油井管螺紋塗層潤滑結構及製造方法與流程
2023-12-02 18:21:01 1
本發明提供一種油井管螺紋塗層潤滑結構及製造方法，與傳統的油井管使用相比，此潤滑方式通過預先固化一種潤滑塗層在螺紋表面，從而達到在油田現場使用時不再需要塗抹螺紋脂的效果，這就是無螺紋脂技術，除了常規替代外，尤其針對一些特殊的不便使用螺紋脂的油田環境，大大方便了下井操作。
背景技術：
在油氣開採中，油井管接頭與接箍螺紋在擰緊時存在極高的接觸壓力，為了降低粘扣的趨勢，螺紋上需要塗抹螺紋脂進行潤滑和密封。常規的螺紋脂以油基脂為基礎，輔以各種添加劑和金屬鉛、鋅、銅、石墨粉等固體填料，主要用在油井管的連接部位，在擰接過程中可以起到輔助潤滑、密封和保護作用。
目前油田廣泛使用的螺紋脂主要分為兩類：
1.金屬型螺紋脂，在螺紋脂中加入鋅、鉛、銅等金屬添加劑；
2.非金屬型螺紋脂，螺紋脂中不含有重金屬添加劑；
為了解決螺紋脂對環境的汙染問題，非金屬型螺紋脂應運而生，它是金屬型螺紋脂的升級產品，使用之後能被生物降解，對環境無害，對海洋生物也沒有什麼副作用，因此在石油開採鑽井中得到了廣泛應用，但始終沒有解決油井管螺紋需人工塗抹螺紋脂這一現狀。也就是說，無論什麼螺紋脂都是以塗抹的方式施工於油井管螺紋表面的。
儘管油井管廠家紛紛制定了螺紋脂的使用要求，對於螺紋脂的塗抹進行規範，但在下井操作過程中，螺紋脂的用量標準難以準確控制，導致螺紋脂在使用過程存在以下三種情況：
第一，塗抹過量，機緊後多餘的螺紋脂墜入井底聚積導致整個井身需要定期清洗，增加鑽採成本；
第二，多餘的螺紋脂散落在井口及操作平臺，並使鑽井平臺更加溼滑，對現場人員在操作過程中造成安全隱患；
第三，螺紋脂的塗敷量與均勻性嚴重影響著螺紋接觸面的摩擦係數，在一定程度上影響著螺紋上扣扭矩的精準控制。
在世界經濟高速發展階段，能源需求日益增加，全球已探明的高儲量、淺地層、地質結構簡單的優質油氣礦藏數量越來越少。因此，石油鑽採逐漸瞄準極端環境下的油藏，在沙漠中搭建的鑽井平臺數量越來越多，沙漠環境本身環境惡劣，在下井過程中，沙塵顆粒容易粘附在螺紋脂上造成接頭密封面或螺紋表面劃傷甚至引發粘扣現象，嚴重影響整個管柱的密封性能和鑽採效率，增加鑽採成本；在一些寒冷地區，過低的溫度使得螺紋脂凝固而無法直接使用，儘管加熱緩解了螺紋脂的應用限制，但螺紋上塗抹的儲存脂卻不便清除，極大的限制了極地環境下油藏的開發利用。
技術實現要素：
為解決螺紋脂使用中存在的技術缺陷問題，本發明的目的是提供一種油井管螺紋的塗層潤滑結構及製造方法，以現有的固體潤滑材料為基礎，將潤滑材料固化在接頭表面，形成固體潤滑塗層。以利於解決螺紋脂產品在使用中帶來的環境問題，及螺紋脂在低溫環境下不能塗抹的問題。
為實現上述目的，本發明採用的技術方案是提供一種油井管螺紋塗層潤滑結構，其中：該結構包括油井管接頭及連接接箍，在所述油井管接頭及接箍的螺紋部分分別塗覆有納米級的潤滑劑塗層。
同時提供一種油井管螺紋的塗層潤滑結構的製造方法。
本發明的效果是採用這種納米級的潤滑劑塗層潤滑結構的油井管螺紋，在油田現場使用時可直接上扣，不用再塗抹螺紋脂，對周圍環境無汙染，而且由於省略了塗抹螺紋脂的工序，減少平臺操作時間使工作效率能夠提高25％以上，同時，由於不用人工塗抹螺紋油，無形中減少了人為因素幹預，能夠精確控制上扣扭矩。
塗層潤滑的最大優勢是：
1、以預先固化的潤滑塗層代替螺紋脂，在現場使用時，不再需要人工去除儲存脂和塗抹螺紋脂，降低了人為幹預，保證了油田現場上扣的拐點值與試驗室結果高度一致。
以某特殊扣使用為例，對試驗室與油田現場分別使用兩種潤滑方式進行上扣數據對比，選取重要的臺肩扭矩數值進行比較，其中每個接頭上扣的拐點扭矩值/最終扭矩值，是判斷特殊扣螺紋上扣效果優劣的一項重要的參數。下表顯而易見，潤滑塗層在油田和試驗室的使用效果吻合程度好。
2、去除傳統的螺紋脂使用，接頭使用不再受周圍環境的限制，尤其是極地、沙漠、森林、海上等苛刻條件要求的地區。
附圖說明
圖1是本發明油井管螺紋的塗層潤滑結構的接頭噴塗示意圖；
圖2是本發明油井管螺紋的塗層潤滑結構的接箍噴塗示意圖；
圖3是本發明油井管螺紋的塗層潤滑結構的接頭塗層剖面示意圖；
圖4是本發明油井管螺紋的塗層潤滑結構的截圖塗層剖面示意圖；
圖5是本發明油井管特殊扣螺紋的標準上扣圖像，扭矩-圈數曲線；
圖6是傳統塗抹螺紋脂上扣，扭矩-圈數曲線；
圖7是本發明潤滑塗層上扣，扭矩-圈數曲線。
圖中：
1、接頭噴槍 2、接頭 3、接箍噴槍 4、接箍
1-1、接頭螺紋部分、1-2、接頭密封部分
2-1、接箍螺紋部分、2-2、接箍密封部分、2-3接箍中孔部分
具體實施方式
結合附圖對本發明的油井管螺紋的塗層潤滑結構及製造方法進行說明。
本發明的油井管螺紋的塗層潤滑結構及製造方法的設計思想是基於：通過噴塗方式將固體潤滑劑覆蓋於接頭和接箍螺紋，通過對對塗層進行固化，在螺紋表面形成緻密的固體潤滑塗層。固體潤滑材料是用來減少兩承載面間的摩擦磨損作用的材料。在擠壓滑移載荷作用過程中，固體潤滑材料和周圍介質的摩擦表面發生物理、化學反應生成固體潤滑膜，降低摩擦磨損。
本發明的關鍵是固化潤滑塗層。目前，在工業上的一些領域已經有固體潤滑的應用，固體潤滑塗層能夠適應高溫、高壓、腐蝕以及不方便使用油脂的工況場合。本發明結合油井管的使用特點，以常用的固體潤滑材料為基礎，對現有的潤滑劑進行改良，設計固化及強化工藝，提高了潤滑塗層的抗磨、防腐、穩定性，使其更適應油田現場使用。固體潤滑塗層在固化之前是一種溶液，將該溶液均勻覆蓋整個螺紋表面，在隨後的固化工藝控制下，溶劑與粘結劑相互作用，塗層固化，溶液中的腐蝕抑制劑對塗層具有性能強化作用。
本發明的油井管螺紋的塗層潤滑結構，該結構包括油井管接頭及連接接箍，在所述油井管接頭及接箍的螺紋部分分別塗覆了潤滑功能的塗層。所述潤滑塗層厚度為5-30um。所述潤滑塗層成分包括二硫化鉬5～20％w/w、石墨5～20％w/w及輔助添加劑。所述輔助添加劑包括乙酸正丁酯10～30％w/w、聚鈦酸丁酯5～20％w/w、氧化鋅0.1～5％w/w。
納米級的潤滑劑是指固體潤滑顆粒二硫化鉬大小在50-100納米，納米級二硫化鉬微粒作為主要成分的潤滑塗層，與普通二硫化鉬相比，納米級二硫化鉬在許多性能上得到了進一步提升，突出地表現在以下幾個方面:
(1)納米二硫化鉬微粒能強烈地吸附在金屬表面，由於其尺寸小，所以能填平金屬表面的微坑部位，在金屬表面形成一層比原表面更平整、更光滑的「修復層」，從而降低磨擦、減少磨損。
(2)二硫化鉬本身就是一種優異的固體潤滑劑，其分子結構為六方晶系的層狀結構，能夠耐較高的接觸壓力和較高的摩擦速度。隨著二硫化鉬的粒徑變小，它在摩擦材料表面的附著性與覆蓋程度都明顯提高，抗磨、減摩性能也得到成倍提高。
(3)在較高的接觸壓力作用下的摩擦使二硫化鉬微粒在金屬接觸區停留時間較短，外載荷來不及壓扁二硫化鉬微粒，同時也沒被金屬表面吸附，納米級二硫化鉬微粒已離開接觸區，此時的納米微粒能起到一種類似微型「球軸承」的作用，能形成滾動軸承效應，從而起到減少摩擦和磨損的作用。
本發明的油井管螺紋的潤滑塗層結構的製造方法的主要步驟包括：
①預處理。對油井管接頭螺紋2和接箍螺紋4表面進行磷化工藝預處理，以提高塗層的附著力。
②塗裝。如圖1、2所示，在潔淨乾燥的環境中進行塗覆，將納米級的潤滑劑進行霧化噴塗在油井管接頭2和接箍螺紋4表面。用接頭噴槍1噴塗接頭螺紋2，用接箍噴槍噴塗接箍螺紋4,。
塗裝前，接頭螺紋2與接箍螺紋4不允許接觸任何油脂。
塗裝時，接頭2及接箍4旋轉，轉速控制5～10r/min。
對接頭螺紋2的噴塗要求：如圖3所示，塗層需要完全覆蓋接頭螺紋部分1-1、密封部分1-2，塗層軸向長度＝接箍長度/2。
對接箍螺紋4的噴塗要求：如圖4所示，塗層需要完全覆蓋接箍螺紋部分2-1、密封部分2-2及中孔部分2-3。
③固化，噴塗完畢，整個表面呈溼潤狀態，需要進行固化，以使塗層附著力達到最佳，塗層在完全固化前禁止觸碰。對納米級的潤滑劑的塗層進行固化，固化溫度為30～70℃，時間60～100min；
④性能強化。用噴塗一種防護蠟溶液的方法，對潤滑塗層的微小疏鬆孔隙進行填充封閉，以提高納米級的潤滑劑的塗層的疏水性能，進一步提高潤滑塗層的防鏽能力，
由於鋼管種類的不同，螺紋的預處理工藝、塗層、固化工藝及後續強化工藝都有所區別，納米級的潤滑劑的塗層固化後表面光潔，色澤均勻，完全覆蓋螺紋表面。
本發明的油井管螺紋潤滑塗層的基本性能：
1)固化性能好。具有良好的成膜能力，能與螺紋表面形成牢固的物理吸附膜，具有保護表面功能，防止上扣時相對滑移的接觸表面產生粘接破壞。
2)抗剪強度低。固體潤滑塗層具有較低的抗剪強度，摩擦副的摩擦係數小，功率損耗低，溫度上升小，其抗剪強度受溫度的變化影響小。
3)穩定性好。包括物理熱穩定，化學熱穩定和時效穩定，不產生腐蝕及其他有害的作用。
物理熱穩定是指在沒有活性物質參與下，溫度改變不會引起相變或晶格的各種變化，不會引起抗剪強度的變化，導致塗層的摩擦性能改變。
化學熱穩定是指在各種活性介質中溫度的變化不會引起強烈的化學反應。
時效穩定是指要求潤滑塗層長期放置不失效，以便長期使用。
4)較高的承載能力。潤滑塗層能夠經受多次上卸扣擠壓而不失效。
應用本發明油井管螺紋潤滑塗層，改變了油井管螺紋的傳統潤滑方式，應用潤滑塗層，擰接不再需要塗抹螺紋脂，常態下螺紋輪廓清晰，更易於檢查。
潤滑塗層與常規螺紋脂潤滑的使用性能對比：
1)潤滑塗層螺紋的擰接，通過上扣的扭矩-圈數曲線圖5可以看出，擰接扭矩隨著圈數增加而增加，但當接頭與接箍的臺肩面接觸時，接頭與接箍的相對轉動受限，圈數幾乎不變，此時為拐點扭矩，而扭矩開始急劇增加，扭矩直至達到設定扭矩而停止。結合圖5扭矩-圈數的標準上扣圖形觀察圖7所示的潤滑塗層螺紋的上扣曲線與圖6所示的傳統上扣方式，二者上扣時扭矩-圈數的變換規律一致，所具有的拐點位置清晰，通過圖形能夠清楚的判斷臺肩對頂。
2)多次上卸扣的效果對比，通過多次上卸扣驗證，塗層潤滑螺紋的最終效果與傳統螺紋脂上扣相當，螺紋密封結構完好，滿足標準要求。
3)塗層潤滑的氣密封試驗驗證。塗層潤滑螺紋通過反覆上卸扣抗粘扣試驗後，還需要通過氣密封試驗。當上扣擰緊時，塗層能夠承受極高的表面壓力而不失效，塗層的潤滑減磨功能不降低，按照油井管的試驗標準ISO 13679CAL IV，通過下列試驗驗證了潤滑塗層應用在螺紋接頭的可靠性。
試驗標準：ISO 13679CAL IV(VME＝95％，壓縮效率C＝60％)
塗層潤滑下的套管螺紋，實現3次連續上卸扣而不粘扣。
塗層潤滑下的套管螺紋，完成抗粘扣試驗後，還通過氣密封試驗驗證其在複合載荷下的密封性能。依次通過試驗A系、試驗B系、和試驗C系，通過試驗證明，塗層潤滑螺紋試樣在複合載荷力的作用下沒有發生洩漏，整個試樣密封性完好。
試驗A系：拉伸+壓縮+內壓+外壓載荷下的常溫複合力循環試驗；
試驗B系：拉伸+壓縮+內壓+彎曲載荷下的常溫複合力循環試驗；
試驗C系：室溫+高溫下的拉伸+內壓，溫度載荷循環試驗。