本发明专利技术提供具有改进的耐磨耗磨损性的低摩擦涂层以及制备和使用这些涂层的方法。在一种形式中，所述涂层包含：i)选自CrN、TiN、TiAlN、TiAlVN、TiAlVCN、TiSiN、TiSiCN、TiAlSiN及其组合的底层，其中底层的厚度是0.1-100μm，ii)选自Cr、Ti、Si、W、CrC、TiC、SiC、WC及其组合的粘合促进层，其中粘合促进层的厚度是0.1-50μm，并且其与底层的表面邻接，和iii)选自基于富勒烯的复合材料、基于金刚石的材料、类金刚石碳及其组合的功能层，其中功能层的厚度是0.1-50μm，并且与粘合促进层的表面邻接。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及具有改进性能的涂料的领域。更具体地涉及多层低摩擦涂层，其具有 改进的耐磨耗和磨损性能，以及涉及制备这种涂层的方法和使用这种涂层降低摩擦和改进 耐磨性的方法。
技术介绍
大位移旋转钻探设备： 在旋转钻探操作中，钻头与井底钻具组件的末端连接，所述井底钻具组件与包含 钻杆和钻具接头的钻柱连接，所述钻具接头可以通过旋转台或顶部驱动装置在表面上旋 转。钻柱和井底钻具组件的重量引起钻头在土中钻孔。随着操作的进行，向钻柱加入新钻 杆区段以增加其总体长度。在钻探操作期间定期地向裸钻孔加套管以稳定墙壁，并且再次 开始钻探操作。结果，钻柱通常同时在裸钻孔和在已经安装于钻孔中的套管内操作。或者， 挠性油管可以代替在钻具组件中的钻柱。钻柱和井底钻具组件的组合或挠性油管和和井底 钻具组件的组合在本文中称为钻柱组件。钻柱的旋转经由钻柱和井底钻具组件向钻孔提供 能量。在挠性油管钻探中，能量通过钻井液泵输送到钻头。可通过旋转输送的能量受限为 钻柱或挠性油管所能耐受的最大扭矩。 在经地下地层钻孔期间，钻杆组件与钢套管和岩层两者进行大量滑动接触。该滑 动接触主要由钻杆组件在钻孔中的旋转和轴向运动引起。在钻杆组件的运动表面与套管和 地层的静止表面之间的摩擦在钻杆上形成相当大的拖滞，并在钻探操作期间引起过大的扭 矩和拖滞。摩擦导致的问题是任何钻探操作中固有的，但在定向钻探或大位移钻探（ERD) 井（ExtendedReachDrillingWell)中尤其麻烦。定向钻探或ERD是井眼相对于垂直方 向的有意偏移。在某些情况下，与垂直方向之间的角度可以相对于垂直方向高达90度。此 类井通常称为水平井，并且可以从钻探平台钻探到相当大的深度和相当大的距离。 在所有钻探操作中，钻杆组件倾向于抵靠在钻孔或井套管侧上，但这种倾向由于 重力作用在定向钻探井中大得多。随着钻柱的长度或垂直方向偏离程度的增加，旋转的钻 杆组件所形成的摩擦量也增加。为克服这种摩擦增加，需要额外的动力来旋转钻杆组件。在 某些情况下，钻杆组件与套管壁或钻孔之间的摩擦超过钻杆组件能够承受的最大扭矩和/ 或钻机的最大扭矩容量且必须停止钻探操作。结果，能够利用可用的定向钻探设备和技术 钻探的井株受到限制。 降低摩擦是在这种超大位移地下油气旋转钻探应用中的关键要求。一种降低由钻 柱组件与套管（在套管井的情况下）或钻孔（在裸眼井的情况下）之间接触所引起的摩 擦的方法是改进钻探泥浆的润滑性。在工业钻探操作中，已经试图通过主要使用基于水和 /或油的泥浆溶液降低摩擦，所述泥浆溶液含有各种类型的昂贵和通常环境不友好的添加 剂。柴油和其它矿物油也通常用作润滑剂，但是在处理泥浆方面存在问题。已经知道某些 矿物例如膨润土能帮助降低在钻柱组件与裸钻孔之间的摩擦。已经使用材料例如特氟龙降 低摩擦，但是这些材料缺乏耐久性和强度。其它添加剂包括植物油、沥青、石墨、洗涤剂和花 生壳，但是它们各自存在自身的限制。虽然这些泥浆实现了一些益处，但是泥浆的处理是个 问题。另外，更大的问题是COF随着温度的提高而增加，尤其是在基于水的泥浆的情况下。另一种降低在钻柱组件与井套管或裸钻孔之间的摩擦的方法是在钻柱组件上使 用硬端面材料（在本文中也称为加硬带（hardbending)或硬面）。美国专利4,665, 996(将 其公开内容引入本文供参考）公开了使用具有以下组成的合金使得钻管的主要耐受表面 耐磨损：50-65%的钴，25-35%的钼，1-18%的铬，2-10%的硅，和小于0. 1%的碳，用于降 低在钻柱和套管或岩石之间的摩擦。结果，对于旋转钻探操作、尤其定向钻探所需的扭矩降 低。所公开的合金还提供了在钻柱上的优异耐磨损性，同时降低在井套管上的磨损。可以 使用堆焊或热喷方法将加硬带应用于部分的钻柱组件上。 虽然加硬带能在一定程度上有效地用于保护钻具接头，但是已经知道碳化物粒子 引起套管材料的严重磨损，由此限制了此技术的有效性。 另一种降低在钻柱组件与井套管或裸钻孔之间的摩擦的方法是使用铝钻柱，这是 因为铝比钢更轻。但是。铝钻柱是昂贵的，并且难以用于钻探操作中，并且其不能与许多类 型的钻井液相容（例如具有高pH的钻井液）。 美国专利7, 182, 160、6, 349, 779和6, 056, 073公开了设计在钻柱中的沟槽段，用 于改进在环面中的液体流动和减少与钻孔壁之间的接触和摩擦。 在地下旋转钻探操作、尤其定向钻探操作期间遇到的另一个问题是在套管和钻柱 组件上的磨损，这是当金属表面彼此接触时出现的。这种在油气井的钻探期间金属表面 之间的磨耗导致同时在钻柱组件和井套管上的过度磨损。目前，一种用于减少钻杆组件 的磨损的优选解决方案是钻杆组件的硬面部分。含有碳化钨的合金例如stellite 6和 Stellitel2(Cabot Corporation的商标）具有作为硬面材料的优异耐磨损性。硬面保护了 钻柱组件，但是倾向于引起井套管的过度磨耗。此问题在定向钻探期间是尤其严重的，这是 因为具有搁置于井套管上的倾向的钻杆组件随着钻柱旋转而连续地磨蚀井套管。另外，这 些硬面合金的一部分，例如碳化钨，可以导致摩擦问题更严重。 经涂覆的带套筒的油气井生产设备： 除了地下旋转油气钻探设备之外，在油气井生产设备中的摩擦也是个问题。油气 井生产设备存在基本的机械问题，这可能对于矫正、修复或减轻是昂贵的或甚至是禁止的。 摩擦在油田设备中是普遍存在的，在移动中发生接触磨损并损失它们的初始尺寸，并且这 些设备因为侵蚀、腐蚀和沉积物而受损。它们阻碍了成功操作，其可以由于选择使用如下 所述经涂覆的带有套筒的油气井生产设备来减缓。这些油气井生产设备包括但不限于钻 机设备，隔水管（MarineRiserSystem)系统，管状物品，井口，采油树（Tree)和阀；包括 人工举升设备的生产设备，完井管柱和设备；地层和砂石面完井工具；以及修井挖潜（well intervention)设备。 石化和化学工业设备和装置： 用于石化和化学生产中的设备的组件经受在机械和化学效果方面的下降。例如， 这些组件由于重复表面摩擦发生磨损，导致失效并需要修理或替换。在某些情况下，由于磨 损产生的残渣也可能污染产物，使得产物无法被接受。除了磨损之外，在表面之间的过度摩 擦也会增加操作所需的能量。较高的能量成本也可以在操作中泵送流体的同时达到，这是 由于在流体和用于输送流体的组件表面之间的过度摩擦或阻力。另一个组件变差可以涉及 腐蚀，在这种情况下需要定期地替换组件。腐蚀也可能导致在换热器管的内直径中的结焦， 导致传热效率的降低。这些是对成功石化操作的所有潜在阻碍，为了矫正、修理或减轻可能 是昂贵的或甚至禁止的。 这些涂料的非限制性的示例应用包括挤出机，机筒，齿轮箱，轴承，压缩器，泵，管 道，套管，模塑模具，阀门，以及反应器容器。 对于本专利技术的要求： 考虑到对于大位移井旋转钻探设备、经涂覆的套筒油气井生产设备以及石化和化 学工业设备和装置的这些广泛要求的昂贵性质，需要具有改进性能的低摩擦涂层，例如摩 擦、磨损、磨耗、腐蚀、侵蚀和沉积物。关于这些应用的操作环境，其通常包括高负荷和严重 磨耗条件，传统和常规的低摩擦涂层（例如石墨，M〇S2，WS2)本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种多层低摩擦涂层，其包含：i)选自CrN、TiN、TiAlN、TiAlVN、TiAlVCN、TiSiN、TiSiCN、TiAlSiN及其组合的底层，其中底层的厚度是0.1‑100μm，ii)选自Cr、Ti、Si、W、CrC、TiC、SiC、WC及其组合的粘合促进层，其中粘合促进层的厚度是0.1‑50μm，并且其与底层的表面邻接，和iii)选自基于富勒烯的复合材料、基于金刚石的材料、类金刚石碳(DLC)及其组合的功能层，其中功能层的厚度是0.1‑50μm，并且与粘合促进层的表面邻接，其中所述粘合促进层处于底层和功能层之间，其中通过环块摩擦实验检测，低摩擦涂层的功能层的摩擦系数小于或等于0.15，并且其中通过改良ASTMG105磨耗实验检测，低摩擦涂层的耐磨耗性获得小于或等于20μm的磨损疤痕深度以及小于或等于0.03克的重量损失。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：S·拉亚果帕兰，T·哈克，M·D·埃尔塔斯，A·奥赛克森，H·金，B·赵，
申请(专利权)人：埃克森美孚研究工程公司，
类型：发明
国别省市：美国;US
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