用于井下工具的高強(qiáng)度耐腐蝕超音速火焰(hvof)涂層的制作方法
【專利說明】用于井下工具的高強(qiáng)度耐腐蝕超音速火焰(HVOF)涂層
[0001] 關(guān)于聯(lián)邦政府贊助的研宄或開發(fā)的聲明
[0002] 不適用。
[0003] 背景 發(fā)明領(lǐng)域
[0004] 本發(fā)明總體上涉及增強(qiáng)井下工具和其它裝置的耐久性和工作壽命的涂層。更特 別地,本發(fā)明涉及施加至井下工具和其它裝置的超音速火焰(high-velocity-oxy-fuel) (HVOF)涂層,以增強(qiáng)強(qiáng)度,耐磨粒磨損,耐腐蝕,和耐剝落及開裂。
【背景技術(shù)】
[0005] 在向地表內(nèi)鉆探鉆孔(或鉆井孔)、諸如從地表巖層回收碳?xì)浠衔锘虻V物中,傳 統(tǒng)的做法是在"鉆柱"下端處連接鉆頭,然后旋轉(zhuǎn)鉆頭同時(shí)施加鉆壓,以允許鉆頭沿預(yù)定軌 跡向下推進(jìn)至地表中以形成鉆孔。典型的鉆柱由鉆管段首尾相連裝配組成,加一個(gè)設(shè)置在 鉆管段底部和鉆頭之間的"底部鉆具組合"(BHA)。該BHA典型地由附屬組件組成,諸如選 擇用于符合待鉆探的井的特殊要求的鉆鋌,穩(wěn)定器,擴(kuò)孔器和/或其它鉆具和配件。
[0006] 鉆柱和鉆頭經(jīng)常通過與鉆孔上的地表面上(或在海上鉆井作業(yè)中,海底支撐的鉆 井平臺(tái)或合適配合的浮船上)建造的鉆塔連接的"轉(zhuǎn)盤"或"頂部驅(qū)動(dòng)"的方式旋轉(zhuǎn)。在鉆 探過程中,憑借鉆柱在壓力下從地表向下泵送鉆探流體(通常被稱為"鉆探泥漿"或簡稱為 "泥漿"),離開鉆頭進(jìn)入鉆井孔,并且然后向上穿過鉆柱和鉆井孔之間的環(huán)形空間("井筒 環(huán)")回到地表。鉆探流體攜帶鉆孔切割物至地表,冷卻鉆頭,并在鉆孔壁上形成保護(hù)塊(以 穩(wěn)固及密封鉆孔壁),及其它有益的功能。在地表,除了其它可能的處理外,通過移除鉆孔切 割物而處理鉆探流體,然后憑借鉆柱在壓力下通過向井下泵送而進(jìn)行再循環(huán)。
[0007] 作為通過單獨(dú)的轉(zhuǎn)盤或頂部驅(qū)動(dòng)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的替換,鉆頭同樣可以使用在緊靠鉆頭 上方整合進(jìn)BHA的"井下馬達(dá)"旋轉(zhuǎn)。通過采用井下馬達(dá)旋轉(zhuǎn)鉆頭而不旋轉(zhuǎn)鉆柱的鉆探技 術(shù)通常被稱為"滑動(dòng)"鉆探。在某些類型的鉆井作業(yè)中通常在作業(yè)的不同階段使用滑動(dòng)鉆 探和鉆柱旋轉(zhuǎn)。
[0008] 從鉆探作業(yè)獲得的鉆孔典型地與固定到位的套管一致,并且然后完井以開始從儲(chǔ) 層生產(chǎn)碳?xì)浠衔锪黧w。
[0009] 在鉆探和生產(chǎn)作業(yè)中,多種裝置,管件,井下工具,和相關(guān)的金屬器件遭受嚴(yán)酷的 井下狀況。例如,井下工具和裝置通常暴露至軸向和徑向沖擊負(fù)荷,源自與外部組件接觸滑 動(dòng)的摩擦負(fù)載,高壓力,腐蝕流體,磨粒流體,或其組合。這些狀況可能有害地磨損和/或降 低該工具和裝置的工作壽命。因此,專門的涂層,被稱為金屬噴涂層,通常施加至這些工具 和裝置的外表面以保護(hù)它們免受嚴(yán)酷的狀況。
[0010] 超音速火焰WC-10C〇-4Cr (HVOF)涂層是用在鉆探工具上的傳統(tǒng)金屬噴涂層的一 種類型。HVOF涂層確實(shí)提供加強(qiáng)的保護(hù),但是,常見的失效模式,包括起泡,剝落,和開裂已 在該領(lǐng)域觀察到。
[0011] 因此,本領(lǐng)域仍然有用于井下工具和裝置的改進(jìn)的金屬噴涂層材料的需求。該金 屬噴涂層材料與傳統(tǒng)金屬噴涂層相比如果它們提供加強(qiáng)的屈服強(qiáng)度,耐腐蝕性,和耐熱沖 擊性,將特別地受到好評(píng)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0012] 在一個(gè)實(shí)施方式中通過井下工具滿足本領(lǐng)域的這些和其它需求。在一個(gè)實(shí)施方式 中,井下工具包括由金屬或金屬合金制成的主體。另外,該井下工具包括設(shè)置在主體上的涂 層。該涂層包括至少75體積%的平均晶粒尺寸小于1.0 μπι的碳化鎢。涂層中晶粒尺寸小 于0. 5 μ??的碳化鎢的含量在涂層的40至64體積%之間。
[0013] 在另一個(gè)實(shí)施方式中通過一種用于在井下工具上形成保護(hù)涂層的方法滿足本領(lǐng) 域的這些和其它需求。在一個(gè)實(shí)施方式中,該方法包括(a)采用熱噴涂體系沉積金屬粉末 至井下工具。該金屬粉末包括至少75體積%的碳化鎢。另外,該方法包括(b)在(a)過程 中在井下工具上形成厚度大于0.002英寸的涂層。進(jìn)一步,該方法包括(c)保持涂層中晶 粒尺寸小于0. 5 μπι的碳化鎢的含量在涂層的40至64體積%之間。
[0014] 在另一個(gè)實(shí)施方式中通過鉆探體系滿足本領(lǐng)域的這些和其它需求。在一個(gè)實(shí)施方 式中,該體系包括從鉆塔延伸至井下的鉆柱。另外,該系統(tǒng)包括耦合至鉆柱的井下馬達(dá)。該 井下馬達(dá)包括耦合至軸承組件的驅(qū)動(dòng)部分。進(jìn)一步,該體系包括耦合至井下馬達(dá)的鉆頭。 該軸承組件包括殼體和可旋轉(zhuǎn)支撐(rotatably supported)在殼體內(nèi)的芯棒。該芯棒包括 主體和沉積在主體外表面上的保護(hù)涂層。該涂層包括至少75體積%的平均晶粒尺寸小于 I. 0 μπι的碳化鎢。涂層中晶粒尺寸小于0. 5 μπι的碳化鎢的含量在涂層的40至64體積% 之間。
[0015] 在此描述的實(shí)施方式包括試圖解決與某些現(xiàn)有裝置、體系和方法相關(guān)的多種缺點(diǎn) 的特性和優(yōu)勢(shì)的組合。前述已經(jīng)很廣泛地概述了本發(fā)明的特性和技術(shù)優(yōu)勢(shì),以便以下本發(fā) 明的詳細(xì)描述可被更好地理解。以上描述的多種特性,以及其它特性對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員 來說在閱讀以下詳細(xì)描述的基礎(chǔ)上及通過參考附圖將是顯而易見的。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該 意識(shí)到,公開的構(gòu)思和特定的實(shí)施方式可容易作為修改或設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)與本發(fā)明相同的目 的的其它結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。本領(lǐng)域技術(shù)人員同樣應(yīng)該認(rèn)識(shí)到這樣的等同結(jié)構(gòu)不超出所附的權(quán)利 要求中提出的本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和范圍。
【附圖說明】
[0016] 為了詳細(xì)地描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式,現(xiàn)在將參考附圖,其中:
[0017] 圖1是一個(gè)鉆探系統(tǒng)的實(shí)施方式的示意圖,包括根據(jù)在此描述的原理的軸承芯 棒;
[0018] 圖2是圖1的井下馬達(dá)的縱向截面圖;
[0019] 圖3是圖2的芯棒的縱向截面圖;
[0020] 圖4A-4C是表1中列出的三個(gè)HVOF WC-10C〇-4Cr涂層樣品的微觀結(jié)構(gòu)的掃描電 子顯微照片;
[0021] 圖5A-?是表1和2中列出的四個(gè)HVOF WC-10C〇-4Cr涂層在熱沖擊測(cè)試和染色 滲透檢測(cè)后的每個(gè)樣品的照片;
[0022] 圖6A-6D是表1和2中列出的四個(gè)HVOF WC-10C〇-4Cr涂層在腐蝕測(cè)試后的每個(gè) 樣品的照片;
[0023] 圖7是依據(jù)表3中列出的每個(gè)HVOF WC-10C〇-4Cr涂層樣品中尺寸小于0. 5μπι的 碳化鎢的體積百分?jǐn)?shù)的裂紋密度的圖解說明;及
[0024] 圖8是一個(gè)包括根據(jù)在此描述的原理的HVOF WC-10C〇-4Cr涂層的徑向軸承實(shí)施 方式的分解圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 以下討論針對(duì)本發(fā)明的多個(gè)實(shí)施方式。盡管可優(yōu)選這些實(shí)施方式的一個(gè)或多個(gè), 但是公開的實(shí)施方式不應(yīng)該解釋為,或另外用于限定本公開、包括權(quán)利要求的范圍。另外, 本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解以下的描述具有廣泛的應(yīng)用,并且討論的任一實(shí)施方式僅僅是該 實(shí)施方式的示例,并且不是意在宣布本公開、包括權(quán)利要求的范圍限于該實(shí)施方式。
[0026] 以下描述和權(quán)利要求中使用一些術(shù)語指代特定的特征或組件。作為本領(lǐng)域的技術(shù) 人員將意識(shí)到不同的人可能采用不同的名稱指代相同的特征或組件。該文件不是意在區(qū)分 名稱上不同而非功能上不同的組件或特征。附圖不一定是按照比例的。在此的一些特征或 組件可依比例放大或以稍微圖解的形式顯示,并且為了清晰和簡潔,傳統(tǒng)元件的一些細(xì)節(jié) 將不示出。
[0027] 在以下討論和權(quán)利要求中,術(shù)語"包括"和"包含"用于開放式形式,并且因此應(yīng)解 釋為"包括,但不限于..."。同時(shí),術(shù)語"耦合"欲指間接或直接連接。因此,如果第一裝置 耦合至第二裝置,該連接可直接連接,或通過經(jīng)其它裝置、組件和連接的非直接連接。另外, 在本文中使用時(shí),術(shù)語"軸向的"和"軸向地"一般指沿或平行于中心軸(例如主體或接口 的中心軸),同時(shí)術(shù)語"徑向的"和"徑向地" 一般指垂直于中心軸。例如,軸向距離指沿或 平行于中心軸測(cè)量的距離,并且徑向距離指垂直于中心軸測(cè)量的距離。
[0028] 現(xiàn)在參考附圖1,顯示了用于在地球?qū)游粌?nèi)鉆探鉆孔16的鉆探系統(tǒng)10。在這個(gè)實(shí) 施方式中,系統(tǒng)10包括在地面的鉆塔11,從鉆塔11向井下延伸的鉆柱12,井下馬達(dá)20,和 耦合至馬達(dá)20的鉆頭15。井下馬達(dá)20包括液壓驅(qū)動(dòng)或動(dòng)力部分30,彎殼體21,和軸承組 件40。馬達(dá)20構(gòu)成了底部鉆具組合(BHA)的一部分并設(shè)置在鉆柱12的下端與鉆頭15之 間。液壓驅(qū)動(dòng)部分30將沿鉆柱12向下泵送的鉆探流體壓力轉(zhuǎn)換為鉆頭15上的旋轉(zhuǎn)能量。 通過鉆柱12和/或馬達(dá)20施加力或重量至鉆頭15,同樣稱為鉆壓(WOB),旋轉(zhuǎn)的鉆頭15 嚙合地球地層并行進(jìn)以形成沿預(yù)定路徑朝向目標(biāo)區(qū)域的鉆孔16。沿鉆柱12向下泵送并經(jīng) 過馬達(dá)20的鉆探流體或泥漿通過位于鉆頭刃面內(nèi)的噴嘴穿過鉆頭15。鉆探流體冷卻鉆頭 15并從鉆頭15的刃面沖走切割物。鉆探流體和切割物被從鉆孔16的底部17推動(dòng)通過在 鉆柱12和鉆孔側(cè)壁19之間形成的環(huán)帶18至地面。
[0029] 現(xiàn)在參考圖2,彎殼體21設(shè)置在驅(qū)動(dòng)部分30和軸承組件40之間。液壓驅(qū)動(dòng)部分 30包括螺旋形轉(zhuǎn)子31,其優(yōu)選由出于耐磨和耐腐蝕目的可以是鍍鉻的或被涂覆了的鋼制 成,被安放在定子35內(nèi),所述定子包括沿螺旋形彈性體插入物37排列的熱處理過的鋼管 3