CN103228770B - 螺纹管状组件和所得连接件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于钻探和/或操作油气井的螺纹管状组件，所述管状组件在它的至少一个端部(1；2)处具有在其外或内周表面上产生的螺纹区(3；4)，这取决于螺纹区是公型还是母型，其特征在于至少一部分端部(1；2)用润滑干燥薄膜(12)涂布，所述润滑干燥薄膜(12)中的基体(13)包括属于油或蜡族的至少一种迁移滑动剂且主要分布在润滑干燥薄膜(12)的表面处，以便在小于40N的负载下，薄膜(12)的摩擦系数小于0.07，而在大于200N的负载下薄膜(12)的摩擦系数大于0.1。

Description

螺纹管状组件和所得连接件
本发明涉及用于油气井的钻探和/或操作的管状构件，和更精确地涉及这一构件的螺纹端部。所述端部可以是公型或母型，且能连接到类似构件的相应端部，形成连接件。
本发明还涉及由拼合(making up)两个管状构件得到的螺纹连接件。
术语“用于油气井的钻探和操作的管状构件”是指形状基本上为管状，拟连接到相同类型的另一构件上或者在其他情况下，尤其构成或者用于钻探油气井的管柱或者拟用于维护(也称为翻新竖管)或操作这一井的竖管，例如竖管或用于在操作井中使用的套管柱或油管柱。本发明还可应用于在钻柱中使用的构件，例如钻杆，重质钻杆，钻铤，和管道连接的部分以及称为钻杆螺纹的重质管道。
每一管状构件包括提供有公螺纹区或母螺纹区的端部，每一端部拟采用类似构件的相应端部拼合。按照这一方式连接，构件构成了所谓的连接件。
连接件中的所述螺纹管状组件在确定的负载下连接，以便满足干预配合的要求和操作条件强加的密封。进一步地，已知可要求螺纹管状组件，经历数个拼合-劈开循环，尤其在井内。
使用这种螺纹管状组件的条件导致不同类的应力，所述应力使得需要在这些组件的敏感部分，例如螺纹区，接点区或密封表面上使用涂层。
因此，例如由于通过螺纹连接件连接的长度数米的管道重量可能地通过待连接的螺纹构件轴的轻微失调而局部集中，从而导致通常在高轴向负载下进行拼合操作。这诱导在螺纹区处和/或在金属/金属密封表面处磨损的风险。由于这一原因，常规地用润滑剂涂布螺纹区以及金属/金属密封表面。
此外，储存螺纹管状组件，然后在不友好的环境内拼合。这是例如在盐雾存在下的近海情况或者在砂子、灰尘和/或其他污染物存在下的陆上情况的情形。因此，需要使用在表面上抗腐蚀的涂层，所述表面必须通过拼合(螺纹区)或者通过干预接触(金属/金属表面)来协作。还需要处理表面防止腐蚀。
然而，从环境的角度看，似乎使用符合API(美国石油组织)标准RP5A3的拼合油脂没有构成长期解决方案，这是因为这些油脂可被管状组件驱除并释放到环境或者井内，从而导致堵塞，而堵塞需要特殊的清洁操作。
为了克服要求长期抗腐蚀性和抗磨损的问题，并满足环境特性，开发了固体干燥涂层(即，不是糊状，与油脂不同)，润滑剂和防护剂。这尤其是采用引入固体润滑剂颗粒的含具有粘塑性特征的热塑性基体的涂层的情形。这一涂层尤其能克服顺序拼合和劈开的问题，特别是在现场条件下，以及保护螺纹构件防止腐蚀的问题。
然而，观察到在操作条件下，存在如此多的润滑剂，以致于在符合螺纹管状连接件的预定拼合扭矩曲线的螺纹管状连接件的公和母端部之间的干预配合不再可能。换句话说，在称为“极端压力”的极端Hertz应力下和在低摩擦速度下，这些涂层降低在拼合的端部处，在拼合邻接上的摩擦，使得快速得多地达到塑化扭矩。这导致与使用APIRP5A3油脂获得的参考值相比，在肩部阻力值上低得多的扭矩。由于这一原因，在一些极端情况下，在达到有用的拼合扭矩之前，塑化邻接区。
申请人因此寻求解决在高的抗肩部扭矩阻值(torque on shoulderresistance value)(塑化扭矩和肩部扭矩之差)与低肩部扭矩和充足的耐磨损性之间存在的二分法(dichotomy)。
本发明提出了用于钻探或操作油气井的螺纹管状组件，所述管状组件在它的端部之一的附近具有在其外或内周面上产生的螺纹区，这取决于螺纹端部是公型还是母型，这是非同寻常的，在于至少一部分端部用润滑干燥薄膜涂布，所述薄膜的基体可包括主要在润滑干燥薄膜表面上分布的属于油或蜡族的至少一种迁移滑动剂，以便在小于40N的负载下，薄膜的摩擦系数小于0.07，而在大于200N的负载下薄膜的摩擦系数大于0.1。
换句话说，在基本上相当的情况下，本发明提出了用于钻探或操作油气井的螺纹管状组件，它具有包括至少一个螺纹区的端部，这是非同寻常的，在于端部用干燥薄膜至少部分涂布，所述干燥薄膜包括基体和在该基体内的主要分布在润滑干燥薄膜的自由表面附近的至少一种迁移滑动剂，其特征在于所述滑动剂选自油和蜡，和特征在于基体和所述滑动剂共同地改变，以便干燥薄膜在小于40N的负载下的摩擦系数小于0.07和在大于200N的负载下大于0.1。
本发明提出了在螺纹构件的涂布部分的表面处，使用迁移滑动剂，优先形成润滑干燥薄膜，以便降低所述薄膜对其他表面的摩擦与粘合，然而，所述迁移滑动剂能使抗肩部扭矩至少等于当螺纹构件用保存的API RP5A3标准油脂涂布时获得的数值。
特别地，本发明涉及在热塑性或热固性基体内使用迁移滑动剂，当在拼合开始的过程中，螺纹构件的涂布部分的表面经历低压剪切应力时，所述基体可产生低的摩擦系数，和当在接近拼合的端部，螺纹构件的涂布部分的表面经历极压剪切应力时，产生较高的摩擦系数。
以下定义了或者互补或者替代的任选特征。
迁移滑动剂可包括硅油和/或全氟化油。
迁移滑动剂可包括表面张力<24mN/m和在20℃下动态粘度范围为100-1850mm2/s的聚二甲基硅氧烷类硅油。
迁移滑动剂可包括酰胺蜡和/或石蜡。
迁移滑动剂可包括芥酸酰胺,油酰胺或硬脂酰胺类的饱和或不饱和伯酰胺蜡，和/或亚乙基双-油酰胺或亚乙基双-硬脂酰胺类的饱和或不饱和仲酰胺蜡，和/或石蜡。
润滑干燥薄膜可包括热固性或热塑性基体，其中选择所述基体，以便提供具有至少等于采用API RP5A3油脂获得的抗肩部扭矩值的润滑干燥薄膜。
润滑干燥薄膜可包括通过在含水分散体内固化氟乙烯乙烯醚获得的氟-氨基甲酸酯基体。
润滑干燥薄膜可包括由在含水分散体内的聚酯-丙烯酸酯共聚物或苯乙烯-丙烯酸类共聚物获得的热塑性基体。
润滑干燥薄膜可包括喷射的(projected)热熔热塑性基体，其中选择所述基体，以便提供具有至少等于采用API RP5A3油脂获得的抗肩部扭矩值的润滑干燥薄膜。
润滑干燥薄膜可包括共聚酰胺基体。
润滑干燥薄膜可包括范围为5%-10%重量的二甲基硅油，基体是共聚酰胺基体。
润滑干燥薄膜可包括分子质量范围为10000-40000g/mol且在25℃下的动态粘度小于或等于1000mm2/s的聚二甲基硅油。
迁移滑动剂可包括动态粘度范围为150-1850mm2/s的全氟聚醚，或分子质量范围为1850-3100g/mol的官能化烷基酰胺或磷酸酯。
润滑干燥薄膜可包括基本上2%重量的聚二甲基硅油，基体是氟-氨基甲酸酯基体。
润滑干燥薄膜可包括第1,2,3或4类的润滑剂颗粒，优选氟化碳和/或合成石墨。
润滑干燥薄膜可包括抗腐蚀剂，优选离子交换的氧化硅。
润滑干燥薄膜的涂布部分可最初接受选自喷砂，转化处理，电解沉积和非-反应性处理中的表面制备。
全部螺纹区用润滑干燥薄膜涂布。
螺纹管状组件可包括金属/金属密封表面，所述密封表面用润滑干燥薄膜涂布。
本发明还涉及螺纹管状连接件，它包括公螺纹管状组件和母螺纹管状组件，其中一个拼合到另一个内，至少一个所述螺纹管状组件的一部分用润滑干燥薄膜涂布。
在参考附图做出的随后的说明中，更加详细地描述了本发明的特征和优点。
图1是由通过拼合，连接两个管状组件得到的连接件的图示。
图2是两个螺纹管状组件的拼合曲线的图示。
图3是用润滑干燥薄膜涂布的基底的图示。
图4是试验装置的图示。
图5是另一试验装置的图示。
图6-8示出了试验曲线。
图1所示的螺纹连接包括提供有公端部部分1的具有旋转轴10的第一管状组件，和提供有母端部部分2的具有旋转轴10的第二管状组件。两个端部部分1和2各自具有垂直于它们各自的旋转轴10取向且分别提供有螺纹区3和4的端面，所述螺纹区3和4相互协作以供通过拼合相互连接两个组件。螺纹区3和4可以是梯形，自锁或其他螺纹类型。此外，在通过拼合连接两个螺纹组件之后，在接近于螺纹区3,4的公端部部分1和母端部部分2上分别提供旨在彼此进入密封的干预接触的金属/金属密封表面5,6。当两个组件拼合成另一个时，公端部部分1具有与在母端部部分2上提供的相应表面8邻接的端表面7。
在另一实施方案中，端表面7和相应表面8之间的邻接可被通过例如在US4822081,US RE30467和US RE34467中描述的自锁干预类型协作而排列的螺纹区3,4替代。
在图1和3中可看出，至少一个管状组件的端部部分1或2至少部分地涂布了润滑干燥薄膜12，所述干燥薄膜12包括基体13和在其内的选自油和蜡中的至少一种迁移滑动剂9。这一试剂主要分布在润滑干燥薄膜12的表面附近，即与端部部分或基底11的外表面相对。
干燥薄膜是触摸起来不发粘的固体薄膜。
术语“油”是指植物、动物、矿物或合成来源的液体、油质脂肪。术语“蜡”是指可延展的可熔材料，尤其植物，油或合成来源的可延展的可熔材料。
此处的迁移滑动剂9在薄膜12厚度的上部15微米内浓缩到65%重量。换句话说，在基体3内包括的至少65%重量的滑动剂分布在约15微米的薄膜12的上部层内。这一分布得到来自在基底11上沉积薄膜12的过程中发生的迁移现象的优势。在包装领域中，试剂的迁移现象是已知的，其中在润滑接触中从油的迁移倾向到生成流体弹性动力学薄膜(M Marchetti,Thesis,INSA2000)，或者在润滑剂和橡胶之间的相互作用与油迁移到例如密封件内的溶胀/收缩场合中，这种迁移构成了毒理学危险(浸出)。
优选地，迁移滑动剂选自聚二甲基硅氧烷，全氟聚醚，酰胺蜡和石蜡。
润滑干燥薄膜12可覆盖所有或一部分的螺纹区3,4。
润滑干燥薄膜12可覆盖所有或一部分的金属/金属密封表面5,6。
润滑干燥薄膜12也可没有覆盖密封表面5,6和/或螺纹区3,4。
干燥薄膜12具有低的表面摩擦。这导致在低负载下低的抗剪切。
所使用的基体可以是热塑性或热固性类型。迁移滑动剂的表面迁移现象与干燥薄膜形成的动力学相关联。
在通过热熔喷射方法沉积热塑性基体的情况下，薄膜形成动力学基本上是冷却喷射的热塑性材料的动力学。
在热固性基体的情况下，薄膜形成动力学基本上是热塑性材料固化的动力学。
由于这一原因，所使用的迁移滑动剂必需至少部分符合下述要求：密度或单位体积的质量低于基体的结合成分，相对低的摩尔质量，和与基体中成分低的化学与物理性能作用能力。
测试了满足这些标准的数种迁移滑动剂，例如巴西棕榈蜡，石蜡，聚乙烯蜡，和伯与仲酰胺蜡。
在这些试剂当中，被推荐的那些提供具有在剪切下称为“抗流变”的粘弹性行为类型的薄膜12，即借此在拼合端部处获得高的抗肩部扭矩。特别地，这些是全氟聚醚和改性或未改性的聚二甲基硅氧烷类硅油。
已经表明，当在摩擦下发生薄膜的磨损时，就这些试剂在薄膜表面处的释放来说，含这种迁移滑动剂的干燥薄膜12具有“自-润滑”特征。
更特别地，研究下述迁移滑动剂：25℃下粘度范围为100-12500mm2/s的线性聚二甲基硅氧烷，聚醚-改性的短链长的非离子线性聚二甲基硅氧烷乳液，短链长的母离子乳液，胺或羟硅烷官能化的聚二甲基硅氧烷，动态粘度范围为150-1850mm2/s的全氟聚醚，或用摩尔质量范围为1850-3100g/mol的芥酸酰胺,油酰胺和硬脂酰胺类的饱和或不饱和伯酰胺蜡官能化的烷酰胺或磷酸酯，亚乙基双-硬脂酰胺类的饱和或不饱和仲酰胺蜡，和石蜡或亚乙基双-硬脂酰胺类的仲酰胺蜡的乳液。
测试薄膜，所述薄膜包括以商品名Wacker Fluid AK由Wacker和以商品名Rhodorsil Fluid由供应商Bluestar销售的就分子质量来说不同等级的聚二甲基硅氧烷类硅油作为迁移滑动剂。
还测试由Croda以商品名Crodamide销售的酰胺蜡，以及由供应商Sovay Solexis以商品名Fluorolink或Fomblin销售的全氟聚醚。
对于基体来说，选择在苯乙烯-丙烯酸共聚物类，聚氨酯和氟-氨基甲酸酯改性的丙烯酸树脂类的含水分散体内的热熔喷射的热塑性材料，例如共聚酰胺树脂或热固性化合物。
热塑性基体在剪切下具有称为"抗流变"的粘弹性行为类型，即在拼合端部处，它们提供高的抗肩部扭矩值，而热固性基体在有或无表面处理的碳钢基底上具有相对高的粘附程度。
由螺纹构件的涂布部分构成的，此处由碳钢形成的基底11，最初接受过由10μm Cu-Sn-Zn的电解沉积组成的表面处理(参见，例如，WO2008/108266)。然而，这一制备型处理是任选的，和/或可利用其它形式，例如机械喷砂类处理或磷化类转化处理。
所研究的薄膜的厚度范围为20-45μm。
使用薄膜施涂器，或者使用热熔喷射技术，获得具有热塑性基体的薄膜，同时使用常规的气枪和具有直径1.7mm喷嘴的流杯(cup)，施加在含水分散体内的具有热塑性或热固性基体的薄膜。
该试验由评价一定数量的参数，尤其下述参数组成：
·在高Hertz应力下，在表面处在接触中的摩擦扭矩(Bridgman试验)；
·在基底上薄膜的粘着力和摩擦系数(划痕试验)；
·薄膜随温度变化抗污染的环境。
Bridgman试验可测定在特别用于“优质”连接的拼合操作过程中干燥薄膜的摩擦学特征。更精确地，模拟并测定抗肩部扭矩(CSB)，也称为ToSR。在对油气工业中特别使用的优质连接的拼合操作过程中，产生这一扭矩。
图2的曲线表达了作为所进行的旋转圈数的函数的拼合(或夹紧)扭矩。可看出，可将“优质”连接的拼合扭矩曲线分解成四个部分。
在第一部分P1期间，螺纹管状连接第一组件的公螺纹构件(或公螺纹)的外部螺纹尚不具有带相同螺纹管状连接第二组件的相应母螺纹构件(或母螺纹)的内螺纹的径向干预。
在第二部分P2期间，公和母螺纹构件中螺纹的几何干预产生径向干预，随着拼合继续，所述径向干预增加(从而产生小但增加的拼合扭矩)。
在第三部分P3期间，在母螺纹构件的端部部分的外周处的密封表面径向干预母螺纹构件的相应密封表面，产生金属/金属密封。
在第四部分P4期间，公螺纹构件的前端部表面与母螺纹构件的拼合接点的环形表面径向邻接。这一第四部分P4相当于拼合的末端段。
对应于第三部分P3的端部和第四部分P4的开始的拼合扭矩称为肩部扭矩(CAB)。
对应于第四部分P4的端部的拼合扭矩称为塑化扭矩(CP)。超出这一塑化扭矩CP之外，认为公拼合接点(公螺纹构件的端部部分)和/或母拼合接点(位于母螺纹构件的环形接点表面之后的区域)经历塑性变形，其中通过还塑化密封表面，这可劣化密封表面之间接触紧密度方面的性能。
塑化扭矩CP和肩部扭矩CAB值之差称为抗肩部扭矩CSB(CSB=CP-CAB)。螺纹管状连接件在拼合端部处进行最佳的干预配合，这保证了螺纹连接件例如就使用中偶然劈开来说的最佳机械强度和最佳的密封性能。
螺纹连接件的设计者因此不得不针对给定类型的螺纹连接件定义最佳拼合扭矩值，其中对于这一类型的连接件的所有连接来说，该数值必须低于塑化扭矩CP(以便避免塑化接点和伴随的缺点)并高于肩部扭矩,CAB。扭矩小于CAB的端部拼合是指公和母构件的正确的相对定位，和因此在它们的密封表面之间的有效干预配合不可能得到保证。此外，存在劈开的风险。对于相同类型的连接件来说，肩部扭矩CAB的有效值可从一个连接件到另一个波动，因为它取决于公和母螺纹以及密封表面的直径和轴向切削加工公差。最佳拼合扭矩应当显著高于肩部扭矩CAB。
抗肩部扭矩值CSB越高，则定义优化的拼合扭矩的边缘越大，和螺纹连接件更加耐操作应力。
使用Bridgman类型的机器，进行摩擦试验。这类机器尤其公开于D Kuhlmann-Wilsdorf等人的文章"Plastic flow between Bridgmananvils under high pressures",J.Mater.Res.,vol6,no12，1991年12月中。图5中阐述了Bridgman机器的图示和功能实例。
这一机器包括：可在选择速度下旋转驱动的圆盘(disk)DQ；第一平台(anvil)ECl，优选类型为圆锥形，永久地固定到圆盘DQ的第一面上；第二平台EC2，优选类型为圆锥形，永久地固定到与圆盘DQ的第一面相对的圆盘DQ的第二面上；第一EPl和第二EP2压力构件，例如活塞，它可产生选择的轴向压力P；第三平台EC3，优选类型为圆柱形，它永久地固定到第一压力构件EP1的一个表面上；第四平台EC4，优选类型为圆柱形，它永久地固定到第二压力构件EP2的一个表面上。
为了测试组合物，用所述组合物覆盖与构成螺纹构件相同的两片材料，以便形成第一S1和第二S2样品。接下来，将第一样品S1置于第一EC1和第三EC3平台的自由面之间，和将第二样品S2置于第二EC2和第四EC4平台的自由面之间。接下来，在选择速度下旋转圆盘DQ，同时向第一EPl和第二EP2压力构件各自施加选择的轴向压力P(例如数量级为1GPa)，并测量每一样品S1，S2经历的拼合扭矩。在Bridgman试验中选择轴向压力，旋转速度和旋转角度，以便模拟Hertz压力和在拼合端部处接点表面的相对速度。使用这一机器，可固定数对不同的参数(拼合扭矩，旋转速度)，以便在样品S1和S2强加拼合扭矩，和因此检测这些样品S1和S2是否紧密地跟随给定的拼合扭矩曲线，和尤其在磨损之前它们是否可达到全部圈数，所述圈数至少等于相对于选择拼合扭矩而选择的阈值。
在本发明的情况下，接触压力升高到1GPa和旋转速度升高到1rpm。由含13%Cr的不锈钢形成试样，机械切削，然后用下表中列出的各种干燥薄膜配方涂布，并测定抗肩部扭矩(ToSR或CSB)。
图4图示的划痕试验能测定表面或表面配制品上的粘合力或粘附。该方法由剪切和采用置于增加负载下的球形珠使薄膜变形组成，它还允许测定两个主要的摩擦学参数，亦即摩擦系数和对应于出现薄膜内聚时的临界负载。
实验条件使用由直径5mm的Inconel718和以上所述的金属样品形成的球形压头，并使用下述参数：负载从10N增加到310N(在15N/s的负载增加速度下)，柱子的位移速度2mm/s，时间段20s和轨道长度40mm)。
所测量的摩擦系数低和对于5N的负载来说在μ=0.05的范围内，和对于80N的负载来说，在μ=0.09的范围内；特别地，对于80N的负载来说，在电解Cu-Sn-Zn沉积类型的表面制备上获得μ为0.06的测量值。需要清楚地列出对于每一类涂层来说，试验的负载和操作条件：对于热熔类热塑性涂层来说，从10增加到310N的负载下测量摩擦值，而对于热塑性涂层，在从250增加到750N的负载下测量摩擦值。
随温度变化薄膜抗污染环境的试验由当环境温度增加时，评价污染物，例如砂子的粘附性组成。更精确地，它涉及鉴定环境温度，其中超出所述环境温度，使用压缩空气，薄膜不再可被净化(decontaminate)。这允许测定薄膜是否可在“炎热”的沙漠地区中使用。实验条件使用接受过磷化锌或Cu-Sn-Zn电解沉积类表面制备的XC碳钢基底。
用厚度范围为30-40μm的薄膜涂布基底。之后，在至少60cm2的基底上施加一层铸造用砂(d=1.36)。
接下来，在通风的烘箱内经1小时加热砂子-覆盖的基底到所需温度(T℃=50℃最小值,93℃最大值)。
接下来，仍然在试验温度下，使用压缩空气，清扫基底。
最后，测量砂子的残留量。
验收标准是最大0.5%的残留砂子。换句话说，99.5%的砂子必须被除去。
最初，我们旨在鉴定在通过热熔喷射沉积的热塑性基体内迁移滑动剂的性能。所选择的热塑性基体是基于酸二聚体的共聚酰胺类，因为它们对它们的基底具有最好的粘合性且提供较好的耐温性。当在接受过电解表面制备处理的基底上沉积薄膜时，大多数其他热塑性基体有时具有较弱的粘合性。在范围为50℃-93℃的最大使用温度下(比最大温度低的软化温度)，它们可能触摸起来不是干燥的。最后，它们有可能具有比API油脂的参考阈值低的抗肩部扭矩值。
我们旨在鉴定“聚二甲基硅油”(PDMS)类迁移滑动剂对抗肩部扭矩值的影响。表1中比较了相对于其他迁移滑动剂的结果。
表1
表1示出了与蜡相比，油对抗肩部扭矩值具有很小或者不具有影响。通过在热塑性基体内产生粘弹性特征，(聚二甲基硅氧烷和全氟聚醚类的)硅酮和全氟化油改进抗肩部扭矩值。
伯酰胺蜡，尤其不饱和伯酰胺蜡(Crodamide ER)在剪切下具有纯粹的粘塑性流变学行为。仲酰胺蜡产生粘弹性特征，这将改进抗肩部扭矩值。这通过在摩擦下提供低抗剪切性的不饱和结构来解释。
接下来，研究滑动剂，尤其聚二甲基硅氧烷类油的浓度对抗肩部扭矩值的影响。在表2中示出了结果。
表2
表2示出了增加聚二甲基硅氧烷的浓度没有增加抗肩部扭矩值。
接下来研究滑动剂，尤其聚二甲基硅氧烷类油的浓度对薄膜耐温性的影响，这尤其通过塑化效果和软化点降低来进行。使用随着温度变化抗污染环境的试验，测定耐温性。根据表3可看出，对于范围为5%-10%的油浓度来说，耐温性保持不变。
表3
表4和5中针对含至少一种酸二聚体基共聚酰胺的热塑性基体来说，评价仲酰胺蜡和优选硅化油的摩擦系数(COF)。
表4
表5
仲酰胺蜡和聚二甲基硅油之间的协同效应是指，可在低接触压力下产生数量级为0.03-0.04，和在最多1.1GPa的极端接触压力下产生数量级为0.08的非常低的摩擦系数。
在共聚酰胺热塑性基体(Thermelt105)内，针对宽范围的酰胺蜡(表1中所示)测量摩擦系数。图6中示出了结果，该图表明对于负载从10增加到310N来说，作为时间的函数，摩擦系数的变化。对于范围为250MPa-1.1GPa的接触压力(使用表面制备用杨氏模量和低负载薄膜测定的接触压力)来说，芥酸酰胺蜡具有范围为0.04-0.08的最稳定和最低的摩擦系数(COF)。这证明了表1中的第一结果。
对抗肩部扭矩值和/或一些应用的巨大需求可要求使用饱和或不饱和仲酰胺蜡。
研究在热塑性基体内聚二甲基硅油的浓度与分子质量的影响。
表6列出了在共聚酰胺热塑性基体内聚二甲基硅油的浓度随仲酰胺蜡的变化。
表6
为了获得非常低的表面摩擦，必须使用5%最小浓度的聚二甲基硅油。
表7列出了具有不同分子量的聚二甲基硅油的摩擦系数(COF)值。
表7
显然，有利的是使用25℃下粘度范围为100-1000mm2/s的聚二甲基硅氧烷类油。然而，超出这一范围和对于更高粘度来说，迁移效应是部分的。具有基于共聚酰胺树脂的热塑性基体的干燥薄膜的扫描电镜证明这一局部的迁移效应。在冷却具有使用热熔技术沉积的热塑性基体的薄膜过程中，粘度为1000mm2/s(即，具有低分子量)的聚二甲基硅氧烷类油通过迁移效应主要浓缩在最接近薄膜表面处的5微米内。相反，在薄膜和基底的界面处存在聚二甲基硅氧烷类油是次要的。
相反，在冷却使用热熔技术沉积的热塑性基体薄膜的过程中，粘度为12500mm2/s(即，具有高分子质量)的聚二甲基硅氧烷类油通过迁移效应主要浓缩在最接近薄膜表面处的20-25微米内。对薄膜表面来说存在聚二甲基硅氧烷类油也是次要的。
在薄膜内硅油的浓度梯度于是改良负载下薄膜的摩擦系数值。
表8示出了作为负载从10猛增到310N的函数，针对图7的曲线测量摩擦系数的组合物。
表9示出了作为负载从10猛增到310N的函数，在图8的曲线上测量摩擦系数的其他组合物。
这些曲线表明，与亚乙基双-硬脂酰胺化学性质的迁移蜡相比，迁移硅油在降低摩擦系数值方面的有益影响较大，且还表明与第1,2或4组固体润滑剂的协同效应。
此处所使用的术语“固体润滑剂”是指固体且稳定的主体，当置于两个摩擦表面之间时，它会降低摩擦系数并减少对表面的磨损。固体润滑剂可分类为根据其功能机理及其结构定义的不同种类，亦即：
·第1组:其润滑性能归于其结晶结构的固体，例如石墨，氧化锌(ZnO)或氮化硼(BN)；
·第2组：其润滑性能归于其结晶结构及其在其组成内的反应性化学要素的固体，例如二硫化钼MoS2，氟化石墨，硫化锡，硫化铋，二硫化钨，或氟化钙；
·第3组：其润滑性能归于其化学反应性的固体，例如硫代硫酸盐类的一些化合物，或由Desilube Technologies Inc销售的
·第4组：其润滑性能归于在摩擦应力下塑性或粘塑性行为的固体，例如聚四氟乙烯(PTFE)或聚酰胺。
表8
表9
图7表明，特别是在低负载(开始)的情况下和作为粘度的函数，摩擦系数优选通过硅油降低。
图8表明与在低剪切下具有解离性能的第1和2组的层状固体润滑剂相反，启动时的摩擦系数优选通过硅油下降。即使在高负载下该现象减弱，但硅油和固体润滑剂之间的协同作用意味着可延伸负载范围。
添加迁移硅油到粘弹性热塑性基体内解决了高肩部扭矩的问题，并提供与API RP5A3油脂的参考值至少相当的抗肩部扭矩值。
为了证明在实验室中在具有电解Cu-Sn-Zn沉积物的碳钢样品上观察到的假设，使用7"29#L80VAM TOP HC连接件，进行拼合。
研究迁移硅油的粘度(它是摩尔质量的结果)对肩部扭矩值的影响。
对于所有配方来说，保持相同的润滑体系，亦即在第2-1组固体润滑剂之间的协同效应。仅仅改变热塑性基体的成分。
所选择的参考物来自于专利WO2010/043316，该专利涉及抗流变热塑性基体的概念(notion)。这意味着可比较本发明与抗肩部扭矩值大于API RP5A3油脂参考值100%的溶液。
表10
表11
通过下述组合物，所述组合物包括含范围为10%-25%重量的至少一种抗流变材料，至少一种颜料型腐蚀抑制剂和至少一种第2组固体润滑剂，例如氟化碳的热塑性基体，获得小于70%最佳拼合扭矩的肩部扭矩，同时维持在大于或等于100%参考值(API RP5A3油脂)下的抗肩部扭矩。离子交换氧化硅用作腐蚀抑制剂。
关于所进行的拼合，显然当在摩擦下，掺入聚二甲基硅氧烷类油到以上定义类型的基体内能使金属/金属表面更好地分离，从而减少肩部扭矩值，并通过固体润滑性能的协同作用，保证较高的耐磨损性。
显然，作为粘度的函数，在冷却迁移油的迁移动力学和摩擦系数值与聚二甲基硅氧烷类油的粘度的降低之间存在相关性。根据表11，在采用最低粘度的聚二甲基硅氧烷类油的情况下，肩部扭矩值系统地具有接近50%的数值。
证明有利的是，在含至少一种抗流变材料，优选占多数量的抗流变材料的热塑性基体内掺入动态粘度小于或等于1000mm2/s和分子质量范围为10000-40000g/mol的聚二甲基硅氧烷类油，以便提供低的肩部扭矩值。
申请人还确立了迁移蜡和聚二甲基硅氧烷类油还提供良好的抗毛细作用的透水性和非常良好的透水蒸汽性。提出了利用这些防水性能，以便增强热熔热塑性基体或水相热固性基体的耐水性。
通过测量接触角，证明防水性能，所述接触角本身提供液体在表面上通过润湿扩散的能力的量度。该方法由测量在讨论的基底表面上在基底上沉积的液滴的轮廓的正切角组成。
接触角测量可提供表面自由能的途径。它还在待区分的液-固界面处允许相互作用的极性或非极性的性质。因此可推导出表面的亲水或疏水性质。
通过液滴沉积方法，使用KRUSS DSA100型测角器，和根据照相机捕获并在计算机内储存的图像，测量接触角，这可在图6中看出。可使用软件，通过图像加工数字化液滴的轮廓。然后使用插补法，测定接触角。
表12和13示出了与所使用的基体无关(表12的热熔体和表13的水相热固性材料)，接触角主要受到添加石蜡或独立粘度的聚二甲基硅氧烷类油的影响。
表12
表13
评价在水相内的热塑性基体中或者在水相内的热固性基体中的迁移滑动剂。样品的表面仍然是具有电解Cu-Sn-Zn沉积物的碳钢。
与热塑性的热熔基体情况一样，在负载下，迁移油提供降低摩擦的可能性且没有影响抗肩部扭矩的扭矩。
表14列出了水相热塑性基体和尤其聚酯-丙烯酸酯共聚物的分散体，苯乙烯-苯乙烯类共聚物的乳液和氟乙烯乙烯醚的分散体的结果。
表14
与此同时，测定膜保持其主要性能的有用浓度范围。表15示出了由上述基体获得的结果。临界负载(Lc)腐蚀对应于薄膜的内聚性损失的出现。
表15
对于数量级为1.1GPa的接触压力来说，在获得小于0.1的表面摩擦中，浓度为总配方重量的2%是有利的。这没有影响干燥薄膜的粘合性能，尤其在非极性的电解Cu-Sn-Zn沉积物类型的表面上。
使用官能化聚二甲基硅氧烷乳液，优选胺-官能化的聚二甲基硅氧烷乳液增强粘合性能，而与表面无关。
关于进行的一系列试验，申请人认为，可通过使用在极端Hertz应力下和在低速下具有塑性变形性能的固体润滑剂，获得非常低的摩擦系数，特别是在成肩过程中，在密封表面的金属-金属接触处。通过提供足够低的摩擦系数，同时保持抗肩部扭矩尽可能高，获得最大密封的连接件，特别是对于高拼合扭矩来说。
一方面，本发明可产生低于或最多等于采用API油脂获得的肩部扭矩值的肩部扭矩，和另一方面，可产生高于或至少等于采用API油脂获得的数值的ToSR值。

Claims (22)

1.用于钻探和/或操作油气井的管状构件，它具有含至少一个螺纹区(3；4)的端部部分(1；2)，其特征在于端部部分(1；2)至少部分涂布了干燥薄膜(12)，所述干燥薄膜(12)包括基体(13)和分布在基体(13)内的至少一种滑动剂(9)，由此至少65％重量的滑动剂(9)浓缩在15微米的润滑干燥薄膜(12)的上层内，其中所述至少一种滑动剂(9)选自下列选项：
-表面张力小于24mN/m和在20℃下动态粘度范围为100-1850mm2/s的聚二甲基硅氧烷类硅油，
-在20℃下动态粘度范围为150-1850mm2/s的全氟聚醚或分子质量范围为1850-3100g/mol的官能化烷基酰胺或磷酸酯，
-芥酸酰胺、油酰胺或硬脂酰胺类的饱和或不饱和伯酰胺蜡，
-亚乙基双-油酰胺或亚乙基-双硬脂酰胺类的饱和或不饱和仲酰胺蜡，
-石蜡，
以便干燥薄膜(12)的摩擦系数在小于40N的负载下小于0.07和在大于200N的负载下大于0.1。
2.权利要求1的构件，其中所述基体(13)是热固性或热塑性类型基体，且选择所述基体(13)，以便干燥薄膜(12)具有至少等于采用APIRP 5A3油脂获得的抗肩部扭矩值。
3.权利要求2的构件，其中所述基体(13)是氟-氨基甲酸酯类，且通过在含水分散体中固化氟乙烯乙烯基醚而获得。
4.权利要求2的构件，其中所述基体是热塑性类型，且由在含水分散体内的聚酯-丙烯酸酯共聚物或苯乙烯-丙烯酸类共聚物而获得。
5.权利要求2的构件，其中所述基体(13)是热塑性热熔喷射类。
6.权利要求2的构件，其中所述基体是共聚酰胺类。
7.权利要求5的构件，其中润滑干燥薄膜(12)包括范围为5％-10％重量的聚二甲基硅氧烷类硅油作为滑动剂。
8.权利要求1的构件，其中干燥薄膜(12)包括分子质量范围为10000-40000g/mol和25℃下动态粘度小于或等于1000mm2/s的聚二甲基硅氧烷类硅油作为滑动剂。
9.权利要求3的构件，其中干燥薄膜(12)包括2％重量的聚二甲基硅氧烷类硅油作为滑动剂。
10.权利要求1的构件，其中润滑干燥薄膜(12)包括第1,2,3或4组固体润滑剂作为滑动剂，其中第1组固体润滑剂指其润滑性能归于其结晶结构的固体，第2组固体润滑剂指其润滑性能归于其结晶结构及其在其组成内的反应性化学要素的固体，第3组固体润滑剂指其润滑性能归于其化学反应性的固体，和第4组固体润滑剂指其润滑性能归于在摩擦应力下塑性或粘塑性行为的固体。
11.权利要求10的构件，其中第1组固体润滑剂为石墨，氧化锌或氮化硼。
12.权利要求10的构件，其中第2组固体润滑剂为二硫化钼，氟化石墨，硫化锡，硫化铋，二硫化钨，或氟化钙。
13.权利要求10的构件，其中第3组固体润滑剂为硫代硫酸盐类化合物或由Desilube Technologies Inc销售的Desilube 
14.权利要求10的构件，其中第4组固体润滑剂为聚四氟乙烯或聚酰胺。
15.权利要求10的构件，其中润滑干燥薄膜(12)包括氟化碳和/或合成石墨作为滑动剂。
16.权利要求10的构件，其中干燥薄膜(12)进一步包括抗腐蚀剂。
17.权利要求16的构件，其中抗腐蚀剂是离子交换的氧化硅。
18.权利要求1的构件，其中端部部分的涂布部分事先经过一种选自喷砂、转化处理、电解沉积和非-反应性处理的类型的表面准备。
19.权利要求1的构件，其中整个的所述螺纹区(3；4)涂布了干燥薄膜(12)。
20.权利要求1的构件，其中所述端部部分(1；2)包括拟用于金属/金属接触的至少一个密封表面，和所述密封表面用润滑干燥薄膜(12)涂布。
21.权利要求1-20任何一项的构件，其中所述螺纹区不具有润滑干燥薄膜(12)的涂层。
22.用于钻探和/或操作油气井的连接件，所述连接件是由拼合两个管状构件得到的，其特征在于，该管状构件的至少一个是按照权利要求1-21中任一项的管状构件。
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