管狀螺紋部件及涂覆這種管狀螺紋部件的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用于鉆探和/或開采烴類井的管狀元件，其具有包括至少一個螺紋區(qū)(3；4)的端部(1；2)，其特征在于該端部(1；2)至少部分地涂覆有包含基質(zhì)(13)的干燥膜(12)，所述基質(zhì)(13)包含由至少一種堿性聚硅酸鹽和至少一種半結(jié)晶熱塑性有機聚合物構(gòu)成的混合物。本發(fā)明還涉及在用于鉆探和/或開采烴類井的管狀部件上獲得包含基質(zhì)(13)的干燥膜(12)的方法，所述基質(zhì)(13)包含由至少一種堿性聚硅酸鹽和至少一種半結(jié)晶熱塑性有機聚合物構(gòu)成的混合物。
【專利說明】管狀螺紋部件及涂覆這種管狀螺紋部件的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及旨在鉆探和/或開采烴類井的管狀元件，并且更確切地涉及這種元件的螺紋端部。這種端部可以是陽型或陰型的，并且能夠接合到類似元件的對應(yīng)端部，形成接頭或者連接件。
[0002]本發(fā)明還涉及由借助于兩個管狀元件的旋緊的接合而得到的螺紋接頭。
[0003]術(shù)語“旨在鉆探和開采烴類井的管狀元件”被理解為是指以下所述的任何元件:該元件是基本上管狀的形式，能夠與相同類型或非相同類型的另一元件組裝，以尤其構(gòu)成能夠鉆探烴類井的套件(garniture),或者用于維護(也被稱作修井立管(work overriser))或者用于開采這種井的海底上升管(colonne montante sous-marine),如提升管，或者在井開采中所涉及的套管柱或生產(chǎn)套管。本發(fā)明還可應(yīng)用于在鉆探套件中使用的元件，如鉆桿或者英文的“Drill Pipes”,重型鉆桿或者英文的“Heavy Weight DrillPipes”，鉆鋌或者英文的“Drill Collars”，以及鉆桿和重型鉆桿的接頭部分，在英文中稱作“tool joint (鉆具接頭)”。

【背景技術(shù)】
[0004]每個管狀元件包括提供有陽螺紋區(qū)或陰螺紋區(qū)的端部，旨在與類似元件的對應(yīng)端部旋緊。一旦組裝，則這些元件構(gòu)成了所謂的接頭或連接件。
[0005]連接件的這些螺紋管狀部件在限定的應(yīng)力(contraintes)下組裝，以便滿足由使用條件所施加的緊固和密封要求。而且應(yīng)當(dāng)已知，螺紋管狀部件可經(jīng)歷多個旋緊(vissage)和旋出(d6vissage)的循環(huán),尤其是在工作狀態(tài)下。
[0006]這些螺紋管狀部件的使用條件導(dǎo)致不同類型的應(yīng)力，這使得需要在這些部件的敏感部分如螺紋區(qū)、抵靠區(qū)(zones en butee)或密封表面上使用膜。
[0007]因而，旋緊操作通常在高軸向載荷下進行，例如這歸因于借助螺紋接頭組裝的數(shù)米長的管的重量，這有可能由于要組裝的螺紋元件的軸的輕微不重合而加重。這導(dǎo)致在金屬/金屬密封表面處和/或螺紋區(qū)處的咬剎(grippage)風(fēng)險。通常用潤滑劑涂覆金屬/金屬密封表面以及螺紋區(qū)。
[0008]而且，螺紋管狀部件常常在侵蝕性環(huán)境中保存，然后旋緊。這例如是存在鹽霧的“離岸”情形或者存在砂、灰塵和/或其它污染物的“岸上”情形的情況。因而需要使用在表面上抗腐蝕的膜，所述表面要通過旋緊(螺紋區(qū)的情況)或緊固接觸(金屬/金屬密封表面和抵靠區(qū)的情況)來協(xié)同工作(coop6rer)。
[0009]然而，考慮到環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，看來符合標(biāo)準(zhǔn)API RP5A3(美國石油組織)的油脂的使用并沒有構(gòu)成長期解決方案，因為這些油脂可被從管狀部件中擠出并釋放到環(huán)境中或井中，從而導(dǎo)致堵塞，而該堵塞需要特殊的清潔操作。
[0010]為了回應(yīng)對于腐蝕、咬剎的長期耐受性問題以及與環(huán)境有關(guān)的優(yōu)先特性，已經(jīng)開發(fā)了固體膜，所述膜是干燥的(即，不同于油脂的非糊狀的)，所述膜是潤滑性且保護性的。
[0011] 通常，用于與鉆探和開采烴類井有關(guān)的應(yīng)用的螺紋系統(tǒng)上所使用的所有干燥膜均基于有機或無機基質(zhì)。
[0012]對于熱穩(wěn)定性和在剪切和壓縮應(yīng)力下的耐磨性的標(biāo)準(zhǔn)的令人滿意的第一個回應(yīng)是由環(huán)氧類型的熱固性樹脂類的有機基質(zhì)帶來的。環(huán)氧樹脂提供高韌性(90MPa)、高硬度(65-89肖氏D)和高壓縮強度(> 10MPa)。通過將該樹脂的所述性能與MoS2或PTFE類型的固體潤滑劑結(jié)合，干燥膜符合目前的抗咬剎要求。有機粘結(jié)劑與固體潤滑劑的適當(dāng)組合可確保所述表面足夠長時間的分離以防止咬剎。無定形熱固性膜具有的優(yōu)點是通過交聯(lián)提供三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這因而賦予了其高硬度。例如可引述文獻W02004033951和W02007063079，其公開了富含分散在占少量的環(huán)氧樹脂中的片狀鋅的干燥膜，作為直接應(yīng)用于表面制備的保護和結(jié)合(accrochage)性的層。
[0013]還開發(fā)了基于干燥膜的其它解決方案，所述干燥膜基于在占多數(shù)的環(huán)氧樹脂中的PTFE類型的含氟聚合物。
[0014]但是，引入了高比例礦物填料的這種類型的膜在低于其玻璃轉(zhuǎn)變溫度的溫度范圍內(nèi)在應(yīng)力下具有脆性特性。
[0015]另外，這種有機樹脂的使用需要使用有機溶劑來促進潤濕和施涂。這些溶劑通常選自下列:異丙醇、乙酸丁酯、二甲苯或甲苯，并且目前在與環(huán)境有關(guān)的新法規(guī)下受到限制。這是因為某些被歸類為“CMR物質(zhì)”(致癌、誘變、生殖毒性)。
[0016]在文獻W02001016516中詳述的第二個回應(yīng)使得能夠獲得某些機械、熱和化學(xué)耐性，它提出使用僅僅無機聚合物類型的基質(zhì)。有利地，無機聚合物如烷氧基鈦酸鹽、烷氧基鋯酸鹽和乙基聚硅酸鹽形成致密的三維交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)并且在金屬表面上具有高附著性。它們的耐熱性可高達1200°C。引入了固體潤滑劑如MoS2的其它丁基聚鈦酸鹽聚合物已經(jīng)被認(rèn)為是它們的抗咬剎性能的促進劑。
[0017]但是，這些無機聚合物類型的基質(zhì)的使用基于通過根據(jù)溶膠-凝膠技術(shù)的兩步無機聚合(水解和縮合)的獲得方法，所述溶膠-凝膠技術(shù)涉及酸性或堿性催化劑以及極性有機溶劑(醇、酮、烴)，對它們的使用受到新環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的控制。
[0018]已經(jīng)考慮了第三個回應(yīng)，其基于以水性乳液使用丙烯酸系熱塑性樹脂或它們的共聚物，并且例如描述于文獻W02007042231中。
[0019]但是，與烯屬單體(苯乙烯、乙烯基或甲基丙烯酸酯)共聚的丙烯酸系樹脂主要是半結(jié)晶的。因而在應(yīng)力下的表現(xiàn)行為是彈性體或剛性的，但耐剪切性不足。在這兩種情況下，固體潤滑劑無法適當(dāng)?shù)赜糜趦?yōu)化抗咬剎性能。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0020]為了克服環(huán)境問題并且為了產(chǎn)生易于施加、附著性、防腐蝕和耐磨性的涂層，本發(fā)明提出組合有機聚合物和無機聚合物的性能以克服它們相應(yīng)的缺點。本發(fā)明在于由固體潤滑劑系統(tǒng)產(chǎn)生轉(zhuǎn)移層，其經(jīng)由具有有機-無機混合基質(zhì)的復(fù)合材料固定到表面上，該復(fù)合材料同時具有耐磨耗性和對外部侵害的化學(xué)穩(wěn)定性。
[0021]特別地，本發(fā)明涉及用于鉆探和/或開采烴類井的管狀元件，其具有包括至少一個螺紋區(qū)的端部，其特征在于該端部至少部分地涂覆有包含基質(zhì)的干燥膜，所述基質(zhì)包含由至少一種堿性聚硅酸鹽和至少一種半結(jié)晶熱塑性有機聚合物構(gòu)成的混合物。
[0022]下文描述了作為補充或者替代的任選特征。
[0023]該半結(jié)晶熱塑性有機聚合物可以是苯乙烯-丙烯酸系共聚物。
[0024]該堿性聚硅酸鹽可屬于由聚硅酸鈉、聚硅酸鉀、聚硅酸鋰所限定的類別。
[0025]所述聚硅酸鹽可以是具有范圍為1-3.5、優(yōu)選大于或等于2.5的Si02/K20重量比的堿性聚硅酸鉀。
[0026]在該干燥膜中堿性聚硅酸鹽與半結(jié)晶熱塑性有機聚合物之間的重量比可以是
0.2-3.5，優(yōu)選小于或等于0.5。
[0027]以干燥膜涂覆的端部可預(yù)先經(jīng)歷選自以下類型的表面制備:噴砂、轉(zhuǎn)換處理、電解沉積和非反應(yīng)性處理。
[0028]該干燥膜還可包含至少一種作為減摩劑的固體潤滑劑，其質(zhì)量比例為5% _30%。
[0029]該固體潤滑劑選自石墨、Bi2S3、SnS2、仲酰胺蠟和石蠟。
[0030]該干燥膜還可包含腐蝕抑制劑。
[0031]該干燥膜還可包含膠態(tài)二氧化硅。
[0032]所述螺紋區(qū)的全部可涂覆有干燥膜。
[0033]所述螺紋端部可包括至少一個旨在用于金屬/金屬接觸的密封表面，并且所述密封表面可涂覆有潤滑性干燥膜。
[0034]本發(fā)明還涉及用于鉆探和/或開采烴類井的管狀接頭(joint)，其包括至少一個具有螺紋端部的管狀元件，所述螺紋端部至少部分地涂覆有根據(jù)本發(fā)明的潤滑性干燥膜。
[0035]本發(fā)明還涉及在用于鉆探或開采烴類井的螺紋管狀部件上獲得干燥膜的方法，所述管狀部件在其端部之一具有螺紋區(qū)，所述螺紋區(qū)取決于該螺紋端部是陽型還是陰型而在其外部或內(nèi)部周圍表面上產(chǎn)生，其特征在于該方法包括以下步驟:
[0036]-生產(chǎn)包含丙烯酸系共聚物的水性乳液或分散體與堿性聚硅酸鹽的溶液的混合物，所述丙烯酸系共聚物選自苯乙烯-丙烯酸系、丙烯酸系-甲基丙烯酸酯、苯乙烯-丙烯酸系-甲基丙烯酸酯、脂族聚氨酯-丙烯酸系、聚丙烯酸酯、乙酸乙烯酯-乙烯-氯乙烯類型的三元共聚物，并且所述堿性聚硅酸鹽選自聚硅酸鉀、聚硅酸鈉、聚硅酸鋰；
[0037]-在20°C-40°C的溫度下通過噴霧將液態(tài)的所述混合物施加到所述螺紋管狀部件的端部之一上；
[0038]-在從混合物施加溫度一直到最大80°C的不斷升高的溫度下干燥涂覆有膜的端部，并且這是在至少15分鐘的持續(xù)時間內(nèi)進行的；
[0039]-在80°C -160 °C的溫度下在30-60分鐘的持續(xù)時間內(nèi)使該膜致密化(densificat1n)。
[0040]該致密化步驟可后接在160°C下持續(xù)時間為120-240分鐘的硬化步驟。
[0041]通過噴霧施加混合物的步驟可在與螺紋管狀部件的端部的溫度接近的溫度下進行。
[0042]生產(chǎn)丙烯酸系共聚物的水性乳液或分散體與堿性聚硅酸鹽的溶液的混合物的步驟可在大于或等于9.5的pH值下進行。
[0043]該丙烯酸系共聚物的水性乳液或分散體可包含增稠劑。
[0044]該丙烯酸系共聚物的水性乳液或分散體可包含穩(wěn)定劑。
[0045]該丙烯酸系共聚物的水性乳液或分散體可包含聚結(jié)劑。
[0046]該丙烯酸系共聚物的水性乳液或分散體與堿性聚硅酸鹽的溶液的混合物可包含硬化劑。
[0047]該丙烯酸系共聚物的水性乳液或分散體與堿性聚硅酸鹽的溶液的混合物可包含固體潤滑劑，選自石墨、Bi2S3、SnS2、仲酰胺蠟、石蠟，其最終質(zhì)量比例為5% -30%。
[0048]該丙烯酸系共聚物的水性乳液或分散體與堿性聚硅酸鹽的溶液的混合物可包含腐蝕抑制劑。
[0049]該丙烯酸系共聚物的水性乳液或分散體與堿性聚硅酸鹽的溶液的混合物可包含膠態(tài)二氧化硅。
[0050]用于將所述混合物施加到所述螺紋管狀部件的一個端部的步驟之前可以是選自以下類型的表面制備步驟:噴砂、轉(zhuǎn)換處理、電解沉積、以及非反應(yīng)性處理。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0051]在參考附圖的以下描述中將更詳細(xì)地揭示本發(fā)明的特征和優(yōu)點。
[0052]圖1是通過旋緊組裝兩個管狀部件所獲得的接頭的示意圖。
[0053]圖2是兩個螺紋管狀部件的旋緊曲線的示意圖。
[0054]圖3是涂覆有潤滑性干燥膜的基底的示意圖。
[0055]圖4是試驗設(shè)備的示意圖。

【具體實施方式】
[0056]圖1所示的螺紋接頭包括具有陽型端部I的旋轉(zhuǎn)軸10的第一管狀部件，以及具有陰型端部2的旋轉(zhuǎn)軸10的第二管狀部件。兩個端部I和2各自具有與它們相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)軸10垂直布置的末端表面并且各自配備有螺紋區(qū)3和4，它們通過旋緊部件相互組裝而彼此協(xié)同工作。螺紋區(qū)3和4可以是以下類型的螺紋區(qū)，其具有梯形的、自鎖的或者其它的螺紋。此外，在通過旋緊組裝兩個螺紋部件之后，旨在彼此相抵密封緊固接觸的金屬/金屬密封表面5、6分別在接近螺紋區(qū)3、4的陽型端部I和陰型端部2上提供。陽型端部I的部分具有末端表面7，當(dāng)兩個部件彼此旋緊時，該末端表面7抵靠陰型端部2上提供的相應(yīng)表面8。
[0057]根據(jù)一種實施變化形式，末端表面7和相應(yīng)表面8之間的抵靠可由諸如在US482208UUS RE30647或US RE34467中所述類型的通過自鎖緊固協(xié)同工作而布置的螺紋區(qū)3、4來替代。
[0058] 正如由圖1和3可看到的，管狀部件的至少之一的末端I或2至少部分地涂覆有包含基質(zhì)的干燥膜12，所述基質(zhì)由堿性聚硅酸鹽與半結(jié)晶熱塑性有機聚合物的混合物構(gòu)成。這里使用的術(shù)語“干燥膜”是指不觸粘的固體膜。
[0059]堿性聚硅酸鹽的優(yōu)點在于它們具有與熱交聯(lián)的環(huán)氧樹脂類似的摩擦學(xué)和熱機械性能。此外，在薄膜的情況下，堿性聚硅酸鹽具有產(chǎn)生與表面優(yōu)先的強結(jié)合的能力，因為它們是足夠極性的。盡管具有無定形結(jié)構(gòu)，堿性聚硅酸鹽如果在低于它們的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的溫度范圍內(nèi)荷載的話則處于玻璃質(zhì)狀態(tài)。這導(dǎo)致在應(yīng)力下的材料的低粘彈性、也即高剛性和低可變形性。
[0060]下圖是無定形堿性聚硅酸鹽的三維結(jié)構(gòu)的示意表示:
[0061]

【權(quán)利要求】
1.用于鉆探和/或開采烴類井的管狀元件，其具有包括至少一個螺紋區(qū)(3；4)的端部(I ;2)，其特征在于該端部(I ；2)至少部分地涂覆有包含基質(zhì)(13)的干燥膜(12)，所述基質(zhì)(13)包含由至少一種堿性聚硅酸鹽和至少一種半結(jié)晶熱塑性有機聚合物構(gòu)成的混合物。
2.根據(jù)前個權(quán)利要求的元件，其特征在于該半結(jié)晶熱塑性有機聚合物是苯乙烯-丙烯酸系共聚物。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項的元件，其特征在于該堿性聚硅酸鹽屬于由聚硅酸鈉、聚硅酸鉀、聚硅酸鋰所限定的類別。
4.根據(jù)前個權(quán)利要求的元件，其特征在于所述聚硅酸鹽是具有范圍為1-3.5、優(yōu)選大于或等于2.5的Si02/K20重量比的堿性聚硅酸鉀。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項的元件，其特征在于在該干燥膜中堿性聚硅酸鹽與半結(jié)晶熱塑性有機聚合物之間的重量比是0.2-3.5，優(yōu)選小于或等于0.5。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項的元件，其特征在于以干燥膜涂覆的端部預(yù)先經(jīng)歷選自以下類型的表面制備:噴砂、轉(zhuǎn)換處理、電解沉積、以及非反應(yīng)性處理。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項的元件，其特征在于該干燥膜還包含至少一種作為減摩劑的固體潤滑劑，其質(zhì)量比例為5^-30?^
8.根據(jù)前個權(quán)利要求的元件，其特征在于該固體潤滑劑選自石墨、Bi2S3、SnS2、仲酰胺蠟、石蠟。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項的元件，其特征在于該干燥膜還包含腐蝕抑制劑。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項的元件，其特征在于該干燥膜還包含膠態(tài)二氧化硅。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項的元件，其特征在于所述螺紋區(qū)(3;4)的全部涂覆有干燥膜(12)。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項的元件，其中所述端部(I；2)包括至少一個旨在用于金屬/金屬接觸的密封表面，并且所述密封表面涂覆有潤滑性干燥膜(12)。
13.用于鉆探和/或開采烴類井的管狀接頭，其包括至少一個具有端部(1;2)的管狀元件，其特征在于此端部(I ;2)至少部分地涂覆有如在前述權(quán)利要求中限定的包含無機-有機基質(zhì)(13)的干燥膜(12)。
14.在用于鉆探或開采烴類井的螺紋管狀部件上獲得干燥膜的方法，所述管狀部件在其端部(I ;2)之一具有螺紋區(qū)(3 ;4)，所述螺紋區(qū)(3 ；4)取決于該螺紋端部是陽型還是陰型而在其外部或內(nèi)部周圍表面上產(chǎn)生，其特征在于該方法包括以下步驟: -生產(chǎn)包含丙烯酸系共聚物的水性乳液或分散體與堿性聚硅酸鹽的溶液的混合物，所述丙烯酸系共聚物選自苯乙烯-丙烯酸系、丙烯酸系-甲基丙烯酸酯、苯乙烯-丙烯酸系-甲基丙烯酸酯、脂族聚氨酯-丙烯酸系、聚丙烯酸酯、乙酸乙烯酯-乙烯-氯乙烯類型的三元共聚物，并且所述堿性聚硅酸鹽選自聚硅酸鉀、聚硅酸鈉、聚硅酸鋰； -在20°C _40°C的溫度下通過噴霧將液態(tài)的所述混合物施加到所述螺紋管狀部件的端部(I ；2)之一上； -在從混合物施加溫度一直到最大80°C的不斷升高的溫度下干燥涂覆有膜的端部，并且這是在至少15分鐘的持續(xù)時間內(nèi)進行的； -在80°C _160°C的溫度下在30-60分鐘的持續(xù)時間內(nèi)使該膜致密化。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的在螺紋管狀部件上獲得干燥膜的方法，其特征在于該致密化步驟后接在160°C下持續(xù)時間為120-240分鐘的硬化步驟。
16.根據(jù)權(quán)利要求14-15任一項的在螺紋管狀部件上獲得干燥膜的方法，其特征在于通過噴霧施加混合物的步驟在與螺紋管狀部件的端部(I ；2)的溫度接近的溫度下進行。
17.根據(jù)權(quán)利要求14-16任一項的在螺紋管狀部件上獲得干燥膜的方法，其特征在于生產(chǎn)丙烯酸系共聚物的水性乳液或分散體與堿性聚硅酸鹽的溶液的混合物的步驟在大于或等于9.5的pH值下進行。
18.根據(jù)權(quán)利要求14-17任一項的在螺紋管狀部件上獲得干燥膜的方法，其特征在于該丙烯酸系共聚物的水性乳液或分散體包含增稠劑。
19.根據(jù)權(quán)利要求14-18任一項的在螺紋管狀部件上獲得干燥膜的方法，其特征在于該丙烯酸系共聚物的水性乳液或分散體包含穩(wěn)定劑。
20.根據(jù)權(quán)利要求14-19任一項的在螺紋管狀部件上獲得干燥膜的方法，其特征在于該丙烯酸系共聚物的水性乳液或分散體包含聚結(jié)劑。
21.根據(jù)權(quán)利要求14-20任一項的在螺紋管狀部件上獲得干燥膜的方法，其特征在于該丙烯酸系共聚物的水性乳液或分散體與堿性聚硅酸鹽的溶液的混合物包含硬化劑。
22.根據(jù)權(quán)利要求14-21任一項的在螺紋管狀部件上獲得干燥膜的方法，其特征在于該丙烯酸系共聚物的水性乳液或分散體與堿性聚硅酸鹽的溶液的混合物包含固體潤滑劑，選自石墨、Bi2S3、SnS2、仲酰胺蠟、石蠟，其最終質(zhì)量比例為5% -30%。
23.根據(jù)權(quán)利要求14-22任一項的在螺紋管狀部件上獲得干燥膜的方法，其特征在于該丙烯酸系共聚物的水性乳液或分散體與堿性聚硅酸鹽的溶液的混合物包含腐蝕抑制劑。
24.根據(jù)權(quán)利要求16-26任一項的在螺紋管狀部件上獲得干燥膜的方法，其特征在于該丙烯酸系共聚物的水性乳液或分散體與堿性聚硅酸鹽的溶液的混合物包含膠態(tài)二氧化硅。
25.根據(jù)權(quán)利要求14-24任一項的在螺紋管狀部件上獲得干燥膜的方法，其特征在于用于將所述混合物施加到所述螺紋管狀部件的一個端部(I ;2)的步驟之前是選自以下類型的表面制備步驟:噴砂、轉(zhuǎn)換處理、電解沉積、以及非反應(yīng)性處理。
【文檔編號】F16L58/04GK104080895SQ201280065343
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2012年12月20日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月29日
【發(fā)明者】E·加德, M·古伊德, M·佩蒂特, E·皮內(nèi)爾 申請人:瓦盧萊克油氣法國公司, 新日鐵住金株式會社