本發(fā)明提供一種油井管螺紋涂層潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)及制造方法，與傳統(tǒng)的油井管使用相比，此潤(rùn)滑方式通過(guò)預(yù)先固化一種潤(rùn)滑涂層在螺紋表面，從而達(dá)到在油田現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)不再需要涂抹螺紋脂的效果，這就是無(wú)螺紋脂技術(shù)，除了常規(guī)替代外，尤其針對(duì)一些特殊的不便使用螺紋脂的油田環(huán)境，大大方便了下井操作。

背景技術(shù)：

在油氣開采中，油井管接頭與接箍螺紋在擰緊時(shí)存在極高的接觸壓力，為了降低粘扣的趨勢(shì)，螺紋上需要涂抹螺紋脂進(jìn)行潤(rùn)滑和密封。常規(guī)的螺紋脂以油基脂為基礎(chǔ)，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(guò)程中可以起到輔助潤(rùn)滑、密封和保護(hù)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(duì)環(huán)境的污染問(wèn)題，非金屬型螺紋脂應(yīng)運(yùn)而生，它是金屬型螺紋脂的升級(jí)產(chǎn)品，使用之后能被生物降解，對(duì)環(huán)境無(wú)害，對(duì)海洋生物也沒(méi)有什么副作用，因此在石油開采鉆井中得到了廣泛應(yīng)用，但始終沒(méi)有解決油井管螺紋需人工涂抹螺紋脂這一現(xiàn)狀。也就是說(shuō)，無(wú)論什么螺紋脂都是以涂抹的方式施工于油井管螺紋表面的。

盡管油井管廠家紛紛制定了螺紋脂的使用要求，對(duì)于螺紋脂的涂抹進(jìn)行規(guī)范，但在下井操作過(guò)程中，螺紋脂的用量標(biāo)準(zhǔn)難以準(zhǔn)確控制，導(dǎo)致螺紋脂在使用過(guò)程存在以下三種情況：

第一，涂抹過(guò)量，機(jī)緊后多余的螺紋脂墜入井底聚積導(dǎo)致整個(gè)井身需要定期清洗，增加鉆采成本；

第二，多余的螺紋脂散落在井口及操作平臺(tái)，并使鉆井平臺(tái)更加濕滑，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)人員在操作過(guò)程中造成安全隱患；

第三，螺紋脂的涂敷量與均勻性嚴(yán)重影響著螺紋接觸面的摩擦系數(shù)，在一定程度上影響著螺紋上扣扭矩的精準(zhǔn)控制。

在世界經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展階段，能源需求日益增加，全球已探明的高儲(chǔ)量、淺地層、地質(zhì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)質(zhì)油氣礦藏?cái)?shù)量越來(lái)越少。因此，石油鉆采逐漸瞄準(zhǔn)極端環(huán)境下的油藏，在沙漠中搭建的鉆井平臺(tái)數(shù)量越來(lái)越多，沙漠環(huán)境本身環(huán)境惡劣，在下井過(guò)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(fā)粘扣現(xiàn)象，嚴(yán)重影響整個(gè)管柱的密封性能和鉆采效率，增加鉆采成本；在一些寒冷地區(qū)，過(guò)低的溫度使得螺紋脂凝固而無(wú)法直接使用，盡管加熱緩解了螺紋脂的應(yīng)用限制，但螺紋上涂抹的儲(chǔ)存脂卻不便清除，極大的限制了極地環(huán)境下油藏的開發(fā)利用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決螺紋脂使用中存在的技術(shù)缺陷問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種油井管螺紋的涂層潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)及制造方法，以現(xiàn)有的固體潤(rùn)滑材料為基礎(chǔ)，將潤(rùn)滑材料固化在接頭表面，形成固體潤(rùn)滑涂層。以利于解決螺紋脂產(chǎn)品在使用中帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題，及螺紋脂在低溫環(huán)境下不能涂抹的問(wèn)題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是提供一種油井管螺紋涂層潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)，其中：該結(jié)構(gòu)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涂覆有納米級(jí)的潤(rùn)滑劑涂層。

同時(shí)提供一種油井管螺紋的涂層潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)的制造方法。

本發(fā)明的效果是采用這種納米級(jí)的潤(rùn)滑劑涂層潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)的油井管螺紋，在油田現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)可直接上扣，不用再涂抹螺紋脂，對(duì)周圍環(huán)境無(wú)污染，而且由于省略了涂抹螺紋脂的工序，減少平臺(tái)操作時(shí)間使工作效率能夠提高25％以上，同時(shí)，由于不用人工涂抹螺紋油，無(wú)形中減少了人為因素干預(yù)，能夠精確控制上扣扭矩。

涂層潤(rùn)滑的最大優(yōu)勢(shì)是：

1、以預(yù)先固化的潤(rùn)滑涂層代替螺紋脂，在現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)，不再需要人工去除儲(chǔ)存脂和涂抹螺紋脂，降低了人為干預(yù)，保證了油田現(xiàn)場(chǎng)上扣的拐點(diǎn)值與試驗(yàn)室結(jié)果高度一致。

以某特殊扣使用為例，對(duì)試驗(yàn)室與油田現(xiàn)場(chǎng)分別使用兩種潤(rùn)滑方式進(jìn)行上扣數(shù)據(jù)對(duì)比，選取重要的臺(tái)肩扭矩?cái)?shù)值進(jìn)行比較，其中每個(gè)接頭上扣的拐點(diǎn)扭矩值/最終扭矩值，是判斷特殊扣螺紋上扣效果優(yōu)劣的一項(xiàng)重要的參數(shù)。下表顯而易見，潤(rùn)滑涂層在油田和試驗(yàn)室的使用效果吻合程度好。

2、去除傳統(tǒng)的螺紋脂使用，接頭使用不再受周圍環(huán)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(qū)。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明油井管螺紋的涂層潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)的接頭噴涂示意圖；

圖2是本發(fā)明油井管螺紋的涂層潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)的接箍噴涂示意圖；

圖3是本發(fā)明油井管螺紋的涂層潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)的接頭涂層剖面示意圖；

圖4是本發(fā)明油井管螺紋的涂層潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)的截圖涂層剖面示意圖；

圖5是本發(fā)明油井管特殊扣螺紋的標(biāo)準(zhǔn)上扣圖像，扭矩-圈數(shù)曲線；

圖6是傳統(tǒng)涂抹螺紋脂上扣，扭矩-圈數(shù)曲線；

圖7是本發(fā)明潤(rùn)滑涂層上扣，扭矩-圈數(shù)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(shí)施方式

結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的油井管螺紋的涂層潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)及制造方法進(jìn)行說(shuō)明。

本發(fā)明的油井管螺紋的涂層潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)及制造方法的設(shè)計(jì)思想是基于：通過(guò)噴涂方式將固體潤(rùn)滑劑覆蓋于接頭和接箍螺紋，通過(guò)對(duì)對(duì)涂層進(jìn)行固化，在螺紋表面形成致密的固體潤(rùn)滑涂層。固體潤(rùn)滑材料是用來(lái)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(guò)程中，固體潤(rùn)滑材料和周圍介質(zhì)的摩擦表面發(fā)生物理、化學(xué)反應(yīng)生成固體潤(rùn)滑膜，降低摩擦磨損。

本發(fā)明的關(guān)鍵是固化潤(rùn)滑涂層。目前，在工業(yè)上的一些領(lǐng)域已經(jīng)有固體潤(rùn)滑的應(yīng)用，固體潤(rùn)滑涂層能夠適應(yīng)高溫、高壓、腐蝕以及不方便使用油脂的工況場(chǎng)合。本發(fā)明結(jié)合油井管的使用特點(diǎn)，以常用的固體潤(rùn)滑材料為基礎(chǔ)，對(duì)現(xiàn)有的潤(rùn)滑劑進(jìn)行改良，設(shè)計(jì)固化及強(qiáng)化工藝，提高了潤(rùn)滑涂層的抗磨、防腐、穩(wěn)定性，使其更適應(yīng)油田現(xiàn)場(chǎng)使用。固體潤(rùn)滑涂層在固化之前是一種溶液，將該溶液均勻覆蓋整個(gè)螺紋表面，在隨后的固化工藝控制下，溶劑與粘結(jié)劑相互作用，涂層固化，溶液中的腐蝕抑制劑對(duì)涂層具有性能強(qiáng)化作用。

本發(fā)明的油井管螺紋的涂層潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)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涂覆了潤(rùn)滑功能的涂層。所述潤(rùn)滑涂層厚度為5-30um。所述潤(rùn)滑涂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(jí)的潤(rùn)滑劑是指固體潤(rùn)滑顆粒二硫化鉬大小在50-100納米，納米級(jí)二硫化鉬微粒作為主要成分的潤(rùn)滑涂層，與普通二硫化鉬相比，納米級(jí)二硫化鉬在許多性能上得到了進(jìn)一步提升，突出地表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

(1)納米二硫化鉬微粒能強(qiáng)烈地吸附在金屬表面，由于其尺寸小，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(fù)層”，從而降低磨擦、減少磨損。

(2)二硫化鉬本身就是一種優(yōu)異的固體潤(rùn)滑劑，其分子結(jié)構(gòu)為六方晶系的層狀結(jié)構(gòu)，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(qū)停留時(shí)間較短，外載荷來(lái)不及壓扁二硫化鉬微粒，同時(shí)也沒(méi)被金屬表面吸附，納米級(jí)二硫化鉬微粒已離開接觸區(qū)，此時(shí)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(dòng)軸承效應(yīng)，從而起到減少摩擦和磨損的作用。

本發(fā)明的油井管螺紋的潤(rùn)滑涂層結(jié)構(gòu)的制造方法的主要步驟包括：

①預(yù)處理。對(duì)油井管接頭螺紋2和接箍螺紋4表面進(jìn)行磷化工藝預(yù)處理，以提高涂層的附著力。

②涂裝。如圖1、2所示，在潔凈干燥的環(huán)境中進(jìn)行涂覆，將納米級(jí)的潤(rùn)滑劑進(jìn)行霧化噴涂在油井管接頭2和接箍螺紋4表面。用接頭噴槍1噴涂接頭螺紋2，用接箍噴槍噴涂接箍螺紋4,。

涂裝前，接頭螺紋2與接箍螺紋4不允許接觸任何油脂。

涂裝時(shí)，接頭2及接箍4旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速控制5～10r/min。

對(duì)接頭螺紋2的噴涂要求：如圖3所示，涂層需要完全覆蓋接頭螺紋部分1-1、密封部分1-2，涂層軸向長(zhǎng)度＝接箍長(zhǎng)度/2。

對(duì)接箍螺紋4的噴涂要求：如圖4所示，涂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，噴涂完畢，整個(gè)表面呈濕潤(rùn)狀態(tài)，需要進(jìn)行固化，以使涂層附著力達(dá)到最佳，涂層在完全固化前禁止觸碰。對(duì)納米級(jí)的潤(rùn)滑劑的涂層進(jìn)行固化，固化溫度為30～70℃，時(shí)間60～100min；

④性能強(qiáng)化。用噴涂一種防護(hù)蠟溶液的方法，對(duì)潤(rùn)滑涂層的微小疏松孔隙進(jìn)行填充封閉，以提高納米級(jí)的潤(rùn)滑劑的涂層的疏水性能，進(jìn)一步提高潤(rùn)滑涂層的防銹能力，

由于鋼管種類的不同，螺紋的預(yù)處理工藝、涂層、固化工藝及后續(xù)強(qiáng)化工藝都有所區(qū)別，納米級(jí)的潤(rùn)滑劑的涂層固化后表面光潔，色澤均勻，完全覆蓋螺紋表面。

本發(fā)明的油井管螺紋潤(rùn)滑涂層的基本性能：

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(hù)表面功能，防止上扣時(shí)相對(duì)滑移的接觸表面產(chǎn)生粘接破壞。

2)抗剪強(qiáng)度低。固體潤(rùn)滑涂層具有較低的抗剪強(qiáng)度，摩擦副的摩擦系數(shù)小，功率損耗低，溫度上升小，其抗剪強(qiáng)度受溫度的變化影響小。

3)穩(wěn)定性好。包括物理熱穩(wěn)定，化學(xué)熱穩(wěn)定和時(shí)效穩(wěn)定，不產(chǎn)生腐蝕及其他有害的作用。

物理熱穩(wěn)定是指在沒(méi)有活性物質(zhì)參與下，溫度改變不會(huì)引起相變或晶格的各種變化，不會(huì)引起抗剪強(qiáng)度的變化，導(dǎo)致涂層的摩擦性能改變。

化學(xué)熱穩(wěn)定是指在各種活性介質(zhì)中溫度的變化不會(huì)引起強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)。

時(shí)效穩(wěn)定是指要求潤(rùn)滑涂層長(zhǎng)期放置不失效，以便長(zhǎng)期使用。

4)較高的承載能力。潤(rùn)滑涂層能夠經(jīng)受多次上卸扣擠壓而不失效。

應(yīng)用本發(fā)明油井管螺紋潤(rùn)滑涂層，改變了油井管螺紋的傳統(tǒng)潤(rùn)滑方式，應(yīng)用潤(rùn)滑涂層，擰接不再需要涂抹螺紋脂，常態(tài)下螺紋輪廓清晰，更易于檢查。

潤(rùn)滑涂層與常規(guī)螺紋脂潤(rùn)滑的使用性能對(duì)比：

1)潤(rùn)滑涂層螺紋的擰接，通過(guò)上扣的扭矩-圈數(shù)曲線圖5可以看出，擰接扭矩隨著圈數(shù)增加而增加，但當(dāng)接頭與接箍的臺(tái)肩面接觸時(shí)，接頭與接箍的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)受限，圈數(shù)幾乎不變，此時(shí)為拐點(diǎn)扭矩，而扭矩開始急劇增加，扭矩直至達(dá)到設(shè)定扭矩而停止。結(jié)合圖5扭矩-圈數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)上扣圖形觀察圖7所示的潤(rùn)滑涂層螺紋的上扣曲線與圖6所示的傳統(tǒng)上扣方式，二者上扣時(shí)扭矩-圈數(shù)的變換規(guī)律一致，所具有的拐點(diǎn)位置清晰，通過(guò)圖形能夠清楚的判斷臺(tái)肩對(duì)頂。

2)多次上卸扣的效果對(duì)比，通過(guò)多次上卸扣驗(yàn)證，涂層潤(rùn)滑螺紋的最終效果與傳統(tǒng)螺紋脂上扣相當(dāng)，螺紋密封結(jié)構(gòu)完好，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3)涂層潤(rùn)滑的氣密封試驗(yàn)驗(yàn)證。涂層潤(rùn)滑螺紋通過(guò)反復(fù)上卸扣抗粘扣試驗(yàn)后，還需要通過(guò)氣密封試驗(yàn)。當(dāng)上扣擰緊時(shí)，涂層能夠承受極高的表面壓力而不失效，涂層的潤(rùn)滑減磨功能不降低，按照油井管的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)ISO 13679CAL IV，通過(guò)下列試驗(yàn)驗(yàn)證了潤(rùn)滑涂層應(yīng)用在螺紋接頭的可靠性。

試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：ISO 13679CAL IV(VME＝95％，壓縮效率C＝60％)

涂層潤(rùn)滑下的套管螺紋，實(shí)現(xiàn)3次連續(xù)上卸扣而不粘扣。

涂層潤(rùn)滑下的套管螺紋，完成抗粘扣試驗(yàn)后，還通過(guò)氣密封試驗(yàn)驗(yàn)證其在復(fù)合載荷下的密封性能。依次通過(guò)試驗(yàn)A系、試驗(yàn)B系、和試驗(yàn)C系，通過(guò)試驗(yàn)證明，涂層潤(rùn)滑螺紋試樣在復(fù)合載荷力的作用下沒(méi)有發(fā)生泄漏，整個(gè)試樣密封性完好。

試驗(yàn)A系：拉伸+壓縮+內(nèi)壓+外壓載荷下的常溫復(fù)合力循環(huán)試驗(yàn)；

試驗(yàn)B系：拉伸+壓縮+內(nèi)壓+彎曲載荷下的常溫復(fù)合力循環(huán)試驗(yàn)；

試驗(yàn)C系：室溫+高溫下的拉伸+內(nèi)壓，溫度載荷循環(huán)試驗(yàn)。