CN103958728A - 涂覆用于油气钻井、完井和开采操作中的管状装置的方法 - Google Patents

涂覆用于油气钻井、完井和开采操作中的管状装置的方法 Download PDF

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Abstract

提供用于真空涂覆用于油气勘探、钻井、完井和开采操作中的管状装置的外表面以降低摩擦、降低侵蚀和腐蚀保护的方法和系统。这些方法包括在真空室内密封管状装置的实施方案使得整个装置不包含在该室内。这些方法还包括在涂覆以前表面处理管状装置的实施方案。另外，这些方法包括使用多个装置、多个真空室和各种涂料源构型真空涂覆管状装置的实施方案。

Description

涂覆用于油气钻井、完井和开采操作中的管状装置的方法
领域
本公开内容涉及油气勘探和井开采操作的领域。本公开内容更特别地涉及用于涂覆管状装置的改进方法和系统的领域。它仍更特别地涉及用于真空涂覆用于油气勘探、钻井、完井和开采的管状装置以降低摩擦、降低侵蚀和腐蚀保护的改进方法和系统。
背景
油气勘探和开采中所用管状装置外径部分的涂覆在需要改进润滑性、磨损保护、侵蚀保护和/或腐蚀保护的某些应用中可提供优点。然而，因为用于真空涂覆的管状装置的长度和几何(相对于现有技术真空涂覆设备的尺寸和几何)，这类应用中所用管状装置的长件外表面的涂覆可能是困难的。
美国专利No.7,608,151，通过引用将其全部内容并入本文中，公开了通过向管状装置的一个或多个开口中插入限定涂覆部分的传导结构而涂覆管状装置的局部面积或部分的内表面的方法和系统。
在油气勘探的旋转钻井操作中，钻头与井底组件的末端连接，所述井底组件与包含钻管和钻具接头的钻柱连接，其可通过转盘或顶部传动装置而在表面上旋转。钻柱和井底组件的重量导致钻头在土地中钻出孔。当操作进展时，将钻管的新部分加在钻柱上以提高它的总长度。在钻井操作期间定期地将开放钻孔加套管以使壁稳定，并重新开始钻井操作。因此，钻柱通常在开放钻孔中和安装在钻孔中的套管内操作。作为选择，旋管可取代钻井组件中的钻柱。钻柱和井底组件或者旋管和井底组件的组合在本文中称为钻杆组件。钻柱的旋转通过钻柱和井底组件向钻头提供动力。在旋管钻井中，动力通过钻井液泵输送至钻头。可通过旋转传递的动力的量限于钻柱或旋管可承受的最大扭矩。因此，需要新的涂覆/材料技术，其是套管友好的，同时保护钻杆组件以防磨损，同时降低下套管的钻孔钻井条件中的接触摩擦，这要求在与套管钢表面接触时结合高硬度与低摩擦系数(COF)能力的新材料。美国专利申请No.13/042,761，通过引用将其全部内容并入本文中，标题“Ultra-Low Friction Coatings For Drill StemAssemblies”通过公开了用于地下钻井操作的具有超低摩擦涂层的钻杆组件解决了该需要。
油气井开采遭遇基本机械问题，其校正、修补或缓和可能是昂贵或者甚至是禁止的。摩擦是油田、处于活动接触磨损中并损失其原始尺寸的装置和通过侵蚀、腐蚀和沉积物劣化的装置中普遍存在的。这些是成功操作的障碍，通过选择性使用涂覆油气井开采装置和涂覆套管油气井开采装置而缓和。因此，需要应用新涂料技术用于涂覆油气井开采装置和涂覆套管油气井开采装置，所述涂料技术保护这类装置以防由两个或更多装置之间的滑动接触和高速行进的可能包含固体颗粒的流体流动流产生的摩擦、磨损、腐蚀、侵蚀和沉积物。美国专利申请No.13/032,032，通过引用将其全部内容并入本文中，标题“Coated Sleeved Oil And Gas Well ProductionDevices”通过公开了涂覆套管油气井开采装置以及制备和使用这类涂覆套管装置的方法而解决该需要。美国专利申请No.13/075,677，通过引用将其全部内容并入本文中，标题“Coated Oil And Gas Well Production Devices”也通过公开了涂覆油气井开采装置以及制备和使用这类涂覆装置的方法而解决该需要。
如这些专利申请所述，出于各种原因，包括摩擦降低、侵蚀降低和腐蚀保护，在一些情况下理想的是将涂层置于管状装置的一部分上。将涂层应用于形成钻杆组件和开采设备的管状装置的方法通常要求将个体包封在真空室中以涂覆。这可能是对于许多油田组件非常限制性的要求。例如，长管部分的长度和几何对真空涂覆室而言是很难处理的。这也不可能是非常有效的，因为待涂覆表面积可能是主体的总表面积的小部分。
本领域目前的状态是将整个管置于真空室中，如果沉积涉及真空方法的话。将涂层置于表面上的方法包括将表面清洗和磨光，和在整个室上抽真空。当需要涂覆的零件比典型真空室可接纳的更大时，这可能是极其困难的。例如，为涂覆钻柱管(管的接头)的一部分，它会要求：1)清洗管的整个长度，2)将管的整个30'件置于足够大的室中，然后3)抽真空并保持真空以产生有助于使CVD、PVD、PACVD或ARC沉积涂层沉积于物件上的环境。用于涂覆的典型真空通常为10-5毫巴或更小。
如果需要涂覆已使用的组件，则可能存在存在于物体上的大量污染物(泥浆、润滑脂、烃、水垢、积成物等)、腐蚀(点蚀等)、表面粗糙度(凿槽、小裂纹、不均匀磨损等)，在将它置于真空室中以前必须将其除去以避免涂层的污染和不想要的形态性能。试图在污染物或表面不完整性的存在下产生真空密封是极其困难的。
因此，需要用于真空密封、表面清洗和真空涂覆油气钻井和开采操作中所用管状装置外部的改进系统和方法。
概述
根据本公开内容，用于涂覆油气钻井和开采中所用管状装置的有利方法包括将一个或多个管状装置置于真空室中以用在真空室内密封管状装置的改进方法涂覆使得整个装置不包含在室内。
本公开内容的另一方面涉及涂覆油气钻井和开采中所用管状装置的有利方法，所述方法包括其中将管状装置在涂覆以前进行表面处理。
本公开内容的另一方面涉及涂覆油气钻井和开采中所用管状装置的有利方法，所述方法包括使用多个装置、多个真空室和各种涂料源构型真空涂覆管状装置。
在本公开内容的一方面中，涂覆油气钻井、完井和开采操作中所用管状装置的一部分外表面的方法包括：提供一个或多个管状装置和一个或多个真空涂覆室，将一个或多个管状装置置于一个或多个真空涂覆室中，其中一个或多个管状装置的至少一部分延伸到一个或多个真空涂覆室的外部，在一个或多个管状装置的外表面与一个或多个真空涂覆室的一个或多个壁之间形成一个或多个真空密封，在一个或多个真空涂覆室内部围绕待涂覆的一个或多个管状装置外表面的一个或多个部分抽真空，和借助真空沉积方法在一个或多个管状装置外表面的一个或多个部分上形成涂层。
本公开内容所公开的涂覆油气钻井、完井和开采中所用管状装置的方法和它们的有利应用和/或用途的这些和其它特征和贡献从以下详细描述中获悉，当连同其附图一起阅读时特别如此。
定义
“油矿作业管材”(OCTG)(也称为“管”或“管状装置”)包括钻杆设备、套管、管道、工作管柱、旋管、导管和提升器。多数OCTG(但不是旋管)共有的是螺纹连接，其经受由不适当螺纹和/或密封干涉而产生的潜在失效，导致对接连接器锁死，这可由于受损的连接而抑制管道的整个接头的使用或再使用。可将螺纹喷丸处理、冷轧和/或化学处理(例如磷酸盐、镀铜等)以改进它们的抗锁死性能，合适管螺纹化合物的应用提供连接件使用的益处。然而，目前仍存在具有螺纹锁死和干扰问题的问题，对于用于极端使用要求的更昂贵OCTG材料合金特别如此。使用OCTG的操作通常包括一个物体相对于另一个的轴向或扭转运动，其中两个物体以特定接触力和抵抗相对运动的接触摩擦机械接触，导致摩擦和磨损。对于安装，可能需要该运动，其后装置可以是基本固定的，或者重复应用以执行一些操作。
“完井管柱(completion strings)和设备”定义为当将钻井加套管以防止孔坍塌和不可控的流体流动时使用的设备。必须进行完井操作以使井准备用于开采。该操作包括使设备运行至井孔中并从井孔中出来以执行某些操作如胶结、打孔、增产措施和测井。完井设备的两个常用传送装置是钢丝绳和管道(钻管、旋管或工作管柱(work strings))。这些操作可包括运行测井工具以记录地层和流体性能，打孔枪以在套管中制备孔以容许烃产生或流体注入，临时或永久性插塞以隔离流体压力，封隔器以促进安置管道以在管道内部与环形面积之间形成密封，以及胶结、增产措施和完井所需其它类型的设备。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贴，除封隔器固定工具外，将阀和仪器安装在侧袋中的装置，和执行井下作业的其它类型的设备。这些工具特别在大位移井(extended-reach wells)中的放置可能受摩擦力阻碍。保留在孔中用于开采的最终完井管柱通常称为开采管柱。完井管柱和设备的安装和使用通常涉及一个物体相对于另一个的轴向或扭转运动，其中两个物体以特定接触力和抵抗相对运动的接触摩擦机械接触，导致摩擦和磨损。对于安装，可能需要该运动，其后装置可以是基本固定的，或者重复应用以执行一些操作。
“钻柱”定义为具有连接钻具接头的钻管、在钻柱与包含钻具接头的井底组件之间的大小头接管、包含钻具接头和耐磨垫的重型钻管的柱或管柱，其将流体和旋转力从传动钻杆传递至钻铤和钻头。通常，尤其是在油田中，该术语宽松地应用以包括钻管和钻铤。钻柱不包括钻头。
“钻杆”定义为由传动钻杆、钻管和钻铤组成的管状管道的整个长度，其从孔的表面至底部构成钻井组件。钻杆不包括钻头。目前，在创新的开发中，工业在钻杆组件中使用套管和衬管。
“井底组件”(BHA)定义为一个或多个组件，包括但不限于：稳定器、可变径稳定器、回扩锤、钻铤、灵活钻铤、可旋转操纵工具、牙轮扩眼器、减震装置、泥浆马达、随钻测井(LWD)工具、随钻测量(MWD)工具、取岩心工具、井下扩大器、扩眼器、扶正器、涡轮机、弯壳体、弯马达、钻井震击器、加速震击器、转换接头(crossover sub)、下击器、扭矩减小工具、浮箍(float sub)、打捞工具、打捞震击器、冲刷管道、测井工具、测量工具(survey tool sub)、这些组件的非磁性对应物、这些组件的相关外部连接及其组合。
“钻杆组件”定义为钻柱和井底组件、旋管和井底组件，或者套管柱和井底组件的组合。钻杆组件不包括钻头。
“涂层”由一层或多层相邻层和任何包含的界面组成。涂层可置于物体组件的基础基质材料上、置于基础基质材料上的环形加硬层上或者另一涂层上。
“超低摩擦涂层”为在参比条件下摩擦系数小于0.15的涂层。
“层”为可用于特殊功能目的如降低的摩擦系数、高刚度或上层的机械支撑或下层的保护的材料的厚度。
“超低摩擦层”为在超低摩擦涂层中提供低摩擦的层。
“无分级层”为组成、微结构、物理和机械性能在整个层厚度上基本恒定的层。
“分级层”为层的至少一种组成、元素、组分或固有性能随着层或其一些部分的厚度而变化的层。
“缓冲层”为置于两层或更多层超低摩擦层之间或者超低摩擦层与隔离层(buttering layer)或环形加硬层之间的层。超低摩擦涂层内可包含一层或多层缓冲层。缓冲层也可称为“夹层”或“粘合层”。
“隔离层”为置于物体组件基质材料的外表面或环形加硬层与可以为另一隔离层、缓冲层或超低摩擦层的层之间的层。可以以这种方式穿插一层或多层隔离层。
“环形加硬层”为置于物体组件基质材料外表面与隔离层、缓冲层或超低摩擦涂层之间的层。环形加硬层可在油气钻井溶液中用于防止钻具接头和套磨损。
“CVD”为化学蒸气沉积。
“PVD”为等离子蒸气沉积。
“PACVD”为等离子辅助化学蒸气沉积。
“DLC”为类钻碳(diamond like carbon)涂层。
附图简述
为帮助相关领域中的技术人员制备和使用其主题，参考附图，其中：
图1描述真空室、管状装置和单一密封的典型示意图。
图2描述两个真空室、管状装置和两个密封的可选典型示意图。
图3描述真空室、管状装置和在其每一侧均想要真空的两个密封的可选典型示意图。
图4描述具有牺牲密封表面的图3的实施方案的可选典型示意图。
图5描述图4的实施方案的可选典型示意图，其中密封表面不邻接想要真空的面积。
图6描述多级真空室、管状装置和连续密封的可选典型示意图。
图7描述具有围绕真空室环境的多个目标或来源的真空室的可选典型示意图。
图8描述具有包含在真空室之内的多个管状装置以涂覆的单个真空室的可选典型示意图。
图9描述用于涂覆多个管状装置的多个真空室组件的可选典型示意图。
详述
本文详述和权利要求书内的所有数值通过“约”或“大约”所述值改进，并考虑本领域技术人员预期的实验误差和变化。
本公开内容提供涂覆油气钻井和开采/完井操作中所用管状装置的新方法。提供用于钻井应用的涂覆管状装置的特别有利方法并可用于钻井组件的任何元件，例如管的多个连接件上的多个面积。
该方法与现有技术的不同之处在于提供通过管状装置的改进密封方法而在真空涂覆方法期间在管状装置上抽高真空的新方法。本公开内容的这些方法提供与现有技术方法相比显著的优点，包括但不限于较低成本的涂层产生、涂覆和修补油田中的管状装置的能力、提高的涂层开采率、增强的涂覆灵活性和能够涂覆不适于传统涂覆真空室的非常大管状装置的能力。
涂覆方法
本文所公开的涂覆方法包括物理蒸气沉积、化学蒸气沉积或等离子辅助化学蒸气沉积涂覆技术。物理蒸气沉积涂覆方法包括磁控溅射、离子束辅助沉积、阴极电弧沉积和脉冲激光沉积(PLD)。化学蒸气沉积涂覆方法包括离子束辅助CVD沉积，使用来自烃气体的辉光放电、使用来自烃气体的射频(r.f.)辉光放电的等离子增强沉积，等离子浸渍离子加工和微波放电。等离子辅助化学蒸气沉积(PACVD)为使低摩擦DLC涂层以高沉积速率沉积于大面积上的一个有利方法。PACVD通常还称为等离子增强化学蒸气沉积(PECVD)。等离子基CVD涂覆方法是非视距技术，即等离子共形地覆盖待涂覆部件并以均匀的厚度涂覆该部件的整个暴露表面。部件的表面修饰可在DLC涂覆应用以后保留。PACVD的一个优点是基质部件的温度在涂覆操作期间不会提高至约150℃以上。含氟DLC(F-DLC)和含硅DLC(Si-DLC)膜可使用等离子沉积技术分别使用与含氟和含硅前体气体(例如四氟乙烷和六-甲基-二硅氧烷)混合的乙炔(C2H2)工艺气体合成。
改进真空密封的实施方案
在图1所示本公开内容的一个典型实施方案中，涂覆油气钻井和开采中所用管状装置的方法包括步骤：提供用环形加硬层1涂覆的管状装置，将管状装置的末端用气密端帽4封住以隔离管状装置的内径(ID)，将管状装置的覆盖端放入涂覆真空室3中，和形成相对于管状装置的外径(OD)的密封2以容许在OD密封2与管状装置末端之间的管部分上将真空抽至真空室3中。该部分会包含覆盖元件。该典型实施方案容许真空涂覆大管状装置而不需要将整个装置放入真空室内。
在图2所示本公开内容的可选实施方案中，涂覆油气钻井和开采中所用管状装置的方法包括步骤：提供用环形加硬层1涂覆的管状装置，将管状装置的每一端放在两个涂覆真空室3中，然后形成两个OD密封2。该实施方案产生接近管的每一端的单一密封以在两个OD密封的远端和管的整个ID上产生真空。
在图3所示本公开内容的可选实施方案中，将用于涂覆的管状装置1放入真空室3，其中装置的两端穿过真空室3的末端。以这种形式，会在想要真空的每一侧上形成密封2。在图3所示实施方案的可选形式中，可将快速固化环氧树脂或其它合适粘合剂如氨基甲酸酯粘合剂应用于涂覆的管状装置1的外表面上。环氧树脂或其它合适粘合剂会符合表面条件并减轻存在的任何表面缺陷，因此能够实现高真空密封。室与待涂覆物体之间的密封由环氧树脂产生。
在图4所示本公开内容的又一实施方案中，对于在真空室3中涂覆的管状装置1的OD表面上所需的任何密封，可产生“牺牲表面”4，良好的密封2可相对于其形成。有利地，密封材料4是可塑性变形的使得它符合并“填充”存在于表面上的任何裂纹或者空隙或表面缺陷。作为选择，可使用软或延性材料相对于密封表面推进。以一种形式，真空室上的刀刃相对于延性材料推进以形成真空密封。非限定性典型延性材料包括铝、钢、铜、锡，或者铝、铁、铜和锡的合金，或者塑料/树脂材料。延性材料的非限定性典型应用方法包括：热焊接、软焊、摩擦搅拌焊接、真空润滑脂和密封。在另一实施方案中，可使用上述方法中的任一种将一个或多个设计用于形成一类常规真空密封的真空密封接头与管状装置连接。该实施方案的可选形式会延伸环形加硬层面积1的宽度以形成密封。在另一形式中，延伸环形加硬层面积1的高度相对于钻具接头可能稍微凸出，且不能是与环形加硬层相同的高度。牺牲材料的组成然后可改变以促进可密封性。例如，当将环形加硬层1应用于管状装置上时，可使边缘更软且相对无裂纹以促进可密封性，而环形加硬层1的中部可能较硬，因此保留环形加硬层的所需性能。在一种有利形式中，环形加硬层的边缘可具有相对于中心更低的高度使得在使用期间它会经历的环形加硬层1的接触面积完全在真空室3内部且被涂覆。
在图5所示本公开内容的又一实施方案中，密封表面4不邻近想要真空的面积。即待涂覆表面1不与密封表面4邻接。密封2在管状装置的OD与用于涂覆的真空室3之间形成。该实施方案的一个优点是密封表面2可具有与要求真空的待涂覆表面1不同的组成、形态和/或表面性能.
在图6所示本公开内容的又一实施方案中，可使用包含外室2和内室3的多级真空室以提供得到涂覆所需真空水平的分级路线。使用该路线，存在用于外部真空室2的外部密封5和用于内部真空室3的另一组内部密封4。连续密封(5-4)各自可提供另外的屏障以赋予最内部阶段高真空密封，即使单独的密封本身不合适。在最后阶段，密封的组合提供必要的密封容积使得可达到涂覆所需的真空水平。阶段中的一个可以为类似于“风门”的空气射流以提供屏障以防大气。在该实施方案的一个形式(图6中的C)中，外室仅具有一个密封5和气密端盖6，而在该实施方案的另一形式(图6中的D)中，外室具有两个或更多密封。
表面处理实施方案
各种表面处理方法也可任选用于待涂覆管状装置的OD表面上。特别地，上述真空密封方法也可任选使用表面处理方法以通过改变管状装置的表面性能以改进密封的质量，例如以改进可湿性和对密封材料的亲合力。例如，通过应用硅氧烷自组装单层而改变管状装置的OD表面的表面能可改进上图3所述环氧树脂的可湿性和表面能。这会在管状装置与密封基质之间产生化学键，并产生密封剂润湿管状装置表面必需的表面性能。改进管状装置的表面以密封附着的另一形式可以为用具有不同表面性能的材料电镀一部分表面(密封面积)。在一个典型非限定性形式中，NiP的无电镀可应用于管状装置的OD表面上以提供光滑、干净且延性的密封表面。
在涂层制备中可应用于管状装置上的非限定性典型表面处理方法包括超声波清洗、磨光、蚀刻、研磨、溶剂清洗、喷砂和应用环形加硬层及其组合。
管状装置的真空涂覆方法实施方案
在经受上述制备方法以后可将管状装置用一层或多层涂层真空涂覆。超低摩擦涂层和环形加硬层是可应用的典型非限定性涂层。用于应用这类涂层的典型非限定性涂覆方法包括CVD、PVD、PACVD和ARC沉积方法。这些涂覆方法通常要求管状装置在真空室内旋转以提供视线，以及因此围绕该部件周围的均匀涂层厚度。
在上述涂覆方法的一个实施方案中，用于涂覆的管状装置不在真空室中旋转，而是使用围绕或环绕真空室周围放置的多涂层目标或来源，如图7所示。参考图7，横截面A描述室3，用于涂覆的管状装置5，用于涂覆的管状装置5的外表面1，和围绕管状装置5周围放置的来源6。该涂层构型可提供用于以加速速率涂覆管状装置的表面。作为选择，真空室可具有波纹管结构以容许管相对于室的相对运动。室还可任选安装有摇杆以赋予管与室之间的一些相对运动。
在上述涂覆方法的另一实施方案中，涂料源几何可在真空室内旋转，同时管状装置保持固定在适当位置。这容许管状装置的外表面均匀地涂覆而不旋转管状装置。该实施方案对难以旋转并需要置于周围的太多单独来源的大管状装置可能特别有效。
在本文所述涂覆方法的另一实施方案中，单个真空室可同时涂覆两个或更多管状装置。参考图8，总计5个管状装置5位于单个真空室7中。各管状装置5具有位于源架3中的多个来源6的源架3以涂覆管状装置5的外表面1。该实施方案容许更高的开采率。可使用该实施方案同时真空涂覆的管状装置的数量可以为2，或者3，或者4，或者5，或者6，或者7，或者8，或者9，或者10，或者更多。
在本文所述涂覆方法的又一实施方案中，分开的涂覆室可用于清洗管的表面，然后涂覆清洁表面。在清洁与涂覆室之间可以为在部分真空下的过渡段以帮助使清洗步骤以后和涂覆步骤以前管状装置的污染最小化。
在所述涂覆方法的又一实施方案中，单独的涂覆室可用于同时清洗和涂覆多个管状装置。参考图9，总计4个管状装置5位于4个分开的真空室7中。各个室7具有源架3，所述源架3具有位于源架3中的多个来源6以涂覆管状装置5的外表面1。在该实施方案中，各管状装置5具有其自己的真空室7，但与中心真空系统和该系统的强信号栅极连接，因此容许调整可在任何给定时间涂覆的管状装置5的数量。该配置还可降低需要抽空的真空室的总体积。作为选择，高真空可在多个阶段中通过将各个室与真空泵顺序地连接而达到，其中真空泵可渐进地抽更高的真空水平。各个阶段可使用对与该阶段有关的压力范围而言最有效类型的真空泵。多个室然后容许各个泵几乎连续地操作。该实施方案还容许更高的开采率。可使用该实施方案在单独室中真空涂覆的管状装置的数量可以为2，或者3，或者4，或者5，或者6，或者7，或者8，或者9，或者10，或者更多。
涂覆类型和涂层
可使用本文所述方法沉积于管状装置上的涂层或超低摩擦涂层可包括一层或多层超低摩擦层，所述超低摩擦层选自无定形合金、无电镍-磷复合物、石墨、MoS2、WS2、富勒烯基复合物、硼化物基金属陶瓷、准晶材料、金刚石基材料、类钻碳(DLC)、一氮化硼、氮化铬、氮化硅、碳化硅、钠纳米管、石墨烯片、具有高纵横比(即相对长且薄)的金属颗粒、环形材料(例如碳纳米环)、长方形颗粒及其组合。金刚石基材料可以为化学蒸气沉积(CVD)的金刚石或多晶金刚石复合片(PDC)。超低摩擦涂层的组成在整个其厚度上可能是均匀或可变的。在一个有利实施方案中，将管状装置用类钻碳(DLC)涂层涂覆，更特别地，DLC涂层可选自四面体无定形碳(ta-C)、四面体无定形氢化碳(ta-C:H)、类钻氢化碳(DLCH)、类聚合物氢化碳(PLCH)、类石墨氢化碳(GLCH)、含硅类钻碳(Si-DLC)、含钛类钻碳(Ti-DLC)、含铬类钻碳(Cr-DLC)、含金属类钻碳(Me-DLC)、含氧类钻碳(O-DLC)、含氮类钻碳(N-DLC)、含硼类钻碳(B-DLC)、氟化类钻碳(F-DLC)、含硫类钻碳(S-DLC)及其组合。这些一层或多层超低摩擦层可分级以改进耐久性、摩擦降低、附着力和机械性能。
也称为超低摩擦涂层的涂层的摩擦系数可以小于或等于0.15，或者0.13，或者0.11，或者0.09或0.07或0.05。摩擦力可如下计算：摩擦力＝法向力×摩擦系数。在另一形式中，涂覆管可具有不低于涂层静摩擦系数的50％，或者60％，或者70％，或者80％或90％的涂层动摩擦系数。在又一形式中，涂覆管可具有大于或等于涂层净摩擦系数的涂层动摩擦系数。
显著降低涂覆管的摩擦系数(COF)会产生摩擦力的显著降低。这转化成物体沿着表面滑动所需更小的力。降低COF通过将这些表面用本文所述涂层涂覆而实现。这些涂层能够经得住钻井和开采的侵蚀性环境，包括对侵蚀、腐蚀、冲击负载以及暴露于高温下的抗性。
除低COF外，本公开内容的涂层还具有足够高的硬度以提供钻井和完井操作期间对磨损的耐久性。更特别地，本文所述涂层的维氏硬度或当量维氏硬度可以大于或等于400、500、600、700、800、900、1000、1500、2000、2500、3000、3500、4000、4500、5000、5500或6000。大于400的维氏硬度容许管状装置用于在具有水基泥浆的页岩中钻井和使用螺旋式稳定器。螺旋式稳定器具有比直叶片稳定器更小的导致BHA振动的倾向。本文所述涂层的低COF和高硬度的组合在用作管状装置上的表面涂层时提供用于潜孔钻井和完井应用的硬低COF耐久材料。
本文所述涂层或超低摩擦涂层可包含一层或多层超低摩擦层、一层或多层隔离层、一层或多层缓冲层及其任何组合，从而形成多层涂层。该多层涂层可直接置于基础基质材料上，或者在另一非限定性实施方案中，置于穿插在涂层与基础基质材料之间的一部分环形加硬层材料上。
管状装置可由铁基材料、碳钢、钢合金、不锈钢、Al基合金、Ni基合金和Ti基合金、陶瓷、金属陶瓷和聚合物开采。4142型钢是一种非限定性典型材料。管状装置的表面可在涂覆应用以前任选经受预先表面处理以形成隔离层，涂层可应用于所述隔离层上，从而形成多层涂层。可使用其它典型非限定性基质材料，例如碳化钨钴。隔离层可提供以下优点中的一个或多个：总涂层延长的耐久性、增强的抗磨性、降低的摩擦系数、增强的疲劳和延长的腐蚀性能。一层或多层隔离层由如下非限定性典型方法中的一种或多种形成，所述方法选自：PVD、PACVD、CVD、离子注入、渗碳、氮化、硼化、硫化、硅化、氧化、电化学方法、无电镀方法、热喷雾方法、动力学喷雾方法、激光基方法、摩擦搅拌方法、喷丸加工方法、激光冲击锤击方法、焊接方法、铜焊方法、超细超磨光方法、摩擦化学磨光方法、电化学磨光方法及其组合。这类表面处理可通过引入其它物种和/或引入深度压缩残留应力而使基质表面硬化并减缓塑性变形，导致抑制由疲劳、冲击和磨损引发的裂纹增长。大于400的维氏硬度是需要的，优选超过950以超过环形加硬层，1500以超过石英颗粒，以及1700以超过其它层的硬度的维氏硬度是想要的。隔离层可以为用于重叠涂层的层的结构支撑元件。
在本文所述涂覆管状装置的方法的另一实施方案中，管状装置可包含在暴露外表面的至少一部分上的环形加硬层以提供增强的耐磨性和耐久性。一层或多层涂层沉积于环形加硬层之上。环形加硬层的厚度可以是外部涂层的厚度的数个数量级倍或等于外部涂层的厚度。非限定性典型环形加硬层厚度为管状装置表面以上1mm、2mm和3mm。非限定性典型环形加硬层材料包括金属陶瓷基材料、金属基质复合物、纳米结晶金属合金、无定形合金和硬金属合金。其它非限定性典型环形加硬层类型包括分散在金属合金基质内的元素钨、钛、铌、钼、铁、铬和硅的碳化物、氮化物、硼化物和氧化物。这类环形加硬层可通过堆焊、热喷雾或激光/电子束喷镀而沉积。
在本文所述涂覆管状装置的方法的又一实施方案中，多层超低摩擦涂层可进一步包含穿插于管的外表面或环形加硬层与暴露外表面的至少一部分上的超低摩擦层之间的一层或多层隔离层。隔离层可用于提供增强的韧性、增强载荷能力、降低表面粗糙度、抑制从基础基质材料或环形加硬层扩散到外涂层中，和/或使残留应力吸收最小化。隔离层材料的非限定性实例如下：不锈钢、铬基合金、铁基合金、钴基合金、钛基合金或镍基合金，以下元素的合金或者碳化物或者氮化物或者碳氮化物或者硼化物或者硅化物或者硫化物或者氧化物：硅、钛、铬、铝、铜、铁、镍、钴、钼、钨、钽、铌、钒、锆、铪或其组合。一层或多层隔离层可分级以改进耐久性、摩擦降低、附着力和机械性能。
超低摩擦涂层可具有高水平的固有残留应力(～1GPa)，其对它们的摩擦性能和在用于沉积的基质(如钢)上的粘合强度具有影响。为受益于本文所述管的超低摩擦涂层的低摩擦和耐磨性诱导，它们还可需要显示耐久性和在用于沉积的物体组件外表面上的粘合强度。
通常直接沉积于钢表面上的超低摩擦涂层遭遇差粘合强度。粘合强度的这一缺乏限制了超低摩擦涂层与钢界面之间的厚度和不相容性，这可导致低负荷下的分层。为克服这些问题，在一个实施方案中，本文所述超低摩擦涂层还可包含在管外表面与超低摩擦层之间的各种金属(例如但不限于Cr、W、Ti、Ta)、半金属(例如但不限于Si)和陶瓷化合物(例如但不限于CrxN、TiN、ZrN、AlTiN、SiC、TaC)的缓冲层。这些陶瓷、半陶瓷和金属缓冲层减轻本文所述超低摩擦涂层的压缩残留应力以提高附着力和载荷能力。改进本文所述超低摩擦涂层的磨损、摩擦和机械耐久性的另一路线是将多层超低摩擦层与中间缓冲层结合以减轻残留应力建立。
用于本文所述管中的涂层还可包含一层或多层缓冲层(在本文中还称为粘合层或夹层)。在多层涂层构型中，一层或多层缓冲层可穿插于物体组件外表面、环形加硬层或隔离层与单层或者两层或更多层之间。一层或多层缓冲层可选自如下元素或如下元素的合金：硅、铝、铜、钼、钛、铬、钨、钽、铌、钒、锆和/或铪。一层或多层缓冲层还可选自以下元素的碳化物、氮化物、碳氮化物、氧化物：硅、铝、铜、钼、钛、铬、钨、钽、铌、钒、锆和/或铪。一层或多层缓冲层通常穿插在环形加硬层(当使用时)与一层或多层涂层之间或者超低摩擦层之间。缓冲层厚度可以为相邻超低摩擦层厚度的几分之一，或者接近相邻超低摩擦层厚度或者超过相邻超低摩擦层厚度。一层或多层缓冲层可分级以改进耐久性、摩擦降低、附着力和机械性能。缓冲层可穿插在任何其它层之间，包括另一缓冲层或者一层或多层隔离层之间。
在本文所述涂覆管状装置的方法的另一实施方案中，环形加硬层表面具有图案化设计以降低贡献磨损的磨料颗粒的夹带。超低摩擦涂层置于环形加硬层图案上。环形加硬层图案可包含凹下和凸起区域且环形加硬层中的厚度变化可与它的总厚度一样多。
在另一实施方案中，隔离层可与环形加硬层一起使用，其中环形加硬层在暴露外表面或内表面的至少一部分上以提供给涂覆管增强的抗磨性和耐久性，其中环形加硬层表面可具有磨料颗粒夹带(降低贡献磨损)的图案化设计。另外，一层或多层超低摩擦涂层可适于沉积在隔离层之上以形成多层涂层。
本文所述涂覆管还提供小于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。在地下旋转式钻井操作中，这帮助减轻通过岩石切屑粘附或成球。接触角也可用于量化本文所述涂覆管上的涂层的表面能。本文所述涂层的水接触角大于50、60、70、80或90度。用于物体组件的暴露外表面的至少一部分上的环形加硬层上的超低摩擦涂层也会减轻通过岩石切屑粘附或成球，其中环形加硬层表面具有磨料颗粒夹带(降低贡献磨损)的图案化设计。在一个实施方案中，这类图案可降低环形加硬层与套管与开放钻孔之间的接触面积10-90％并降低切屑的聚集。
在另一有利实施方案中，多层超低摩擦涂层中的层之间的一个或多个界面为分级界面。涂层中各层之间的界面可对涂层的性能和耐久性具有实质性影响。特别地，无分级界面可产生弱点来源，包括如下一个或多个：应力集中、空隙、残留应力、剥落、分层、疲劳开裂、差附着力、化学不相容性、机械不相容性。分级界面容许层之间材料和物理性能的逐渐变化，这降低弱点来源的集中。各分级界面的厚度可以为10nm至10μm，或者20-500nm，或者50-200nm。作为选择，分级界面的厚度可以为最薄相邻层的厚度的5-100％。
在另一有利实施方案中，分级界面可与一层或多层超低摩擦层、隔离层和缓冲层结合，这可分级并可具有类似或不同的材料，以进一步增强涂层的耐久性和机械性能。
EP条款的其它实施方案
1.涂覆油气钻井、完井和开采操作中所用管状装置的一部分外表面的方法，其包括：提供一个或多个管状装置和一个或多个真空涂覆室，将一个或多个管状装置置于一个或多个真空涂覆室中，其中一个或多个管状装置的至少一部分延伸到一个或多个真空涂覆室的外部，在一个或多个管状装置的外表面与一个或多个真空涂覆室的一个或多个壁之间形成一个或多个真空密封，在一个或多个真空涂覆室内部围绕待涂覆的一个或多个管状装置的外表面的一个或多个部分抽真空，和借助真空沉积方法在一个或多个管状装置外表面的一个或多个部分上形成涂层。
2.条款1的方法，其中真空沉积方法为物理蒸气沉积，选自由磁控溅射、离子束辅助沉积、阴极电弧沉积、脉冲激光沉积及其组合组成的组。
3.条款1的方法，其中真空沉积方法为化学蒸气沉积，选自由离子束辅助化学蒸气沉积、等离子辅助化学蒸气沉积、等离子浸渍离子加工、微波放电及其组合组成的组。
4.条款1-3的方法，其中使用牺牲延性材料、粘合密封材料、风门、真空密封转接器或其组合在一个或多个管状装置的外表面与一个或多个真空涂覆室的一个或多个壁之间形成一个或多个真空密封。
5.条款4的方法，其中牺牲延性材料选自由铝、钢、锡、铜，及铝、铁、锡和铜的合金，以及塑料/树脂材料组成的组。
6.条款4的方法，其中粘合密封材料为氨基甲酸酯或环氧树脂。
7.条款1-6的方法，其中一个或多个管状装置包含钻杆设备、套管、导管、工作管柱、旋管、管道、提升器以及完井管柱和设备。
8.条款1-7的方法，其中一个管状装置位于一个真空涂覆室内。
9.条款8的方法，其中管状装置的一端位于一个真空涂覆室内。
10.条款8-9的方法，其进一步包括通过将真空密闭端帽插入管状装置的内径中而将位于一个真空涂覆室内的管状装置的一端密封。
11.条款1-7的方法，其中一个管状装置位于两个真空涂覆室内。
12.条款11的方法，其中管状装置的一端位于两个真空涂覆室中的一个中。
13.条款11的方法，其中管状装置的每一端位于两个真空涂覆室的每一个中。
14.条款11-13的方法，其进一步包括通过将真空密闭端帽插入管状装置的内径内而将位于两个真空涂覆室内的管状装置的至少一端密封。
15.条款1-14的方法，其中涂层选自由无定形合金、无电镍-磷复合物、石墨、MoS2、WS2、富勒烯基复合物、硼化物基金属陶瓷、准晶材料、金刚石、金刚石基材料、类钻碳、氮化硼、氮化铬、氮化硅、碳化硅、钠纳米管、石墨烯片、具有高纵横比的金属颗粒、环形材料、长方形颗粒及其组合组成的组。
16.条款1-15的方法，其中一个或多个管状装置进一步包含在至少一部分外表面上的环形加硬层的一个或多个区域。
17.条款16的方法，其中环形加硬层的至少一个区域用于在一个或多个管状装置的外表面与一个或多个真空涂覆室的一个或多个外壁之间形成一个或多个真空密封。
18.条款16-17的方法，其中用于形成一个或多个真空密封的环形加硬层的至少一个区域包含作为管状装置轴长的函数的差示硬度、作为管状装置轴长的函数的差示厚度或其组合。
19.条款16-18的方法，其中用于形成一个或多个真空密封的环形加硬层的至少一个区域进一步包含位于环形加硬层的所述至少一个区域上、邻接或接近环形加硬层的所述至少一个区域的牺牲延性材料、粘合密封材料或其组合。
20.条款16-19的方法，其中环形加硬层选自由如下材料组成的组：金属陶瓷基材料、金属基质复合物、纳米结晶金属合金、无定形合金、硬金属合金、分散在金属合金基质内的元素钨、钛、铌、钼、铁、铬和硅的碳化物、氮化物、硼化物和氧化物。
21.条款16-20的方法，其进一步包括涂覆环形加硬层的一个或多个区域的至少一部分。
22.条款1-7和11-21的方法，其中一个或多个真空涂覆室置于彼此之内。
23.条款1-22的方法，其进一步包括在涂覆步骤期间使一个或多个管状装置在真空涂覆室中旋转或移动。
24.条款1-23的方法，其进一步包括在真空涂覆室内提供围绕一个或多个管状装置的外表面的可旋转或可移动涂料源几何，并在涂覆步骤期间使涂料源几何旋转或移动。
25.条款1-24的方法，其进一步包括在涂覆步骤以前将一个或多个管状装置的外表面进行表面处理。
26.条款25的方法，其中表面处理步骤在一个或多个真空涂覆室、表面处理室内部进行，或者在周围环境中进行。
27.条款25-26的方法，其中所述表面处理步骤选自由超声波清洗、磨光、蚀刻、研磨、溶剂清洗、喷砂、环形加硬层及其组合组成的组。
28.条款1-7和11-27的方法，其中一个或多个真空涂覆室与中心真空泵源、中心电源或其组合连接。
申请人尝试公开了可合理地预见的所述主题的所有实施方案和应用。然而，可存在作为等效物保留的不可预见的非实质性改进。尽管连同其具体典型实施方案一起描述了本发明，显然鉴于前述描述，许多改变、改进和变化会为本领域技术人员获悉而不偏离本公开内容的精神或范围。因此，本公开内容意欲包括上述描述的所有这类改变、改进和变化。
通过引用将本文引用的所有专利、试验程序和其它文件，包括优先权文件完全并入本文中至该公开内容不与本发明一致以及容许这类结合的所有权限的程度。
当本文列出数字下限和数字上限时，预期从任何下限至任何上限的范围。

Claims (28)

1.涂覆油气钻井、完井和开采操作中所用管状装置的一部分外表面的方法，其包括：提供一个或多个管状装置和一个或多个真空涂覆室，将一个或多个管状装置置于一个或多个真空涂覆室中，其中一个或多个管状装置的至少一部分延伸到一个或多个真空涂覆室的外部，在一个或多个管状装置的外表面与一个或多个真空涂覆室的一个或多个壁之间形成一个或多个真空密封，在一个或多个真空涂覆室内部围绕待涂覆的一个或多个管状装置的外表面的一个或多个部分抽真空，和借助真空沉积方法在一个或多个管状装置外表面的一个或多个部分上形成涂层。
2.权利要求1的方法，其中真空沉积方法为物理蒸气沉积，选自由磁控溅射、离子束辅助沉积、阴极电弧沉积、脉冲激光沉积及其组合组成的组。
3.权利要求1的方法，其中真空沉积方法为化学蒸气沉积，选自由离子束辅助化学蒸气沉积、等离子辅助化学蒸气沉积、等离子浸渍离子加工、微波放电及其组合组成的组。
4.权利要求1-3的方法，其中使用牺牲延性材料、粘合密封材料、风门、真空密封转接器或其组合在一个或多个管状装置的外表面与一个或多个真空涂覆室的一个或多个壁之间形成一个或多个真空密封。
5.权利要求4的方法，其中牺牲延性材料选自由铝、钢、锡、铜，及铝、铁、锡和铜的合金，以及塑料/树脂材料组成的组。
6.权利要求4的方法，其中粘合密封材料为氨基甲酸酯或环氧树脂。
7.权利要求1-6的方法，其中一个或多个管状装置包含钻杆设备、套管、导管、工作管柱、旋管、管道、提升器以及完井管柱和设备。
8.权利要求1-7的方法，其中一个管状装置位于一个真空涂覆室内。
9.权利要求8的方法，其中管状装置的一端位于一个真空涂覆室内。
10.权利要求8-9的方法，其进一步包括通过将真空密闭端帽插入管状装置的内径中而将位于一个真空涂覆室内的管状装置的一端密封。
11.权利要求1-7的方法，其中一个管状装置位于两个真空涂覆室内。
12.权利要求11的方法，其中管状装置的一端位于两个真空涂覆室中的一个中。
13.权利要求11的方法，其中管状装置的每一端位于两个真空涂覆室的每一个中。
14.权利要求11-13的方法，其进一步包括通过将真空密闭端帽插入管状装置的内径内而将位于两个真空涂覆室内的管状装置的至少一端密封。
15.权利要求1-14的方法，其中涂层选自由无定形合金、无电镍-磷复合物、石墨、MoS2、WS2、富勒烯基复合物、硼化物基金属陶瓷、准晶材料、金刚石、金刚石基材料、类钻碳、氮化硼、氮化铬、氮化硅、碳化硅、钠纳米管、石墨烯片、具有高纵横比的金属颗粒、环形材料、长方形颗粒及其组合组成的组。
16.权利要求1-15的方法，其中一个或多个管状装置进一步包含在至少一部分外表面上的环形加硬层的一个或多个区域。
17.权利要求16的方法，其中环形加硬层的至少一个区域用于在一个或多个管状装置的外表面与一个或多个真空涂覆室的一个或多个外壁之间形成一个或多个真空密封。
18.权利要求16-17的方法，其中用于形成一个或多个真空密封的环形加硬层的至少一个区域包含作为管状装置轴长的函数的差示硬度、作为管状装置轴长的函数的差示厚度或其组合。
19.权利要求16-18的方法，其中用于形成一个或多个真空密封的环形加硬层的至少一个区域进一步包含位于环形加硬层的所述至少一个区域上、邻接或接近环形加硬层的所述至少一个区域的牺牲延性材料、粘合密封材料或其组合。
20.权利要求16-19的方法，其中环形加硬层选自由如下材料组成的组：金属陶瓷基材料、金属基质复合物、纳米结晶金属合金、无定形合金、硬金属合金、分散在金属合金基质内的元素钨、钛、铌、钼、铁、铬和硅的碳化物、氮化物、硼化物和氧化物。
21.权利要求16-20的方法，其进一步包括涂覆环形加硬层的一个或多个区域的至少一部分。
22.权利要求1-7和11-21的方法，其中一个或多个真空涂覆室置于彼此之内。
23.权利要求1-22的方法，其进一步包括在涂覆步骤期间使一个或多个管状装置在真空涂覆室中旋转或移动。
24.权利要求1-23的方法，其进一步包括在真空涂覆室内提供围绕一个或多个管状装置的外表面的可旋转或可移动涂料源几何，并在涂覆步骤期间使涂料源几何旋转或移动。
25.权利要求1-24的方法，其进一步包括在涂覆步骤以前将一个或多个管状装置的外表面进行表面处理。
26.权利要求25的方法，其中表面处理步骤在一个或多个真空涂覆室、表面处理室内部进行，或者在周围环境中进行。
27.权利要求25-26的方法，其中所述表面处理步骤选自由超声波清洗、磨光、蚀刻、研磨、溶剂清洗、喷砂、环形加硬层及其组合组成的组。
28.权利要求1-7和11-27的方法，其中一个或多个真空涂覆室与中心真空泵源、中心电源或其组合连接。
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