專利名稱：用于鉆桿組件的超低摩擦覆層的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及旋轉鉆進領域。更具體地說，涉及超低摩擦覆層以及在鉆桿組件上應用此類覆層來減少地下旋轉鉆進操作中的摩擦和磨損。
背景技術：
在旋轉鉆進操作中，鉆頭連接到井底鉆具組件的末端，所述井底鉆具組件連接到包括鉆桿和鉆具接頭(tool joint)的鉆柱上，其通過轉盤或者頂部驅動裝置在表面進行旋轉。鉆柱和井底鉆具組件的重量使得旋轉的鉆頭在地殼中鉆孔。在操作進行過程中，鉆桿的新部分被加到鉆柱上，來增加其總長。在鉆進作業(yè)中，周期性地，將裸井井眼中加上套筒來穩(wěn)定其壁，并恢復鉆進作業(yè)。結果，鉆柱通常既在裸井井眼內也在已經安裝在井眼中的套筒內進行工作?；蛘?，在鉆進組件中，可用連續(xù)油管(coiled tubing)來替換鉆柱。鉆柱和井底鉆具組件或連續(xù)油管和井底鉆具組件的組合，在此被稱為鉆桿組件。鉆柱的旋轉通過鉆柱和井底鉆具組件來提供力給鉆頭。在連續(xù)油管鉆進中，力通過鉆進液體泵來輸送給鉆頭。通過旋轉傳輸的力的大小受限于鉆柱或連續(xù)油管能夠承受的最大扭矩。
在穿透地下巖層的井眼鉆進中，鉆桿組件要經受相當大的與鋼套管和巖層的滑動接觸。這一滑動接觸主要由鉆桿組件在井眼中的旋轉和軸向移動而產生。在鉆桿組件的運動表面和套筒和巖層的固定表面之間的摩擦在鉆桿上產生了相當大的拖拽和在鉆進操作中的拖拽和過大的扭矩。由摩擦產生的問題對任何鉆進操作而言都是固有的，但是在定向鉆井或者大位移鉆井(extended reach drilling,ERD)中尤其嚴重。定向鉆進或ERD有意在垂直方向上偏離井眼。在一些情況下，與垂直方向的角度之大可達到與垂直方向呈九十度。此類井通常被稱為水平井，并可從鉆井平臺鉆到相當大的深度和距離。
在所有的鉆井操作中，鉆桿組件均具有靠到井眼或者套管側的傾向，但因為重力因素，該傾向在定向鉆井中更加明顯。在鉆柱提高長度或提高垂直偏轉度時，由旋轉鉆桿組件產生的摩擦量也被提高。為了克服這一增加的摩擦，需要附加功率來旋轉鉆桿組件。在一些情況下，在鉆桿組件和套管壁或者井眼之間的摩擦超過了鉆桿組件能夠容忍的最大扭矩和/或鉆機的最大扭矩容量，使得鉆進工作必須停止。因此，使用可得到的定向鉆進設備和技術能鉆進的井的深度是受到限制的。
一種降低由鉆桿組件與套管(在筒井(cased hole)的情況下)或者井眼(在裸井(open hole)的情況下)之間接觸而引起的摩擦的方法，是改進鉆進泥漿的潤滑性。在工業(yè)鉆井操作中，已經試圖來減少摩擦，其主要使用水和/或油基泥漿溶液，其含有各種類型的昂貴并常常環(huán)境不友好的添加劑。柴油和其它礦物油也常常用作潤滑劑，但在泥漿處理方面存在問題。已知某些礦物，諸如膨潤土，可幫助降低鉆井組件和裸井井眼之間的摩擦。 材料，諸如特氟隆已經用來降低摩擦，但是這些材料缺乏耐久性和強度。其它添加劑包括了植物油、浙青、石墨、洗滌劑和胡桃殼，但其各自具有自身的局限。
另一個減低鉆桿組件和套管或井眼之間的摩擦的方法，是使用鋁鉆柱，因為鋁比鋼來得輕。然而，鋁鉆柱是昂貴的，并難以使用在鉆井作業(yè)中，并且其與許多類型的鉆井液(例如具有高PH值的鉆井液)不相容。
另一種減低鉆桿組件和套管或井眼之間的摩擦的方法，是在鉆柱組件上使用表面硬化(hard facing)材料(在此也被稱為帶狀加硬(hardbanding)或硬表面堆焊 (hardfacing))。美國專利No. 4，665，996，在這里全文引入作為參考，公開了通過利用具有如下組成的合金來對鉆桿的主支撐表面表面進行硬表面堆焊50-65%鈷，25-35%鉬， 1-18%鉻，2-10%硅和低于0. 碳，來減低鉆柱和套筒或巖石之間的摩擦。結果，旋轉鉆進操作需要的扭矩，尤其對于定向鉆進，得以減少。該公開的合金對鉆柱還提供了優(yōu)異的耐磨性，同時降低了在套管上的磨損。帶狀加硬的另一類型是，將WC-鈷金屬陶瓷施加到鉆桿組件上。其它帶狀加硬材料包括TiC、碳化鉻，和其它混合的碳化物和氮化物體系。使用焊接覆蓋或者熱噴鍍方法來將帶狀加硬應用到鉆桿組件的部分上。
在地下旋轉鉆進操作，尤其是定向鉆進中遇到的另一問題是，在套筒和鉆桿組件上的磨損，其發(fā)生在金屬表面彼此接觸的時候。在油氣井的鉆進中的金屬表面之間的摩擦， 導致在鉆桿組件和套管二者上的過度磨損。目前，降低鉆桿組件的磨損的一個優(yōu)選解決方案是，將鉆桿組件部分進行硬表面堆焊。含有碳化鎢的合金，諸如Mellite 6和Mellite 12 (Cabot公司的商標)，作為硬表面堆焊的材料，具有優(yōu)異的耐磨性。硬表面堆焊保護了鉆桿組件，但其傾向于導致套管的過量磨耗。這一問題在定向鉆進中尤其嚴重，因為鉆桿組件傾向于靠在套管上，在鉆柱旋轉時，連續(xù)地磨耗該套管。另外，一些硬表面堆焊合金，諸如碳化鎢，也可導致摩擦問題更嚴重。
因此，需要有新的套筒友好的覆層/材料技術，其在保護鉆桿組件免于磨損的同時，降低加套筒的井眼在鉆進條件下的接觸摩擦。這需要能夠結合高硬度以及具有與套筒的鋼表面接觸時的低摩擦系數(COF)的新型材料。如果此類覆層/材料還可以提供對井壁的低能表面和低C0F，這就允許了超大位移鉆井。
發(fā)明概述 根據本發(fā)明，一種用于地下旋轉鉆進操作的先進覆層鉆桿組件，其包含具有暴露外表面的主體組件，該主體組件包括連接于井底鉆具組件的鉆柱或連接于井底鉆具組件的連續(xù)油管，以及在主體組件暴露外表面的至少一部分上的超低摩擦覆層，其中超低摩擦覆層的摩擦系數小于或等于0.15。
本發(fā)明的另一方面涉及在地下旋轉鉆進操作中降低覆層鉆桿組件的摩擦的先進方法，其包括提供一種覆層鉆桿組件，其包含具有暴露外表面的主體組件，該主體組件包括連接于井底鉆具組件的鉆柱或連接于井底鉆具組件的連續(xù)油管，以及在主體組件暴露外表面的至少一部分上的超低摩擦覆層，其中超低摩擦覆層的摩擦系數小于或等于0. 15，并將覆層鉆桿組件用于地下旋轉鉆進操作中。
本發(fā)明的另一方面涉及用于地下旋轉鉆進操作的先進覆層鉆桿組件，其包括一種具有暴露外表面的主體組件，其包括連接于井底鉆具組件的鉆柱或連接于井底鉆具組件的連續(xù)油管，在主體組件的暴露外表面的至少一部分具有帶狀加硬層，以及在帶狀加硬層的至少一部分上具有超低摩擦覆層，其中超低摩擦覆層的摩擦系數小于或等于0. 15。
本發(fā)明的另一方面涉及在地下旋轉鉆進操作中降低覆層鉆桿組件的摩擦的先進方法，其包括提供一種鉆桿組件，其包含具有暴露外表面的主體組件，該主體組件包括連接于井底鉆具組件的鉆柱或連接于井底鉆具組件的連續(xù)油管，在主體組件暴露外表面的至少一部分上具有帶狀加硬層，以及在帶狀加硬層的至少一部分上具有超低摩擦覆層，其中超低摩擦覆層的摩擦系數小于或等于0. 15，并將覆層鉆桿組件用于地下旋轉鉆進操作中。
本發(fā)明公開的覆層鉆桿組件、用于地下旋轉鉆進操作中在覆層鉆桿組件中降低摩擦的方法、以及它們的先進應用和/或用途的這些特征和屬性以及其它特征和屬性，從后續(xù)的詳細說明中將變得顯而易見，特別是與附圖一起閱讀時。
附圖簡述 為了幫助本領域技術人員制造和使用本發(fā)明的主體，可參見附圖，其中

圖1用示意圖，說明了在地下旋轉鉆進中，機械鉆速(rate of penetration,ROP) 對鉆壓(weight on bit, WOB)的關系。
圖2描繪了在此公開的地下鉆進應用中的超低摩擦覆層的示例性應用。
圖3描述了對于鋼鐵基套筒，覆層COF和覆層硬度之間的關系，對一些在此公開的超低摩擦覆層而言。
圖4顯示了代表性的應力-應變曲線，其顯示了相比于晶體金屬/合金，無定形合金的高彈性極限。
圖5顯示了無定形碳的三元相圖。
圖6顯示了氫自由鍵(dangling bond)理論的示意圖。
圖7顯示了 DLC覆層在干滑道磨耗試驗中的摩擦和磨損特性。
圖8顯示了 DLC覆層在油基泥漿中的摩擦和磨損特性。
圖9顯示了 DLC覆層在升高溫度(150° F)滑動磨損試驗，在油基泥漿中的摩擦和磨損特性。
圖10顯示了 DLC覆層在升高溫度，油基泥漿中的摩擦特性。
圖11比較了 DLC覆層與無覆層的裸露鋼基底的速度減弱(velocity-weakening) 特性。
圖12顯示了在此公開的單層和多層DLC覆層的SEM橫截面。
圖13顯示了 DLC覆層的水接觸角，相對于對無覆層的4142鋼。
圖14顯示了在鉆桿組件的帶狀加硬層上的摻雜DLC覆層的示例性示意圖。
^X 鉆柱被定義為帶有連接的鉆具接頭的鉆桿的柱管或鉆桿，在鉆柱和包括鉆具接頭的井底鉆具組件之間的過渡管，包括鉆具接頭和磨損襯墊的重型鉆桿，其從傳動鉆桿傳輸液體和旋轉動力到鉆鋌和鉆頭。常常地，特別是在油田中，該術語不嚴格地包括了鉆桿和鉆鋌。鉆柱不包括鉆頭。
鉆桿被定義為，管狀鉆桿的全長，其由傳動鉆桿、鉆桿和鉆鋌(drillcollars)組成，其組成了從地表到井眼底部的鉆進組件。鉆桿不包括鉆頭。
井底鉆具組件(Bottom hole assembly，BHA)被定義為一個或多個部件，其包括但不限于穩(wěn)定器，可變徑穩(wěn)定器(variable-gauge stabilizer)，回拉擴孔器(back reamers),鉆鋌(drill collar),撓曲鉆鋌(flex drill collar),旋轉可控鉆具(rotary steerable tool),牙輪擴目艮器(roller reamers),減震器(shock subs),井下動力鉆具 (mud motors),隨鉆測井(logging while drilling, LffD)工具，隨鉆測量(measuring while drilling, MWD)工具，取心工具，下擴孔器(under-reamers)，擴眼器，定中心器，潤輪，彎套，彎曲鉆具(bent motor)，鉆進震擊器(drilling jar)，加速震擊器(acceleration jar)，轉向附件(crossover subs)，下?lián)羝?bumper jar)，扭矩降低工具，漂浮附件(float subs)，打撈工具(fishing tool)，打撈震擊器(fishing jar)，沖洗管，測井工具，觀察工具附件(survey tool subs)，這些部件的無磁性對應物，這些部件的相關外部連接，和它們的組合。
鉆桿組件被定義為，鉆柱和井底鉆具組件或連續(xù)油管和井底鉆具組件的組合。鉆桿組件不包括鉆頭。
詳細說明 在本說明書和權利要求中的全部數值，均帶有"約"或"大概"，其指示值考慮到了本領域技術人員所預期到的實驗誤差和偏差。
#低靡髓·港碰 用于油氣開發(fā)和生產的深井用旋轉鉆進系統(tǒng)來進行鉆掘，其通過巖石開鑿工具、 鉆頭來產生井眼。驅動鉆頭的扭矩通常由地面上帶有機械變速箱的鉆具產生。經過變速， 鉆具驅動轉盤或頂部驅動單元。將能量從地表傳輸到鉆頭的介質是鉆柱(在此縮寫為DS)， 其主要由鉆桿組成。鉆柱的最低部分是井底鉆具組件(在此縮寫為BHA)，其由鉆鋌、穩(wěn)定器和包括測量設備、下擴孔器(under reamer)和鉆具在內的其它部分組成。鉆柱和井底鉆具組件的組合，在此指的是鉆桿組件?；蛘?，連續(xù)油管可替換鉆柱，連續(xù)油管和井底鉆具組件的組合在此也被稱為鉆桿組件。井底鉆具組件連接到鉆進盡頭的鉆頭。
對于包括鉆柱在內的鉆桿組件的情況，在鉆進操作中，周期性地要將鉆桿的新部分加到鉆桿上，井眼的上部通常加上外殼以便穩(wěn)定井眼，并恢復鉆進。因此，鉆桿組件(鉆柱/BHA)經歷了各種類型的摩擦和磨損，所述摩擦和磨損由鉆柱/BHA/鉆頭與套筒(井眼的〃加套筒井眼"部分)或在環(huán)形套筒中的巖屑和泥漿之間或者鉆柱/BHA/鉆頭與裸井 (井眼的"裸露"部分)之間的相互作用而引起的。
鉆進中的趨勢是巖層越來越深，越來越硬，其中低的機械鉆速(rate of penetration，縮寫為R0P)導致了高的鉆進成本。在其它領域，諸如深頁巖鉆探，會發(fā)生井底泥包(balling)，其中頁巖巖屑由巖屑-泥漿和巖屑-鉆頭界面上的泥漿壓差粘到鉆頭切削面上，顯著減低了鉆進效率和R0P。巖屑粘連到BHA組件，諸如穩(wěn)定器上，也會導致鉆進效率下降。
對于鉆柱或連續(xù)油管的過早故障和相關的鉆進效率下降，鉆桿組件的摩擦和磨損是重要原因。穩(wěn)定器磨損會影響井眼質量，另外會導致震動失效。在ROP不會如鉆頭機械所預測的那樣，隨著鉆頭的鉆壓(weight on bit，在此縮寫為W0B)和每分鐘轉數 (revolutions per minute，在此縮寫為RPM而直線增加的意義上，這些失效可作為ROP限制點或者"失效點"(founder point)來顯示。在圖1中，用圖解法描述了該限制。
已經公認的是，在鉆探工業(yè)中，鉆桿震動和鉆頭泥包是機械鉆速限制的最具有挑戰(zhàn)性的兩個因素。在此公開的超低摩擦覆層，當其施于鉆桿組件時，有助于減輕這些ROP限制。
深鉆應用環(huán)境，特別是在硬巖層中，會誘導鉆桿組件中的嚴重震動，其能夠引起鉆頭機械鉆速的降低以及井下設備的過早損壞。兩個主震動激發(fā)源在鉆頭和巖層之間以及在鉆桿組件和井眼或套筒之間進行相互作用。因此，鉆桿組件發(fā)生軸向震動、扭轉震動、側向震動，或者通常是這三種基本模式的綜合，即耦合震動。因此，這導致了復雜的問題。鉆桿組件震動的特別有挑戰(zhàn)性形式是，粘-滑震動模式，其是扭轉不穩(wěn)定性的體現。各種鉆桿組件與套筒/井眼的靜接觸摩擦，以及該接觸摩擦作為旋轉速度函數的動態(tài)響應，對粘-滑震動的開始是很重要的。例如，有人建議，鉆頭誘導的粘-滑扭轉不穩(wěn)定性可被在鉆頭-井眼表面的接觸摩擦的速度減弱來觸發(fā)，其中動態(tài)接觸摩擦比靜摩擦低。
今天的先進技術海上鉆井允許使用相同的起始井來進行多側鉆井。這意味著要鉆進遠遠深入的深度，并使用定向鉆進技術，例如通過旋轉導向系統(tǒng)(rotary steerable systems，縮寫為RSS)的使用。雖然這給出了較多的成本節(jié)約以及后勤保障優(yōu)勢，其同時也大大提高了鉆柱和套筒的磨損。定向鉆井或大位移鉆井的情況下，垂直偏轉度，偏離垂直的角度，可以多達90度，其通常稱為水平井。在鉆井作業(yè)中，鉆柱組件具有靠在井眼側壁或者套管上的傾向。由于重力效應，在定向井中，該趨勢更為明顯。當鉆柱增加長度和/或提高偏轉度時，由旋轉鉆柱而產生的總的摩擦阻力也被提高。為了克服這一增加的摩擦阻力，需要附加功率來旋轉鉆柱。所導致的磨損和鉆柱/套筒摩擦(加套筒井眼)對鉆進效率操作是十分嚴苛的。在這些情況下，能獲得的測量深度經常被鉆機能夠允許的最大轉矩所限制。 需要尋找對現有鉆機和驅動機構進行延長設備使用壽命和提升鉆進能力的更有效解決方案，以便擴展大位移鉆井的側向到達范圍。在這些應用場合中的高接觸摩擦導致了高轉矩和高拖拽，其會限制大位移鉆井的到達范圍。已經發(fā)現用超低摩擦覆層來包覆鉆桿組件的部分或全部，可以解決這些問題。圖2描繪了鉆桿組件上，可將在此公開的超低摩擦覆層施于其上以便降低摩擦的面積。
本發(fā)明的另一方面涉及通過利用超低摩擦覆層來改進鉆具，特別是鉆頭的特性， 來在含有粘土和類似物質的巖層中進行鉆進。本發(fā)明利用了低表面能的新型材料或涂料體系來提供熱力學上低能量的表面，例如，井底部件用的非水潤濕表面。在此公開的超低摩擦覆層適用于在易產生粘土地區(qū)(gumbo-prone area)的油氣鉆進，諸如在具有高粘土含量的深頁巖鉆進，其使用水基泥漿(water-based muds,縮寫為WBM)，來防止鉆頭和井底鉆具部件泥包。
此外，在此公開的超低摩擦覆層，當其施于鉆柱組件上時，能夠同時降低接觸摩擦、鉆頭泥包并降低磨損，同時，在加套筒井眼的情況下，不會損害套筒的耐久性和機械完整性。因此，在此公開的超低摩擦覆層是"套筒友好"的，因為它們不會降低套筒的壽命和功能。在此公開的超低摩擦覆層還具有如下特征，其對減弱速度的摩擦行為具有很低的或者沒有敏感性。因此，施涂有在此公開的超低摩擦覆層的鉆桿組件提供了低摩擦表面，其優(yōu)勢在于同時減輕了粘-滑震動并降低了寄生轉矩(parasitic torque)，從而進一步允許了超大位移鉆井。
在此公開的用于鉆桿組件的超低摩擦覆層提供了如下示例性但非限制性的優(yōu)勢: i)減輕粘-滑震動，ii)降低扭矩和拖拽，來擴展大位移井的到達范圍，以及iii)減輕鉆頭和其它井底部件的泥包。這三個優(yōu)勢與最小化寄生轉矩一起，導致了在穿透鉆進速率方面以及井下鉆進設備耐久性方面的重大改進，由此也促進了非生產時間(non-productive time，在此縮寫為NPT)的降低。在此公開的超低摩擦覆層不僅減低了摩擦，而且經受住侵蝕性的井下鉆進環(huán)境，該環(huán)境要求化學穩(wěn)定性、耐腐蝕性、抗沖擊性、對抗磨損和腐蝕的耐久性、機械完整性(覆層基底界面強度)。在此公開的超低摩擦覆層也能夠應用于復雜形狀的應用場合，而不會損害基底的性能。另外，在此公開的超低摩擦覆層也提供了提供對抗井底部件泥包的能力必須的低能表面。
本發(fā)明示例件實施方案 在本發(fā)明的一個示例性實施方案中，用于地下旋轉鉆進操作的覆層鉆桿組件包括一個具有外露表面的主體組件，其包括一個連接于井底鉆具組件的鉆柱或者連接于井底鉆具組件的連續(xù)油管，以及在主體組件的外露表面至少一部分上的超低摩擦覆層，其中超低摩擦覆層的摩擦系數小于或等于0. 15。在該實施方案的備選方式中，超低摩擦覆層的摩擦系數小于或等于0. 13，或0. 11，或0.09或0.07或0.05。該摩擦力可以如下計算摩擦力 =法向力X摩擦系數。在另一形式中，用于地下旋轉鉆進操作的覆層鉆桿組件可以具有動摩擦系數不低于該超低摩擦覆層靜摩擦系數的50 %，或60 %，或70 %，或80 %或90 %的超低摩擦覆層。在又一個形式中，用于地下旋轉鉆進操作的覆層鉆桿組件的超低摩擦覆層的動摩擦系數可以大于或等于該超低摩擦覆層的靜摩擦系數。
用于覆層鉆桿組件可以是鐵基鋼、Al基合金、Ni基合金和Ti基合金。4142型鋼是可用于鉆桿組件部件的非限制性的鐵基鋼的實例。在施涂超低摩擦覆層之前，鐵基鋼基底可任選地進行高級表面處理。該高級表面處理可以提供一個或多個如下優(yōu)點超低摩擦覆層的擴展的耐久性，增強的抗磨損性能、減低的摩擦系數、增強的抗疲勞性和擴展的抗腐蝕特性。高級表面處理的非限制性示例包括離子注入，滲氮，滲碳，噴丸處理(shotpeening)， 激光和電子束釉化，激光沖擊硬化(laser shock peening)，以及它們的組合。此類表面處理可以通過引入另外物質和/或引入深度壓縮殘余應力，從而抑制由疲勞、沖擊和磨損損害而導致的裂縫增長，來硬化基底表面。
在此公開的超低摩擦覆層可選自無定形合金，非電解鎳-磷復合材料，石墨， MoS2, WS2,富勒烯基復合材料，硼化物基金屬陶瓷，準結晶材料，金剛石基材料，金剛石狀碳 (diamond-like-carbon, DLC)，氮化硼，以及它們的組合。該金剛石基材料可以是化學氣相淀積(chemical vapor deposited, CVD)金剛石或多晶金剛石復合片(polycrystalline diamond compact，PDC)。在一個優(yōu)選的實施方案中，該用于地下旋轉鉆進操作的覆層鉆桿組件用超低摩擦金剛石狀-碳(DLC)覆層進行包覆，更特別地該DLC覆層可選自四面體無定形碳(ta-C)，四面體的無定形氫化碳(ta-C:H)，金剛石狀氫化碳(DLCH)，聚合物狀氫化碳(PLCH)，石墨狀氫化碳(GLCH)，含硅金剛石狀碳(Si-DLC)，含金屬金剛石狀碳(Me-DLC)， 含氧金剛石狀碳(O-DLC)，含氮金剛石狀碳(N-DLC)，含硼金剛石狀碳(B-DLC)，氟化金剛石狀碳(F-DLC)和它們的組合。
鉆桿組件的摩擦系數(COF)的顯著降低，將使得摩擦力顯著降低。這轉化為，需要更小的力來將巖屑沿著覆層鉆桿組件的表面進行滑動。如果摩擦力足夠低，也許能增加巖屑沿著表面的可移動性，直到它們能夠從鉆桿組件表面卸下或輸送到環(huán)形區(qū)中。巖屑沿著表面的可移動性的提高也可能抑制差壓粘著巖屑的形成，其由于泥漿和泥漿擠壓的巖屑-切刀界面區(qū)之間的差壓將巖屑保持粘在切刀表面而形成。降低鉆桿組件部件表面的 COF通過用在此公開的超低摩擦覆層包覆這些表面而完成。這些包覆到鉆桿組件上的超低摩擦覆層能夠經受住侵蝕性的鉆進環(huán)境，包括對腐蝕、沖擊載荷和高溫暴露的抵抗能力。
除超低COF外，本發(fā)明的覆層也具有足夠高的硬度來經受住鉆井作業(yè)中的磨損。 更具體地說，鉆桿組件上在此公開的超低摩擦覆層的維氏硬度或等價維氏硬度，應大于
13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的維氏硬度允許本發(fā)明的覆層鉆桿組件用于頁巖的鉆進，其使用了水基泥漿和螺旋式穩(wěn)定器。圖3描述了相對于現有技術中的鉆柱/BHA鋼，在此公開的一些超低摩擦覆層的覆層COF和覆層硬度之間的關系。在此公開的超低摩擦覆層的低COF和高硬度的結合，當其用作鉆桿組件上的表面覆層時，提供了硬度、低COF和耐久的材料，來用于井下鉆進應用場合。
具有在此公開的超低摩擦覆層的覆層鉆桿組件同時也提供了低于1，0.9，0.8， 0. 7,0. 6,0. 5,0. 4,0. 3,0. 2，或者0. lj/m2的表面能來減輕在地下旋轉鉆進操作中的巖屑的粘連或者泥包。接觸角也可用于對在此公開的覆層鉆桿組件上的超低摩擦覆層的表面能進行定量。在此公開的超低摩擦覆層的水接觸角大于50，60，70，80，或者90度。
在此公開的用于鉆桿組件的超低摩擦覆層更多細節(jié)方面公開如下 超低摩擦無定形合金 作為用于在此公開的鉆桿組件的超低摩擦覆層的無定形合金提供了高的彈性極限/流變強度，以及比較高的硬度。這些屬性允許這些材料，當受到應力或應變時，相比于結晶物質，諸如用于鉆桿組件的鋼，對于更高的應變/應力保持彈性。在作為用于鉆桿組件超低摩擦覆層的無定形合金和普通的結晶性的合金/鋼之間的應力-應變關系在圖4中進行描述，并且其顯示了相比于無定形合金，普通的結晶性合金/鋼在相對低的應變/應力下易于轉化為塑性變形。在接觸面的過早塑性變形，導致表面粗糙物的產生以及隨后發(fā)生的晶體金屬中的高粗糙面接觸力和高C0F。無定形金屬合金或無定形材料的高彈性極限一般說來能夠減低粗糙物的形成，也導致了耐磨性的顯著增強。作為用于鉆桿組件的超低摩擦覆層的無定形合金在鉆進作業(yè)中，能夠降低粗糙物形成，由此降低了鉆桿組件的C0F。
作為用于鉆桿組件的超低摩擦覆層的無定形合金可使用多種包覆技術進行沉積， 其包括但不限于，熱噴涂，冷噴鍍，焊接覆蓋，激光表面釉化，離子注入和蒸氣沉積。使用掃描激光或電子束，表面能夠被釉化，并快速冷卻形成無定形的表面層。在釉化中，改進表面組成來確保良好的玻璃態(tài)形成能力并增加硬度和耐磨性可能是有利的。這可以通過在熱源進行掃描時在表面上合金化至熔池來完成。表面硬化覆層也可通過熱噴涂來進行施涂，包括在空氣中或者真空中的等離子噴涂。用作鉆桿組件的超低摩擦覆層的較薄的完全無定形的覆層，可以通過薄膜沉積技術來獲得，其包括但不限于，濺射，化學氣相沉積(CVD)和電沉積。在此公開的一些無定形合金組合物，諸如接近等原子化學計量(例如，Ni-Ti)，可通過重塑性變形諸如噴丸處理或沖擊負載來進行無定形化。作為用于在此公開的鉆桿組件的超低摩擦覆層的無定形合金，得到了磨損和摩擦特性的出色平衡，并需要合適的玻璃形成能力以便使用該方法來進行生產。
非申j軍Ni-p M^Mnmmmmm 用作在此公開的鉆桿組件的超低摩擦覆層的非電解鎳-磷(Ni-P)復合材料，可以通過從電解或者非電解浴進行在金屬基體上的惰性顆粒共淀積來形成。M-P-金剛石復合材料覆層是有成本效率的包覆方法，因為其基于工業(yè)上的非電解鎳包覆方法。該Ni-P復合材料覆層提供了對大多數的金屬和合金基底的優(yōu)異附著力。這些覆層的最終性能取決于 Ni-P基體的磷含量，其決定了覆層的結構，以及取決于包埋顆粒的特性，諸如類型、形狀和粒度。在此公開的鎳-磷(Ni-P)復合物超低摩擦覆層可包括微米級的顆粒。cooes] 層狀材料諸如石墨、MoS2和WS2 (2H多型片晶)可用作鉆桿組件的超低摩擦覆層。 另外，富勒烯基復合物覆層，其包括富勒烯狀納米粒子，也可用作鉆桿組件的超低摩擦覆層。富勒烯(fullerene)狀納米粒子相比于典型的金屬而言，具有有利的摩擦學性能，同時還減輕了普通的層狀材料(例如，石墨，MO&)的缺點。幾乎球形的富勒烯也可起到納米尺度球軸承作用。中空富勒烯狀納米粒子的主要有利之處歸因于下列三個效應，(a)滾動摩擦，(b)富勒烯納米粒子起隔離作用，其消除了兩個相匹配金屬表面的粗糙物之間的金屬接觸，以及(c)三體材料轉移(three body material transfer)。富勒烯狀納米粒子在摩擦面之間的界面上的滑動/滾動，當保持了納米粒子的形狀時，可以是在低負載下的主要摩擦機理。富勒烯狀納米粒子的有益效果隨著負載增加。在高接觸負載( IGPa)的情況下， 會發(fā)現富勒烯狀納米粒子外面片的剝落。分層富勒烯狀納米粒子的轉移顯然是在嚴重接觸條件下的主要摩擦機理。富勒烯狀納米粒子的機械和摩擦學性能可以通過將這些顆粒引入到覆層的粘結劑相中來加以利用。另外，在金屬粘結劑相中引入富勒烯狀納米粒子的復合物覆層(例如，Ni-P非電解鍍覆)能夠為適用于鉆桿組件的超低摩擦覆層的膜提供自潤滑和優(yōu)異的抗粘連特性。
麵··廳口 聽傭☆遍 作為用于鉆桿組件的超低摩擦覆層的高級硼化物基金屬陶瓷和金屬基體復合材料，可通過熱處理或在磨損工作中的初始加熱來暴露于高溫，從而形成在本體材料上。例如，硼化物基金屬陶瓷(例如，TiB2-金屬)，表面層一般地富集有氧化硼(例如，B2O3),其增強了潤滑性能，從而得到了低摩擦系數。
準結晶材料 準結晶(quasicrystalline)材料可用作鉆桿組件的超低摩擦覆層。準結晶材料具有周期性原子結構，但不符合普通結晶體典型的3D對稱。由于它們的晶體結構，大多數常見的具有特定化學特性的二十面體的或十面體的準結晶材料，都顯示了獨特的性能組合，包括低表面能在內，使其有作為鉆桿組件的覆層材料的吸引力。由于它們在呈二十面體 Al-Cu-Fe化學的不銹鋼基底上的低表面能( 30mJ/m2)，準結晶材料提供了不粘的表面性質。用作鉆桿組件覆層的準結晶材料可提供低摩擦系數( 0. 05，在劃痕硬度試驗中，用金剛石壓頭在干燥空氣中進行)與比較高的顯微硬度G00-600HV)的耐磨性的結合。用作鉆桿組件覆層的準結晶材料也提供了低腐蝕表面，并且覆層具有低表面能的平滑和平整的表面，來改進鉆進性能。準結晶材料可以在金屬基底上通過各種各樣的覆層技術來進行沉積， 包括但不限于，熱噴涂，蒸氣沉積，激光包層，焊接覆蓋，以及電沉積。
超硬材料(金剛石，金剛石狀碳，立方體氮化硼) 超硬材料，諸如金剛石，金剛石狀-碳(DLC)和立方體氮化硼(CBN)，可用作鉆桿組件的超低摩擦覆層。金剛石是人類已知的的最硬材料，當通過化學氣相沉積(在此縮寫為 CVD)沉積在鉆桿組件部件上時，在一定條件下可產生超低摩擦系數。在一實施方式中，該 CVD沉積碳可直接沉積在鉆桿組件的表面。在另一實施方式中，在金剛石沉積之前，將相容劑材料的底覆層(在此也稱為緩沖層)施于鉆桿組件上。CVD金剛石的超低摩擦表面覆層， 不僅降低了鉆桿組件部件表面的巖屑粘附趨勢，同時也起到了允許對粘土鉆進操作中使用螺旋式穩(wěn)定器的作用(諸如，例如在墨西哥灣)。用CVD金剛石來包覆螺旋式穩(wěn)定器的流動表面(flow surface)，能允許巖屑流過穩(wěn)定器上孔進入鉆柱環(huán)形區(qū)，而不會粘附到穩(wěn)定器上。
在一個優(yōu)選實施方案中，金剛石狀-碳(DLC)可用作鉆桿組件的超低摩擦覆層。 DLC指的是無定形碳材料，其顯示了一些與天然金剛石相同的獨特性能。適用于鉆桿組件的金剛石狀-碳(DLC)可選自 ta-C、ta-C:H、DLCH、PLCH、GLCH、Si_DLC、Me-DLC、N-DLC、0-DLC、 B-DLC、F-DLC和它們的組合。DLC覆層包括大量的sp3雜化的碳原子。這些sp3鍵不僅僅在晶體中出現——換句話說，在具有長程有序(long-range order)的固體中——也同時存在于無定形固體中，其中原子處于隨機排列。在這種情況下，僅僅在一些單個原子之間存在鍵合，也就是說短程有序(shotr-range order)，并且在擴展到大量原子的長程順序上不存在鍵合。鍵型對無定形碳膜的材料性質具有很大的影響。如果sp2型占主導地位，該DLC膜會較軟，如果sp3型占主導地位，該DLC膜較硬。
DLC覆層可被制造成無定形的，柔韌的，然而純粹的sp3鍵合的"金剛石"。最硬的是這樣的混合物，其也被稱為四面體無定形碳，或ta_C(參見圖幻。所述ta-C包括高體積份數( 80%)的sp3鍵合的碳原子。用于DLC覆層的任選的填充物，包括但不限于， 氫，石墨SP2碳，和金屬，并可以其它方式來使用，以便取決于特定應用場合來達到想要的性能組合。DLC覆層的各種形式可施于各種基底上，所述基底與真空環(huán)境相容并且也具有導電性。DLC覆層質量還取決于合金元素諸如氫的份數。一些DLC覆層方法需要氫或甲烷作為前體氣體，并由此可將相當百分比的氫保留在最終的DLC材料中。為了進一步改進它們的摩擦學和機械性能，經常通過引入金屬元素(例如，Ti，Mo, Cr，Ni, W，Cu, Nb, Ta)和其它合金元素(例如，B, N, Si，0，F，P)來對DLC膜進行改性。例如，將氟(F)，和硅(Si)添加到 DLC膜能夠降低表面能量和潤濕性。在氟化DLC(F-DLC)中表面能的降低，歸因于在膜中CF2 和CF3基團的存在。然而較高的F含量會導致較低的硬度。Si的添加通過降低分散組分的表面能來降低了表面能。Si的添加也能同時通過促進在DLC膜上的sp3雜化來增加DLC膜的硬度。金屬元素(例如，Ti，Mo, CR, Ni，W，Cu，Nb, Ta)到膜中的添加，以及使用所述金屬中間層，都可降低壓縮殘余應力，從而使得膜對于壓縮載荷具有更好的機械完整性。
金剛石狀相或sp3鍵合的碳的DLC是熱力學亞穩(wěn)相，而具有sp2鍵的石墨是熱力學穩(wěn)定相。因此DLC覆層膜的形成需要不平衡方法以獲得亞穩(wěn)定的sp3鍵合的碳。諸如石墨碳的蒸發(fā)的平衡過程方法，其中蒸發(fā)的物質的平均能量(接近kT，其中k是波耳茲曼常數，T 是以絕對溫度表示的溫度)很低，導致100%的sp2鍵合的碳的形成。在此公開的生產DLC 覆層的方法要求，在sp3鍵長的碳顯著低于sp2鍵長的碳。因此，壓力，影響，催化，或者這些的綜合在原子尺度上的應用，強迫sp2鍵合的碳原子更緊密地靠在一起成為sp3鍵。這可以足夠有力地進行，使得原子不會簡單地彈回分開至SP2鍵特征性分離。典型的技術，或者結合這樣的壓縮和sp3鍵合的碳原子的新簇的推進至深入覆層中，使得不存在sp2鍵分離膨脹回來所需的空間；或者通過用于下一循環(huán)沖擊的新碳的到達來將新簇進行包埋。
在此公開的DLC覆層可通過物理氣相沉積，化學氣相沉積，或者等離子輔助化學氣相沉積包覆技術來進行沉積。物理氣相沉積覆層方法包括RF-DC等離子反應活性磁控濺射(magnetron splitting)，離子束輔助沉積，陰極電弧沉積和脈沖激光沉積(PLD)。化學氣相沉積覆層方法包括離子束輔助CVD沉積，使用烴氣體輝光放電的等離子增強沉積，從烴氣體中使用射頻輻射(r. f.)輝光放電，等離子浸沒離子處理和微波放電。等離子增強的化學氣相沉積(PECVD)是一種以高沉積速率在大面積上沉積DLC覆層的有利方法。等離子基 CVD包覆工藝是非視線(non-line-of-sight)技術，即等離子體保形地覆蓋要包覆的部分， 并且整個部件的外露表面均被包覆上相同的厚度。該部分的最終表面在DLC覆層施涂后可得以保持。PECVD的一個優(yōu)點是，在包覆操作時，基底部分的溫度不會大于約150°C。含氟-DLC (F-DLC)和含硅-DLC (Si-DLC)膜可使用等離子沉積技術來進行合成，其使用分別混合有含氟和含硅前體氣體(例如，四氟化乙烷和六甲基二硅氧烷)的乙炔(C2H2)氣體。
在此公開的DLC覆層顯示出處于前述范圍內的摩擦系數。超低COF可基于在實際接觸面積上薄石墨膜的形成。由于sp3鍵在600到1500°C的升高的溫度下，是碳的熱力學不穩(wěn)定相，取決于環(huán)境條件，其可以轉化為石墨，而石墨可作為固體潤滑劑。這些高溫可以發(fā)生在粗糙物沖撞或者接觸中，作為非常短暫的瞬間爆發(fā)(flash)(稱為初始溫度 (incipient temperature)). DLC覆層的超低COF的一備選理論是，烴基潤滑薄膜的存在。 Sp3鍵合的碳的四面體結構可導致在表面的如下情形，其中可有一個空電子從表面出發(fā)，而沒有碳原子連接其上(參見圖6)，其被稱作"自由鍵"軌道。如果一個氫原子，其自身電子連接到此類碳原子上，其可與自由鍵軌道鍵合，來形成兩個電子的共價鍵。當兩個具有單個氫原子外層的所述光滑表面彼此滑動，將氫原子之間發(fā)生剪切。在表面之間不存在化學鍵接，僅僅存在非常微弱的范德華力，并且表面顯示出重烴蠟的性能。如圖6中所示，表面上的碳原子可產生三個強鍵合，留下一個電子處于自由鍵軌道上，其從表面伸出。氫原子附著于所述表面上，其變得疏水，并顯示出低摩擦性能。
由于其摩擦學性能，在此公開的用于鉆桿組件的DLC覆層也阻止了磨損。特別地， 在此公開的DLC覆層對磨損和膠粘磨損具有抵抗能力，使得它們適用于要經歷滾動以及滑動接觸均有的極端接觸壓力的應用。
除低摩擦和抗磨損/耐磨性之外，在此公開的鉆桿組件的DLC覆層還顯示出對主體組件外表面沉積的耐久性和粘合強度。DLC覆層膜可具有很高的固有殘余應力( IGPa)，其對它們對沉積基底(例如，鋼)的摩擦學特性和粘合強度有影響。一般地，DLC覆層直接沉積在鋼表面，但要忍受差的粘合強度。粘合強度的缺乏限制了厚度和DLC和鋼界面之間的不相容性，其會導致在低負載下發(fā)生層離。為了克服這一問題，在此公開的鉆桿組件的DLC覆層也包括各種金屬(例如，但不限于，Cr, W，Ti)和陶瓷化合物(例如，但不限于，CrN, SiC)的中間層，其處于鉆桿組件外表面和DLC覆層之間。這些陶瓷和金屬的中間層放松了在此公開的DLC覆層的壓縮殘余應力，從而增加了粘合和負載能力。改進在此公開的DLC覆層的磨損/摩擦性能和機械壽命的一個備選途徑是，將具有中間緩沖層的多個層引入來減輕殘余應力的累積和/或進行雙重復合覆層處理。在一種方式中，進行處理的鉆桿組件外表面可以被滲氮或者滲碳，在DLC覆層沉積之前進行前體處理，以便硬化并阻止基底層的塑性變形，其會增強覆層耐久性。
多層超低摩擦覆層和復合超低摩擦覆層 在此公開了鉆桿組件上的多層超低摩擦覆層，其可以使用來最大化超低摩擦覆層厚度，以便增強它們在用于鉆進作業(yè)中的鉆桿組件的耐久性。用于地下旋轉鉆進操作的在此公開的覆層鉆桿組件不僅包括單個超低摩擦層，也包括兩個或多個超低摩擦覆層。例如， 兩個，三個，四個，五個或更多的超低摩擦覆層可沉積在鉆桿組件的部分上。各超低摩擦覆層厚度范圍為 0. 5 到 5000 微米，下限為 0. 5,0. 7,1. 0,3. 0,5. 0,7. 0,10. 0,15. 0、或者 20. 0微米、上限為25、50、75、100、200、500、1000、3000、或者5000微米。多層超低摩擦覆層的總厚度為30，000微米。多層覆層總厚度的下限可以是0. 5,0. 7,1. 0,3. 0,5. 0,7. 0,10. 0、 15. 0、或者20. 0微米厚。多層覆層總厚度的上限可以是25、50、75、100、200、500、1000、 3000、5000、10000、15000、20000、或者 30000 微米厚。
在用于地下旋轉鉆進操作的在此公開的覆層鉆桿組件的另一實施方案中，鉆桿組件的主體組件可包括在外露表面至少一部分上的帶狀加硬層，來給鉆桿組件提供增強的耐磨性和耐久性。因此，可沉積一個或者多個超低摩擦覆層到帶狀加硬層上，來形成復合型覆層結構。帶狀加硬層厚度的范圍可以是數倍于到等于外部超低摩擦覆層或層們的厚度。帶狀加硬層材料的非限制性示例包括金屬陶瓷基材料，金屬基體復合材料，納米結晶金屬合金，無定形合金和硬金屬合金。帶狀加硬層的其它非限制性示例包括元素鎢，鈦，鈮，鉬，鐵， 鉻，和硅的碳化物，氮化物，硼化物，和氧化物，其分散于金屬合金基體內部。此類帶狀加硬層可通過焊接覆蓋、熱噴涂或激光/電子束包覆來進行沉積。
用于在此公開的鉆桿組件的超低摩擦覆層也包括一個或多個緩沖層(其在此也被稱為粘合層)。一個或者更多個緩沖層可插入到主體組件外表面和單個超低摩擦層之間或者在多層超低摩擦覆層構型中的兩個或多個超低摩擦層之間。一個或多個緩沖層可選自下列元素或者下列元素的合金；硅、鈦、鉻、鎢、鉭、鈮、釩、鋯、和/或鉿。一個或者多個緩沖層也可選自下列元素的碳化物，氮化物，碳氮化物，氧化物硅、鈦、鉻、鎢、鉭、鈮、釩、鋯、和 /或鉿。一個或者多個緩沖層一般插入到帶狀加硬層(當使用時)和一個或多個超低摩擦覆層之間，或者在超低摩擦覆層們之間。緩沖層厚度可以是超低摩擦覆層厚度的一部分或近似值。
在用于地下旋轉鉆進操作在此公開的覆層鉆桿組件的又一個實施方案中，主體組件可以進一步包括一個或者多個隔離層(buttering layer)，其插入到主體組件外表面和在外露表面的至少一部分上的帶狀加硬層或超低摩擦覆層之間，以提供增強的韌性，來最小化來自基底合金鋼的任何稀釋物進入外覆層或者帶狀加硬層，并且最小化殘余應力的吸收。隔離層的非限制性例子包括不銹鋼或鎳基合金。一個或者多個隔離層一般緊鄰用于覆層的鉆桿組件主體組件或者位于其上。
在用于地下旋轉鉆進操作的在此公開的覆層鉆桿組件的一個優(yōu)選實施方案中，可將多層碳基無定形覆層，諸如金剛石狀碳(DLC)覆層，施于鉆桿組件上的下列非限制性的示例性位置上穩(wěn)定器和鉆具接頭，從而通過消除或最小化巖石和穩(wěn)定器之間的，或者在套筒中，在套筒鋼和鉆具接頭之間的摩擦，來減少震動，。適用于鉆桿組件的金剛石狀-碳 (DLC)覆層可選自 ta-C、ta-C:H、DLCH、PLCH、GLCH、Si-DLC, Me-DLC、N-DLC, O-DLC, B-DLC, F-DLC和它們的組合。對于此類應用，特別有利的一個DLC覆層是DLCH或ta_C:H。多層DLC 覆層的結構可包括單個DLC層，其具有在單個DLC層之間的粘合層或緩沖層。用于DLC覆層的粘合層和緩沖層的示例包括，但不限于，下列元素或者下列元素的合金硅、鈦、鉻、鎢、 鉭、鈮、釩、鋯、和/或鉿。用于DLC覆層的其它粘合層和緩沖層的示例包括，但不限于，下列元素的碳化物，氮化物，碳氮化物，氧化物硅、鈦、鉻、鎢、鉭、鈮、釩、鋯、和/或鉿。這些緩沖層或者粘合層起到了增韌層和殘余應力減輕層的作用，并允許多層實施方案的DLC覆層總厚度得以提高，同時保持了覆層的完整性和耐久性。
在用于地下旋轉鉆進操作的在此公開的覆層鉆桿組件的又一個優(yōu)選實施方式中，為了改進相對薄的DLC覆層的耐久性、機械完整性和井底狀態(tài)，可以使用復合覆層途徑，其中將一個或者多個DLC覆層沉積在現有技術中的帶狀加硬層上。這一實施方案提供了增強的DLC-帶狀加硬層界面強度，以及為井下組件提供了對過早磨損的保護，否則DLC將被磨損掉或者層離。在該實施方案的另一形式中，可在DLC層(們)施涂之前進行高級表面處理，來擴展DLC覆層的耐久性并增強其磨損、摩擦、疲勞和腐蝕特性。高級表面處理的非限制性例子可選自離子注入，滲氮，滲碳，噴丸處理，激光和電子束釉化，激光沖擊硬化，以及它們的組合。此類表面處理能夠通過弓I入另外的物質和/或引入深度壓縮殘余應力來硬化基底表面，從而抑制由疲勞、沖擊和磨損損害而導致的裂縫增長。在該實施方案的又一實施方式中，將前述的一個或者多個隔離層插入到基底和帶狀加硬層之間，并且將一個或者多個DLC覆層置于帶狀加硬層上。
圖14是鉆桿組件上超低摩擦覆層的示例性實施方案，其利用了多層復合覆層，其中DLC覆層沉積在鋼基底的帶狀加硬層上。在該實施方案的另一形式中，帶狀加硬層可以進行后處理(例如，蝕刻)來將暴露合金滲碳體顆粒，以便增強DLC覆層對帶狀加硬層的附著力，如圖14所示。所述復合覆層可以用于井下組件，諸如鉆具接頭和穩(wěn)定器，來增強沉積在這些部件上的DLC覆層的耐久性和機械完整性，并為超低摩擦外層，不論是磨損的或者層離的，提供"第二防線"，以對抗地下旋轉鉆進操作中井下的侵蝕性磨損和腐蝕條件。在該實施方案的另一形式中，在復合覆層結構內包括如前所述的一個或者多個緩沖層和/或一個或者多個隔離層，來進一步增強性能和特性，特別是在地下鉆進操作中。
鉆講條件，應用和好處 用于地下旋轉鉆進操作的在此公開的的覆層鉆桿組件包括具有外露表面的主體組件，其包括連接于井底鉆具組件的鉆柱，或者備選地連接于井底鉆具組件的連續(xù)油管。鉆柱包括一個或多個部件，其選自鉆桿，鉆具接頭，包括鉆具接頭的在鉆柱和井底鉆具組件之間的過渡管，包括鉆具接頭和磨損盤的重型鉆桿，以及它們的組合。井底鉆具組件包括一個或多個部件，其選自，但不限于穩(wěn)定器，可變徑穩(wěn)定器，回拉擴孔器(back reamers)，鉆鋌，撓曲鉆鋌，旋轉可控鉆具，牙輪擴眼器(roller reamers)，減震器，井下動力鉆具(mud motors),隨鉆測井(logging while drilling, LffD)工具，隨鉆測量(measuring while drilling, MWD)工具，取心工具，下擴孔器(under-reamers)，擴眼器，定中心器，渦輪，彎套，彎曲鉆具，鉆進震擊器(drilling jars)，加速震擊器(acceleration jars)，轉向附件， 下?lián)羝鳎ぞ亟档凸ぞ?，漂浮附件，打撈工具，打撈震擊器，沖洗管，測井工具，觀察工具附件(survey tool subs)，這些部件的無磁性對應物，這些部件的相關外部連接，和它們的組口 O 超低摩擦覆層可以沉積在鉆柱，和/或井底鉆具組件，和/或鉆桿組件的連續(xù)油管的至少一部分或全部上。因此，可理解的是，超低摩擦覆層和超低摩擦覆層的復合形式可以沉積在如上所述的鉆柱部件和/或井底鉆具組件部件的許多組合上。當施于鉆柱上時，在此公開的超低摩擦覆層在鉆進操作中可防止包括鉆桿螺旋彎曲的鉆柱失穩(wěn)或者延遲其開始，從而防止鉆桿組件的損壞以及相關的非生產時間。另外，在此公開的超低摩擦覆層也可提供對扭轉震動不穩(wěn)定性的抵抗，所述不穩(wěn)定性包括鉆柱和井底鉆具組件的粘-滑震動失效。
在此公開的覆層鉆桿組件可以在地下旋轉鉆進操作中使用，井底溫度范圍為20
19到 400° F，下限為 20，40，60，80，或者 100° F，上限為 150，200，250，300，350 或 400° F。 在此公開的覆層鉆桿組件可以在地下旋轉鉆進操作中使用，地面鉆進旋轉速率范圍為0到 200RPM,下限為 0，10，20，30，40，或 50RPM,上限為 100，120，140，160，180，或 200RPM。另外， 在此公開的覆層鉆桿組件可以在地下旋轉鉆進操作中使用，其在地下旋轉鉆進操作中鉆進泥漿壓力的范圍為14psi到20，000psi，下限為14、100、200、300、400、500或lOOOpsi，上限為 5000、10000、15000、或 20000psi。
在此公開的鉆柱組件的超低摩擦覆層可降低鉆進作業(yè)需要的扭矩，由此允許鉆井操作者在使用常規(guī)的鉆井設備時，用更高的機械鉆速(ROP)來鉆油/氣井。另外，在此公開的鉆柱組件上的超低摩擦覆層為鉆桿組件提供了耐磨性和低表面能，其對普通帶狀加硬鉆桿組件是有利的，其同時降低了套管上的磨損。
在一形式中，在此公開的覆層鉆桿組件，其主體組件外露表面的至少一部分包覆有超低摩擦覆層，相比于無覆層的鉆桿組件，提供了大至少2倍、或3倍、或4倍、或5倍的耐磨性。另外，在此公開的覆層鉆桿組件，其主體組件外露表面的至少一部分包覆有超低摩擦覆層，相比于用于旋轉鉆進的無覆層的鉆桿組件，提供了減少的套筒磨損。另外，在此公開的覆層鉆桿組件，其主體組件外露表面的至少一部分包覆有超低摩擦覆層，相比于用于旋轉鉆進操作的無覆層鉆桿組件，套筒磨損降低了至少2倍、或3倍、或4倍、或5倍。
在此公開的鉆柱組件上的超低摩擦覆層同時也可消除或減低摩擦系數的速度減弱。更具體地說，用于烴開采和生產的深井鉆進的旋轉鉆進系統(tǒng)，經常要經受嚴重的扭轉震動，導致稱為"粘-滑"震動的不穩(wěn)定性，其特征在于(i)粘著階段，其中鉆頭或BHA到鉆頭停止(相對滑動速度是零)，以及(ii)滑動階段，其中上述井下組件相對滑動速度快速加速到遠大于平均滑動速度的值，所述平均滑動速度由鉆機施加的旋轉速度(RPM)所施加。該問題對于由裝配到鉆頭主體表面的固定輪葉或切刀組成的牙輪鉆頭(drag bit)特別嚴重。在摩擦構成原理中的非線性，導致了對抗粘-滑震動的穩(wěn)定摩擦滑動的不穩(wěn)定性。 尤其地，速度減弱行為，其由摩擦系數隨著相對滑動速度的提高而降低來表明，會導致扭轉不穩(wěn)定性，并觸發(fā)粘-滑震動。滑動不穩(wěn)定性在鉆進中是一個問題，因為其是主要破壞者之一，其限制了上述的最大機械鉆速。在鉆進應用中，避免粘-滑條件是有利的，因為其導致了震動和磨損，包括損壞性耦合震動的啟動。通過降低或消除速度減弱行為，在此公開的鉆柱組件的超低摩擦覆層使得系統(tǒng)進入了連續(xù)滑動狀態(tài)，其中相對滑動速度是恒定的，并且不會震動(避免了粘-滑震動)，或在區(qū)域化RPM中顯示了急劇加速或減速。甚至使用了現有技術中利用在鉆進泥漿中使用潤滑劑添加劑或丸粒、高法向負載和小滑動速度的避免粘-滑運動的方法，粘-滑運動仍會發(fā)生。在此公開的鉆桿組件的超低摩擦覆層可不發(fā)生粘-滑運動，甚至在高法向負載下。
當在鉆頭和穩(wěn)定器表面與巖石碎屑之間的粘合力變得大于將碎片保持在一起的內聚力更大的時候，會發(fā)生鉆頭和穩(wěn)定器的泥包現象。因此，為了減少鉆頭泥包，在可變形頁巖碎片和鉆頭和穩(wěn)定器表面之間的粘合力可被降低。在此公開的鉆桿組件的超低摩擦覆層提供了低能表面，來提供低粘附性表面，從而減輕或者減低了鉆頭/穩(wěn)定器的泥包。
減低鉆桿組件中的摩擦的方法 本發(fā)明還涉及在地下旋轉鉆進操作中降低摩擦和磨損的方法。在一示例性實施方案中，一種降低用于地下旋轉鉆進操作的覆層鉆桿組件的摩擦的方法，其包括提供一種覆層鉆桿組件，其包括具有暴露外表面的主體組件，該主體組件包括連接于井底鉆具組件的鉆柱或連接于井底鉆具組件的連續(xù)油管，以及在主體組件暴露外表面的至少一部分上的超低摩擦覆層，其中超低摩擦覆層的摩擦系數小于或等于0. 15，并且在地下旋轉鉆進操作中使用該覆層鉆桿組件。地下旋轉鉆進操作可以是定向的，包括但不限于，水平鉆進或大位移鉆進(ERD)。在水平鉆進或大位移鉆進(ERD)中，該方法也包括利用彎曲鉆具來輔助重量轉移到鉆頭上。當使用此類彎曲鉆具時，在定向井鉆進中的滑動操作(ORPM)中的到鉆頭的重量轉移變得更為方便。
正如前所討論的，超低摩擦覆層可選自無定形合金，非電解鎳-磷復合材料，石墨，MoS2, WS2,富勒烯基復合材料，硼化物基金屬陶瓷，準結晶材料，金剛石基材料，金剛石狀碳(DLC)，氮化硼，以及它們的組合。該金剛石基材料可以是化學氣相淀積(chemical vapor deposited,CVD)金剛石或多晶金剛石復合片。在一優(yōu)選實施方案中，用于地下旋轉鉆進操作的覆層鉆桿組件用超低摩擦金剛石狀碳(DLC)覆層進行包覆，更特別地，該DLC覆層可選自 ta-C，ta-CH, DLCH, PLCH, GLCH、Si-DLC,Me-DLC,N-DLC,O-DLC,B-DLC、Me-DLC、F-DLC和它們的組合。在DLC覆層實施方案的另一優(yōu)選實施方式中，使用了鄰接基底的帶狀加硬層。
在降低用于地下旋轉鉆進操作的覆層鉆桿組件的摩擦的方法的一個方式中，鉆桿組件的一個或者多個部件用金剛石狀碳(DLC)進行包覆。DLC材料覆層可通過物理氣相沉積(PVD)，電弧沉積，化學氣相沉積(CVD)，或者等離子增強化學氣相沉積(PECVD)包覆技術進行包覆。物理氣相沉積覆層方法選自濺射、RF-DC等離子反應活性磁控濺射，離子束輔助沉積，陰極電弧沉積和脈沖激光沉積(PLD)。通過PECVD和/或RF-DC等離子反應活性磁控濺射方法可有利地將一個或者多個DLC覆層進行沉積。
在此公開的地下旋轉鉆進操作中的覆層鉆桿組件中降低摩擦的方法，通過在定向或大位移鉆進中實質上降低摩擦和拖拽，提供了扭矩方面的實質上降低，用現有的上部驅動能力來促進了鉆進更深和/或到達更遠。實質上降低扭矩，指的是降低10%，優(yōu)選20%， 更優(yōu)選30%，相比于使用無覆層鉆桿組件來進行旋轉鉆進。實質上降低摩擦和拖拽，指的是降低10%，優(yōu)選20%，更優(yōu)選50%，相比于使用無覆層鉆桿組件來進行旋轉鉆進。減低覆層鉆桿組件的摩擦的方法可進一步包括，在現場或者在當地供應點，將超低摩擦覆層施于鉆機的主體組件外露表面的至少一部分上，來重新施涂或者修整磨損的覆層，來延長使用壽命或者促進組件的繼續(xù)使用。
在此公開的地下旋轉鉆進操作中，在降低覆層鉆桿組件的摩擦方法的一個優(yōu)選形式中，超低摩擦覆層包括金剛石狀碳(DLC)。施涂金剛石狀碳(DLC)超低摩擦覆層的一個示例性方法包括，在氣相沉積覆層之前，通過機械密封和泵的手段將主體組件外露表面的至少一部分抽真空。鉆柱或連續(xù)油管都可用于連接井底鉆具組件，來形成鉆桿組件。當在地下旋轉鉆進操作中使用在此公開的超低摩擦覆層連續(xù)油管來降低摩擦時，該方法確保不平衡鉆進來達到目標總深度，而不需要在泥漿中添加減阻添加劑(drag reducing additives) 0 當使用超低摩擦覆層鉆桿組件時，在此公開的在地下旋轉鉆進操作中降低覆層鉆桿組件的摩擦的方法，使得摩擦和拖拽實質上降低，而不損害連接到覆層鉆桿組件上的鉆頭的侵徹力，所述覆層鉆桿組件傳輸扭矩來破碎巖石。實質上降低摩擦和拖拽，指的是降低 10 %，優(yōu)選20 %，更優(yōu)選50 %，相比于使用無覆層鉆桿組件來進行旋轉鉆進。另外，在此公開的當地下旋轉鉆進操作時降低覆層鉆桿組件中的摩擦的方法，超低摩擦覆層的耐腐蝕性至少等于在井下鉆進環(huán)境中鉆桿組件的主體組件上的鋼的耐腐蝕性。
測試方法 摩擦系數測量使用盤-球法(ball-on-disk)測試器，根據ASTM G99進行。該測試方法需要兩個試樣，一個平圓盤試樣和一個圓形末端球狀試樣。使用夾持器將球狀試樣緊緊夾持，放在垂直于平圓盤的位置上。通過使2. 7英寸直徑的平圓盤以圓周軌跡進行旋轉，將平圓盤試樣緊靠著球狀試樣進行滑動。通過球垂直向下施加法向負載，使得球壓著圓盤。通過附加重量、液壓或者氣壓機理，施加特定的法向負載。在測試中，使用粘結到球夾持器上的拉伸——壓縮負載單元或者相似的力感應設備來測量摩擦力。摩擦系數可由測量的摩擦力除以法向負載來計算。測試可以在室溫和150° F下，在各種試樣條件滑動速度下進行。使用石英或低碳鋼(mild steel)球，4mm 5mm直徑，來作為配合端面(counter face)的材料。
使用盤-球測試器，按照如上所述的ASTM G99試驗方法，通過測量在各種滑動速率下的摩擦系數，來評估速度增強或減弱。
根據ASTM C1327維氏硬度試驗方法來測定硬度。維氏硬度試驗方法由如下步驟組成，用金剛石壓頭來對測試材料進行壓出壓痕，金剛石壓頭為帶方形基底的直立棱錐 (right pyramid)形式，所述棱錐的對立面之間角度為136度，施加負載為1到IOOkgf。滿額負載一般施加10到15秒鐘。移除負載后，使用顯微鏡測量在材料表面留下的壓痕的兩個對角線，計算它們的平均值。計算壓痕的傾斜表面的面積。維氏硬度是kgf負載除以平方 mm壓痕面積的商。維氏硬度試驗的優(yōu)點是，可以獲得極精確的讀數，并且對所有類型的金屬和表面處理，僅使用一個類型的壓頭。通過納米壓痕來評估薄覆層(例如，低于ΙΟΟμπι)的硬度，其中法向負載(P)通過公知的金字塔形幾何形狀的壓頭(例如，Berkovich尖頭，其具有三側棱金字塔幾何形狀)來施加到覆層表面。在納米壓痕中，使用小負載和尖頭尺寸來排除或減低基底的效應，使得壓痕面積僅僅為數平方微米或者甚至平方納米。在納米壓痕方法過程中，記錄了穿透深度，然后使用壓頭的已知幾何形狀，來計算凹痕的面積。硬度可由負載(kgf)除以壓痕面積(平方米)的商得到。
根據ASTM G99試驗方法，通過盤-球幾何形狀來測定磨損特性。盤片和球的磨損量，或者磨損體積損失量通過在測試前后測量這兩個樣品的尺寸來進行測定。通過激光表面輪廓測定法和原子力顯微術來測定盤片磨損痕跡的深度或形變。球的磨損量，或者磨損體積損失量通過在測試前后測量樣品的尺寸來進行測定。球的磨損體積，由球的已知幾何形狀和尺寸來進行計算。
根據ASTM D5725試驗方法來測定水接觸角。該方法稱為〃座滴(sessile drop) 法"，使用使用光學子系統(tǒng)來捕獲純液體在固體基底上的輪廓的液體接觸角測角器來進行測量。將一滴液體(例如，水)放置(或允許其從特定距離下落)到固體表面之上。當液體穩(wěn)定(變得固著)時，該液滴保持其表面張力，變成靠著固體表面的卵形。在液體/固體界面和液體/蒸氣界面之間形成的角度是接觸角。橢圓形液滴接觸表面的接觸角，決定了兩種物質之間的親合性。也就是說，扁平的液滴表明了高親合性，在此情況下該液體被認為可潤濕該基底。在表面上方的更圓形液滴(以高度計)，表明了較低的親合性，因為液滴附著到固體表面的角度更尖銳。在該情況下，液體被認為不能潤濕基底。座滴體系使用高分辨率攝影機和軟件來捕獲和分析接觸角。
22實施例 說明件實施例1 使用氣相沉積技術來將DLC覆層施涂在4142鋼基底上。DLC覆層的厚度范圍為從1. 5到25微米。硬度測量結果為1，300到7，500維氏硬度值。進行基于盤-球幾何形狀的實驗室試驗，來說明覆層的摩擦和磨損特性。使用石英球和低碳鋼球來作為配合端面材料，分別模擬裸井和加套筒井眼狀態(tài)。在一環(huán)境溫度試驗中，在"干燥"或者環(huán)境空氣狀態(tài)下，測定了無覆層的4142鋼，DLC覆層和商業(yè)上作為現有技術的帶狀加硬焊接覆蓋覆層， 測試條件為，石英配合端面材料，300g法向負載和0. 6m/秒滑動速率，以模擬裸井條件。如圖7所示，DLC覆層，能夠比無覆層的4142鋼和帶狀加硬層在摩擦特性(摩擦系數的降低) 上有多達10倍的改進。
在另一環(huán)境溫度試驗中，測定了無覆層的4142鋼，DLC覆層和商業(yè)上作為現有技術的帶狀加硬焊接覆蓋覆層，測試條件為，低碳鋼配合端面材料，來模擬加套筒井眼條件。 如圖7所示，DLC覆層，能夠比無覆層的4142鋼和帶狀加硬層在摩擦特性(摩擦系數的降低)上有多達3倍的改進。由于DLC覆層比配合端面材料(即，石英和低碳鋼)具有更高的硬度，DLC覆層拋光了石英球。然而，對于石英球和低碳鋼球，由于磨損而導致的體積損失很小。在另一方面，普通鋼和帶狀加硬盤片導致了對石英和低碳鋼球的顯著磨損，表明這些不是很〃套筒友好〃。
對于油基泥漿，在環(huán)境溫度下，也測試了盤-球磨損和摩擦系數。使用石英球和低碳鋼球來作為配合端面材料，分別模擬裸井和加套筒井眼。如圖8所示，DLC覆層相比于商業(yè)上的帶狀加硬層，顯示出顯著優(yōu)勢。DLC覆層，比無覆層的4142鋼和帶狀加硬層，在摩擦特性(摩擦系數的降低)上有多達30%的改進。由于其比石英的硬度高，DLC覆層拋光了石英球。在另一方面，對于無覆層的鋼盤的情況，低碳鋼和石英球以及鋼盤都顯示了顯著的磨損。作為對比測試，加硬盤的磨損現象處于DLC覆層盤片和無覆層鋼盤片之間。
圖9描繪了升高的溫度下的磨損和摩擦特性。該測試在加熱到150° F的油基泥漿中進行，再次使用石英球和低碳鋼球作為配合端面材料，來分別模擬裸井和加套筒井眼條件。DLC覆層，相比于無覆層的4142鋼和商業(yè)的帶狀加硬層，在摩擦特性(摩擦系數的降低)上，顯示出多達50%的改進。無覆層的鋼和帶狀加硬在石英和低碳鋼球的配合端面材料上引起磨損，同時在對應DLC覆層的配合端面材料上，觀察到顯著較低的磨損。
圖10顯示了升高的溫度(150° F和200° F)下，油基泥漿中DLC覆層的摩擦性能。在該試驗數據中，DLC覆層顯示出在高達200° F的升高的溫度下的低摩擦系數。然而，無覆層的鋼和帶狀加硬層的摩擦系數隨著溫度顯著升高。
說明性實施例2 在室內磨損/摩擦試驗中，通過檢測要滑動所需要的剪切應力，測量了 DLC覆層和無覆層的4142鋼的摩擦系數的速度依賴性(速度減弱或增強)，滑動速度范圍為0. 3m/ 秒-1.8m/秒。在干燥滑動磨損試驗中，使用石英球來作為配合端面材料。在圖11中描述了 DLC覆層相對于無覆層的鋼的速度減弱特性。無覆層的4142鋼顯示出隨著滑動速度而減少的摩擦系數(即，顯著的速度減弱)，而同時，DLC覆層顯示沒有速度減弱，實際上，似乎有輕微的COF速度增強(即，隨著滑動速度增加輕微提高的C0F)，其對于減輕扭轉不穩(wěn)定性，粘-滑震動的預兆，是十分有利的。
說明件實施例3 制造了多層DLC覆層，以便最大化DLC覆層的厚度，來增強它們在用于鉆進作業(yè)中的鉆桿組件的耐久性。在一個實施方式中，多層DLC覆層的總厚度為從6微米到25微米。 圖12描述了用于鉆桿組件的單層和多層的DLC覆層二者的SEM圖像，所述DLC覆層由PECVD 產生。與DLC覆層一起使用的粘合層(們)是硅質緩沖層。
說明件實施例4 DLC覆層基底的表面能，相比于無覆層的4142鋼表面，經由水接觸角進行測定。在圖13中顯示了結果，其表明，相比于無覆層的鋼表面，DLC覆層提供了實質上降低的能量。 較低的表面能為減輕或降低鉆頭/穩(wěn)定器泥包現象提供了更低粘附性的表面。
申請人:已經試圖公開所公開主題的能夠適度預見的全部實施方案和應用。然而， 仍會存在以等價形式存在的不可預見的、非實質性的其他方案。本發(fā)明已經以特定的示例性實施方案進行了描述，但同時，明顯的是，按照上述描述，在不背離本發(fā)明的精神或者范圍的情況下，許多變動、改進和變化對本領域技術人員而言，是顯而易見的。因此，本發(fā)明意圖是包括以上詳細說明的范圍內的全部此類變動、改進和變化。
在此引用的全部專利，試驗方法，和其它文獻，包括優(yōu)先權文件在內，都全文引入作為參考，直到達到此類公開不與本申請不一致并且法律允許的程度。
在列出此處數字的下限和數字的上限時，應考慮到任何下限到任何上限組成的范圍。
權利要求
1.一種用于地下旋轉鉆進操作的覆層鉆桿組件，其包括具有暴露外表面的主體組件，該主體組件包括連接于井底鉆具組件的鉆柱或連續(xù)油管，以及在主體組件暴露外表面的至少一部分上的超低摩擦覆層，其中超低摩擦覆層的摩擦系數小于或等于0.15。
2.權利要求1的覆層鉆桿組件，其中超低摩擦覆層選自無定形合金，非電解鎳-磷復合材料、石墨、MoS2, WS2、富勒烯基復合材料、硼化物基金屬陶瓷、準結晶材料、金剛石基材料、 金剛石狀碳(DLC)、氮化硼、以及它們的組合。
3.權利要求2的覆層鉆桿組件，其中金剛石基材料是化學氣相沉積(CVD)金剛石或者多晶金剛石復合片(PDC)。
4.權利要求1的覆層鉆桿組件，其中超低摩擦覆層是金剛石狀碳(DLC)。
5.權利要求4的覆層鉆桿組件，其中金剛石狀碳(DLC)選自ta-C、ta-C:H、DLCH、PLCH、 GLCH、Si-DLC, Me-DLC, N-DLC, O-DLC, B-DLC, F-DLC 和它們的組合。
6.權利要求1的覆層鉆桿組件，其中超低摩擦覆層提供低于lj/m2的表面能來減輕在地下旋轉鉆進操作中的巖屑的粘連或者泥包。
7.權利要求6的覆層鉆桿組件，其中超低摩擦覆層提供低于0.lj/m2的表面能.
8.權利要求6的覆層鉆桿組件，其中在主體組件外露表面的至少一部分上的超低摩擦覆層提供了大于400VHN的硬度，用于在使用了水基泥漿和螺旋穩(wěn)定器的頁巖中進行鉆進。
9.權利要求1的覆層鉆桿組件，其中超低摩擦覆層的水接觸角大于60度。
10.權利要求9的覆層鉆桿組件，其中超低摩擦覆層的水接觸角大于80度。
11.權利要求1的覆層鉆桿組件，其中超低摩擦覆層包含單個超低摩擦覆層或者兩個或更多超低摩擦覆層。
12.權利要求11的覆層鉆桿組件，其中兩個或更多超低摩擦覆層是基本上相同或者不同的超低摩擦覆層。
13.權利要求11的覆層鉆桿組件，其中單個超低摩擦覆層的厚度以及兩個或更多超低摩擦覆層中各層的厚度范圍為0. 5微米到5000微米。
14.權利要求11的覆層鉆桿組件，其中超低摩擦覆層進一步包含一個或者多個緩沖層。
15.權利要求14的覆層鉆桿組件，其中一個或者多個緩沖層插入到主體組件外表面和單個超低摩擦層之間或者兩個或多個超低摩擦層之間。
16.權利要求14的覆層鉆桿組件，其中一個或多個緩沖層選自硅、鈦、鉻、鎢、鉭、鈮、 釩、鋯或鉿的單質、合金、碳化物、氮化物、碳氮化物和氧化物。
17.權利要求1的覆層鉆桿組件，其中鉆柱包括一個或多個部件，所述部件選自鉆桿、 鉆具接頭、鉆柱和井底鉆具組件之間的過渡管以及它們的組合。
18.權利要求1的覆層鉆桿組件，其中井底鉆具組件包含一個或多個部件，其選自穩(wěn)定器，可變徑穩(wěn)定器，回拉擴孔器，鉆鋌，撓曲鉆鋌，旋轉可控鉆具，牙輪擴眼器，減震器，井下動力鉆具，隨鉆測井(LWD)工具，隨鉆測量(MWD)工具，取心工具，下擴孔器，擴眼器，定中心器，渦輪，彎套，彎曲鉆具，鉆進震擊器，加速震擊器，轉向附件，下?lián)羝?，扭矩降低工具，漂浮附件，打撈工具，打撈震擊器，沖洗管，測井工具，觀察工具附件，這些部件的無磁性對應物，這些部件的相關外部連接，和它們的組合。
19.權利要求1的覆層鉆桿組件，其中超低摩擦覆層的動摩擦系數不低于該超低摩擦覆層靜摩擦系數的50%。
20.權利要求19的覆層鉆桿組件，其中超低摩擦覆層的動摩擦系數不低于該超低摩擦覆層靜摩擦系數的約80%。
21.權利要求1的覆層鉆桿組件，其中超低摩擦覆層的動摩擦系數大于或者等于該超低摩擦覆層靜摩擦系數。
22.權利要求1的覆層鉆桿組件，其中主體組件外露表面至少一部分上的超低摩擦覆層阻止或者延遲了鉆柱彎曲的開始。
23.權利要求1的覆層鉆桿組件，其中在地下旋轉鉆進操作中，井下溫度范圍為20到 400° F。
24.權利要求1、19或者21的覆層鉆桿組件，其中在地下旋轉鉆進操作中，地面鉆進轉速范圍為0到200RPM。
25.權利要求1、19或者21的覆層鉆桿組件，其中在地下旋轉鉆進操作中，鉆進泥漿壓力范圍為14psi到20，OOOpsi。
26.權利要求19或21的覆層鉆桿組件，其中超低摩擦覆層提供了對扭轉震動不穩(wěn)定性的抵抗力，所述不穩(wěn)定性包括鉆柱和井底鉆具組件的粘-滑震動失效。
27.權利要求1的覆層鉆桿組件，其中主體組件外露表面至少一部分上的超低摩擦覆層提供了大于400VHN的硬度。
28.權利要求27的覆層鉆桿組件，其中主體組件外露表面至少一部分上的超低摩擦覆層提供了大于1500VHN的硬度。
29.權利要求1的覆層鉆桿組件，其中主體組件外露表面至少一部分上的超低摩擦覆層，相比于無覆層鉆桿組件，提供了至少大3倍的抗磨損能力。
30.權利要求1的覆層鉆桿組件，其中主體組件外露表面至少一部分上的超低摩擦覆層提供了大于或者等于無覆層鉆桿組件的抗套筒磨損能力。
31.權利要求30的覆層鉆桿組件，其中主體組件外露表面至少一部分上的超低摩擦覆層，相比于無覆層鉆桿組件，提供了至少大3倍的抗套筒磨損能力。
32.權利要求1的覆層鉆桿組件，其中主體組件在其暴露外表面的至少一部分上進一步包含帶狀加硬層，來提供增強鉆桿組件的抗磨損性能和耐久性。
33.權利要求32的覆層鉆桿組件，其中帶狀加硬層包含金屬陶瓷基材料、金屬基體復合材料或者硬金屬合金。
34.權利要求1或32的覆層鉆桿組件，其中主體組件進一步包括隔離層，其插入到主體組件外表面和在外露表面的至少一部分上的帶狀加硬層或超低摩擦覆層之間，來提供增強的韌性和對殘余應力的吸收。
35.權利要求34的覆層鉆桿組件，其中隔離層包括不銹鋼或鎳基合金。
36.一種降低用于地下旋轉鉆進操作的覆層鉆桿組件的摩擦的方法，其包括提供一種覆層鉆桿組件，其包括具有暴露外表面的主體組件，該主體組件包括連接于井底鉆具組件的鉆柱或連接于井底鉆具組件的連續(xù)油管，以及在主體組件暴露外表面的至少一部分上的超低摩擦覆層，其中超低摩擦覆層的摩擦系數小于或等于0. 15，并且在地下旋轉鉆進操作中使用該覆層鉆桿組件。
37.權利要求36的方法，其中地下旋轉鉆進操作是定向的，包括水平鉆進或大位移鉆進(ERD)。
38.權利要求37的方法，其進一步包括在水平鉆進或者大位移鉆進(ERD)過程中，利用彎曲鉆具或者旋轉可控鉆具來輔助進行定向控制。
39.權利要求36的方法，其中超低摩擦覆層選自無定形合金、非電解鎳-磷復合材料、 石墨、Mo&、W&、富勒烯基復合材料、硼化物基金屬陶瓷、準結晶材料、金剛石基材料、金剛石狀碳(DLC)、氮化硼、以及它們的組合。
40.權利要求39的方法，其中金剛石基材料是化學氣相沉積(CVD)金剛石或者多晶金剛石復合片(PDC)。
41.權利要求39的方法，其中超低摩擦覆層是金剛石狀碳(DLC)。
42.權利要求36的方法，其中金剛石狀碳(DLC)選自ta-C、ta-C:H、DLCH、PLCH、GLCH、 Si-DLC, N-DLC, O-DLC, B-DLC, Me-DLC, F-DLC 和它們的組合。
43.權利要求41的方法，其中金剛石狀碳(DLC)通過物理氣相沉積、化學氣相沉積，或者等離子增強化學氣相沉積(PECVD)包覆技術進行施涂。
44.權利要求43的方法，其中物理氣相沉積覆層方法選自RF-DC等離子反應活性磁控濺射，離子束輔助沉積，陰極電弧沉積和脈沖激光沉積。
45.權利要求36的方法，其中超低摩擦覆層提供低于lj/m2的表面能來減輕在地下旋轉鉆進操作中的巖屑的粘連或者泥包。
46.權利要求45的方法，其中在主體組件外露表面的至少一部分上的超低摩擦覆層提供了大于400VHN的硬度，用于在使用了水基泥漿和螺旋穩(wěn)定器的頁巖中進行鉆進。
47.權利要求36的方法，其中超低摩擦覆層的水接觸角大于60度。
48.權利要求36的方法，其中超低摩擦覆層包含單個超低摩擦覆層或者兩個或更多超低摩擦覆層。
49.權利要求48的方法，其中兩個或更多超低摩擦覆層是基本上相同或者不同的超低摩擦覆層。
50.權利要求48的方法，其中單個超低摩擦覆層的厚度以及兩個或更多超低摩擦覆層中各層的厚度范圍為0. 5微米到5000微米。
51.權利要求48的方法，其中超低摩擦覆層進一步包含一個或者多個緩沖層。
52.權利要求51的方法，其中一個或者多個緩沖層插入到主體組件外表面和單個超低摩擦層之間或者兩個或多個超低摩擦層之間。
53.權利要求51的方法，其中一個或多個緩沖層選自硅、鈦、鉻、鎢、鉭、鈮、釩、鋯或鉿的單質、合金、碳化物、氮化物、碳氮化物和氧化物。
54.權利要求36的方法，其中鉆柱包括一個或多個部件，所述部件選自鉆桿、鉆具接頭、鉆柱和井底鉆具組件之間的過渡管以及它們的組合。
55.權利要求36的方法，其中井底鉆具組件包含一個或多個部件，其選自穩(wěn)定器，可變徑穩(wěn)定器，回拉擴孔器，鉆鋌，撓曲鉆鋌，旋轉可控鉆具，牙輪擴眼器，減震器，井下動力鉆具，隨鉆測井(LWD)工具，隨鉆測量(MWD)工具，取心工具，下擴孔器，擴眼器，定中心器，渦輪，彎套，彎曲鉆具，鉆進震擊器，加速震擊器，轉向附件，下?lián)羝鳎ぞ亟档凸ぞ?，漂浮附件，打撈工具，打撈震擊器，沖洗管，測井工具，觀察工具附件，這些部件的任意無磁性對應物， 這些部件的相關外部連接，和它們的組合。
56.權利要求36的方法，其中超低摩擦覆層的動摩擦系數不低于該超低摩擦覆層靜摩擦系數的50%。
57.權利要求36的方法，其中超低摩擦覆層的動摩擦系數大于或者等于該超低摩擦覆層靜摩擦系數。
58.權利要求36的方法，其中在地下旋轉鉆進操作中，井下溫度范圍為20到400°F。
59.權利要求36、56或57的方法，其中在地下旋轉鉆進操作中，地面鉆進轉速范圍為0 到 200RPM。
60.權利要求36、56或57的方法，其中在地下旋轉鉆進操作中，鉆進泥漿壓力范圍為 14psi 到 20，OOOpsi。
61.權利要求56或57的方法，其中超低摩擦覆層提供了對扭轉震動不穩(wěn)定性的抵抗力，所述不穩(wěn)定性包括鉆柱和井底鉆具組件的粘-滑震動失效。
62.權利要求36的方法，其中主體組件外露表面至少一部分上的超低摩擦覆層提供了大于400VHN的硬度。
63.權利要求36的方法，其中主體組件外露表面至少一部分上的超低摩擦覆層，相比于無覆層鉆桿組件，提供了至少大3倍的抗磨損能力。
64.權利要求36的方法，其中主體組件外露表面至少一部分上的超低摩擦覆層提供了大于或者等于無覆層鉆桿組件的抗套筒磨損能力。
65.權利要求64的方法，其中主體組件外露表面至少一部分上的超低摩擦覆層，相比于無覆層鉆桿組件，提供了至少大3倍的抗套筒磨損能力。
66.權利要求36的方法，其中主體組件在其暴露外表面的至少一部分上進一步包含帶狀加硬層，來提供增強鉆桿組件的抗磨損性能和耐久性。
67.權利要求66的方法，其中帶狀加硬層包含金屬陶瓷基材料、金屬基體復合材料或者硬金屬合金。
68.權利要求36或66的方法，其中主體組件進一步包括隔離層，其插入到主體組件外表面和在外露表面的至少一部分上的帶狀加硬層或超低摩擦覆層之間，來提供增強的韌性和對殘余應力的吸收。
69.權利要求66的方法，其中隔離層包括不銹鋼或鎳基合金。
70.權利要求36的方法，其中主體組件外露表面至少一部分上的超低摩擦覆層通過在定向或大位移鉆進中實質上降低摩擦和拖拽，提供了扭矩方面的實質上降低，用現有的上部驅動能力來促進了鉆進更深和/或到達更遠。
71.權利要求36的方法，其進一步包括，在現場或者在當地供應點，將超低摩擦覆層施于鉆機的主體組件外露表面的至少一部分上，來重新施涂或者修整磨損的覆層，來延長使用壽命或者便利組件的繼續(xù)使用。
72.權利要求71的方法，其中超低摩擦覆層包含金剛石狀碳(DLC)。
73.權利要求72的方法，其中施涂金剛石狀碳(DLC)超低摩擦覆層包括，在氣相沉積覆層之前，通過機械密封和泵的手段將主體組件外露表面的至少一部分抽真空。
74.權利要求36的方法，其中在地下旋轉鉆進操作中使用帶連續(xù)油管的覆層鉆桿組件，提供了不平衡鉆進來達到目標總深度，而不需要在泥漿中添加減阻添加劑。
75.權利要求36的方法，其中在地下旋轉鉆進操作中使用覆層鉆桿組件，提供了摩擦和拖拽的實質上降低，而不損害連接到覆層鉆桿組件上的鉆頭的侵徹力，所述覆層鉆桿組件傳輸扭矩來破碎巖石。
76.權利要求36的方法，其中超低摩擦覆層的耐腐蝕性至少等于主體組件上的鋼的耐腐蝕性。
77.一種用于地下旋轉鉆進操作的覆層鉆桿組件，其包括一種具有暴露外表面的主體組件，其包括連接于井底鉆具組件的鉆柱或連接于井底鉆具組件的連續(xù)油管，在主體組件的暴露外表面的至少一部分上的帶狀加硬層，以及在帶狀加硬層的至少一部分上具有的超低摩擦覆層，其中超低摩擦覆層的摩擦系數小于或等于0. 15。
78.權利要求77的覆層鉆桿組件，其中超低摩擦覆層選自無定形合金，非電解鎳-磷復合材料、石墨、Mo&、W&、富勒烯基復合材料、硼化物基金屬陶瓷、準結晶材料、金剛石基材料、金剛石狀碳(DLC)、氮化硼、以及它們的組合。
79.權利要求78的覆層鉆桿組件，其中超低摩擦覆層是金剛石狀碳(DLC)。
80.權利要求79的覆層鉆桿組件，其中金剛石狀碳(DLC)選自ta-C、ta_C:H、DLCH、 PLCH、GLCH、Si-DLC, N-DLC, O-DLC, B-DLC, Me-DLC, F-DLC 和它們的組合。
81.權利要求77的覆層鉆桿組件，其中帶狀加硬層包含金屬陶瓷基材料、金屬基體復合材料或者硬金屬合金。
82.權利要求77的覆層鉆桿組件，其中主體組件進一步包含隔離層，其插入到主體組件外表面和帶狀加硬層之間。
83.權利要求82的覆層鉆桿組件，其中隔離層包括不銹鋼或鎳基合金。
84.權利要求77的覆層鉆桿組件，其中超低摩擦覆層包含單個超低摩擦覆層或者兩個或更多超低摩擦覆層。
85.權利要求84的覆層鉆桿組件，其中兩個或更多超低摩擦覆層是基本上相同或者不同的超低摩擦覆層。
86.權利要求84的覆層鉆桿組件，其中單個超低摩擦覆層的厚度以及兩個或更多超低摩擦覆層中各層的厚度范圍為0. 5微米到5000微米。
87.權利要求84的覆層鉆桿組件，其中超低摩擦覆層進一步包含一個或者多個緩沖層。
88.權利要求87的覆層鉆桿組件，其中一個或多個緩沖層選自硅、鈦、鉻、鎢、鉭、鈮、 釩、鋯或鉿的單質、合金、碳化物、氮化物、碳氮化物和氧化物。
89.一種降低用于地下旋轉鉆進操作的覆層鉆桿組件的摩擦的方法，其包括提供一種覆層鉆桿組件，其包括具有暴露外表面的主體組件，該主體組件包括連接于井底鉆具組件的鉆柱或連接于井底鉆具組件的連續(xù)油管，在主體組件的暴露外表面的至少一部分上的帶狀加硬層，和在帶狀加硬層的至少一部分上具有的超低摩擦覆層，其中超低摩擦覆層的摩擦系數小于或等于0. 15，并且在地下旋轉鉆進操作中使用該覆層鉆桿組件。
90.權利要求89的方法，其中超低摩擦覆層選自無定形合金、非電解鎳-磷復合材料、 石墨、Mo&、W&、富勒烯基復合材料、硼化物基金屬陶瓷、準結晶材料、金剛石基材料、金剛石狀碳(DLC)、氮化硼、以及它們的組合。
91.權利要求90的方法，其中超低摩擦覆層是金剛石狀碳(DLC)。
92.權利要求91的方法，其中金剛石狀碳(DLC)選自ta-C、ta-C:H、DLCH、PLCH、GLCH、 Si-DLC, N-DLC, O-DLC, B-DLC, Me-DLC, F-DLC 和它們的組合。
93.權利要求89的方法，其中帶狀加硬層包含金屬陶瓷基材料、金屬基體復合材料或者硬金屬合金。
94.權利要求89的方法，其中主體組件進一步包含隔離層，其插入到主體組件外表面和帶狀加硬層之間。
95.權利要求94的方法，其中隔離層包括不銹鋼或鎳基合金。
96.權利要求89的方法，其中超低摩擦覆層包含單個超低摩擦覆層或者兩個或更多超低摩擦覆層。
97.權利要求96的方法，其中兩個或更多超低摩擦覆層是基本上相同或者不同的超低摩擦覆層。
98.權利要求96的方法，其中單個超低摩擦覆層的厚度以及兩個或更多超低摩擦覆層中各層的厚度范圍為0. 5微米到5000微米。
99.權利要求96的方法，其中超低摩擦覆層進一步包含一個或者多個緩沖層。
100.權利要求99的方法，其中一個或多個緩沖層選自硅、鈦、鉻、鎢、鉭、鈮、釩、鋯或鉿的單質、合金、碳化物、氮化物、碳氮化物和氧化物。
101.權利要求89的方法，其中地下旋轉鉆進操作是定向的，包括水平鉆進或大位移鉆進(ERD)。
102.權利要求101的方法，其進一步包括在水平鉆進或者大位移鉆進(ERD)過程中，利用彎曲鉆具或者旋轉可控鉆具來輔助進行定向控制。
103.權利要求91的方法，其中金剛石狀碳(DLC)通過物理氣相沉積、化學氣相沉積，或者等離子增強化學氣相沉積(PECVD)包覆技術進行施涂。
104.權利要求103的方法，其中物理氣相沉積覆層方法選自RF-DC等離子反應活性磁控濺射，離子束輔助沉積，陰極電弧沉積和脈沖激光沉積。
全文摘要
提供了用于地下旋轉鉆進操作的帶超低摩擦覆層的鉆桿組件。在一種實施方式中，用于地下旋轉鉆進操作的覆層鉆桿組件包括具有暴露外表面的主體組件，該主體組件包括連接于井底鉆具組件的鉆柱或連續(xù)油管，以及在主體組件暴露外表面的至少一部分上的超低摩擦覆層，其中超低摩擦覆層的摩擦系數小于或等于0.15。在此公開的覆層鉆桿組件確保了摩擦的降低、震動(粘-滑和扭轉)的降低、在直孔或定向鉆進中的磨損降低，來允許機械鉆速的改進并且允許用現有地面驅動來進行超大位移鉆進。
文檔編號E21B17/10GK102187049SQ200980141400
公開日2011年9月14日 申請日期2009年8月20日 優(yōu)先權日2008年8月20日
發(fā)明者N·V·班加魯, A·奧賽克森, H·W·金, E·A·O·比迪格爾, J·R·貝利, V·古普塔, M·D·埃爾塔斯, W·C·艾爾克斯 申請人:?？松梨谘芯抗こ坦?br>