專利名稱：螺紋管狀構(gòu)件的涂布方法，螺紋管狀構(gòu)件和所得連接件的制作方法
螺紋管狀構(gòu)件的涂布方法，螺紋管狀構(gòu)件和所得連接件本發(fā)明涉及用于油氣井的鉆探和/或操作的管狀構(gòu)件，和更精確地涉及這一構(gòu)件的螺紋端部。所述端部是公型或母型，且能連接到另一構(gòu)件的相應(yīng)端部，形成連接件。本發(fā)明還涉及在這一管狀構(gòu)件上生產(chǎn)耐磨損薄膜的方法。術(shù)語“用于油氣井的鉆探和操作”的構(gòu)件是指形狀基本上為管狀，擬連接到相同類型的另一構(gòu)件上或者在其他情況下，最終構(gòu)成或者用于鉆探油氣井的管柱或者擬用于維護(也稱為翻新豎管)或操作這一井的豎管，例如豎管或用于在操作井中使用的套管柱或油管柱。本發(fā)明還可應(yīng)用于在鉆柱中使用的構(gòu)件，例如鉆桿，重質(zhì)鉆桿，鉆鋌，和管道連接的部分以及稱為鉆桿接頭的重質(zhì)管道。每一·管狀構(gòu)件包括提供有陽螺紋區(qū)的一個端部和/或提供有陰螺紋區(qū)的一個端部，每一端部擬采用另一構(gòu)件的相應(yīng)端部擰入連接。該組裝件確定了連接件。螺紋管狀構(gòu)件在確定的應(yīng)力下連接，以便滿足使用條件強加的緊固和密封要求，因為已知在井中，可要求螺紋管狀構(gòu)件經(jīng)歷數(shù)個裝配(makeup)-打開(breakout)循環(huán)。使用這種螺紋管狀構(gòu)件的條件導(dǎo)致不同類的應(yīng)力，所述應(yīng)力使得需要在這些構(gòu)件的敏感部分，例如螺紋區(qū)，鄰接區(qū)或密封表面上使用涂層。通常在高軸向負載下進行擰入操作，例如借助螺紋連接件連接的長度數(shù)米的管道的重量可能因在待連接的螺紋構(gòu)件軸的輕微失調(diào)而局部化。這誘導(dǎo)在螺紋區(qū)處和/或在金屬/金屬密封表面處磨損的風(fēng)險。由于這一原因，需要用潤滑劑涂布螺紋區(qū)，鄰接表面和金屬/金屬密封表面。此外，儲存螺紋管狀構(gòu)件(有時數(shù)年)，然后在不友好的環(huán)境內(nèi)裝配。這是例如在具有鹽霧的近海情況或者在砂子、灰塵或其他污染物存在下的陸上情況的情形。因此，需要使用在表面上抗腐蝕的涂層，所述表面必須通過擰入(螺紋區(qū))或者通過干涉接觸(金屬/金屬表面)來協(xié)作。還需要處理表面防止腐蝕。然而，從環(huán)境的角度看，似乎使用符合API(美國石油組織)標(biāo)準(zhǔn)RP5A3的擰入油脂沒有構(gòu)成長期解決方案，這是因為這些油脂含有重金屬，可被管狀構(gòu)件驅(qū)除并釋放到環(huán)境或者井內(nèi)，從而導(dǎo)致堵塞，而堵塞需要特殊的清潔操作。此外，這些油脂沒有提供充足的腐蝕防護，且必須就地施加以供每一螺桿連接操作。為了克服要求長期抗腐蝕性和抗磨損的問題，并滿足環(huán)境特性，螺紋連接件領(lǐng)域的主要參與者積極地開發(fā)了固體干燥涂層(即，不是糊狀且沒有像油脂一樣的粘性)，所述涂層既是潤滑劑，又起到保護防止腐蝕的作用，且可在工廠最后施加到管狀構(gòu)件上。 特別地，開發(fā)了針對環(huán)境呈惰性且耐磨損的涂層。本發(fā)明基于下述發(fā)現(xiàn):使用聚芳基醚酮能獲得潤滑干燥薄膜，所述薄膜高度耐磨，抗磨損，具有高的機械強度，和低的摩擦系數(shù)，且耐極端油氣井的操作條件。所使用的解決方案也可適應(yīng)于以上引證的管狀構(gòu)件的連接件用的各種等級的金屬。在現(xiàn)有技術(shù)中既沒有描述，也沒有暗示在以上定義的螺紋管狀構(gòu)件中使用這種聚芳基醚酮及其性能。更精確地，本發(fā)明涉及用于油氣井的鉆探和/或操作的螺紋管狀構(gòu)件，所述管狀構(gòu)件在其一端處具有在其外或內(nèi)周表面上制成的螺紋區(qū)，這取決于螺紋端是公型還是母型，在所述螺紋區(qū)內(nèi)至少一部分端部用含至少65%重量的聚芳基醚酮的至少一種潤滑干燥薄膜涂布。以下定義了或者互補或者替代的任選特征。聚芳基醚酮選自聚醚醚酮(PEEK)，聚醚酮(PEK)及其混合物。該潤滑干燥薄膜具有結(jié)晶度范圍為10%_35%的結(jié)構(gòu)。該潤滑干燥薄膜進一步包括至少一種第4類的固體潤滑劑，其比例范圍為10%-35% 重量。該潤滑干燥薄膜包括全氟烷氧基乙烯共聚物，其比例范圍為10%_30%重量。該潤滑干燥薄膜包·括選自下列顏料的機械增強劑:炭黑，云母，硅灰石，納米氧化鋁，納米氧化鈦，玻璃粉，納米金剛石，納米WS2或WS2-富勒烯，其比例范圍為1%_15%重量。涂布了潤滑干燥薄膜的部分事先經(jīng)歷了選自砂磨,磷酸猛化,Cu或Cu-Sn-Zn合金的電解沉積，和通過噴射沉積的Fe和Zn合金中的表面準(zhǔn)備步驟。涂布了潤滑干燥薄·膜的部分事先涂布了具有半晶結(jié)構(gòu)且含有云母顏料的聚醚醚酮的底漆。整個螺紋區(qū)涂布潤滑干燥薄膜。螺紋管狀構(gòu)件包括金屬/金屬密封表面，所述密封表面涂布了潤滑干燥薄膜。本發(fā)明還涉及螺紋管狀連接件，所述連接件包括公型螺紋管狀構(gòu)件和母型螺紋管狀構(gòu)件，一個裝配到另一個內(nèi)其中所述螺紋管狀構(gòu)件中的至少一個如上所定義。本發(fā)明還涉及涂布用于鉆探或操作油氣井的螺紋管狀構(gòu)件的方法，所述管狀構(gòu)件在其端部之一處具有在其外周或內(nèi)周表面上制成的螺紋區(qū)，螺紋區(qū)其外周還是內(nèi)周表面上制成取決于螺紋端部是公型還是母型，該方法包括下述步驟:.生產(chǎn)包含在水中懸浮的聚芳基醚酮粉末的混合物，其比例范圍為25%_35%重量；.施加所述混合物到所述螺紋管狀構(gòu)件的端部部分上；.在100°C _150°C的溫度范圍下干燥如此涂布的端部部分，歷時5-10分鐘； 在10°C -20°C /分鐘的溫度范圍內(nèi)的升溫速率下，加熱如此涂布的端部部分到3500C _450°C的溫度范圍，歷時5-15分鐘；.在小于10°C /min的冷卻速率下，冷卻如此涂布的端部部分到環(huán)境溫度，以便獲得基本上結(jié)晶的結(jié)構(gòu)。以下定義了互補或替代的任選特征。該混合物還包括具有快速蒸發(fā)速率的沸點范圍為100°C -200°C的聚結(jié)劑，且其比例范圍為2.5%-10%重量。該混合物進一步包括非離子的潤濕和分散劑，其比例范圍為2.5%_10%重量。該混合物還包括至少一種第4類的固體潤滑劑，其比例范圍為3%_12%重量。第4類的固體潤滑劑是全氟烷氧基乙烯共聚物，其比例范圍為3%_12%重量。該混合物還包括選自下列顏料的機械增強劑:炭黑，云母，硅灰石，納米氧化鋁，納米氧化鈦，玻璃粉，納米金剛石，納米WS2或WS2-富勒烯，其比例范圍為0.5%-5%重量。使用氣動噴霧體系，涂布端部部分，所述體系的直徑范圍為0.7-1.8mm，和氣體壓力范圍為4-6bar。
在施加混合物到端部部分上之前，進行選自下述中的表面準(zhǔn)備步驟:砂磨，磷酸錳化，Cu或Cu-Sn-Zn合金的電解沉積,和通過噴射沉積的Fe和Zn合金顆粒。在施加混合物到端部部分上之前，進行表面準(zhǔn)備步驟，所述表面準(zhǔn)備步驟由產(chǎn)生具有半晶結(jié)構(gòu)且含有云母顏料的聚醚醚酮的底漆組成。本發(fā)明還涉及用于鉆探或操作油氣井的螺紋管狀構(gòu)件的涂布方法，所述管狀構(gòu)件在其端部之一處具有在其外周或內(nèi)周表面上制成的螺紋區(qū)，這取決于螺紋端部是公型還是母型，該方法包括下述步驟:.加熱所述螺紋管狀構(gòu)件的端部部分到范圍為360°C _420°C的溫度，優(yōu)選到接近于400°C的溫度；·.噴射PEK和/或PEEK粉末到所述螺紋管狀構(gòu)件的端部部分上； 經(jīng)范圍為1-4分鐘的時間段，維持如此涂布的端部部分在360°C _420°C的溫度范圍下，優(yōu)選接近于400°C的溫度，歷時1-4分鐘；.在小于10°C /min的冷卻速率下，冷卻如此涂布的端部部分到環(huán)境溫度。在加熱所述部分之前，最好進行使待涂布部分脫脂的步驟。在隨后的說明書中，結(jié)合參考附圖，更加詳細地描述了本發(fā)明的特征和優(yōu)點。

圖1是由通過裝配連接兩個管狀構(gòu)件得到的連接件的示意圖；圖2是兩個螺紋管狀構(gòu)件的螺桿連接曲線的示意圖；圖3是用潤滑干燥薄膜涂布的基底的示意圖；圖4是試驗裝置的示意圖；圖5是另一試驗裝置的示意圖；圖6和7示出了試驗曲線。圖1所示的螺紋連接件包括提供有公端部I的具有旋轉(zhuǎn)軸10的第一管狀構(gòu)件，和提供有母端部2的具有旋轉(zhuǎn)軸10的第二管狀構(gòu)件。兩個端部I和2各自在終端曲面內(nèi)終止，所述終端曲面相對于螺紋連接件的軸10徑向取向，且各自提供有螺紋區(qū)3和4，所述螺紋區(qū)3和4相互協(xié)作以供通過擰入，相互連接兩個構(gòu)件。螺紋區(qū)3和4可以是梯形，自鎖等螺紋類型。此外，在通過擰入連接兩個螺紋構(gòu)件之后，在接近于螺紋區(qū)3，4的公端部和母端部上分別提供擬相對于彼此進入密封的干涉接觸(interfering contact)的金屬/金屬密封表面5，6。最后，公端部I在終端曲面7內(nèi)終止，所述終端曲面7鄰接在母端部2上提供的相應(yīng)表面8，當(dāng)兩個端部彼此裝配時。申請人:還預(yù)見到其他結(jié)構(gòu)，其中在本發(fā)明的情況下，通過兩個接觸表面7和8形成的鄰接被螺紋區(qū)3，4的自鎖緊固協(xié)作替代(參見US4822081，US RE30467和US RE34467)。圖1和3中可看出，在其端部I部分(稱為基底11)上，用含至少65%重量的聚芳基醚酮的潤滑干燥薄膜12涂布至少一個螺紋管狀連接件，所述干燥薄膜12具有至少10%結(jié)晶度的結(jié)構(gòu)。此處要提醒，通過聚合物的熔融或結(jié)晶焓變(△ H°)，測量結(jié)晶度。根據(jù)Hayand Coll (Polymer Communications, 1984,25，175-178),對于完全結(jié)晶的聚芳基釀麗，尤其聚醚醚酮(PEEK)來說，理論熔融焓變?yōu)?22J/g。存在至少10%的結(jié)晶度的優(yōu)點是提供優(yōu)良的機械性能，尤其良好的抗肩部扭矩。然而，優(yōu)選保持結(jié)晶度低于35%，以便就粘合性和表面準(zhǔn)備保護防止腐蝕而言，保持薄膜的特征?？捎珊勖衙淹稚Ⅲw或由含水聚醚酮分散體獲得在本發(fā)明中使用的聚芳基醚酮。這些含水分散體可包括有機或無機機械增強劑，例如由硅酸鋁和水合鉀或鎂構(gòu)成的白云母和/或黑云母類的云母顏料，具有Y結(jié)晶結(jié)構(gòu)且粒度范圍為20-300nm的無定形氧化鋁，粒度范圍為IO-1OOnm的二氧化鈦顏料，全氟烷氧基乙烯共聚物樹脂(PFA)，無定形炭黑顏料，直徑小于5 μ m的合成石墨粉，通過爆裂獲得且粒度范圍為4-6nm的納米金剛石，纖維厚度范圍為1-1.3 μ m且直徑D90〈50 μ m的C型玻璃，粒度范圍為80_220nm的WS2富勒烯納米材料，或粒度D50=55nm的WS2 二硫化鎢層狀顏料。通過親核取代類型的合成路徑，獲得聚醚醚酮(其縮寫為PEEK)，和聚醚酮(其縮寫為PEK)。聚醚化導(dǎo)致具有高熔點的硬質(zhì)半晶聚合物。它們屬于熱塑性材料范圍內(nèi)的最高性能的材料種類。它們的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為143°C，和由于它們具有半晶的性質(zhì)，因此保持它們優(yōu)良的機械性能一直到接近于其熔點的溫度(343°C)。它們的準(zhǔn)-線性和芳族結(jié)構(gòu)提供具有優(yōu)良的長期熱穩(wěn)定性的PEEK和PEK。聚醚醚酮的分子結(jié)構(gòu)如下所述:
權(quán)利要求
1.一種用于鉆探或操作油氣井的螺紋管狀構(gòu)件，所述管狀構(gòu)件在它的端部(I ;2)之一處具有在其外周或內(nèi)周表面上制成的螺紋區(qū)(3 ;4)，螺紋區(qū)在其外周還是內(nèi)周表面上制成取決于螺紋端部是公型還是母型，其特征在于端部(I ;2)的至少一部分涂布了含至少65%重量的聚芳基醚酮的至少一種潤滑干燥薄膜(12)。
2.權(quán)利要求1的螺紋管狀構(gòu)件，其特征在于聚芳基醚酮選自聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮(PEK)及其混合物。
3.權(quán)利要求1或2的螺紋管狀構(gòu)件，其特征在于潤滑干燥薄膜(12)具有結(jié)晶度范圍為10%-35%的結(jié)構(gòu)。
4.前述任何一項權(quán)利要求的螺紋管狀構(gòu)件，其特征在于潤滑干燥薄膜(12)進一步包括重量比例范圍為10%-35%的至少一種第4類固體潤滑劑。
5.權(quán)利要求4的螺紋管狀構(gòu)件，其特征在于潤滑干燥薄膜(12)包括重量比例范圍為10%-30%的全氟烷氧基乙烯共聚物。
6.前述任何一項權(quán)利要求的螺紋管狀構(gòu)件，其特征在于潤滑干燥薄膜(12)包括重量比例范圍為1%_15%的選自下列顏料的機械增強劑:炭黑，云母，硅灰石，納米氧化鋁，納米氧化鈦，玻璃粉，納米金剛石，納米WS2或WS2-富勒烯。
7.前述任何一項權(quán)利要求 的螺紋管狀構(gòu)件，其特征在于涂布了潤滑干燥薄膜(12)的部分事先經(jīng)歷了選自砂磨，猛磷酸化，電解沉積Cu或Cu-Sn-Zn合金,和通過噴射沉積Fe和Zn合金中的表面準(zhǔn)備步驟。
8.權(quán)利要求1-6任何一項的螺紋管狀構(gòu)件，其特征在于涂布了潤滑干燥薄膜(12)的部分事先用具有半晶結(jié)構(gòu)且含有云母顏料的聚醚醚酮底漆涂布。
9.前述任何一項權(quán)利要求的螺紋管狀構(gòu)件，其特征在于整個螺紋區(qū)(3；4)涂布了潤滑干燥薄膜(12)。
10.前述任何一項權(quán)利要求的螺紋管狀構(gòu)件，其特征在于它包括金屬/金屬密封表面，所述密封表面涂布了潤滑干燥薄膜(12)。
11.一種螺紋管狀連接件，它包括陽螺紋管狀構(gòu)件和陰螺紋管狀構(gòu)件，一個裝配到另一個內(nèi)，其特征在于所述螺紋管狀構(gòu)件中的至少一個是根據(jù)前述任何一項權(quán)利要求所定義的。
12.用于鉆探或操作油氣井的螺紋管狀構(gòu)件的涂布方法，所述管狀構(gòu)件在它的端部(I ;2)之一處具有在其外周或內(nèi)周表面上制成的螺紋區(qū)(3 ;4)，螺紋區(qū)其外周還是內(nèi)周表面上制成取決于螺紋端部是公型還是母型，其特征在于該方法包括下述步驟: 生產(chǎn)包含在水中懸浮的重量比例范圍為25%-35%的聚芳基醚酮粉末的混合物； 將所述混合物施加到所述螺紋管狀構(gòu)件的端部(I ;2)部分上； 在100°C _150°C的溫度范圍下干燥如此涂布的端部(I ；2)部分，歷時5-10分鐘；在10°C _20°C /分鐘的升溫速率下，加熱如此涂布的端部(I ；2)部分到350°C -450°C范圍的溫度，歷時5-15分鐘； 在小于10°C /min的冷卻速率下，冷卻如此涂布的端部(I ；2)部分到環(huán)境溫度，以便獲得基本上結(jié)晶的結(jié)構(gòu)。
13.權(quán)利要求12的螺紋管狀構(gòu)件的涂布方法，其特征在于該混合物還包括重量比例范圍為2.5%-10%的具有快速蒸發(fā)速率且沸點范圍為100°C _200°C的聚結(jié)劑。
14.權(quán)利要求12或13的螺紋管狀構(gòu)件的涂布方法，其特征在于該混合物進一步包括重量比例范圍為2.5%-10%的非離子的潤濕和分散劑。
15.權(quán)利要求12-14任何一項的螺紋管狀構(gòu)件的涂布方法，其特征在于該混合物還包括重量比例范圍為3%-12%的至少一種第4類固體潤滑劑。
16.權(quán)利要求15的螺紋管狀構(gòu)件的涂布方法，其特征在于第4類固體潤滑劑是全氟烷氧基乙烯共聚物，其重量比例范圍為3%-12%。
17.權(quán)利要求15的螺紋管狀構(gòu)件的涂布方法，其特征在于該混合物還包括重量比例范圍為0.5%-5%的選自下列顏料的機械增強劑:炭黑，云母，硅灰石，納米氧化鋁，納米氧化鈦，玻璃粉，納米金剛石，納米WS2或WS2-富勒烯。
18.權(quán)利要求12的螺紋管狀構(gòu)件的涂布方法，其特征在于使用氣動噴霧系統(tǒng)涂布端部(I ；2)部分，所述系統(tǒng)的直徑范圍為0.7-1.8_和空氣壓力范圍為4-6巴。
19.權(quán)利要求12-18任何一項的螺紋管狀構(gòu)件的涂布方法，其特征在于在施加混合物到端部部分之前，進行選自下述 的表面準(zhǔn)備步驟:砂磨，錳磷酸化，電解沉積Cu或Cu-Sn-Zn合金，和通過噴射沉積Fe和Zn合金顆粒。
20.權(quán)利要求12-18任何一項的螺紋管狀構(gòu)件的涂布方法，其特征在于在施加混合物到端部部分之前，進行由生產(chǎn)具有半晶結(jié)構(gòu)且含有云母顏料的聚醚醚酮底漆組成的表面準(zhǔn)備步驟。
21.用于鉆探或操作油氣井的螺紋管狀構(gòu)件的涂布方法，所述管狀構(gòu)件在它的端部(I ;2)之一處具有在其外周或內(nèi)周表面上制成的螺紋區(qū)(3 ;4)，螺紋區(qū)其外周還是內(nèi)周表面上制成取決于螺紋端部是公型還是母型，其特征在于該方法包括下述步驟: 加熱所述螺紋管狀構(gòu)件的端部(I ;2)部分到范圍為360°C _420°C的溫度，優(yōu)選接近于400°C的溫度； 噴射PEK和/或PEEK粉末到所述螺紋管狀構(gòu)件的端部(I ；2)部分上； 在360°C _420°C的溫度范圍下，優(yōu)選在接近于400°C的溫度下維持如此涂布的端部(I ；2)部分,歷時1-4分鐘； 在小于10°C /分鐘的冷卻速率下，冷卻如此涂布的端部(I ；2)部分到環(huán)境溫度，以便獲得基本上結(jié)晶的結(jié)構(gòu)。
22.權(quán)利要求21的螺紋管狀構(gòu)件的涂布方法，其特征在于在加熱所述部分之前進行待涂布部分的脫脂步驟。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于鉆探或操作油氣井的螺紋管狀構(gòu)件，所述管狀構(gòu)件在它的端部(1；2)之一處具有在其外或內(nèi)周表面上制成的螺紋區(qū)(3；4)，這取決于螺紋端部是公型還是母型，其中用含至少65%重量的聚芳基醚酮的至少一種潤滑干燥薄膜(12)涂布端部(1；2)的至少一部分。本發(fā)明還涉及沉積所述薄膜(12)的方法。
文檔編號C10M107/32GK103221519SQ201180053943
公開日2013年7月24日 申請日期2011年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月10日
發(fā)明者E·加德, E·皮內(nèi)爾, M·佩蒂特, M·古伊德 申請人:瓦盧萊克曼內(nèi)斯曼油氣法國公司, 新日鐵住金株式會社