管狀螺紋部件及塗覆這種管狀螺紋部件的方法
2023-07-22 05:08:06
管狀螺紋部件及塗覆這種管狀螺紋部件的方法
【專利摘要】本發明涉及用於鑽探和/或開採烴類井的管狀元件，其具有包括至少一個螺紋區(3；4)的端部(1；2)，其特徵在於該端部(1；2)至少部分地塗覆有包含基質(13)的乾燥膜(12)，所述基質(13)包含由至少一種鹼性聚矽酸鹽和至少一種半結晶熱塑性有機聚合物構成的混合物。本發明還涉及在用於鑽探和/或開採烴類井的管狀部件上獲得包含基質(13)的乾燥膜(12)的方法，所述基質(13)包含由至少一種鹼性聚矽酸鹽和至少一種半結晶熱塑性有機聚合物構成的混合物。
【專利說明】管狀螺紋部件及塗覆這種管狀螺紋部件的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及旨在鑽探和/或開採烴類井的管狀元件，並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，並且能夠接合到類似元件的對應端部，形成接頭或者連接件。
[0002]本發明還涉及由藉助於兩個管狀元件的旋緊的接合而得到的螺紋接頭。
[0003]術語「旨在鑽探和開採烴類井的管狀元件」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，以尤其構成能夠鑽探烴類井的套件(garniture),或者用於維護(也被稱作修井立管(work overriser))或者用於開採這種井的海底上升管(colonne montante sous-marine),如提升管，或者在井開採中所涉及的套管柱或生產套管。本發明還可應用於在鑽探套件中使用的元件，如鑽杆或者英文的「Drill Pipes」,重型鑽杆或者英文的「Heavy Weight DrillPipes」，鑽鋌或者英文的「Drill Collars」，以及鑽杆和重型鑽杆的接頭部分，在英文中稱作「tool joint (鑽具接頭)」。
【背景技術】
[0004]每個管狀元件包括提供有陽螺紋區或陰螺紋區的端部，旨在與類似元件的對應端部旋緊。一旦組裝，則這些元件構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。而且應當已知，螺紋管狀部件可經歷多個旋緊(vissage)和旋出(d6vissage)的循環,尤其是在工作狀態下。
[0006]這些螺紋管狀部件的使用條件導致不同類型的應力，這使得需要在這些部件的敏感部分如螺紋區、抵靠區(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，例如這歸因於藉助螺紋接頭組裝的數米長的管的重量，這有可能由於要組裝的螺紋元件的軸的輕微不重合而加重。這導致在金屬/金屬密封表面處和/或螺紋區處的咬剎(grippage)風險。通常用潤滑劑塗覆金屬/金屬密封表面以及螺紋區。
[0008]而且，螺紋管狀部件常常在侵蝕性環境中保存，然後旋緊。這例如是存在鹽霧的「離岸」情形或者存在砂、灰塵和/或其它汙染物的「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(螺紋區的情況)或緊固接觸(金屬/金屬密封表面和抵靠區的情況)來協同工作(coop6rer)。
[0009]然而，考慮到環境標準，看來符合標準API RP5A3(美國石油組織)的油脂的使用並沒有構成長期解決方案，因為這些油脂可被從管狀部件中擠出並釋放到環境中或井中，從而導致堵塞，而該堵塞需要特殊的清潔操作。
[0010]為了回應對於腐蝕、咬剎的長期耐受性問題以及與環境有關的優先特性，已經開發了固體膜，所述膜是乾燥的(即，不同於油脂的非糊狀的)，所述膜是潤滑性且保護性的。
[0011] 通常，用於與鑽探和開採烴類井有關的應用的螺紋系統上所使用的所有乾燥膜均基於有機或無機基質。
[0012]對於熱穩定性和在剪切和壓縮應力下的耐磨性的標準的令人滿意的第一個回應是由環氧類型的熱固性樹脂類的有機基質帶來的。環氧樹脂提供高韌性(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合，乾燥膜符合目前的抗咬剎要求。有機粘結劑與固體潤滑劑的適當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點是通過交聯提供三維網絡結構，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佔少量的環氧樹脂中的片狀鋅的乾燥膜，作為直接應用於表面製備的保護和結合(accrochage)性的層。
[0013]還開發了基於乾燥膜的其它解決方案，所述乾燥膜基於在佔多數的環氧樹脂中的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於其玻璃轉變溫度的溫度範圍內在應力下具有脆性特性。
[0015]另外，這種有機樹脂的使用需要使用有機溶劑來促進潤溼和施塗。這些溶劑通常選自下列:異丙醇、乙酸丁酯、二甲苯或甲苯，並且目前在與環境有關的新法規下受到限制。這是因為某些被歸類為「CMR物質」(致癌、誘變、生殖毒性)。
[0016]在文獻W02001016516中詳述的第二個回應使得能夠獲得某些機械、熱和化學耐性，它提出使用僅僅無機聚合物類型的基質。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矽酸鹽形成緻密的三維交聯網絡並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被認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的使用基於通過根據溶膠-凝膠技術的兩步無機聚合(水解和縮合)的獲得方法，所述溶膠-凝膠技術涉及酸性或鹼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境標準的控制。
[0018]已經考慮了第三個回應，其基於以水性乳液使用丙烯酸系熱塑性樹脂或它們的共聚物，並且例如描述於文獻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晶的。因而在應力下的表現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地用於優化抗咬剎性能。
【發明內容】
[0020]為了克服環境問題並且為了產生易於施加、附著性、防腐蝕和耐磨性的塗層，本發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的缺點。本發明在於由固體潤滑劑系統產生轉移層，其經由具有有機-無機混合基質的複合材料固定到表面上，該複合材料同時具有耐磨耗性和對外部侵害的化學穩定性。
[0021]特別地，本發明涉及用於鑽探和/或開採烴類井的管狀元件，其具有包括至少一個螺紋區的端部，其特徵在於該端部至少部分地塗覆有包含基質的乾燥膜，所述基質包含由至少一種鹼性聚矽酸鹽和至少一種半結晶熱塑性有機聚合物構成的混合物。
[0022]下文描述了作為補充或者替代的任選特徵。
[0023]該半結晶熱塑性有機聚合物可以是苯乙烯-丙烯酸系共聚物。
[0024]該鹼性聚矽酸鹽可屬於由聚矽酸鈉、聚矽酸鉀、聚矽酸鋰所限定的類別。
[0025]所述聚矽酸鹽可以是具有範圍為1-3.5、優選大於或等於2.5的Si02/K20重量比的鹼性聚矽酸鉀。
[0026]在該乾燥膜中鹼性聚矽酸鹽與半結晶熱塑性有機聚合物之間的重量比可以是
0.2-3.5，優選小於或等於0.5。
[0027]以乾燥膜塗覆的端部可預先經歷選自以下類型的表面製備:噴砂、轉換處理、電解沉積和非反應性處理。
[0028]該乾燥膜還可包含至少一種作為減摩劑的固體潤滑劑，其質量比例為5% _30%。
[0029]該固體潤滑劑選自石墨、Bi2S3、SnS2、仲醯胺蠟和石蠟。
[0030]該乾燥膜還可包含腐蝕抑制劑。
[0031]該乾燥膜還可包含膠態二氧化矽。
[0032]所述螺紋區的全部可塗覆有乾燥膜。
[0033]所述螺紋端部可包括至少一個旨在用於金屬/金屬接觸的密封表面，並且所述密封表面可塗覆有潤滑性乾燥膜。
[0034]本發明還涉及用於鑽探和/或開採烴類井的管狀接頭(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塗覆有根據本發明的潤滑性乾燥膜。
[0035]本發明還涉及在用於鑽探或開採烴類井的螺紋管狀部件上獲得乾燥膜的方法，所述管狀部件在其端部之一具有螺紋區，所述螺紋區取決於該螺紋端部是陽型還是陰型而在其外部或內部周圍表面上產生，其特徵在於該方法包括以下步驟:
[0036]-生產包含丙烯酸系共聚物的水性乳液或分散體與鹼性聚矽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，並且所述鹼性聚矽酸鹽選自聚矽酸鉀、聚矽酸鈉、聚矽酸鋰；
[0037]-在20°C-40°C的溫度下通過噴霧將液態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乾燥塗覆有膜的端部，並且這是在至少15分鐘的持續時間內進行的；
[0039]-在80°C -160 °C的溫度下在30-60分鐘的持續時間內使該膜緻密化(densificat1n)。
[0040]該緻密化步驟可後接在160°C下持續時間為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]生產丙烯酸系共聚物的水性乳液或分散體與鹼性聚矽酸鹽的溶液的混合物的步驟可在大於或等於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劑。
[0046]該丙烯酸系共聚物的水性乳液或分散體與鹼性聚矽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鹼性聚矽酸鹽的溶液的混合物可包含固體潤滑劑，選自石墨、Bi2S3、SnS2、仲醯胺蠟、石蠟，其最終質量比例為5% -30%。
[0048]該丙烯酸系共聚物的水性乳液或分散體與鹼性聚矽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鹼性聚矽酸鹽的溶液的混合物可包含膠態二氧化矽。
[0050]用於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製備步驟:噴砂、轉換處理、電解沉積、以及非反應性處理。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0051]在參考附圖的以下描述中將更詳細地揭示本發明的特徵和優點。
[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是塗覆有潤滑性乾燥膜的基底的示意圖。
[0055]圖4是試驗設備的示意圖。
【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的旋轉軸10的第一管狀部件，以及具有陰型端部2的旋轉軸10的第二管狀部件。兩個端部I和2各自具有與它們相應的旋轉軸10垂直布置的末端表面並且各自配備有螺紋區3和4，它們通過旋緊部件相互組裝而彼此協同工作。螺紋區3和4可以是以下類型的螺紋區，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後，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上提供的相應表面8。
[0057]根據一種實施變化形式，末端表面7和相應表面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同工作而布置的螺紋區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至少部分地塗覆有包含基質的乾燥膜12，所述基質由鹼性聚矽酸鹽與半結晶熱塑性有機聚合物的混合物構成。這裡使用的術語「乾燥膜」是指不觸粘的固體膜。
[0059]鹼性聚矽酸鹽的優點在於它們具有與熱交聯的環氧樹脂類似的摩擦學和熱機械性能。此外，在薄膜的情況下，鹼性聚矽酸鹽具有產生與表面優先的強結合的能力，因為它們是足夠極性的。儘管具有無定形結構，鹼性聚矽酸鹽如果在低於它們的玻璃化轉變溫度的溫度範圍內荷載的話則處於玻璃質狀態。這導致在應力下的材料的低粘彈性、也即高剛性和低可變形性。
[0060]下圖是無定形鹼性聚矽酸鹽的三維結構的示意表示:
[0061]
【權利要求】
1.用於鑽探和/或開採烴類井的管狀元件，其具有包括至少一個螺紋區(3；4)的端部(I ;2)，其特徵在於該端部(I ；2)至少部分地塗覆有包含基質(13)的乾燥膜(12)，所述基質(13)包含由至少一種鹼性聚矽酸鹽和至少一種半結晶熱塑性有機聚合物構成的混合物。
2.根據前個權利要求的元件，其特徵在於該半結晶熱塑性有機聚合物是苯乙烯-丙烯酸系共聚物。
3.根據前述權利要求任一項的元件，其特徵在於該鹼性聚矽酸鹽屬於由聚矽酸鈉、聚矽酸鉀、聚矽酸鋰所限定的類別。
4.根據前個權利要求的元件，其特徵在於所述聚矽酸鹽是具有範圍為1-3.5、優選大於或等於2.5的Si02/K20重量比的鹼性聚矽酸鉀。
5.根據前述權利要求任一項的元件，其特徵在於在該乾燥膜中鹼性聚矽酸鹽與半結晶熱塑性有機聚合物之間的重量比是0.2-3.5，優選小於或等於0.5。
6.根據前述權利要求任一項的元件，其特徵在於以乾燥膜塗覆的端部預先經歷選自以下類型的表面製備:噴砂、轉換處理、電解沉積、以及非反應性處理。
7.根據前述權利要求任一項的元件，其特徵在於該乾燥膜還包含至少一種作為減摩劑的固體潤滑劑，其質量比例為5^-30?^
8.根據前個權利要求的元件，其特徵在於該固體潤滑劑選自石墨、Bi2S3、SnS2、仲醯胺蠟、石蠟。
9.根據前述權利要求任一項的元件，其特徵在於該乾燥膜還包含腐蝕抑制劑。
10.根據前述權利要求任一項的元件，其特徵在於該乾燥膜還包含膠態二氧化矽。
11.根據前述權利要求任一項的元件，其特徵在於所述螺紋區(3;4)的全部塗覆有乾燥膜(12)。
12.根據前述權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於金屬/金屬接觸的密封表面，並且所述密封表面塗覆有潤滑性乾燥膜(12)。
13.用於鑽探和/或開採烴類井的管狀接頭，其包括至少一個具有端部(1;2)的管狀元件，其特徵在於此端部(I ;2)至少部分地塗覆有如在前述權利要求中限定的包含無機-有機基質(13)的乾燥膜(12)。
14.在用於鑽探或開採烴類井的螺紋管狀部件上獲得乾燥膜的方法，所述管狀部件在其端部(I ;2)之一具有螺紋區(3 ;4)，所述螺紋區(3 ；4)取決於該螺紋端部是陽型還是陰型而在其外部或內部周圍表面上產生，其特徵在於該方法包括以下步驟: -生產包含丙烯酸系共聚物的水性乳液或分散體與鹼性聚矽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，並且所述鹼性聚矽酸鹽選自聚矽酸鉀、聚矽酸鈉、聚矽酸鋰； -在20°C _40°C的溫度下通過噴霧將液態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乾燥塗覆有膜的端部，並且這是在至少15分鐘的持續時間內進行的； -在80°C _160°C的溫度下在30-60分鐘的持續時間內使該膜緻密化。
15.根據權利要求14的在螺紋管狀部件上獲得乾燥膜的方法，其特徵在於該緻密化步驟後接在160°C下持續時間為120-240分鐘的硬化步驟。
16.根據權利要求14-15任一項的在螺紋管狀部件上獲得乾燥膜的方法，其特徵在於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.根據權利要求14-16任一項的在螺紋管狀部件上獲得乾燥膜的方法，其特徵在於生產丙烯酸系共聚物的水性乳液或分散體與鹼性聚矽酸鹽的溶液的混合物的步驟在大於或等於9.5的pH值下進行。
18.根據權利要求14-17任一項的在螺紋管狀部件上獲得乾燥膜的方法，其特徵在於該丙烯酸系共聚物的水性乳液或分散體包含增稠劑。
19.根據權利要求14-18任一項的在螺紋管狀部件上獲得乾燥膜的方法，其特徵在於該丙烯酸系共聚物的水性乳液或分散體包含穩定劑。
20.根據權利要求14-19任一項的在螺紋管狀部件上獲得乾燥膜的方法，其特徵在於該丙烯酸系共聚物的水性乳液或分散體包含聚結劑。
21.根據權利要求14-20任一項的在螺紋管狀部件上獲得乾燥膜的方法，其特徵在於該丙烯酸系共聚物的水性乳液或分散體與鹼性聚矽酸鹽的溶液的混合物包含硬化劑。
22.根據權利要求14-21任一項的在螺紋管狀部件上獲得乾燥膜的方法，其特徵在於該丙烯酸系共聚物的水性乳液或分散體與鹼性聚矽酸鹽的溶液的混合物包含固體潤滑劑，選自石墨、Bi2S3、SnS2、仲醯胺蠟、石蠟，其最終質量比例為5% -30%。
23.根據權利要求14-22任一項的在螺紋管狀部件上獲得乾燥膜的方法，其特徵在於該丙烯酸系共聚物的水性乳液或分散體與鹼性聚矽酸鹽的溶液的混合物包含腐蝕抑制劑。
24.根據權利要求16-26任一項的在螺紋管狀部件上獲得乾燥膜的方法，其特徵在於該丙烯酸系共聚物的水性乳液或分散體與鹼性聚矽酸鹽的溶液的混合物包含膠態二氧化矽。
25.根據權利要求14-24任一項的在螺紋管狀部件上獲得乾燥膜的方法，其特徵在於用於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製備步驟:噴砂、轉換處理、電解沉積、以及非反應性處理。
【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 優先權日:2011年12月29日
【發明者】E·加德, M·古伊德, M·佩蒂特, E·皮內爾 申請人:瓦盧萊克油氣法國公司, 新日鐵住金株式會社