用于钻杆组件的超低摩擦覆层 【技术领域】
本发明涉及旋转钻进领域。更具体地说， 涉及超低摩擦覆层以及在钻杆组件上应 用此类覆层来减少地下旋转钻进操作中的摩擦和磨损。背景技术
在旋转钻进操作中， 钻头连接到井底钻具组件的末端， 所述井底钻具组件连接到 包括钻杆和钻具接头 (tool joint) 的钻柱上， 其通过转盘或者顶部驱动装置在表面进行旋 转。钻柱和井底钻具组件的重量使得旋转的钻头在地壳中钻孔。在操作进行过程中， 钻杆 的新部分被加到钻柱上， 来增加其总长。在钻进作业中， 周期性地， 将裸井井眼中加上套筒 来稳定其壁， 并恢复钻进作业。 结果， 钻柱通常既在裸井井眼内也在已经安装在井眼中的套 筒内进行工作。或者， 在钻进组件中， 可用连续油管 (coiled tubing) 来替换钻柱。钻柱和 井底钻具组件或连续油管和井底钻具组件的组合， 在此被称为钻杆组件。钻柱的旋转通过 钻柱和井底钻具组件来提供力给钻头。在连续油管钻进中， 力通过钻进液体泵来输送给钻 头。通过旋转传输的力的大小受限于钻柱或连续油管能够承受的最大扭矩。
在穿透地下岩层的井眼钻进中， 钻杆组件要经受相当大的与钢套管和岩层的滑动 接触。这一滑动接触主要由钻杆组件在井眼中的旋转和轴向移动而产生。在钻杆组件的运 动表面和套筒和岩层的固定表面之间的摩擦在钻杆上产生了相当大的拖拽和在钻进操作 中的拖拽和过大的扭矩。由摩擦产生的问题对任何钻进操作而言都是固有的， 但是在定向 钻井或者大位移钻井 (extended reach drilling， ERD) 中尤其严重。定向钻进或 ERD 有意 在垂直方向上偏离井眼。在一些情况下， 与垂直方向的角度之大可达到与垂直方向呈九十 度。此类井通常被称为水平井， 并可从钻井平台钻到相当大的深度和距离。
在所有的钻井操作中， 钻杆组件均具有靠到井眼或者套管侧的倾向， 但因为重力 因素， 该倾向在定向钻井中更加明显。 在钻柱提高长度或提高垂直偏转度时， 由旋转钻杆组 件产生的摩擦量也被提高。为了克服这一增加的摩擦， 需要附加功率来旋转钻杆组件。在 一些情况下， 在钻杆组件和套管壁或者井眼之间的摩擦超过了钻杆组件能够容忍的最大扭 矩和 / 或钻机的最大扭矩容量， 使得钻进工作必须停止。因此， 使用可得到的定向钻进设备 和技术能钻进的井的深度是受到限制的。
一种降低由钻杆组件与套管 ( 在筒井 (cased hole) 的情况下 ) 或者井眼 ( 在裸 井 (open hole) 的情况下 ) 之间接触而引起的摩擦的方法， 是改进钻进泥浆的润滑性。 在工 业钻井操作中， 已经试图来减少摩擦， 其主要使用水和 / 或油基泥浆溶液， 其含有各种类型 的昂贵并常常环境不友好的添加剂。柴油和其它矿物油也常常用作润滑剂， 但在泥浆处理 方面存在问题。已知某些矿物， 诸如膨润土， 可帮助降低钻井组件和裸井井眼之间的摩擦。 材料， 诸如特氟隆已经用来降低摩擦， 但是这些材料缺乏耐久性和强度。 其它添加剂包括了 植物油、 沥青、 石墨、 洗涤剂和胡桃壳， 但其各自具有自身的局限。
另一个减低钻杆组件和套管或井眼之间的摩擦的方法， 是使用铝钻柱， 因为铝比 钢来得轻。然而， 铝钻柱是昂贵的， 并难以使用在钻井作业中， 并且其与许多类型的钻井液( 例如具有高 pH 值的钻井液 ) 不相容。
另一种减低钻杆组件和套管或井眼之间的摩擦的方法， 是在钻柱组件上使用 表面硬化 (hard facing) 材料 ( 在此也被称为带状加硬 (hardbanding) 或硬表面堆焊 (hardfacing))。美国专利 No.4,665,996， 在这里全文引入作为参考， 公开了通过利用具 有如下组成的合金来对钻杆的主支撑表面表面进行硬表面堆焊 ： 50-65 ％钴， 25-35 ％钼， 1-18％铬， 2-10％硅和低于 0.1％碳， 来减低钻柱和套筒或岩石之间的摩擦。 结果， 旋转钻进 操作需要的扭矩， 尤其对于定向钻进， 得以减少。 该公开的合金对钻柱还提供了优异的耐磨 性， 同时降低了在套管上的磨损。带状加硬的另一类型是， 将 WC- 钴金属陶瓷施加到钻杆组 件上。其它带状加硬材料包括 TiC、 碳化铬， 和其它混合的碳化物和氮化物体系。使用焊接 覆盖或者热喷镀方法来将带状加硬应用到钻杆组件的部分上。
在地下旋转钻进操作， 尤其是定向钻进中遇到的另一问题是， 在套筒和钻杆组件 上的磨损， 其发生在金属表面彼此接触的时候。 在油气井的钻进中的金属表面之间的摩擦， 导致在钻杆组件和套管二者上的过度磨损。目前， 降低钻杆组件的磨损的一个优选解决方 案是， 将钻杆组件部分进行硬表面堆焊。含有碳化钨的合金， 诸如 Stellite 6 和 Stellite 12(Cabot 公司的商标 )， 作为硬表面堆焊的材料， 具有优异的耐磨性。硬表面堆焊保护了钻 杆组件， 但其倾向于导致套管的过量磨耗。 这一问题在定向钻进中尤其严重， 因为钻杆组件 倾向于靠在套管上， 在钻柱旋转时， 连续地磨耗该套管。 另外， 一些硬表面堆焊合金， 诸如碳 化钨， 也可导致摩擦问题更严重。
因此， 需要有新的套筒友好的覆层 / 材料技术， 其在保护钻杆组件免于磨损的同 时， 降低加套筒的井眼在钻进条件下的接触摩擦。这需要能够结合高硬度以及具有与套筒 的钢表面接触时的低摩擦系数 (COF) 的新型材料。如果此类覆层 / 材料还可以提供对井壁 的低能表面和低 COF， 这就允许了超大位移钻井。
发明概述
根据本发明， 一种用于地下旋转钻进操作的先进覆层钻杆组件， 其包含具有暴露 外表面的主体组件， 该主体组件包括连接于井底钻具组件的钻柱或连接于井底钻具组件的 连续油管， 以及在主体组件暴露外表面的至少一部分上的超低摩擦覆层， 其中超低摩擦覆 层的摩擦系数小于或等于 0.15。
本发明的另一方面涉及在地下旋转钻进操作中降低覆层钻杆组件的摩擦的先进 方法， 其包括 ： 提供一种覆层钻杆组件， 其包含具有暴露外表面的主体组件， 该主体组件包 括连接于井底钻具组件的钻柱或连接于井底钻具组件的连续油管， 以及在主体组件暴露外 表面的至少一部分上的超低摩擦覆层， 其中超低摩擦覆层的摩擦系数小于或等于 0.15， 并 将覆层钻杆组件用于地下旋转钻进操作中。
本发明的另一方面涉及用于地下旋转钻进操作的先进覆层钻杆组件， 其包括 ： 一 种具有暴露外表面的主体组件， 其包括连接于井底钻具组件的钻柱或连接于井底钻具组件 的连续油管， 在主体组件的暴露外表面的至少一部分具有带状加硬层， 以及在带状加硬层 的至少一部分上具有超低摩擦覆层， 其中超低摩擦覆层的摩擦系数小于或等于 0.15。
本发明的另一方面涉及在地下旋转钻进操作中降低覆层钻杆组件的摩擦的先进 方法， 其包括 ： 提供一种钻杆组件， 其包含具有暴露外表面的主体组件， 该主体组件包括连 接于井底钻具组件的钻柱或连接于井底钻具组件的连续油管， 在主体组件暴露外表面的至少一部分上具有带状加硬层， 以及在带状加硬层的至少一部分上具有超低摩擦覆层， 其中 超低摩擦覆层的摩擦系数小于或等于 0.15， 并将覆层钻杆组件用于地下旋转钻进操作中。
本发明公开的覆层钻杆组件、 用于地下旋转钻进操作中在覆层钻杆组件中降低摩 擦的方法、 以及它们的先进应用和 / 或用途的这些特征和属性以及其它特征和属性， 从后 续的详细说明中将变得显而易见， 特别是与附图一起阅读时。
附图简述
为了帮助本领域技术人员制造和使用本发明的主体， 可参见附图， 其中 ：
图 1 用示意图， 说明了在地下旋转钻进中， 机械钻速 (rate of penetration， ROP) 对钻压 (weight on bit， WOB) 的关系。
图 2 描绘了在此公开的地下钻进应用中的超低摩擦覆层的示例性应用。
图 3 描述了对于钢铁基套筒， 覆层 COF 和覆层硬度之间的关系， 对一些在此公开的 超低摩擦覆层而言。
图 4 显示了代表性的应力 - 应变曲线， 其显示了相比于晶体金属 / 合金， 无定形合 金的高弹性极限。
图 5 显示了无定形碳的三元相图。 图 6 显示了氢自由键 (dangling bond) 理论的示意图。
图 7 显示了 DLC 覆层在干滑道磨耗试验中的摩擦和磨损特性。
图 8 显示了 DLC 覆层在油基泥浆中的摩擦和磨损特性。
图 9 显示了 DLC 覆层在升高温度 (150° F) 滑动磨损试验， 在油基泥浆中的摩擦和 磨损特性。
图 10 显示了 DLC 覆层在升高温度， 油基泥浆中的摩擦特性。
图 11 比较了 DLC 覆层与无覆层的裸露钢基底的速度减弱 (velocity-weakening) 特性。
图 12 显示了在此公开的单层和多层 DLC 覆层的 SEM 横截面。
图 13 显示了 DLC 覆层的水接触角， 相对于对无覆层的 4142 钢。
图 14 显示了在钻杆组件的带状加硬层上的掺杂 DLC 覆层的示例性示意图。
定义
钻柱被定义为带有连接的钻具接头的钻杆的柱管或钻杆， 在钻柱和包括钻具接头 的井底钻具组件之间的过渡管， 包括钻具接头和磨损衬垫的重型钻杆， 其从传动钻杆传输 液体和旋转动力到钻铤和钻头。 常常地， 特别是在油田中， 该术语不严格地包括了钻杆和钻 铤。钻柱不包括钻头。
钻杆被定义为， 管状钻杆的全长， 其由传动钻杆、 钻杆和钻铤 (drillcollars) 组 成， 其组成了从地表到井眼底部的钻进组件。钻杆不包括钻头。
井底钻具组件 (Bottom hole assembly， BHA) 被定义为一个或多个部件， 其包 括但不限于 ： 稳定器， 可变径稳定器 (variable-gauge stabilizer)， 回拉扩孔器 (back reamers)， 钻铤 (drill collar)， 挠曲钻铤 (flex drill collar)， 旋转可控钻具 (rotary steerable tool)， 牙轮扩眼器 (roller reamers)， 减震器 (shock subs)， 井下动力钻具 (mud motors)， 随 钻 测 井 (logging while drilling， LWD) 工 具， 随 钻 测 量 (measuring while drilling， MWD) 工具， 取心工具， 下扩孔器 (under-reamers)， 扩眼器， 定中心器， 涡
轮， 弯套， 弯曲钻具 (bent motor)， 钻进震击器 (drilling jar)， 加速震击器 (acceleration jar)， 转向附件 (crossover subs)， 下击器 (bumper jar)， 扭矩降低工具， 漂浮附件 (float subs)， 打捞工具 (fishing tool)， 打捞震击器 (fishing jar)， 冲洗管， 测井工具， 观察工具 附件 (survey tool subs)， 这些部件的无磁性对应物， 这些部件的相关外部连接， 和它们的 组合。
钻杆组件被定义为， 钻柱和井底钻具组件或连续油管和井底钻具组件的组合。钻 杆组件不包括钻头。
详细说明
在本说明书和权利要求中的全部数值， 均带有″约″或″大概″， 其指示值考虑 到了本领域技术人员所预期到的实验误差和偏差。
超低摩擦覆层的使用综述和相关益处 ：
用于油气开发和生产的深井用旋转钻进系统来进行钻掘， 其通过岩石开凿工具、 钻头来产生井眼。驱动钻头的扭矩通常由地面上带有机械变速箱的钻具产生。经过变速， 钻具驱动转盘或顶部驱动单元。 将能量从地表传输到钻头的介质是钻柱 ( 在此缩写为 DS)， 其主要由钻杆组成。 钻柱的最低部分是井底钻具组件 ( 在此缩写为 BHA)， 其由钻铤、 稳定器 和包括测量设备、 下扩孔器 (under reamer) 和钻具在内的其它部分组成。钻柱和井底钻具 组件的组合， 在此指的是钻杆组件。或者， 连续油管可替换钻柱， 连续油管和井底钻具组件 的组合在此也被称为钻杆组件。井底钻具组件连接到钻进尽头的钻头。 对于包括钻柱在内的钻杆组件的情况， 在钻进操作中， 周期性地要将钻杆的新部 分加到钻杆上， 井眼的上部通常加上外壳以便稳定井眼， 并恢复钻进。因此， 钻杆组件 ( 钻 柱 /BHA) 经历了各种类型的摩擦和磨损， 所述摩擦和磨损由钻柱 /BHA/ 钻头与套筒 ( 井眼 的″加套筒井眼″部分 ) 或在环形套筒中的岩屑和泥浆之间或者钻柱 /BHA/ 钻头与裸井 ( 井眼的″裸露″部分 ) 之间的相互作用而引起的。
钻 进 中 的 趋 势 是 岩 层 越 来 越 深， 越 来 越 硬， 其 中 低 的 机 械 钻 速 (rate of penetration， 缩写为 ROP) 导致了高的钻进成本。在其它领域， 诸如深页岩钻探， 会发生井 底泥包 (balling)， 其中页岩岩屑由岩屑 - 泥浆和岩屑 - 钻头界面上的泥浆压差粘到钻头切 削面上， 显著减低了钻进效率和 ROP。 岩屑粘连到 BHA 组件， 诸如稳定器上， 也会导致钻进效 率下降。
对于钻柱或连续油管的过早故障和相关的钻进效率下降， 钻杆组件的摩擦和磨 损是重要原因。稳定器磨损会影响井眼质量， 另外会导致震动失效。在 ROP 不会如钻头 机械所预测的那样， 随着钻头的钻压 (weight on bit， 在此缩写为 WOB) 和每分钟转数 (revolutions per minute， 在此缩写为 RPM 而直线增加的意义上， 这些失效可作为 ROP 限 制点或者″失效点″ (founder point) 来显示。在图 1 中， 用图解法描述了该限制。
已经公认的是， 在钻探工业中， 钻杆震动和钻头泥包是机械钻速限制的最具有挑 战性的两个因素。在此公开的超低摩擦覆层， 当其施于钻杆组件时， 有助于减轻这些 ROP 限 制。
深钻应用环境， 特别是在硬岩层中， 会诱导钻杆组件中的严重震动， 其能够引起钻 头机械钻速的降低以及井下设备的过早损坏。 两个主震动激发源在钻头和岩层之间以及在 钻杆组件和井眼或套筒之间进行相互作用。因此， 钻杆组件发生轴向震动、 扭转震动、 侧向
震动， 或者通常是这三种基本模式的综合， 即耦合震动。因此， 这导致了复杂的问题。钻杆 组件震动的特别有挑战性形式是， 粘 - 滑震动模式， 其是扭转不稳定性的体现。各种钻杆组 件与套筒 / 井眼的静接触摩擦， 以及该接触摩擦作为旋转速度函数的动态响应， 对粘 - 滑震 动的开始是很重要的。例如， 有人建议， 钻头诱导的粘 - 滑扭转不稳定性可被在钻头 - 井眼 表面的接触摩擦的速度减弱来触发， 其中动态接触摩擦比静摩擦低。
今天的先进技术海上钻井允许使用相同的起始井来进行多侧钻井。这意味着要 钻进远远深入的深度， 并使用定向钻进技术， 例如通过旋转导向系统 (rotary steerable systems， 缩写为 RSS) 的使用。虽然这给出了较多的成本节约以及后勤保障优势， 其同时也 大大提高了钻柱和套筒的磨损。 定向钻井或大位移钻井的情况下， 垂直偏转度， 偏离垂直的 角度， 可以多达 90 度， 其通常称为水平井。在钻井作业中， 钻柱组件具有靠在井眼侧壁或者 套管上的倾向。由于重力效应， 在定向井中， 该趋势更为明显。当钻柱增加长度和 / 或提高 偏转度时， 由旋转钻柱而产生的总的摩擦阻力也被提高。 为了克服这一增加的摩擦阻力， 需 要附加功率来旋转钻柱。所导致的磨损和钻柱 / 套筒摩擦 ( 加套筒井眼 ) 对钻进效率操作 是十分严苛的。 在这些情况下， 能获得的测量深度经常被钻机能够允许的最大转矩所限制。 需要寻找对现有钻机和驱动机构进行延长设备使用寿命和提升钻进能力的更有效解决方 案， 以便扩展大位移钻井的侧向到达范围。在这些应用场合中的高接触摩擦导致了高转矩 和高拖拽， 其会限制大位移钻井的到达范围。已经发现用超低摩擦覆层来包覆钻杆组件的 部分或全部， 可以解决这些问题。图 2 描绘了钻杆组件上， 可将在此公开的超低摩擦覆层施 于其上以便降低摩擦的面积。 本发明的另一方面涉及通过利用超低摩擦覆层来改进钻具， 特别是钻头的特性， 来在含有粘土和类似物质的岩层中进行钻进。 本发明利用了低表面能的新型材料或涂料体 系来提供热力学上低能量的表面， 例如， 井底部件用的非水润湿表面。 在此公开的超低摩擦 覆层适用于在易产生粘土地区 (gumbo-prone area) 的油气钻进， 诸如在具有高粘土含量的 深页岩钻进， 其使用水基泥浆 (water-based muds， 缩写为 WBM)， 来防止钻头和井底钻具部 件泥包。
此外， 在此公开的超低摩擦覆层， 当其施于钻柱组件上时， 能够同时降低接触摩 擦、 钻头泥包并降低磨损， 同时， 在加套筒井眼的情况下， 不会损害套筒的耐久性和机械完 整性。 因此， 在此公开的超低摩擦覆层是″套筒友好″的， 因为它们不会降低套筒的寿命和 功能。在此公开的超低摩擦覆层还具有如下特征， 其对减弱速度的摩擦行为具有很低的或 者没有敏感性。 因此， 施涂有在此公开的超低摩擦覆层的钻杆组件提供了低摩擦表面， 其优 势在于同时减轻了粘 - 滑震动并降低了寄生转矩 (parasitic torque)， 从而进一步允许了 超大位移钻井。
在此公开的用于钻杆组件的超低摩擦覆层提供了如下示例性但非限制性的优势 ： i) 减轻粘 - 滑震动， ii) 降低扭矩和拖拽， 来扩展大位移井的到达范围， 以及 iii) 减轻钻 头和其它井底部件的泥包。这三个优势与最小化寄生转矩一起， 导致了在穿透钻进速率方 面以及井下钻进设备耐久性方面的重大改进， 由此也促进了非生产时间 (non-productive time， 在此缩写为 NPT) 的降低。在此公开的超低摩擦覆层不仅减低了摩擦， 而且经受住侵 蚀性的井下钻进环境， 该环境要求化学稳定性、 耐腐蚀性、 抗冲击性、 对抗磨损和腐蚀的耐 久性、 机械完整性 ( 覆层基底界面强度 )。 在此公开的超低摩擦覆层也能够应用于复杂形状
的应用场合， 而不会损害基底的性能。 另外， 在此公开的超低摩擦覆层也提供了提供对抗井 底部件泥包的能力必须的低能表面。
本发明示例性实施方案 ：
在本发明的一个示例性实施方案中， 用于地下旋转钻进操作的覆层钻杆组件包括 一个具有外露表面的主体组件， 其包括一个连接于井底钻具组件的钻柱或者连接于井底钻 具组件的连续油管， 以及在主体组件的外露表面至少一部分上的超低摩擦覆层， 其中超低 摩擦覆层的摩擦系数小于或等于 0.15。在该实施方案的备选方式中， 超低摩擦覆层的摩擦 系数小于或等于 0.13， 或 0.11， 或 0.09 或 0.07 或 0.05。该摩擦力可以如下计算 ： 摩擦力 ＝法向力 × 摩擦系数。在另一形式中， 用于地下旋转钻进操作的覆层钻杆组件可以具有动 摩擦系数不低于该超低摩擦覆层静摩擦系数的 50％， 或 60％， 或 70％， 或 80％或 90％的超 低摩擦覆层。在又一个形式中， 用于地下旋转钻进操作的覆层钻杆组件的超低摩擦覆层的 动摩擦系数可以大于或等于该超低摩擦覆层的静摩擦系数。
用于覆层钻杆组件可以是铁基钢、 Al 基合金、 Ni 基合金和 Ti 基合金。 4142 型钢是 可用于钻杆组件部件的非限制性的铁基钢的实例。在施涂超低摩擦覆层之前， 铁基钢基底 可任选地进行高级表面处理。该高级表面处理可以提供一个或多个如下优点 ： 超低摩擦覆 层的扩展的耐久性， 增强的抗磨损性能、 减低的摩擦系数、 增强的抗疲劳性和扩展的抗腐蚀 特性。高级表面处理的非限制性示例包括离子注入， 渗氮， 渗碳， 喷丸处理 (shotpeening)， 激光和电子束釉化， 激光冲击硬化 (laser shock peening)， 以及它们的组合。此类表面处 理可以通过引入另外物质和 / 或引入深度压缩残余应力， 从而抑制由疲劳、 冲击和磨损损 害而导致的裂缝增长， 来硬化基底表面。
在此公开的超低摩擦覆层可选自无定形合金， 非电解镍 - 磷复合材料， 石墨， MoS2， WS2， 富勒烯基复合材料， 硼化物基金属陶瓷， 准结晶材料， 金刚石基材料， 金刚石状碳 (diamond-like-carbon， DLC)， 氮化硼， 以及它们的组合。该金刚石基材料可以是化学气相 淀积 (chemical vapor deposited， CVD) 金刚石或多晶金刚石复合片 (polycrystalline diamond compact， PDC)。在一个优选的实施方案中， 该用于地下旋转钻进操作的覆层钻杆 组件用超低摩擦金刚石状 - 碳 (DLC) 覆层进行包覆， 更特别地该 DLC 覆层可选自四面体无 定形碳 (ta-C)， 四面体的无定形氢化碳 (ta-C:H)， 金刚石状氢化碳 (DLCH)， 聚合物状氢化 碳 (PLCH)， 石墨状氢化碳 (GLCH)， 含硅金刚石状碳 (Si-DLC)， 含金属金刚石状碳 (Me-DLC)， 含氧金刚石状碳 (O-DLC)， 含氮金刚石状碳 (N-DLC)， 含硼金刚石状碳 (B-DLC)， 氟化金刚石 状碳 (F-DLC) 和它们的组合。
钻杆组件的摩擦系数 (COF) 的显著降低， 将使得摩擦力显著降低。这转化为， 需 要更小的力来将岩屑沿着覆层钻杆组件的表面进行滑动。如果摩擦力足够低， 也许能增加 岩屑沿着表面的可移动性， 直到它们能够从钻杆组件表面卸下或输送到环形区中。岩屑沿 着表面的可移动性的提高也可能抑制差压粘着岩屑的形成， 其由于泥浆和泥浆挤压的岩 屑 - 切刀界面区之间的差压将岩屑保持粘在切刀表面而形成。降低钻杆组件部件表面的 COF 通过用在此公开的超低摩擦覆层包覆这些表面而完成。这些包覆到钻杆组件上的超低 摩擦覆层能够经受住侵蚀性的钻进环境， 包括对腐蚀、 冲击载荷和高温暴露的抵抗能力。
除超低 COF 外， 本发明的覆层也具有足够高的硬度来经受住钻井作业中的磨损。 更具体地说， 钻杆组件上在此公开的超低摩擦覆层的维氏硬度或等价维氏硬度， 应大于或 等 于 400， 500， 600， 700， 800， 900， 1000， 1500， 2000， 2500， 3000， 3500， 4000， 4500， 5000， 5500， 或者 6000。 大于 400 的维氏硬度允许本发明的覆层钻杆组件用于页岩的钻进， 其使用 了水基泥浆和螺旋式稳定器。图 3 描述了相对于现有技术中的钻柱 /BHA 钢， 在此公开的一 些超低摩擦覆层的覆层 COF 和覆层硬度之间的关系。在此公开的超低摩擦覆层的低 COF 和 高硬度的结合， 当其用作钻杆组件上的表面覆层时， 提供了硬度、 低 COF 和耐久的材料， 来 用于井下钻进应用场合。
具有在此公开的超低摩擦覆层的覆层钻杆组件同时也提供了低于 1， 0.9， 0.8， 2 0.7， 0.6， 0.5， 0.4， 0.3， 0.2， 或者 0.1J/m 的表面能来减轻在地下旋转钻进操作中的岩屑的 粘连或者泥包。 接触角也可用于对在此公开的覆层钻杆组件上的超低摩擦覆层的表面能进 行定量。在此公开的超低摩擦覆层的水接触角大于 50， 60， 70， 80， 或者 90 度。
在此公开的用于钻杆组件的超低摩擦覆层更多细节方面公开如下 ：
超低摩擦无定形合金 ：
作为用于在此公开的钻杆组件的超低摩擦覆层的无定形合金提供了高的弹性极 限 / 流变强度， 以及比较高的硬度。这些属性允许这些材料， 当受到应力或应变时， 相比于 结晶物质， 诸如用于钻杆组件的钢， 对于更高的应变 / 应力保持弹性。在作为用于钻杆组件 超低摩擦覆层的无定形合金和普通的结晶性的合金 / 钢之间的应力 - 应变关系在图 4 中进 行描述， 并且其显示了相比于无定形合金， 普通的结晶性合金 / 钢在相对低的应变 / 应力下 易于转化为塑性变形。在接触面的过早塑性变形， 导致表面粗糙物的产生以及随后发生的 晶体金属中的高粗糙面接触力和高 COF。无定形金属合金或无定形材料的高弹性极限一般 说来能够减低粗糙物的形成， 也导致了耐磨性的显著增强。作为用于钻杆组件的超低摩擦 覆层的无定形合金在钻进作业中， 能够降低粗糙物形成， 由此降低了钻杆组件的 COF。
作为用于钻杆组件的超低摩擦覆层的无定形合金可使用多种包覆技术进行沉积， 其包括但不限于， 热喷涂， 冷喷镀， 焊接覆盖， 激光表面釉化， 离子注入和蒸气沉积。使用扫 描激光或电子束， 表面能够被釉化， 并快速冷却形成无定形的表面层。在釉化中， 改进表面 组成来确保良好的玻璃态形成能力并增加硬度和耐磨性可能是有利的。 这可以通过在热源 进行扫描时在表面上合金化至熔池来完成。表面硬化覆层也可通过热喷涂来进行施涂， 包 括在空气中或者真空中的等离子喷涂。 用作钻杆组件的超低摩擦覆层的较薄的完全无定形 的覆层， 可以通过薄膜沉积技术来获得， 其包括但不限于， 溅射， 化学气相沉积 (CVD) 和电 沉积。在此公开的一些无定形合金组合物， 诸如接近等原子化学计量 ( 例如， Ni-Ti)， 可通 过重塑性变形诸如喷丸处理或冲击负载来进行无定形化。 作为用于在此公开的钻杆组件的 超低摩擦覆层的无定形合金， 得到了磨损和摩擦特性的出色平衡， 并需要合适的玻璃形成 能力以便使用该方法来进行生产。
非电解 Ni-P 复合材料超低摩擦覆层 ：
用作在此公开的钻杆组件的超低摩擦覆层的非电解镍 - 磷 (Ni-P) 复合材料， 可以 通过从电解或者非电解浴进行在金属基体上的惰性颗粒共淀积来形成。Ni-P- 金刚石复合 材料覆层是有成本效率的包覆方法， 因为其基于工业上的非电解镍包覆方法。该 Ni-P 复合 材料覆层提供了对大多数的金属和合金基底的优异附着力。这些覆层的最终性能取决于 Ni-P 基体的磷含量， 其决定了覆层的结构， 以及取决于包埋颗粒的特性， 诸如类型、 形状和 粒度。在此公开的镍 - 磷 (Ni--P) 复合物超低摩擦覆层可包括微米级的颗粒。超低摩擦层状材料和新型富勒烯基复合物覆层 ：
层状材料诸如石墨、 MoS2 和 WS2(2H 多型片晶 ) 可用作钻杆组件的超低摩擦覆层。 另外， 富勒烯基复合物覆层， 其包括富勒烯状纳米粒子， 也可用作钻杆组件的超低摩擦覆 层。富勒烯 (fullerene) 状纳米粒子相比于典型的金属而言， 具有有利的摩擦学性能， 同时 还减轻了普通的层状材料 ( 例如， 石墨， MoS2) 的缺点。几乎球形的富勒烯也可起到纳米尺 度球轴承作用。中空富勒烯状纳米粒子的主要有利之处归因于下列三个效应， (a) 滚动摩 擦， (b) 富勒烯纳米粒子起隔离作用， 其消除了两个相匹配金属表面的粗糙物之间的金属接 触， 以及 (c) 三体材料转移 (three body material transfer)。富勒烯状纳米粒子在摩擦 面之间的界面上的滑动 / 滚动， 当保持了纳米粒子的形状时， 可以是在低负载下的主要摩 擦机理。 富勒烯状纳米粒子的有益效果随着负载增加。 在高接触负载 ( ～ 1GPa) 的情况下， 会发现富勒烯状纳米粒子外面片的剥落。 分层富勒烯状纳米粒子的转移显然是在严重接触 条件下的主要摩擦机理。 富勒烯状纳米粒子的机械和摩擦学性能可以通过将这些颗粒引入 到覆层的粘结剂相中来加以利用。另外， 在金属粘结剂相中引入富勒烯状纳米粒子的复合 物覆层 ( 例如， Ni-P 非电解镀覆 ) 能够为适用于钻杆组件的超低摩擦覆层的膜提供自润滑 和优异的抗粘连特性。 高级硼化物基金属陶瓷和金属基体复合材料 ：
作为用于钻杆组件的超低摩擦覆层的高级硼化物基金属陶瓷和金属基体复合材 料， 可通过热处理或在磨损工作中的初始加热来暴露于高温， 从而形成在本体材料上。例 如， 硼化物基金属陶瓷 ( 例如， TiB2- 金属 )， 表面层一般地富集有氧化硼 ( 例如， B2O3)， 其 增强了润滑性能， 从而得到了低摩擦系数。
准结晶材料 ：
准结晶 (quasicrystalline) 材料可用作钻杆组件的超低摩擦覆层。准结晶材料 具有周期性原子结构， 但不符合普通结晶体典型的 3D 对称。由于它们的晶体结构， 大多数 常见的具有特定化学特性的二十面体的或十面体的准结晶材料， 都显示了独特的性能组 合， 包括低表面能在内， 使其有作为钻杆组件的覆层材料的吸引力。 由于它们在呈二十面体 2 Al-Cu-Fe 化学的不锈钢基底上的低表面能 ( ～ 30mJ/m )， 准结晶材料提供了不粘的表面性 质。 用作钻杆组件覆层的准结晶材料可提供低摩擦系数 ( ～ 0.05， 在划痕硬度试验中， 用金 刚石压头在干燥空气中进行 ) 与比较高的显微硬度 (400-600HV) 的耐磨性的结合。用作钻 杆组件覆层的准结晶材料也提供了低腐蚀表面， 并且覆层具有低表面能的平滑和平整的表 面， 来改进钻进性能。 准结晶材料可以在金属基底上通过各种各样的覆层技术来进行沉积， 包括但不限于， 热喷涂， 蒸气沉积， 激光包层， 焊接覆盖， 以及电沉积。
超硬材料 ( 金刚石， 金刚石状碳， 立方体氮化硼 ) ：
超硬材料， 诸如金刚石， 金刚石状 - 碳 (DLC) 和立方体氮化硼 (CBN)， 可用作钻杆组 件的超低摩擦覆层。金刚石是人类已知的的最硬材料， 当通过化学气相沉积 ( 在此缩写为 CVD) 沉积在钻杆组件部件上时， 在一定条件下可产生超低摩擦系数。在一实施方式中， 该 CVD 沉积碳可直接沉积在钻杆组件的表面。在另一实施方式中， 在金刚石沉积之前， 将相容 剂材料的底覆层 ( 在此也称为缓冲层 ) 施于钻杆组件上。 CVD 金刚石的超低摩擦表面覆层， 不仅降低了钻杆组件部件表面的岩屑粘附趋势， 同时也起到了允许对粘土钻进操作中使用 螺旋式稳定器的作用 ( 诸如， 例如在墨西哥湾 )。 用 CVD 金刚石来包覆螺旋式稳定器的流动
表面 (flow surface)， 能允许岩屑流过稳定器上孔进入钻柱环形区， 而不会粘附到稳定器 上。
在一个优选实施方案中， 金刚石状 - 碳 (DLC) 可用作钻杆组件的超低摩擦覆层。 DLC 指的是无定形碳材料， 其显示了一些与天然金刚石相同的独特性能。 适用于钻杆组件的 金刚石状 - 碳 (DLC) 可选自 ta-C、 ta-C:H、 DLCH、 PLCH、 GLCH、 Si-DLC、 Me-DLC、 N-DLC、 O-DLC、 3 3 B-DLC、 F-DLC 和它们的组合。DLC 覆层包括大量的 sp 杂化的碳原子。这些 sp 键不仅仅在 晶体中出现——换句话说， 在具有长程有序 (long-range order) 的固体中——也同时存在 于无定形固体中， 其中原子处于随机排列。 在这种情况下， 仅仅在一些单个原子之间存在键 合， 也就是说短程有序 (shotr-range order)， 并且在扩展到大量原子的长程顺序上不存在 键合。键型对无定形碳膜的材料性质具有很大的影响。如果 sp2 型占主导地位， 该 DLC 膜 3 会较软， 如果 sp 型占主导地位， 该 DLC 膜较硬。
DLC 覆层可被制造成无定形的， 柔韧的， 然而纯粹的 sp3 键合的″金刚石″。最硬 的是这样的混合物， 其也被称为四面体无定形碳， 或 ta-C( 参见图 5)。所述 ta-C 包括高体 3 积份数 ( ～ 80％ ) 的 sp 键合的碳原子。用于 DLC 覆层的任选的填充物， 包括但不限于， 2 氢， 石墨 sp 碳， 和金属， 并可以其它方式来使用， 以便取决于特定应用场合来达到想要的性 能组合。 DLC 覆层的各种形式可施于各种基底上， 所述基底与真空环境相容并且也具有导电 性。DLC 覆层质量还取决于合金元素诸如氢的份数。一些 DLC 覆层方法需要氢或甲烷作为 前体气体， 并由此可将相当百分比的氢保留在最终的 DLC 材料中。为了进一步改进它们的 摩擦学和机械性能， 经常通过引入金属元素 ( 例如， Ti， Mo， Cr， Ni， W， Cu， Nb， Ta) 和其它合 金元素 ( 例如， B， N， Si， O， F， P) 来对 DLC 膜进行改性。例如， 将氟 (F)， 和硅 (Si) 添加到 DLC 膜能够降低表面能量和润湿性。 在氟化 DLC(F-DLC) 中表面能的降低， 归因于在膜中 CF2 和 CF3 基团的存在。然而较高的 F 含量会导致较低的硬度。Si 的添加通过降低分散组分的 表面能来降低了表面能。Si 的添加也能同时通过促进在 DLC 膜上的 sp3 杂化来增加 DLC 膜 的硬度。金属元素 ( 例如， Ti， Mo， CR， Ni， W， Cu， Nb， Ta) 到膜中的添加， 以及使用所述金属 中间层， 都可降低压缩残余应力， 从而使得膜对于压缩载荷具有更好的机械完整性。 3
金刚石状相或 sp 键合的碳的 DLC 是热力学亚稳相， 而具有 sp2 键的石墨是热力学 稳定相。因此 DLC 覆层膜的形成需要不平衡方法以获得亚稳定的 sp3 键合的碳。诸如石墨 碳的蒸发的平衡过程方法， 其中蒸发的物质的平均能量 ( 接近 kT， 其中 k 是波耳兹曼常数， T 2 是以绝对温度表示的温度 ) 很低， 导致 100％的 sp 键合的碳的形成。在此公开的生产 DLC 3 覆层的方法要求， 在 sp 键长的碳显著低于 sp2 键长的碳。因此， 压力， 影响， 催化， 或者这些 2 3 的综合在原子尺度上的应用， 强迫 sp 键合的碳原子更紧密地靠在一起成为 sp 键。这可以 足够有力地进行， 使得原子不会简单地弹回分开至 sp2 键特征性分离。典型的技术， 或者结 3 2 合这样的压缩和 sp 键合的碳原子的新簇的推进至深入覆层中， 使得不存在 sp 键分离膨胀 回来所需的空间 ； 或者通过用于下一循环冲击的新碳的到达来将新簇进行包埋。
在此公开的 DLC 覆层可通过物理气相沉积， 化学气相沉积， 或者等离子辅助化学 气相沉积包覆技术来进行沉积。物理气相沉积覆层方法包括 RF-DC 等离子反应活性磁控溅 射 (magnetron sputting)， 离子束辅助沉积， 阴极电弧沉积和脉冲激光沉积 (PLD)。化学气 相沉积覆层方法包括离子束辅助 CVD 沉积， 使用烃气体辉光放电的等离子增强沉积， 从烃 气体中使用射频辐射 (r.f.) 辉光放电， 等离子浸没离子处理和微波放电。等离子增强的化学气相沉积 (PECVD) 是一种以高沉积速率在大面积上沉积 DLC 覆层的有利方法。等离子基 CVD 包覆工艺是非视线 (non-line-of-sight) 技术， 即等离子体保形地覆盖要包覆的部分， 并且整个部件的外露表面均被包覆上相同的厚度。该部分的最终表面在 DLC 覆层施涂后 可得以保持。PECVD 的一个优点是， 在包覆操作时， 基底部分的温度不会大于约 150℃。含 氟 -DLC(F-DLC) 和含硅 -DLC(Si-DLC) 膜可使用等离子沉积技术来进行合成， 其使用分别混 合有含氟和含硅前体气体 ( 例如， 四氟化乙烷和六甲基二硅氧烷 ) 的乙炔 (C2H2) 气体。
在此公开的 DLC 覆层显示出处于前述范围内的摩擦系数。超低 COF 可基于在实 际接触面积上薄石墨膜的形成。由于 sp3 键在 600 到 1500 ℃的升高的温度下， 是碳的热 力学不稳定相， 取决于环境条件， 其可以转化为石墨， 而石墨可作为固体润滑剂。这些高 温可以发生在粗糙物冲撞或者接触中， 作为非常短暂的瞬间爆发 (flash)( 称为初始温度 (incipient temperature))。DLC 覆层的超低 COF 的一备选理论是， 烃基润滑薄膜的存在。 3 sp 键合的碳的四面体结构可导致在表面的如下情形， 其中可有一个空电子从表面出发， 而 没有碳原子连接其上 ( 参见图 6)， 其被称作″自由键″轨道。 如果一个氢原子， 其自身电子 连接到此类碳原子上， 其可与自由键轨道键合， 来形成两个电子的共价键。 当两个具有单个 氢原子外层的所述光滑表面彼此滑动， 将氢原子之间发生剪切。在表面之间不存在化学键 接， 仅仅存在非常微弱的范德华力， 并且表面显示出重烃蜡的性能。如图 6 中所示， 表面上 的碳原子可产生三个强键合， 留下一个电子处于自由键轨道上， 其从表面伸出。 氢原子附着 于所述表面上， 其变得疏水， 并显示出低摩擦性能。
由于其摩擦学性能， 在此公开的用于钻杆组件的 DLC 覆层也阻止了磨损。特别地， 在此公开的 DLC 覆层对磨损和胶粘磨损具有抵抗能力， 使得它们适用于要经历滚动以及滑 动接触均有的极端接触压力的应用。
除低摩擦和抗磨损 / 耐磨性之外， 在此公开的钻杆组件的 DLC 覆层还显示出对 主体组件外表面沉积的耐久性和粘合强度。DLC 覆层膜可具有很高的固有残余应力 ( ～ 1GPa)， 其对它们对沉积基底 ( 例如， 钢 ) 的摩擦学特性和粘合强度有影响。一般地， DLC 覆 层直接沉积在钢表面， 但要忍受差的粘合强度。粘合强度的缺乏限制了厚度和 DLC 和钢界 面之间的不相容性， 其会导致在低负载下发生层离。 为了克服这一问题， 在此公开的钻杆组 件的 DLC 覆层也包括各种金属 ( 例如， 但不限于， Cr， W， Ti) 和陶瓷化合物 ( 例如， 但不限 于， CrN， SiC) 的中间层， 其处于钻杆组件外表面和 DLC 覆层之间。这些陶瓷和金属的中间 层放松了在此公开的 DLC 覆层的压缩残余应力， 从而增加了粘合和负载能力。改进在此公 开的 DLC 覆层的磨损 / 摩擦性能和机械寿命的一个备选途径是， 将具有中间缓冲层的多个 层引入来减轻残余应力的累积和 / 或进行双重复合覆层处理。在一种方式中， 进行处理的 钻杆组件外表面可以被渗氮或者渗碳， 在 DLC 覆层沉积之前进行前体处理， 以便硬化并阻 止基底层的塑性变形， 其会增强覆层耐久性。
多层超低摩擦覆层和复合超低摩擦覆层
在此公开了钻杆组件上的多层超低摩擦覆层， 其可以使用来最大化超低摩擦覆层 厚度， 以便增强它们在用于钻进作业中的钻杆组件的耐久性。用于地下旋转钻进操作的在 此公开的覆层钻杆组件不仅包括单个超低摩擦层， 也包括两个或多个超低摩擦覆层。 例如， 两个， 三个， 四个， 五个或更多的超低摩擦覆层可沉积在钻杆组件的部分上。各超低摩擦覆 层厚度范围为 0.5 到 5000 微米， 下限为 0.5、 0.7、 1.0、 3.0、 5.0、 7.0、 10.0、 15.0、 或者 20.0微米、 上限为 25、 50、 75、 100、 200、 500、 1000、 3000、 或者 5000 微米。多层超低摩擦覆层的 总厚度为 30,000 微米。多层覆层总厚度的下限可以是 0.5、 0.7、 1.0、 3.0、 5.0、 7.0、 10.0、 15.0、 或者 20.0 微米厚。多层覆层总厚度的上限可以是 25、 50、 75、 100、 200、 500、 1000、 3000、 5000、 10000、 15000、 20000、 或者 30000 微米厚。
在用于地下旋转钻进操作的在此公开的覆层钻杆组件的另一实施方案中， 钻杆组 件的主体组件可包括在外露表面至少一部分上的带状加硬层， 来给钻杆组件提供增强的耐 磨性和耐久性。 因此， 可沉积一个或者多个超低摩擦覆层到带状加硬层上， 来形成复合型覆 层结构。带状加硬层厚度的范围可以是数倍于到等于外部超低摩擦覆层或层们的厚度。带 状加硬层材料的非限制性示例包括金属陶瓷基材料， 金属基体复合材料， 纳米结晶金属合 金， 无定形合金和硬金属合金。 带状加硬层的其它非限制性示例包括元素钨， 钛， 铌， 钼， 铁， 铬， 和硅的碳化物， 氮化物， 硼化物， 和氧化物， 其分散于金属合金基体内部。此类带状加硬 层可通过焊接覆盖、 热喷涂或激光 / 电子束包覆来进行沉积。
用于在此公开的钻杆组件的超低摩擦覆层也包括一个或多个缓冲层 ( 其在此也 被称为粘合层 )。一个或者更多个缓冲层可插入到主体组件外表面和单个超低摩擦层之间 或者在多层超低摩擦覆层构型中的两个或多个超低摩擦层之间。 一个或多个缓冲层可选自 下列元素或者下列元素的合金 ； 硅、 钛、 铬、 钨、 钽、 铌、 钒、 锆、 和 / 或铪。一个或者多个缓冲 层也可选自下列元素的碳化物， 氮化物， 碳氮化物， 氧化物 ： 硅、 钛、 铬、 钨、 钽、 铌、 钒、 锆、 和 / 或铪。一个或者多个缓冲层一般插入到带状加硬层 ( 当使用时 ) 和一个或多个超低摩擦 覆层之间， 或者在超低摩擦覆层们之间。缓冲层厚度可以是超低摩擦覆层厚度的一部分或 近似值。
在用于地下旋转钻进操作在此公开的覆层钻杆组件的又一个实施方案中， 主体组 件可以进一步包括一个或者多个隔离层 (buttering layer)， 其插入到主体组件外表面和 在外露表面的至少一部分上的带状加硬层或超低摩擦覆层之间， 以提供增强的韧性， 来最 小化来自基底合金钢的任何稀释物进入外覆层或者带状加硬层， 并且最小化残余应力的吸 收。隔离层的非限制性例子包括不锈钢或镍基合金。一个或者多个隔离层一般紧邻用于覆 层的钻杆组件主体组件或者位于其上。
在用于地下旋转钻进操作的在此公开的覆层钻杆组件的一个优选实施方案中， 可 将多层碳基无定形覆层， 诸如金刚石状碳 (DLC) 覆层， 施于钻杆组件上的下列非限制性的 示例性位置上 ： 稳定器和钻具接头， 从而通过消除或最小化岩石和稳定器之间的， 或者在 套筒中， 在套筒钢和钻具接头之间的摩擦， 来减少震动， 。适用于钻杆组件的金刚石状 - 碳 (DLC) 覆层可选自 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。 对于此类应用， 特别有利的一个 DLC 覆层是 DLCH 或 ta-C:H。 多层 DLC 覆层的结构可包括单个 DLC 层， 其具有在单个 DLC 层之间的粘合层或缓冲层。用于 DLC 覆 层的粘合层和缓冲层的示例包括， 但不限于， 下列元素或者下列元素的合金 ： 硅、 钛、 铬、 钨、 钽、 铌、 钒、 锆、 和 / 或铪。用于 DLC 覆层的其它粘合层和缓冲层的示例包括， 但不限于， 下列 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 层或者粘合层起到了增韧层和残余应力减轻层的作用， 并允许多层实施方案的 DLC 覆层总 厚度得以提高， 同时保持了覆层的完整性和耐久性。
在用于地下旋转钻进操作的在此公开的覆层钻杆组件的又一个优选实施方式中，为了改进相对薄的 DLC 覆层的耐久性、 机械完整性和井底状态， 可以使用复合覆层途径， 其 中将一个或者多个 DLC 覆层沉积在现有技术中的带状加硬层上。这一实施方案提供了增强 的 DLC- 带状加硬层界面强度， 以及为井下组件提供了对过早磨损的保护， 否则 DLC 将被磨 损掉或者层离。在该实施方案的另一形式中， 可在 DLC 层 ( 们 ) 施涂之前进行高级表面处 理， 来扩展 DLC 覆层的耐久性并增强其磨损、 摩擦、 疲劳和腐蚀特性。高级表面处理的非限 制性例子可选自离子注入， 渗氮， 渗碳， 喷丸处理， 激光和电子束釉化， 激光冲击硬化， 以及 它们的组合。此类表面处理能够通过引入另外的物质和 / 或引入深度压缩残余应力来硬化 基底表面， 从而抑制由疲劳、 冲击和磨损损害而导致的裂缝增长。 在该实施方案的又一实施 方式中， 将前述的一个或者多个隔离层插入到基底和带状加硬层之间， 并且将一个或者多 个 DLC 覆层置于带状加硬层上。
图 14 是钻杆组件上超低摩擦覆层的示例性实施方案， 其利用了多层复合覆层， 其 中 DLC 覆层沉积在钢基底的带状加硬层上。在该实施方案的另一形式中， 带状加硬层可以 进行后处理 ( 例如， 蚀刻 ) 来将暴露合金渗碳体颗粒， 以便增强 DLC 覆层对带状加硬层的附 着力， 如图 14 所示。所述复合覆层可以用于井下组件， 诸如钻具接头和稳定器， 来增强沉积 在这些部件上的 DLC 覆层的耐久性和机械完整性， 并为超低摩擦外层， 不论是磨损的或者 层离的， 提供″第二防线″， 以对抗地下旋转钻进操作中井下的侵蚀性磨损和腐蚀条件。 在 该实施方案的另一形式中， 在复合覆层结构内包括如前所述的一个或者多个缓冲层和 / 或 一个或者多个隔离层， 来进一步增强性能和特性， 特别是在地下钻进操作中。
钻进条件， 应用和好处 ：
用于地下旋转钻进操作的在此公开的的覆层钻杆组件包括具有外露表面的主体 组件， 其包括连接于井底钻具组件的钻柱， 或者备选地连接于井底钻具组件的连续油管。 钻 柱包括一个或多个部件， 其选自钻杆， 钻具接头， 包括钻具接头的在钻柱和井底钻具组件之 间的过渡管， 包括钻具接头和磨损盘的重型钻杆， 以及它们的组合。井底钻具组件包括一 个或多个部件， 其选自， 但不限于 ： 稳定器， 可变径稳定器， 回拉扩孔器 (back reamers)， 钻 铤， 挠曲钻铤， 旋转可控钻具， 牙轮扩眼器 (roller reamers)， 减震器， 井下动力钻具 (mud motors)， 随钻测井 (logging while drilling， LWD) 工具， 随钻测量 (measuring while drilling， MWD) 工具， 取心工具， 下扩孔器 (under-reamers)， 扩眼器， 定中心器， 涡轮， 弯 套， 弯曲钻具， 钻进震击器 (drilling jars)， 加速震击器 (acceleration jars)， 转向附件， 下击器， 扭矩降低工具， 漂浮附件， 打捞工具， 打捞震击器， 冲洗管， 测井工具， 观察工具附 件 (survey tool subs)， 这些部件的无磁性对应物， 这些部件的相关外部连接， 和它们的组 合。
超低摩擦覆层可以沉积在钻柱， 和 / 或井底钻具组件， 和 / 或钻杆组件的连续油管 的至少一部分或全部上。 因此， 可理解的是， 超低摩擦覆层和超低摩擦覆层的复合形式可以 沉积在如上所述的钻柱部件和 / 或井底钻具组件部件的许多组合上。当施于钻柱上时， 在 此公开的超低摩擦覆层在钻进操作中可防止包括钻杆螺旋弯曲的钻柱失稳或者延迟其开 始， 从而防止钻杆组件的损坏以及相关的非生产时间。 另外， 在此公开的超低摩擦覆层也可 提供对扭转震动不稳定性的抵抗， 所述不稳定性包括钻柱和井底钻具组件的粘 - 滑震动失 效。
在此公开的覆层钻杆组件可以在地下旋转钻进操作中使用， 井底温度范围为 20到 400° F， 下限为 20， 40， 60， 80， 或者 100° F， 上限为 150， 200， 250， 300， 350 或 400° F。 在此公开的覆层钻杆组件可以在地下旋转钻进操作中使用， 地面钻进旋转速率范围为 0 到 200RPM， 下限为 0， 10， 20， 30， 40， 或 50RPM， 上限为 100， 120， 140， 160， 180， 或 200RPM。另外， 在此公开的覆层钻杆组件可以在地下旋转钻进操作中使用， 其在地下旋转钻进操作中钻进 泥浆压力的范围为 14psi 到 20,000psi， 下限为 14、 100、 200、 300、 400、 500 或 1000psi， 上限 为 5000、 10000、 15000、 或 20000psi。
在此公开的钻柱组件的超低摩擦覆层可降低钻进作业需要的扭矩， 由此允许钻井 操作者在使用常规的钻井设备时， 用更高的机械钻速 (ROP) 来钻油 / 气井。另外， 在此公开 的钻柱组件上的超低摩擦覆层为钻杆组件提供了耐磨性和低表面能， 其对普通带状加硬钻 杆组件是有利的， 其同时降低了套管上的磨损。
在一形式中， 在此公开的覆层钻杆组件， 其主体组件外露表面的至少一部分包覆 有超低摩擦覆层， 相比于无覆层的钻杆组件， 提供了大至少 2 倍、 或 3 倍、 或 4 倍、 或 5 倍的 耐磨性。 另外， 在此公开的覆层钻杆组件， 其主体组件外露表面的至少一部分包覆有超低摩 擦覆层， 相比于用于旋转钻进的无覆层的钻杆组件， 提供了减少的套筒磨损。另外， 在此公 开的覆层钻杆组件， 其主体组件外露表面的至少一部分包覆有超低摩擦覆层， 相比于用于 旋转钻进操作的无覆层钻杆组件， 套筒磨损降低了至少 2 倍、 或 3 倍、 或 4 倍、 或 5 倍。
在此公开的钻柱组件上的超低摩擦覆层同时也可消除或减低摩擦系数的速度减 弱。更具体地说， 用于烃开采和生产的深井钻进的旋转钻进系统， 经常要经受严重的扭转 震动， 导致称为″粘 - 滑″震动的不稳定性， 其特征在于 (i) 粘着阶段， 其中钻头或 BHA 到 钻头停止 ( 相对滑动速度是零 )， 以及 (ii) 滑动阶段， 其中上述井下组件相对滑动速度快 速加速到远大于平均滑动速度的值， 所述平均滑动速度由钻机施加的旋转速度 (RPM) 所施 加。该问题对于由装配到钻头主体表面的固定轮叶或切刀组成的牙轮钻头 (drag bit) 特 别严重。在摩擦构成原理中的非线性， 导致了对抗粘 - 滑震动的稳定摩擦滑动的不稳定性。 尤其地， 速度减弱行为， 其由摩擦系数随着相对滑动速度的提高而降低来表明， 会导致扭转 不稳定性， 并触发粘 - 滑震动。滑动不稳定性在钻进中是一个问题， 因为其是主要破坏者之 一， 其限制了上述的最大机械钻速。在钻进应用中， 避免粘 - 滑条件是有利的， 因为其导致 了震动和磨损， 包括损坏性耦合震动的启动。 通过降低或消除速度减弱行为， 在此公开的钻 柱组件的超低摩擦覆层使得系统进入了连续滑动状态， 其中相对滑动速度是恒定的， 并且 不会震动 ( 避免了粘 - 滑震动 )， 或在区域化 RPM 中显示了急剧加速或减速。甚至使用了 现有技术中利用在钻进泥浆中使用润滑剂添加剂或丸粒、 高法向负载和小滑动速度的避免 粘 - 滑运动的方法， 粘 - 滑运动仍会发生。在此公开的钻杆组件的超低摩擦覆层可不发生 粘 - 滑运动， 甚至在高法向负载下。
当在钻头和稳定器表面与岩石碎屑之间的粘合力变得大于将碎片保持在一起的 内聚力更大的时候， 会发生钻头和稳定器的泥包现象。因此， 为了减少钻头泥包， 在可变形 页岩碎片和钻头和稳定器表面之间的粘合力可被降低。 在此公开的钻杆组件的超低摩擦覆 层提供了低能表面， 来提供低粘附性表面， 从而减轻或者减低了钻头 / 稳定器的泥包。
减低钻杆组件中的摩擦的方法 ：
本发明还涉及在地下旋转钻进操作中降低摩擦和磨损的方法。 在一示例性实施方 案中， 一种降低用于地下旋转钻进操作的覆层钻杆组件的摩擦的方法， 其包括提供一种覆层钻杆组件， 其包括具有暴露外表面的主体组件， 该主体组件包括连接于井底钻具组件的 钻柱或连接于井底钻具组件的连续油管， 以及在主体组件暴露外表面的至少一部分上的超 低摩擦覆层， 其中超低摩擦覆层的摩擦系数小于或等于 0.15， 并且在地下旋转钻进操作中 使用该覆层钻杆组件。 地下旋转钻进操作可以是定向的， 包括但不限于， 水平钻进或大位移 钻进 (ERD)。 在水平钻进或大位移钻进 (ERD) 中， 该方法也包括利用弯曲钻具来辅助重量转 移到钻头上。当使用此类弯曲钻具时， 在定向井钻进中的滑动操作 (0RPM) 中的到钻头的重 量转移变得更为方便。
正如前所讨论的， 超低摩擦覆层可选自无定形合金， 非电解镍 - 磷复合材料， 石 墨， MoS2， WS2， 富勒烯基复合材料， 硼化物基金属陶瓷， 准结晶材料， 金刚石基材料， 金刚石状 碳 (DLC)， 氮化硼， 以及它们的组合。 该金刚石基材料可以是化学气相淀积 (chemical vapor deposited， CVD) 金刚石或多晶金刚石复合片。在一优选实施方案中， 用于地下旋转钻进操 作的覆层钻杆组件用超低摩擦金刚石状碳 (DLC) 覆层进行包覆， 更特别地， 该 DLC 覆层可选 自 ta-C， ta-C:H， DLCH， PLCH， GLCH、 Si-DLC、 Me-DLC、 N-DLC、 O-DLC、 B-DLC、 Me-DLC、 F-DLC 和 它们的组合。在 DLC 覆层实施方案的另一优选实施方式中， 使用了邻接基底的带状加硬层。
在降低用于地下旋转钻进操作的覆层钻杆组件的摩擦的方法的一个方式中， 钻杆 组件的一个或者多个部件用金刚石状碳 (DLC) 进行包覆。DLC 材料覆层可通过物理气相沉 积 (PVD)， 电弧沉积， 化学气相沉积 (CVD)， 或者等离子增强化学气相沉积 (PECVD) 包覆技术 进行包覆。物理气相沉积覆层方法选自溅射、 RF-DC 等离子反应活性磁控溅射， 离子束辅助 沉积， 阴极电弧沉积和脉冲激光沉积 (PLD)。通过 PECVD 和 / 或 RF-DC 等离子反应活性磁控 溅射方法可有利地将一个或者多个 DLC 覆层进行沉积。
在此公开的地下旋转钻进操作中的覆层钻杆组件中降低摩擦的方法， 通过在定向 或大位移钻进中实质上降低摩擦和拖拽， 提供了扭矩方面的实质上降低， 用现有的上部驱 动能力来促进了钻进更深和 / 或到达更远。实质上降低扭矩， 指的是降低 10％， 优选 20％， 更优选 30％， 相比于使用无覆层钻杆组件来进行旋转钻进。 实质上降低摩擦和拖拽， 指的是 降低 10％， 优选 20％， 更优选 50％， 相比于使用无覆层钻杆组件来进行旋转钻进。 减低覆层 钻杆组件的摩擦的方法可进一步包括， 在现场或者在当地供应点， 将超低摩擦覆层施于钻 机的主体组件外露表面的至少一部分上， 来重新施涂或者修整磨损的覆层， 来延长使用寿 命或者促进组件的继续使用。
在此公开的地下旋转钻进操作中， 在降低覆层钻杆组件的摩擦方法的一个优选形 式中， 超低摩擦覆层包括金刚石状碳 (DLC)。 施涂金刚石状碳 (DLC) 超低摩擦覆层的一个示 例性方法包括， 在气相沉积覆层之前， 通过机械密封和泵的手段将主体组件外露表面的至 少一部分抽真空。 钻柱或连续油管都可用于连接井底钻具组件， 来形成钻杆组件。 当在地下 旋转钻进操作中使用在此公开的超低摩擦覆层连续油管来降低摩擦时， 该方法确保不平衡 钻进来达到目标总深度， 而不需要在泥浆中添加减阻添加剂 (drag reducing additives)。
当使用超低摩擦覆层钻杆组件时， 在此公开的在地下旋转钻进操作中降低覆层钻 杆组件的摩擦的方法， 使得摩擦和拖拽实质上降低， 而不损害连接到覆层钻杆组件上的钻 头的侵彻力， 所述覆层钻杆组件传输扭矩来破碎岩石。 实质上降低摩擦和拖拽， 指的是降低 10％， 优选 20％， 更优选 50％， 相比于使用无覆层钻杆组件来进行旋转钻进。另外， 在此公 开的当地下旋转钻进操作时降低覆层钻杆组件中的摩擦的方法， 超低摩擦覆层的耐腐蚀性至少等于在井下钻进环境中钻杆组件的主体组件上的钢的耐腐蚀性。
测试方法
摩擦系数测量使用盘 - 球法 (ball-on-disk) 测试器， 根据 ASTM G99 进行。该测 试方法需要两个试样， 一个平圆盘试样和一个圆形末端球状试样。使用夹持器将球状试样 紧紧夹持， 放在垂直于平圆盘的位置上。通过使 2.7 英寸直径的平圆盘以圆周轨迹进行旋 转， 将平圆盘试样紧靠着球状试样进行滑动。 通过球垂直向下施加法向负载， 使得球压着圆 盘。通过附加重量、 液压或者气压机理， 施加特定的法向负载。在测试中， 使用粘结到球夹 持器上的拉伸——压缩负载单元或者相似的力感应设备来测量摩擦力。 摩擦系数可由测量 的摩擦力除以法向负载来计算。测试可以在室温和 150° F 下， 在各种试样条件滑动速度 下进行。使用石英或低碳钢 (mild steel) 球， 4mm ～ 5mm 直径， 来作为配合端面 (counter face) 的材料。
使用盘 - 球测试器， 按照如上所述的 ASTM G99 试验方法， 通过测量在各种滑动速 率下的摩擦系数， 来评估速度增强或减弱。
根据 ASTM C1327 维氏硬度试验方法来测定硬度。维氏硬度试验方法由如下步 骤组成， 用金刚石压头来对测试材料进行压出压痕， 金刚石压头为带方形基底的直立棱锥 (right pyramid) 形式， 所述棱锥的对立面之间角度为 136 度， 施加负载为 1 到 100kgf。满 额负载一般施加 10 到 15 秒钟。移除负载后， 使用显微镜测量在材料表面留下的压痕的两 个对角线， 计算它们的平均值。 计算压痕的倾斜表面的面积。 维氏硬度是 kgf 负载除以平方 mm 压痕面积的商。 维氏硬度试验的优点是， 可以获得极精确的读数， 并且对所有类型的金属 和表面处理， 仅使用一个类型的压头。通过纳米压痕来评估薄覆层 ( 例如， 低于 100μm) 的 硬度， 其中法向负载 (P) 通过公知的金字塔形几何形状的压头 ( 例如， Berkovich 尖头， 其 具有三侧棱金字塔几何形状 ) 来施加到覆层表面。在纳米压痕中， 使用小负载和尖头尺寸 来排除或减低基底的效应， 使得压痕面积仅仅为数平方微米或者甚至平方纳米。在纳米压 痕方法过程中， 记录了穿透深度， 然后使用压头的已知几何形状， 来计算凹痕的面积。硬度 可由负载 (kgf) 除以压痕面积 ( 平方米 ) 的商得到。
根据 ASTM G99 试验方法， 通过盘 - 球几何形状来测定磨损特性。盘片和球的磨损 量， 或者磨损体积损失量通过在测试前后测量这两个样品的尺寸来进行测定。通过激光表 面轮廓测定法和原子力显微术来测定盘片磨损痕迹的深度或形变。球的磨损量， 或者磨损 体积损失量通过在测试前后测量样品的尺寸来进行测定。球的磨损体积， 由球的已知几何 形状和尺寸来进行计算。
根据 ASTM D5725 试验方法来测定水接触角。该方法称为″座滴 (sessile drop) 法″， 使用使用光学子系统来捕获纯液体在固体基底上的轮廓的液体接触角测角器来进行 测量。将一滴液体 ( 例如， 水 ) 放置 ( 或允许其从特定距离下落 ) 到固体表面之上。当液 体稳定 ( 变得固着 ) 时， 该液滴保持其表面张力， 变成靠着固体表面的卵形。在液体 / 固体 界面和液体 / 蒸气界面之间形成的角度是接触角。椭圆形液滴接触表面的接触角， 决定了 两种物质之间的亲合性。 也就是说， 扁平的液滴表明了高亲合性， 在此情况下该液体被认为 可润湿该基底。在表面上方的更圆形液滴 ( 以高度计 )， 表明了较低的亲合性， 因为液滴附 着到固体表面的角度更尖锐。在该情况下， 液体被认为不能润湿基底。座滴体系使用高分 辨率摄影机和软件来捕获和分析接触角。实施例 说明性实施例 1 ：
使用气相沉积技术来将 DLC 覆层施涂在 4142 钢基底上。DLC 覆层的厚度范围为 从 1.5 到 25 微米。硬度测量结果为 1,300 到 7,500 维氏硬度值。进行基于盘 - 球几何形 状的实验室试验， 来说明覆层的摩擦和磨损特性。使用石英球和低碳钢球来作为配合端面 材料， 分别模拟裸井和加套筒井眼状态。 在一环境温度试验中， 在″干燥″或者环境空气状 态下， 测定了无覆层的 4142 钢， DLC 覆层和商业上作为现有技术的带状加硬焊接覆盖覆层， 测试条件为， 石英配合端面材料， 300g 法向负载和 0.6m/ 秒滑动速率， 以模拟裸井条件。如 图 7 所示， DLC 覆层， 能够比无覆层的 4142 钢和带状加硬层在摩擦特性 ( 摩擦系数的降低 ) 上有多达 10 倍的改进。
在另一环境温度试验中， 测定了无覆层的 4142 钢， DLC 覆层和商业上作为现有技 术的带状加硬焊接覆盖覆层， 测试条件为， 低碳钢配合端面材料， 来模拟加套筒井眼条件。 如图 7 所示， DLC 覆层， 能够比无覆层的 4142 钢和带状加硬层在摩擦特性 ( 摩擦系数的降 低 ) 上有多达 3 倍的改进。由于 DLC 覆层比配合端面材料 ( 即， 石英和低碳钢 ) 具有更高 的硬度， DLC 覆层抛光了石英球。然而， 对于石英球和低碳钢球， 由于磨损而导致的体积损 失很小。 在另一方面， 普通钢和带状加硬盘片导致了对石英和低碳钢球的显著磨损， 表明这 些不是很″套筒友好″。
对于油基泥浆， 在环境温度下， 也测试了盘 - 球磨损和摩擦系数。使用石英球和低 碳钢球来作为配合端面材料， 分别模拟裸井和加套筒井眼。如图 8 所示， DLC 覆层相比于商 业上的带状加硬层， 显示出显著优势。DLC 覆层， 比无覆层的 4142 钢和带状加硬层， 在摩擦 特性 ( 摩擦系数的降低 ) 上有多达 30％的改进。由于其比石英的硬度高， DLC 覆层抛光了 石英球。 在另一方面， 对于无覆层的钢盘的情况， 低碳钢和石英球以及钢盘都显示了显著的 磨损。作为对比测试， 加硬盘的磨损现象处于 DLC 覆层盘片和无覆层钢盘片之间。
图 9 描绘了升高的温度下的磨损和摩擦特性。该测试在加热到 150° F 的油基泥 浆中进行， 再次使用石英球和低碳钢球作为配合端面材料， 来分别模拟裸井和加套筒井眼 条件。 DLC 覆层， 相比于无覆层的 4142 钢和商业的带状加硬层， 在摩擦特性 ( 摩擦系数的降 低 ) 上， 显示出多达 50％的改进。无覆层的钢和带状加硬在石英和低碳钢球的配合端面材 料上引起磨损， 同时在对应 DLC 覆层的配合端面材料上， 观察到显著较低的磨损。
图 10 显示了升高的温度 (150° F 和 200° F) 下， 油基泥浆中 DLC 覆层的摩擦性 能。在该试验数据中， DLC 覆层显示出在高达 200° F 的升高的温度下的低摩擦系数。然 而， 无覆层的钢和带状加硬层的摩擦系数随着温度显著升高。
说明性实施例 2 ：
在室内磨损 / 摩擦试验中， 通过检测要滑动所需要的剪切应力， 测量了 DLC 覆层 和无覆层的 4142 钢的摩擦系数的速度依赖性 ( 速度减弱或增强 )， 滑动速度范围为 0.3m/ 秒 -1.8m/ 秒。在干燥滑动磨损试验中， 使用石英球来作为配合端面材料。在图 11 中描述 了 DLC 覆层相对于无覆层的钢的速度减弱特性。无覆层的 4142 钢显示出随着滑动速度而 减少的摩擦系数 ( 即， 显著的速度减弱 )， 而同时， DLC 覆层显示没有速度减弱， 实际上， 似乎 有轻微的 COF 速度增强 ( 即， 随着滑动速度增加轻微提高的 COF)， 其对于减轻扭转不稳定
性， 粘 - 滑震动的预兆， 是十分有利的。
说明性实施例 3 ：
制造了多层 DLC 覆层， 以便最大化 DLC 覆层的厚度， 来增强它们在用于钻进作业中 的钻杆组件的耐久性。在一个实施方式中， 多层 DLC 覆层的总厚度为从 6 微米到 25 微米。 图 12 描述了用于钻杆组件的单层和多层的 DLC 覆层二者的 SEM 图像， 所述 DLC 覆层由 PECVD 产生。与 DLC 覆层一起使用的粘合层 ( 们 ) 是硅质缓冲层。
说明性实施例 4 ：
DLC 覆层基底的表面能， 相比于无覆层的 4142 钢表面， 经由水接触角进行测定。 在 图 13 中显示了结果， 其表明， 相比于无覆层的钢表面， DLC 覆层提供了实质上降低的能量。 较低的表面能为减轻或降低钻头 / 稳定器泥包现象提供了更低粘附性的表面。
申请人已经试图公开所公开主题的能够适度预见的全部实施方案和应用。然而， 仍会存在以等价形式存在的不可预见的、 非实质性的其他方案。本发明已经以特定的示例 性实施方案进行了描述， 但同时， 明显的是， 按照上述描述， 在不背离本发明的精神或者范 围的情况下， 许多变动、 改进和变化对本领域技术人员而言， 是显而易见的。 因此， 本发明意 图是包括以上详细说明的范围内的全部此类变动、 改进和变化。
在此引用的全部专利， 试验方法， 和其它文献， 包括优先权文件在内， 都全文引入 作为参考， 直到达到此类公开不与本申请不一致并且法律允许的程度。
在列出此处数字的下限和数字的上限时， 应考虑到任何下限到任何上限组成的范 围。