套管可以旋转以转动切削元件。在以下说明中，对钻杆的提及将包括用于采用该“随钻加套”方法钻探地层的“钻探加套管柱”。
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。钻杆组件的运动表面、组件以及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是井眼与竖向的有意偏移。在某些情况下，倾斜度(与竖向的角度)可大至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。
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。钻杆也可在其中钻孔壁或套管的局部曲率高的区域局部抵靠在钻孔壁或套管上。随着钻柱的长度或竖向偏离程度增加，旋转的钻杆组件所形成的摩擦量也增加。局部曲率增加的区域可增加旋转的钻杆组件所产生的摩擦的量。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，利用可用的定向钻探设备和技术能够钻探的井深最终被摩擦限制。
相对于外管进行滑动接触运动的一个管柱或更一般地在外缸筒内移动的内缸筒是这些操作的其中几个中的共同几何构型。用于减少管柱之间的滑动接触造成的摩擦的一种现有技术方法是改善环状流体的润滑性。在工业操作中，已尝试主要通过使用基于水和/或油的钻探液溶液(mudsolution)来减少摩擦，所述钻探液溶液含有各种类型昂贵且通常不环保的添加剂。对于许多这些添加剂来说，从这些添加剂获得的增加的润滑性随着钻孔的温度增加而减少。通常使用柴油和其它矿物油作为润滑剂，但可能存在钻探液处理的问题，并且这些流体在升高的温度下也失去润滑性。已知特定矿物例如皂土有助于减少钻杆组件与开启的钻孔之间的摩擦。已使用诸如特氟纶的材料来减少滑动接触摩擦，然而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、玻璃珠和胡桃壳，但均具有其本身的局限性。
用于减少钻管之间的摩擦的另一种现有技术方法是对内管柱使用铝材，因为铝比钢轻。然而，铝费钱并且可能难以在钻探操作期间使用，它的耐磨性不如钢，并且它与许多流体类型(例如，具有高pH值的流体)不兼容。可选地，本行业已开发出使内管柱在外管柱内“漂浮”以使套管和衬套以高斜度运行的装置，但循环在此操作期间受到限制且其无法顺应成孔过程。
用于减少管道的管柱之间的摩擦的另一种方法是在内管柱上使用硬质护面材料(本文也称之为环形加硬层(hardbanding)或硬护面材料(hardfacing))。美国专利No.4,665,996——通过引用将其全文并入本文——公开了使用涂敷至钻杆的主支承表面的硬护面材料，其中合金具有以下组分：50-65％的钴、25-35％的钼、1-18％的铬、2-10％的硅和低于0.1％的碳，以用于减少管柱与外壳或岩石之间的摩擦。结果，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钻柱的优异的耐磨性同时减少了井筒上的磨损。另一种形式的环形加硬层是涂敷至钻杆组件的WC-钴金属陶瓷。其它环形加硬层材料包括TiC、Cr-碳化物和其它混合的碳化物和氮化物系统。含有合金的碳化钨如Stellite6和Stellite12(Cabot公司的商标)作为硬护面材料具有优异的耐磨性，但可导致相对的装置的过度磨损。可使用堆焊法或热喷涂法将环形加硬层涂敷至钻杆组件。在钻探操作中，趋于靠在井筒上的钻杆组件在钻柱旋转时连续磨损井筒。
还有许多在钻机上形成金属间接触的设备，其承受摩擦、磨损、侵蚀、腐蚀和/或沉淀物。这些装置包括但不限于以下清单：泵送设备中的阀、活塞、缸和轴承；用于移动钻机以及钻探材料和设备的轮子、滑梁、滑垫(skidpad)、滑套(skidjack)和棘爪(pallet)；顶驱和卷扬设备；混合器、桨叶、压缩机、叶片和涡轮；以及旋转设备的轴承和牙轮钻头的轴承。
成孔以外的特定操作通常在钻探工艺期间进行，包括测量(log)裸孔(或护壁孔区段)以评估地层特性、钻芯以去除地层部分进行科学评估、捕获处于井底条件的地层流体进行流体分析、抵靠在井眼上安放工具以记录声学信号以及本领域的技术人员公知的其它操作和方法。
海洋隔水管系统
在海洋环境中，又一复杂性在于井口采油树可能是“干燥的”(在平台上位于海平面上方)或“湿润的”(位于海底上)。在任意情况下，已知为“隔水管”的传导管安放在水面与海底之间，其中钻杆设备向内延伸到隔水管并且钻探流体回到环形空间中。隔水管特别容易发生与在外静止管道中旋转内管道相关的问题，因为隔水管不是固定的，而是也可由于不仅与钻柱而且与海洋环境的接触而移动。海洋隔水管的拖滞和涡旋脱落导致负荷和振动，其部分是由于海洋隔水管的外表面周围的海水流的摩擦阻力。
管件
石油专用管件(OCTG)包括钻杆设备、套管、油管、工作管柱、挠性油管和隔水管。大部分OCTG(挠性油管除外)的共同点是螺纹连接，其遭受不适当的螺纹和/或密封件干涉引起的潜在故障，引起匹配的连接器的擦伤，其会由于损坏的连接装置而抑制整个管道接头的使用或重复使用。螺纹可为喷丸强化、冷轧和/或化学处理过的(例如，磷酸盐、镀铜等)以改善它们的防擦伤特性，并且采用适当的管螺纹组合为连接装置使用提供了益处。然而，当今仍存在与螺纹擦伤和干涉问题有关的问题，特别是用于极端的服务要求的更昂贵的OCTG材料合金。
井口、采油树和阀：
在套管的顶部，流体由井口设备容纳，所述井口设备通常包括多个阀和各种类型的防啧器(BOP)。地下安全阀是在紧急或混乱状态下必须正确地起作用的关键设备部件。地下安全阀安装在井底，通常安装在油管管柱中，并且可封闭以防止从地下流动。与井口连接的扼流器和流线(特别是接头和弯头)遭受摩擦、磨损、腐蚀、侵蚀和沉淀物。扼流器可被沙回流切断，例如，使得流速的测量不精确。
这些装置中的许多装置依赖于密封件和很紧密的机械公差，包括金属间和弹性体密封件。许多装置(套筒、套、润滑油嘴、针状物、闸门、滚珠、插头、交叉接头、联接器、封隔器、填料盒、阀杆、离心机等)遭受归咎于腐蚀和侵蚀的摩擦和机械退化，以及甚至由垢体、沥青、石蜡和水合物的沉淀引起的潜在堵塞。这些装置的一部分可安装在井底或海床上，但获得维修接近以便修理或恢复是不可能的或可能非常费钱的。
完井管柱和设备
在钻探被加套以防止塌孔和不受控的流体流动的情况下，必须执行完井操作以使井做好生产准备。该操作包括将设备送入和送出井眼以执行某些操作，例如涂水泥、射孔、增产(stimulating)和测井。完井设备的两种常用的传送装置是钢丝绳和管道(钻管、挠性油管或油管工作管柱)。这些操作可包括运行测井工具以记录地层和流体特性、使用射孔枪在套管中形成孔以允许烃生产或流体喷射、采用临时或永久插塞隔离流体压力、运行封隔器以有利于安置管道以提供管道内部与环形区域之间的密封以及运行涂水泥、增产和完井所需的其它类型的设备。钢丝绳工具和工作管柱可包括封隔器、跨式封隔器和套管补缀件，除封隔器安置工具以外，用于将阀和仪器安装在侧套中的装置以及用于执行井底操作的其它类型的设备。这些工具特别是在大位移井中的安放可能受摩擦拖滞妨碍。留在孔内用于生产的最终完井管柱一般称为生产油管管柱。
地层和砂石面完井：
在许多井中，存在砂石或地层材料流入井眼的趋势。为了防止发生这种情况下，跨完井层段在井内安放“砂石筛网”。该操作可包括配置专用大直径组件，包括在中心“基管”上的几种砂石筛网网眼设计的其中一种。筛网和基管频繁遭受侵蚀和腐蚀并且可能由于砂石“切削”而失效。此外，在大倾斜度井中，在将筛网送入井眼的同时遇到的摩擦拖滞阻力可能过大并限制这些装置的使用，或井眼的长度可能由于摩擦阻力而受可以进行筛网运行操作的最大深度的限制。
在需要砂石控制的这些井中，砂石状支撑材料即“支撑剂”被泵入筛网与地层之间的环形区域中以防止地层颗粒流经筛网。该操作叫做“沙砾封隔”，或在压裂状态进行的情况下可叫做“压裂封隔”。在许多其它地层中，通常在不带砂石筛网的井眼中，可进行压裂增产处理，其中在压裂状态喷射这种相同或不同类型的支撑材料以形成远离井眼延伸相当长的一段距离的大的受支撑的压裂翼，从而增加生产或喷射速度。随着支撑剂粒子彼此接触并接触约束壁，在泵送处理液的同时出现摩擦阻力。此外，支撑剂粒子在生产期间被压碎并产生增加了流体流动阻力的“细料”。支撑剂特性，包括颗粒的强度、摩擦系数、形状和粗糙度对于该处理的成功执行和井生产率或喷射率的最终增加是重要的。
人工举升设备
当开始从井生产时，其可能在其自身的压力下以令人满意的速度流动。然而，在某些地点的许多井终身需要协助将流体从井眼举升出来。使用许多方法来从井举升流体，包括：用于从井去除流体的抽吸杆、CorodTM和电动潜水泵，用于从主要气井置换液体的柱塞举升装置，以及用于减小液柱的密度的沿油管“气体举升”或喷射气体。可选地，可经沿油管隔开的阀喷射专用化学品以防止垢体、沥青、石蜡或水合物沉淀物的积聚。
生产油管管柱可包括用于辅助流体流动的装置。这些装置的其中几个可能依赖于密封件和很紧密的机械公差，包括金属间和弹性体密封件。部件(套筒、套、插塞、封隔器、交叉接头、联接器、孔、心轴等)之间的交界面遭受归咎于腐蚀和侵蚀的摩擦和机械退化，以及甚至垢体、沥青、石蜡或水合物的沉淀引起的潜在堵塞或机械配合干预。特别地，气体举升装置、潜水泵和其它人工举升设备可包括阀、密封件、转子、定子和可由于摩擦、磨损、腐蚀、侵蚀或沉淀物而无法正常操作的其它装置。
修井设备：
通常需要在储藏地层层段附近对井眼的井底操作，以收集数据或初始化、恢复或增加生产或喷射速度。这些操作包括将设备送入和送出井眼。完井设备的两种普通的传送装置是钢丝绳和管道。这些操作可包括运行测井工具以记录地层和流体特性、使用射孔枪在套管中形成孔以允许烃生产或流体喷射、采用临时或永久插塞以隔离流体压力、运行封隔器以有利于完井的层段之间的密封，以及运行其它类型的高度专业化设备。将设备送入和送出井的操作包括两个本体的相对运动引起的滑动接触，从而形成摩擦拖滞阻力。
因此，给定这些宽泛的对生产操作的要求的广泛性质，需要新的涂层材料技术，其保护装置免于两个或更多个装置与可能包含高速移动的固体粒子的流体流动流之间的滑动接触引起的摩擦、磨损、腐蚀、侵蚀和沉淀物。这种需要要求将高硬度与当与相对的表面相接触时低摩擦系数(COF)的能力相结合的新型材料。如果这种涂层材料也能够提供低能量表面和抵靠井眼壁的低摩擦系数，则该新型材料涂层可实现超大位移钻探、在困难环境(包括海上和深水场合)下的可靠和有效的操作，并贯穿油气井生产操作实现成本降低、安全性和操作改善。如设想的，在井生产装置上使用这些涂层可具有广泛的应用并向井生产操作提供显著的改善和扩展。
发明内容
根据本发明，一种有利的经涂覆的油气井生产装置包括：一个或多个圆柱形本体，以及所述一个或多个圆柱形本体的至少一部分上的涂层，其中该涂层选自非晶态合金、经热处理的基于非电镀或电镀镍-磷复合材料(其中磷含量大于12wt％)、石墨、MoS2、WS2、基于富勒烯的复合材料、基于硼化物的金属陶瓷、准晶态材料、基于金刚石的材料、类金刚石碳(DLC)、氮化硼和它们的组合。
本发明的又一方面涉及一种有利的经涂覆的油气井生产装置，包括：油气井生产装置，其包括一个或多个本体，其中附加条件是该一个或多个本体不包括钻头，以及该一个或多个本体的至少一部分上的涂层，其中该涂层选自非晶态合金、经热处理的基于非电镀或电镀镍-磷复合材料(其中磷含量大于12wt％)、石墨、MoS2、WS2、基于富勒烯的复合材料、基于硼化物的金属陶瓷、准晶态材料、基于金刚石的材料、类金刚石碳(DLC)、氮化硼和它们的组合。
本发明的再又一方面涉及一种有利的用于涂覆油气井生产装置的方法，包括：提供经涂覆的油气井生产装置，其包括油气井生产装置，该油气井生产装置包括一个或多个圆柱形本体，以及该一个或多个圆柱形本体的至少一部分上的涂层，其中该涂层选自非晶态合金、经热处理的基于非电镀或电镀镍-磷复合材料(其中磷含量大于12wt％)、石墨、MoS2、WS2、基于富勒烯的复合材料、基于硼化物的金属陶瓷、准晶态材料、基于金刚石的材料、类金刚石碳(DLC)、氮化硼和它们的组合，以及利用该经涂覆的油气井生产装置进行井建造、完井或生产操作。
本发明的再又一方面涉及一种有利的用于涂覆油气井生产装置的方法，包括：提供油气井生产装置，其包括一个或多个本体，附加条件是该一个或多个本体不包括钻头，以及该一个或多个本体的至少一部分上的涂层，其中该涂层选自非晶态合金、经热处理的基于非电镀或电镀镍-磷复合材料(其中磷含量大于12wt％)、石墨、MoS2、WS2、基于富勒烯的复合材料、基于硼化物的金属陶瓷、准晶态材料、基于金刚石的材料、类金刚石碳(DLC)、氮化硼和它们的组合，以及利用该经涂覆的油气井生产装置进行井建造、完井或生产操作。
所公开的经涂覆的油气井生产装置、用于涂覆这种装置以便减少这些应用区域中的摩擦、磨损、腐蚀、侵蚀和沉淀物的方法以及它们的有利应用和/或用途将从以下详细描述变得明显，特别是当结合在此附上的附图阅读时。
附图说明
为了帮助相关领域的普通技术人员制造和利用本发明的主题，对附图进行说明，在附图中：
图1示出了在整体生产过程的单独的井建造、完井、增产、修井和生产阶段中采用井生产装置的油气井生产系统。
图2示出了涂敷至用于地下钻探应用的钻杆组件的涂层的示例性应用。
图3示出了涂敷至井底钻具组合装置(这种情况下为铰刀、稳定器、铣刀和扩孔器(holeopener))的涂层的示例性应用。
图4示出了涂敷至海洋隔水管系统的涂层的示例性应用。
图5示出了涂敷至用于井底泵送操作的光杆、抽油杆和泵的涂层的示例性应用。
图6示出了涂敷至射孔枪、封隔器和测井工具的涂层的示例性应用。
图7示出了涂敷至钢丝绳和钢丝索以及成股的缆绳束的涂层的示例性应用。
图8示出了涂敷至用于砂砾封隔砂石控制操作的基管和筛网组件以及用于固体控制设备的筛网的涂层的示例性应用。
图9示出了涂敷至井口和阀组件的涂层的示例性应用。
图10示出了涂敷至孔板流量计、扼流器和涡轮流量计的涂层的示例性应用。
图11示出了涂敷至套洗打捞工具的抓钩(grapple)和卡瓦打捞筒(overshot)的涂层的示例性应用。
图12示出了为了防止垢体沉淀物沉淀而涂敷的涂层的示例性应用。
图13示出了涂敷至螺纹连接装置的涂层的示例性应用并示出了螺纹擦伤。
图14示意性地示出了在地下旋转钻探期间的钻速(ROP)与钻压(WOB)的关系。
图15示出了本文公开一些涂层的涂层COF与涂层硬度之间的关系与钢基套管的关系。
图16示出了典型的应力-应变曲线，其示出了非晶态合金与晶态金属/合金相比的高弹性极限。
图17示出了非晶碳的三元相图。
图18示出了氢悬键理论的示意图。
图19示出了DLC涂层在干滑动磨损试验中的摩擦和磨损性能。
图20示出了DLC涂层在油性钻探液中的摩擦和磨损性能。
图21示出了高温(150°F)DLC涂层在油性钻探液中的滑动磨损试验中的摩擦和磨损性能。
图22示出了高温(150°F和200°F)DLC涂层在油性钻探液中与未经涂覆的裸露钢和加硬层相比的摩擦性能。
图23示出了DLC涂层与未经涂覆的裸露钢基板相比的速度削弱性能。
图24示出了本文公开的单层和多层DLC涂层的SEM截面。
图25示出了DLC涂层的水接触角与未经涂覆的4142钢的关系。
图26示出了用于钻杆组件的加硬层上的混合DLC涂层的示例性示意图。
定义
“环形隔离阀”是在表面以用于控制从套管与油管之间的环形空间的流动的阀。
“沥青”是可沉淀在管道和其它流动设备上并因此形成流动约束的重烃链。
“基管”是用作砂石控制筛网的负荷支承装置的衬套。筛网附接至基管的外侧。基管的至少一部分可以预穿孔、开槽或装备有流入控制装置。基管在刻有螺纹以便在孔内运行的同时组装的接合区段中制成。
“轴承和套筒”用于提供用于两个装置在滑动接触中相对于彼此移动、尤其是允许相对旋转运动的低摩擦表面。
“耐磨接头(blastjoints)”是在增产处理期间跨流动穿孔使用或用于跨流体入口的井口中的厚壁管道。更大的壁厚和/或材料硬度阻止由于砂石或支撑剂冲击而完全侵蚀。
“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(LWD)工具、随钻测量(MWD)工具、取心钻具、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。
“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。
“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。
“随钻套管”指的是使用套管代替可取下的钻柱钻探的比较新和不常用的方法。当孔段已达到深度时，套管留在原位，执行操作以取下或置换在套管底部的切削元件，并且然后可泵送水泥浆。
“化学喷射系统”用于将化学抑制剂喷入井眼以防止垢体、甲烷水合物和其它沉淀物积聚在井眼中，所述积聚会影响生产。
“扼流器”是用于约束流速的装置。井一般在特定的扼流器尺寸上测试，其可像带有特定直径的孔的一块板那么简单。当砂石或支撑剂流经扼流器时，所述孔可能被侵蚀并且扼流器尺寸可能改变，从而使流速测量不精确。
“同轴”指的是具有基本上相同或沿同一直线的轴线的两个或更多个物体。“不同轴”指的是具有可能偏离但基本上平行或可能以另外的方式不沿同一直线的轴线的物体。
“完井滑动套筒”是安装在完井管柱中的装置，其选择性地使孔口能够开启或封闭，根据套的状态允许生产层段与油管连通或不连通。在长期使用过程中，成功操作滑动套筒取决于由于摩擦、磨损、沉淀物、侵蚀和腐蚀引起的操作套的阻力。
“复杂的几何形状”指的是基本上不包括诸如球形、圆柱形或立方体形的单一原始几何形状的物体。复杂几何形状可包括多种单一几何形状，例如具有许多不同半径的圆柱形、立方体形或球形，或可包括简单原始几何形状和其它复杂几何形状。
“连接销”是在管道的外表面上带有螺纹的一节管道。
“连接盒”是在管道的内表面上带有螺纹的一节管道。
“接触环”是附接到测井工具的构件上以实现工具远离套管或地层的壁的装置。例如，接触环可安装在射孔枪中的接头处以实现枪远离套管壁，例如在诸如“准时射孔(Just-In-TimePerforating)”(PCT申请No.WO2002/103161A2)的应用中。
“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，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。
“控制管线”和“导管”是小直径油管，其可在油管管柱外部延伸以向一个或多个井底装置提供液压压力、电压或电流或光纤路径。控制管线用于操作地下安全阀、扼流器和阀。喷射管线类似于控制管线并且可用于向井底阀喷射专业化学品以抑制垢体、沥青、石蜡或水合物形成，或用于减少摩擦。
“CorodTM”是在油杆泵吸生产操作中用作抽油杆的连续挠性油管。
“缸”是(1)由两个平行的平面界定并通过平行于给定平面移动、跟踪由所述平面界定的曲线、且位于垂直于或倾斜于所述给定平面的平面内的直线形成的表面或实体，和/或(2)任何缸状物体或部件，不论是实心的还是空心的(来源：www.dictionary.com)。
“井底工具”是通常以可取回的方式伸入井内，或可以固定在井内，以在井眼中执行某些功能的装置。某些井底工具可在诸如随钻测量(MWD)装置上运行，而其它井底工具可在钢丝绳上运行，例如地层测井工具或射孔枪。某些工具可在钢丝绳或管道上运行。封隔器是可在管道或钢丝绳上运行以便安置在井眼中以堵塞流动的井底工具，并且它可以是可取下的或固定的。存在许多业内普遍使用的井底工具装置。
“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。
“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。
“钻杆组件”定义为钻探钻柱和井底钻具组合或挠性油管和井底钻具组合的组合。钻杆组件不包括钻头。
“钻探钻柱”定义为圆柱，或附接有钻具接头的钻管的管柱，钻探钻柱与包括钻具接头的井底钻具组合之间的过渡管道，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。
“弹性密封件”用于提供两个装置之间的屏障，通常是金属的，以防止从密封件的一侧向另一侧流动。弹性密封件选自弹性或有弹力的一类材料的其中一种。
“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。
“可膨胀的管件”是诸如套管管柱和衬套的管状物品，其在孔内移动时略微缩短。一旦就位，就迫使直径较大的工具或膨胀心轴下移到可膨胀的管柱中以使其变形至较大直径。
“气体举升”是通过气体举升阀将气体喷入油管管柱而增加井眼中的烃流量的方法。该方法通常应用于油井，但也可应用于产生大量水的气井。增加的气体减少了流体柱的静压头。
“玻璃纤维”通常在小控制管线中向井底延伸并返回表面，用于测量井底特性，例如温度或压力。玻璃纤维可用于在沿井眼的精细空间样品提供连续读数。该纤维通常通过“转向接头”被向下泵送到一条控制管线中，并向上泵送到第二控制管线中。通过转向接头的摩擦和阻力可限制某些光纤装置。
“流入控制装置”(ICD)是跨地层层段的完井管柱中的可调节的孔口、喷嘴或流动通道，用于实现生产流体流入井眼的流速。这可以接合“智能”完井系统中的附加测量和自动化来使用。
“震击器”是用于当由操作员触发时施加大轴向负荷或冲击的井底工具。某些震击器通过设置配重块启动，而其它震击器当被向上拉时启动。通常进行震击器的启动以移动在井眼中堵塞的管道。
“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。扭矩施加至该四、六或八面管道部件以旋转在下方连接的钻管。
“测井工具”是例如在钻杆上或在钢丝绳上的开启或加套孔内钻探期间通常在井内移动以进行测量的仪器。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。
“组装”是将管道连接装置的销和盒拧紧在一起以实现两个管道部件的结合并在管道的内部和外部之间形成密封的过程。
“心轴”是装配在外缸内的圆柱形棒或轴。心轴可为封隔器中的主致动器，其使夹持单元或“卡瓦”向外移动以接触套管。术语“心轴”也可指被强制向下进入可膨胀的管件中以使其变形为较大直径的工具。心轴是几种油田装置中使用的普通术语。
用于砂石控制筛网的“金属网”包括按照对应的地层砂石粒径分布定制尺寸和隔开的编织金属长丝。筛网材料通常是耐腐蚀合金(CRA)或碳钢。
“MazefloTM”完井筛网是带有冗余砂石控制和阻挡隔室的砂石筛网。MazeFlo自动减轻筛网在局部隔室迷宫上的任何机械故障，同时允许烃连续流经未损坏的区段。流路偏离使得流动转向以重新分配来流动量(例如，参考美国专利No.7,464,752)。
“MoynoTM泵”和“渐进腔室泵”是安装在井底马达中的长筒体泵，所述马达在流体在外部定子与附接到轴上的转子之间流动时在轴内生成旋转扭矩。定子上通常比转子多一个凸耳，因此流向钻头的流体的力迫使转子转动。这些马达通常靠近钻头安装。可选地，在井底泵送装置中，能够施加动力以转动转子并从而泵送流体。
“封隔器”是可在井内安放在工作管柱、挠性油管、生产管柱或钢丝绳上的工具。封隔器提供封隔器上方和下方的区域的流体压力隔离。除提供必须耐用且承受严酷的环境条件的液压密封件以外，封隔器也必须抵抗由于封隔器上方和下方的流体压力差而引发的轴向负荷。
“封隔器锁闭机构”用于操作封隔器，以使封隔器通过封隔器连接到其上的管道的轴向移动来释放和接合卡瓦。当接合时，卡瓦被向外迫压进入套管壁，然后卡瓦的齿被大力压入套管件材料。钢丝绳封隔器通过拉动心轴以接合卡瓦的封隔器安置工具来运行，此后封隔器安置工具与封隔器分离并回到地面。
“MP35N”是主要包括镍、钴、铬和钼的金属合金。认为MP35N具有高耐腐蚀性并适于恶劣的井底环境。
“石蜡”是某些原油烃的蜡成分，其可沉淀在井眼和流动管线的壁上并从而导致流动约束。
“活塞”和“活塞衬套”是用于泵以便以对应的流体压力升高将流体从入口转移到出口的缸筒。衬套是活塞在其内往复运动的套筒。这些活塞类似于汽车发动机中存在的活塞。
“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，清管装置配置成堵塞流体流，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。
“生产装置”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装置的广义术语。生产装置包括本文所述基于油气生产的目的使用的任何装置。为便于确定术语，将流体喷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“喷射”，除非另外声明。
“往复运动的密封组件”是设计为在两个装置轴向移位时维持隔离的密封件。
“牙轮钻头”是装备有通常三个锥形切削元件以在土地中形成孔的泥土钻孔装置。
“旋转的密封组件”是设计为在两个装置旋转移位时维持压力隔离的密封件。
“砂石探头”是插入流动流以评定流中的砂石含量的小型装置。如果砂石含量高，则砂石探头可能被侵蚀。
“垢体”是管壁和其它流动设备上可能积聚并导致流动约束的矿物(例如，碳酸钙)沉淀物。
用于砂砾封隔操作的“维修工具”包括封隔器转换工具和尾喷管以在衬套和尾喷管周围顺着工作管柱向下循环，并回到环面。这容许与地层层段相对地安放泥浆。更一般地说，砂砾封隔维修工具是将砂砾封隔筛网运送到TD、安置并测试封隔器的工具组合，并控制在砂砾封隔操作期间泵送的流体的流路。该维修工具包括安置工具、转换器和密封在封隔器孔口中的密封件。该维修工具可包括防擦拭装置和流体损耗或换向阀。
“减震接头”是具有吸收震动的弹簧状元件以提供震击器的两端之间的相对轴向运动的经修改的钻铤。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。
“分流管”是在砂石控制筛网中延伸以在长或多区完井层段上分流砂砾封隔泥浆流直到实现完整的砂砾封隔的外管或内管。参看例如美国专利No.4,945,991、No.5,113,935和PCT专利公报WO2007/092082、No.WO2007/092083、No.WO2007/126496和No.WO2008/060479。
“侧套(sidepocket)”是油管中用于安放气体举升阀、温度和压力探头、喷射管线阀等的偏置厚壁接头。
“滑动接触”指的是进行相对运动的两个本体之间的摩擦接触，不论是否通过流体或固体分隔，后者包括流体中的粒子(皂土、玻璃珠等)或设计为产生滚动以减轻摩擦的装置。进行相对运动的两个本体的接触表面的一部分将总是处于滑动状态并因此滑动。
“智能井”是装备有装置、仪器和控制器以实现从指定层段选择性地流动以最大化希望的流体的生产并最小化不希望的流体的生产的井。可基于其它原因调节流速，例如出于地质力学原因控制地下水位下降或压力差。
“增产处理”管线是用于将泵送设备连接到井口以便进行增产处理的管道。
“地下安全阀”是安装在油管中(在海上操作中通常安装在海底下方)以切断流动的阀。有时这些阀被设定为在速度超过设定值的情况下、例如在地面密闭度损失的情况下自动关闭。
“抽吸杆”是将位于地面的梁式泵送单元与位于井底的抽吸杆泵连接的钢质杆。这些杆可用接头连接和螺纹连接或它们可为类似于挠性油管进行操纵的连续杆。当所述杆上下往复运动时，在杆与油管之间的接触位置存在摩擦和磨损。
“地面流动管线”是用于将井口连接到生产设施或可选地用于将流体排放到坑洞或火炬塔架的管道。
“螺纹连接装置”是用于连接管道区段并通过带交错螺纹或经加工的(例如，金属间密封件)零件之间的机械干涉实现液力密封的装置。通过使一个装置相对于另一个装置旋转组装或装配螺纹连接。两个管道部件可适于直接螺接在一起，或可将称为联接器的连接器部件旋拧到一个管道上，接下来将第二管道旋拧到联接器中。
“顶部驱动”是用于从位于沿附接到钻机井架上的轨道上下移动的台车上的驱动系统旋转钻管的方法和设备。顶部驱动是操作钻管的优选方式，因为它有利于管道的同时的旋转和往复运动以及钻探流体的循环。在直接钻探操作中，当使用顶部驱动设备时粘附管道的风险通常较低。
“油管”是在套管内侧安装在井内以允许流体流到地面的管道。
“阀”是用于控制流动管线中的流速的装置。存在多种阀装置，包括止回阀、闸阀、截止阀、球阀、针阀和塞阀。阀可手动、远程或自动操作，或这些操作方式的结合。阀性能很大程度上取决于密闭配合的机械装置之间建立的密封。
“阀座”是当阀操作以防止流经阀时动态密封件靠在其上的静态表面。例如，地下安全阀的挡板在其关闭时将靠在阀座上密封。
砂石控制操作中的“冲洗管道”是在筛网被安放在跨越地层层段的位置之后在基管内侧延伸的直径较小的管道。冲洗管道用于有利于跨整个完井层段的环形泥浆流动，在砂砾封隔处理期间进行回流，并在筛网-井眼环面中离开砂石封隔器。
“钢丝绳”是用于在井眼中运行工具和装置的缆索。钢丝绳通常包括许多扭绞在一起的较小的股束，但也存在单丝钢丝绳，或“光滑丝”。钢丝绳通常配置在安装在测井卡车或滑行单元上的大型鼓盘上。
“工作管柱”是用于执行井眼操作例如运行测井工具、从井眼捞出材料或水泥灌浆作业的通过接头连接的管道部件。
(注：以上定义的一部分来自《石油工业大辞典(ADictionaryforthePetroleumIndustry)》，第三版，奥斯丁德克萨斯大学，石油扩展部门，2001。)
具体实施方式
本文的详细描述和权利要求内的所有数值都以“约”或“大约”指示值进行修饰，并考虑了本领域的普通技术人员会想到的实验误差和变化。
本文公开了经涂覆的油气井生产装置以及制造和利用此类经涂覆的装置的方法。本文所述的涂层提供了本文公开的各种油气井装置和操作的显著的性能改进。图1示出了总的油气井生产系统，为该油气井生产系统如本文所述对特定生产装置涂敷涂层可提供这些装置的改进的性能。图1A是基于陆地的钻机10的示意图。图1B是经砂石12、页岩14和水16定向钻探到油田18中的钻机10的示意图。图1C和1D是生产井20和喷射井22的示意图。图1E是射孔枪24的示意图。图1F是砂砾封隔26和筛网衬套28的示意图。在不丧失一般原则的前提下，对于不同的井生产装置可以优选不同的发明涂层。对生产操作的整体概览表明了对于这些涂层的可能的油田应用的范围。
本文公开的涂覆此类装置的方法包括对将遭受摩擦、磨损、腐蚀、侵蚀和/或沉淀物的至少一个装置的一部分涂敷适当的涂层。涂层涂敷至至少一个装置的与另一种固体或与流体流动流相接触的表面的至少一部分，其中：涂层的摩擦系数小于或等于0.15；涂层的硬度大于400VHN；经涂覆的装置的耐磨性至少为未经涂覆的装置的3倍；和/或涂层的表面能量小于1J/m2。从本文公开的涂层选择合适的涂层、特定的应用方法和待涂覆以针对每个特定应用最大化该技术的技术和经济效益的表面的选择需要技巧。然而，这些多样化的应用领域当中存在向涂覆方法和应用提供统一的主题的共同要素。已想到特定的油田设备装置改型来利用该方法并且被包括在本发明的范围内。
2008年8月20日提交的美国临时专利申请No.61/189,530，在此通过引用全文并入，公开了在用于油气钻探应用中的钻杆组件上使用超低摩擦涂层。其它油气井生产装置可受益于本文公开的涂层的使用。钻杆组件是可受益于涂层的使用的生产装置的一个示例。操作钻杆组件的几何形状是包括圆柱形本体的一类应用的一个示例。在钻杆的情况下，实际钻杆组件是与套管或裸孔(openhole)滑动接触的内缸筒，以及外缸筒。这些装置可具有不同的半径并可选地可被描述为包括不同半径的多个邻接的缸筒。如下所述，油气井生产操作中存在几种其它圆柱形本体的情形，或由于相对运动滑动接触，或在与流体流动流接触后保持静止。通过考虑要解决的相关问题，通过评价接触或流动问题——待被解决以减轻摩擦、磨损、腐蚀、侵蚀或沉淀物，并通过正确地考虑如何将此类涂层涂敷至特定装置以实现最大的效能和益处，发明涂层可有利地用于这些应用中的每一个。
存在油气井生产装置的许多进一步的示例，其提供在各种本体的表面的各部分上有益地使用涂层的机会，如背景技术中所述的，包括：为了防止腐蚀和侵蚀并抵抗外表面或内表面或两者上的沉淀物而涂覆的静止本体；为了减少摩擦并抵抗侵蚀和磨损而涂覆的静止装置；为了减少组装摩擦、防止擦伤和金属间密封性能而涂覆的螺纹连接装置；以及为了减少摩擦和磨损并防止侵蚀、腐蚀和磨损而涂覆的轴承、套筒和其它几何形状。
在每一种情况下，都可能存在使用涂层来减轻摩擦、磨损、腐蚀、侵蚀和沉淀物的主动机和次动机。同一本体的不同部分可具有不同涂层，涂敷这些涂层以针对不同的涂层设计角度，包括要解决的问题，涂层的涂敷可以获得的技术，以及与每一种涂层相关的经济性。很有可能存在主导涂层涂敷的最终选择的许多权衡和折衷。
涂层的使用和相关益处的概述
在从井眼制备和生产烃的各个阶段期间所需的宽范围的操作和设备中，在不同情况下出现了几种原型应用。这些应用可被视为进行滑动接触的本体的各种几何形状和与固态物体的表面互相作用的流体流。以下枚举了几种特定的几何形状和示例性应用，但本领域的技术人员会理解涂层应用的宽泛范围并且该清单并不限制本文公开的发明方法的范围：
A.由于相对运动而滑动接触的经涂覆的圆柱形本体。
在贯穿生产操作无所不在的应用中，两个圆柱形本体相接触，并且当一个本体相对于另一个本体移动时发生摩擦和磨损。所述本体可包括多个圆柱形区段，其以不同的半径邻接地布置，并且所述圆柱体可同轴或不同轴地布置。可能希望涂覆圆柱形本体中的至少一个的小区域，有可能是以后可以维修或更换的可去除的零件。例如，涂覆钻管的钻具接头的各部分可为利用涂层减少钻杆与套管或裸孔之间的接触摩擦的有效方式。在另一个应用中，例如柱塞举升装置，可能有利的是涂覆较小的物体即柱塞举升装置的整个表面区域。除减少摩擦以外，也可借助于本文公开的涂层提高耐磨性能。进行滑动接触相对运动的经涂覆的圆柱形本体也可呈提高的硬度，这提供了提高的耐磨性。
此类应用的示例性清单如下：
钻管可掘进或放松而产生纵向运动并且可在套管或裸孔内旋转。摩擦力和装置磨损随着井倾斜度增加(由于局部井眼曲率增加)并随着接触负荷增加而增加。该摩擦负荷导致必须由钻机和钻柱装置(参看图2)克服的显著的钻探扭矩和拖滞。图2A示出了在定向或水平井中的钻柱组件30中发生的偏转。图2B是带有螺纹连接装置35的钻管32和钻具接头34的示意图。图2C是钻头和井底钻具组合36的示意图。图2D是套管38和钻具接头39的示意图，示出了两者之间发生的接触以及如何使用本文公开的减少摩擦的涂层在钻具接头39在套管38内旋转时减少两个构件之间的摩擦。本文公开的低摩擦涂层将减小使钻具接头39在套管38内转动以钻探横向井所需的扭矩。涂层也可用于管道连接装置35中。
井底钻具组合(BHA)装置在钻杆组件上、位于钻管下方并且可承受类似的摩擦和磨损，因此本文公开的涂层可减少这些机械问题(参看图3)。特别地，涂敷至BHA装置的本文公开的涂层可减少在与裸孔接触的部位的摩擦和磨损并延长钻具寿命。本文公开的涂层的低表面能量也可抑制地层切削物粘附在钻具上并也可延长腐蚀和侵蚀极限。也可减少差异化粘附的趋势。图3A是用于井底钻具组合装置中的铣刀40的示意图。图3B是用于井底钻具组合装置中的钻头41和扩孔器42的示意图。图3C是用于井底钻具组合装置中的铰刀44的示意图。图3D是用于井底钻具组合装置中的稳定器46的示意图。图3E是用于井底钻具组合装置中的接头48的示意图。
钻柱在海洋隔水管内操作并且可由于钻探操作而导致隔水管磨损。在隔水管内的耐磨垫和其它装置上以及钻柱的钻具接头上使用涂层将减少钻探引起的隔水管磨损(参看图4)。由于海流引起的隔水管的振动可通过涂层减轻，并且也可抑制海洋生物，进一步减少与流动的海流相关的拖滞。参照图4，在隔水管管道外表面50上使用本文公开的涂层可用于减少海流引起的摩擦和振动。此外，在内部套筒52和其它接触部位上使用本文公开的涂层可用于减少摩擦和磨损。
柱塞举升装置通过在油管管柱内上下移动而从井去除水。柱塞举升装置外径和油管内径两者都可受磨损影响，并且柱塞举升装置的效果随着磨损和接触摩擦因素下降。减少摩擦将增加柱塞举升装置操作的最大允许偏差，从而增加该技术的应用范围。减少油管和柱塞举升装置两者的磨损会延长需要维修的时间间隔。从操作的角度看，也非常希望减少油管内径的磨损。此外，涂覆柱塞举升装置的内表面可能是有益的。在旁通状态下，如果通过钻具的内部部分上的涂层减少了流动阻力，则流体将更容易流经钻具，从而允许钻具更快下降。
完井滑动套筒可沿轴向移动，例如通过敲击挠性油管以使圆柱形套筒相对于也可能呈圆柱形的钻具本体上下移位。这些套筒由于归咎于地层材料以及垢体和沉淀物的积聚的损坏而容易发生摩擦、磨损、侵蚀、腐蚀和粘附。
抽吸杆和CorodTM管件在泵油机(pumpingjack)中用于将油泵送到低压井的表面，并且它们也可用于从气井中泵出水。摩擦和磨损随着杆相对于油管管柱移动而连续发生。摩擦减少可实现选择较小的泵油机并减少井泵送操作(参看图5)的动力需求。参照图5A，本文公开的涂层可以用在杆泵送装置的接触部位上，包括但不限于抽吸杆导向器60、抽吸杆62、油管封隔器64、井底泵66和孔眼68。参照图5B，本文公开的涂层可用在光杆夹具70和光杆72上以提供平滑的耐用表面以及良好的密封。图5C是抽吸杆62的示意图，其中本文公开的涂层可用于防止螺纹连接装置74上的摩擦和磨损。
钻机上用于钻探流体的泵和用于井增产作业中增产流体的泵中的活塞和/或活塞衬套可被涂覆以减少摩擦和磨损，从而实现提高的泵性能和更长的装置寿命。由于使用特定设备来泵送酸性物，因此涂层也可减少对这些装置的腐蚀和可能的侵蚀。
可膨胀的管件通常在孔内延伸，由悬挂组件支承，然后通过使心轴贯穿管道延伸而膨胀。涂覆心轴的表面可极大地减少心轴负荷并在倾斜度高于其它井的井内实现可膨胀管件应用。可通过显著的摩擦减少提高膨胀操作的速度和效率。心轴是锥形圆柱体并且可被认为包括不同半径的邻接圆柱体；可选地，锥形心轴可被认为具有复杂的几何形状。
控制管线和管道可在内部涂覆以便减少流动阻力和腐蚀/侵蚀作用。玻璃长丝纤维可在内部涂覆的导管被向下泵送并以减少的阻力在接头中转向。
在井眼中操作的工具通常是圆柱形本体或包括在套管、油管和裸孔中在钢丝绳或刚性管道上操作的不同半径的邻接圆柱体的本体。摩擦阻力随着井眼倾斜度增加或局部井眼斜率增加而增加，从而使得此类工具的操作在钢丝绳上不可靠。涂敷至接触表面的涂层可使此类工具能够以更高的倾斜度在钢丝绳上可靠地操作。此类工具的清单包括但不限于：测井工具、射孔枪和封隔器(参见图6)。参照图6A，本文公开的涂层可以用在卡尺测井工具80的外表面上以减少与裸孔82或套管(未示出)的摩擦和磨损。参照图6B，本文公开的涂层可以用在声学测井工具84(包括但不限于信号发射器86和信号接收器88)上以减少与套管90或裸孔的摩擦和磨损。参照图6C和6D，本文公开的涂层可以用在封隔器92和射孔枪94的外表面上以减少与裸孔的摩擦和磨损。涂层的低表面能量将抑制地层粘附在钻具上并且也可延长腐蚀和侵蚀极限。
涂层可涂敷至在钻具和其它工具运行操作期间遭受高曲率和接触负荷的关键管道区段的内部部分。这些涂层可在将套管送入井眼以前或可选地在管道就位之后涂敷。
钢丝绳是在套管、管道和裸孔内操作的细长圆柱形本体。更详细地说，每一股为圆柱体，并且扭绞的股为一束不同轴的圆柱体，其共同构成钢丝绳的有效圆柱体。在钢丝绳与井眼之间的接触部位处存在摩擦力，因此使用低摩擦涂层涂覆钢丝绳将实现摩擦和磨损减少的操作。编织绳、多导线、单导线和试井钢丝(slickline)都可以有益地涂覆有低摩擦涂层(参看图7)。参照图7A，本文公开的涂层可通过涂敷至钢丝102、钢丝104的单独的股或股束106而涂敷至钢丝绳100。如图7B中所示的滑轮型装置108可用于将通过钢丝绳100传送的测井工具送入套管、油管和裸孔内。该滑轮装置也可有利地在滑轮和轴承的由于摩擦而遭受负荷和磨损的区域内使用涂层。
用于井下工具的套管扶正器和接触环可被涂覆以减少将此类装置安放在井眼内的摩擦阻力。
B.主要静止的经涂覆的圆柱形本体
圆柱形本体(例如，管道或经改造的管道)的外部、内部或两者的涂覆部分存在多样化的应用，主要用于抵抗侵蚀、腐蚀和磨损，但也可用于减少流体流动摩擦。所述圆柱形本体可为同轴的、邻接的、不同轴的、不邻接的或其任意组合。在这些应用中，经涂覆的圆柱形装置可能长期主要是静止的，尽管或许涂层的次要益处或应用是减少在安装生产装置时的摩擦负荷。
此类应用的示例性清单如下：
用于砂石控制的穿孔基管、开槽基管或筛网基管通常在完井和增产处理(例如，砂砾封隔或裂缝封隔处理)和井生产寿命期间遭受侵蚀和腐蚀。例如，使用发明方法获得的涂层将提供更大的用于流动的内径并相对于更厚的塑性涂层减少流动压降。在另一个示例中，腐蚀性生产流体可腐蚀材料并使材料随着时间推移而损失。此外，高生产率的地层层段可提供足够高而导致侵蚀的流体速度。这些流体也可能携带了固体粒子，例如趋于使完井装置失效的细料或地层砂石。沥青、石蜡、垢体和水合物的沉淀物也有可能形成在诸如基管的完井设备上。涂层可通过减少摩擦、磨损、腐蚀、侵蚀和沉淀物的效应而在这些情形中提供益处。(参看图8。)用于筛网应用的特定涂层已在美国专利No.6,742,586B2中公开。
可在内部、外部或两者涂覆用于砂砾封隔操作的冲洗管道、分流管和维修工具以减少侵蚀和流动阻力。用于砂砾封隔的夹杂有固体的流体被高速泵送通过这些装置。
可有利地涂覆耐磨接头以便实现更大的耐受由流体和固体的高速冲击引起的侵蚀的性能。
可涂覆薄金属网以便减少摩擦并抵抗腐蚀和侵蚀。涂覆过程可在编织之前施加于单独的圆柱形股或在已执行编织之后施加于编织好的网，或两者，或进行组合。可认为筛网包括许多圆柱体。金属丝股可被牵引通过涂覆装置以实现金属丝的全部表面积的涂层涂敷。涂层应用包括但不限于：设置在完井层段内的砂石筛网、MazefloTM完井筛网、烧结筛网、金属丝缠绕筛网、用于固体控制的摇动筛网、和用作油气井生产装置的其它筛网。涂层能够涂敷至过滤介质、筛网基管或两者的至少一部分。(参看图8。)图8示出了本文公开的涂层在筛网和基管上的示例性应用。特别地，本文公开的涂层可如图8A和8B中所示涂敷至筛网110以及基管112的开槽衬套以防止其上的腐蚀、侵蚀和沉淀物。本文公开的涂层也可涂敷至如图8C中所示的固体控制设备的泥浆振动筛114中的筛网。
涂层可降低材料硬度要求并减轻特定装置和构件的腐蚀和侵蚀效应，从而使得能够使用成本更低的材料作为硬合金、碳化物、MP35N、高合金材料和基于此目的选择的其它昂贵材料的替代品。
C.板、盘和复杂几何形状
存在许多可对诸如板和圆盘的非圆柱形装置或对更复杂的几何形状考虑的涂层应用。涂层的益处可源于相对于其它装置的相对运动引起的滑动接触摩擦和磨损的减少，或来自与流体流的相互作用的腐蚀、侵蚀和沉淀物的减少，或在许多情况下以两者的组合。这些应用可受益于如下所述的涂层的使用。
此类应用的示例性清单如下：
可有益地涂覆扼流器、阀、阀座、密封件、球阀、流入控制装置、智能井阀和环形隔离阀以减少沉淀物引起的侵蚀、腐蚀和损坏。这些装置中的很多个用于井口设备中(参看图9和10)。特别地，参照图9A、9B、9C、9D和9E，阀110、防喷器112、井口114、下方钻杆旋塞116和气体举升阀118可涂覆有本文公开的涂层以在高速构件中提供对侵蚀和腐蚀的抵抗，并且这些经涂覆的装置的平滑表面提供了增强的可密封性。此外，参照图10A、10B和10C，扼流器120、孔板流量计122和涡轮流量计124可具有流动约束和涂覆有本文公开的涂层以提供对侵蚀和腐蚀的进一步抵抗的其它构件(例如，叶轮和转子)。相同的生产装置的其它表面区域可受益于通过在生产装置的不同部分上使用相同或不同涂层获得的减少的摩擦和磨损。
座、润滑油嘴、阀、侧套、心轴、封隔器卡瓦、封隔器锁片等可有益地涂覆有低摩擦涂层。
地下安全阀用于在有可能损失地面密闭度的情况下控制流动。这些阀例行地用于海上井以增加操作整体性并且通常有规定要求。地下安全阀的可靠性和效力的提高对操作整体性提供了显著益处并且可在阀测试有故障的情况下避免昂贵的修井操作。增强的可密封性、对腐蚀、侵蚀和沉淀物的抵抗以及移动的阀装置中减少的摩擦和磨损由于这些原因而可能是非常有益的。
气体举升装置和化学喷射阀通常用于油管管柱以实现流体的喷射，并且这些装置的涂覆部将提高它们的性能。使用气体举升装置来减少静压头并增加从井的流动，并且例如喷射化学品以抑制井内会妨碍流动的水合物或垢体的形成。
弯头、T形管和联接器可在内部涂覆以便减少流体流动摩擦并防止垢体和沉淀物的积聚。
可涂覆旋转设备的球轴承、套筒轴承和轴颈轴承以提供低摩擦和耐磨性，并实现轴承装置更长的寿命。
牙轮钻头的轴承可有益地涂覆有低摩擦涂层。
磨损套筒可有益地涂覆有低摩擦涂层。
可使用动态金属间密封件的涂层来增强或代替往复运动的和/或旋转的密封组件中的弹性体。
MoynoTM和渐进腔室泵包括在固定的定子内转动的叶片式转子。涂覆一个零件或另一个零件或两者可实现改进的操作并增加泵效率和耐久性。
可涂覆旋转的泵设备中的叶轮和定子以便抵抗侵蚀和磨损，并在流动流中存在细固体的情况下实现耐久性。此类应用包括潜水泵。
涂覆用于地面的固体控制设备中的离心机部分可通过防止离心机排放的堵塞而增强这些装置的效力。
经涂覆的工具中的弹簧可具有减少的接触摩擦和长使用寿命可靠性。示例包括安全阀、气体举升阀、减震接头和震击器。
可涂覆测井工具装置以提高包括将臂、取心管、流体取样钢瓶和其它装置配置到井眼内的操作。如果涂敷涂层，则从工具伸出然后缩回到工具内的装置可以更加不容易由于摩擦和固体沉淀物而堵塞。
可有益地涂覆包括但不限于套洗管道、抓钩和卡瓦打捞筒的打捞设备以有利于锁闭在设备的分离部件上并从井眼去除或“打捞”。进入卡瓦打捞筒管道的低摩擦可通过涂层促进，并且抓钩上的硬涂层可改善工具的咬合。(参看图11。)特别地，参照图11A，本文公开的涂层可涂敷至套洗管道130、套洗管道连接器132、旋转滑瓦134和打捞装置以减少起锚器136进入套洗管柱的摩擦。此外，参照图11B，本文公开的涂层可涂敷至抓钩138以维持用于良好夹持的材料硬度。
可有益地涂覆用于监控压力、温度、流速、流体浓度、密度和其它物理或化学性质的砂石探头和井流流量计以延长寿命并抵抗磨损、侵蚀、腐蚀和垢体、沥青、石蜡和水合物的沉淀引起的损坏。图12A和12B分别示出了管件140中不存在垢体沉淀物和存在垢体沉淀物的示例性图。特别地，图12A示出了因没有垢体、沥青、石蜡或水合物沉淀物而具有完整内径的管件140，所述完整内径是由于在管件140的内侧和/或外侧表面上使用了本文公开的涂层。相反，图12B示出了流动能力由于垢体和其它沉淀物142积聚在管件140的内侧和/或外侧表面上(其原因是未采用本文公开的低表面能量涂层)而受到约束的管件140。垢体和其它沉淀物142在管件140中的积聚阻止了使用测井工具进入井眼。
D.螺纹连接装置：
油田应用中的高强管件和特制合金可能容易擦伤，并且可有益地涂覆螺纹连接装置以便在连接装置组装期间减少摩擦并增加表面硬度并且使得管道和连接装置能够重复使用而无需重新修整螺纹。可通过实现更高的接触应力提高密封性能而不存在擦伤风险。
套管、油管、钻管、钻铤、工作管柱、地面流动管线、增产处理管线、用于连接井下工具的螺纹、海洋隔水管和生产操作中包括的其它螺纹连接装置的销和/或盒螺纹可有益地涂覆有本文公开的低摩擦涂层。可单独或与当前用于改善连接装置组装和防擦伤性能的技术相结合地涂覆螺纹，包括螺纹的喷丸强化和冷轧，并且有可能但可能性不高的化学处理。(参看图13。)参照图13A，销150和/或盒152可涂覆有本文公开的涂层。参照图13B，螺纹154和/或台肩156可涂覆有本文公开的涂层。在图13C中，螺纹管件158的螺纹连接装置(未示出)可涂覆有本文公开的涂层。在图13D中，可通过使用本文公开的涂层防止螺纹154的擦伤159。
所公开的涂层的详细应用和益处：
生产操作、即钻探过程的一个重要方面的详细检验能够帮助确定在井生产过程中有益地使用涂层的几种挑战和机会。
用旋转钻探系统钻探用于油气开采和生产的深井，所述旋转钻探系统依靠岩石切削工具即钻头形成钻孔。驱动该钻头的扭矩通常由具有机械变速箱的马达在表面产生。借助于该变速箱，马达驱动旋转台或顶部驱动单元。将能量从表面传输到钻头的媒介是钻柱，主要包括钻管。钻柱的下部是井底钻具组合(本文简写为BHA)，其主要包括钻铤、稳定器和包括测量装置的其它、下铰刀、马达和本领域的技术人员公知的其它装置。钻柱和井底钻具组合的组合在本文称为钻杆组件。可选地，挠性油管可代替钻柱，并且挠性油管和井底钻具组合的组合在本文也称为钻杆组件。井底钻具组合在钻探端部与钻头连接。
对于钻杆组件包括钻柱的情况，在钻探操作期间定期对钻杆增加新的钻管区段，并且通常对钻孔的上部区段加套以使井稳定，并继续钻探。因此，钻杆组件(钻柱/BHA)经历钻柱/BHA/钻头与套管(钻孔的“加套孔”部分)或对于裸钻孔(钻孔的“裸孔”部分)为岩石切屑与环面或钻柱/BHA/钻头中的钻探液之间的相互作用导致的各种摩擦和磨损。
钻探的走向是更深和更硬的地层，其中低钻速(本文简写为ROP)引起高钻探成本。在其它区域例如深页岩钻探中，可能发生井底结球，其中页岩切屑通过跨切屑-钻探液和切屑-钻头表面的不同钻探液压力而粘附在钻头切削面上，从而显著降低了钻探效率和ROP。切屑粘附在诸如稳定器的BHA装置上也会引起钻探低效。
钻杆组件摩擦和磨损是钻柱或挠性油管的过早失效和相关的钻探低效的重要诱因。稳定器磨损除引起振动低效外还会影响钻孔质量。这些低效在ROP不随着钻头上的重量(本文简写为WOB)和如根据钻头的机械性能所预测的钻头每分钟转数(本文简写为RPM)线性增加的意义上可体现为ROP限制器或“破坏点(founderpoint)”。该限制在图14中示意性地示出。
在钻探行业中已经认识到，钻杆振动和钻头结球是限制穿透速度的两个最有挑战性的因素。当涂敷至钻杆组件时本文公开的涂层有助于减轻这些ROP限制。
深钻探环境，尤其在硬岩层中，引起钻杆组件的严重振动，其可导致钻头穿透速度下降和井下设备的过早失效。这两个主要的振动激发源是钻头与岩层之间以及钻杆组件与井眼或套管之间的互相作用。因此，钻杆组件轴向地、扭转地、横向地或通常以这三种基本模式的结合振动，即，互耦振动。因此，这引起复杂的问题。钻杆组件振动的一个特别有挑战性的形式是卡瓦粘附振动(stick-slipvibration)模式，其为扭力不稳定的表现。各种钻杆组件装置与套管/钻孔的静态接触摩擦以及作为转速的函数的这种接触摩擦的动态响应对于卡瓦粘附振动的开始(onset)来说是重要的。例如，提出钻头引起的卡瓦粘附扭力不稳定是由在其中动态接触摩擦低于静态摩擦的钻头-钻孔表面处的接触摩擦的速度减弱触发的。
在当今的先进技术下，可从同一初始井眼钻探多个横向井眼。这可意味着在长得多的深度上钻探和使用定向钻探技术，例如，通过使用旋转导向系统(本文简写为RSS)。尽管这提供主要的成本和后勤优点，但它也极大地增加了钻柱和套管上的磨损。在定向或大位移钻探的某些情形中，竖直偏斜度即倾斜度(与竖向的角度)能够大至90°，这一般称为水平井。在钻探操作中，钻柱组件倾向于靠在钻孔或井套管的侧壁上。这种倾向由于重力作用在定向井中大得多。随着钻柱的长度和/或偏斜程度增加，旋转钻柱所形成的整体摩擦拖滞也增加。为克服这种摩擦拖滞的增加，需要额外的动力来旋转钻柱。因而形成的磨损和钻柱/套管摩擦对高效钻探操作来说是关键的。能够在这些情形中实现的测定深度可受钻机的可用转矩容量限制。需要找到更有效的解决方案来延长设备寿命并且使用现有钻机和驱动机构钻探的能力以延长这些操作的横向位移。已发现带涂层的钻杆组件的涂层部分或全部可解决这些问题。图2和3示出了其中可涂敷本文公开的涂层减少钻探期间的摩擦和磨损的钻杆组件的区域。
本发明的另一方面涉及使用涂层来提高钻探工具的性能，特别是用于钻探含有粘土和类似物质的地层的井底钻具组合。本发明利用低表面能量新型材料或涂覆系统来提供热力学低能量表面，例如，用于井底装置的不浸水表面。本文公开的涂层适合用于在多粘土(gumbo-prone)区域进行油气钻探，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，以防止井底钻具组合结球。
此外，本文公开的涂层当涂敷至钻柱组件时能够同时减少接触摩擦、结球和并减少磨损同时不会牺牲套管的耐久性和机械整体性。因此，本文公开的涂层是“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，设置有本文公开的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。
用于钻杆组件的本文公开的涂层提供了以下示例性非限制性的优点：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合结球。这三个优点连同最小化寄生转矩可引起井底钻探设备的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、耐侵蚀性和机械整体性(涂层-基质界面强度)的不利井下钻探环境。本文公开的涂层也可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，本文公开的涂层还提供了防止井底装置结球所需的低能量表面。
对钻探过程的这种说明已集中在涂层的摩擦和磨损益处，主要应用于滑动接触的圆柱体，并且也已确定用于减少地层切屑粘附在井底装置上的低能量表面的益处。这些相同的技术说明适合于由于相对运动而滑动接触的其它圆柱体情形，其相应地具有修改的环境。
以类似的方式，已如上所述确定其它共同的几何形状参数：进行相对运动的板、圆盘和复杂几何形状；静止的圆柱形本体；生产装置中具有复杂几何形状的静止装置；以及螺纹连接装置。
减少摩擦和磨损是对由于相对运动而滑动接触的本体涂敷涂层的主要动机，不论该几何形状是否包括圆柱体、板和圆盘或更复杂的几何形状。对于静止装置而言，涂层的动机和益处略有不同。尽管摩擦和磨损可能是重要的次级因素(例如在该装置的初次安装中)，但涂层的主要益处可为它们对侵蚀、腐蚀和沉淀物的抵抗，并且这些因素于是变成它们的选择和使用的主要依据。
本发明的示例性实施例：
在本发明的一个示例性实施例中，一种经涂覆的油气井生产装置包括具有一个或多个圆柱形本体的油气井生产装置，以及该一个或多个圆柱形本体的至少一部分上的涂层，其中该涂层选自非晶态合金、经热处理的基于非电镀或电镀镍-磷复合材料(其中磷含量大于12wt％)、石墨、MoS2、WS2、基于富勒烯的复合材料、基于硼化物的金属陶瓷、准晶态材料、基于金刚石的材料、类金刚石碳(DLC)、氮化硼和它们的组合。
在本发明的另一个示例性实施例中，经涂覆的油气井生产装置包括具有一个或多个本体的油气井生产装置，附加条件是该一个或多个本体不包括钻头，以及该一个或多个本体的至少一部分上的涂层，其中该涂层选自非晶态合金、经热处理的基于非电镀或电镀镍-磷复合材料(其中磷含量大于12wt％)、石墨、MoS2、WS2、基于富勒烯的复合材料、基于硼化物的金属陶瓷、准晶态材料、基于金刚石的材料、类金刚石碳(DLC)、氮化硼和它们的组合。
涂层的摩擦系数可为小于或等于0.15，或0.13，或0.11，或0.09，或0.07，或0.05。摩擦力可计算如下：摩擦力＝法向力×摩擦系数。在另一种形式中，经涂覆的油气井生产装置可具有不低于涂层的静态摩擦系数的50％或60％或70％或80％或90％的涂层动态摩擦系数。在又另一种形式中，经涂覆的油气井生产装置可具有大于或等于涂层的静态摩擦系数的涂层动态摩擦系数。
经涂覆的油气井生产装置可由铁基钢、Al基合金、Ni基合金和Ti基合金制成。4142型钢是用于油气井生产装置的一种非限制性的示例性铁基钢。铁基钢基质的表面可在涂层涂敷以前选择性地进行高级表面处理。高级表面处理可提供以下优点中的一个或多个：涂覆层的延长的耐久性、增强的耐磨性、减小的摩擦系数、增强的耐疲劳性和扩大的耐腐蚀性能。非限制的示例性高级表面处理包括离子注入、氮化、碳化、喷丸强化、激光和电子束上釉、激光冲击喷丸和它们的组合。此类表面处理可通过引入另外的物种和/或引入深层挤压残余应力硬化基质表面，从而抑制疲劳、冲击和磨损损坏引起的裂缝生长。
本文公开的涂层可选自非晶态合金、基于非电镀或电镀镍-磷复合材料、石墨、MoS2、WS2、基于富勒烯的复合材料、基于硼化物的金属陶瓷、准晶态材料、基于金刚石的材料、类金刚石碳(DLC)、氮化硼和它们的组合。基于金刚石的材料可为化学气相淀积(CVD)金刚石或聚晶金刚石复合片(PDC)。在一个有利的实施例中，经涂覆的油气井生产装置涂覆有类金刚石碳(DLC)涂层，并且更具体地说DLC涂层可选自四面体非晶碳(ta-C)、四面体非晶氢化碳(ta-C:H)、类金刚石氢化碳(DLCH)、类聚合物氢化碳(PLCH)、类石墨氢化碳(GLCH)、含硅的类金刚石碳(Si-DLC)、含金属的类金刚石碳(Me-DLC)、含氧的类金刚石碳(O-DLC)、含氮的类金刚石碳(N-DLC)、含硼的类金刚石碳(B-DLC)、氟化的类金刚石碳(F-DLC)和它们的组合。
显著减小油气井生产装置的摩擦系数(COF)将引起摩擦力的显著减少。当所述装置为经涂覆的钻杆组件时这转化为使切屑沿表面滑动所需的较小的力。如果摩擦力足够低，则可以增加切屑沿表面的移动性直到它们能够被举升离开钻杆组件的表面或运输到环面。也有可能的是，增加切屑沿表面的移动性可能抑制由于钻探液与将切屑保持在刀盘表面上的位于钻探液和受钻探液挤压的切屑-刀盘界面区域之间的差压引起的不同程度地卡住的切屑的形成。降低油气井生产装置表面上的COF通过用本文公开的涂层涂覆这些表面来完成。涂敷至油气井生产装置的这些涂层能够耐受不利的钻探环境，包括抵抗腐蚀、冲击载荷和暴露于高温。
除低COF以外，本发明的涂层也具有足够高的硬度以提供在油气井生产操作期间克服磨损的耐久性。更特别地，本文公开的油气井生产装置上的涂层的维氏硬度或相当的维氏硬度可大于或等于400、500、600、700、800、900、1000、1500、2000、2500、3000、3500、4000、4500、5000、5500或6000。大于400的维氏硬度允许经涂覆的油气井生产装置当用作钻杆组件时用于使用基于水的钻探液并使用螺旋稳定器钻探页岩。螺旋稳定器产生BHA振动的倾向小于直刀片式稳定器。图15示出了相对于现有技术钻柱和BHA钢对于某些本文公开的涂层而言涂层COF和涂层硬度之间的关系。当用作钻杆组件上的表面涂层时，本文公开的涂层的低COF和高硬度的组合提供了用于井下钻探应用的坚硬、低COF耐用材料。
带有本文公开的涂层的经涂覆的油气井生产装置也提供小于1、0.9、0.8、0.7、0.6、0.5、0.4、0.3、0.2或0.1J/m2的表面能量。在地下旋转钻探操作中，这有助于减轻岩层切屑引起的粘附或结球。接触角可用于量化本文公开的经涂覆的油气井生产装置上的涂层的表面能量。本文公开的涂层的水接触角大于50、60、70、80或90度。
与用于经涂覆的油气井生产装置中的本文公开的涂层有关的更多细节如下：
非晶态合金：
作为用于本文公开的经涂覆的油气井生产装置的非晶态合金通过较高的硬度提供了高弹性极限/流动强度。这些属性允许这些材料当承受应力和应变时与诸如用于钻杆组件中的钢之类的晶态材料相比保留用于更高应变/应力的弹性。作为用于钻杆组件的涂层的非晶态合金与常规的晶态合金/钢之间的应力-应变关系在图16中示出，并示出了常规晶态合金/钢与非晶态合金相比能够在较低的应变/应力下容易地转换为塑性变形。在接触表面处的过早弹性变形引起晶态金属生成表面微凸体和作为结果的高微凸体接触力和COF。非晶态金属合金或非晶态材料的高弹性极限一般能够减少微凸体的形成，从而也引起耐磨性的显著提高。作为用于油气井生产装置的涂层的非晶态合金将减少在生产操作期间形成的微凸体并从而降低装置的COF。
作为用于油气井生产装置的涂层的非晶态合金可使用多种涂覆技术淀积，包括但不限于热喷涂、冷喷涂、堆焊、激光束表面上釉、离子注入和气相淀积。使用经扫描的激光或电子束，能够对表面上釉并快速冷却以形成非晶态表面层。在上釉过程中，可能有利的是更改表面组分以确保良好的玻璃成型能力并增加硬度和耐磨性。这可通过当扫描到热源时掺合到表面上的熔池中来完成。硬护面涂层也可通过在空气或真空中进行热喷涂(包括等离子喷涂)来涂敷。作为用于油气井生产装置的涂层的更薄、全晶态涂层可通过薄膜淀积技术来获得，包括但不限于喷溅、化学气相淀积(CVD)和电沉积。本文公开的某些晶态合金组分，例如接近等原子化学计量(例如，Ni-Ti)，可通过诸如喷丸强化或冲击加载的重塑性变形而被去晶态(amorphize)。作为用于本文公开的油气井生产装置的非晶态合金产生磨损和摩擦性能的良好平衡并且对于要采用的生产技术来说需要足够的玻璃成型能力。
基于Ni-P的复合材料涂层：
作为用于本文公开的油气井生产装置的基于非电镀和电镀镍-磷(Ni-P)的复合材料可通过将惰性粒子从电解池或化学镀液同时淀积到金属基质上而形成。Ni-P复合材料向大部分金属和合金基板提供了良好的粘附。这些涂层的最终性质取决于Ni-P基质的磷含量——其决定涂层的结构，并取决于嵌入的粒子的特性，例如类型、形状和尺寸。磷含量低的Ni-P涂层是含有过饱和P的晶态Ni。通过增加P含量，镍的晶体晶格变成越来越紧并且晶体尺寸减小。在大于12wt％或13wt％或14wt％或15wt％的磷含量，涂层主要呈非晶态结构。非晶态Ni-P涂层的退火可引起非晶态结构转化为有利的晶体状态。该结晶可增加硬度，但使耐腐蚀性恶化。合金中的磷越丰富，结晶过程就越慢。这扩大了涂层的非晶态范围。Ni-P复合材料涂层能够加入其它金属元素，包括但不限于钨(W)和钼(Mo)以进一步增强涂层的性质。本文公开的基于镍-磷(Ni-P)的复合材料涂层可包括微米级和亚微米级粒子。非限制性的示例性粒子包括：金刚石、纳米管、碳化物、氮化物、硼化物、氧化物和它们的组合。其它非限制性的示例性粒子包括塑性(例如，含氟聚合物)和硬质金属。
分层材料和新型基于富勒烯的复合材料涂覆层：
可使用诸如石墨、MoS2和WS2(2H多晶型片晶)的分层材料作为用于油气井生产装置的涂层。此外，也可使用基于富勒烯的复合材料涂覆层——其包括类富勒烯纳米粒子——作为用于油气井生产装置的涂层。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、MoS2)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，摩擦表面之间的界面中的类富勒烯纳米粒子的滑动/滚动可为低负荷下的主摩擦机制。类富勒烯纳米粒子的有利效果随负荷增加。发现类富勒烯纳米粒子的外层在高接触负荷(～1Gpa)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结合在涂覆层的粘结相中来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结合在金属粘结相中的复合材料涂层(例如，Ni-P化学镀)能够提供具有适用于油气井生产装置的涂层的自润滑和优异的防粘附特性的薄膜。
高级的基于硼化物的金属陶瓷和金属基质复合材料：
作为用于油气井生产装置的涂层的高级的基于硼化物的金属陶瓷和金属基质复合材料可由于热处理或磨损维修期间的初期加热的高温暴露而形成在松堆材料上。例如，基于硼化物的金属陶瓷(例如，TiB2-金属)，表面层通常增浓硼氧化物(例如，B2O3)，其增强润滑性能、导致低摩擦系数。
准晶态材料：
可使用准晶态材料作为用于油气井生产装置的涂层。准晶态材料具有周期原子结构，但不符合普通晶态材料通常有的3D对称。由于它们的晶体结构，绝大部分为二十面体或十面体，具有定制的化学性质的准晶态材料呈独特的性质组合，包括低能量表面，作为用于油气井生产装置的涂层是有吸引力的。准晶态材料由于它们在具有二十面体的Al-Cu-Fe化学性质的不锈钢基质上的低表面能量(～30mJ/m2)而提供了不粘附的表面性质。作为用于油气井生产装置的涂覆层的准晶态材料可提供低摩擦系数(在干空气中用金刚石压痕器进行划痕试验为～0.05)与较高微硬度(400～600HV)的结合以便抵抗磨损。作为用于油气井生产装置的涂覆层的准晶态材料也可提供低腐蚀表面并且经涂覆的层具有表面能量低的光滑和平坦的表面以便提高性能。准晶态材料可通过宽范围的涂覆技术淀积在金属基质上，包括但不限于热喷涂、气相淀积、激光熔覆、堆焊和电沉积。
超硬材料(金刚石、类金刚石碳、立方氮化硼)：
可使用诸如金刚石、类金刚石碳(DLC)和立方氮化硼(CBN)的超硬材料作为用于油气井生产装置的涂层。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淀积(本文简写为CVD)淀积在油气井生产装置上时可产生超低摩擦系数。在一种形式中，CVD淀积碳膜可直接淀积在油气井生产装置的表面上。在另一种形式中，增容剂材料的底涂层(本文也称为缓冲层)可在金刚石淀积以前涂敷至油气井生产装置。例如，当用在钻杆组件上时，CVD金刚石的表面涂层不仅可减少切屑粘附在表面的趋势，而且还使得能够在多粘土钻探操作中(例如在墨西哥湾)使用螺旋稳定器。用CVD金刚石涂覆螺旋稳定器的流动表面可以使切屑能够流经稳定器，沿着井眼向上进入钻柱环面而不会粘附在稳定器上。
在一个有利的实施例中，可使用类金刚石碳(DLC)作为用于油气井生产装置的涂层。DLC指的是呈现一些类似于天然金刚石的独特性质的非晶态碳膜材料。适合用于油气井生产装置的类金刚石碳(DLC)可选自ta-C、ta-C:H、DLCH、PLCH、GLCH、Si-DLC、Me-DLC、F-DLC和它们的组合。DLC涂层包括大量sp3掺杂碳原子。这些sp3键不仅以晶体出现——换句话说，长程有序的固体——而且以其中原子随机排列的非晶态固体出现。这种情况下，仅少数单独的原子之间将进行键合，即短程有序，并在大量原子上延伸的长程有序中不进行键合。键类型对非晶态碳膜的材料性质有相当大的影响。如果主要是sp2型，则DLC膜可能更柔软，而如果主要是sp3型，则DLC膜可能更硬。
DLC涂层可作为非晶态、柔性以及纯sp3键合的“金刚石”制成。最硬的是这种混合物，已知为四面体非晶态碳膜，或ta-C(参看图17)。这种ta-C包括高体积份数(～80％)的sp3键合碳原子。用于DLC涂层的可选填料包括但不限于氢、石墨sp2碳膜和金属，并且可采用其它型式使用以根据特定应用实现希望的性质组合。可将各种形式的DLC涂层涂敷至与真空环境兼容并且也导电的各种基质。DLC涂层质量也取决于诸如氢的掺杂元素的份数含量。某些DLC涂覆方法需要氢气或甲烷作为前驱气体，因此完成的DLC材料中可保留相当大百分比的氢气。为了进一步提高它们的摩擦学和机械性质，经常通过加入其它掺杂元素来改造DLC膜。例如，对DLC膜添加氟(F)和硅(Si)降低了表面能量和可润湿性。减少含氟DLC(F-DLC)中的表面能量有助于薄膜中存在-CF2和-CF3基团。然而，更高的F含量可引起更低的硬度。Si的添加可通过减少表面能量的分散成分而减少表面能量。添加Si也可通过促进DLC膜中的sp3杂化而增加DLC膜的硬度。对膜添加金属元素(例如，W、Ta、Cr、Ti、Mo)以及使用这种金属夹层能够减少挤压残余应力，从而使膜在挤压加载以后的机械完整性更好。
DLC的类金刚石相或sp3键合碳是热力学亚稳定相，而具有sp2键合的石墨是热力学稳定相。因此，DLC涂层膜的形成需要不平衡的处理以获得亚稳定sp3键合碳。平衡处理方法，例如石墨碳膜蒸发，其中蒸发的物种的平均能量低(接近kT，其中k为波尔兹曼常数且T为绝对温标的温度)，引起形成100％sp2键合碳。本文公开的用于生产DLC涂层的方法要求碳膜的sp3键长度显著小于sp2键长度。因此，压力、冲击、催化作用或这些的某种组合以原子级施加可迫使更靠拢的sp2键合碳原子成为sp3键合。这可以足够活跃地完成使得原子不能简单地回弹分开而具有sp2键的分离特性。典型技术或者将这种压缩与将新的sp3键合碳集群更深地推入涂层相结合，使得不存在用于膨胀回到sp2键合所需的分离的余地；或者新集群由为了下一个冲击循环而到来的新碳膜包埋。
本文公开的DLC涂层可通过物理气相淀积、化学气相淀积或等离子辅助化学气相淀积涂覆技术来淀积。物理气相淀积涂覆方法包括RF-DC等离子反应磁控管溅射、离子束辅助淀积、阴极电弧淀积和脉冲激光淀积(PLD)。化学气相淀积涂覆方法包括离子束辅助CVD淀积、等离子增强淀积、使用来自烃气体的辉光放电、使用来自烃气体的射频(r.f.)辉光放电、等离子浸入式离子处理和微波放电。等离子增强化学气相淀积(PECVD)是用于以高淀积速度大面积淀积DLC涂层的一种有利的方法。基于等离子的CVD涂覆处理是非视线技术，即，等离子保形地覆盖待涂覆的零件并且该零件的整个暴露表面以均匀的厚度被涂覆。在DLC涂层涂敷之后可保留零件的表面光洁度。PECVD的一个优点是基质零件的温度在涂覆操作期间不会升高到约150℃以上。含氟的DLC(F-DLC)和含硅的DLC(Si-DLC)膜能够使用分别混合有含氟和含硅的前驱气体(例如，四氟乙烷和六甲基二硅氧烷)的乙炔(C2H2)处理气体利用等离子淀积技术合成。
本文公开的DLC涂层可呈现在在前述范围内的摩擦系数。超低COF可基于实际接触区域中薄石墨膜的形成。由于sp3键合是碳在600℃到1500℃的高温的热力学不稳定相，取决于环境状况，其可转换为可用作固体润滑剂的石墨。这些高温在微凸体碰撞或接触的过程中可作为很短暂的瞬时温度(称为初始温度)出现。DLC涂层的超低COF的可选理论是烃基滑膜的存在。sp3键合的碳的四面体结构可在表面导致这样一种情形，其中可能存在来自表面的一个空电子，其没有碳原子可以附着(参看图18)，这称为“悬键”轨道。如果具有其自身的电子的一个氢原子被置于这种碳原子上，则其可能与悬键轨道键合而形成双电子共价键。当带有单个氢原子外层的两个这样的光滑表面彼此相对滑动时，氢原子之间将发生切变。表面之间不存在化学键合，仅很弱的范德华力，并且表面呈现重烃蜡的性质。如图18中所示，在表面的碳原质可形成三个强键，在从表面引出的悬键轨道中留下一个电子。氢原子附着在这种表面上，该表面变成疏水的并呈现低摩擦。
本文公开的用于油气井生产装置的DLC涂层也防止它们的摩擦学性质引起的磨损。特别地，本文公开的DLC涂层抵抗研磨和粘合剂磨损，使得它们适合用于经历滚动和滑动接触两者中的极端接触压力的应用。
除低摩擦和磨损/侵蚀抵抗以外，本文公开的用于油气井生产装置的DLC涂层也呈现耐久性和对用于淀积的本体组件的外表面的粘附强度。DLC涂层膜可具备高级别的内在残余应力(～1GPa)，其对它们的摩擦学性能和对用于淀积的基质(例如，钢)的粘附强度有影响。通常，直接淀积在钢表面上的DLC涂层粘附强度不足。这种粘附强度的不足约束了厚度和DLC与钢界面之间的不相容性，这可能导致低负荷剥落。为了克服这些问题，本文公开的用于油气井生产装置的DLC涂层也可包括油气井生产装置的外表面与DLC涂覆层之间的各种金属(例如但不限于Cr、W、Ti)和陶瓷化合物(例如但不限于CrN、SiC)的夹层。这些陶瓷和金属夹层释放了本文公开的DLC涂层的挤压残余应力，以增加粘附和负荷承受能力。提高本文公开的DLC涂层的磨损/摩擦和机械耐久性的一个可选方法是加入带有中间缓冲层的多层以减轻残余应力积聚和/或双重混合涂覆处理。在一种形式中，要处理的油气井生产装置的外表面可氮化或渗碳，在DLC涂层淀积以前的前驱体处理，以便硬化并阻止基质层的塑性变形，这引起增强的涂层耐久性。
多层涂层和混合涂层：
油气井生产装置上的多层涂层在本文公开并且可用于最大化涂层的厚度以便增强它们的耐久性。本文公开的经涂覆的油气井生产装置不仅可包括单层，而且可包括两个或更多个涂覆层。例如，两个、三个、四个、五个或更多个涂覆层可淀积在油气井生产装置的各部分上。每个涂覆层的厚度可处于从0.5到5000微米的范围内，其中下限为0.5、0.7、1.0、3.0、5.0、7.0、10.0、15.0或20.0微米且上限为25、50、75、100、200、500、1000、3000或5000微米。多层涂层的总厚度可在从0.5到30,000微米的范围内。多层涂层的总厚度的下限可为0.5、0.7、1.0、3.0、5.0、7.0、10.0、15.0或20.0微米。多层涂层的总厚度的上限可为25、50、75、100、200、500、1000、3000、5000、10000、15000、20000或30000微米。
在本文公开的油气井生产装置的另一实施例中，油气井生产装置的本体组件可在暴露的外表面的至少一部分上包括加硬层以提供增强的耐磨性和耐久性。因此，所述一个或多个涂覆层可淀积在加硬层的顶部上以形成混合型涂层结构。加硬层的厚度可在从数倍于一个或多个外涂覆层的厚度到与其相等的范围内。非限制性的示例性加硬材料包括基于金属陶瓷的材料、金属基质复合材料、纳米晶体金属合金、非晶态合金和硬质金属合金。加硬层的其它非限制性的示例性类型包括分散在金属合金基体内的钨、钛、铌、钼、铁、铬和硅元素的碳化物、氮化物、硼化物和氧化物。这种加硬层可通过堆焊、热喷涂或激光/电子束熔覆而淀积。
用于本文公开的油气井生产装置的涂层也可包括一个或多个缓冲层(本文也称为粘合剂层)。该一个或多个缓冲层可介于本体组件的外表面与呈多层涂层构型的单层或两个或更多层之间。该一个或多个缓冲层可选自以下元素或以下元素的合金：硅、钛、铬、钨、钽、铌、钒、锆和/或铪。该一个或多个缓冲层也可选自以下元素的碳化物、氮化物、碳氮化物、氧化物：硅、钛、铬、钨、钽、铌、钒、锆和/或铪。该一个或多个缓冲层一般介于加硬层(当采用时)与一个或多个涂覆层之间或涂覆层之间。缓冲层厚度可为涂覆层的厚度的几分之一或接近该厚度。
在本文公开的经涂覆的油气井生产装置的又另一个实施例中，本体组件还可包括一个或多个隔离层，其介于本体组件的外表面与暴露的外表面的至少一部分上的涂覆层或加硬层之间以提供增强的韧性，从而最小化来自基质钢的任何稀释物掺合到外涂层或加硬层中，并最小化残余应力吸收。非限制性的示例性隔离层包括不锈钢或镍基合金。该一个或多个隔离层通常设置在油气井生产装置的本体组件附近或其顶部上，以便涂覆。
在本文公开的经涂覆的油气井生产装置的一个有利的实施例中，可对装置涂敷多层碳基非晶态涂覆层，例如类金刚石碳(DLC)涂层。适合用于油气井生产装置的类金刚石碳(DLC)涂层可选自ta-C、ta-C:H、DLCH、PLCH、GLCH、Si-DLC、Me-DLC、N-DLC、O-DLC、B-DLC、F-DLC和它们的组合。用于此类应用的一个特别有利的DLC涂层为DLCH或ta-C:H。多层DLC涂层的结构可包括在单独的DLC层之间带有粘合层或缓冲层的单独DLC层。用于与DLC涂层一起使用的示例性粘合层或缓冲层包括但不限于以下元素或以下元素的合金：硅、钛、铬、钨、钽、铌、钒、锆和/或铪。用于与DLC涂层一起使用的其它示例性粘合层或缓冲层包括但不限于以下元素的碳化物、氮化物、碳氮化物、氧化物：硅、钛、铬、钨、钽、铌、钒、锆和/或铪。这些缓冲层或粘合层用作韧化和残余应力释放层并容许增加多层实施例的DLC涂层总厚度同时维持涂层完整性以实现耐久性。
在本文公开的经涂敷的油气井生产装置的又另一个有利形式中，为了提高相对薄的DLC涂覆层的耐久性、机械完整性和井下性能，可采用混合涂覆方法，其中一个或多个DLC涂覆层可淀积在现有技术的加硬层上。此实施例提供了增强的DLC加硬层界面强度并且还对井下装置提供了抵抗DLC否则会磨损掉或剥落的过早磨损的保护。在此实施例的另一种形式中，在涂敷DLC层以前可对钢基质施加高级表面处理以延长耐久性并增强DLC涂层的磨损、摩擦、疲劳和腐蚀性能。高级表面处理可选自离子注入、氮化、碳化、喷丸强化、激光和电子束上釉、激光冲击强化和它们的组合。此类表面处理可通过引入另外的物种和/或引入深层挤压残余应力硬化基质表面，从而抑制冲击和磨损损坏引起的裂缝生长。在此实施例的又另一种形式中，如前文所述的一个或多个隔离层可介于基质与加硬层之间，其中一个或多个DLC涂覆层介于加硬层的顶部上。
图26是利用多层混合涂覆层的油气井生产装置上的涂层的示例性实施例，其中DLC涂覆层淀积在钢基质上的加硬层的顶部上。在此实施例的另一种形式中，加硬层可进行后处理(例如，蚀刻)以露出合金碳化物粒子，从而增强DLC涂层在加硬层上的粘合，也如图26中所示。此类混合涂层能够涂敷至诸如钻具接头和稳定器的井下装置，以增强淀积在这些装置上的DLC涂层的耐久性和机械完整性并提供避免外层磨损或剥落的“第二道防护线”，在地下旋转钻探操作中抵抗井下环境的不利磨损和侵蚀条件。在此实施例的另一种形式中，混合涂层结构内可包括如前文所述的一个或多个缓冲层和/或一个或多个隔离层，以进一步增强油井钻探、完井和生产操作的性质和性能。
这些涂覆技术为油气井生产操作(包括但不限于钻探、完井、增产、修井和生产操作)提供潜在的益处。可通过对装置涂敷此类涂层增强有效和可靠的钻探、完井、增产、修井和生产操作以减轻摩擦、磨损、侵蚀、腐蚀和沉淀物，如以上详细说明的。
钻探条件、应用和益处：
本文公开的经涂覆的油气井生产装置在井下钻探操作中且特别是对于经涂覆的钻杆组件提供了特别的益处。钻杆组件包括带有暴露的外表面的本体组件，其包括联接到井底钻具组合上的钻柱，或可选地联接到井底钻具组合上的挠性油管，或可选地固定到包括“随钻加套”系统的套管的底端上的切削元件。钻柱包括一个或多个装置，其选自钻管、钻具接头、钻柱与包括钻具接头的井底钻具组合之间的过渡管道、包括钻具接头和耐磨垫的重型钻管和它们的组合。井底钻具组合包括一个或多个装置，其选自但不限于：稳定器、可变径稳定器、回扩扩孔器、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(LWD)工具、随钻测量(MWD)工具、取心钻具、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、下击器、扭矩降低工具、浮动接头、打捞工具、打捞震击器、套洗管、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。
本文公开的涂层可淀积在钻柱和/或井底钻具组合和/或钻杆组件的挠性油管和/或用于“随钻加套”系统中的钻探套管的至少一部分或全部上。因此，应理解，涂层和混合形式的涂层可淀积在上述钻柱装置和/或井底钻具组合装置的许多组合上。当涂覆在钻柱上时，本文公开的涂层可防止或延迟包括螺旋屈曲的钻柱屈曲的开始以便在钻探操作期间防止钻杆组件故障和相关的非生产时间。此外，本文公开的涂层也可对扭转振动不稳定提供阻力，包括钻柱和井底钻具组合的卡瓦粘附振动故障。
本文公开的经涂覆的油气井生产装置可用于钻杆组件，其中井下温度在从20到400°F的范围内，其中下限为20、40、60、80或100°F，而上限为150、200、250、300、350或400F。在旋转钻探操作期间，表面的钻探旋转速度可在从0到200RPM的范围内，其中下限为0、10、20、30、40或50RPM，而上限为100、120、140、160、180或200RPM。此外，在旋转钻探操作期间，钻探液压力可在从14psi到20,000psi的范围内，其中下限为14、100、200、300、400、500或1000psi，而上限为5000、10000、15000或20000psi。
当用在钻柱组件上时，本文公开的涂层可减小钻探操作所需的扭矩，并因此可允许钻机操作员以比当使用常规钻探设备时高的钻速(ROP)钻探油气井。此外，本文公开的涂层为钻杆组件提供了耐磨性和低表面能量，其相对于常规的加硬钻杆组件而言是有利的，同时减少了井套上的磨损。
在一种形式中，在暴露的外表面的至少一部分上带有涂层的本文公开的经涂覆的油气井生产装置提供了比未经涂覆的装置大至少2倍、3倍、4倍或5倍的耐磨性。此外，本文公开的经涂覆的油气井生产装置当用在表面的至少一部分上带有涂层的钻杆组件上时与当使用未经涂覆的钻杆组件进行旋转钻探时相比提供了套管磨损的减少。此外，本文公开的经涂覆的油气井生产装置当用在表面的至少一部分上带有涂层的钻杆组件上时相对于使用未经涂覆的钻杆组件进行旋转钻探操作将套管磨损减少至少1/2或2/3或3/4或4/5。
本文公开的钻杆组件上的涂层也可消除或减少摩擦系数的速度减弱。更特别地，用来钻探用于烃开采和生产的深井眼的旋转钻探系统通常经历引起称为“卡瓦粘附”振动的不稳定的严重扭转振动，其特征在于(i)粘附阶段，其中钻头或BHA减慢直到其停止(相对滑动速度为零)，以及(ii)滑动阶段，其中上述井下组件的相对滑动速度迅速加速至比通过在钻头施加的转速(RPM)施加的平均滑动速度大得多的值。该问题对于由安装在钻头本体的表面上的固定刀片或切削器组成的刮刀钻头而言特别尖锐。摩擦本质规律的非线性引起克服卡瓦粘附振荡的稳定摩擦滑动的不稳定。特别地，通过随着相对滑动速度增加而降低的摩擦系数提示的速度减弱行为可导致触发卡瓦粘附振动的扭转不稳定。滑动不稳定是钻探中的问题，因为它是限制如上所述的最大钻速的主要因素。在钻探应用中，有利的是避免卡瓦粘附状态，因为它引起振动和磨损，包括开始破坏互耦振动。通过减少或消除速度减弱行为，本文公开的钻柱组件上的涂层使系统进入连续滑动状态，其中相对滑动速度是恒定的并且不会振荡(避免卡瓦粘附)或呈现局部RPM的迅猛加速或减速。即使对于通过对钻探液使用润滑剂添加剂或片剂来避免卡瓦粘附运动的现有技术方法，在高法向负荷和小滑动速度下，仍可能出现卡瓦粘附运动。本文公开的钻杆组件上的涂层可确保在高法向负荷下也不存在卡瓦粘附运动。
钻头和稳定器结球发生在钻头和稳定器表面与岩石碎屑之间的粘合力变成大于将切屑保持在一起的结合力时。因此，为了减少钻头结球，可减小可变形的页岩碎屑与钻头和稳定器表面之间的粘合力。本文公开的钻杆组件上的涂层提供了低能量表面以提供用于减轻或减少钻头/稳定器结球的低附着表面。
用于涂覆油气井生产装置的方法：
本发明还涉及用于涂覆油气井生产装置的方法。在一个示例性实施例中，一种用于涂覆油气井生产装置的方法包括提供经涂覆的油气井生产装置，其包括油气井生产装置，该油气井生产装置包括一个或多个圆柱形本体以及该一个或多个圆柱形本体的至少一部分上的涂层，其中该涂层选自非晶态合金、经热处理的基于非电镀或电镀镍-磷复合材料(其中磷含量大于12wt％)、石墨、MoS2、WS2、基于富勒烯的复合材料、基于硼化物的金属陶瓷、准晶态材料、基于金刚石的材料、类金刚石碳(DLC)、氮化硼和它们的组合，以及利用该涂敷的油气井生产装置进行井建造、完井或生产操作。
在另一个示例性实施例中，一种用于涂覆油气井生产装置的方法包括提供油气井生产装置，其包括一个或多个本体，附加条件是该一个或多个本体不包括钻头，以及该一个或多个本体的至少一部分上的涂层，其中该涂层选自非晶态合金、经热处理的基于非电镀或电镀镍-磷复合材料(其中磷含量大于12wt％)、石墨、MoS2、WS2、基于富勒烯的复合材料、基于硼化物的金属陶瓷、准晶态材料、基于金刚石的材料、类金刚石碳(DLC)、氮化硼和它们的组合，以及利用该涂敷的油气井生产装置进行井建造、完井或生产操作。
在地下旋转钻探操作中，钻探可为定向钻探，包括但不限于水平钻探或大位移钻探(ERD)。在水平钻探或大位移钻探(ERD)期间，该方法也可包括利用弯曲马达上的涂层协助将重量转移到钻头。重量转移到钻头在滑动操作(0RPM)期间得以促进以便当使用此类弯曲马达上的涂层时定向钻孔，因为在BHA与井眼之间的滑动接触位置处的摩擦阻力妨碍了重量转移到钻头。
基于金刚石的材料可为化学蒸镀(CVD)金刚石或聚晶金刚石复合片(PDC)。在一个有利的实施例中，经涂覆的油气井生产装置被涂覆有类金刚石碳(DLC)涂层，并且更特别地所述DLC涂层可选自ta-C、ta-C:H、DLCH、PLCH、GLCH、Si-DLC、N-DLC、O-DLC、B-DLC、Me-DLC、F-DLC和它们的组合。在DLC涂层实施例的另一种有利的形式中，在基质附近采用加硬层。
在用于涂覆油气井生产装置的方法的一种形式中，所述一个或多个装置可涂覆有类金刚石碳(DLC)。DLC材料的涂层可通过物理气相淀积(PVD)、电弧淀积、化学气相淀积(CVD)或等离子增强的化学气相淀积(PECVD)涂覆技术来施加。物理气相淀积涂覆方法可选自溅射、RF-DC等离子反应磁控管溅射、离子束辅助淀积、阴极电弧淀积和脉冲激光淀积。所述一个或多个DLC涂覆层可有利地通过PECVD和/或RF-DC等离子反应磁控管溅射法淀积。
本文公开的用于涂覆油气井生产装置的方法通过显著减少定向或大位移钻探期间的摩擦和拖滞而在钻探操作期间显著减小扭矩，从而有利于以现有的顶部驱动能力钻探更深和/或更大位移的井。扭矩的显著减小意味着与当使用未经涂覆的钻杆组件进行旋转钻探时相比减小10％、优选减小20％且更优选减小30％。显著减少摩擦和拖滞意味着与当使用未经涂覆的钻杆组件进行旋转钻探时相比减少10％、优选减少20％且更优选减少50％。用于减少经涂覆的钻杆组件中的摩擦的方法还可包括在现场的钻机位置或在当地供应商商店在本体组件的暴露的外表面的至少一部分上涂敷涂层，以涂敷新的或翻新的磨损涂层，从而延长寿命并有利于组件的继续使用。
在本文公开的用于涂覆油气井生产装置的一种有利的形式中，涂层包括类金刚石碳(DLC)。用于涂敷类金刚石碳(DLC)涂层的一种示例性方法包括通过用于机械密封的装置使装置的暴露的外表面的至少一部分排气并在气相淀积涂覆以前抽真空。在钻探应用中，钻柱或挠性油管可与井底钻具组合相结合地使用以形成钻杆组件。当在使用本文公开的用于减少摩擦的方法的地下旋转钻探操作中利用经涂覆的挠性油管时，该方法确保欠平衡的钻探到达目标总深度而不需要钻探液中的减少拖滞的添加剂。
当在钻探操作中利用本文公开的经涂覆的装置时，用于涂覆油气井生产装置以便减少经涂覆的钻杆组件在地下旋转钻探操作期间的摩擦的方法确保摩擦和拖滞的显著减少而不牺牲与经涂覆的钻杆组件连接以将施加的扭矩传输到页岩破碎处理的钻头的强劲性(aggressivenes)。实际上，经涂覆的装置允许使用更强劲钻头，因为可获得的扭矩和动力更多将被传送到钻头而不会由于钻杆组件的滑动摩擦而损失为寄生摩擦。显著的摩擦和拖滞减少意味着与当使用未经涂覆的钻杆组件进行旋转钻探时相比减少10％、优选减少20％且更优选减少50％。此外，在本文公开的用于涂覆油气井生产装置以便在地下旋转钻探操作期间减少经涂覆的钻杆组件中的摩擦的方法中，涂层的耐腐蚀性至少相当于用于在井下钻探环境中的钻杆组件的本体组件所用的钢材。
井生产应用和优点：
本文公开的经涂覆的油气井生产装置确保钻探、完井、增产、喷射、处理、破碎、酸化处理、修井和生产操作中的改善的性能。这些应用可更一般地认为与“井生产”有关。这些井生产操作的益处来源于使用经涂覆的井生产装置获得的摩擦、磨损、腐蚀、侵蚀的减少和对沉淀物的阻挡，如前文详细描述并如在此所附的附图所示的。
试验方法
根据ASTMG99试验方法使用球盘摩擦试验机测量摩擦系数。该试验方法需要两个样品——平直盘样品和球形端球样品。使用支架刚性地保持的球样品垂直于平直盘定位。通过使直径为2.7英寸的平直盘在圆形路径中回转而使平直盘样品抵靠在球样品上滑动。法向负荷经球竖直向下施加使得球被压靠在盘上。特定的法向负荷能够借助于所附的重块、液力或气动加载机构施加。在测试期间，使用附接到球支架上的张力-压缩负荷传感器或类似的力感应装置测量摩擦力。可通过将测出的摩擦力除以法向负荷算出摩擦系数。在各种测试条件滑动速度下在室温和150°F完成试验。采用直径为4mm～5mm的石英或低碳钢球作为配合面材料。
通过借助于上述ASTMG99试验方法使用球盘摩擦试验机在各种滑动速度测量摩擦系数来评估速度增强或减弱。
根据ASTMC1327维氏硬度试验方法测量硬度。维氏硬度试验方法包括使用金刚石压痕器压凹试验材料，所述金刚石压痕器的形式为带有正方形基部并在承受1到100kgf的负荷的相对表面之间成136度角的直立棱锥。通常施加全负荷10到15秒。使用显微镜测量在去除负荷之后材料的表面中留下的压痕的两个对角并计算它们的平均值。计算压痕的倾斜表面的面积。维氏硬度为通过将所述kgf负荷除以压痕的平方毫米面积获得的商。维氏硬度试验的优点是能够进行极为精确的读数，并且对所有类型的金属和表面处理仅使用一种压痕器。薄涂覆层(例如，小于100μm)的硬度已通过纳米压痕评估，其中法向负荷(P)通过具有众所周知的棱锥几何形状(例如，Berkovich末端，其具有三面棱锥几何形状)的压痕器对涂层表面施加法向负荷(P)。在纳米压痕中使用小负荷和末端尺寸来消除或减少来自基质的作用，因此压痕面积可能仅为数平方微米或甚至纳米。在纳米压痕处理的过程中，对穿透深度进行记录，然后利用压痕末端的已知几何形状确定压痕的面积。可通过将负荷(kgf)除以压痕的面积(平方毫米)来获得硬度。
根据ASTMG99试验方法通过球盘摩擦几何形状测量磨损性能。通过测量两种样品在试验前后的尺寸确定盘和球的磨损量或磨损体积损失。通过激光表面轮廓仪和原子力显微镜确定圆盘磨损轨道的深度或形状变化。通过测量样品在试验前后的尺寸确定球的磨损量或磨损体积损失。从球的已知几何形状和尺寸计算球的磨损体积。
根据ASTMD5725试验方法测量水接触角。称为“固着液滴法”的方法使用光学子系统测量液体接触角(测角仪)以捕获固体基质上的纯液体的轮廓。将液滴(例如，水)置于(或允许从一定距离落下)固体表面上。当液体安定(已变成固着)时，液滴保持其表面张力并抵靠在固体表面上呈卵形。液体/固体界面与液体/蒸气界面之间形成的角度为接触角。液滴的椭圆接触表面的接触角决定两种物质之间的亲和度。即，平直液滴表明高亲和度，这种情况下液体可以说成是“润湿”基质。在该表面上方(通过高度计)更呈圆形的液滴表明更低的亲和度，因为液体附于固体表面上的角度更尖锐。这种情况下液体可以说成是“不润湿”基质。固着液滴系统采用高分辨率照相机和软件来捕获并分析接触角。
实例
说明例1：
通过气相淀积技术在4142钢基质上涂敷DLC涂层。DLC涂层具有在从1.5到25微米的范围内的厚度。测出硬度处于1,300到7,500维氏硬度数的范围内。已进行基于球盘摩擦几何形状的实验室试验来论证涂层的摩擦和磨损性能。使用石英球和低碳钢球作为配合面材料以分别模拟裸孔和加套孔状态。在一个环境温度试验中，在“干燥”或环境空气状态下以300g法向负荷和0.6m/s滑动速度对石英配合面材料测试DLC涂层和商售现有技术加硬层堆焊涂层以模拟裸井眼条件。可在如图19中所示的DLC涂层中实现高达10倍于未经涂覆的4142钢和加硬层的摩擦性能的提高(摩擦系数的减小)。
在另一个环境温度试验中，对低碳钢配合面材料测试未经涂覆的4142钢、DLC涂层和商售现有技术加硬层堆焊涂层以模拟加套的孔条件。可在如图19中所示的DLC涂层中实现高达三倍于未经涂覆的4142钢和加硬层的摩擦性能的提高(摩擦系数的减小)。DLC涂层由于DLC涂层高于配合面材料的(即，石英和低碳钢)的硬度而磨光石英球。然而，磨损引起的体积损失在石英球和低碳钢球两者中都最小。另一方面，普通钢和加硬层导致石英球和低碳钢球两者中的显著磨损，表明这些并不是很“套管友好的”。
也在油基钻探液中在环境温度测试球盘磨损和摩擦系数。使用石英球和低碳钢球作为配合面材料以分别模拟裸孔和加套孔。DLC涂层如图20中所示较商售加硬层而言呈现显著的优点。使用DLC涂层可以实现与未经涂覆的4142钢和加硬层相比摩擦性能提高(摩擦系数的减小)高达30％。DLC涂层由于其高于石英的硬度而磨光石英球。另一方面，对于未经涂覆的钢盘的情况而言，低碳钢球和石英球两者及钢盘表现出明显的磨损。为了进行相当的试验，加硬的盘的磨损表现在DLC涂覆盘和未经涂覆的钢盘的中间。
图21示出了在升高的温度下的磨损和摩擦性能。在加热到150°F的油基钻探液中执行试验，并且再次使用石英球和低碳钢球作为配合面材料以分别模拟裸孔和加套孔条件。DLC涂层与未经涂覆的4142钢和商售加硬层相比呈现高达50％的摩擦性能的提高(摩擦系数的减小)。未经涂覆的钢和加硬层导致石英球和低碳钢球的配合面材料中的磨损损坏，而在抵靠DLC涂层摩擦的配合面材料中已观察到明显更低的磨损损坏。
图22示出了DLC涂层在升高的温度(150°F和200°F)的摩擦性能。在该测试数据中，DLC涂层在高达200°F的升高的温度下呈现低摩擦系数。然而，未经涂覆的钢和加硬层的摩擦系数随着温度明显增加。
说明例2：
在实验室磨损/摩擦测试中，通过监控在0.3m/s～1.8m/s的滑动速度范围滑动所需的剪应力而对DLC涂层和未经涂覆的4142钢测量摩擦系数的速度依赖性(速度减弱或强度)。使用石英球作为干滑动磨损试验中的配合面材料。DLC涂层相对于未经涂覆的钢的速度减弱性能在图23中示出。未经涂覆的4142钢呈现随滑动速度减小的摩擦系数(即，明显的速度减弱)，而DLC涂层未表现出速度减弱，并且实际上，似乎存在COF的轻微速度增强(即，COF随滑动速度略微增加)，这对于减轻扭转不稳定(卡瓦粘附振动的前兆)可能是有利的。
说明例3：
生产多层DLC涂层以便最大化DLC涂层的厚度，从而对用于钻探操作中的钻杆组件增强它们的耐久性。在一种形式中，多层DLC涂层的总厚度从6μm到25μm变化。图24示出了用于经由PECVD生产的钻杆组件的单层和多层DLC涂层两者的SEM图像。与DLC涂层一起使用的粘合剂层为硅质缓冲层。
经由水接触角测量DLC涂覆基质与未经涂覆的4142钢表面相比的表面能量。结果在图25中示出并且表明DLC涂层与未经涂覆的钢表面相比提供了显著更低的表面能量。更低的表面能量可提供附着力更低的表面以便减轻或减少钻头/稳定器结球并防止沥青、石蜡、垢体和/或水合物的沉淀物的形成。
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当本文列举数值下限和数值上限时，可设想从任何下限到任何上限的范围。

Claims (152)

1.一种经涂覆的油气井生产装置，包括：
油气井生产装置，其包括一个或多个柱形本体，以及
所述一个或多个柱形本体的至少一部分上的涂层，
其中所述涂层为类金刚石碳(DLC)并且提供至少三倍于未经涂覆的油气井生产装置的对配合面材料的耐磨性，
其中所述涂层的摩擦系数小于或等于0.15，所述涂层提供大于1000VHN的硬度。
2.根据权利要求1所述的经涂覆的装置，其特征在于，所述一个或多个柱形本体包括彼此相对运动的两个或更多个柱形本体。
3.根据权利要求1所述的经涂覆的装置，其特征在于，所述一个或多个柱形本体包括相对于彼此静止的两个或更多个柱形本体。
4.根据权利要求2所述的经涂覆的装置，其特征在于，所述两个或更多个柱形本体包括两个或更多个半径。
5.根据权利要求4所述的经涂覆的装置，其特征在于，所述两个或更多个柱形本体包括基本上在一个或多个其它柱形本体内的一个或多个柱形本体。
6.根据权利要求4所述的经涂覆的装置，其特征在于，所述两个或更多个半径具有基本上相同的尺寸或明显不同的尺寸。
7.根据权利要求4所述的经涂覆的装置，其特征在于，所述两个或更多个柱形本体是彼此邻接的。
8.根据权利要求4所述的经涂覆的装置，其特征在于，所述两个或更多个柱形本体不是彼此邻接的。
9.根据权利要求7或8所述的经涂覆的装置，其特征在于，所述两个或更多个柱形本体是同轴的或不同轴的。
10.根据权利要求9所述的经涂覆的装置，其特征在于，所述两个或更多个柱形本体具有大致平行的轴线。
11.根据权利要求1所述的经涂覆的装置，其特征在于，所述一个或多个柱形本体的内表面是螺旋形的、外表面是螺旋形的或它们的组合。
12.根据权利要求1所述的经涂覆的装置，其特征在于，所述一个或多个柱形本体是实心的、空心的或它们的组合。
13.根据权利要求1所述的经涂覆的装置，其特征在于，所述一个或多个柱形本体包括至少一个柱形本体，其外截面、内截面或内、外截面是大致圆形的、大致椭圆形的或大致多边形的。
14.根据权利要求1所述的经涂覆的装置，其特征在于，所述涂层的摩擦系数小于或等于0.10。
15.根据权利要求1所述的经涂覆的装置，其特征在于，所述涂层提供大于1500VHN的硬度。
16.根据权利要求1所述的经涂覆的装置，其特征在于，所述涂层的水接触角大于60度。
17.根据权利要求1所述的经涂覆的装置，其特征在于，所述涂层提供小于1J/m2的表面能量。
18.根据权利要求17所述的经涂覆的装置，其特征在于，所述涂层提供小于0.1J/m2的表面能量。
19.根据权利要求1所述的经涂覆的装置，其特征在于，所述涂层包括单个涂覆层或两个或更多个涂覆层。
20.根据权利要求19所述的经涂覆的装置，其特征在于，所述两个或更多个涂覆层属于大致相同或不同的涂层。
21.根据权利要求19所述的经涂覆的装置，其特征在于，所述单个涂覆层以及所述两个或更多个涂覆层的其中每一层的厚度在从0.5微米到5000微米的范围内。
22.根据权利要求19所述的经涂覆的装置，其特征在于，所述涂层还包括一个或多个缓冲层。
23.根据权利要求22所述的经涂覆的装置，其特征在于，所述一个或多个缓冲层介于所述一个或多个柱形本体的表面与所述单个涂覆层或所述两个或更多个涂覆层之间。
24.根据权利要求22所述的经涂覆的装置，其特征在于，所述一个或多个缓冲层选自以下的元素、合金、碳化物、氮化物和氧化物：硅、钛、铬、钨、钽、铌、钒、锆或铪。
25.根据权利要求24所述的经涂覆的装置，其特征在于，所述碳化物包括碳氮化物。
26.根据权利要求1所述的经涂覆的装置，其特征在于，所述涂层的动态摩擦系数不低于所述涂层的静态摩擦系数的50％。
27.根据权利要求1所述的经涂覆的装置，其特征在于，所述涂层的动态摩擦系数大于或等于所述涂层的静态摩擦系数。
28.根据权利要求1所述的经涂覆的装置，其特征在于，所述一个或多个柱形本体还包括在其至少一部分上的加硬层。
29.根据权利要求28所述的经涂覆的装置，其特征在于，所述加硬层包括基于金属陶瓷的材料、金属基质复合材料或硬质金属合金。
30.根据权利要求1或28所述的经涂覆的装置，其特征在于，所述一个或多个柱形本体还包括介于所述一个或多个柱形本体的表面与所述柱形本体的至少一部分上的涂层或加硬层之间的隔离层。
31.根据权利要求30所述的经涂覆的装置，其特征在于，所述隔离层包括不锈钢或镍基合金。
32.根据权利要求1所述的经涂覆的装置，其特征在于，所述一个或多个柱形本体还包括螺纹。
33.根据权利要求32所述的经涂覆的装置，其特征在于，所述螺纹的至少一部分被涂覆。
34.根据权利要求32或33所述的经涂覆的装置，还包括密封表面，其中所述密封表面的至少一部分被涂覆。
35.根据权利要求1、2或3中任何一项所述的经涂覆的装置，其特征在于，所述一个或多个柱形本体是井建造装置。
36.根据权利要求35所述的经涂覆的装置，其特征在于，所述井建造装置选自钻杆、套管、油管管柱、钢丝绳、编织绳、多导线、单导线、试井钢丝、挠性油管、可膨胀的管件、膨胀心轴、扶正器、接触环、冲洗管道、用于固体控制的摇动筛网、卡瓦打捞筒和抓钩、海洋隔水管、地面流动管线和它们的组合。
37.根据权利要求1、2或3中任何一项所述的经涂覆的装置，其特征在于，所述一个或多个柱形本体是完井和生产装置。
38.根据权利要求37所述的经涂覆的装置，其特征在于，所述完井和生产装置选自：柱塞举升装置；完井滑动套筒组件；挠性油管；抽吸杆；油管管柱；泵油机；填料盒；封隔器和注油器；活塞和活塞衬套；可膨胀的管件；膨胀心轴；控制线和导管；在井眼内操作的工具；钢丝绳、编织绳、多导线、单导线、试井钢丝；扶正器；接触环；穿孔基管；开槽基管；用于砂石控制的筛网基管；冲洗管道；分流管；用于砂砾封隔操作的维修工具；耐磨接头；设置在完井层段中的砂石筛网；烧结筛网；金属丝缠绕筛网；用于固体控制的摇动筛网；卡瓦打捞筒和抓钩；海洋隔水管；地面流动管线、增产处理管线和它们的组合。
39.一种经涂覆的油气井生产装置，包括：
油气井生产装置，其包括一个或多个本体，附加条件是所述一个或多个本体不包括钻头，以及
所述一个或多个本体的至少一部分上的涂层，
其中所述涂层为类金刚石碳(DLC)并且提供至少三倍于未经涂覆的油气井生产装置的对配合面材料的耐磨性，
其中所述涂层的摩擦系数小于或等于0.15，所述涂层提供大于1000VHN的硬度。
40.根据权利要求39所述的经涂覆的装置，其特征在于，所述一个或多个本体包括彼此相对运动的两个或更多个本体。
41.根据权利要求39所述的经涂覆的装置，其特征在于，所述一个或多个本体包括相对于彼此静止的两个或更多个本体。
42.根据权利要求39所述的经涂覆的装置，其特征在于，所述一个或多个本体包括球形和复杂几何形状。
43.根据权利要求42所述的经涂覆的装置，其特征在于，所述复杂几何形状至少具有形状不是柱形的部分。
44.根据权利要求40或41所述的经涂覆的装置，其特征在于，所述两个或更多个本体包括基本上在一个或多个其它本体内的一个或多个本体。
45.根据权利要求40或41所述的经涂覆的装置，其特征在于，所述两个或更多个本体是彼此邻接的。
46.根据权利要求40或41所述的经涂覆的装置，其特征在于，所述两个或更多个本体不是彼此邻接的。
47.根据权利要求40或41所述的经涂覆的装置，其特征在于，所述两个或更多个本体是同轴的或不同轴的。
48.根据权利要求39所述的经涂覆的装置，其特征在于，所述一个或多个本体是实心的、空心的或它们的组合。
49.根据权利要求39所述的经涂覆的装置，其特征在于，所述一个或多个本体包括至少一个本体，其外截面、内截面或内、外截面是大致圆形的、大致椭圆形的或大致多边形的。
50.根据权利要求39所述的经涂覆的装置，其特征在于，所述涂层的摩擦系数小于或等于0.10。
51.根据权利要求39所述的经涂覆的装置，其特征在于，所述涂层提供大于1500VHN的硬度。
52.根据权利要求39所述的经涂覆的装置，其特征在于，所述涂层的水接触角大于60度。
53.根据权利要求39所述的经涂覆的装置，其特征在于，所述涂层提供小于1J/m2的表面能量。
54.根据权利要求53所述的经涂覆的装置，其特征在于，所述涂层提供小于0.1J/m2的表面能量。
55.根据权利要求39所述的经涂覆的装置，其特征在于，所述涂层包括单个涂覆层或两个或更多个涂覆层。
56.根据权利要求55所述的经涂覆的装置，其特征在于，所述两个或更多个涂覆层属于大致相同或不同的涂层。
57.根据权利要求55所述的经涂覆的装置，其特征在于，所述单个涂覆层以及所述两个或更多个涂覆层的其中每一层的厚度在从0.5微米到5000微米的范围内。
58.根据权利要求55所述的经涂覆的装置，其特征在于，所述涂层还包括一个或多个缓冲层。
59.根据权利要求58所述的经涂覆的装置，其特征在于，所述一个或多个缓冲层介于所述一个或多个本体的表面与所述单个涂覆层或所述两个或更多个涂覆层之间。
60.根据权利要求58所述的经涂覆的装置，其特征在于，所述一个或多个缓冲层选自以下的元素、合金、碳化物、氮化物和氧化物：硅、钛、铬、钨、钽、铌、钒、锆或铪。
61.据权利要求60所述的经涂覆的装置，其特征在于，所述碳化物包括碳氮化物。
62.根据权利要求39所述的经涂覆的装置，其特征在于，所述涂层的动态摩擦系数不低于所述涂层的静态摩擦系数的50％。
63.根据权利要求39所述的经涂覆的装置，其特征在于，所述涂层的动态摩擦系数大于或等于所述涂层的静态摩擦系数。
64.根据权利要求39所述的经涂覆的装置，其特征在于，所述一个或多个本体还包括在其至少一部分上的加硬层。
65.根据权利要求64所述的经涂覆的装置，其特征在于，所述加硬层包括基于金属陶瓷的材料、金属基质复合材料或硬质金属合金。
66.根据权利要求39或64所述的经涂覆的装置，其特征在于，所述一个或多个本体还包括介于所述一个或多个本体的表面与所述本体的至少一部分上的涂层或加硬层之间的隔离层。
67.根据权利要求66所述的经涂覆的装置，其特征在于，所述隔离层包括不锈钢或镍基合金。
68.根据权利要求39所述的经涂覆的装置，其特征在于，所述一个或多个本体还包括螺纹。
69.根据权利要求68所述的经涂覆的装置，其特征在于，所述螺纹的至少一部分被涂覆。
70.根据权利要求68或69所述的经涂覆的装置，还包括密封表面，其中所述密封表面的至少一部分被涂覆。
71.根据权利要求39、40或41所述的经涂覆的装置，其特征在于，所述一个或多个本体是井建造装置。
72.根据权利要求71所述的经涂覆的装置，其特征在于，所述井建造装置选自扼流器、阀、阀座、润滑油嘴、离心机、弯头、T形管、联接器、防喷器、磨损套筒、往复运动和/或旋转的密封组件中的动态金属间密封件、安全阀中的弹簧、减震接头、震击器、测井工具臂、钻机滑移设备、棘爪和它们的组合。
73.根据权利要求72所述的经涂覆的装置，其特征在于，所述阀包括球阀、环形隔离阀、地下安全阀。
74.根据权利要求39、40或41中任何一项所述的经涂覆的装置，其特征在于，所述一个或多个本体是完井和生产装置。
75.根据权利要求74所述的经涂覆的装置，其特征在于，所述完井和生产装置选自扼流器、阀、阀座、润滑油嘴、流入控制装置、离心机、弯头、T形管、联接器、防喷器、磨损套筒、往复运动和/或旋转的密封组件中的动态金属间密封件、安全阀中的弹簧、减震接头、震击器、测井工具臂、侧套、心轴、封隔器卡瓦、封隔器锁片、砂石探头、井流流量计、砂石筛网的非柱形构件和它们的组合。
76.根据权利要求75所述的经涂覆的装置，其特征在于，所述阀包括球阀、智能井阀、环形隔离阀、地下安全阀、气体举升和化学品喷射阀。
77.一种用于涂覆油气井生产装置的方法，包括：
提供经涂覆的油气井生产装置，其包括油气井生产装置，所述油气井生产装置包括一个或多个柱形本体，以及
所述一个或多个柱形本体的至少一部分上的涂层，
其中所述涂层为类金刚石碳(DLC)并且提供至少三倍于未经涂覆的油气井生产装置的对配合面材料的耐磨性，
其中所述涂层的摩擦系数小于或等于0.15，所述涂层提供大于1000VHN的硬度，以及
利用所述经涂覆的油气井生产装置进行井建造、完井或生产操作。
78.根据权利要求77所述的方法，其特征在于，所述一个或多个柱形本体包括彼此相对运动的两个或更多个柱形本体。
79.根据权利要求77所述的方法，其特征在于，所述一个或多个柱形本体包括相对于彼此静止的两个或更多个柱形本体。
80.根据权利要求78所述的方法，其特征在于，所述两个或更多个柱形本体包括两个或更多个半径。
81.根据权利要求80所述的方法，其特征在于，所述两个或更多个柱形本体包括基本上在一个或多个其它柱形本体内的一个或多个柱形本体。
82.根据权利要求80所述的方法，其特征在于，所述两个或更多个半径具有基本上相同的尺寸或明显不同的尺寸。
83.根据权利要求80所述的方法，其特征在于，所述两个或更多个柱形本体是彼此邻接的。
84.根据权利要求80所述的方法，其特征在于，所述两个或更多个柱形本体不是彼此邻接的。
85.根据权利要求83或84所述的方法，其特征在于，所述两个或更多个柱形本体是同轴的或不同轴的。
86.根据权利要求85所述的方法，其特征在于，所述两个或更多个不同轴的柱形本体具有大致平行的轴线。
87.根据权利要求77所述的方法，其特征在于，所述一个或多个柱形本体的内表面是螺旋形的、外表面是螺旋形的或它们的组合。
88.根据权利要求77所述的方法，其特征在于，所述一个或多个柱形本体是实心的、空心的或它们的组合。
89.根据权利要求77所述的方法，其特征在于，所述一个或多个柱形本体包括至少一个柱形本体，其外截面、内截面或内、外截面是大致圆形的、大致椭圆形的或大致多边形的。
90.根据权利要求77所述的方法，其特征在于，所述涂层的摩擦系数小于或等于0.10。
91.根据权利要求77所述的方法，其特征在于，所述涂层的水接触角大于60度。
92.根据权利要求77所述的方法，其特征在于，所述涂层提供小于1J/m2的表面能量。
93.根据权利要求77所述的方法，其特征在于，所述涂层包括单个涂覆层或两个或更多个涂覆层。
94.根据权利要求93所述的方法，其特征在于，所述两个或更多个涂覆层属于大致相同或不同的涂层。
95.根据权利要求93所述的方法，其特征在于，所述单个涂覆层以及所述两个或更多个涂覆层的其中每一层的厚度在从0.5微米到5000微米的范围内。
96.根据权利要求93所述的方法，其特征在于，所述涂层还包括一个或多个缓冲层。
97.根据权利要求96所述的方法，其特征在于，所述一个或多个缓冲层介于所述一个或多个柱形本体的表面与所述单个涂覆层或所述两个或更多个涂覆层之间。
98.根据权利要求96所述的方法，其特征在于，所述一个或多个缓冲层选自以下的元素、合金、碳化物、氮化物和氧化物：硅、钛、铬、钨、钽、铌、钒、锆或铪。
99.根据权利要求98所述的方法，其特征在于，所述碳化物包括碳氮化物。
100.根据权利要求77所述的方法，其特征在于，所述涂层的动态摩擦系数不低于所述涂层的静态摩擦系数的50％。
101.根据权利要求77所述的方法，其特征在于，所述涂层的动态摩擦系数大于或等于所述涂层的静态摩擦系数。
102.根据权利要求77所述的方法，其特征在于，所述一个或多个柱形本体还包括在其至少一部分上的加硬层。
103.根据权利要求102所述的方法，其特征在于，所述加硬层包括基于金属陶瓷的材料、金属基质复合材料或硬质金属合金。
104.根据权利要求77或102所述的方法，其特征在于，所述一个或多个柱形本体还包括介于所述一个或多个柱形本体的表面与所述柱形本体的至少一部分上的涂层或加硬层之间的隔离层。
105.根据权利要求104所述的方法，其特征在于，所述隔离层包括不锈钢或镍基合金。
106.根据权利要求77所述的方法，其特征在于，所述一个或多个柱形本体还包括螺纹。
107.根据权利要求106所述的方法，其特征在于，所述螺纹的至少一部分被涂覆。
108.根据权利要求106或107所述的方法，还包括密封表面，其中所述密封表面的至少一部分被涂覆。
109.根据权利要求77、78或79所述的方法，其特征在于，所述一个或多个柱形本体是井构建装置。
110.根据权利要求109所述的方法，其特征在于，所述井构建装置选自钻杆、套管、油管管柱、钢丝绳、编织绳、多导线、单导线、试井钢丝、挠性油管、可膨胀的管件、膨胀心轴、扶正器、接触环、冲洗管道、用于固体控制的摇动筛网、卡瓦打捞筒和抓钩、海洋隔水管、地面流动管线和它们的组合。
111.根据权利要求77、78或79所述的方法，其特征在于，所述一个或多个柱形本体为完井和生产装置。
112.根据权利要求111所述的方法，其特征在于，所述完井和生产装置选自：柱塞举升装置；完井滑动套筒组件；挠性油管；抽吸杆；油管管柱；泵油机；填料盒；封隔器和注油器；活塞和活塞衬套；可膨胀的管件；膨胀心轴；控制线和导管；在井眼内操作的工具；钢丝绳、编织绳、多导线、单导线、试井钢丝；扶正器；接触环；穿孔基管；开槽基管；用于砂石控制的筛网基管；冲洗管道；分流管；用于砂砾封隔操作的维修工具；耐磨接头；设置在完井层段中的砂石筛网；烧结筛网；金属丝缠绕筛网；用于固体控制的摇动筛网；卡瓦打捞筒和抓钩；海洋隔水管；地面流动管线、增产处理管线和它们的组合。
113.根据权利要求77所述的方法，其特征在于，通过物理气相淀积、化学气相淀积或等离子辅助的化学气相淀积涂覆技术涂敷所述类金刚石碳(DLC)。
114.根据权利要求113所述的方法，其特征在于，所述物理气相淀积涂覆方法选自RF-DC等离子反应磁控管溅射、离子束辅助淀积、阴极电弧淀积和脉冲激光淀积。
115.一种用于涂覆油气井生产装置的方法，包括：
提供油气井生产装置，其包括一个或多个本体，附加条件是所述一个或多个本体不包括钻头，以及
所述一个或多个本体的至少一部分上的涂层，
其中所述涂层为类金刚石碳(DLC)并且提供至少三倍于未经涂覆的油气井生产装置的对配合面材料的耐磨性，
其中所述涂层的摩擦系数小于或等于0.15，所述涂层提供大于1000VHN的硬度，以及
利用所述经涂覆的油气井生产装置进行井建造、完井或生产操作。
116.根据权利要求115所述的方法，其特征在于，所述一个或多个本体包括彼此相对运动的两个或更多个本体。
117.根据权利要求115所述的方法，其特征在于，所述一个或多个本体包括相对于彼此静止的两个或更多个本体。
118.根据权利要求115所述的方法，其特征在于，所述一个或多个本体包括球形或复杂几何形状。
119.根据权利要求118所述的方法，其特征在于，所述复杂几何形状至少具有形状不是柱形的部分。
120.根据权利要求116或117所述的方法，其特征在于，所述两个或更多个本体包括基本上在一个或多个其它本体内的一个或多个本体。
121.根据权利要求116或117所述的方法，其特征在于，所述两个或更多个本体是彼此邻接的。
122.根据权利要求116或117所述的方法，其特征在于，所述两个或更多个本体不是彼此邻接的。
123.根据权利要求116或117所述的方法，其特征在于，所述两个或更多个本体是同轴的或不同轴的。
124.根据权利要求115所述的方法，其特征在于，所述一个或多个本体是实心的、空心的或它们的组合。
125.根据权利要求115所述的方法，其特征在于，所述一个或多个本体包括至少一个本体，其外截面、内截面或内、外截面是大致圆形的、大致椭圆形的或大致多边形的。
126.根据权利要求115所述的方法，其特征在于，所述涂层的摩擦系数小于或等于0.10。
127.根据权利要求115所述的方法，其特征在于，所述涂层的水接触角大于60度。
128.根据权利要求115所述的方法，其特征在于，所述涂层提供小于1J/m2的表面能量。
129.根据权利要求115所述的方法，其特征在于，所述涂层包括单个涂覆层或两个或更多个涂覆层。
130.根据权利要求129所述的方法，其特征在于，所述两个或更多个涂覆层属于大致相同或不同的涂层。
131.根据权利要求129所述的方法，其特征在于，所述单个涂覆层以及所述两个或更多个涂覆层的其中每一层的厚度在从0.5微米到5000微米的范围内。
132.根据权利要求129所述的方法，其特征在于，所述涂层还包括一个或多个缓冲层。
133.根据权利要求132所述的方法，其特征在于，所述一个或多个缓冲层介于所述一个或多个本体的表面与所述单个涂覆层或所述两个或更多个涂覆层之间。
134.根据权利要求132所述的方法，其特征在于，所述一个或多个缓冲层选自以下的元素、合金、碳化物、氮化物和氧化物：硅、钛、铬、钨、钽、铌、钒、锆或铪。
135.据权利要求134所述的方法，其特征在于，所述碳化物包括碳氮化物。
136.根据权利要求115所述的方法，其特征在于，所述涂层的动态摩擦系数不低于所述涂层的静态摩擦系数的50％。
137.根据权利要求115所述的方法，其特征在于，所述涂层的动态摩擦系数大于或等于所述涂层的静态摩擦系数。
138.根据权利要求115所述的方法，其特征在于，所述一个或多个本体还包括在其至少一部分上的加硬层。
139.根据权利要求138所述的方法，其特征在于，所述加硬层包括基于金属陶瓷的材料、金属基质复合材料或硬质金属合金。
140.根据权利要求115或138所述的方法，其特征在于，所述一个或多个本体还包括介于所述一个或多个本体的表面与所述本体的至少一部分上的涂层或加硬层之间的隔离层。
141.根据权利要求140所述的方法，其特征在于，所述隔离层包括不锈钢或镍基合金。
142.根据权利要求115所述的方法，其特征在于，所述一个或多个本体还包括螺纹。
143.根据权利要求142所述的方法，其特征在于，所述螺纹的至少一部分被涂覆。
144.根据权利要求142或143所述的方法，还包括密封表面，其中所述密封表面的至少一部分被涂覆。
145.根据权利要求115、116或117所述的方法，其特征在于，所述一个或多个本体是井构建装置。
146.根据权利要求145所述的方法，其特征在于，所述井构建装置选自扼流器、阀、阀座、润滑油嘴、离心机、弯头、T形管、联接器、防喷器、磨损套筒、往复运动和/或旋转的密封组件中的动态金属间密封件、安全阀中的弹簧、减震接头、震击器、测井工具臂、钻机滑移设备、棘爪和它们的组合。
147.根据权利要求146所述的方法，其特征在于，所述阀包括球阀、环形隔离阀、地下安全阀。
148.根据权利要求115、116或117所述的方法，其特征在于，所述一个或多个本体为完井和生产装置。
149.根据权利要求148所述的方法，其特征在于，所述完井和生产装置选自扼流器、阀、阀座、润滑油嘴、流入控制装置、离心机、弯头、T形管、联接器、防喷器、磨损套筒、往复运动和/或旋转的密封组件中的动态金属间密封件、安全阀中的弹簧、减震接头、震击器、测井工具臂、侧套、心轴、封隔器卡瓦、封隔器锁片、砂石探头、井流流量计、砂石筛网的非柱形构件和它们的组合。
150.据权利要求149所述的方法，其特征在于，所述阀包括球阀、智能井阀、环形隔离阀、地下安全阀、气体举升和化学品喷射阀。
151.根据权利要求115所述的方法，其特征在于，通过物理气相淀积、化学气相淀积或等离子辅助的化学气相淀积涂覆技术涂敷所述类金刚石碳(DLC)。
152.根据权利要求151所述的方法，其特征在于，所述物理气相淀积涂覆方法选自RF-DC等离子反应磁控管溅射、离子束辅助淀积、阴极电弧淀积和脉冲激光淀积。
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