經塗覆的油氣井生產裝置的製作方法

2023-06-22 07:07:01 1

專利名稱：經塗覆的油氣井生產裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及油氣井生產操作的領域。本發明更具體地涉及使用塗層來減少油氣井生產裝置上的摩擦、磨損、腐蝕、侵蝕和沉澱物。此類經塗覆的油氣井生產裝置包括鑽機設備、隔水管(marine riser system)系統、管狀物品(套管、油管和鑽柱)、井口、採油樹 (tree)和閥、完井管柱和設備、地層和砂石面完井工具、人工舉升設備和修井挖潛設備。
背景技術：
油氣井生產存在基本的機械問題，其校正、修理或減輕可能成本過高或甚至是禁止的。摩擦在油田中是無處不在的，處於移動接觸狀態的設備磨損並損失它們的原始尺寸， 設備可以由於腐蝕和侵蝕而劣化，且設備上的沉澱物會粘附並妨礙它們的操作。這些都是對成功操作的潛在障礙，並且所有五個機械問題，即摩擦、磨損、腐蝕、侵蝕和沉澱物，可以通過如下所述的選擇性地使用塗層來減輕。鑽機設備在將特定位置確定為預期油氣區以後，生產操作以鑽機的運動和操作開始。在旋轉鑽探操作中，鑽頭附接到井底鑽具組合組件的端部上，所述井底鑽具組合附接到包括鑽管和鑽具接頭的鑽柱上。鑽柱可以通過旋轉臺或頂部驅動單元在表面旋轉，並且鑽柱和井底鑽具組合的重量致使旋轉鑽頭在泥土中鑽孔。隨著操作進行，對鑽柱增加新的鑽管區段以增加其總長度。在鑽探操作期間定期對開啟的鑽孔加套以使壁穩定，並且恢復鑽探操作。 結果，鑽柱通常既在開啟的鑽孔(「裸孔」)中又在已安裝在鑽孔的套管(「加套孔」)內操作。可選地，撓性油管可以代替鑽探組件中的鑽柱。鑽柱與井底鑽具組合組件或撓性油管與井底鑽具組合組件的組合在本文稱為鑽杆組件。鑽柱的旋轉經鑽柱和井底鑽具組合組件向鑽頭提供動力。在撓性油管鑽探中，動力通過鑽探流體傳遞到鑽頭。可以通過旋轉傳輸的動力的量被限制在鑽柱或撓性油管能夠承受的最大扭矩。在一種可選和不常用的鑽探方法中，套管本身用於鑽入地層內。切削元件附於套管的底端上，且套管可以旋轉以轉動切削元件。在以下說明中，對鑽杆的提及將包括用於採用該「隨鑽加套」方法鑽探地層的「鑽探加套管柱」。在經地下地層鑽孔期間，鑽杆組件與鋼套管和巖層兩者進行大量滑動接觸。該滑動接觸主要由鑽杆組件在鑽孔中的旋轉和軸向運動引起。鑽杆組件的運動表面、組件以及套管和地層的靜止表面之間的摩擦在鑽杆上形成相當大的拖滯並在鑽探操作期間引起過大的扭矩和拖滯。摩擦導致的問題是任何鑽探操作中固有的，但在定向鑽探或大位移鑽探 (ERD)井(extended reach drilling well)中尤其麻煩。定向鑽探或ERD是井眼與豎向的有意偏移。在某些情況下，傾斜度(與豎向的角度)可大至90度。此類井通常稱為水平井並且可以從鑽探平臺鑽探到相當大的深度和相當大的距離。在所有鑽探操作中，鑽杆組件傾向於抵靠在鑽孔或井套管側上，但這種傾向由於重力作用在定向鑽探井中大得多。鑽杆也可在其中鑽孔壁或套管的局部曲率高的區域局部抵靠在鑽孔壁或套管上。隨著鑽柱的長度或豎向偏離程度增加，旋轉的鑽杆組件所形成的摩擦量也增加。局部曲率增加的區域可增加旋轉的鑽杆組件所產生的摩擦的量。為克服這種摩擦增加，需要額外的動力來旋轉鑽杆組件。在某些情況下，鑽杆組件與套管壁或鑽孔之間的摩擦超過鑽杆組件能夠承受的最大扭矩和/或鑽機的最大扭矩容量且必須停止鑽探操作。結果，利用可用的定向鑽探設備和技術能夠鑽探的井深最終被摩擦限制。相對於外管進行滑動接觸運動的一個管柱或更一般地在外缸筒內移動的內缸筒是這些操作的其中幾個中的共同幾何構型。用於減少管柱之間的滑動接觸造成的摩擦的一種現有技術方法是改善環狀流體的潤滑性。在工業操作中，已嘗試主要通過使用基於水和 /或油的鑽探液溶液(mud solution)來減少摩擦，所述鑽探液溶液含有各種類型昂貴且通常不環保的添加劑。對於許多這些添加劑來說，從這些添加劑獲得的增加的潤滑性隨著鑽孔的溫度增加而減少。通常使用柴油和其它礦物油作為潤滑劑，但可能存在鑽探液處理的問題，並且這些流體在升高的溫度下也失去潤滑性。已知特定礦物例如皂土有助於減少鑽杆組件與開啟的鑽孔之間的摩擦。已使用諸如特氟綸的材料來減少滑動接觸摩擦，然而這些材料缺乏耐久性和強度。其它添加劑包括植物油、浙青、石墨、洗滌劑、玻璃珠和胡桃殼， 但均具有其本身的局限性。用於減少鑽管之間的摩擦的另一種現有技術方法是對內管柱使用鋁材，因為鋁比鋼輕。然而，鋁費錢並且可能難以在鑽探操作期間使用，它的耐磨性不如鋼，並且它與許多流體類型(例如，具有高PH值的流體)不兼容。可選地，本行業已開發出使內管柱在外管柱內「漂浮」以使套管和襯套以高斜度運行的裝置，但循環在此操作期間受到限制且其無法順應成孔過程。用於減少管道的管柱之間的摩擦的另一種方法是在內管柱上使用硬質護面材料(本文也稱之為環形加硬層(hardbanding)或硬護面材料(hardfacing))。美國專利 No. 4，665，996——通過引用將其全文併入本文——公開了使用塗敷至鑽杆的主支承表面的硬護面材料，其中合金具有以下組分50-65%的鈷、25-35%的鉬、1_18%的鉻、2_10%的矽和低於0. 的碳，以用於減少管柱與外殼或巖石之間的摩擦。結果，旋轉鑽探操作、尤其定向鑽探所需的扭矩降低。所公開的合金還提供了鑽柱的優異的耐磨性同時減少了井筒上的磨損。另一種形式的環形加硬層是塗敷至鑽杆組件的WC-鈷金屬陶瓷。其它環形加硬層材料包括TiC、Cr-碳化物和其它混合的碳化物和氮化物系統。含有合金的碳化鎢如 Stellite 6和Mellite 12 (Cabot公司的商標)作為硬護面材料具有優異的耐磨性，但可導致相對的裝置的過度磨損。可使用堆焊法或熱噴塗法將環形加硬層塗敷至鑽杆組件。在鑽探操作中，趨於靠在井筒上的鑽杆組件在鑽柱旋轉時連續磨損井筒。還有許多在鑽機上形成金屬間接觸的設備，其承受摩擦、磨損、侵蝕、腐蝕和/ 或沉澱物。這些裝置包括但不限於以下清單泵送設備中的閥、活塞、缸和軸承；用於移動鑽機以及鑽探材料和設備的輪子、滑梁、滑墊(Skid pad)、滑套(skid jack)和棘爪 (pallet)；頂驅和卷揚設備；混合器、槳葉、壓縮機、葉片和渦輪；以及旋轉設備的軸承和牙輪鑽頭的軸承。成孔以外的特定操作通常在鑽探工藝期間進行，包括測量(log)裸孔(或護壁孔區段)以評估地層特性、鑽芯以去除地層部分進行科學評估、捕獲處於井底條件的地層流體進行流體分析、抵靠在井眼上安放工具以記錄聲學信號以及本領域的技術人員公知的其它操作和方法。
海洋隔水管系統在海洋環境中，又一複雜性在於井口採油樹可能是「乾燥的」(在平臺上位於海平面上方)或「溼潤的」(位於海底上)。在任意情況下，已知為「隔水管」的傳導管安放在水面與海底之間，其中鑽杆設備向內延伸到隔水管並且鑽探流體回到環形空間中。隔水管特別容易發生與在外靜止管道中旋轉內管道相關的問題，因為隔水管不是固定的，而是也可由於不僅與鑽柱而且與海洋環境的接觸而移動。海洋隔水管的拖滯和渦旋脫落導致負荷和振動，其部分是由於海洋隔水管的外表面周圍的海水流的摩擦阻力。管件石油專用管件(OCTG)包括鑽杆設備、套管、油管、工作管柱、撓性油管和隔水管。 大部分0CTG(撓性油管除外)的共同點是螺紋連接，其遭受不適當的螺紋和/或密封件幹涉引起的潛在故障，引起匹配的連接器的擦傷，其會由於損壞的連接裝置而抑制整個管道接頭的使用或重複使用。螺紋可為噴丸強化、冷軋和/或化學處理過的(例如，磷酸鹽、鍍銅等)以改善它們的防擦傷特性，並且採用適當的管螺紋組合為連接裝置使用提供了益處。 然而，當今仍存在與螺紋擦傷和幹涉問題有關的問題，特別是用於極端的服務要求的更昂貴的OCTG材料合金。井口、採油樹和閥在套管的頂部，流體由井口設備容納，所述井口設備通常包括多個閥和各種類型的防嘖器(BOP)。地下安全閥是在緊急或混亂狀態下必須正確地起作用的關鍵設備部件。 地下安全閥安裝在井底，通常安裝在油管管柱中，並且可封閉以防止從地下流動。與井口連接的扼流器和流線(特別是接頭和彎頭)遭受摩擦、磨損、腐蝕、侵蝕和沉澱物。扼流器可被沙回流切斷，例如，使得流速的測量不精確。這些裝置中的許多裝置依賴於密封件和很緊密的機械公差，包括金屬間和彈性體密封件。許多裝置(套筒、套、潤滑油嘴、針狀物、間門、滾珠、插頭、交叉接頭、聯接器、封隔器、填料盒、閥杆、離心機等)遭受歸咎於腐蝕和侵蝕的摩擦和機械退化，以及甚至由垢體、 浙青、石蠟和水合物的沉澱引起的潛在堵塞。這些裝置的一部分可安裝在井底或海床上，但獲得維修接近以便修理或恢復是不可能的或可能非常費錢的。完井管柱和設備在鑽探被加套以防止塌孔和不受控的流體流動的情況下，必須執行完井操作以使井做好生產準備。該操作包括將設備送入和送出井眼以執行某些操作，例如塗水泥、射孔、 增產(stimulating)和測井。完井設備的兩種常用的傳送裝置是鋼絲繩和管道(鑽管、撓性油管或油管工作管柱)。這些操作可包括運行測井工具以記錄地層和流體特性、使用射孔槍在套管中形成孔以允許烴生產或流體噴射、採用臨時或永久插塞隔離流體壓力、運行封隔器以有利於安置管道以提供管道內部與環形區域之間的密封以及運行塗水泥、增產和完井所需的其它類型的設備。鋼絲繩工具和工作管柱可包括封隔器、跨式封隔器和套管補綴件， 除封隔器安置工具以外，用於將閥和儀器安裝在側套中的裝置以及用於執行井底操作的其它類型的設備。這些工具特別是在大位移井中的安放可能受摩擦拖滯妨礙。留在孔內用於生產的最終完井管柱一般稱為生產油管管柱。地層和砂石面完井在許多井中，存在砂石或地層材料流入井眼的趨勢。為了防止發生這種情況下，跨完井層段在井內安放「砂石篩網」。該操作可包括配置專用大直徑組件，包括在中心「基管」 上的幾種砂石篩網網眼設計的其中一種。篩網和基管頻繁遭受侵蝕和腐蝕並且可能由於砂石「切削」而失效。此外，在大傾斜度井中，在將篩網送入井眼的同時遇到的摩擦拖滯阻力可能過大並限制這些裝置的使用，或井眼的長度可能由於摩擦阻力而受可以進行篩網運行操作的最大深度的限制。在需要砂石控制的這些井中，砂石狀支撐材料即「支撐劑」被泵入篩網與地層之間的環形區域中以防止地層顆粒流經篩網。該操作叫做「沙礫封隔」，或在壓裂狀態進行的情況下可叫做「壓裂封隔」。在許多其它地層中，通常在不帶砂石篩網的井眼中，可進行壓裂增產處理，其中在壓裂狀態噴射這種相同或不同類型的支撐材料以形成遠離井眼延伸相當長的一段距離的大的受支撐的壓裂翼，從而增加生產或噴射速度。隨著支撐劑粒子彼此接觸並接觸約束壁，在泵送處理液的同時出現摩擦阻力。此外，支撐劑粒子在生產期間被壓碎並產生增加了流體流動阻力的「細料」。支撐劑特性，包括顆粒的強度、摩擦係數、形狀和粗糙度對於該處理的成功執行和井生產率或噴射率的最終增加是重要的。人工舉升設備當開始從井生產時，其可能在其自身的壓力下以令人滿意的速度流動。然而，在某些地點的許多井終身需要協助將流體從井眼舉升出來。使用許多方法來從井舉升流體，包括用於從井去除流體的抽吸杆、Corod 和電動潛水泵，用於從主要氣井置換液體的柱塞舉升裝置，以及用於減小液柱的密度的沿油管「氣體舉升」或噴射氣體。可選地，可經沿油管隔開的閥噴射專用化學品以防止垢體、浙青、石蠟或水合物沉澱物的積聚。生產油管管柱可包括用於輔助流體流動的裝置。這些裝置的其中幾個可能依賴於密封件和很緊密的機械公差，包括金屬間和彈性體密封件。部件(套筒、套、插塞、封隔器、 交叉接頭、聯接器、孔、心軸等)之間的交界面遭受歸咎於腐蝕和侵蝕的摩擦和機械退化， 以及甚至垢體、浙青、石蠟或水合物的沉澱引起的潛在堵塞或機械配合幹預。特別地，氣體舉升裝置、潛水泵和其它人工舉升設備可包括閥、密封件、轉子、定子和可由於摩擦、磨損、 腐蝕、侵蝕或沉澱物而無法正常操作的其它裝置。修井設備通常需要在儲藏地層層段附近對井眼的井底操作，以收集數據或初始化、恢復或增加生產或噴射速度。這些操作包括將設備送入和送出井眼。完井設備的兩種普通的傳送裝置是鋼絲繩和管道。這些操作可包括運行測井工具以記錄地層和流體特性、使用射孔槍在套管中形成孔以允許烴生產或流體噴射、採用臨時或永久插塞以隔離流體壓力、運行封隔器以有利於完井的層段之間的密封，以及運行其它類型的高度專業化設備。將設備送入和送出井的操作包括兩個本體的相對運動引起的滑動接觸，從而形成摩擦拖滯阻力。因此，給定這些寬泛的對生產操作的要求的廣泛性質，需要新的塗層材料技術，其保護裝置免於兩個或更多個裝置與可能包含高速移動的固體粒子的流體流動流之間的滑動接觸引起的摩擦、磨損、腐蝕、侵蝕和沉澱物。這種需要要求將高硬度與當與相對的表面相接觸時低摩擦係數(COF)的能力相結合的新型材料。如果這種塗層材料也能夠提供低能量表面和抵靠井眼壁的低摩擦係數，則該新型材料塗層可實現超大位移鑽探、在困難環境 (包括海上和深水場合)下的可靠和有效的操作，並貫穿油氣井生產操作實現成本降低、安全性和操作改善。如設想的，在井生產裝置上使用這些塗層可具有廣泛的應用並向井生產操作提供顯著的改善和擴展。

發明內容
根據本發明，一種有利的經塗覆的油氣井生產裝置包括一個或多個圓柱形本體， 以及所述一個或多個圓柱形本體的至少一部分上的塗層，其中該塗層選自非晶態合金、經熱處理的基於非電鍍或電鍍鎳-磷複合材料(其中磷含量大於12wt% )、石墨、MoS2, WS2, 基於富勒烯的複合材料、基於硼化物的金屬陶瓷、準晶態材料、基於金剛石的材料、類金剛石碳(DLC)、氮化硼和它們的組合。本發明的又一方面涉及一種有利的經塗覆的油氣井生產裝置，包括油氣井生產裝置，其包括一個或多個本體，其中附加條件是該一個或多個本體不包括鑽頭，以及該一個或多個本體的至少一部分上的塗層，其中該塗層選自非晶態合金、經熱處理的基於非電鍍或電鍍鎳-磷複合材料(其中磷含量大於12wt% )、石墨、MoS2, WS2、基於富勒烯的複合材料、基於硼化物的金屬陶瓷、準晶態材料、基於金剛石的材料、類金剛石碳(DLC)、氮化硼和它們的組合。本發明的再又一方面涉及一種有利的用於塗覆油氣井生產裝置的方法，包括提供經塗覆的油氣井生產裝置，其包括油氣井生產裝置，該油氣井生產裝置包括一個或多個圓柱形本體，以及該一個或多個圓柱形本體的至少一部分上的塗層，其中該塗層選自非晶態合金、經熱處理的基於非電鍍或電鍍鎳-磷複合材料(其中磷含量大於12wt% )、石墨、 Mo&、WS2、基於富勒烯的複合材料、基於硼化物的金屬陶瓷、準晶態材料、基於金剛石的材料、類金剛石碳(DLC)、氮化硼和它們的組合，以及利用該經塗覆的油氣井生產裝置進行井建造、完井或生產操作。本發明的再又一方面涉及一種有利的用於塗覆油氣井生產裝置的方法，包括提供油氣井生產裝置，其包括一個或多個本體，附加條件是該一個或多個本體不包括鑽頭，以及該一個或多個本體的至少一部分上的塗層，其中該塗層選自非晶態合金、經熱處理的基於非電鍍或電鍍鎳-磷複合材料(其中磷含量大於12wt% )、石墨、MoS2, 、基於富勒烯的複合材料、基於硼化物的金屬陶瓷、準晶態材料、基於金剛石的材料、類金剛石碳(DLC)、 氮化硼和它們的組合，以及利用該經塗覆的油氣井生產裝置進行井建造、完井或生產操作。所公開的經塗覆的油氣井生產裝置、用於塗覆這種裝置以便減少這些應用區域中的摩擦、磨損、腐蝕、侵蝕和沉澱物的方法以及它們的有利應用和/或用途將從以下詳細描述變得明顯，特別是當結合在此附上的附圖閱讀時。


為了幫助相關領域的普通技術人員製造和利用本發明的主題，對附圖進行說明， 在附圖中圖1示出了在整體生產過程的單獨的井建造、完井、增產、修井和生產階段中採用井生產裝置的油氣井生產系統。圖2示出了塗敷至用於地下鑽探應用的鑽杆組件的塗層的示例性應用。圖3示出了塗敷至井底鑽具組合裝置(這種情況下為鉸刀、穩定器、銑刀和擴孔器 (hole opener))的塗層的示例性應用。
圖4示出了塗敷至海洋隔水管系統的塗層的示例性應用。圖5示出了塗敷至用於井底泵送操作的光杆、抽油杆和泵的塗層的示例性應用。圖6示出了塗敷至射孔槍、封隔器和測井工具的塗層的示例性應用。圖7示出了塗敷至鋼絲繩和鋼絲索以及成股的纜繩束的塗層的示例性應用。圖8示出了塗敷至用於砂礫封隔砂石控制操作的基管和篩網組件以及用於固體控制設備的篩網的塗層的示例性應用。圖9示出了塗敷至井口和閥組件的塗層的示例性應用。圖10示出了塗敷至孔板流量計、扼流器和渦輪流量計的塗層的示例性應用。圖11示出了塗敷至套洗打撈工具的抓鉤(grapple)和卡瓦打撈筒(overshot)的塗層的示例性應用。圖12示出了為了防止垢體沉澱物沉澱而塗敷的塗層的示例性應用。圖13示出了塗敷至螺紋連接裝置的塗層的示例性應用並示出了螺紋擦傷。圖14示意性地示出了在地下旋轉鑽探期間的鑽速(ROP)與鑽壓(WOB)的關係。圖15示出了本文公開一些塗層的塗層COF與塗層硬度之間的關係與鋼基套管的關係。圖16示出了典型的應力-應變曲線，其示出了非晶態合金與晶態金屬/合金相比的高彈性極限。圖17示出了非晶碳的三元相圖。圖18示出了氫懸鍵理論的示意圖。圖19示出了 DLC塗層在幹滑動磨損試驗中的摩擦和磨損性能。圖20示出了 DLC塗層在油性鑽探液中的摩擦和磨損性能。圖21示出了高溫(150° F)DLC塗層在油性鑽探液中的滑動磨損試驗中的摩擦和磨損性能。圖22示出了高溫(150° F和200° F)DLC塗層在油性鑽探液中與未經塗覆的裸露鋼和加硬層相比的摩擦性能。圖23示出了 DLC塗層與未經塗覆的裸露鋼基板相比的速度削弱性能。圖M示出了本文公開的單層和多層DLC塗層的SEM截面。圖25示出了 DLC塗層的水接觸角與未經塗覆的4142鋼的關係。圖沈示出了用於鑽杆組件的加硬層上的混合DLC塗層的示例性示意圖。定義「環形隔離閥」是在表面以用於控制從套管與油管之間的環形空間的流動的閥。「浙青」是可沉澱在管道和其它流動設備上並因此形成流動約束的重烴鏈。「基管」是用作砂石控制篩網的負荷支承裝置的襯套。篩網附接至基管的外側。基管的至少一部分可以預穿孔、開槽或裝備有流入控制裝置。基管在刻有螺紋以便在孔內運行的同時組裝的接合區段中製成。「軸承和套筒」用於提供用於兩個裝置在滑動接觸中相對於彼此移動、尤其是允許相對旋轉運動的低摩擦表面。「耐磨接頭(blast joints)」是在增產處理期間跨流動穿孔使用或用於跨流體入口的井口中的厚壁管道。更大的壁厚和/或材料硬度阻止由於砂石或支撐劑衝擊而完全侵蝕。「井底鑽具組合」(BHA)包括一個或多個裝置，包括但不限於穩定器、可變徑穩定器、回擴鉸刀、鑽鋌、撓性鑽鋌、旋轉導向鑽具、輥擴孔器、減震接頭、鑽探液馬達、隨鑽測井 (LffD)工具、隨鑽測量(MWD)工具、取心鑽具、下鉸刀、擴孔器、扶正器、渦輪、彎殼體、彎曲馬達、隨鑽震擊器、加速震擊器、轉換接頭、緩衝震擊器、扭矩降低工具、浮動接頭、打撈工具、 打撈震擊器、套洗管道、測井工具、勘測鑽具接頭、這些裝置中任何一個的非磁性對等物以及它們的組合和它們相關的外部連接裝置。「套管」是安裝在井眼中的管道，用於防止塌孔並使鑽探能夠以更高的流體密度且在流體不會流入加套地層的情況下在套管管柱底部下方繼續。通常，多個套管管柱安裝在直徑逐漸變小的井眼中。「套管扶正器」在它在孔內移動時被綁紮在套管的外側。扶正器通常裝備有鋼簧或金屬指形件，其推靠在地層上以實現遠離地層壁，其目的是扶正套管以在套管周圍提供更均勻的環形空間，從而實現更好的水泥密封。扶正器可包括指狀裝置以刮擦井眼，從而驅除可能抑制水泥與地層直接接觸的鑽探流體濾渣。「隨鑽套管」指的是使用套管代替可取下的鑽柱鑽探的比較新和不常用的方法。當孔段已達到深度時，套管留在原位，執行操作以取下或置換在套管底部的切削元件，並且然後可泵送水泥漿。「化學噴射系統」用於將化學抑制劑噴入井眼以防止垢體、甲烷水合物和其它沉澱物積聚在井眼中，所述積聚會影響生產。「扼流器」是用於約束流速的裝置。井一般在特定的扼流器尺寸上測試，其可像帶有特定直徑的孔的一塊板那麼簡單。當砂石或支撐劑流經扼流器時，所述孔可能被侵蝕並且扼流器尺寸可能改變，從而使流速測量不精確。「同軸」指的是具有基本上相同或沿同一直線的軸線的兩個或更多個物體。「不同軸」指的是具有可能偏離但基本上平行或可能以另外的方式不沿同一直線的軸線的物體。「完井滑動套筒」是安裝在完井管柱中的裝置，其選擇性地使孔口能夠開啟或封閉，根據套的狀態允許生產層段與油管連通或不連通。在長期使用過程中，成功操作滑動套筒取決於由於摩擦、磨損、沉澱物、侵蝕和腐蝕引起的操作套的阻力。「複雜的幾何形狀」指的是基本上不包括諸如球形、圓柱形或立方體形的單一原始幾何形狀的物體。複雜幾何形狀可包括多種單一幾何形狀，例如具有許多不同半徑的圓柱形、立方體形或球形，或可包括簡單原始幾何形狀和其它複雜幾何形狀。「連接銷」是在管道的外表面上帶有螺紋的一節管道。「連接盒」是在管道的內表面上帶有螺紋的一節管道。「接觸環」是附接到測井工具的構件上以實現工具遠離套管或地層的壁的裝置。 例如，接觸環可安裝在射孔槍中的接頭處以實現槍遠離套管壁，例如在諸如「準時射孔 (Just-In-Time Perforating) " (PCT 申請 No. W02002/103161A2)的應用中。「鄰接的(contiguous) 」指的是互相相鄰使得它們可共有共同的邊緣或表面的物體。「不鄰接的(non-contiguous)」指的是由於它們偏離或互相移位而不具有共同的邊緣或表面的物體。例如，鑽具接頭是直徑較大的缸，是不鄰接的，這是因為直徑較小的缸(鑽管)定位在鑽具接頭之間。
「控制管線」和「導管」是小直徑油管，其可在油管管柱外部延伸以向一個或多個井底裝置提供液壓壓力、電壓或電流或光纖路徑。控制管線用於操作地下安全閥、扼流器和閥。噴射管線類似於控制管線並且可用於向井底閥噴射專業化學品以抑制垢體、浙青、石蠟或水合物形成，或用於減少摩擦。「Corod 」是在油杆泵吸生產操作中用作抽油杆的連續撓性油管。「缸」是(1)由兩個平行的平面界定並通過平行於給定平面移動、跟蹤由所述平面界定的曲線、且位於垂直於或傾斜於所述給定平面的平面內的直線形成的表面或實體，和/ 或(2)任何缸狀物體或部件，不論是實心的還是空心的(來源服dictionary, com)。「井底工具」是通常以可取回的方式伸入井內，或可以固定在井內，以在井眼中執行某些功能的裝置。某些井底工具可在諸如隨鑽測量(MWD)裝置上運行，而其它井底工具可在鋼絲繩上運行，例如地層測井工具或射孔槍。某些工具可在鋼絲繩或管道上運行。封隔器是可在管道或鋼絲繩上運行以便安置在井眼中以堵塞流動的井底工具，並且它可以是可取下的或固定的。存在許多業內普遍使用的井底工具裝置。「鑽鋌」是井底鑽具組合中在鑽頭附近的重壁管道。鑽鋌的剛度幫助鑽頭直線鑽探，而鑽鋌的重量用於對鑽頭施加重量以向前鑽探。「鑽杆」定義為管狀管道的全長，由方鑽杆(如果存在的話)、鑽管和鑽鋌組成，其從孔的表面到底部組成鑽探組件。鑽杆不包括鑽頭。在隨鑽加套操作的特殊情況下，用於轉入泥土地層的套管管柱將被視為鑽杆的一部分。「鑽杆組件」定義為鑽探鑽柱和井底鑽具組合或撓性油管和井底鑽具組合的組合。 鑽杆組件不包括鑽頭。「鑽探鑽柱」定義為圓柱，或附接有鑽具接頭的鑽管的管柱，鑽探鑽柱與包括鑽具接頭的井底鑽具組合之間的過渡管道，包括鑽具接頭和耐磨墊的重質鑽管，其將來自頂部驅動裝置或方鑽杆的流體和旋轉動力傳輸到鑽鋌和鑽頭。在某些參考文獻中，但不是在本文獻中，術語「鑽探鑽柱」包括鑽管和井底鑽具組合中的鑽鋌兩者。「彈性密封件」用於提供兩個裝置之間的屏障，通常是金屬的，以防止從密封件的一側向另一側流動。彈性密封件選自彈性或有彈力的一類材料的其中一種。 「彎頭、T形管和聯接器」通常用於管道設備以便連接流動管線，從而完成用於流體的流路，例如將井眼與地面生產設施連接。「可膨脹的管件」是諸如套管管柱和襯套的管狀物品，其在孔內移動時略微縮短。 一旦就位，就迫使直徑較大的工具或膨脹心軸下移到可膨脹的管柱中以使其變形至較大直徑。「氣體舉升」是通過氣體舉升閥將氣體噴入油管管柱而增加井眼中的烴流量的方法。該方法通常應用於油井，但也可應用於產生大量水的氣井。增加的氣體減少了流體柱的靜壓頭。「玻璃纖維」通常在小控制管線中向井底延伸並返回表面，用於測量井底特性，例如溫度或壓力。玻璃纖維可用於在沿井眼的精細空間樣品提供連續讀數。該纖維通常通過 「轉向接頭」被向下泵送到一條控制管線中，並向上泵送到第二控制管線中。通過轉向接頭的摩擦和阻力可限制某些光纖裝置。「流入控制裝置」(ICD)是跨地層層段的完井管柱中的可調節的孔口、噴嘴或流動通道，用於實現生產流體流入井眼的流速。這可以接合「智能」完井系統中的附加測量和自動化來使用。「震擊器」是用於當由操作員觸發時施加大軸向負荷或衝擊的井底工具。某些震擊器通過設置配重塊啟動，而其它震擊器當被向上拉時啟動。通常進行震擊器的啟動以移動在井眼中堵塞的管道。「方鑽杆」是穿過裝備有老式旋轉臺設備的鑽探平臺上的鑽機地板的平側面多邊形管道部件。扭矩施加至該四、六或八面管道部件以旋轉在下方連接的鑽管。「測井工具」是例如在鑽杆上或在鋼絲繩上的開啟或加套孔內鑽探期間通常在井內移動以進行測量的儀器。該儀器安裝在構造成伸入井內的一系列託架中，例如圓柱形裝置，其提供用於儀器的環境隔離。「組裝」是將管道連接裝置的銷和盒擰緊在一起以實現兩個管道部件的結合併在管道的內部和外部之間形成密封的過程。「心軸」是裝配在外缸內的圓柱形棒或軸。心軸可為封隔器中的主致動器，其使夾持單元或「卡瓦」向外移動以接觸套管。術語「心軸」也可指被強制向下進入可膨脹的管件中以使其變形為較大直徑的工具。心軸是幾種油田裝置中使用的普通術語。用於砂石控制篩網的「金屬網」包括按照對應的地層砂石粒徑分布定製尺寸和隔開的編織金屬長絲。篩網材料通常是耐腐蝕合金(CRA)或碳鋼。「MazefΙο 」完井篩網是帶有冗餘砂石控制和阻擋隔室的砂石篩網。MazeFlo自動減輕篩網在局部隔室迷宮上的任何機械故障，同時允許烴連續流經未損壞的區段。流路偏離使得流動轉向以重新分配來流動量(例如，參考美國專利No. 7，464，752)。「Moyno 泵」和「漸進腔室泵」是安裝在井底馬達中的長筒體泵，所述馬達在流體在外部定子與附接到軸上的轉子之間流動時在軸內生成旋轉扭矩。定子上通常比轉子多一個凸耳，因此流向鑽頭的流體的力迫使轉子轉動。這些馬達通常靠近鑽頭安裝。可選地，在井底泵送裝置中，能夠施加動力以轉動轉子並從而泵送流體。「封隔器」是可在井內安放在工作管柱、撓性油管、生產管柱或鋼絲繩上的工具。封隔器提供封隔器上方和下方的區域的流體壓力隔離。除提供必須耐用且承受嚴酷的環境條件的液壓密封件以外，封隔器也必須抵抗由於封隔器上方和下方的流體壓力差而引發的軸向負荷。「封隔器鎖閉機構」用於操作封隔器，以使封隔器通過封隔器連接到其上的管道的軸向移動來釋放和接合卡瓦。當接合時，卡瓦被向外迫壓進入套管壁，然後卡瓦的齒被大力壓入套管件材料。鋼絲繩封隔器通過拉動心軸以接合卡瓦的封隔器安置工具來運行，此後封隔器安置工具與封隔器分離並回到地面。「MP35N」是主要包括鎳、鈷、鉻和鉬的金屬合金。認為MP35N具有高耐腐蝕性並適於惡劣的井底環境。「石蠟」是某些原油烴的蠟成分，其可沉澱在井眼和流動管線的壁上並從而導致流動約束。「活塞」和「活塞襯套」是用於泵以便以對應的流體壓力升高將流體從入口轉移到出口的缸筒。襯套是活塞在其內往復運動的套筒。這些活塞類似於汽車發動機中存在的活塞。
「柱塞舉升裝置」是使油管管柱上下移動以從油管淨化水(類似於管路「清管」操作)的裝置。在柱塞舉升裝置處於油管底部的情況下，清管裝置配置成堵塞流體流，並因此通過來自下方的流體壓力在孔內向上推動它。當柱塞舉升裝置在井眼內向上移動時，它由於不允許水分離並流經柱塞舉升裝置而轉移水。在油管的頂部，一裝置觸發柱塞舉升裝置構型的改變使得它現在旁通流體，由此重力克服向上的流動流在油管內向下拉動它。摩擦和磨損是柱塞舉升裝置操作的重要參數。摩擦降低了柱塞舉升裝置下落或上升的速度，且外表面的磨損提供降低該裝置在孔內向上移動時的效力的間隙。「生產裝置」是定義為包括與油和/或氣井的鑽探、完井、增產、修井或生產有關的任何裝置的廣義術語。生產裝置包括本文所述基於油氣生產的目的使用的任何裝置。為便於確定術語，將流體噴入井內定義為以負速度生產。因此，對用詞「生產」的提及將包括「噴射」，除非另外聲明。「往復運動的密封組件」是設計為在兩個裝置軸向移位時維持隔離的密封件。「牙輪鑽頭」是裝備有通常三個錐形切削元件以在土地中形成孔的泥土鑽孔裝置。「旋轉的密封組件」是設計為在兩個裝置旋轉移位時維持壓力隔離的密封件。「砂石探頭」是插入流動流以評定流中的砂石含量的小型裝置。如果砂石含量高， 則砂石探頭可能被侵蝕。「垢體」是管壁和其它流動設備上可能積聚並導致流動約束的礦物(例如，碳酸鈣)沉澱物。用於砂礫封隔操作的「維修工具」包括封隔器轉換工具和尾噴管以在襯套和尾噴管周圍順著工作管柱向下循環，並回到環面。這容許與地層層段相對地安放泥漿。更一般地說，砂礫封隔維修工具是將砂礫封隔篩網運送到TD、安置並測試封隔器的工具組合，並控制在砂礫封隔操作期間泵送的流體的流路。該維修工具包括安置工具、轉換器和密封在封隔器孔口中的密封件。該維修工具可包括防擦拭裝置和流體損耗或換向閥。「減震接頭」是具有吸收震動的彈簧狀元件以提供震擊器的兩端之間的相對軸向運動的經修改的鑽鋌。減震接頭有時有用於鑽探很硬的地層，其中可能出現高級別的軸向震動。「分流管」是在砂石控制篩網中延伸以在長或多區完井層段上分流砂礫封隔泥漿流直到實現完整的砂礫封隔的外管或內管。參看例如美國專利No. 4，945，991、 No. 5，113，935 和 PCT 專利公報 W02007/092082, No. W02007/092083, No. W02007/126496 和 No. W02008/060479o「側套(sicbpocket) 」是油管中用於安放氣體舉升閥、溫度和壓力探頭、噴射管線閥等的偏置厚壁接頭。「滑動接觸」指的是進行相對運動的兩個本體之間的摩擦接觸，不論是否通過流體或固體分隔，後者包括流體中的粒子(皂土、玻璃珠等)或設計為產生滾動以減輕摩擦的裝置。進行相對運動的兩個本體的接觸表面的一部分將總是處於滑動狀態並因此滑動。「智能井，，是裝備有裝置、儀器和控制器以實現從指定層段選擇性地流動以最大化希望的流體的生產並最小化不希望的流體的生產的井。可基於其它原因調節流速，例如出於地質力學原因控制地下水位下降或壓力差。「增產處理」管線是用於將泵送設備連接到井口以便進行增產處理的管道。
「地下安全閥」是安裝在油管中(在海上操作中通常安裝在海底下方)以切斷流動的閥。有時這些閥被設定為在速度超過設定值的情況下、例如在地面密閉度損失的情況下自動關閉。「抽吸杆」是將位於地面的梁式泵送單元與位於井底的抽吸杆泵連接的鋼質杆。這些杆可用接頭連接和螺紋連接或它們可為類似於撓性油管進行操縱的連續杆。當所述杆上下往復運動時，在杆與油管之間的接觸位置存在摩擦和磨損。「地面流動管線」是用於將井口連接到生產設施或可選地用於將流體排放到坑洞或火炬塔架的管道。「螺紋連接裝置，，是用於連接管道區段並通過帶交錯螺紋或經加工的(例如，金屬間密封件)零件之間的機械幹涉實現液力密封的裝置。通過使一個裝置相對於另一個裝置旋轉組裝或裝配螺紋連接。兩個管道部件可適於直接螺接在一起，或可將稱為聯接器的連接器部件旋擰到一個管道上，接下來將第二管道旋擰到聯接器中。「頂部驅動」是用於從位於沿附接到鑽機井架上的軌道上下移動的臺車上的驅動系統旋轉鑽管的方法和設備。頂部驅動是操作鑽管的優選方式，因為它有利於管道的同時的旋轉和往復運動以及鑽探流體的循環。在直接鑽探操作中，當使用頂部驅動設備時粘附管道的風險通常較低。「油管」是在套管內側安裝在井內以允許流體流到地面的管道。「閥」是用於控制流動管線中的流速的裝置。存在多種閥裝置，包括止回閥、閘閥、 截止閥、球閥、針閥和塞閥。閥可手動、遠程或自動操作，或這些操作方式的結合。閥性能很大程度上取決於密閉配合的機械裝置之間建立的密封。「閥座」是當閥操作以防止流經閥時動態密封件靠在其上的靜態表面。例如，地下安全閥的擋板在其關閉時將靠在閥座上密封。砂石控制操作中的「衝洗管道」是在篩網被安放在跨越地層層段的位置之後在基管內側延伸的直徑較小的管道。衝洗管道用於有利於跨整個完井層段的環形泥漿流動，在砂礫封隔處理期間進行回流，並在篩網-井眼環面中離開砂石封隔器。「鋼絲繩」是用於在井眼中運行工具和裝置的纜索。鋼絲繩通常包括許多扭絞在一起的較小的股束，但也存在單絲鋼絲繩，或「光滑絲」。鋼絲繩通常配置在安裝在測井卡車或滑行單元上的大型鼓盤上。「工作管柱」是用於執行井眼操作例如運行測井工具、從井眼撈出材料或水泥灌漿作業的通過接頭連接的管道部件。(注以上定義的一部分來自《石油工業大辭典(ADictionary for the Petroleum hdustry)》，第三版，奧斯丁德克薩斯大學，石油擴展部門，2001。)
具體實施例方式本文的詳細描述和權利要求內的所有數值都以「約」或「大約」指示值進行修飾， 並考慮了本領域的普通技術人員會想到的實驗誤差和變化。本文公開了經塗覆的油氣井生產裝置以及製造和利用此類經塗覆的裝置的方法。 本文所述的塗層提供了本文公開的各種油氣井裝置和操作的顯著的性能改進。圖1示出了總的油氣井生產系統，為該油氣井生產系統如本文所述對特定生產裝置塗敷塗層可提供這些裝置的改進的性能。圖IA是基於陸地的鑽機10的示意圖。圖IB是經砂石12、頁巖14 和水16定向鑽探到油田18中的鑽機10的示意圖。圖IC和ID是生產井20和噴射井22的示意圖。圖IE是射孔槍M的示意圖。圖IF是砂礫封隔沈和篩網襯套觀的示意圖。在不喪失一般原則的前提下，對於不同的井生產裝置可以優選不同的發明塗層。對生產操作的整體概覽表明了對於這些塗層的可能的油田應用的範圍。本文公開的塗覆此類裝置的方法包括對將遭受摩擦、磨損、腐蝕、侵蝕和/或沉澱物的至少一個裝置的一部分塗敷適當的塗層。塗層塗敷至至少一個裝置的與另一種固體或與流體流動流相接觸的表面的至少一部分，其中塗層的摩擦係數小於或等於0. 15 ；塗層的硬度大於400VHN ；經塗覆的裝置的耐磨性至少為未經塗覆的裝置的3倍；和/或塗層的表面能量小於lj/m2。從本文公開的塗層選擇合適的塗層、特定的應用方法和待塗覆以針對每個特定應用最大化該技術的技術和經濟效益的表面的選擇需要技巧。然而，這些多樣化的應用領域當中存在向塗覆方法和應用提供統一的主題的共同要素。已想到特定的油田設備裝置改型來利用該方法並且被包括在本發明的範圍內。2008年8月20日提交的美國臨時專利申請No. 61/189，530，在此通過引用全文併入，公開了在用於油氣鑽探應用中的鑽杆組件上使用超低摩擦塗層。其它油氣井生產裝置可受益於本文公開的塗層的使用。鑽杆組件是可受益於塗層的使用的生產裝置的一個示例。操作鑽杆組件的幾何形狀是包括圓柱形本體的一類應用的一個示例。在鑽杆的情況下， 實際鑽杆組件是與套管或裸孔(open hole)滑動接觸的內缸筒，以及外缸筒。這些裝置可具有不同的半徑並可選地可被描述為包括不同半徑的多個鄰接的缸筒。如下所述，油氣井生產操作中存在幾種其它圓柱形本體的情形，或由於相對運動滑動接觸，或在與流體流動流接觸後保持靜止。通過考慮要解決的相關問題，通過評價接觸或流動問題——待被解決以減輕摩擦、磨損、腐蝕、侵蝕或沉澱物，並通過正確地考慮如何將此類塗層塗敷至特定裝置以實現最大的效能和益處，發明塗層可有利地用於這些應用中的每一個。存在油氣井生產裝置的許多進一步的示例，其提供在各種本體的表面的各部分上有益地使用塗層的機會，如背景技術中所述的，包括為了防止腐蝕和侵蝕並抵抗外表面或內表面或兩者上的沉澱物而塗覆的靜止本體；為了減少摩擦並抵抗侵蝕和磨損而塗覆的靜止裝置；為了減少組裝摩擦、防止擦傷和金屬間密封性能而塗覆的螺紋連接裝置；以及為了減少摩擦和磨損並防止侵蝕、腐蝕和磨損而塗覆的軸承、套筒和其它幾何形狀。在每一種情況下，都可能存在使用塗層來減輕摩擦、磨損、腐蝕、侵蝕和沉澱物的主動機和次動機。同一本體的不同部分可具有不同塗層，塗敷這些塗層以針對不同的塗層設計角度，包括要解決的問題，塗層的塗敷可以獲得的技術，以及與每一種塗層相關的經濟性。很有可能存在主導塗層塗敷的最終選擇的許多權衡和折衷。塗層的使用和相關益處的概述在從井眼製備和生產烴的各個階段期間所需的寬範圍的操作和設備中，在不同情況下出現了幾種原型應用。這些應用可被視為進行滑動接觸的本體的各種幾何形狀和與固態物體的表面互相作用的流體流。以下枚舉了幾種特定的幾何形狀和示例性應用，但本領域的技術人員會理解塗層應用的寬泛範圍並且該清單並不限制本文公開的發明方法的範圍A.由於相對運動而滑動接觸的經塗覆的圓柱形本體。
在貫穿生產操作無所不在的應用中，兩個圓柱形本體相接觸，並且當一個本體相對於另一個本體移動時發生摩擦和磨損。所述本體可包括多個圓柱形區段，其以不同的半徑鄰接地布置，並且所述圓柱體可同軸或不同軸地布置。可能希望塗覆圓柱形本體中的至少一個的小區域，有可能是以後可以維修或更換的可去除的零件。例如，塗覆鑽管的鑽具接頭的各部分可為利用塗層減少鑽杆與套管或裸孔之間的接觸摩擦的有效方式。在另一個應用中，例如柱塞舉升裝置，可能有利的是塗覆較小的物體即柱塞舉升裝置的整個表面區域。 除減少摩擦以外，也可藉助於本文公開的塗層提高耐磨性能。進行滑動接觸相對運動的經塗覆的圓柱形本體也可呈提高的硬度，這提供了提高的耐磨性。此類應用的示例性清單如下鑽管可掘進或放鬆而產生縱向運動並且可在套管或裸孔內旋轉。摩擦力和裝置磨損隨著井傾斜度增加(由於局部井眼曲率增加)並隨著接觸負荷增加而增加。該摩擦負荷導致必須由鑽機和鑽柱裝置(參看圖2)克服的顯著的鑽探扭矩和拖滯。圖2A示出了在定向或水平井中的鑽柱組件30中發生的偏轉。圖2B是帶有螺紋連接裝置35的鑽管32和鑽具接頭；34的示意圖。圖2C是鑽頭和井底鑽具組合36的示意圖。圖2D是套管38和鑽具接頭39的示意圖，示出了兩者之間發生的接觸以及如何使用本文公開的減少摩擦的塗層在鑽具接頭39在套管38內旋轉時減少兩個構件之間的摩擦。本文公開的低摩擦塗層將減小使鑽具接頭39在套管38內轉動以鑽探橫向井所需的扭矩。塗層也可用於管道連接裝置 35中。井底鑽具組合(BHA)裝置在鑽杆組件上、位於鑽管下方並且可承受類似的摩擦和磨損，因此本文公開的塗層可減少這些機械問題(參看圖3)。特別地，塗敷至BHA裝置的本文公開的塗層可減少在與裸孔接觸的部位的摩擦和磨損並延長鑽具壽命。本文公開的塗層的低表面能量也可抑制地層切削物粘附在鑽具上並也可延長腐蝕和侵蝕極限。也可減少差異化粘附的趨勢。圖3A是用於井底鑽具組合裝置中的銑刀40的示意圖。圖:3B是用於井底鑽具組合裝置中的鑽頭41和擴孔器42的示意圖。圖3C是用於井底鑽具組合裝置中的鉸刀44的示意圖。圖3D是用於井底鑽具組合裝置中的穩定器46的示意圖。圖3E是用於井底鑽具組合裝置中的接頭48的示意圖。鑽柱在海洋隔水管內操作並且可由於鑽探操作而導致隔水管磨損。在隔水管內的耐磨墊和其它裝置上以及鑽柱的鑽具接頭上使用塗層將減少鑽探引起的隔水管磨損(參看圖4)。由於海流引起的隔水管的振動可通過塗層減輕，並且也可抑制海洋生物，進一步減少與流動的海流相關的拖滯。參照圖4，在隔水管管道外表面50上使用本文公開的塗層可用於減少海流引起的摩擦和振動。此外，在內部套筒52和其它接觸部位上使用本文公開的塗層可用於減少摩擦和磨損。柱塞舉升裝置通過在油管管柱內上下移動而從井去除水。柱塞舉升裝置外徑和油管內徑兩者都可受磨損影響，並且柱塞舉升裝置的效果隨著磨損和接觸摩擦因素下降。減少摩擦將增加柱塞舉升裝置操作的最大允許偏差，從而增加該技術的應用範圍。減少油管和柱塞舉升裝置兩者的磨損會延長需要維修的時間間隔。從操作的角度看，也非常希望減少油管內徑的磨損。此外，塗覆柱塞舉升裝置的內表面可能是有益的。在旁通狀態下，如果通過鑽具的內部部分上的塗層減少了流動阻力，則流體將更容易流經鑽具，從而允許鑽具更快下降。
完井滑動套筒可沿軸向移動，例如通過敲擊撓性油管以使圓柱形套筒相對於也可能呈圓柱形的鑽具本體上下移位。這些套筒由於歸咎於地層材料以及垢體和沉澱物的積聚的損壞而容易發生摩擦、磨損、侵蝕、腐蝕和粘附。抽吸杆和Corod 管件在泵油機(pumping jack)中用於將油泵送到低壓井的表面，並且它們也可用於從氣井中泵出水。摩擦和磨損隨著杆相對於油管管柱移動而連續發生。摩擦減少可實現選擇較小的泵油機並減少井泵送操作(參看圖5)的動力需求。參照圖 5A，本文公開的塗層可以用在杆泵送裝置的接觸部位上，包括但不限於抽吸杆導向器60、抽吸杆62、油管封隔器64、井底泵66和孔眼68。參照圖5B，本文公開的塗層可用在光杆夾具 70和光杆72上以提供平滑的耐用表面以及良好的密封。圖5C是抽吸杆62的示意圖，其中本文公開的塗層可用於防止螺紋連接裝置74上的摩擦和磨損。鑽機上用於鑽探流體的泵和用於井增產作業中增產流體的泵中的活塞和/或活塞襯套可被塗覆以減少摩擦和磨損，從而實現提高的泵性能和更長的裝置壽命。由於使用特定設備來泵送酸性物，因此塗層也可減少對這些裝置的腐蝕和可能的侵蝕。可膨脹的管件通常在孔內延伸，由懸掛組件支承，然後通過使心軸貫穿管道延伸而膨脹。塗覆心軸的表面可極大地減少心軸負荷並在傾斜度高於其它井的井內實現可膨脹管件應用。可通過顯著的摩擦減少提高膨脹操作的速度和效率。心軸是錐形圓柱體並且可被認為包括不同半徑的鄰接圓柱體；可選地，錐形心軸可被認為具有複雜的幾何形狀。控制管線和管道可在內部塗覆以便減少流動阻力和腐蝕/侵蝕作用。玻璃長絲纖維可在內部塗覆的導管被向下泵送並以減少的阻力在接頭中轉向。在井眼中操作的工具通常是圓柱形本體或包括在套管、油管和裸孔中在鋼絲繩或剛性管道上操作的不同半徑的鄰接圓柱體的本體。摩擦阻力隨著井眼傾斜度增加或局部井眼斜率增加而增加，從而使得此類工具的操作在鋼絲繩上不可靠。塗敷至接觸表面的塗層可使此類工具能夠以更高的傾斜度在鋼絲繩上可靠地操作。此類工具的清單包括但不限於測井工具、射孔槍和封隔器(參見圖6)。參照圖6A，本文公開的塗層可以用在卡尺測井工具80的外表面上以減少與裸孔82或套管(未示出)的摩擦和磨損。參照圖6B，本文公開的塗層可以用在聲學測井工具84 (包括但不限於信號發射器86和信號接收器88)上以減少與套管90或裸孔的摩擦和磨損。參照圖6C和6D，本文公開的塗層可以用在封隔器92 和射孔槍94的外表面上以減少與裸孔的摩擦和磨損。塗層的低表面能量將抑制地層粘附在鑽具上並且也可延長腐蝕和侵蝕極限。塗層可塗敷至在鑽具和其它工具運行操作期間遭受高曲率和接觸負荷的關鍵管道區段的內部部分。這些塗層可在將套管送入井眼以前或可選地在管道就位之後塗敷。鋼絲繩是在套管、管道和裸孔內操作的細長圓柱形本體。更詳細地說，每一股為圓柱體，並且扭絞的股為一束不同軸的圓柱體，其共同構成鋼絲繩的有效圓柱體。在鋼絲繩與井眼之間的接觸部位處存在摩擦力，因此使用低摩擦塗層塗覆鋼絲繩將實現摩擦和磨損減少的操作。編織繩、多導線、單導線和試井鋼絲(slickline)都可以有益地塗覆有低摩擦塗層(參看圖7)。參照圖7A，本文公開的塗層可通過塗敷至鋼絲102、鋼絲104的單獨的股或股束106而塗敷至鋼絲繩100。如圖7B中所示的滑輪型裝置108可用於將通過鋼絲繩100 傳送的測井工具送入套管、油管和裸孔內。該滑輪裝置也可有利地在滑輪和軸承的由於摩擦而遭受負荷和磨損的區域內使用塗層。
用於井下工具的套管扶正器和接觸環可被塗覆以減少將此類裝置安放在井眼內的摩擦阻力。B.主要靜止的經塗覆的圓柱形本體圓柱形本體(例如，管道或經改造的管道)的外部、內部或兩者的塗覆部分存在多樣化的應用，主要用於抵抗侵蝕、腐蝕和磨損，但也可用於減少流體流動摩擦。所述圓柱形本體可為同軸的、鄰接的、不同軸的、不鄰接的或其任意組合。在這些應用中，經塗覆的圓柱形裝置可能長期主要是靜止的，儘管或許塗層的次要益處或應用是減少在安裝生產裝置時的摩擦負荷。此類應用的示例性清單如下用於砂石控制的穿孔基管、開槽基管或篩網基管通常在完井和增產處理(例如， 砂礫封隔或裂縫封隔處理)和井生產壽命期間遭受侵蝕和腐蝕。例如，使用發明方法獲得的塗層將提供更大的用於流動的內徑並相對於更厚的塑性塗層減少流動壓降。在另一個示例中，腐蝕性生產流體可腐蝕材料並使材料隨著時間推移而損失。此外，高生產率的地層層段可提供足夠高而導致侵蝕的流體速度。這些流體也可能攜帶了固體粒子，例如趨於使完井裝置失效的細料或地層砂石。浙青、石蠟、垢體和水合物的沉澱物也有可能形成在諸如基管的完井設備上。塗層可通過減少摩擦、磨損、腐蝕、侵蝕和沉澱物的效應而在這些情形中提供益處。(參看圖8。)用於篩網應用的特定塗層已在美國專利No. 6，742，586B2中公開。可在內部、外部或兩者塗覆用於砂礫封隔操作的衝洗管道、分流管和維修工具以減少侵蝕和流動阻力。用於砂礫封隔的夾雜有固體的流體被高速泵送通過這些裝置。可有利地塗覆耐磨接頭以便實現更大的耐受由流體和固體的高速衝擊引起的侵蝕的性能。可塗覆薄金屬網以便減少摩擦並抵抗腐蝕和侵蝕。塗覆過程可在編織之前施加於單獨的圓柱形股或在已執行編織之後施加於編織好的網，或兩者，或進行組合。可認為篩網包括許多圓柱體。金屬絲股可被牽引通過塗覆裝置以實現金屬絲的全部表面積的塗層塗敷。塗層應用包括但不限於設置在完井層段內的砂石篩網、Mazeflo 完井篩網、燒結篩網、金屬絲纏繞篩網、用於固體控制的搖動篩網、和用作油氣井生產裝置的其它篩網。塗層能夠塗敷至過濾介質、篩網基管或兩者的至少一部分。(參看圖8。)圖8示出了本文公開的塗層在篩網和基管上的示例性應用。特別地，本文公開的塗層可如圖8A和8B中所示塗敷至篩網110以及基管112的開槽襯套以防止其上的腐蝕、侵蝕和沉澱物。本文公開的塗層也可塗敷至如圖8C中所示的固體控制設備的泥漿振動篩114中的篩網。塗層可降低材料硬度要求並減輕特定裝置和構件的腐蝕和侵蝕效應，從而使得能夠使用成本更低的材料作為硬合金、碳化物、MP35N、高合金材料和基於此目的選擇的其它昂貴材料的替代品。C.板、盤和複雜幾何形狀存在許多可對諸如板和圓盤的非圓柱形裝置或對更複雜的幾何形狀考慮的塗層應用。塗層的益處可源於相對於其它裝置的相對運動引起的滑動接觸摩擦和磨損的減少， 或來自與流體流的相互作用的腐蝕、侵蝕和沉澱物的減少，或在許多情況下以兩者的組合。 這些應用可受益於如下所述的塗層的使用。此類應用的示例性清單如下
可有益地塗覆扼流器、閥、閥座、密封件、球閥、流入控制裝置、智能井閥和環形隔離閥以減少沉澱物引起的侵蝕、腐蝕和損壞。這些裝置中的很多個用於井口設備中(參看圖9和10)。特別地，參照圖9A、9B、9C、9D和9E，閥110、防噴器112、井口 114、下方鑽杆旋塞116和氣體舉升閥118可塗覆有本文公開的塗層以在高速構件中提供對侵蝕和腐蝕的抵抗，並且這些經塗覆的裝置的平滑表面提供了增強的可密封性。此外，參照圖10AU0B和 10C，扼流器120、孔板流量計122和渦輪流量計IM可具有流動約束和塗覆有本文公開的塗層以提供對侵蝕和腐蝕的進一步抵抗的其它構件(例如，葉輪和轉子)。相同的生產裝置的其它表面區域可受益於通過在生產裝置的不同部分上使用相同或不同塗層獲得的減少的摩擦和磨損。座、潤滑油嘴、閥、側套、心軸、封隔器卡瓦、封隔器鎖片等可有益地塗覆有低摩擦塗層。地下安全閥用於在有可能損失地面密閉度的情況下控制流動。這些閥例行地用於海上井以增加操作整體性並且通常有規定要求。地下安全閥的可靠性和效力的提高對操作整體性提供了顯著益處並且可在閥測試有故障的情況下避免昂貴的修井操作。增強的可密封性、對腐蝕、侵蝕和沉澱物的抵抗以及移動的閥裝置中減少的摩擦和磨損由於這些原因而可能是非常有益的。氣體舉升裝置和化學噴射閥通常用於油管管柱以實現流體的噴射，並且這些裝置的塗覆部將提高它們的性能。使用氣體舉升裝置來減少靜壓頭並增加從井的流動，並且例如噴射化學品以抑制井內會妨礙流動的水合物或垢體的形成。彎頭、T形管和聯接器可在內部塗覆以便減少流體流動摩擦並防止垢體和沉澱物的積聚。可塗覆旋轉設備的球軸承、套筒軸承和軸頸軸承以提供低摩擦和耐磨性，並實現軸承裝置更長的壽命。牙輪鑽頭的軸承可有益地塗覆有低摩擦塗層。磨損套筒可有益地塗覆有低摩擦塗層。可使用動態金屬間密封件的塗層來增強或代替往復運動的和/或旋轉的密封組件中的彈性體。Moyno 和漸進腔室泵包括在固定的定子內轉動的葉片式轉子。塗覆一個零件或另一個零件或兩者可實現改進的操作並增加泵效率和耐久性。可塗覆旋轉的泵設備中的葉輪和定子以便抵抗侵蝕和磨損，並在流動流中存在細固體的情況下實現耐久性。此類應用包括潛水泵。塗覆用於地面的固體控制設備中的離心機部分可通過防止離心機排放的堵塞而增強這些裝置的效力。經塗覆的工具中的彈簧可具有減少的接觸摩擦和長使用壽命可靠性。示例包括安全閥、氣體舉升閥、減震接頭和震擊器。可塗覆測井工具裝置以提高包括將臂、取心管、流體取樣鋼瓶和其它裝置配置到井眼內的操作。如果塗敷塗層，則從工具伸出然後縮回到工具內的裝置可以更加不容易由於摩擦和固體沉澱物而堵塞。可有益地塗覆包括但不限於套洗管道、抓鉤和卡瓦打撈筒的打撈設備以有利於鎖閉在設備的分離部件上並從井眼去除或「打撈」。進入卡瓦打撈筒管道的低摩擦可通過塗層促進，並且抓鉤上的硬塗層可改善工具的咬合。(參看圖11。)特別地，參照圖11A，本文公開的塗層可塗敷至套洗管道130、套洗管道連接器132、旋轉滑瓦134和打撈裝置以減少起錨器136進入套洗管柱的摩擦。此外，參照圖11B，本文公開的塗層可塗敷至抓鉤138以維持用於良好夾持的材料硬度。可有益地塗覆用於監控壓力、溫度、流速、流體濃度、密度和其它物理或化學性質的砂石探頭和井流流量計以延長壽命並抵抗磨損、侵蝕、腐蝕和垢體、浙青、石蠟和水合物的沉澱引起的損壞。圖12A和12B分別示出了管件140中不存在垢體沉澱物和存在垢體沉澱物的示例性圖。特別地，圖12A示出了因沒有垢體、浙青、石蠟或水合物沉澱物而具有完整內徑的管件140，所述完整內徑是由於在管件140的內側和/或外側表面上使用了本文公開的塗層。相反，圖12B示出了流動能力由於垢體和其它沉澱物142積聚在管件140的內側和/或外側表面上(其原因是未採用本文公開的低表面能量塗層)而受到約束的管件 140。垢體和其它沉澱物142在管件140中的積聚阻止了使用測井工具進入井眼。D.螺紋連接裝置油田應用中的高強管件和特製合金可能容易擦傷，並且可有益地塗覆螺紋連接裝置以便在連接裝置組裝期間減少摩擦並增加表面硬度並且使得管道和連接裝置能夠重複使用而無需重新修整螺紋。可通過實現更高的接觸應力提高密封性能而不存在擦傷風險。套管、油管、鑽管、鑽鋌、工作管柱、地面流動管線、增產處理管線、用於連接井下工具的螺紋、海洋隔水管和生產操作中包括的其它螺紋連接裝置的銷和/或盒螺紋可有益地塗覆有本文公開的低摩擦塗層。可單獨或與當前用於改善連接裝置組裝和防擦傷性能的技術相結合地塗覆螺紋，包括螺紋的噴丸強化和冷軋，並且有可能但可能性不高的化學處理。 (參看圖13。)參照圖13A，銷150和/或盒152可塗覆有本文公開的塗層。參照圖13B，螺紋IM和/或臺肩156可塗覆有本文公開的塗層。在圖13C中，螺紋管件158的螺紋連接裝置(未示出)可塗覆有本文公開的塗層。在圖13D中，可通過使用本文公開的塗層防止螺紋154的擦傷159。所公開的塗層的詳細應用和益處生產操作、即鑽探過程的一個重要方面的詳細檢驗能夠幫助確定在井生產過程中有益地使用塗層的幾種挑戰和機會。用旋轉鑽探系統鑽探用於油氣開採和生產的深井，所述旋轉鑽探系統依靠巖石切削工具即鑽頭形成鑽孔。驅動該鑽頭的扭矩通常由具有機械變速箱的馬達在表面產生。藉助於該變速箱，馬達驅動旋轉臺或頂部驅動單元。將能量從表面傳輸到鑽頭的媒介是鑽柱， 主要包括鑽管。鑽柱的下部是井底鑽具組合(本文簡寫為BHA)，其主要包括鑽鋌、穩定器和包括測量裝置的其它、下鉸刀、馬達和本領域的技術人員公知的其它裝置。鑽柱和井底鑽具組合的組合在本文稱為鑽杆組件。可選地，撓性油管可代替鑽柱，並且撓性油管和井底鑽具組合的組合在本文也稱為鑽杆組件。井底鑽具組合在鑽探端部與鑽頭連接。對於鑽杆組件包括鑽柱的情況，在鑽探操作期間定期對鑽杆增加新的鑽管區段， 並且通常對鑽孔的上部區段加套以使井穩定，並繼續鑽探。因此，鑽杆組件(鑽柱/BHA)經歷鑽柱/BHA/鑽頭與套管(鑽孔的「加套孔」部分)或對於裸鑽孔(鑽孔的「裸孔」部分) 為巖石切屑與環面或鑽柱/BHA/鑽頭中的鑽探液之間的相互作用導致的各種摩擦和磨損。
鑽探的走向是更深和更硬的地層，其中低鑽速(本文簡寫為R0P)引起高鑽探成本。在其它區域例如深頁巖鑽探中，可能發生井底結球，其中頁巖切屑通過跨切屑-鑽探液和切屑-鑽頭表面的不同鑽探液壓力而粘附在鑽頭切削麵上，從而顯著降低了鑽探效率和 R0P。切屑粘附在諸如穩定器的BHA裝置上也會引起鑽探低效。鑽杆組件摩擦和磨損是鑽柱或撓性油管的過早失效和相關的鑽探低效的重要誘因。穩定器磨損除引起振動低效外還會影響鑽孔質量。這些低效在ROP不隨著鑽頭上的重量(本文簡寫為W0B)和如根據鑽頭的機械性能所預測的鑽頭每分鐘轉數(本文簡寫為 RPM)線性增加的意義上可體現為ROP限制器或「破壞點(founder point)」。該限制在圖 14中示意性地示出。在鑽探行業中已經認識到，鑽杆振動和鑽頭結球是限制穿透速度的兩個最有挑戰性的因素。當塗敷至鑽杆組件時本文公開的塗層有助於減輕這些ROP限制。深鑽探環境，尤其在硬巖層中，引起鑽杆組件的嚴重振動，其可導致鑽頭穿透速度下降和井下設備的過早失效。這兩個主要的振動激發源是鑽頭與巖層之間以及鑽杆組件與井眼或套管之間的互相作用。因此，鑽杆組件軸向地、扭轉地、橫向地或通常以這三種基本模式的結合振動，即，互耦振動。因此，這引起複雜的問題。鑽杆組件振動的一個特別有挑戰性的形式是卡瓦粘附振動(stick-slip vibration)模式，其為扭力不穩定的表現。各種鑽杆組件裝置與套管/鑽孔的靜態接觸摩擦以及作為轉速的函數的這種接觸摩擦的動態響應對於卡瓦粘附振動的開始(onset)來說是重要的。例如，提出鑽頭引起的卡瓦粘附扭力不穩定是由在其中動態接觸摩擦低於靜態摩擦的鑽頭-鑽孔表面處的接觸摩擦的速度減弱觸發的。在當今的先進技術下，可從同一初始井眼鑽探多個橫向井眼。這可意味著在長得多的深度上鑽探和使用定向鑽探技術，例如，通過使用旋轉導向系統(本文簡寫為RSS)。儘管這提供主要的成本和後勤優點，但它也極大地增加了鑽柱和套管上的磨損。在定向或大位移鑽探的某些情形中，豎直偏斜度即傾斜度(與豎向的角度)能夠大至90°，這一般稱為水平井。在鑽探操作中，鑽柱組件傾向於靠在鑽孔或井套管的側壁上。這種傾向由於重力作用在定向井中大得多。隨著鑽柱的長度和/或偏斜程度增加，旋轉鑽柱所形成的整體摩擦拖滯也增加。為克服這種摩擦拖滯的增加，需要額外的動力來旋轉鑽柱。因而形成的磨損和鑽柱/套管摩擦對高效鑽探操作來說是關鍵的。能夠在這些情形中實現的測定深度可受鑽機的可用轉矩容量限制。需要找到更有效的解決方案來延長設備壽命並且使用現有鑽機和驅動機構鑽探的能力以延長這些操作的橫向位移。已發現帶塗層的鑽杆組件的塗層部分或全部可解決這些問題。圖2和3示出了其中可塗敷本文公開的塗層減少鑽探期間的摩擦和磨損的鑽杆組件的區域。本發明的另一方面涉及使用塗層來提高鑽探工具的性能，特別是用於鑽探含有粘土和類似物質的地層的井底鑽具組合。本發明利用低表面能量新型材料或塗覆系統來提供熱力學低能量表面，例如，用於井底裝置的不浸水表面。本文公開的塗層適合用於在多粘土 (gumbo-prone)區域進行油氣鑽探，例如使用基於水的鑽探液(本文簡寫為WBM)進行高粘土含量的深頁巖鑽探，以防止井底鑽具組合結球。此外，本文公開的塗層當塗敷至鑽柱組件時能夠同時減少接觸摩擦、結球和並減少磨損同時不會犧牲套管的耐久性和機械整體性。因此，本文公開的塗層是「套管友好的」，因為它們不會縮短套管的壽命或使套管的功能退化。本文公開的塗層的特徵也在於對速度減弱摩擦性能不太敏感或不敏感。因此，設置有本文公開的塗層的鑽杆組件提供了低摩擦表面，其優點既在於減輕了卡瓦粘附振動，又減少了寄生轉矩，從而進一步實現了超大位移鑽探。用於鑽杆組件的本文公開的塗層提供了以下示例性非限制性的優點i)減輕卡瓦粘滯振動，ii)減少扭矩和拖滯以便延長大位移井的位移，以及iii)減輕鑽頭和其它井底鑽具組合結球。這三個優點連同最小化寄生轉矩可引起井底鑽探設備的鑽速及耐久性的顯著改善，從而也有助於縮短非生產時間(本文簡寫為NPT)。本文公開的塗層不僅減少摩擦，而且還耐受要求化學穩定性、耐腐蝕性、抗衝擊性、耐磨、耐侵蝕性和機械整體性(塗層-基質界面強度)的不利井下鑽探環境。本文公開的塗層也可經得起複雜幾何形狀應用的檢驗而不會損壞基質性質。此外，本文公開的塗層還提供了防止井底裝置結球所需的低能量表面。對鑽探過程的這種說明已集中在塗層的摩擦和磨損益處，主要應用於滑動接觸的圓柱體，並且也已確定用於減少地層切屑粘附在井底裝置上的低能量表面的益處。這些相同的技術說明適合於由於相對運動而滑動接觸的其它圓柱體情形，其相應地具有修改的環
^Mi ο以類似的方式，已如上所述確定其它共同的幾何形狀參數進行相對運動的板、圓盤和複雜幾何形狀；靜止的圓柱形本體；生產裝置中具有複雜幾何形狀的靜止裝置；以及螺紋連接裝置。減少摩擦和磨損是對由於相對運動而滑動接觸的本體塗敷塗層的主要動機，不論該幾何形狀是否包括圓柱體、板和圓盤或更複雜的幾何形狀。對於靜止裝置而言，塗層的動機和益處略有不同。儘管摩擦和磨損可能是重要的次級因素(例如在該裝置的初次安裝中)，但塗層的主要益處可為它們對侵蝕、腐蝕和沉澱物的抵抗，並且這些因素於是變成它們的選擇和使用的主要依據。本發明的示例性實施例在本發明的一個示例性實施例中，一種經塗覆的油氣井生產裝置包括具有一個或多個圓柱形本體的油氣井生產裝置，以及該一個或多個圓柱形本體的至少一部分上的塗層，其中該塗層選自非晶態合金、經熱處理的基於非電鍍或電鍍鎳-磷複合材料(其中磷含量大於12wt% )、石墨、MoS2, 、基於富勒烯的複合材料、基於硼化物的金屬陶瓷、準晶態材料、基於金剛石的材料、類金剛石碳(DLC)、氮化硼和它們的組合。在本發明的另一個示例性實施例中，經塗覆的油氣井生產裝置包括具有一個或多個本體的油氣井生產裝置，附加條件是該一個或多個本體不包括鑽頭，以及該一個或多個本體的至少一部分上的塗層，其中該塗層選自非晶態合金、經熱處理的基於非電鍍或電鍍鎳-磷複合材料(其中磷含量大於12wt% )、石墨、Mo$、WS2、基於富勒烯的複合材料、基於硼化物的金屬陶瓷、準晶態材料、基於金剛石的材料、類金剛石碳(DLC)、氮化硼和它們的組
I=I O塗層的摩擦係數可為小於或等於0. 15，或0. 13，或0. 11，或0. 09，或0. 07，或
0.05。摩擦力可計算如下摩擦力=法向力X摩擦係數。在另一種形式中，經塗覆的油氣井生產裝置可具有不低於塗層的靜態摩擦係數的50 %或60 %或70 %或80 %或90 %的塗層動態摩擦係數。在又另一種形式中，經塗覆的油氣井生產裝置可具有大於或等於塗層的靜態摩擦係數的塗層動態摩擦係數。經塗覆的油氣井生產裝置可由鐵基鋼、Al基合金、Ni基合金和Ti基合金製成。 4142型鋼是用於油氣井生產裝置的一種非限制性的示例性鐵基鋼。鐵基鋼基質的表面可在塗層塗敷以前選擇性地進行高級表面處理。高級表面處理可提供以下優點中的一個或多個塗覆層的延長的耐久性、增強的耐磨性、減小的摩擦係數、增強的耐疲勞性和擴大的耐腐蝕性能。非限制的示例性高級表面處理包括離子注入、氮化、碳化、噴丸強化、雷射和電子束上釉、雷射衝擊噴丸和它們的組合。此類表面處理可通過引入另外的物種和/或引入深層擠壓殘餘應力硬化基質表面，從而抑制疲勞、衝擊和磨損損壞引起的裂縫生長。本文公開的塗層可選自非晶態合金、基於非電鍍或電鍍鎳-磷複合材料、石墨、 MoS2、WS2、基於富勒烯的複合材料、基於硼化物的金屬陶瓷、準晶態材料、基於金剛石的材料、類金剛石碳(DLC)、氮化硼和它們的組合。基於金剛石的材料可為化學氣相澱積(CVD) 金剛石或聚晶金剛石複合片(PDC)。在一個有利的實施例中，經塗覆的油氣井生產裝置塗覆有類金剛石碳(DLC)塗層，並且更具體地說DLC塗層可選自四面體非晶碳(ta-C)、四面體非晶氫化碳(ta-C:H)、類金剛石氫化碳(DLCH)、類聚合物氫化碳(PLCH)、類石墨氫化碳(GLCH)、含矽的類金剛石碳(Si-DLC)、含金屬的類金剛石碳(Me-DLC)、含氧的類金剛石碳(O-DLC)、含氮的類金剛石碳(N-DLC)、含硼的類金剛石碳(B-DLC)、氟化的類金剛石碳 (F-DLC)和它們的組合。顯著減小油氣井生產裝置的摩擦係數(COF)將引起摩擦力的顯著減少。當所述裝置為經塗覆的鑽杆組件時這轉化為使切屑沿表面滑動所需的較小的力。如果摩擦力足夠低，則可以增加切屑沿表面的移動性直到它們能夠被舉升離開鑽杆組件的表面或運輸到環面。也有可能的是，增加切屑沿表面的移動性可能抑制由於鑽探液與將切屑保持在刀盤表面上的位於鑽探液和受鑽探液擠壓的切屑-刀盤界面區域之間的差壓引起的不同程度地卡住的切屑的形成。降低油氣井生產裝置表面上的COF通過用本文公開的塗層塗覆這些表面來完成。塗敷至油氣井生產裝置的這些塗層能夠耐受不利的鑽探環境，包括抵抗腐蝕、衝擊載荷和暴露於高溫。除低COF以外，本發明的塗層也具有足夠高的硬度以提供在油氣井生產操作期間克服磨損的耐久性。更特別地，本文公開的油氣井生產裝置上的塗層的維氏硬度或相當的維氏硬度可大於或等於 400、500、600、700、800、900、1000、1500、2000、2500、3000、3500、 4000、4500、5000、5500或6000。大於400的維氏硬度允許經塗覆的油氣井生產裝置當用作鑽杆組件時用於使用基於水的鑽探液並使用螺旋穩定器鑽探頁巖。螺旋穩定器產生BHA振動的傾向小於直刀片式穩定器。圖15示出了相對於現有技術鑽柱和BHA鋼對於某些本文公開的塗層而言塗層COF和塗層硬度之間的關係。當用作鑽杆組件上的表面塗層時，本文公開的塗層的低COF和高硬度的組合提供了用於井下鑽探應用的堅硬、低COF耐用材料。帶有本文公開的塗層的經塗覆的油氣井生產裝置也提供小於1、0. 9,0. 8,0. 7、 0. 6、0. 5、0. 4、0. 3、0. 2或0. lj/m2的表面能量。在地下旋轉鑽探操作中，這有助於減輕巖層切屑引起的粘附或結球。接觸角可用於量化本文公開的經塗覆的油氣井生產裝置上的塗層的表面能量。本文公開的塗層的水接觸角大於50、60、70、80或90度。與用於經塗覆的油氣井生產裝置中的本文公開的塗層有關的更多細節如下
非晶態合金作為用於本文公開的經塗覆的油氣井生產裝置的非晶態合金通過較高的硬度提供了高彈性極限/流動強度。這些屬性允許這些材料當承受應力和應變時與諸如用於鑽杆組件中的鋼之類的晶態材料相比保留用於更高應變/應力的彈性。作為用於鑽杆組件的塗層的非晶態合金與常規的晶態合金/鋼之間的應力-應變關係在圖16中示出，並示出了常規晶態合金/鋼與非晶態合金相比能夠在較低的應變/應力下容易地轉換為塑性變形。在接觸表面處的過早彈性變形引起晶態金屬生成表面微凸體和作為結果的高微凸體接觸力和C0F。非晶態金屬合金或非晶態材料的高彈性極限一般能夠減少微凸體的形成，從而也引起耐磨性的顯著提高。作為用於油氣井生產裝置的塗層的非晶態合金將減少在生產操作期間形成的微凸體並從而降低裝置的C0F。作為用於油氣井生產裝置的塗層的非晶態合金可使用多種塗覆技術澱積，包括但不限於熱噴塗、冷噴塗、堆焊、雷射束表面上釉、離子注入和氣相澱積。使用經掃描的雷射或電子束，能夠對表面上釉並快速冷卻以形成非晶態表面層。在上釉過程中，可能有利的是更改表面組分以確保良好的玻璃成型能力並增加硬度和耐磨性。這可通過當掃描到熱源時摻合到表面上的熔池中來完成。硬護面塗層也可通過在空氣或真空中進行熱噴塗(包括等離子噴塗)來塗敷。作為用於油氣井生產裝置的塗層的更薄、全晶態塗層可通過薄膜澱積技術來獲得，包括但不限於噴濺、化學氣相澱積(CVD)和電沉積。本文公開的某些晶態合金組分，例如接近等原子化學計量(例如，Ni-Ti)，可通過諸如噴丸強化或衝擊加載的重塑性變形而被去晶態(amorphize)。作為用於本文公開的油氣井生產裝置的非晶態合金產生磨損和摩擦性能的良好平衡並且對於要採用的生產技術來說需要足夠的玻璃成型能力。基於Ni-P的複合材料塗層作為用於本文公開的油氣井生產裝置的基於非電鍍和電鍍鎳-磷(Ni-P)的複合材料可通過將惰性粒子從電解池或化學鍍液同時澱積到金屬基質上而形成。Ni-P複合材料向大部分金屬和合金基板提供了良好的粘附。這些塗層的最終性質取決於Ni-P基質的磷含量——其決定塗層的結構，並取決於嵌入的粒子的特性，例如類型、形狀和尺寸。磷含量低的M-P塗層是含有過飽和P的晶態M。通過增加P含量，鎳的晶體晶格變成越來越緊並且晶體尺寸減小。在大於12wt%或13wt%或或15wt%的磷含量，塗層主要呈非晶態結構。非晶態M-P塗層的退火可引起非晶態結構轉化為有利的晶體狀態。該結晶可增加硬度，但使耐腐蝕性惡化。合金中的磷越豐富，結晶過程就越慢。這擴大了塗層的非晶態範圍。Ni-P複合材料塗層能夠加入其它金屬元素，包括但不限於鎢(W)和鉬(Mo)以進一步增強塗層的性質。本文公開的基於鎳-磷(Ni-P)的複合材料塗層可包括微米級和亞微米級粒子。非限制性的示例性粒子包括金剛石、納米管、碳化物、氮化物、硼化物、氧化物和它們的組合。其它非限制性的示例性粒子包括塑性(例如，含氟聚合物)和硬質金屬。分層材料和新型基於富勒烯的複合材料塗覆層可使用諸如石墨、MoS2和Wii2OH多晶型片晶)的分層材料作為用於油氣井生產裝置的塗層。此外，也可使用基於富勒烯的複合材料塗覆層——其包括類富勒烯納米粒子——作為用於油氣井生產裝置的塗層。類富勒烯納米粒子與典型的金屬相比具有有利的摩擦學性質同時減輕常規分層材料(例如，石墨、MO&)的缺點。近球形富勒烯也可起到納米級球軸承的作用。中空類富勒烯納米粒子的主要有利益處可有助於以下三種作用(a)滾動摩擦，(b)富勒烯納米粒子用作間隔裝置，其消除了兩個匹配的金屬表面的微凸體之間的金屬間接觸，以及(C)三種本體材料轉移。當納米粒子的形狀得以保持時，摩擦表面之間的界面中的類富勒烯納米粒子的滑動/滾動可為低負荷下的主摩擦機制。類富勒烯納米粒子的有利效果隨負荷增加。發現類富勒烯納米粒子的外層在高接觸負荷( IGpa)發生剝落。剝落的類富勒烯納米粒子的轉移在苛刻的接觸條件下似乎是主要的摩擦機制。能夠通過將這些粒子結合在塗覆層的粘結相中來充分利用類富勒烯納米粒子的機械和摩擦性質。 此外，將類富勒烯納米粒子結合在金屬粘結相中的複合材料塗層(例如，M-P化學鍍)能夠提供具有適用於油氣井生產裝置的塗層的自潤滑和優異的防粘附特性的薄膜。高級的基於硼化物的金屬陶瓷和金屬基質複合材料作為用於油氣井生產裝置的塗層的高級的基於硼化物的金屬陶瓷和金屬基質複合材料可由於熱處理或磨損維修期間的初期加熱的高溫暴露而形成在松堆材料上。例如， 基於硼化物的金屬陶瓷(例如，TiB2-金屬)，表面層通常增濃硼氧化物(例如，化03)，其增強潤滑性能、導致低摩擦係數。準晶態材料可使用準晶態材料作為用於油氣井生產裝置的塗層。準晶態材料具有周期原子結構，但不符合普通晶態材料通常有的3D對稱。由於它們的晶體結構，絕大部分為二十面體或十面體，具有定製的化學性質的準晶態材料呈獨特的性質組合，包括低能量表面，作為用於油氣井生產裝置的塗層是有吸引力的。準晶態材料由於它們在具有二十面體的Al-Cu-Fe 化學性質的不鏽鋼基質上的低表面能量( 30mJ/m2)而提供了不粘附的表面性質。作為用於油氣井生產裝置的塗覆層的準晶態材料可提供低摩擦係數(在幹空氣中用金剛石壓痕器進行劃痕試驗為 0.0 與較高微硬度GOO 600HV)的結合以便抵抗磨損。作為用於油氣井生產裝置的塗覆層的準晶態材料也可提供低腐蝕表面並且經塗覆的層具有表面能量低的光滑和平坦的表面以便提高性能。準晶態材料可通過寬範圍的塗覆技術澱積在金屬基質上，包括但不限於熱噴塗、氣相澱積、雷射熔覆、堆焊和電沉積。超硬材料(金剛石、類金剛石碳、立方氮化硼)可使用諸如金剛石、類金剛石碳(DLC)和立方氮化硼(CBN)的超硬材料作為用於油氣井生產裝置的塗層。金剛石是人類已知的最硬的材料並且在特定條件下當通過化學氣相澱積(本文簡寫為CVD)澱積在油氣井生產裝置上時可產生超低摩擦係數。在一種形式中，CVD澱積碳膜可直接澱積在油氣井生產裝置的表面上。在另一種形式中，增容劑材料的底塗層(本文也稱為緩衝層)可在金剛石澱積以前塗敷至油氣井生產裝置。例如，當用在鑽杆組件上時，CVD金剛石的表面塗層不僅可減少切屑粘附在表面的趨勢，而且還使得能夠在多粘土鑽探操作中(例如在墨西哥灣)使用螺旋穩定器。用CVD金剛石塗覆螺旋穩定器的流動表面可以使切屑能夠流經穩定器，沿著井眼向上進入鑽柱環面而不會粘附在穩定器上。在一個有利的實施例中，可使用類金剛石碳(DLC)作為用於油氣井生產裝置的塗層。DLC指的是呈現一些類似於天然金剛石的獨特性質的非晶態碳膜材料。適合用於油氣井生產裝置的類金剛石碳(DLC)可選自 ta-C、ta-C:H、DLCH、PLCH、GLCH, Si-DLC, Me-DLC, F-DLC和它們的組合。DLC塗層包括大量Sp3摻雜碳原子。這些sp3鍵不僅以晶體出現—— 換句話說，長程有序的固體——而且以其中原子隨機排列的非晶態固體出現。這種情況下，僅少數單獨的原子之間將進行鍵合，即短程有序，並在大量原子上延伸的長程有序中不進行鍵合。鍵類型對非晶態碳膜的材料性質有相當大的影響。如果主要是SP2型，則DLC膜可能更柔軟，而如果主要是SP3型，則DLC膜可能更硬。DLC塗層可作為非晶態、柔性以及純SP3鍵合的「金剛石」製成。最硬的是這種混合物，已知為四面體非晶態碳膜，或ta_C(參看圖17)。這種ta-C包括高體積份數( 80%) 的Sp3鍵合碳原子。用於DLC塗層的可選填料包括但不限於氫、石墨Sp2碳膜和金屬，並且可採用其它型式使用以根據特定應用實現希望的性質組合。可將各種形式的DLC塗層塗敷至與真空環境兼容並且也導電的各種基質。DLC塗層質量也取決於諸如氫的摻雜元素的份數含量。某些DLC塗覆方法需要氫氣或甲烷作為前驅氣體，因此完成的DLC材料中可保留相當大百分比的氫氣。為了進一步提高它們的摩擦學和機械性質，經常通過加入其它摻雜元素來改造DLC膜。例如，對DLC膜添加氟(F)和矽(Si)降低了表面能量和可潤溼性。減少含氟DLC (F-DLC)中的表面能量有助於薄膜中存在-CF2和-CF3基團。然而，更高的F含量可引起更低的硬度。Si的添加可通過減少表面能量的分散成分而減少表面能量。添加 Si也可通過促進DLC膜中的Sp3雜化而增加DLC膜的硬度。對膜添加金屬元素(例如，W、 TaXr.Ti.Mo)以及使用這種金屬夾層能夠減少擠壓殘餘應力，從而使膜在擠壓加載以後的機械完整性更好。DLC的類金剛石相或SP3鍵合碳是熱力學亞穩定相，而具有SP2鍵合的石墨是熱力學穩定相。因此，DLC塗層膜的形成需要不平衡的處理以獲得亞穩定Sp3鍵合碳。平衡處理方法，例如石墨碳膜蒸發，其中蒸發的物種的平均能量低(接近kT，其中k為波爾茲曼常數且T為絕對溫標的溫度)，引起形成100% Sp2鍵合碳。本文公開的用於生產DLC塗層的方法要求碳膜的SP3鍵長度顯著小於SP2鍵長度。因此，壓力、衝擊、催化作用或這些的某種組合以原子級施加可迫使更靠攏的SP2鍵合碳原子成為SP3鍵合。這可以足夠活躍地完成使得原子不能簡單地回彈分開而具有SP2鍵的分離特性。典型技術或者將這種壓縮與將新的 Sp3鍵合碳集群更深地推入塗層相結合，使得不存在用於膨脹回到SP2鍵合所需的分離的餘地；或者新集群由為了下一個衝擊循環而到來的新碳膜包埋。本文公開的DLC塗層可通過物理氣相澱積、化學氣相澱積或等離子輔助化學氣相澱積塗覆技術來澱積。物理氣相澱積塗覆方法包括RF-DC等離子反應磁控管濺射、離子束輔助澱積、陰極電弧澱積和脈衝雷射澱積(PLD)。化學氣相澱積塗覆方法包括離子束輔助 CVD澱積、等離子增強澱積、使用來自烴氣體的輝光放電、使用來自烴氣體的射頻(r. f.)輝光放電、等離子浸入式離子處理和微波放電。等離子增強化學氣相澱積(PECVD)是用於以高澱積速度大面積澱積DLC塗層的一種有利的方法。基於等離子的CVD塗覆處理是非視線技術，g卩，等離子保形地覆蓋待塗覆的零件並且該零件的整個暴露表面以均勻的厚度被塗覆。在DLC塗層塗敷之後可保留零件的表面光潔度。PECVD的一個優點是基質零件的溫度在塗覆操作期間不會升高到約150°C以上。含氟的DLC(F-DLC)和含矽的DLC(Si-DLC)膜能夠使用分別混合有含氟和含矽的前驅氣體(例如，四氟乙烷和六甲基二矽氧烷)的乙炔 (C2H2)處理氣體利用等離子澱積技術合成。本文公開的DLC塗層可呈現在在前述範圍內的摩擦係數。超低COF可基於實際接觸區域中薄石墨膜的形成。由於SP3鍵合是碳在600°C到1500°C的高溫的熱力學不穩定相， 取決於環境狀況，其可轉換為可用作固體潤滑劑的石墨。這些高溫在微凸體碰撞或接觸的過程中可作為很短暫的瞬時溫度(稱為初始溫度)出現。DLC塗層的超低COF的可選理論是烴基滑膜的存在。Sp3鍵合的碳的四面體結構可在表面導致這樣一種情形，其中可能存在來自表面的一個空電子，其沒有碳原子可以附著(參看圖18)，這稱為「懸鍵」軌道。如果具有其自身的電子的一個氫原子被置於這種碳原子上，則其可能與懸鍵軌道鍵合而形成雙電子共價鍵。當帶有單個氫原子外層的兩個這樣的光滑表面彼此相對滑動時，氫原子之間將發生切變。表面之間不存在化學鍵合，僅很弱的範德華力，並且表面呈現重烴蠟的性質。 如圖18中所示，在表面的碳原質可形成三個強鍵，在從表面引出的懸鍵軌道中留下一個電子。氫原子附著在這種表面上，該表面變成疏水的並呈現低摩擦。本文公開的用於油氣井生產裝置的DLC塗層也防止它們的摩擦學性質引起的磨損。特別地，本文公開的DLC塗層抵抗研磨和粘合劑磨損，使得它們適合用於經歷滾動和滑動接觸兩者中的極端接觸壓力的應用。除低摩擦和磨損/侵蝕抵抗以外，本文公開的用於油氣井生產裝置的DLC塗層也呈現耐久性和對用於澱積的本體組件的外表面的粘附強度。DLC塗層膜可具備高級別的內在殘餘應力( IGPa)，其對它們的摩擦學性能和對用於澱積的基質(例如，鋼)的粘附強度有影響。通常，直接澱積在鋼表面上的DLC塗層粘附強度不足。這種粘附強度的不足約束了厚度和DLC與鋼界面之間的不相容性，這可能導致低負荷剝落。為了克服這些問題，本文公開的用於油氣井生產裝置的DLC塗層也可包括油氣井生產裝置的外表面與DLC塗覆層之間的各種金屬(例如但不限於Cr、W、Ti)和陶瓷化合物(例如但不限於CrN、SiC)的夾層。這些陶瓷和金屬夾層釋放了本文公開的DLC塗層的擠壓殘餘應力，以增加粘附和負荷承受能力。提高本文公開的DLC塗層的磨損/摩擦和機械耐久性的一個可選方法是加入帶有中間緩衝層的多層以減輕殘餘應力積聚和/或雙重混合塗覆處理。在一種形式中，要處理的油氣井生產裝置的外表面可氮化或滲碳，在DLC塗層澱積以前的前驅體處理，以便硬化並阻止基質層的塑性變形，這引起增強的塗層耐久性。多層塗層和混合塗層油氣井生產裝置上的多層塗層在本文公開並且可用於最大化塗層的厚度以便增強它們的耐久性。本文公開的經塗覆的油氣井生產裝置不僅可包括單層，而且可包括兩個或更多個塗覆層。例如，兩個、三個、四個、五個或更多個塗覆層可澱積在油氣井生產裝置的各部分上。每個塗覆層的厚度可處於從0. 5到5000微米的範圍內，其中下限為0. 5,0. 7、 1. 0,3. 0,5. 0,7. 0,10. 0,15. 0 或 20. 0 微米且上限為 25、50、75、100、200、500、1000、3000 或 5000微米。多層塗層的總厚度可在從0.5到30，000微米的範圍內。多層塗層的總厚度的下限可為0. 5,0. 7,1. 0,3. 0,5. 0,7. 0,10. 0,15. 0或20. 0微米。多層塗層的總厚度的上限可為 25、50、75、100、200、500、1000、3000、5000、10000、15000、20000 或 30000 微米。在本文公開的油氣井生產裝置的另一實施例中，油氣井生產裝置的本體組件可在暴露的外表面的至少一部分上包括加硬層以提供增強的耐磨性和耐久性。因此，所述一個或多個塗覆層可澱積在加硬層的頂部上以形成混合型塗層結構。加硬層的厚度可在從數倍於一個或多個外塗覆層的厚度到與其相等的範圍內。非限制性的示例性加硬材料包括基於金屬陶瓷的材料、金屬基質複合材料、納米晶體金屬合金、非晶態合金和硬質金屬合金。加硬層的其它非限制性的示例性類型包括分散在金屬合金基體內的鎢、鈦、鈮、鉬、鐵、鉻和矽元素的碳化物、氮化物、硼化物和氧化物。這種加硬層可通過堆焊、熱噴塗或雷射/電子束熔覆而澱積。用於本文公開的油氣井生產裝置的塗層也可包括一個或多個緩衝層(本文也稱為粘合劑層)。該一個或多個緩衝層可介於本體組件的外表面與呈多層塗層構型的單層或兩個或更多層之間。該一個或多個緩衝層可選自以下元素或以下元素的合金矽、鈦、鉻、 鎢、鉭、鈮、釩、鋯和/或鉿。該一個或多個緩衝層也可選自以下元素的碳化物、氮化物、碳氮化物、氧化物矽、鈦、鉻、鎢、鉭、鈮、釩、鋯和/或鉿。該一個或多個緩衝層一般介於加硬層 (當採用時)與一個或多個塗覆層之間或塗覆層之間。緩衝層厚度可為塗覆層的厚度的幾分之一或接近該厚度。在本文公開的經塗覆的油氣井生產裝置的又另一個實施例中，本體組件還可包括一個或多個隔離層，其介於本體組件的外表面與暴露的外表面的至少一部分上的塗覆層或加硬層之間以提供增強的韌性，從而最小化來自基質鋼的任何稀釋物摻合到外塗層或加硬層中，並最小化殘餘應力吸收。非限制性的示例性隔離層包括不鏽鋼或鎳基合金。該一個或多個隔離層通常設置在油氣井生產裝置的本體組件附近或其頂部上，以便塗覆。在本文公開的經塗覆的油氣井生產裝置的一個有利的實施例中，可對裝置塗敷多層碳基非晶態塗覆層，例如類金剛石碳(DLC)塗層。適合用於油氣井生產裝置的類金剛石碳(DLC)塗層可選自 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。用於此類應用的一個特別有利的DLC塗層為DLCH或ta-C:H。多層 DLC塗層的結構可包括在單獨的DLC層之間帶有粘合層或緩衝層的單獨DLC層。用於與DLC 塗層一起使用的示例性粘合層或緩衝層包括但不限於以下元素或以下元素的合金矽、鈦、 鉻、鎢、鉭、鈮、釩、鋯和/或鉿。用於與DLC塗層一起使用的其它示例性粘合層或緩衝層包括但不限於以下元素的碳化物、氮化物、碳氮化物、氧化物矽、鈦、鉻、鎢、鉭、鈮、釩、鋯和/ 或鉿。這些緩衝層或粘合層用作韌化和殘餘應力釋放層並容許增加多層實施例的DLC塗層總厚度同時維持塗層完整性以實現耐久性。在本文公開的經塗敷的油氣井生產裝置的又另一個有利形式中，為了提高相對薄的DLC塗覆層的耐久性、機械完整性和井下性能，可採用混合塗覆方法，其中一個或多個 DLC塗覆層可澱積在現有技術的加硬層上。此實施例提供了增強的DLC加硬層界面強度並且還對井下裝置提供了抵抗DLC否則會磨損掉或剝落的過早磨損的保護。在此實施例的另一種形式中，在塗敷DLC層以前可對鋼基質施加高級表面處理以延長耐久性並增強DLC塗層的磨損、摩擦、疲勞和腐蝕性能。高級表面處理可選自離子注入、氮化、碳化、噴丸強化、雷射和電子束上釉、雷射衝擊強化和它們的組合。此類表面處理可通過引入另外的物種和/ 或引入深層擠壓殘餘應力硬化基質表面，從而抑制衝擊和磨損損壞引起的裂縫生長。在此實施例的又另一種形式中，如前文所述的一個或多個隔離層可介於基質與加硬層之間，其中一個或多個DLC塗覆層介於加硬層的頂部上。圖沈是利用多層混合塗覆層的油氣井生產裝置上的塗層的示例性實施例，其中 DLC塗覆層澱積在鋼基質上的加硬層的頂部上。在此實施例的另一種形式中，加硬層可進行後處理(例如，蝕刻)以露出合金碳化物粒子，從而增強DLC塗層在加硬層上的粘合，也如圖沈中所示。此類混合塗層能夠塗敷至諸如鑽具接頭和穩定器的井下裝置，以增強澱積在這些裝置上的DLC塗層的耐久性和機械完整性並提供避免外層磨損或剝落的「第二道防護線」，在地下旋轉鑽探操作中抵抗井下環境的不利磨損和侵蝕條件。在此實施例的另一種形式中，混合塗層結構內可包括如前文所述的一個或多個緩衝層和/或一個或多個隔離層， 以進一步增強油井鑽探、完井和生產操作的性質和性能。這些塗覆技術為油氣井生產操作(包括但不限於鑽探、完井、增產、修井和生產操作)提供潛在的益處。可通過對裝置塗敷此類塗層增強有效和可靠的鑽探、完井、增產、修井和生產操作以減輕摩擦、磨損、侵蝕、腐蝕和沉澱物，如以上詳細說明的。鑽探條件、應用和益處本文公開的經塗覆的油氣井生產裝置在井下鑽探操作中且特別是對於經塗覆的鑽杆組件提供了特別的益處。鑽杆組件包括帶有暴露的外表面的本體組件，其包括聯接到井底鑽具組合上的鑽柱，或可選地聯接到井底鑽具組合上的撓性油管，或可選地固定到包括「隨鑽加套」系統的套管的底端上的切削元件。鑽柱包括一個或多個裝置，其選自鑽管、 鑽具接頭、鑽柱與包括鑽具接頭的井底鑽具組合之間的過渡管道、包括鑽具接頭和耐磨墊的重型鑽管和它們的組合。井底鑽具組合包括一個或多個裝置，其選自但不限於穩定器、 可變徑穩定器、回擴擴孔器、鑽鋌、撓性鑽鋌、旋轉導向鑽具、輥擴孔器、減震接頭、鑽探液馬達、隨鑽測井(LWD)工具、隨鑽測量(MWD)工具、取心鑽具、下鉸刀、擴孔器、扶正器、渦輪、彎殼體、彎曲馬達、隨鑽震擊器、加速震擊器、轉換接頭、下擊器、扭矩降低工具、浮動接頭、打撈工具、打撈震擊器、套洗管、測井工具、勘測鑽具接頭、這些裝置中任何一個的非磁性對等物以及它們的組合和它們相關的外部連接裝置。本文公開的塗層可澱積在鑽柱和/或井底鑽具組合和/或鑽杆組件的撓性油管和 /或用於「隨鑽加套」系統中的鑽探套管的至少一部分或全部上。因此，應理解，塗層和混合形式的塗層可澱積在上述鑽柱裝置和/或井底鑽具組合裝置的許多組合上。當塗覆在鑽柱上時，本文公開的塗層可防止或延遲包括螺旋屈曲的鑽柱屈曲的開始以便在鑽探操作期間防止鑽杆組件故障和相關的非生產時間。此外，本文公開的塗層也可對扭轉振動不穩定提供阻力，包括鑽柱和井底鑽具組合的卡瓦粘附振動故障。本文公開的經塗覆的油氣井生產裝置可用於鑽杆組件，其中井下溫度在從20到 400° F的範圍內，其中下限為20、40、60、80或100° F，而上限為150、200、250、300、350或 400F。在旋轉鑽探操作期間，表面的鑽探旋轉速度可在從0到200RPM的範圍內，其中下限為 0、10、20、30、40 或 50RPM,而上限為 100、120、140、160、180 或 200RPM。此外，在旋轉鑽探操作期間，鑽探液壓力可在從14psi到20，OOOpsi的範圍內，其中下限為14、100、200、300、 400,500 或 lOOOpsi，而上限為 5000、10000、15000 或 20000psi。當用在鑽柱組件上時，本文公開的塗層可減小鑽探操作所需的扭矩，並因此可允許鑽機操作員以比當使用常規鑽探設備時高的鑽速(ROP)鑽探油氣井。此外，本文公開的塗層為鑽杆組件提供了耐磨性和低表面能量，其相對於常規的加硬鑽杆組件而言是有利的，同時減少了井套上的磨損。在一種形式中，在暴露的外表面的至少一部分上帶有塗層的本文公開的經塗覆的油氣井生產裝置提供了比未經塗覆的裝置大至少2倍、3倍、4倍或5倍的耐磨性。此外， 本文公開的經塗覆的油氣井生產裝置當用在表面的至少一部分上帶有塗層的鑽杆組件上時與當使用未經塗覆的鑽杆組件進行旋轉鑽探時相比提供了套管磨損的減少。此外，本文公開的經塗覆的油氣井生產裝置當用在表面的至少一部分上帶有塗層的鑽杆組件上時相對於使用未經塗覆的鑽杆組件進行旋轉鑽探操作將套管磨損減少至少1/2或2/3或3/4或4/5。本文公開的鑽杆組件上的塗層也可消除或減少摩擦係數的速度減弱。更特別地， 用來鑽探用於烴開採和生產的深井眼的旋轉鑽探系統通常經歷引起稱為「卡瓦粘附」振動的不穩定的嚴重扭轉振動，其特徵在於(i)粘附階段，其中鑽頭或BHA減慢直到其停止(相對滑動速度為零)，以及(ii)滑動階段，其中上述井下組件的相對滑動速度迅速加速至比通過在鑽頭施加的轉速(RPM)施加的平均滑動速度大得多的值。該問題對於由安裝在鑽頭本體的表面上的固定刀片或切削器組成的刮刀鑽頭而言特別尖銳。摩擦本質規律的非線性引起克服卡瓦粘附振蕩的穩定摩擦滑動的不穩定。特別地，通過隨著相對滑動速度增加而降低的摩擦係數提示的速度減弱行為可導致觸發卡瓦粘附振動的扭轉不穩定。滑動不穩定是鑽探中的問題，因為它是限制如上所述的最大鑽速的主要因素。在鑽探應用中，有利的是避免卡瓦粘附狀態，因為它引起振動和磨損，包括開始破壞互耦振動。通過減少或消除速度減弱行為，本文公開的鑽柱組件上的塗層使系統進入連續滑動狀態，其中相對滑動速度是恆定的並且不會振蕩(避免卡瓦粘附)或呈現局部RPM的迅猛加速或減速。即使對於通過對鑽探液使用潤滑劑添加劑或片劑來避免卡瓦粘附運動的現有技術方法，在高法向負荷和小滑動速度下，仍可能出現卡瓦粘附運動。本文公開的鑽杆組件上的塗層可確保在高法向負荷下也不存在卡瓦粘附運動。鑽頭和穩定器結球發生在鑽頭和穩定器表面與巖石碎屑之間的粘合力變成大於將切屑保持在一起的結合力時。因此，為了減少鑽頭結球，可減小可變形的頁巖碎屑與鑽頭和穩定器表面之間的粘合力。本文公開的鑽杆組件上的塗層提供了低能量表面以提供用於減輕或減少鑽頭/穩定器結球的低附著表面。用於塗覆油氣井生產裝置的方法本發明還涉及用於塗覆油氣井生產裝置的方法。在一個示例性實施例中，一種用於塗覆油氣井生產裝置的方法包括提供經塗覆的油氣井生產裝置，其包括油氣井生產裝置，該油氣井生產裝置包括一個或多個圓柱形本體以及該一個或多個圓柱形本體的至少一部分上的塗層，其中該塗層選自非晶態合金、經熱處理的基於非電鍍或電鍍鎳-磷複合材料(其中磷含量大於12wt% )、石墨、Mc^2、W&、基於富勒烯的複合材料、基於硼化物的金屬陶瓷、準晶態材料、基於金剛石的材料、類金剛石碳(DLC)、氮化硼和它們的組合，以及利用該塗敷的油氣井生產裝置進行井建造、完井或生產操作。在另一個示例性實施例中，一種用於塗覆油氣井生產裝置的方法包括提供油氣井生產裝置，其包括一個或多個本體，附加條件是該一個或多個本體不包括鑽頭，以及該一個或多個本體的至少一部分上的塗層，其中該塗層選自非晶態合金、經熱處理的基於非電鍍或電鍍鎳-磷複合材料(其中磷含量大於12wt% )、石墨、MoS2, WS2、基於富勒烯的複合材料、基於硼化物的金屬陶瓷、準晶態材料、基於金剛石的材料、類金剛石碳(DLC)、氮化硼和它們的組合，以及利用該塗敷的油氣井生產裝置進行井建造、完井或生產操作。在地下旋轉鑽探操作中，鑽探可為定向鑽探，包括但不限於水平鑽探或大位移鑽探(ERD)。在水平鑽探或大位移鑽探(ERD)期間，該方法也可包括利用彎曲馬達上的塗層協助將重量轉移到鑽頭。重量轉移到鑽頭在滑動操作(ORPM)期間得以促進以便當使用此類彎曲馬達上的塗層時定向鑽孔，因為在BHA與井眼之間的滑動接觸位置處的摩擦阻力妨礙了重量轉移到鑽頭。
基於金剛石的材料可為化學蒸鍍(CVD)金剛石或聚晶金剛石複合片(PDC)。在一個有利的實施例中，經塗覆的油氣井生產裝置被塗覆有類金剛石碳(DLC)塗層，並且更特別地所述 DLC 塗層可選自 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。在DLC塗層實施例的另一種有利的形式中，在基質附近採用加硬層。在用於塗覆油氣井生產裝置的方法的一種形式中，所述一個或多個裝置可塗覆有類金剛石碳(DLC)。DLC材料的塗層可通過物理氣相澱積(PVD)、電弧澱積、化學氣相澱積 (CVD)或等離子增強的化學氣相澱積(PECVD)塗覆技術來施加。物理氣相澱積塗覆方法可選自濺射、RF-DC等離子反應磁控管濺射、離子束輔助澱積、陰極電弧澱積和脈衝雷射澱積。 所述一個或多個DLC塗覆層可有利地通過PECVD和/或RF-DC等離子反應磁控管濺射法澱積。本文公開的用於塗覆油氣井生產裝置的方法通過顯著減少定向或大位移鑽探期間的摩擦和拖滯而在鑽探操作期間顯著減小扭矩，從而有利於以現有的頂部驅動能力鑽探更深和/或更大位移的井。扭矩的顯著減小意味著與當使用未經塗覆的鑽杆組件進行旋轉鑽探時相比減小10%、優選減小20%且更優選減小30%。顯著減少摩擦和拖滯意味著與當使用未經塗覆的鑽杆組件進行旋轉鑽探時相比減少10%、優選減少20%且更優選減少 50%。用於減少經塗覆的鑽杆組件中的摩擦的方法還可包括在現場的鑽機位置或在當地供應商商店在本體組件的暴露的外表面的至少一部分上塗敷塗層，以塗敷新的或翻新的磨損塗層，從而延長壽命並有利於組件的繼續使用。在本文公開的用於塗覆油氣井生產裝置的一種有利的形式中，塗層包括類金剛石碳(DLC)。用於塗敷類金剛石碳(DLC)塗層的一種示例性方法包括通過用於機械密封的裝置使裝置的暴露的外表面的至少一部分排氣並在氣相澱積塗覆以前抽真空。在鑽探應用中，鑽柱或撓性油管可與井底鑽具組合相結合地使用以形成鑽杆組件。當在使用本文公開的用於減少摩擦的方法的地下旋轉鑽探操作中利用經塗覆的撓性油管時，該方法確保欠平衡的鑽探到達目標總深度而不需要鑽探液中的減少拖滯的添加劑。當在鑽探操作中利用本文公開的經塗覆的裝置時，用於塗覆油氣井生產裝置以便減少經塗覆的鑽杆組件在地下旋轉鑽探操作期間的摩擦的方法確保摩擦和拖滯的顯著減少而不犧牲與經塗覆的鑽杆組件連接以將施加的扭矩傳輸到頁巖破碎處理的鑽頭的強勁性(aggressivenes)。實際上，經塗覆的裝置允許使用更強勁鑽頭，因為可獲得的扭矩和動力更多將被傳送到鑽頭而不會由於鑽杆組件的滑動摩擦而損失為寄生摩擦。顯著的摩擦和拖滯減少意味著與當使用未經塗覆的鑽杆組件進行旋轉鑽探時相比減少10%、優選減少 20%且更優選減少50%。此外，在本文公開的用於塗覆油氣井生產裝置以便在地下旋轉鑽探操作期間減少經塗覆的鑽杆組件中的摩擦的方法中，塗層的耐腐蝕性至少相當於用於在井下鑽探環境中的鑽杆組件的本體組件所用的鋼材。井生產應用和優點本文公開的經塗覆的油氣井生產裝置確保鑽探、完井、增產、噴射、處理、破碎、酸化處理、修井和生產操作中的改善的性能。這些應用可更一般地認為與「井生產」有關。這些井生產操作的益處來源於使用經塗覆的井生產裝置獲得的摩擦、磨損、腐蝕、侵蝕的減少和對沉澱物的阻擋，如前文詳細描述並如在此所附的附圖所示的。
試驗方法根據ASTM G99試驗方法使用球盤摩擦試驗機測量摩擦係數。該試驗方法需要兩個樣品——平直盤樣品和球形端球樣品。使用支架剛性地保持的球樣品垂直於平直盤定位。通過使直徑為2. 7英寸的平直盤在圓形路徑中迴轉而使平直盤樣品抵靠在球樣品上滑動。法向負荷經球豎直向下施加使得球被壓靠在盤上。特定的法向負荷能夠藉助於所附的重塊、液力或氣動加載機構施加。在測試期間，使用附接到球支架上的張力-壓縮負荷傳感器或類似的力感應裝置測量摩擦力。可通過將測出的摩擦力除以法向負荷算出摩擦係數。 在各種測試條件滑動速度下在室溫和150° F完成試驗。採用直徑為4mm 5mm的石英或低碳鋼球作為配合面材料。通過藉助於上述ASTM G99試驗方法使用球盤摩擦試驗機在各種滑動速度測量摩擦係數來評估速度增強或減弱。根據ASTM C1327維氏硬度試驗方法測量硬度。維氏硬度試驗方法包括使用金剛石壓痕器壓凹試驗材料，所述金剛石壓痕器的形式為帶有正方形基部並在承受1到IOOkgf 的負荷的相對表面之間成136度角的直立稜錐。通常施加全負荷10到15秒。使用顯微鏡測量在去除負荷之後材料的表面中留下的壓痕的兩個對角並計算它們的平均值。計算壓痕的傾斜表面的面積。維氏硬度為通過將所述kgf負荷除以壓痕的平方毫米麵積獲得的商。 維氏硬度試驗的優點是能夠進行極為精確的讀數，並且對所有類型的金屬和表面處理僅使用一種壓痕器。薄塗覆層(例如，小於ΙΟΟμπι)的硬度已通過納米壓痕評估，其中法向負荷 (P)通過具有眾所周知的稜錐幾何形狀(例如，Berkovich末端，其具有三面稜錐幾何形狀) 的壓痕器對塗層表面施加法向負荷(P)。在納米壓痕中使用小負荷和末端尺寸來消除或減少來自基質的作用，因此壓痕面積可能僅為數平方微米或甚至納米。在納米壓痕處理的過程中，對穿透深度進行記錄，然後利用壓痕末端的已知幾何形狀確定壓痕的面積。可通過將負荷(kgf)除以壓痕的面積(平方毫米)來獲得硬度。根據ASTM G99試驗方法通過球盤摩擦幾何形狀測量磨損性能。通過測量兩種樣品在試驗前後的尺寸確定盤和球的磨損量或磨損體積損失。通過雷射表面輪廓儀和原子力顯微鏡確定圓盤磨損軌道的深度或形狀變化。通過測量樣品在試驗前後的尺寸確定球的磨損量或磨損體積損失。從球的已知幾何形狀和尺寸計算球的磨損體積。根據ASTM D5725試驗方法測量水接觸角。稱為「固著液滴法」的方法使用光學子系統測量液體接觸角(測角儀)以捕獲固體基質上的純液體的輪廓。將液滴(例如，水) 置於(或允許從一定距離落下)固體表面上。當液體安定(已變成固著)時，液滴保持其表面張力並抵靠在固體表面上呈卵形。液體/固體界面與液體/蒸氣界面之間形成的角度為接觸角。液滴的橢圓接觸表面的接觸角決定兩種物質之間的親和度。即，平直液滴表明高親和度，這種情況下液體可以說成是「潤溼」基質。在該表面上方(通過高度計)更呈圓形的液滴表明更低的親和度，因為液體附於固體表面上的角度更尖銳。這種情況下液體可以說成是「不潤溼」基質。固著液滴系統採用高解析度照相機和軟體來捕獲並分析接觸角。實例說明例1 通過氣相澱積技術在4142鋼基質上塗敷DLC塗層。DLC塗層具有在從1. 5到25 微米的範圍內的厚度。測出硬度處於1，300到7，500維氏硬度數的範圍內。已進行基於球盤摩擦幾何形狀的實驗室試驗來論證塗層的摩擦和磨損性能。使用石英球和低碳鋼球作為配合面材料以分別模擬裸孔和加套孔狀態。在一個環境溫度試驗中，在「乾燥」或環境空氣狀態下以300g法向負荷和0. 6m/s滑動速度對石英配合面材料測試DLC塗層和商售現有技術加硬層堆焊塗層以模擬裸井眼條件。可在如圖19中所示的DLC塗層中實現高達10倍於未經塗覆的4142鋼和加硬層的摩擦性能的提高(摩擦係數的減小)。在另一個環境溫度試驗中，對低碳鋼配合面材料測試未經塗覆的4142鋼、DLC塗層和商售現有技術加硬層堆焊塗層以模擬加套的孔條件。可在如圖19中所示的DLC塗層中實現高達三倍於未經塗覆的4142鋼和加硬層的摩擦性能的提高(摩擦係數的減小)。DLC 塗層由於DLC塗層高於配合面材料的(即，石英和低碳鋼)的硬度而磨光石英球。然而，磨損引起的體積損失在石英球和低碳鋼球兩者中都最小。另一方面，普通鋼和加硬層導致石英球和低碳鋼球兩者中的顯著磨損，表明這些並不是很「套管友好的」。也在油基鑽探液中在環境溫度測試球盤磨損和摩擦係數。使用石英球和低碳鋼球作為配合面材料以分別模擬裸孔和加套孔。DLC塗層如圖20中所示較商售加硬層而言呈現顯著的優點。使用DLC塗層可以實現與未經塗覆的4142鋼和加硬層相比摩擦性能提高 (摩擦係數的減小)高達30%。DLC塗層由於其高於石英的硬度而磨光石英球。另一方面， 對於未經塗覆的鋼盤的情況而言，低碳鋼球和石英球兩者及鋼盤表現出明顯的磨損。為了進行相當的試驗，加硬的盤的磨損表現在DLC塗覆盤和未經塗覆的鋼盤的中間。圖21示出了在升高的溫度下的磨損和摩擦性能。在加熱到150° F的油基鑽探液中執行試驗，並且再次使用石英球和低碳鋼球作為配合面材料以分別模擬裸孔和加套孔條件。DLC塗層與未經塗覆的4142鋼和商售加硬層相比呈現高達50%的摩擦性能的提高 (摩擦係數的減小)。未經塗覆的鋼和加硬層導致石英球和低碳鋼球的配合面材料中的磨損損壞，而在抵靠DLC塗層摩擦的配合面材料中已觀察到明顯更低的磨損損壞。圖22示出了 DLC塗層在升高的溫度(150° F和200° F)的摩擦性能。在該測試數據中，DLC塗層在高達200° F的升高的溫度下呈現低摩擦係數。然而，未經塗覆的鋼和加硬層的摩擦係數隨著溫度明顯增加。說明例2:在實驗室磨損/摩擦測試中，通過監控在0. 3m/s 1. 8m/s的滑動速度範圍滑動所需的剪應力而對DLC塗層和未經塗覆的4142鋼測量摩擦係數的速度依賴性(速度減弱或強度)。使用石英球作為幹滑動磨損試驗中的配合面材料。DLC塗層相對於未經塗覆的鋼的速度減弱性能在圖23中示出。未經塗覆的4142鋼呈現隨滑動速度減小的摩擦係數 (即，明顯的速度減弱)，而DLC塗層未表現出速度減弱，並且實際上，似乎存在COF的輕微速度增強(即，COF隨滑動速度略微增加)，這對於減輕扭轉不穩定(卡瓦粘附振動的前兆) 可能是有利的。說明例3:生產多層DLC塗層以便最大化DLC塗層的厚度，從而對用於鑽探操作中的鑽杆組件增強它們的耐久性。在一種形式中，多層DLC塗層的總厚度從6μπι到25μπι變化。圖對示出了用於經由PECVD生產的鑽杆組件的單層和多層DLC塗層兩者的SEM圖像。與DLC塗層一起使用的粘合劑層為矽質緩衝層。經由水接觸角測量DLC塗覆基質與未經塗覆的4142鋼表面相比的表面能量。結果在圖25中示出並且表明DLC塗層與未經塗覆的鋼表面相比提供了顯著更低的表面能量。 更低的表面能量可提供附著力更低的表面以便減輕或減少鑽頭/穩定器結球並防止浙青、 石蠟、垢體和/或水合物的沉澱物的形成。申請人:已嘗試公開所公開的主題的可以合符情理地預見的所有實施例和應用。然而，可能存在保持相當的不可預見、非實質性的修改。雖然已結合本發明的特定示例性實施例描述了本發明，但顯而易見，根據前面的描述，諸多變更、改型和變型對本領域的技術人員來說將是明顯的而不脫離本發明的精神或範圍。因此，本發明旨在涵蓋以上詳細描述的所有此類變更、改型和變型。所有專利、試驗步驟和本文引用的其它文件，包括優先權文件，通過引用全文結合，以這種公開內容與本發明並無不一致的程度且以容許這種結合的權限。當本文列舉數值下限和數值上限時，可設想從任何下限到任何上限的範圍。
權利要求
1.一種經塗覆的油氣井生產裝置，包括油氣井生產裝置，其包括一個或多個柱形本體，以及所述一個或多個柱形本體的至少一部分上的塗層，其中所述塗層選自非晶態合金、經熱處理的基於非電鍍或電鍍的磷含量大於12wt%的鎳-磷複合材料、石墨、MoS2, 、基於富勒烯的複合材料、基於硼化物的金屬陶瓷、準晶態材料、基於金剛石的材料、類金剛石碳(DLC)、氮化硼和它們的組合。
2.根據權利要求1所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述一個或多個柱形本體包括彼此相對運動的兩個或更多個柱形本體。
3.根據權利要求1所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述一個或多個柱形本體包括相對於彼此靜止的兩個或更多個柱形本體。
4.根據權利要求1所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述兩個或更多個柱形本體包括兩個或更多個半徑。
5.根據權利要求4所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述兩個或更多個柱形本體包括基本上在一個或多個其它柱形本體內的一個或多個柱形本體。
6.根據權利要求4所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述兩個或更多個半徑具有基本上相同的尺寸或明顯不同的尺寸。
7.根據權利要求4所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述兩個或更多個柱形本體是彼此鄰接的。
8.根據權利要求4所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述兩個或更多個柱形本體不是彼此鄰接的。
9.根據權利要求7或8所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述兩個或更多個柱形本體是同軸的或不同軸的。
10.根據權利要求9所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述本體具有大致平行的軸線。
11.根據權利要求1所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述一個或多個柱形本體的內表面是螺旋形的、外表面是螺旋形的或它們的組合。
12.根據權利要求1所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述一個或多個柱形本體是實心的、空心的或它們的組合。
13.根據權利要求1所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述一個或多個柱形本體包括至少一個柱形本體，其外截面、內截面或內、外截面是大致圓形的、大致橢圓形的或大致多邊形的。
14.根據權利要求1所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述塗層的摩擦係數小於或等於 0. 15。
15.根據權利要求14所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述塗層的摩擦係數小於或等於0. 10。
16.根據權利要求1所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述塗層提供大於400VHN的硬度。
17.根據權利要求16所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述塗層提供大於1500VHN的硬度。
18.根據權利要求1所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述塗層提供比未經塗覆的裝置大至少3倍的耐磨性。
19.根據權利要求1所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述塗層的水接觸角大於60度。
20.根據權利要求1所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述塗層提供小於lj/m2的表面能量。
21.根據權利要求20所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述塗層提供小於0.lj/m2的表面能量。
22.根據權利要求1所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述塗層包括單個塗覆層或兩個或更多個塗覆層。
23.根據權利要求22所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述兩個或更多個塗覆層屬於大致相同或不同的塗層。
24.根據權利要求22所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述單個塗覆層以及所述兩個或更多個塗覆層的其中每一層的厚度在從0. 5微米到5000微米的範圍內。
25.根據權利要求22所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述塗層還包括一個或多個緩衝層。
26.根據權利要求25所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述一個或多個緩衝層介於所述一個或多個柱形本體的表面與所述單個塗覆層或所述兩個或更多個塗覆層之間。
27.根據權利要求25所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述一個或多個緩衝層選自以下的元素、合金、碳化物、氮化物、碳氮化物和氧化物矽、鈦、鉻、鎢、鉭、鈮、釩、鋯或鉿。
28.根據權利要求1所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述塗層的動態摩擦係數不低於所述塗層的靜態摩擦係數的50%。
29.根據權利要求1所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述塗層的動態摩擦係數大於或等於所述塗層的靜態摩擦係數。
30.根據權利要求1所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述一個或多個柱形本體還包括在其至少一部分上的加硬層。
31.根據權利要求30所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述加硬層包括基於金屬陶瓷的材料、金屬基質複合材料或硬質金屬合金。
32.根據權利要求1或30所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述一個或多個柱形本體還包括介於所述一個或多個柱形本體的表面與所述柱形本體的至少一部分上的塗層或加硬層之間的隔離層。
33.根據權利要求32所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述隔離層包括不鏽鋼或鎳基合金ο
34.根據權利要求1所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述一個或多個柱形本體還包括螺紋。
35.根據權利要求34所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述螺紋的至少一部分被塗覆。
36.根據權利要求34或35所述的經塗覆的裝置，還包括密封表面，其中所述密封表面的至少一部分被塗覆。
37.根據權利要求1、2或3中任何一項所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述一個或多個柱形本體是井建造裝置。
38.根據權利要求37所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述井建造裝置選自鑽杆、套管、油管管柱、鋼絲繩/編織繩/多導線/單導線/試井鋼絲、撓性油管、Moyno 和漸進腔式泵的葉片式轉子和定子、可膨脹的管件、膨脹心軸、扶正器、接觸環、衝洗管道、用於固體控制的搖動篩網、卡瓦打撈筒和抓鉤、海洋隔水管、地面流動管線和它們的組合。
39.根據權利要求1、2或3中任何一項所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述一個或多個柱形本體是完井和生產裝置。
40.根據權利要求39所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述完井和生產裝置選自柱塞舉升裝置；完井滑動套筒組件；撓性油管；抽吸杆；Corods ；油管管柱；泵油機；填料盒； 封隔器和注油器；活塞和活塞襯套；Moyno 和漸進腔式泵的葉片式轉子和定子；可膨脹的管件；膨脹心軸；控制線和導管；在井眼內操作的工具；鋼絲繩/編織繩/多導線/單導線/ 試井鋼絲；扶正器；接觸環；穿孔基管；開槽基管；用於砂石控制的篩網基管；衝洗管道；分流管；用於砂礫封隔操作的維修工具；耐磨接頭；設置在完井層段中的砂石篩網；Mazeflo 完井篩網；燒結篩網；金屬絲纏繞篩網；用於固體控制的搖動篩網；卡瓦打撈筒和抓鉤 』海洋隔水管；地面流動管線、增產處理管線和它們的組合。
41.一種經塗覆的油氣井生產裝置，包括油氣井生產裝置，其包括一個或多個本體，附加條件是所述一個或多個本體不包括鑽頭，以及所述一個或多個本體的至少一部分上的塗層，其中所述塗層選自非晶態合金、經熱處理的基於非電鍍或電鍍的磷含量大於12wt%的鎳-磷複合材料、石墨、MoS2, 、基於富勒烯的複合材料、基於硼化物的金屬陶瓷、準晶態材料、基於金剛石的材料、類金剛石碳(DLC)、氮化硼和它們的組合。
42.根據權利要求41所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述一個或多個本體包括彼此相對運動的兩個或更多個本體。
43.根據權利要求41所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述一個或多個本體包括相對於彼此靜止的兩個或更多個本體。
44.根據權利要求41所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述一個或多個本體包括球形和複雜幾何形狀。
45.根據權利要求44所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述複雜幾何形狀至少具有形狀不是柱形的部分。
46.根據權利要求42或43所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述兩個或更多個本體包括基本上在一個或多個其它本體內的一個或多個本體。
47.根據權利要求42或43所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述兩個或更多個本體是彼此鄰接的。
48.根據權利要求42或43所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述兩個或更多個本體不是彼此鄰接的。
49.根據權利要求42或43所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述兩個或更多個本體是同軸的或不同軸的。
50.根據權利要求41所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述一個或多個本體是實心的、空心的或它們的組合。
51.根據權利要求41所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述一個或多個本體包括至少一個本體，其外截面、內截面或內、外截面是大致圓形的、大致橢圓形的或大致多邊形的。
52.根據權利要求41所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述塗層的摩擦係數小於或等於0. 15。
53.根據權利要求52所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述塗層的摩擦係數小於或等於0. 10。
54.根據權利要求41所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述塗層提供大於400VHN的硬度。
55.根據權利要求M所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述塗層提供大於1500VHN的硬度。
56.根據權利要求41所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述塗層提供比未經塗覆的裝置大至少3倍的耐磨性。
57.根據權利要求41所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述塗層的水接觸角大於60度。
58.根據權利要求41所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述塗層提供小於lj/m2的表面能量。
59.根據權利要求58所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述塗層提供小於0.lj/m2的表面能量。
60.根據權利要求41所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述塗層包括單個塗覆層或兩個或更多個塗覆層。
61.根據權利要求60所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述兩個或更多個塗覆層屬於大致相同或不同的塗層。
62.根據權利要求60所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述單個塗覆層以及所述兩個或更多個塗覆層的其中每一層的厚度在從0. 5微米到5000微米的範圍內。
63.根據權利要求60所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述塗層還包括一個或多個緩衝層。
64.根據權利要求63所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述一個或多個緩衝層介於所述一個或多個本體的表面與所述單個塗覆層或所述兩個或更多個塗覆層之間。
65.根據權利要求63所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述一個或多個緩衝層選自以下的元素、合金、碳化物、氮化物、碳氮化物和氧化物矽、鈦、鉻、鎢、鉭、鈮、釩、鋯或鉿。
66.根據權利要求41所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述塗層的動態摩擦係數不低於所述塗層的靜態摩擦係數的50%。
67.根據權利要求41所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述塗層的動態摩擦係數大於或等於所述塗層的靜態摩擦係數。
68.根據權利要求41所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述一個或多個本體還包括在其至少一部分上的加硬層。
69.根據權利要求68所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述加硬層包括基於金屬陶瓷的材料、金屬基質複合材料或硬質金屬合金。
70.根據權利要求41或68所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述一個或多個本體還包括介於所述一個或多個本體的表面與所述本體的至少一部分上的塗層或加硬層之間的隔1 層。
71.根據權利要求70所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述隔離層包括不鏽鋼或鎳基合金ο
72.根據權利要求41所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述一個或多個本體還包括螺紋。
73.根據權利要求72所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述螺紋的至少一部分被塗覆。
74.根據權利要求72或73所述的經塗覆的裝置，還包括密封表面，其中所述密封表面的至少一部分被塗覆。
75.根據權利要求41、42或43所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述一個或多個本體是井建造裝置。
76.根據權利要求75所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述井建造裝置選自扼流器、 閥、閥座、潤滑油嘴、球閥、環形隔離閥、地下安全閥、離心機、彎頭、T形管、聯接器、防噴器、 磨損套筒、往復運動和/或旋轉的密封組件中的動態金屬間密封件、安全閥中的彈簧、減震接頭、震擊器、測井工具臂、鑽機滑移設備、棘爪和它們的組合。
77.根據權利要求41、42或43中任何一項所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述一個或多個本體是完井和生產裝置。
78.根據權利要求77所述的經塗覆的裝置，其特徵在於，所述完井和生產裝置選自扼流器、閥、閥座、潤滑油嘴、球閥、流入控制裝置、智能井閥、環形隔離閥、地下安全閥、離心機、氣體舉升和化學品噴射閥、彎頭、T形管、聯接器、防噴器、磨損套筒、往復運動和/或旋轉的密封組件中的動態金屬間密封件、安全閥中的彈簧、減震接頭、震擊器、測井工具臂、側套、心軸、封隔器卡瓦、封隔器鎖片、砂石探頭、井流流量計、砂石篩網的非柱形構件和它們的組合。
79.一種用於塗覆油氣井生產裝置的方法，包括提供經塗覆的油氣井生產裝置，其包括油氣井生產裝置，所述油氣井生產裝置包括一個或多個柱形本體，以及所述一個或多個柱形本體的至少一部分上的塗層，其中所述塗層選自非晶態合金、經熱處理的基於非電鍍或電鍍的磷含量大於12wt%的鎳-磷複合材料、石墨、Mo&、、基於富勒烯的複合材料、基於硼化物的金屬陶瓷、準晶態材料、基於金剛石的材料、類金剛石碳(DLC)、氮化硼和它們的組合，以及利用所述經塗覆的油氣井生產裝置進行井建造、完井或生產操作。
80.根據權利要求79所述的方法，其特徵在於，所述一個或多個柱形本體包括彼此相對運動的兩個或更多個柱形本體。
81.根據權利要求79所述的方法，其特徵在於，所述一個或多個柱形本體包括相對於彼此靜止的兩個或更多個柱形本體。
82.根據權利要求79所述的方法，其特徵在於，所述兩個或更多個柱形本體包括兩個或更多個半徑。
83.根據權利要求82所述的方法，其特徵在於，所述兩個或更多個柱形本體包括基本上在一個或多個其它柱形本體內的一個或多個柱形本體。
84.根據權利要求82所述的方法，其特徵在於，所述兩個或更多個半徑具有基本上相同的尺寸或明顯不同的尺寸。
85.根據權利要求82所述的方法，其特徵在於，所述兩個或更多個柱形本體是彼此鄰接的。
86.根據權利要求82所述的方法，其特徵在於，所述兩個或更多個柱形本體不是彼此鄰接的。
87.根據權利要求85或86所述的方法，其特徵在於，所述兩個或更多個柱形本體是同軸的或不同軸的。
88.根據權利要求87所述的方法，其特徵在於，所述兩個或更多個不同軸的柱形本體具有大致平行的軸線。
89.根據權利要求79所述的方法，其特徵在於，所述一個或多個柱形本體的內表面是螺旋形的、外表面是螺旋形的或它們的組合。
90.根據權利要求79所述的方法，其特徵在於，所述一個或多個柱形本體是實心的、空心的或它們的組合。
91.根據權利要求79所述的方法，其特徵在於，所述一個或多個柱形本體包括至少一個柱形本體，其外截面、內截面或內、外截面是大致圓形的、大致橢圓形的或大致多邊形的。
92.根據權利要求79所述的方法，其特徵在於，所述塗層的摩擦係數小於或等於0.15。
93.根據權利要求79所述的方法，其特徵在於，所述塗層提供大於400VHN的硬度。
94.根據權利要求79所述的方法，其特徵在於，所述塗層提供比未經塗覆的裝置大至少3倍的耐磨性。
95.根據權利要求79所述的方法，其特徵在於，所述塗層的水接觸角大於60度。
96.根據權利要求79所述的方法，其特徵在於，所述塗層提供小於lj/m2的表面能量。
97.根據權利要求79所述的方法，其特徵在於，所述塗層包括單個塗覆層或兩個或更多個塗覆層。
98.根據權利要求97所述的方法，其特徵在於，所述兩個或更多個塗覆層屬於大致相同或不同的塗層。
99.根據權利要求97所述的方法，其特徵在於，所述單個塗覆層以及所述兩個或更多個塗覆層的其中每一層的厚度在從0. 5微米到5000微米的範圍內。
100.根據權利要求97所述的方法，其特徵在於，所述塗層還包括一個或多個緩衝層。
101.根據權利要求100所述的方法，其特徵在於，所述一個或多個緩衝層介於所述一個或多個柱形本體的表面與所述單個塗覆層或所述兩個或更多個塗覆層之間。
102.根據權利要求100所述的方法，其特徵在於，所述一個或多個緩衝層選自以下的元素、合金、碳化物、氮化物、碳氮化物和氧化物矽、鈦、鉻、鎢、鉭、鈮、釩、鋯或鉿。
103.根據權利要求79所述的方法，其特徵在於，所述塗層的動態摩擦係數不低於所述塗層的靜態摩擦係數的50%。
104.根據權利要求79所述的方法，其特徵在於，所述塗層的動態摩擦係數大於或等於所述塗層的靜態摩擦係數。
105.根據權利要求79所述的方法，其特徵在於，所述一個或多個柱形本體還包括在其至少一部分上的加硬層。
106.根據權利要求105所述的方法，其特徵在於，所述加硬層包括基於金屬陶瓷的材料、金屬基質複合材料或硬質金屬合金。
107.根據權利要求79或105所述的方法，其特徵在於，所述一個或多個柱形本體還包括介於所述一個或多個柱形本體的表面與所述柱形本體的至少一部分上的塗層或加硬層之間的隔離層。
108.根據權利要求107所述的方法，其特徵在於，所述隔離層包括不鏽鋼或鎳基合金。
109.根據權利要求79所述的方法，其特徵在於，所述一個或多個柱形本體還包括螺紋。
110.根據權利要求109所述的方法，其特徵在於，所述螺紋的至少一部分被塗覆。
111.根據權利要求109或110所述的方法，還包括密封表面，其中所述密封表面的至少一部分被塗覆。
112.根據權利要求79、80或81所述的方法，其特徵在於，所述一個或多個柱形本體是井構建裝置。
113.根據權利要求112所述的方法，其特徵在於，所述井構建裝置選自鑽杆、套管、油管管柱、鋼絲繩/編織繩/多導線/單導線/試井鋼絲、撓性油管、Moyno 和漸進腔式泵的葉片式轉子和定子、可膨脹的管件、膨脹心軸、扶正器、接觸環、衝洗管道、用於固體控制的搖動篩網、卡瓦打撈筒和抓鉤、海洋隔水管、地面流動管線和它們的組合。
114.根據權利要求79、80或81所述的方法，其特徵在於，所述一個或多個柱形本體為完井和生產裝置。
115.根據權利要求114所述的方法，其特徵在於，所述完井和生產裝置選自柱塞舉升裝置；完井滑動套筒組件；撓性油管；抽吸杆；Corods ；油管管柱；泵油機；填料盒；封隔器和注油器；活塞和活塞襯套；Moyno 和漸進腔式泵的葉片式轉子和定子；可膨脹的管件；膨脹心軸；控制線和導管；在井眼內操作的工具；鋼絲繩/編織繩/多導線/單導線/試井鋼絲；扶正器；接觸環；穿孔基管；開槽基管；用於砂石控制的篩網基管；衝洗管道；分流管； 用於砂礫封隔操作的維修工具；耐磨接頭；設置在完井層段中的砂石篩網；Mazeflo 完井篩網；燒結篩網；金屬絲纏繞篩網；用於固體控制的搖動篩網；卡瓦打撈筒和抓鉤；海洋隔水管；地面流動管線、增產處理管線和它們的組合。
116.根據權利要求79所述的方法，其特徵在於，通過物理氣相澱積、化學氣相澱積或等離子輔助的化學氣相澱積塗覆技術塗敷所述類金剛石碳(DLC)。
117.根據權利要求116所述的方法，其特徵在於，所述物理氣相澱積塗覆方法選自 RF-DC等離子反應磁控管濺射、離子束輔助澱積、陰極電弧澱積和脈衝雷射澱積。
118.一種用於塗覆油氣井生產裝置的方法，包括提供油氣井生產裝置，其包括一個或多個本體，附加條件是所述一個或多個本體不包括鑽頭，以及所述一個或多個本體的至少一部分上的塗層，其中所述塗層選自非晶態合金、經熱處理的基於非電鍍或電鍍的磷含量大於12wt%的鎳-磷複合材料、石墨、MoS2, 、基於富勒烯的複合材料、基於硼化物的金屬陶瓷、準晶態材料、基於金剛石的材料、類金剛石碳(DLC)、氮化硼和它們的組合，以及利用所述經塗覆的油氣井生產裝置進行井建造、完井或生產操作。
119.根據權利要求118所述的方法，其特徵在於，所述一個或多個本體包括彼此相對運動的兩個或更多個本體。
120.根據權利要求118所述的方法，其特徵在於，所述一個或多個本體包括相對於彼此靜止的兩個或更多個本體。
121.根據權利要求118所述的方法，其特徵在於，所述一個或多個本體包括球形或複雜幾何形狀。
122.根據權利要求121所述的方法，其特徵在於，所述複雜幾何形狀至少具有形狀不是柱形的部分。
123.根據權利要求119或120所述的方法，其特徵在於，所述兩個或更多個本體包括基本上在一個或多個其它本體內的一個或多個本體。
124.根據權利要求119或120所述的方法，其特徵在於，所述兩個或更多個本體是彼此鄰接的。
125.根據權利要求119或120所述的方法，其特徵在於，所述兩個或更多個本體不是彼此鄰接的。
126.根據權利要求119或120所述的方法，其特徵在於，所述兩個或更多個本體是同軸的或不同軸的。
127.根據權利要求118所述的方法，其特徵在於，所述一個或多個本體是實心的、空心的或它們的組合。
128.根據權利要求118所述的方法，其特徵在於，所述一個或多個本體包括至少一個本體，其外截面、內截面或內、外截面是大致圓形的、大致橢圓形的或大致多邊形的。
129.根據權利要求118所述的方法，其特徵在於，所述塗層的摩擦係數小於或等於 0. 15。
130.根據權利要求118所述的方法，其特徵在於，所述塗層提供大於400VHN的硬度。
131.根據權利要求118所述的方法，其特徵在於，所述塗層提供比未經塗覆的裝置大至少3倍的耐磨性。
132.根據權利要求118所述的方法，其特徵在於，所述塗層的水接觸角大於60度。
133.根據權利要求118所述的方法，其特徵在於，所述塗層提供小於lj/m2的表面能量。
134.根據權利要求118所述的方法，其特徵在於，所述塗層包括單個塗覆層或兩個或更多個塗覆層。
135.根據權利要求134所述的方法，其特徵在於，所述兩個或更多個塗覆層屬於大致相同或不同的塗層。
136.根據權利要求134所述的方法，其特徵在於，所述單個塗覆層以及所述兩個或更多個塗覆層的其中每一層的厚度在從0. 5微米到5000微米的範圍內。
137.根據權利要求134所述的方法，其特徵在於，所述塗層還包括一個或多個緩衝層。
138.根據權利要求137所述的方法，其特徵在於，所述一個或多個緩衝層介於所述一個或多個本體的表面與所述單個塗覆層或所述兩個或更多個塗覆層之間。
139.根據權利要求137所述的方法，其特徵在於，所述一個或多個緩衝層選自以下的元素、合金、碳化物、氮化物、碳氮化物和氧化物矽、鈦、鉻、鎢、鉭、鈮、釩、鋯或鉿。
140.根據權利要求118所述的方法，其特徵在於，所述塗層的動態摩擦係數不低於所述塗層的靜態摩擦係數的50%。
141.根據權利要求118所述的方法，其特徵在於，所述塗層的動態摩擦係數大於或等於所述塗層的靜態摩擦係數。
142.根據權利要求118所述的方法，其特徵在於，所述一個或多個本體還包括在其至少一部分上的加硬層。
143.根據權利要求142所述的方法，其特徵在於，所述加硬層包括基於金屬陶瓷的材料、金屬基質複合材料或硬質金屬合金。
144.根據權利要求118或142所述的方法，其特徵在於，所述一個或多個本體還包括介於所述一個或多個本體的表面與所述本體的至少一部分上的塗層或加硬層之間的隔離層。
145.根據權利要求144所述的方法，其特徵在於，所述隔離層包括不鏽鋼或鎳基合金。
146.根據權利要求118所述的方法，其特徵在於，所述一個或多個本體還包括螺紋。
147.根據權利要求146所述的方法，其特徵在於，所述螺紋的至少一部分被塗覆。
148.根據權利要求146或147所述的方法，還包括密封表面，其中所述密封表面的至少一部分被塗覆。
149.根據權利要求118、119或120所述的方法，其特徵在於，所述一個或多個本體是井構建裝置。
150.根據權利要求149所述的方法，其特徵在於，所述井構建裝置選自扼流器、閥、閥座、潤滑油嘴、球閥、環形隔離閥、地下安全閥、離心機、彎頭、T形管、聯接器、防噴器、磨損套筒、往復運動和/或旋轉的密封組件中的動態金屬間密封件、安全閥中的彈簧、減震接頭、 震擊器、測井工具臂、鑽機滑移設備、棘爪和它們的組合。
151.根據權利要求118、119或120所述的方法，其特徵在於，所述一個或多個本體為完井和生產裝置。
152.根據權利要求151所述的方法，其特徵在於，所述完井和生產裝置選自扼流器、 閥、閥座、潤滑油嘴、球閥、流入控制裝置、智能井閥、環形隔離閥、地下安全閥、離心機、氣體舉升和化學品噴射閥、彎頭、T形管、聯接器、防噴器、磨損套筒、往復運動和/或旋轉的密封組件中的動態金屬間密封件、安全閥中的彈簧、減震接頭、震擊器、測井工具臂、側套、心軸、 封隔器卡瓦、封隔器鎖片、砂石探頭、井流流量計、砂石篩網的非柱形構件和它們的組合。
153.根據權利要求118所述的方法，其特徵在於，通過物理氣相澱積、化學氣相澱積或等離子輔助的化學氣相澱積塗覆技術塗敷所述類金剛石碳(DLC)。
154.根據權利要求153所述的方法，其特徵在於，所述物理氣相澱積塗覆方法選自 RF-DC等離子反應磁控管濺射、離子束輔助澱積、陰極電弧澱積和脈衝雷射 澱積。
全文摘要
本發明涉及經塗覆的油氣井生產裝置以及製造和利用此類經塗覆的裝置的方法。在一種形式中，經塗覆的油氣井生產裝置包括具有一個或多個本體的油氣井生產裝置，以及該一個或多個本體的至少一部分上的塗層，其中該塗層選自非晶態合金、經熱處理的基於非電鍍或電鍍鎳-磷複合材料(其中磷含量大於12wt％)、石墨、MoS2、WS2、基於富勒烯的複合材料、基於硼化物的金屬陶瓷、準晶態材料、基於金剛石的材料、類金剛石碳(DLC)、氮化硼和它們的組合。經塗覆的油氣井生產裝置可為油氣井的井建造、完井和生產提供減少的摩擦、磨損、腐蝕、侵蝕和沉澱物。
文檔編號E21B4/00GK102362044SQ200980158292
公開日2012年2月22日 申請日期2009年8月20日 優先權日2009年2月17日
發明者A·奧賽克森, C·S-H·耶, E·A·O·比迪格爾, H·金, J·R·貝利, M·D·埃爾塔斯, M·D·巴裡, M·T·赫克爾, N-R·V·班加魯 申請人:埃克森美孚研究工程公司