用于井下工具的高強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度耐腐蝕超音速火焰（HVOF)涂層
[0001] 關于聯(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)明領域
[0004] 本發(fā)明總體上涉及增強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，以增強強度，耐磨粒磨損，耐腐蝕，和耐剝落及開裂。
【背景技術】
[0005] 在向地表內鉆探鉆孔（或鉆井孔）、諸如從地表巖層回收碳氫化合物或礦物中，傳 統(tǒng)的做法是在"鉆柱"下端處連接鉆頭，然后旋轉鉆頭同時施加鉆壓，以允許鉆頭沿預定軌 跡向下推進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，加一個設置在 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，擴孔器和/或其它鉆具和配件。
[0006] 鉆柱和鉆頭經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 井平臺或合適配合的浮船上）建造的鉆塔連接的"轉盤"或"頂部驅動"的方式旋轉。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行再循環(huán)。
[0007] 作為通過單獨的轉盤或頂部驅動進行旋轉的替換，鉆頭同樣可以使用在緊靠鉆頭 上方整合進BHA的"井下馬達"旋轉。通過采用井下馬達旋轉鉆頭而不旋轉鉆柱的鉆探技 術通常被稱為"滑動"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鉆 探和鉆柱旋轉。
[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 層生產碳氫化合物流體。
[0009] 在鉆探和生產作業(yè)中，多種裝置，管件，井下工具，和相關的金屬器件遭受嚴酷的 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荷，源自與外部組件接觸滑 動的摩擦負載，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它們免受嚴酷的狀況。
[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涂層確實提供加強的保護，但是，常見的失效模式，包括起泡，剝落，和開裂已 在該領域觀察到。
[0011] 因此，本領域仍然有用于井下工具和裝置的改進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的屈服強度，耐腐蝕性，和耐熱沖 擊性，將特別地受到好評。

【發(fā)明內容】

[0012] 在一個實施方式中通過井下工具滿足本領域的這些和其它需求。在一個實施方式 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] 在另一個實施方式中通過一種用于在井下工具上形成保護涂層的方法滿足本領 域的這些和其它需求。在一個實施方式中，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] 在另一個實施方式中通過鉆探體系滿足本領域的這些和其它需求。在一個實施方 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。該 井下馬達包括耦合至軸承組件的驅動部分。進一步，該體系包括耦合至井下馬達的鉆頭。 該軸承組件包括殼體和可旋轉支撐（rotatably supported)在殼體內的芯棒。該芯棒包括 主體和沉積在主體外表面上的保護涂層。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] 在此描述的實施方式包括試圖解決與某些現有裝置、體系和方法相關的多種缺點 的特性和優(yōu)勢的組合。前述已經很廣泛地概述了本發(fā)明的特性和技術優(yōu)勢，以便以下本發(fā) 明的詳細描述可被更好地理解。以上描述的多種特性，以及其它特性對本領域的技術人員 來說在閱讀以下詳細描述的基礎上及通過參考附圖將是顯而易見的。本領域技術人員應該 意識到，公開的構思和特定的實施方式可容易作為修改或設計為了實現與本發(fā)明相同的目 的的其它結構的基礎。本領域技術人員同樣應該認識到這樣的等同結構不超出所附的權利 要求中提出的本發(fā)明的實質和范圍。
【附圖說明】
[0016] 為了詳細地描述本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，現在將參考附圖，其中：
[0017] 圖1是一個鉆探系統(tǒng)的實施方式的示意圖，包括根據在此描述的原理的軸承芯 棒；
[0018] 圖2是圖1的井下馬達的縱向截面圖；
[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HVOF WC-10C〇-4Cr涂層樣品的微觀結構的掃描電 子顯微照片；
[0021] 圖5A-?是表1和2中列出的四個HVOF WC-10C〇-4Cr涂層在熱沖擊測試和染色 滲透檢測后的每個樣品的照片；
[0022] 圖6A-6D是表1和2中列出的四個HVOF WC-10C〇-4Cr涂層在腐蝕測試后的每個 樣品的照片；
[0023] 圖7是依據表3中列出的每個HVOF WC-10C〇-4Cr涂層樣品中尺寸小于0. 5μπι的 碳化鎢的體積百分數的裂紋密度的圖解說明；及
[0024] 圖8是一個包括根據在此描述的原理的HVOF WC-10C〇-4Cr涂層的徑向軸承實施 方式的分解圖。
【具體實施方式】
[0025] 以下討論針對本發(fā)明的多個實施方式。盡管可優(yōu)選這些實施方式的一個或多個， 但是公開的實施方式不應該解釋為，或另外用于限定本公開、包括權利要求的范圍。另外， 本領域的技術人員將理解以下的描述具有廣泛的應用，并且討論的任一實施方式僅僅是該 實施方式的示例，并且不是意在宣布本公開、包括權利要求的范圍限于該實施方式。
[0026] 以下描述和權利要求中使用一些術語指代特定的特征或組件。作為本領域的技術 人員將意識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)元件的一些細節(jié) 將不示出。
[0027] 在以下討論和權利要求中，術語"包括"和"包含"用于開放式形式，并且因此應解 釋為"包括，但不限于..."。同時，術語"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，或通過經其它裝置、組件和連接的非直接連接。另外， 在本文中使用時，術語"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），同時術語"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 平行于中心軸測量的距離，并且徑向距離指垂直于中心軸測量的距離。
[0028] 現在參考附圖1，顯示了用于在地球層位內鉆探鉆孔16的鉆探系統(tǒng)10。在這個實 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20,和 耦合至馬達20的鉆頭15。井下馬達20包括液壓驅動或動力部分30,彎殼體21，和軸承組 件40。馬達20構成了底部鉆具組合（BHA)的一部分并設置在鉆柱12的下端與鉆頭15之 間。液壓驅動部分30將沿鉆柱12向下泵送的鉆探流體壓力轉換為鉆頭15上的旋轉能量。 通過鉆柱12和/或馬達20施加力或重量至鉆頭15,同樣稱為鉆壓（WOB)，旋轉的鉆頭15 嚙合地球地層并行進以形成沿預定路徑朝向目標區(qū)域的鉆孔16。沿鉆柱12向下泵送并經 過馬達20的鉆探流體或泥漿通過位于鉆頭刃面內的噴嘴穿過鉆頭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推動通過在 鉆柱12和鉆孔側壁19之間形成的環(huán)帶18至地面。
[0029] 現在參考圖2,彎殼體21設置在驅動部分30和軸承組件40之間。液壓驅動部分 30包括螺旋形轉子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，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