CN106285506A - 油井管螺纹涂层润滑结构及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种油井管螺纹的涂层润滑结构，该结构包括油井管接头及连接接箍，在所述油井管接头及接箍的螺纹部分分别涂覆有纳米级的润滑剂涂层。同时提供一种油井管螺纹的涂层润滑结构的制造方法。本发明效果是应用该方法实现了在拧接操作时不再需要涂抹螺纹脂，在现场进行接头检查及下井前，免去了清除储存脂的工序。涂层能够承受极高的表面压力而不失效，在油田现场使用时，螺纹上扣操作时管体处于竖直状态，这样涂层除了承受拧接时的径向接触压力，同时还要承受管体重力作用下的轴向载荷作用，其上扣受力状态比试验室还苛刻，润滑涂层在现场使用中表现处优异的性能，不仅解决了螺纹脂产品在使用中带来的环境问题，及螺纹脂在低温环境下不能涂抹的问题，而且还能节约下井时间。

Description

油井管螺纹涂层润滑结构及制造方法

技术领域

本发明提供一种油井管螺纹涂层润滑结构及制造方法，与传统的油井管使用相比，此润滑方式通过预先固化一种润滑涂层在螺纹表面，从而达到在油田现场使用时不再需要涂抹螺纹脂的效果，这就是无螺纹脂技术，除了常规替代外，尤其针对一些特殊的不便使用螺纹脂的油田环境，大大方便了下井操作。

背景技术

在油气开采中，油井管接头与接箍螺纹在拧紧时存在极高的接触压力，为了降低粘扣的趋势，螺纹上需要涂抹螺纹脂进行润滑和密封。常规的螺纹脂以油基脂为基础，辅以各种添加剂和金属铅、锌、铜、石墨粉等固体填料，主要用在油井管的连接部位，在拧接过程中可以起到辅助润滑、密封和保护作用。

目前油田广泛使用的螺纹脂主要分为两类：

1.金属型螺纹脂，在螺纹脂中加入锌、铅、铜等金属添加剂；

2.非金属型螺纹脂，螺纹脂中不含有重金属添加剂；

为了解决螺纹脂对环境的污染问题，非金属型螺纹脂应运而生，它是金属型螺纹脂的升级产品，使用之后能被生物降解，对环境无害，对海洋生物也没有什么副作用，因此在石油开采钻井中得到了广泛应用，但始终没有解决油井管螺纹需人工涂抹螺纹脂这一现状。也就是说，无论什么螺纹脂都是以涂抹的方式施工于油井管螺纹表面的。

尽管油井管厂家纷纷制定了螺纹脂的使用要求，对于螺纹脂的涂抹进行规范，但在下井操作过程中，螺纹脂的用量标准难以准确控制，导致螺纹脂在使用过程存在以下三种情况：

第一，涂抹过量，机紧后多余的螺纹脂坠入井底聚积导致整个井身需要定期清洗，增加钻采成本；

第二，多余的螺纹脂散落在井口及操作平台，并使钻井平台更加湿滑，对现场人员在操作过程中造成安全隐患；

第三，螺纹脂的涂敷量与均匀性严重影响着螺纹接触面的摩擦系数，在一定程度上影响着螺纹上扣扭矩的精准控制。

在世界经济高速发展阶段，能源需求日益增加，全球已探明的高储量、浅地层、地质结构简单的优质油气矿藏数量越来越少。因此，石油钻采逐渐瞄准极端环境下的油藏，在沙漠中搭建的钻井平台数量越来越多，沙漠环境本身环境恶劣，在下井过程中，沙尘颗粒容易粘附在螺纹脂上造成接头密封面或螺纹表面划伤甚至引发粘扣现象，严重影响整个管柱的密封性能和钻采效率，增加钻采成本；在一些寒冷地区，过低的温度使得螺纹脂凝固而无法直接使用，尽管加热缓解了螺纹脂的应用限制，但螺纹上涂抹的储存脂却不便清除，极大的限制了极地环境下油藏的开发利用。

发明内容

为解决螺纹脂使用中存在的技术缺陷问题，本发明的目的是提供一种油井管螺纹的涂层润滑结构及制造方法，以现有的固体润滑材料为基础，将润滑材料固化在接头表面，形成固体润滑涂层。以利于解决螺纹脂产品在使用中带来的环境问题，及螺纹脂在低温环境下不能涂抹的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种油井管螺纹涂层润滑结构，其中：该结构包括油井管接头及连接接箍，在所述油井管接头及接箍的螺纹部分分别涂覆有纳米级的润滑剂涂层。

同时提供一种油井管螺纹的涂层润滑结构的制造方法。

本发明的效果是采用这种纳米级的润滑剂涂层润滑结构的油井管螺纹，在油田现场使用时可直接上扣，不用再涂抹螺纹脂，对周围环境无污染，而且由于省略了涂抹螺纹脂的工序，减少平台操作时间使工作效率能够提高25％以上，同时，由于不用人工涂抹螺纹油，无形中减少了人为因素干预，能够精确控制上扣扭矩。

涂层润滑的最大优势是：

1、以预先固化的润滑涂层代替螺纹脂，在现场使用时，不再需要人工去除储存脂和涂抹螺纹脂，降低了人为干预，保证了油田现场上扣的拐点值与试验室结果高度一致。

以某特殊扣使用为例，对试验室与油田现场分别使用两种润滑方式进行上扣数据对比，选取重要的台肩扭矩数值进行比较，其中每个接头上扣的拐点扭矩值/最终扭矩值，是判断特殊扣螺纹上扣效果优劣的一项重要的参数。下表显而易见，润滑涂层在油田和试验室的使用效果吻合程度好。

2、去除传统的螺纹脂使用，接头使用不再受周围环境的限制，尤其是极地、沙漠、森林、海上等苛刻条件要求的地区。

附图说明

图1是本发明油井管螺纹的涂层润滑结构的接头喷涂示意图；

图2是本发明油井管螺纹的涂层润滑结构的接箍喷涂示意图；

图3是本发明油井管螺纹的涂层润滑结构的接头涂层剖面示意图；

图4是本发明油井管螺纹的涂层润滑结构的截图涂层剖面示意图；

图5是本发明油井管特殊扣螺纹的标准上扣图像，扭矩-圈数曲线；

图6是传统涂抹螺纹脂上扣，扭矩-圈数曲线；

图7是本发明润滑涂层上扣，扭矩-圈数曲线。

图中：

1、接头喷枪 2、接头 3、接箍喷枪 4、接箍

1-1、接头螺纹部分、1-2、接头密封部分

2-1、接箍螺纹部分、2-2、接箍密封部分、2-3接箍中孔部分

具体实施方式

结合附图对本发明的油井管螺纹的涂层润滑结构及制造方法进行说明。

本发明的油井管螺纹的涂层润滑结构及制造方法的设计思想是基于：通过喷涂方式将固体润滑剂覆盖于接头和接箍螺纹，通过对对涂层进行固化，在螺纹表面形成致密的固体润滑涂层。固体润滑材料是用来减少两承载面间的摩擦磨损作用的材料。在挤压滑移载荷作用过程中，固体润滑材料和周围介质的摩擦表面发生物理、化学反应生成固体润滑膜，降低摩擦磨损。

本发明的关键是固化润滑涂层。目前，在工业上的一些领域已经有固体润滑的应用，固体润滑涂层能够适应高温、高压、腐蚀以及不方便使用油脂的工况场合。本发明结合油井管的使用特点，以常用的固体润滑材料为基础，对现有的润滑剂进行改良，设计固化及强化工艺，提高了润滑涂层的抗磨、防腐、稳定性，使其更适应油田现场使用。固体润滑涂层在固化之前是一种溶液，将该溶液均匀覆盖整个螺纹表面，在随后的固化工艺控制下，溶剂与粘结剂相互作用，涂层固化，溶液中的腐蚀抑制剂对涂层具有性能强化作用。

本发明的油井管螺纹的涂层润滑结构，该结构包括油井管接头及连接接箍，在所述油井管接头及接箍的螺纹部分分别涂覆了润滑功能的涂层。所述润滑涂层厚度为5-30um。所述润滑涂层成分包括二硫化钼5～20％w/w、石墨5～20％w/w及辅助添加剂。所述辅助添加剂包括乙酸正丁酯10～30％w/w、聚钛酸丁酯5～20％w/w、氧化锌0.1～5％w/w。

纳米级的润滑剂是指固体润滑颗粒二硫化钼大小在50-100纳米，纳米级二硫化钼微粒作为主要成分的润滑涂层，与普通二硫化钼相比，纳米级二硫化钼在许多性能上得到了进一步提升，突出地表现在以下几个方面:

(1)纳米二硫化钼微粒能强烈地吸附在金属表面，由于其尺寸小，所以能填平金属表面的微坑部位，在金属表面形成一层比原表面更平整、更光滑的“修复层”，从而降低磨擦、减少磨损。

(2)二硫化钼本身就是一种优异的固体润滑剂，其分子结构为六方晶系的层状结构，能够耐较高的接触压力和较高的摩擦速度。随着二硫化钼的粒径变小，它在摩擦材料表面的附着性与覆盖程度都明显提高，抗磨、减摩性能也得到成倍提高。

(3)在较高的接触压力作用下的摩擦使二硫化钼微粒在金属接触区停留时间较短，外载荷来不及压扁二硫化钼微粒，同时也没被金属表面吸附，纳米级二硫化钼微粒已离开接触区，此时的纳米微粒能起到一种类似微型“球轴承”的作用，能形成滚动轴承效应，从而起到减少摩擦和磨损的作用。

本发明的油井管螺纹的润滑涂层结构的制造方法的主要步骤包括：

①预处理。对油井管接头螺纹2和接箍螺纹4表面进行磷化工艺预处理，以提高涂层的附着力。

②涂装。如图1、2所示，在洁净干燥的环境中进行涂覆，将纳米级的润滑剂进行雾化喷涂在油井管接头2和接箍螺纹4表面。用接头喷枪1喷涂接头螺纹2，用接箍喷枪喷涂接箍螺纹4,。

涂装前，接头螺纹2与接箍螺纹4不允许接触任何油脂。

涂装时，接头2及接箍4旋转，转速控制5～10r/min。

对接头螺纹2的喷涂要求：如图3所示，涂层需要完全覆盖接头螺纹部分1-1、密封部分1-2，涂层轴向长度＝接箍长度/2。

对接箍螺纹4的喷涂要求：如图4所示，涂层需要完全覆盖接箍螺纹部分2-1、密封部分2-2及中孔部分2-3。

③固化，喷涂完毕，整个表面呈湿润状态，需要进行固化，以使涂层附着力达到最佳，涂层在完全固化前禁止触碰。对纳米级的润滑剂的涂层进行固化，固化温度为30～70℃，时间60～100min；

④性能强化。用喷涂一种防护蜡溶液的方法，对润滑涂层的微小疏松孔隙进行填充封闭，以提高纳米级的润滑剂的涂层的疏水性能，进一步提高润滑涂层的防锈能力，

由于钢管种类的不同，螺纹的预处理工艺、涂层、固化工艺及后续强化工艺都有所区别，纳米级的润滑剂的涂层固化后表面光洁，色泽均匀，完全覆盖螺纹表面。

本发明的油井管螺纹润滑涂层的基本性能：

1)固化性能好。具有良好的成膜能力，能与螺纹表面形成牢固的物理吸附膜，具有保护表面功能，防止上扣时相对滑移的接触表面产生粘接破坏。

2)抗剪强度低。固体润滑涂层具有较低的抗剪强度，摩擦副的摩擦系数小，功率损耗低，温度上升小，其抗剪强度受温度的变化影响小。

3)稳定性好。包括物理热稳定，化学热稳定和时效稳定，不产生腐蚀及其他有害的作用。

物理热稳定是指在没有活性物质参与下，温度改变不会引起相变或晶格的各种变化，不会引起抗剪强度的变化，导致涂层的摩擦性能改变。

化学热稳定是指在各种活性介质中温度的变化不会引起强烈的化学反应。

时效稳定是指要求润滑涂层长期放置不失效，以便长期使用。

4)较高的承载能力。润滑涂层能够经受多次上卸扣挤压而不失效。

应用本发明油井管螺纹润滑涂层，改变了油井管螺纹的传统润滑方式，应用润滑涂层，拧接不再需要涂抹螺纹脂，常态下螺纹轮廓清晰，更易于检查。

润滑涂层与常规螺纹脂润滑的使用性能对比：

1)润滑涂层螺纹的拧接，通过上扣的扭矩-圈数曲线图5可以看出，拧接扭矩随着圈数增加而增加，但当接头与接箍的台肩面接触时，接头与接箍的相对转动受限，圈数几乎不变，此时为拐点扭矩，而扭矩开始急剧增加，扭矩直至达到设定扭矩而停止。结合图5扭矩-圈数的标准上扣图形观察图7所示的润滑涂层螺纹的上扣曲线与图6所示的传统上扣方式，二者上扣时扭矩-圈数的变换规律一致，所具有的拐点位置清晰，通过图形能够清楚的判断台肩对顶。

2)多次上卸扣的效果对比，通过多次上卸扣验证，涂层润滑螺纹的最终效果与传统螺纹脂上扣相当，螺纹密封结构完好，满足标准要求。

3)涂层润滑的气密封试验验证。涂层润滑螺纹通过反复上卸扣抗粘扣试验后，还需要通过气密封试验。当上扣拧紧时，涂层能够承受极高的表面压力而不失效，涂层的润滑减磨功能不降低，按照油井管的试验标准ISO 13679CAL IV，通过下列试验验证了润滑涂层应用在螺纹接头的可靠性。

试验标准：ISO 13679CAL IV(VME＝95％，压缩效率C＝60％)

涂层润滑下的套管螺纹，实现3次连续上卸扣而不粘扣。

涂层润滑下的套管螺纹，完成抗粘扣试验后，还通过气密封试验验证其在复合载荷下的密封性能。依次通过试验A系、试验B系、和试验C系，通过试验证明，涂层润滑螺纹试样在复合载荷力的作用下没有发生泄漏，整个试样密封性完好。

试验A系：拉伸+压缩+内压+外压载荷下的常温复合力循环试验；

试验B系：拉伸+压缩+内压+弯曲载荷下的常温复合力循环试验；

试验C系：室温+高温下的拉伸+内压，温度载荷循环试验。

Claims (5)

1.一种油井管螺纹的涂层润滑结构，该结构包括油井管接头及连接接箍，其特征是：在所述油井管接头及接箍的螺纹部分分别涂覆有纳米级的润滑润滑剂涂层。

2.根据权利要求1所述的油井管螺纹的润滑涂层结构，其特征是：所述纳米级的润滑剂涂层厚度为5-30um。

3.根据权利要求1所述的油井管螺纹的润滑涂层结构，其特征是：所述纳米级的润滑剂涂层成分包括二硫化钼5～20％w/w、石墨5～20％w/w及辅助添加剂。

4.根据权利要求1所述的油井管螺纹的润滑涂层结构，其特征是：所述辅助添加剂包括乙酸正丁酯10～30％w/w、聚钛酸丁酯5～20％w/w、氧化锌0.1～5％w/w。

5.根据权利要求1所述的油井管螺纹的润滑涂层结构的制造方法，该方法是将纳米级的润滑剂固化在油井管接头及接箍的螺纹部分，该方法的包括以下步骤：

①预处理，对油井管接头和接箍的螺纹表面进行磷化工艺预处理，以提高涂层的附着力；

②涂装，将纳米级的润滑剂进行雾化喷涂在油井管接接箍的螺纹表面；

③固化，喷涂完毕，对纳米级的润滑剂的涂层进行固化，固化温度为30～70℃，时间60～100min；

④性能强化，使用防护蜡对纳米级的润滑剂涂层进行性能强化，以提高涂层的疏水性能及防锈能力。