经涂覆的带套筒油气井生产装置
阅读：440发布：2021-08-24
专利汇可以提供经涂覆的带套筒油气井生产装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且提供了经涂覆的带套筒油气井生产装置以及制造和使用该经涂覆的带套筒装置的方法。在一种形式中，所述经涂覆的油气井生产装置包括一个或更多个柱形本体、在所述一个或更多个柱形本体的外径或内径附近的一个或更多个套筒、在所述一个或更多个套筒的暴露的外表面、暴露的内表面或者暴露的外表面或内表面这两者的组合的至少一部分上的加硬层、以及在所述一个或更多个套筒的内套筒表面、外套筒表面或其组合的至少一部分上的涂层。所述涂层包括一个或更多个超低摩擦层以及置于加硬层和超低摩擦涂层之间的一个或更多个隔离层。所述经涂覆的带套筒油气井生产装置可提供用于井建造、完井和油气生产的减小的摩擦、磨损、 腐蚀 、侵蚀和沉积。，下面是经涂覆的带套筒油气井生产装置专利的具体信息内容。
1.一种经涂覆的带套筒油气井生产装置，包括：
一个或更多个柱形本体；
一个或更多个套筒，所述一个或更多个套筒在所述一个或更多个柱形本体的外径或内径附近，
加硬层，所述加硬层在所述一个或更多个套筒的暴露的外表面、暴露的内表面或暴露的外表面或暴露的内表面这两者的组合的至少一部分上，
涂层，所述涂层在所述一个或更多个套筒的内套筒表面、外套筒表面或内套筒表面和外套筒表面的组合的至少一部分上，
其中，所述涂层包括一个或更多个超低摩擦层，以及
一个或更多个隔离层，所述一个或更多个隔离层置于所述加硬层和所述超低摩擦涂层之间。
2.根据权利要求1所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述加硬层具有图案化表面。
3.根据权利要求2所述的经涂覆的带套筒装置，其中图案化的所述加硬层的表面包括深度在从1mm到5mm的范围内的凹进特征和凸出特征。
4.根据权利要求2所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述凹进特征包括加硬层区域的面积的10%至90%。
5.根据权利要求2所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述加硬层具有选自以下的图
案：横向凹槽或狭槽、纵向凹槽或狭槽、斜向凹槽或狭槽、螺旋凹槽或狭槽、人字形凹槽或狭槽、凹进韧窝、微凸韧窝，及上述的组合。
6.根据权利要求1所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述超低摩擦涂层还包括一个或更多个缓冲层。
7.根据权利要求1或6所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述层中的至少一个层是渐
变的，或者相邻的层之间的交界面中的至少一个交界面是渐变的，或是上述的组合。
8.根据权利要求1所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述一个或更多个超低摩擦层选自：非晶态合金、无电镀镍-磷复合材料、石墨、MoS2、WS2、基于富勒烯的复合材料、基于硼化物的金属陶瓷、准晶态材料、基于金刚石的材料、类金刚石碳（DLC）、氮化硼、碳纳米管、石墨烯片、高纵横比（即，较长且薄）的金属粒子、包括碳纳米环的环形材料、长方或椭圆形粒子及上述的组合。
9.根据权利要求8所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述基于金刚石的材料为化学气相沉积（CVD）金刚石或多晶金刚石块（PDC）。
10.根据权利要求1所述的经涂覆的带套筒装置，其中至少一个超低摩擦层为类金刚
石碳（DLC）。
11.根据权利要求10所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述类金刚石碳（DLC）选自：
ta-C、ta-C:H、DLCH、PLCH、GLCH、Si-DLC、Ti-DLC、Cr-DLC、N-DLC、O-DLC、B-DLC、Me-DLC、F-DLC、S-DLC及上述的组合。
12.根据权利要求1所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述超低摩擦涂层提供小于1J/
2
m 的表面能量。
13.根据权利要求1所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述本体组件的暴露的外表面
的至少一部分上的所述超低摩擦涂层提供大于400VHN的硬度。
14.根据权利要求1所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述涂层的摩擦系数小于或等
于0.15。
15.根据权利要求1所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述涂层提供比未经涂覆的装
置至少3倍大的耐磨性。
16.根据权利要求1所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述超低摩擦涂层的水接触角
大于60度。
17.根据权利要求1或6所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述超低摩擦涂层的厚度在
0.5微米至5000微米的范围内。
18.根据权利要求1或6所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述一个或更多个超低摩擦层、所述隔离层和所述缓冲层中的每一个的厚度在0.001微米和5000微米之间。
19.根据权利要求7所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述一个或更多个交界面的厚
度在0.01微米至10微米之间或在最薄的相邻层的厚度的5%至95%之间。
20.根据权利要求6所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述一个或更多个缓冲层选自
以下，硅、铝、铜、钼、钛、铬、钨、钽、铌、钒、锆、铪的元素、合金、碳化物、氮化物、碳-氮化物、硼化物、硫化物、硅化物和氧化物及上述的组合。
21.根据权利要求1所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述加硬层包括基于金属陶瓷
的材料；金属基质的复合材料；纳米晶体金属合金；非晶态合金；硬质金属的合金；分散在金属合金基质内的元素钨、钛、铌、钼、铁、铬和硅的碳化物、氮化物、硼化物或氧化物；或上述的组合。
22.根据权利要求1所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述一个或更多个隔离层包括：
不锈钢、基于铬的合金、基于铁的合金、基于钴的合金、基于钛的合金或基于镍的合金、以下元素的合金或碳化物或氮化物或碳-氮化物或硼化物或硅化物或硫化物或氧化物：硅、钛、铬、铝、铜、铁、镍、钴、钼、钨、钽、铌、钒、锆、铪或上述的组合。
23.根据权利要求1所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述一个或更多个隔离层通过
选自以下的一种或更多种工艺形成：PVD、PACVD、CVD、离子注入、碳化、氮化、硼化、硫化、硅化、氧化、电化学工艺、无电镀工艺、热喷涂工艺、动力喷涂工艺、基于激光的工艺、摩擦搅拌工艺、喷丸强化工艺、激光喷丸强化工艺、焊接工艺、铜焊工艺、超细超级抛光工艺、摩擦润滑化学抛光工艺、电化学抛光工艺及上述的组合。
24.根据权利要求1所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述一个或更多个隔离层提供
平均表面粗糙度低于0.25微米的超光滑表面光洁度。
25.根据权利要求1所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述隔离层中的至少一个具有
400VHN的最小硬度。
26.根据权利要求1所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述一个或更多个柱形本体包
括相对于彼此运动的两个或更多个柱形本体。
27.根据权利要求1所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述一个或更多个柱形本体包
括相对于彼此静止的两个或更多个柱形本体。
28.根据权利要求26或27所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述两个或更多个柱形本体包括两个或更多个半径。
29.根据权利要求28所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述两个或更多个柱形本体包括大体上在一个或更多个其它的柱形本体内的一个或更多个柱形本体。
30.根据权利要求28所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述两个或更多个柱形本体相互接壤。
31.根据权利要求28所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述两个或更多个柱形本体相互不接壤。
32.根据权利要求30或31所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述两个或更多个柱形本体为同轴的或不同轴的。
33.根据权利要求32所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述两个或更多个柱形本体具有大体平行的轴线。
34.根据权利要求1所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述一个或更多个柱形本体的
内表面为螺旋形、外表面为螺旋形或是上述的组合。
35.根据权利要求1所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述一个或更多个柱形本体为
实心的、中空的或上述的组合。
36.根据权利要求1所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述一个或更多个柱形本体包
括外部横截面、内部横截面或内部横截面和外部横截面为大体上圆形的、大体上椭圆形的或大体上多边形的至少一个柱形本体。
37.根据权利要求1所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述一个或更多个柱形本体还
包括螺纹。
38.根据权利要求37所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述螺纹的至少一部分被涂
覆。
39.根据权利要求37或38所述的经涂覆的带套筒装置，还包括密封表面，其中所述密封表面的至少一部分被涂覆。
40.根据权利要求1、26或27中任一项所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述一个或更多个柱形本体为井建造装置。
41.根据权利要求40所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述井建造装置选自：钻杆、套TM
管、油管管柱、钢丝绳/编织绳/多芯导管/单芯导管/试井钢丝；挠性油管、Moyno 和渐进腔式泵的叶片式转子和定子、可膨胀的管件、膨胀心轴、扶正器、接触环、冲洗管道、用于固体控制的摇动筛网、打捞器和抓钩、海底立管、表面流动管线及上述的组合。
42.根据权利要求1、26或27中任一项所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述一个或更多个柱形本体为完井和生产装置。
43.根据权利要求42所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述完井和生产装置选自：柱TM
塞举升装置；完井滑动套筒组件；挠性油管；抽吸杆；Corods ；油管管柱；泵油机；填料盒；
TM
密封器和润滑器；活塞和活塞衬套；Moyno 和渐进腔式泵的叶片式转子和定子；可膨胀的管件；膨胀心轴；控制管线和导管；在井眼中操作的工具；钢丝绳/编织绳/多芯导管/单芯导管/试井钢丝；扶正器；接触环；穿孔基管；开槽基管；用于砂石控制的筛网基管；冲洗管道；分流管；用于砂砾封隔操作的维修工具；耐磨接头；设置在完井层段中的砂石筛网；
TM
Mazeflo 完井筛网；烧结筛网；金属丝缠绕筛网；用于固体控制的摇动筛网；打捞器和抓钩；海底立管；表面流动管线；采油处理管线及上述的组合。
44.根据权利要求1所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述一个或更多个柱形本体为
管道工具接头的销或套连接件。
45.根据权利要求44所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述一个或更多个柱形本体构造有横截面为圆形的近侧柱形横截面。
46.根据权利要求44所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述一个或更多个柱形本体构成有横截面为非圆形的近侧柱形横截面。
47.根据权利要求44所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述销或套连接件被定向成使得相对于重力方向，所述销面向上且所述套面向下。
48.根据权利要求44所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述销或套连接件被定向成使得相对于重力方向，所述销面向下且所述套面向上。
49.根据权利要求1所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述一个或更多个套筒包括：基于铁的材料、碳钢、钢合金、不锈钢、Al基合金、Ni基合金、Ti基合金、陶瓷、金属陶瓷、聚合物、碳化钨钴或上述的组合。
50.一种经涂覆的带套筒油气井生产装置，包括：
油气井生产装置，所述油气井生产装置包括一个或更多个本体，其中所述一个或更多个本体不包括钻头，
一个或更多个套筒，所述一个或更多个套筒接近所述一个或更多个本体的外表面或内表面，
涂层，所述涂层在所述一个或更多个套筒的内套筒表面、外套筒表面或内套筒表面和外套筒表面的组合的至少一部分上，
其中所述涂层包括一个或更多个超低摩擦层，以及
一个或更多个隔离层，所述的一个或更多个隔离层置于所述一个或更多个套筒和所述超低摩擦涂层之间，
其中所述隔离层中的至少一个具有400VHN的最小硬度。
51.根据权利要求50所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述超低摩擦涂层还包括一个或更多个缓冲层。
52.根据权利要求50或51所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述层中的至少一个层是渐变的，或者相邻的层之间的交界面中的至少一个是渐变的或是上述的组合。
53.根据权利要求50所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述一个或更多个超低摩擦层选自：非晶态合金、无电镀镍-磷复合材料、石墨、MoS2、WS2、基于富勒烯的复合材料、基于硼化物的金属陶瓷、准晶态材料、基于金刚石的材料、类金刚石碳（DLC）、氮化硼、碳纳米管、石墨烯片、高纵横比（即，较长且薄）的金属粒子、包括碳纳米环的环形材料、长方或椭圆形粒子及上述的组合。
54.根据权利要求53所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述基于金刚石的材料为化学气相沉积（CVD）金刚石或多晶金刚石块（PDC）。
55.根据权利要求50所述的经涂覆的带套筒装置，其中至少一个超低摩擦层为类金刚石碳（DLC）。
56.根据权利要求55所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述类金刚石碳（DLC）选自：
ta-C、ta-C:H、DLCH、PLCH、GLCH、Si-DLC、Ti-DLC、Cr-DLC、N-DLC、O-DLC、B-DLC、Me-DLC、F-DLC、S-DLC及上述的组合。
57.根据权利要求50所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述超低摩擦涂层提供小于
2
1J/m 的表面能量。
58.根据权利要求50所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述本体组件的暴露的外表面的至少一部分上的所述超低摩擦涂层提供大于400VHN的硬度。
59.根据权利要求50所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述涂层的摩擦系数小于或等于0.15。
60.根据权利要求50所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述涂层提供比未经涂覆的装置至少3倍大的耐磨性。
61.根据权利要求50所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述超低摩擦涂层的水接触角大于60度。
62.根据权利要求50或51所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述超低摩擦涂层的厚度在0.5微米至5000微米的范围内。
63.根据权利要求50或51所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述一个或更多个层的厚度在0.001微米和5000微米之间。
64.根据权利要求52所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述一个或更多个交界面的厚度在0.01微米至10微米之间或为最薄的相邻层的厚度的5%至95%。
65.根据权利要求51所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述一个或更多个缓冲层选自硅、铝、铜、钼、钛、铬、钨、钽、铌、钒、锆、铪的元素、合金、碳化物、氮化物、碳-氮化物、硼化物、硫化物、硅化物和氧化物或上述的组合。
66.根据权利要求50所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述一个或更多个套筒还包括在其至少一部分上的加硬层。
67.根据权利要求66所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述加硬层包括基于金属陶瓷的材料；金属基质的复合材料；纳米晶体金属合金；非晶态合金；硬质金属的合金；分散在金属合金基质内的元素钨、钛、铌、钼、铁、铬和硅的碳化物、氮化物、硼化物或氧化物；或上述的组合。
68.根据权利要求66所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述加硬层具有图案化表面。
69.根据权利要求68所述的经涂覆的带套筒装置，其中图案化的所述加硬层的表面包括深度在从1mm到5mm的范围内的凹进特征和凸出特征。
70.根据权利要求69所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述凹进特征包括加硬层区域中的面积的10%至90%。
71.根据权利要求68所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述加硬层具有选自以下的图案：横向凹槽或狭槽、纵向凹槽或狭槽、斜向凹槽或狭槽、螺旋凹槽或狭槽、人字形凹槽或狭槽、凹进韧窝、微凸韧窝，及上述的组合。
72.根据权利要求50所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述一个或更多个隔离层包括不锈钢、基于铬的合金、基于铁的合金、基于钴的合金、基于钛的合金或基于镍的合金、以下元素的合金或碳化物或氮化物或碳-氮化物或硼化物或硅化物或硫化物或氧化物：硅、钛、铬、铝、铜、铁、镍、钴、钼、钨、钽、铌、钒、锆、铪，或上述的组合。
73.根据权利要求50所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述一个或更多个隔离层通过选自以下的一种或更多种工艺形成：PVD、PACVD、CVD、碳化、氮化、硼化、硫化、硅化、氧化、电化学工艺、无电镀工艺、热喷涂工艺、动力喷涂工艺、基于激光的工艺、摩擦搅拌工艺、喷丸强化工艺、激光喷丸强化工艺、焊接工艺、铜焊工艺、超细超级抛光工艺、摩擦润滑化学抛光工艺、电化学抛光工艺及上述的组合。
74.根据权利要求50所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述一个或更多个隔离层提供平均表面粗糙度低于0.25微米的超光滑表面光洁度。
75.根据权利要求50所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述一个或更多个本体包括相对于彼此运动的两个或更多个本体。
76.根据权利要求50所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述一个或更多个本体包括相对于彼此静止的两个或更多个本体。
77.根据权利要求50所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述一个或更多个本体包括球形和复杂几何形状。
78.根据权利要求77所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述复杂几何形状具有为非柱形形状的至少一部分。
79.根据权利要求75或76所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述两个或更多个本体包括大体上在一个或更多个其它的本体内的一个或更多个本体。
80.根据权利要求75或76所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述两个或更多个本体相互接壤。
81.根据权利要求75或76所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述两个或更多个本体相互不接壤。
82.根据权利要求75或76所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述两个或更多个本体为同轴的或不同轴的。
83.根据权利要求50所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述一个或更多个本体为实心的、中空的或上述的组合。
84.根据权利要求50所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述一个或更多个本体包括外部横截面、内部横截面或内部横截面和外部横截面为大体上圆形的、大体上椭圆形的或大体上多边形的至少一个本体。
85.根据权利要求50所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述一个或更多个本体还包括螺纹。
86.根据权利要求85所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述螺纹的至少一部分被涂
覆。
87.根据权利要求85或86所述的经涂覆的带套筒装置，还包括密封表面，其中所述密封表面的至少一部分被涂覆。
88.根据权利要求50、75或76中任一项所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述一个或更多个柱形本体为井建造装置。
89.根据权利要求88所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述井建造装置选自：扼流器、阀、阀座、油嘴、球阀、环形隔离阀、地下安全阀、离心机、弯头、T形管、联接器、防喷器、耐磨轴衬、往复和/或旋转密封组件中的动态金属-金属密封件、安全阀中的弹簧、减震接头、和震击器、测井工具臂、钻机滑移设备、棘爪及上述的组合。
90.根据权利要求50、75或76中任一项所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述一个或更多个本体为完井和生产装置。
91.根据权利要求90所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述完井和生产装置选自：扼流器、阀、阀座、油嘴、球阀、流入控制装置、智能井阀、环形隔离阀、地下安全阀、离心机、气体举升和化学品注入阀、弯头、T形管、联接器、防喷器、耐磨轴衬、往复和/或旋转密封组件中的动态金属-金属密封件、安全阀中的弹簧、减震接头、和震击器、测井工具臂、侧袋、心轴、封隔器卡瓦、封隔器锁片、砂石探头、井流流量计、砂石筛网的非柱形部件及上述的组合。
92.根据权利要求50所述的经涂覆的带套筒装置，其中所述一个或更多个套筒包括基于铁的材料、碳钢、钢合金、不锈钢、Al基合金、Ni基合金、Ti基合金、陶瓷、金属陶瓷、聚合物、碳化钨钴或上述的组合。
93.一种使用经涂覆的带套筒油气井生产装置的方法，包括：
提供经涂覆的油气井生产装置，所述经涂覆的油气井生产装置包括：一个或更多个柱形本体；以及在所述一个或更多个柱形本体的外径或内径附近的一个或更多个套筒；在所述一个或更多个套筒的暴露的外表面、暴露的内表面或者暴露的外表面或内表面这两者的组合的至少一部分上的加硬层；以及在所述一个或更多个套筒的内套筒表面、外套筒表面或其组合的至少一部分上的涂层，其中所述涂层包括一个或更多个超低摩擦层以及置于所述加硬层和所述超低摩擦涂层之间的一个或更多个隔离层；以及
在井建造、完井或生产操作中利用所述经涂覆的带套筒油气井生产装置。
94.根据权利要求93所述的方法，其中所述加硬层具有图案化表面。
95.根据权利要求94所述的方法，其中图案化的所述加硬层表面包括深度在从1mm到
5mm的范围内的凹进特征和凸出特征。
96.根据权利要求94所述的方法，其中所述凹进特征包括加硬层区域中的面积的10%
至90%。
97.根据权利要求94所述的方法，其中所述加硬层具有选自以下的图案：横向凹槽或狭槽、纵向凹槽或狭槽、斜向凹槽或狭槽、螺旋凹槽或狭槽、人字形凹槽或狭槽、凹进韧窝、微凸韧窝，及上述的组合。
98.根据权利要求93所述的方法，其中所述超低摩擦涂层还包括一个或更多个缓冲
层。
99.根据权利要求93或98所述的方法，其中所述层中的至少一个层是渐变的，或者相邻的层之间的交界面中的至少一个是渐变的，或是上述的组合。
100.根据权利要求93所述的方法，其中所述一个或更多个超低摩擦层选自：非晶态合金、无电镀镍-磷复合材料、石墨、MoS2、WS2、基于富勒烯的复合材料、基于硼化物的金属陶瓷、准晶态材料、基于金刚石的材料、类金刚石碳（DLC）、氮化硼、碳纳米管、石墨烯片、高纵横比（即，较长且薄）的金属粒子、包括碳纳米环的环形材料、长方或椭圆形粒子及上述的组合。
101.根据权利要求100所述的方法，其中所述基于金刚石的材料为化学气相沉积
（CVD）金刚石或多晶金刚石块（PDC）。
102.根据权利要求93所述的方法，其中至少一个超低摩擦层为类金刚石碳（DLC）。
103.根据权利要求102所述的方法，其中所述类金刚石碳（DLC）选自：ta-C、ta-C:H、DLCH、PLCH、GLCH、Si-DLC、Ti-DLC、Cr-DLC、N-DLC、O-DLC、B-DLC、Me-DLC、F-DLC、S-DLC及上述的组合。
2
104.根据权利要求93所述的方法，其中所述超低摩擦涂层提供小于1J/m 的表面能
量。
105.根据权利要求93所述的方法，其中所述本体组件的暴露的外表面的至少一部分
上的超低摩擦涂层提供大于400VHN的硬度。
106.根据权利要求93所述的方法，其中所述涂层的摩擦系数小于或等于0.15。
107.根据权利要求93所述的方法，其中所述涂层提供比未经涂覆的装置至少3倍大的耐磨性。
108.根据权利要求93所述的方法，其中所述超低摩擦涂层的水接触角大于60度。
109.根据权利要求93或98所述的方法，其中所述超低摩擦涂层的厚度在0.5微米至
5000微米的范围内。
110.根据权利要求93或98所述的方法，其中所述一个或更多个超低摩擦层、隔离层和缓冲层中的每一个的厚度在0.001微米和5000微米之间。
111.根据权利要求99所述的方法，其中所述一个或更多个交界面的厚度为0.01微米
至10微米或为最薄的相邻层的厚度的5%至95%。
112.根据权利要求98所述的方法，其中所述一个或更多个缓冲层选自硅、铝、铜、钼、钛、铬、钨、钽、铌、钒、锆、铪的元素、合金、碳化物、氮化物、碳-氮化物、硼化物、硫化物、硅化物和氧化物及上述的组合。
113.根据权利要求93所述的方法，其中所述加硬层包括基于金属陶瓷的材料；金属基质的复合材料；纳米晶体金属合金；非晶态合金；硬质金属的合金；分散在金属合金基质内的元素钨、钛、铌、钼、铁、铬和硅的碳化物、氮化物、硼化物或氧化物；或上述的组合。
114.根据权利要求93所述的方法，其中所述一个或更多个隔离层包括不锈钢、基于铬的合金、基于铁的合金、基于钴的合金、基于钛的合金或基于镍的合金、以下元素的合金或碳化物或氮化物或碳-氮化物或硼化物或硅化物或硫化物或氧化物：硅、钛、铬、铝、铜、铁、镍、钴、钼、钨、钽、铌、钒、锆、铪，或上述的组合。
115.根据权利要求93所述的方法，其中所述一个或更多个隔离层通过选自以下的一
种或更多种工艺形成：PVD、PACVD、CVD、离子注入、碳化、氮化、硼化、硫化、硅化、氧化、电化学工艺、无电镀工艺、热喷涂工艺、动力喷涂工艺、基于激光的工艺、摩擦搅拌工艺、喷丸强化工艺、激光喷丸强化工艺、焊接工艺、铜焊工艺、超细超级抛光工艺、摩擦润滑化学抛光工艺、电化学抛光工艺，及上述的组合。
116.根据权利要求93所述的方法，其中所述一个或更多个隔离层提供平均表面粗糙
度低于0.25微米的超光滑表面光洁度。
117.根据权利要求93所述的方法，其中所述隔开层中的至少一个具有400VHN的最小
硬度。
118.根据权利要求93所述的方法，其中所述一个或更多个柱形本体包括相对于彼此
运动的两个或更多个柱形本体。
119.根据权利要求93所述的方法，其中所述一个或更多个柱形本体包括相对于彼此
静止的两个或更多个柱形本体。
120.根据权利要求119所述的方法，其中所述两个或更多个柱形本体包括两个或更多个半径。
121.根据权利要求120所述的方法，其中所述两个或更多个柱形本体包括大体上在一个或更多个其它的柱形本体内的一个或更多个柱形本体。
122.根据权利要求120所述的方法，其中所述两个或更多个柱形本体相互接壤。
123.根据权利要求120所述的方法，其中所述两个或更多个柱形本体相互不接壤。
124.根据权利要求122或123所述的方法，其中所述两个或更多个柱形本体为同轴的
或不同轴的。
125.根据权利要求124所述的方法，其中所述两个或更多个柱形本体具有大体平行的轴线。
126.根据权利要求93所述的方法，其中所述一个或更多个柱形本体在内表面中为螺
旋形、在外表面中为螺旋形或为上述的组合。
127.根据权利要求93所述的方法，其中所述一个或更多个柱形本体为实心的、中空的或上述的组合。
128.根据权利要求93所述的方法，其中所述一个或更多个柱形本体包括外部横截面、内部横截面或内部横截面和外部横截面为大体上圆形的、大体上椭圆形的或大体上多边形的至少一个柱形本体。
129.根据权利要求93所述的方法，其中所述一个或更多个柱形本体还包括螺纹。
130.根据权利要求129所述的方法，其中所述螺纹的至少一部分被涂覆。
131.根据权利要求129或130所述的方法，还包括密封表面，其中所述密封表面的至少一部分被涂覆。
132.根据权利要求93、118或119中任一项所述的方法，其中所述一个或更多个柱形本体为井建造装置。
133.根据权利要求132所述的方法，其中所述井建造装置选自：钻杆、套管、油管管柱、TM
钢丝绳/编织绳/多芯导管/单芯导管/试井钢丝；挠性油管、Moyno 和渐进腔式泵的叶片式转子和定子、可膨胀的管件、膨胀心轴、扶正器、接触环、冲洗管道、用于固体控制的摇动筛网、打捞器和抓钩、海底立管、表面流动管线、及上述的组合。
134.根据权利要求93、118或119中任一项所述的方法，其中所述一个或更多个柱形本体为完井和生产装置。
135.根据权利要求134所述的方法，其中所述完井和生产装置选自：柱塞举升装置；
TM
完井滑动套筒组件；挠性油管；抽吸杆；Corods ；油管管柱；泵油机；填料盒；密封器和润TM
滑器；活塞和活塞衬套；Moyno 和渐进腔式泵的叶片式转子和定子；可膨胀的管件；膨胀心轴；控制管线和导管；在井眼中操作的工具；钢丝绳/编织绳/多芯导管/单芯导管/试井钢丝；扶正器；接触环；穿孔基管；开槽基管；用于砂石控制的筛网基管；冲洗管道；分流TM
管；用于砂砾封隔操作的维修工具；耐磨接头；设置在完井层段中的砂石筛网；Mazeflo 完井筛网；烧结筛网；金属丝缠绕筛网；用于固体控制的摇动筛网；打捞器和抓钩；海底立管；
表面流动管线，采油处理管线，及上述的组合。
136.根据权利要求93所述的方法，其中所述一个或更多个柱形本体为管道工具接头
的销或套连接件。
137.根据权利要求136所述的方法，其中所述一个或更多个柱形本体构造有横截面为圆形的近侧柱形横截面。
138.根据权利要求136所述的方法，其中所述一个或更多个柱形本体构造有横截面为非圆形的近侧柱形横截面。
139.根据权利要求136所述的方法，其中所述销或套连接件被定向成使得相对于重力方向，销面向上且套面向下。
140.根据权利要求136所述的方法，其中所述销或套连接件被定向成使得相对于重力方向，销面向下且套面向上。
141.根据权利要求93所述的方法，其中所述一个或更多个套筒包括基于铁的材料、碳钢、钢合金、不锈钢、Al基合金、Ni基合金、Ti基合金、陶瓷、金属陶瓷、聚合物、碳化钨钴、或上述的组合。
142.根据权利要求100所述的方法，其中所述类金刚石碳（DLC）通过物理气相沉积、化学气相沉积或等离子辅助的化学气相沉积涂覆技术来施加。
143.根据权利要求142所述的方法，其中所述物理气相沉积涂覆方法选自：RF-DC等离子反应磁控溅射、离子束辅助沉积、阴极电弧沉积和脉冲激光沉积。
144.一种使用经涂覆的带套筒油气井生产装置的方法，包括：
提供经涂覆的油气井生产装置，所述经涂覆的油气井生产装置包括：一个或更多个本体，其中所述一个或更多个本体不包括钻头；以及在所述一个或更多个本体的外表面或内表面附近具有一个或更多个套筒；以及在所述一个或更多个套筒的内套筒表面、外套筒表面或其组合的至少一部分上的涂层，其中所述涂层包括一个或更多个超低摩擦层以及置于所述一个或更多个套筒和所述超低摩擦涂层之间的一个或更多个隔离层，其中所述隔离层中的至少一个具有400VHN的最小硬度；以及
在井建造、完井或生产操作中利用所述经涂覆的带套筒油气井生产装置。
145.根据权利要求144所述的方法，其中所述超低摩擦涂层还包括一个或更多个缓冲层。
146.根据权利要求144或145所述的方法，其中所述层中的至少一个层是渐变的，或者相邻的层之间的交界面中的至少一个是渐变的或为上述的组合。
147.根据权利要求144所述的方法，其中所述一个或更多个超低摩擦层选自：非晶态合金、无电镀镍-磷复合材料、石墨、MoS2、WS2、基于富勒烯的复合材料、基于硼化物的金属陶瓷、准晶态材料、基于金刚石的材料、类金刚石碳（DLC）、氮化硼、碳纳米管、石墨烯片、高纵横比（即，较长且薄）的金属粒子、包括碳纳米环的环形材料、长方或椭圆形粒子及上述的组合。
148.根据权利要求147所述的方法，其中所述基于金刚石的材料为化学气相沉积
（CVD）金刚石或多晶金刚石块（PDC）。
149.根据权利要求144所述的方法，其中至少一个超低摩擦层为类金刚石碳（DLC）。
150.根据权利要求149所述的方法，其中所述类金刚石碳（DLC）选自：ta-C、ta-C:H、DLCH、PLCH、GLCH、Si-DLC、Ti-DLC、Cr-DLC、N-DLC、O-DLC、B-DLC、Me-DLC、F-DLC、S-DLC及上述的组合。
2
151.根据权利要求144所述的方法，其中所述超低摩擦涂层提供小于1J/m 的表面能
量。
152.根据权利要求144所述的方法，其中所述本体组件的暴露的外表面的至少一部分上的所述超低摩擦涂层提供大于400VHN的硬度。
153.根据权利要求144所述的方法，其中所述涂层的摩擦系数小于或等于0.15。
154.根据权利要求144所述的方法，其中所述涂层提供比未经涂覆的装置至少3倍大
的耐磨性。
155.根据权利要求144所述的方法，其中所述超低摩擦涂层的水接触角大于60度。
156.根据权利要求144或145所述的方法，其中所述超低摩擦涂层的厚度在0.5微米
至5000微米的范围内。
157.根据权利要求144或145所述的方法，其中所述一个或更多个层的厚度在0.001
微米和5000微米之间。
158.根据权利要求146所述的方法，其中一个或更多个交界面的厚度为0.01微米至
10微米或在最薄的相邻层的厚度的5%至95%之间。
159.根据权利要求145所述的方法，其中所述一个或更多个缓冲层选自硅、铝、铜、钼、钛、铬、钨、钽、铌、钒、锆、铪的元素、合金、碳化物、氮化物、碳-氮化物、硼化物、硫化物、硅化物和氧化物，或上述的组合。
160.根据权利要求144所述的方法，其中所述一个或更多个本体还包括在其至少一部分上的加硬层。
161.根据权利要求160所述的方法，其中所述加硬层包括基于金属陶瓷的材料；金属基质的复合材料；纳米晶体金属合金；非晶态合金；硬质金属的合金；分散在金属合金基质内的元素钨、钛、铌、钼、铁、铬和硅的碳化物、氮化物、硼化物或氧化物；或上述的组合。
162.根据权利要求160所述的方法，其中所述加硬层具有图案化表面。
163.根据权利要求162所述的方法，其中图案化的所述加硬层的表面包括深度在从
1mm到5mm的范围内的凹进特征和凸出特征。
164.根据权利要求163所述的方法，其中所述凹进特征包括加硬层区域中的面积的
10%至90%。
165.根据权利要求162所述的方法，其中所述加硬层具有选自以下的图案：横向凹槽或狭槽、纵向凹槽或狭槽、斜向凹槽或狭槽、螺旋凹槽或狭槽、人字形凹槽或狭槽、凹进韧窝、微凸韧窝，及上述的组合。
166.根据权利要求144所述的方法，其中所述一个或更多个隔离层包括不锈钢、基于铬的合金、基于铁的合金、基于钴的合金、基于钛的合金或基于镍的合金、以下元素的合金或碳化物或氮化物或碳-氮化物或硼化物或硅化物或硫化物或氧化物：硅、钛、铬、铝、铜、铁、镍、钴、钼、钨、钽、铌、钒、锆、铪，或上述的组合。
167.根据权利要求144所述的方法，其中所述一个或更多个隔离层通过选自以下的一种或更多种工艺形成：PVD、PACVD、CVD、碳化、氮化、硼化、硫化、硅化、氧化、电化学工艺、无电镀工艺、热喷涂工艺、动力喷涂工艺、基于激光的工艺、摩擦搅拌工艺、喷丸强化工艺、激光喷丸强化工艺、焊接工艺、铜焊工艺、超细超级抛光工艺、摩擦润滑化学抛光工艺、电化学抛光工艺，及上述的组合。
168.根据权利要求144所述的方法，其中所述一个或更多个隔离层提供平均表面粗糙度低于0.25微米的超光滑表面光洁度。
169.根据权利要求144所述的方法，其中所述一个或更多个本体包括相对于彼此运动的两个或更多个本体。
170.根据权利要求144所述的方法，其中一个或更多个本体包括相对于彼此静止的两个或更多个本体。
171.根据权利要求144所述的方法，其中所述一个或更多个本体包括球形和复杂几何形状。
172.根据权利要求171所述的方法，其中所述复杂几何形状具有为非柱形形状的至少一部分。
173.根据权利要求169或170所述的方法，其中所述两个或更多个本体包括大体上在
一个或更多个其它的本体内的一个或更多个本体。
174.根据权利要求169或170所述的方法，其中所述两个或更多个本体相互接壤。
175.根据权利要求169或170所述的方法，其中所述两个或更多个本体相互不接壤。
176.根据权利要求169或170所述的方法，其中所述两个或更多个本体为同轴的或不
同轴的。
177.根据权利要求144所述的方法，其中所述一个或更多个本体为实心的、中空的或为上述的组合。
178.根据权利要求144所述的方法，其中所述一个或更多个本体包括外部横截面、内部横截面或内部横截面和外部横截面为大体上圆形的、大体上椭圆形的或大体上多边形的至少一个本体。
179.根据权利要求144所述的方法，其中所述一个或更多个本体还包括螺纹。
180.根据权利要求179所述的方法，其中所述螺纹的至少一部分被涂覆。
181.根据权利要求179或180所述的方法，还包括密封表面，其中所述密封表面的至少一部分被涂覆。
182.根据权利要求144、169或170中任一项所述的方法，其中所述一个或更多个柱形本体为井建造装置。
183.根据权利要求182所述的方法，其中所述井建造装置选自：扼流器、阀、阀座、油嘴、球阀、环形隔离阀、地下安全阀、离心机、弯头、T形管、联接器、防喷器、耐磨轴衬、往复和/或旋转密封组件中的动态金属-金属密封件、安全阀中的弹簧、减震接头和震击器、测井工具臂、钻机滑移设备、棘爪，及上述的组合。
184.根据权利要求144、169或170中任一项所述的方法，其中所述一个或更多个本体为完井和生产装置。
185.根据权利要求184所述的方法，其中所述完井和生产装置选自：扼流器、阀、阀座、油嘴、球阀、流入控制装置、智能井阀、环形隔离阀、地下安全阀、离心机、气体举升和化学品注入阀、弯头、T形管、联接器、防喷器、耐磨轴衬、往复和/或旋转密封组件中的动态金属-金属密封件、安全阀中的弹簧、减震接头和震击器、测井工具臂、侧袋、心轴、封隔器卡瓦、封隔器锁片、砂石探头、井流流量计、砂石筛网的非柱形部件，及上述的组合。
186.根据权利要求144所述的方法，其中所述一个或更多个套筒包括基于铁的材料、碳钢、钢合金、不锈钢、Al基合金、Ni基合金、Ti基合金、陶瓷、金属陶瓷、聚合物、碳化钨钴，或上述的组合。
187.根据权利要求147所述的方法，其中所述类金刚石碳（DLC）通过物理气相沉积、化学气相沉积或等离子辅助的化学气相沉积涂覆技术来施加。
188.根据权利要求187所述的方法，其中所述物理气相沉积涂覆方法选自：RF-DC等离子反应磁控溅射、离子束辅助沉积、阴极电弧沉积和脉冲激光沉积。
经涂覆的带套筒油气井生产装置
技术领域
[0001] 本公开内容涉及油气井生产操作的领域。本公开内容更具体地涉及使用经涂覆的带套筒装置，用来减少油气井生产操作中的摩擦、磨损、腐蚀、侵蚀和沉积。此类经涂覆的带套筒油气井生产装置可用在钻机设备、海底立管系统、管状物品（套管、油管和钻柱）、井口、采油树和阀、完井管柱和设备、地层和砂石面完井设备、人工举升设备和修井设备。
背景技术
[0002] 油气井生产存在基本的机械问题，其纠正、修理或防腐可能成本过高或甚至是禁止的。摩擦在油田中无处不在，处于移动接触的装置磨损并损失它们的原始尺寸，而且装置会由于侵蚀、腐蚀和沉积而劣化。这些都是成功操作的障碍，其可通过如下所述的选择性地使用经涂覆的带套筒油气井生产装置来防腐。
[0003] 钻机设备：
[0004] 在将特定位置确定为预期的烃区之后，生产操作以钻机的运动和操作开始。在旋转式钻井操作中，钻头被附接到井底钻具组件的端部，该井底钻具组件附接到包括钻管和工具接头的钻柱。钻柱可以在表面处通过旋转台或顶部驱动单元旋转，并且钻柱和井底钻具组件的重量致使旋转钻头在泥土中钻孔。随着操作进行，对钻柱增加新的钻管段，用以增大其总长度。在钻井操作期间，定期地对开启的钻孔加上套管，用以使壁稳定，并且恢复钻井操作。结果，钻柱通常既在开启的钻孔（“裸孔”）中又在已经安装在钻孔中的套管（“加套管孔”）内操作。可选择地是，挠性油管可以代替钻井组件中的钻柱。钻柱和井底钻具组件或挠性油管和井底钻具组件的组合在本文中称为钻杆组件。钻柱的旋转经钻柱和井底钻具组件向钻头提供动力。在挠性油管钻井中，动力通过钻井流体传递到钻头。可以通过旋转而传输的动力的量受到钻柱或挠性油管所能够承受的最大扭矩的限制。
[0005] 在可选择的且不常用的钻井方法中，套管本身用于钻入地层内。切削元件附接于套管底端，且套管可以旋转，用以转动切削元件。在以下论述中，对钻杆组件的引用将包括用于以“在钻井同时加套管”方法钻取地层的“钻井套管管柱”。
[0006] 在经地下地层钻孔期间，钻杆组件与钢套管和岩层这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。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产生相当大的拖滞作用并在钻井操作期间引起过大的扭矩和拖滞作用。摩擦导致的问题是任何钻井操作中固有的，但是在定向钻取的井或大位移钻取（ERD）的井中尤其麻烦。定向钻取或ERD是井眼从竖向的有意偏移。在某些情形中，倾斜度（与竖向形成的角度）可大至90度。此类井通常称为水平井并且可以从钻井平台钻到相当大的深度和相当大的距离。
[0007] 在所有钻井操作中，钻杆组件倾向于抵靠钻孔或井套管的侧部安放，但是在定向钻取的井中，这种倾向由于重力作用而大得多。钻杆也可在钻孔的壁或套管的局部曲率高的区域中局部地抵靠钻孔的壁或套管安放。随着钻柱的长度或竖向偏离程度增大，旋转的钻杆组件所产生的摩擦量也增大。局部曲率增大的区域可增大由旋转的钻杆组件所产生的摩擦的量。为了克服这种摩擦增大，需要额外的动力来旋转钻杆组件。在某些情形中，钻杆组件与套管壁或钻孔之间的摩擦作用超过钻杆组件所能够承受的最大扭矩和/或钻机的最大扭矩容量，且必须停止钻井操作。结果，利用可用的定向钻井设备和技术能够钻取的井的深度最终受摩擦限制。
[0008] 相对于外管进行滑动接触运动的一个管柱或更一般地在外缸筒内运动的内缸筒是这些操作的其中几个中的共同的几何构造。用于减少由管柱之间的滑动接触造成的摩擦的一种现有技术方法是：改善环流的润滑性。在工业操作中，已尝试主要通过利用基于水和/或油的钻井液溶液来减少摩擦，该钻井液溶液含有各种类型的昂贵且通常不环保的添加剂。对于这些添加剂中的许多添加剂来说，从这些添加剂获得的增大的润滑性随着钻孔温度的增大而减小。通常使用柴油和其它矿物油作为润滑剂，但是会存在钻井液处理的问题，且这些流体在升高的温度下也失去润滑性。已知某些矿物比如皂土有助于减少钻杆组件和开启的钻孔之间的摩擦。已使用诸如特氟隆的材料来减少滑动接触摩擦；然而，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、玻璃珠和胡桃壳，但这些均具有其自身的局限性。
[0009] 用于减少管之间的摩擦的另一现有技术方法是：使用铝材用于钻柱，因为铝比钢轻。然而，铝是昂贵的且可能难以在钻井操作中使用，其耐磨性不如钢，且其与许多流体类型（比如，具有高pH的流体）不相容。为了使套管和衬套在大位移井中操作，本行业已经开发出使内套管管柱在外管柱内“漂浮”的装置，但是在此操作期间，循环受到限制且其无法适合成孔工艺。
[0010] 用于减少管的管柱之间的摩擦的又一种方法是：在内管柱上使用硬质护面材料（本文也称为加硬层或硬护面）。美国专利No.4,665,996公开了使用施加至钻管的主支承表面的硬护面，该专利的全文通过引用并入本文，其中合金具有以下组分：50-65%的钴、25-35%的钼、1-18%的铬、2-10%的硅和低于0.1%的碳，以用于减少管柱和套管或岩石之间的摩擦。结果，旋转式钻井操作，尤其是定向钻井所需要的扭矩降低。所公开的合金还提供了在钻柱上的优异的耐磨性，同时减少井套管上的磨损。另一种形式的加硬层是施加至钻杆组件的WC-钴金属陶瓷。其它加硬层材料包括TiC、Cr-碳化物和其它混合的碳化物和氮化物系统。含有合金的碳化钨比如Stellite 6和Stellite 12（Cabot公司的商标）作为硬护面材料具有优异的耐磨性，但是可能导致相对的装置的过度磨损。可使用堆焊法或热喷涂法将加硬层施加至钻杆组件的各部分。在钻井操作中，趋于靠在井套管上的钻杆组件随着钻柱旋转而连续地磨损井套管。
[0011] 美国专利公布No.2002/0098298公开了以一定图案的形式施加在工具接头的表面上以便减小液压阻力的加硬层。“通过在分离的限定的间隔开的区域中提供减小磨损的材料，在井眼环带中流过工具接头的流体流被增强，即，有利于在沉积区域之间的流动”。该参考文献还公开了低摩擦材料，其中该低摩擦材料为加硬层材料的组成元素，比如铬。“基材的最小混合允许基质化学的极其精确的预工程化，从而允许材料的定制以及修整工具接头，以解决钻井需要，比如严重磨损、侵蚀和腐蚀，如：在裸孔钻井条件下看到的。其还允许改变沉积，以调节至金属-金属摩擦中所需的摩擦系数，例如钻柱在套管内旋转所遇到的需要。在某些方面，所沉积的材料通过利用无磨损元素来代替磨损材料来改变，所述磨损材料比如是铁和镍，所述无磨损材料例如是但不限于钼、钴和铬及它们的组合”。
[0012] 美国专利No.5,010,225公开了在加硬层中使用凹槽来防止套管磨损。突出区域没有碳化钨粒子，从而避免了碳化钨粒子与套管接触。凹进区域为整个表面区域的约80%。
[0013] 除工具接头上的加硬层之外，某些带套筒装置已经在行业中使用。基于聚合物-钢的耐磨装置在美国专利No.4,171,560（Garrett，“Method of Assembling a Wear Sleeve on a Drill Pipe Assembly.”）公开。Western Well Tool随后开发了并目前提供了非旋转的保护器（Non-Rotating Protector），用以控制偏离井眼中的管和套管之间的接触，即美国专利No.5,803,193、6,250,405和6,378,633的主题。
[0014] Strand等人已经取得金属“耐磨套管”装置（美国专利No.7,028,788）的专利权，其为在可移除套管上布置加硬层材料的装置。该装置为通常壁厚小于二分之一英寸的环，其在具有减小的直径的销的一部分上被旋拧到钻管工具接头的销连接件上，直到连接件的斜角直径。环在内表面的一部分上具有与工具接头的相反的左旋定向的内螺纹。以这种方式制成螺纹，环并不被约束靠着销连接件本体，而是相反地，其随钻柱向右转动而偏移到套-销连接面。Arnco将该装置推向市场，其商标名为“WearSleeve”。在市场上出现多年和至少一次现场试验之后，系统还没有被广泛使用。
[0015] Arnco已经设计出通常位于钻管接头中间的固定加硬层系统，如在美国专利公布No.2007/0209839，“System and Method for Reducing Wear in Drill Pipe Sections”中所描述的。
[0016] 单独地，销连接件被保持在卡瓦中的工具接头构造已经在现场部署，这与套连接件通过卡瓦而保持的标准石油工业构造不同。某些益处已经被要求保护，如在示例性公布SPE 18667(1989)Dudman，R.A.等人的“Pin-up Drillstring Technology:Design,Application,and Case Histories”和SPE 52848(1999)Dudman，R.A.等人的“Low-Stress Level PinUp Drillstring Optimizes Drilling of 20,000ft Slim-Hole in Southern Oklahoma.”中记载的。Dudman公开了对于某些孔尺寸来说比在标准销向下惯例中使用的要大的管直径和连接件尺寸，这是因为销连接件直径可制造得比套连接件直径小且仍满足打捞要求。
[0017] 还有许多在钻机上具有金属-金属接触的另外的设备部件，其承受摩擦、磨损、侵蚀、腐蚀和/或沉积。这些装置包括但不限于以下列表：泵送设备中的阀、活塞、缸和轴承；用于移动钻机和钻井材料和设备的轮子、滑梁、滑垫、滑套和托板；顶部驱动器和提升设备；
混合器、桨叶、压缩机、叶片和涡轮；以及旋转设备的轴承和牙轮钻头的轴承。
混合器、桨叶、压缩机、叶片和涡轮；以及旋转设备的轴承和牙轮钻头的轴承。
[0018] 成孔操作以外的特定操作通常在钻井工艺期间进行，包括：测量裸孔（或加套孔段），以评估地层特性、钻芯以移除地层的部分，用于科学评估、捕获井底条件下的地层流体，用于流体分析、抵靠井放置工具，用以记录声学信号以及本领域技术人员已知的其它操作和方法。这些操作中的大部分包括一个本体相对于另一本体的轴向或扭转运动，其中两个本体利用了抵抗相对运动的一定的接触力和接触摩擦而机械地接触，从而引起摩擦和磨损。
[0019] 海底立管系统：
[0020] 在海洋环境中，又一复杂性在于井口采油树可能是“干式的”（在平台上位于海平面上方）或“湿式的”（位于海床上）。在任一情形中，已知为“立管”的导管管道被置于水面和海底之间，其中钻杆设备伸展到到立管内并且钻井流体在环形空间中返回。立管可能特别容易发生与内管道在外部静止管道中旋转相关的问题，这是因为立管不是固定的，而是也可能由于不仅与钻柱而且还与海洋环境的接触而移动。海底立管的拖滞作用和涡旋脱落导致负荷和振动，其部分地是由于海底立管的外表面周围的洋流的摩擦阻力。
[0021] 海底立管系统内的操作通常涉及一个本体相对于另一本体的轴向或扭转运动，其中两个本体以克服相对运动的一定的接触力和接触摩擦机械接触，从而引起摩擦和磨损。
[0022] 管状物品：
[0023] 石油专用管件物品（OCTG）包括钻杆设备、套管、油管、工作管柱、挠性油管和立管。大部分OCTG（但挠性油管除外）的共同点是螺纹连接，其遭受不适当的螺纹和/或密封件干涉引起的潜在故障，从而引起匹配的连接器中的擦伤，这会由于受损的连接而抑制整个管道接头的使用和重复使用。螺纹可被喷丸强化、冷轧和/或化学处理（例如，磷酸盐、镀铜等），以改善它们的防擦伤特性，并且采用适当的管螺纹复合物为连接件使用提供了益处。
然而，当今仍存在与螺纹擦伤和干涉问题有关的问题，特别是用于极端条件的检测要求的更昂贵的OCTG材料合金。
然而，当今仍存在与螺纹擦伤和干涉问题有关的问题，特别是用于极端条件的检测要求的更昂贵的OCTG材料合金。
[0024] 使用OCTG的操作通常涉及一个本体相对于另一本体的轴向或扭转运动，其中两个本体以克服相对运动的一定的接触力和接触摩擦机械接触，从而引起摩擦和磨损。这种运动对于安装可能是需要的，安装之后，装置可基本上静止，或这种运动对于重复的应用可能是需要的，用以执行某些操作。
[0025] 井口、采油树和阀：
[0026] 在套管的顶部，流体由井口设备容纳，该井口设备通常包括多个阀和各种类型的防喷器（BOP）。地下安全阀是在紧急或失控状态下必须正确地起作用的关键设备部件。地下安全阀安装在井底，通常安装在油管管柱中，并且可被封闭，用以防止从地下流动。与井口连接的扼流器和流动管线（特别是接头和弯头）遭受摩擦、磨损、腐蚀、侵蚀和沉积。扼流器可能被砂石回流而切断，例如，使得流速的测量不精确。
[0027] 这些装置中的许多装置依赖于密封件和非常紧密的机械公差，包括金属-金属密封件和弹性体密封件这两者。许多装置（套筒、袋、油嘴、针状物、闸门、球、插头、交叉接头、联接器、封隔器、填料盒、阀杆、离心机等）遭受归咎于腐蚀和侵蚀的摩擦和机械退化，以及甚至由垢体、沥青、石蜡和水合物的沉积引起的潜在堵塞。这些装置的一部分可安装在井底或海底，并且获得维修通道以便修理或恢复是不可能的或可能非常费钱。
[0028] 涉及井口、采油树和阀的操作通常涉及一个本体相对于另一本体的轴向或扭转运动，其中两个本体以克服相对运动的一定的接触力和接触摩擦机械接触，从而引起摩擦和磨损。这种运动对于安装可能是需要的，安装之后，装置可基本上静止，或这种运动对于重复应用可能是需要的以执行某些操作。这些系统中的一些也建立了需要防止泄漏的紧公差和光滑表面的静态或动态密封。
[0029] 完井管柱和设备：
[0030] 在钻井被加套以防止塌孔和不受控的流体流动的情况下，必须执行完井操作，以使井做好生产准备。该操作涉及将设备送入和送出井眼以执行某些操作，例如水泥灌浆、穿孔、采油和测井。完井设备的两种常用的传送装置是钢丝绳和管道（钻管、挠性油管或油管工作管柱）。这些操作可包括运行测井工具以记录地层和流体特性、使用穿孔枪在套管中形成孔以允许烃生产或流体注入、采用临时或永久插塞隔离流体压力、运行封隔器以有利于安置管道以提供管道内部与环形区域之间的密封以及运行水泥灌浆、采油和完井所需的其它类型的设备。钢丝绳工具和工作管柱可包括封隔器、骑跨式封隔器和套管补缀件，除封隔器安置工具以外，用于将阀和仪器安装在侧袋中的装置以及用于执行井底操作的其它类型的设备。这些工具的安放，具体地是在大位移井中的安放可能受摩擦拖滞作用妨碍。留在孔内用于生产的最终完井管柱一般称为生产油管管柱。
[0031] 完井管柱和设备的安装和使用通常涉及一个本体相对于另一本体的轴向或扭转运动，其中两个本体以克服相对运动的一定的接触力和接触摩擦机械接触，从而引起摩擦和磨损。这种运动对于安装可能是需要的，安装之后，装置可基本上静止，或这种运动对于重复应用可能是需要的以执行某些操作。
[0032] 地层和砂石面完井：
[0033] 在许多井中，存在砂石或地层材料流入井眼的趋势。为了防止发生这种情况，跨过完井层段在井内放置“砂石筛网”。该操作可包括构造专用大直径组件，包括在中心“基管”上的几种砂石筛网网眼设计中的一种。筛网和基管频繁遭受侵蚀和腐蚀并且可能由于砂石“切削”而失效。另外，在大倾斜度井中，在将筛网送入井眼的同时遇到的摩擦拖滞阻力可能过大，并且限制这些装置的使用，或井眼的长度可能由于摩擦阻力而受到可以进行筛网运行操作的最大深度的限制。
[0034] 在需要砂石控制的这些井中，砂石状支撑材料即“支撑剂”被泵入筛网与地层之间的环形区域中，用以防止地层颗粒流经筛网。该操作称为“砂砾封隔”，或在压裂状态进行的情况下可称为“压裂封隔”。在许多其它地层中，通常在没有砂石筛网的井眼中，可进行压裂采油处理，其中在压裂状态下注入这种相同或不同类型的支撑材料，以形成背离井眼延伸相当长的一端距离的大的受支撑的压裂翼，从而增大生产或注入速度。由于支撑剂粒子彼此接触并接触约束壁，所以在泵送处理的同时出现摩擦阻力。此外，支撑剂粒子在生产期间受到压碎作用并产生使流体流动阻力增大的“细粒”。支撑剂特性，包括颗粒的强度、摩擦系数、形状和粗糙度对于该处理的成功执行和井的生产率或注入率的最终增大是重要的。
[0035] 砂石筛网的安装和随后的修井操作通常涉及一个本体相对于另一本体的轴向或扭转运动，其中两个本体以克服相对运动的一定的接触力和接触摩擦机械接触，从而引起摩擦和磨损。这种运动对于安装可能是需要的，安装之后，装置可基本上静止，或这种运动对于重复应用可能是需要的以执行某些操作。
[0036] 人工举升设备：
[0037] 当开始从井进行生产时，其可能在其自身的压力下以令人满意的速度流动。然而，许多井在其开采期限中的某些时间点需要协助将流体从井眼举升出来。使用许多方法来TM从井中举升流体，包括：用于从井中移走流体的抽吸杆、Corod 和电动潜水泵，用于从主要地气井排出液体的柱塞举升装置，以及用于减小液柱的密度的沿油管“气体举升”或气体注入。可选择地，可通过沿油管隔开的阀注入专用化学品来防止垢体、沥青、石蜡或水合物沉积物的积聚。
[0038] 生产油管管柱可包括用于辅助流体流动的装置。这些装置的其中几个可能依赖于密封件和非常紧密的机械公差，包括金属-金属密封件和弹性体密封件这两者。部件（套筒、袋、插塞、封隔器、交叉接头、联接器、孔、心轴等）之间的交界面遭受归咎于腐蚀和侵蚀的摩擦和机械退化，以及甚至由垢体、沥青、石蜡或水合物的沉积引起的潜在堵塞或机械配合干涉。具体地，气体举升装置、潜水泵和其它人工举升设备可包括阀、密封件、转子、定子和可能由于摩擦、磨损、腐蚀、侵蚀或沉积而无法正常操作的其它装置。
[0039] 人工举升设备的安装和操作以及随后的修井操作通常涉及一个本体相对于另一本体的轴向或扭转运动，其中两个本体以克服相对运动的一定的接触力和接触摩擦机械接触，从而引起摩擦和磨损。
[0040] 修井设备：
[0041] 通常需要在储藏地层层段附近对井眼的井底操作，以收集数据或初始化、恢复或增大生产或注入速度。这些操作包括将设备送入和送出井眼。完井设备和工具的两种普通的传送装置是钢丝绳和管道。这些操作可包括运行测井工具以记录地层和流体特性、使用穿孔枪在套管中形成孔以允许烃生产或流体注入、采用临时或永久插塞以隔离流体压力、运行封隔器以有利于完井的层段之间的密封，以及运行其它类型的高度专业化设备。将设备送入和送出井的操作包括由两个本体的相对运动引起的滑动接触，从而形成摩擦拖滞阻力。
[0042] 修井操作通常涉及一个本体相对于另一本体的轴向或扭转运动，其中两个本体以克服相对运动的一定的接触力和接触摩擦机械接触，从而引起摩擦和磨损。
[0043] 其它相关技术：
[0044] 除上面公开的现有技术之外，美国专利公布No.2008/0236842，“Downhole Oilfield Apparatus Comprising a Diamond-Like Carbon Coating and Methods of Use”公开了将DLC涂层施加到具有暴露于井底环境的内表面的井底装置。
[0045] Saenger和Desroches在EP 2090741A1中描述了用于井底工具操作的“在支撑体的表面的至少一部分上的涂层”。所公开的这种类型的涂层包括DLC、金刚石碳和Cavidur（来自Bekaert的专有DLC涂层）。该涂层被具体称为“为减小摩擦而选择的惰性材料”。描述了对测井工具和O型圈的具体应用。所引用的具体益处包括摩擦和腐蚀的减小。
[0046] Van Den Brekel等人在WO 2008/138957 A2中公开了一种钻井方法，其中套管材料比钻柱材料硬1至5倍，且在钻井流体中使用了减小摩擦的添加剂。钻柱可具有被作为减小摩擦的外层施加的聚四氟乙烯（PTFE）。
[0047] Wei等人也公开了在管状结构的内表面上使用涂层（美国专利No.6,764,714，“Method for Depositing Coatings on the Interior Surfaces of Tubular Walls”和美国专利No.7,052,736，“Method for Depositing Coatings on the Interior Surfaces of Tubular Structures”）。Tudhope等人也开发了涂覆物体的内表面的装置，包括例如美国专利No.7,541,069，“Method and System for Coating Internal Surfaces Using Reverse-Flow Cycling”。
[0048] Griffo 在 美 国 专 利 公 布 No.2008/0127475，“Composite Coating with Nanoparticles for Improved Wear and Lubricity in Downhole Tools”中公开了在钻头和井底钻具组件的部件上使用超硬磨料纳米粒子。
[0049] Gammage等人在美国专利No.7,487,840中公开了对井底工具部件的外表面的喷涂金属施加。
[0050] Thornton在WO 2007/091054，“Improvements In and Relating to Downhole Tools”中公开了在井底工具上使用二硫化钨（WS2）。
[0051] 在钻头和钻头密封件上使用涂层已经在例如美国专利No.7,234,541“DLC Coating for Earth-Boring Bit Seal Ring”、美 国 专 利 No.6,450,271“Surface Modifications for Rotary Drill Bits”和美国专利7,228,922“Drill Bit”中公开。
[0052] 此外，在非油田应用中使用DLC涂层已经在美国专利No.6,156,616“Synthetic Diamond Coatings with Intermediate Bonding Layers and Methods of Applying Such Coatings”和美国专利No.5,707,717“Articles Having Diamond-Like Protective Film”中公开。
[0053] 美国专利No.6,087,025公开了对金属切削工具的切削表面施加类金刚石碳涂层。其还公开了具有金属加工表面的金属加工工具，该金属加工表面承载有经以下梯度而强力地附着到该表面的类金刚石碳涂层：金属合金或钴-烧结碳化钨基体；钴或金属硅化物和/或钴或金属锗化物；硅和/或锗；碳化硅和/或碳化锗；以及类金刚石碳。
[0054] GB 454,743公开了在金属基体上施加二元渐变TiCr涂层。更具体地，所公开的涂层优选地包括具有基本上恒定组分的TiCr层或渐变的TiCr层，例如Cr的基层（附着层）和由Cr和Ti组成的渐变组分层，其中在该层中Ti的比例从与基层的交界面增大到比在渐变层的远离基层的边界处的Cr的比例大的Ti的比例。
[0055] 美国专利No.5,989,397公开了在沉积在金属基体上的涂层中产生渐变层的设备和方法。更具体地，其公开了利用脉冲激光溅射技术和磁控溅射沉积技术这两者重复地且一致地产生渐变多层膜的工艺控制方案以及允许在真空室中自动地建立超高真空并随后执行计算机算法或“方法”来产生期望的膜的设备。软件运行并控制该设备并执行控制数字和模拟信号的指令，所述数字和模拟信号控制了仪器。
[0056] 本公开的必要性：
[0057] 考虑到这些对生产操作的宽泛要求的广泛性质，需要新的涂层材料技术的应用，其保护装置免于受到在两个或更多个装置之间的滑动接触和可能包含高速移动的固体粒子的流体流束所引起的摩擦、磨损、腐蚀、侵蚀和沉积的影响。这种需求要求新型材料，该新型材料结合有高硬度以及当与相对的表面相接触时的低摩擦系数（COF）的能力。而且，带套管装置的使用是在油气井生产设备中部署这种涂层的实际且经济的方式。如果这种涂层材料也能够提供低能量表面和抵靠于钻孔壁的低摩擦系数，则该新型材料涂层可实现超大位移钻井、在困难环境（包括海上和深水应用）下的可靠且有效的操作，并可在油气井生产操作中实现成本降低、安全性和操作改善。如所设想的，在带套筒的井生产装置上使用这些涂层可具有广泛的应用并向井生产操作提供显著的改善和扩展。
[0058] 因此，存在对于经涂覆的带套筒油气井生产装置的需要。首先，在生产装置上施加本发明涂层的方法可能要求本体被封闭在室中。这对于许多油田部件而言可能是非常局限性的要求。例如，长的管段的几何形状对于这种室而言是不方便的。这可能也不是非常有效的，因为待涂覆的表面区域可能是主体的总表面积的很小一部分。经涂覆的带套筒装置的经涂覆的套筒元件可被运输到现场位置并安装在生产设备上，与部署这种低摩擦涂层的可选择装置相比成本较低。而且，在套筒元件或涂层需要被更换或更新的某些应用中，带套筒系统的构造是经济的，且具有最小的运输需求和设备停机时间。套筒元件自身可包括与其接近的本体不同的材料。套筒元件可经受在涂覆工艺期间的会损及系统的其它元件的高温和其它环境条件。经涂覆的带套筒装置的套筒元件可更有效地被涂覆低摩擦材料以及被涂覆比尝试涂覆设备的较大部件更宽的范围的可能涂层类型，从而方便了利用低摩擦涂层用以改善这些装置的有效机械性能。现有技术没有公开解决这些问题的有效方式，且本发明方法将实现在油气井生产装置中使用低摩擦涂层。
发明内容
[0059] 根据本公开内容，有利的经涂覆的带套筒油气井生产装置包括：一个或更多个柱形本体、在一个或更多个柱形本体的外径或内径附近的一个或更多个套筒、在一个或更多个套筒的暴露的外表面、暴露的内表面或者暴露的外表面或暴露的内表面这两者的组合的至少一部分上的加硬层、在一个或更多个套筒的内套筒表面、外套筒表面或其组合的至少一部分上的涂层，其中涂层包括一个或更多个超低摩擦层以及置于加硬层和超低摩擦涂层之间的一个或更多个隔离层。
[0060] 本发明的另一方面涉及有利的经涂覆的带套筒油气井生产装置，包括油气井生产装置，其包括：一个或更多个本体，其中该一个或更多个本体不包括钻头；在一个或更多个本体的外表面或内表面附近的一个或更多个套筒；在一个或更多个套筒的内套筒表面、外套筒表面或其组合的至少一部分上的涂层，其中该涂层包括一个或更多个超低摩擦层以及置于一个或更多个套筒和超低摩擦涂层之间的一个或更多个隔离层，其中隔离层中的至少一个具有400VHN的最小硬度。
[0061] 本发明的又一方面涉及使用经涂覆的带套筒油气井生产装置的有利方法，包括：提供经涂覆的油气井生产装置，该经涂覆的油气井生产装置包括一个或更多个柱形本体、在一个或更多个柱形本体的外径或内径附近具有一个或更多个套筒、在一个或更多个套筒的暴露的外表面、暴露的内表面或者暴露的外表面或内表面这两者的组合的至少一部分上的加硬层以及在一个或更多个套筒的内套筒表面、外套筒表面或其组合的至少一部分上的涂层，其中涂层包括一个或更多个超低摩擦层以及置于加硬层和超低摩擦涂层之间的一个或更多个隔离层；以及在井建造、完井或生产操作中利用经涂覆的带套筒油气井生产装置。
[0062] 本发明的再一方面涉及使用经涂覆的带套筒油气井生产装置的有利方法，包括：提供经涂覆的油气井生产装置，该经涂覆的油气井生产装置包括有不包括钻头的一个或更多个本体、在一个或更多个本体的外表面或内表面附近具有一个或更多个套筒以及在一个或更多个套筒的内套筒表面、外套筒表面或其组合的至少一部分上的涂层，其中该涂层包括一个或更多个超低摩擦层以及置于一个或更多个套筒和超低摩擦涂层之间的一个或更多个隔离层，其中隔离层中的至少一个具有400VHN的最小硬度；以及在井建造、完井或生产操作中利用该经涂覆的带套筒油气井生产装置。
[0063] 所公开的经涂覆的带套筒油气井生产装置以及使用这种带套筒装置以便减少在这些应用区域中的摩擦、磨损、腐蚀、侵蚀和沉积的方法的这些及其它特征和属性以及它们的有利应用和/或用途将从以下详细描述中变得明显，特别是当结合在此所附的附图阅读时。
附图说明
[0064] 为了帮助相关技术的普通技术人员制造和利用本发明的主题，参考了附图，在附图中：
[0065] 图1描述了在整个生产过程的单独的井建造、完井、采油、修井和生产阶段中采用井生产装置的油气井生产系统。
[0066] 图2描述了施加至用于地下钻井应用的带套筒钻杆组件的涂层的示例性应用。
[0067] 图3描述了施加至可适于使用经涂覆的套筒的井底钻具组件装置的涂层的示例性应用，所述井底钻具组件装置在该情形中为铰刀、稳定器、铣刀和扩孔器。
[0068] 图4描述了施加至具有经涂覆的套筒耐磨轴衬的海底立管系统的涂层的示例性应用。
[0069] 图5描述了施加至用于井底泵送操作的抛光杆、抽吸杆和泵的经涂覆的套筒的示例性应用。
[0070] 图6描述了施加至穿孔枪、封隔器和测井工具的经涂覆的套筒的示例性应用。
[0071] 图7描述了施加至钢丝绳和钢丝索以及成股的缆绳束的涂层的示例性应用。经涂覆的套筒可在轴衬中使用以便于使钢丝绳操作平滑。
[0072] 图8描述了施加至用于砂砾封隔砂石控制操作的基管和筛网组件以及用于固体控制设备的筛网的涂层的示例性应用，同时示出可用于辅助将筛网滑动到井眼中的经涂覆的套筒。
[0073] 图9描述了施加至井口和阀组件的经涂覆的套筒的示例性应用，其中带套管装置可用在阀中以提供在较低操作力和负荷下的密封。
[0074] 图10描述了施加至孔板流量计、扼流器和涡轮流量计的经涂覆的套筒的示例性应用。
[0075] 图11描述了施加至套洗打捞工具的抓钩和卡瓦打捞筒（overshot）的经涂覆的套筒的示例性应用。
[0076] 图12描述了施加至螺纹连接件的涂层的示例性应用并示出螺纹擦伤。
[0077] 图13示出了经涂覆的套筒元件的在经涂覆的带套筒钻柱连接件中的示例性应用，显示了销向下和销向上连接构造和另外可能的套筒参数。
[0078] 图14示意性地描述了在地下旋转钻井期间的穿透速率（ROP）与钻头上的重量（WOB）的对应。
[0079] 图15描述了本文公开的涂层中的一些涂层与钢基壳体相比的摩擦系数（COF）和涂层硬度之间的关系。
[0080] 图16描述了典型的应力-应变曲线，显示了非晶态合金与晶态金属/合金相比的高弹性极限。
[0081] 图17描述了非晶态碳的三元相图。
[0082] 图18描述了氢悬键理论的示意图。
[0083] 图19描述了DLC涂层在干式滑动磨损试验中的摩擦和磨损性能。
[0084] 图20描述了DLC涂层在基于油的钻井液中的摩擦和磨损性能。
[0085] 图21描述了DLC涂层在基于油的钻井液中在高温（150°F）滑动磨损试验中的摩擦和磨损性能。
[0086] 图22描述了DLC涂层在基于油的钻井液中在升高的温度（150°F和200°F）下与未经涂覆的裸露钢和加硬层的摩擦性能相比的摩擦性能。
[0087] 图23描述了DLC涂层与未经涂覆的裸露钢基体相比的速度削弱性能。
[0088] 图24描述了本文公开的单层和多层DLC涂层的SEM截面。
[0089] 图25描述了DLC涂层与未经涂覆的4142钢相比的水接触角。
[0090] 图26描述了在钻杆组件的加硬层上的混合DLC涂层的示例性示意图，示出了基部基体材料、加硬层、一个或更多个隔离层以及一个或更多个所置的缓冲层和超低摩擦层的多种可能的非限制性构造。
[0091] 图27描述了利用光学轮廓测定仪从以下获得的粗糙度结果：a）未抛光环；b）抛光环；以及c）经Ni-P隔离层/DLC涂覆的环，其中扫描区域的光学图像在左侧显示，且表面轮廓在右侧显示。
[0092] 图28描述了经Ni-P隔离层/DLC涂覆的环和未抛光的裸环的随速度而变化的平均摩擦系数。
[0093] 图29描述了显示候选的多层DLC材料的结构的示例性图像（左-SEM、右-HAADF-STEM）。
[0094] 图30描述了显示2周期Ti-DLC结构的HAADF-STEM图像（左）和亮场STEM图像（右）。
[0095] 图31描述了EELS（电子能量损失能谱）组成曲线，显示了Ti层1和DLC之间的组分渐变的交界面以及Ti层2和DLC之间的交界面处的急剧组分转变。
[0096] 图32描述了SEM图像，显示了在DLC和第二钛缓冲层之间的交界面处由于脱层而发生失效。
[0097] 图33描述了在给定试验条件下对于多个涂层缓冲层类型的随时间而变化的摩擦响应。
[0098] 图34示出在钻杆组件的部件上施加加硬层的一些可能图案。
[0099] 定义
[0100] “环形隔离阀”是在表面处用以控制从套管与油管之间的环形空间的流动的阀。
[0101] “沥青”是可沉积在管道和其它流动设备的壁上且因此形成流动约束的重烃链。
[0102] “基管”是用作砂石控制筛网的承载装置的衬套。筛网被附接到基管的外侧。基管的至少一部分可以被预先穿孔、开槽或装备有流入控制装置。基管在有螺纹以便在孔内延伸的同时组装的接合区段中制成。
[0103] “轴承和轴衬”用于为两个装置提供低摩擦表面，用以使两个装置以滑动接触相对于彼此移动，尤其是允许相对旋转运动。
[0104] “耐磨接头”是在采油处理期间跨过流动穿孔使用的或在进口中跨过流体入口使用的较厚壁的管道。更大的壁厚和/或材料硬度抵抗由于砂石或支撑剂冲击而被完全蚀穿。
[0105] “井底钻具组件”（BHA）包括一个或更多个装置，包括但不限于：稳定器、可变径稳定器、回扩铰刀、钻铤、挠性钻铤、旋转导向工具、辊扩孔器、减震接头、钻井液马达、钻井的同时测井（LWD）工具、钻井的同时测量（MWD）工具、取芯工具、下铰刀、扩孔器、扶正器、涡轮、弯壳体、弯曲马达、钻井震击器、加速震击器、转换接头、缓冲震击器、扭矩降低工具、浮动接头、打捞工具、打捞震击器、套洗管道、测井工具、勘测工具接头、这些装置中任一个的非磁性配件，及上述的组合，和上述相关的外部连接装置。
[0106] “套管”是安装在井眼中的管道，用以防止塌孔并使钻井能够以更高的流体密度且在流体不会流入加套地层的情况下在套管管柱的底部下方继续。通常，多个套管管柱安装在直径逐渐变小的井眼中。
[0107] “套管扶正器”是在其在孔内延伸时被捆绑到套管外侧的套筒。扶正器通常装备有钢簧或金属指形件，所述钢簧或金属指形件推靠于地层，用以实现从地层壁偏离，其目的是扶正套管以在套管周围提供更均匀的环形空间，从而实现更好的水泥密封。扶正器可包括指状装置，用以刮擦井眼，从而驱除可能抑制水泥与地层直接接触的钻井流体滤渣。
[0108] “钻井的同时加套”指的是使用套管代替可移除的钻柱钻井的比较新的且不常用的方法。当孔段已经达到深度时，套管被留在适当位置，执行操作以移除或移位套管底部处的切削元件，并且然后可泵送水泥作业。
[0110] “扼流器”是用于约束流速的装置。井一般在具体的扼流器尺寸上进行测试，其可像带有指定直径的孔的板那么简单。当砂石或支撑剂流过扼流器时，孔可能被侵蚀并且扼流器尺寸可能改变，从而使流速测量不精确。
[0111] “同轴”指的是两个或更多个物体具有基本上相同或沿同一直线的轴线。“不同轴”指的是物体具有可能偏离但基本上平行或可能另外地不沿同一直线的轴线。
[0112] “完井滑动套筒”是安装在完井管柱中的装置，其根据套筒的状态而选择性地使孔口能够开启或封闭，从而允许生产层段与油管连通或不连通。在长期使用中，成功操作滑动套筒取决于由于摩擦、磨损、沉积、侵蚀和腐蚀引起的对操作套筒的阻力。
[0113] “复杂几何形状”指的是基本上不包括诸如球形、柱形或立方体的单一原始几何形状的物体。复杂几何形状可包括多种简单几何形状，比如具有许多不同半径的柱形、立方体或球形，或者可包括简单原始几何形状和其它复杂几何形状。
[0114] “连接销”是在管道外表面上带有螺纹的管道件。
[0115] “连接套”是在管道内表面上带有螺纹的管道件。
[0116] “接触环”是与测井工具的部件相附接以实现工具背离套管或地层的壁的装置。例如，接触环可安装在穿孔枪的接头处以实现枪背离套管壁，例如在诸如“Just-In-Time Perforating”（PCT申请No.WO 2002/103161 A2)的应用中的。
[0117] “接壤”指的是物体彼此相邻，使得它们可共有共同的边缘或面。“不接壤”指的是物体由于彼此偏离或移位而不具有共同的边缘或面。例如，工具接头是直径较大的缸筒，其是不接壤的，这是因为直径较小的柱体即钻管定位在工具接头之间。
[0118] “控制管线”和“导管”是小直径油管，其可在油管管柱外部延伸以向一个或更多个井底装置提供液压压力、电压或电流或光纤路径。控制管线用于操作地下安全阀、扼流器和阀。注入管线类似于控制管线并可用于向井底阀注入专用化学品以抑制垢体、沥青、石蜡或水合物形成，或用于减小摩擦。
[0119] “CorodTM”是在杆泵送生产操作中用作抽吸杆的连续挠性管件。
[0120] “联接器”是在两个管道件之间的连接装置，通常但是不排他地是可通过螺纹方式适合于由联接器接合在一起的两个较长件的单个件。例如，联接器用于接合人工举升杆泵送设备中的两个抽吸杆件。
[0121] “柱体”是（1）由两个平行的平面界定并通过平行于给定平面移动且跟踪由平面界定的曲线并位于垂直于或倾斜于给定平面的平面内的直线所产生的表面或实体，和/或（2）任何柱状物或部件，不论是实心还是空心（来源：www.dictionary.com）。
[0122] “井底工具”是通常以可取回方式伸入井内，或可能地固定在井内，以在井眼中执行某些功能的装置。某些井底工具可在诸如钻井同时测量（MWD）装置上运行，而其它井底工具可在钢丝绳上运行，例如地层测井工具或穿孔枪。某些工具可在钢丝绳或管道上运行。封隔器是可在管道或钢丝绳上运行以设置在井眼中以堵塞流动的井底工具，且其可以是可移除的或固定的。存在许多业内常用的井底工具装置。
[0123] “钻铤”是井底工具组件中在钻头附近的重壁管道。钻铤的刚度有助于钻头直线地钻进，而钻铤的重量用于对钻头施加重量以向前钻进。
[0124] “钻杆”被定义为管状管道的整个长度，包括传动钻杆（如果存在的话）、钻管和钻铤，其从孔的表面到底部构成钻井组件。钻杆不包括钻头。在钻井的同时加套的具体情况下，用于钻入泥土地层的套管管柱将被视为钻杆的一部分。
[0125] “钻杆组件”被定义为钻柱和井底钻具组件或挠性油管和井底钻具组件的组合。钻杆组件不包括钻头。
[0126] “钻柱”被定义为柱形物或附接有工具接头的钻管的管柱，钻柱与包括工具接头的井底钻具组件之间的过渡管道，包括工具接头和耐磨垫的重质量的钻管，其将来自顶部驱动器或传动钻杆的流体和旋转动力传输到钻铤和钻头。在某些参考文献中，但不是在本文献中，术语“钻柱”包括钻管和井底钻具组件中的钻铤这两者。
[0127] “弹性体密封件”用于提供两个装置之间通常为金属之间的屏障，以阻止从密封件的一侧向另一侧流动。弹性体密封件选自弹性的或有弹力的一类材料中的一种。
[0128] “弯头、T形管和联接器”是常用的管道设备，目的是连接流动管线以完成流体的流路，例如将井眼连接到表面生产设施。
[0129] “可膨胀的管件”是诸如套管管柱和衬套的管状物品，其在孔中运行时略微在标准以下。一旦就位，则直径较大的工具或膨胀心轴沿可膨胀的管件受力，以使其变形至较大直径。
[0130] “气体举升”是通过气体举升阀将气体注入油管管柱而增大井眼中烃流量的方法。该工艺通常应用于油井，但是也可应用于产生大量水的气井。增大的气体减少了流体柱的静压头。
[0131] “玻璃纤维”通常在小控制管线中向井底延伸和返回到表面，用于测量井底特性，比如温度和压力。玻璃纤维可用于以沿井眼的精细空间采样提供连续读数。该纤维通常被沿着一条控制管线泵送、通过“转向接头”并且被向上泵送到第二控制管线中。通过转向接头的摩擦和阻力可限制某些纤维光学设备。
[0134] “传动钻杆”是穿过装备有老式旋转台设备的钻井平台上的钻机地板的扁平侧面多边形管道件。扭矩施加至该四、六或八面管道件以旋转在下方连接的钻管。
[0135] “测井工具”是在井内移动以进行测量的仪器；例如，在钻杆上钻进或在钢丝绳上在开启或加套孔内钻进期间进行测量。该仪器安装在构造成伸入井内的一系列托架中，例如柱形装置，其提供仪器的环境隔离。
[0136] “组装”是将管道连接装置的销和套拧紧在一起以实现两个管道件的结合并在管道的内部和外部之间形成密封的过程。
[0137] “心轴”是装配在外缸内的柱形棒或轴。心轴可为封隔器中的主致动器，其使夹持单元或“卡瓦”向外移动以接触套管。术语心轴也可指沿可膨胀的管件受力以使其变形为较大直径的工具。心轴是几种类型的油田装置中使用的普通术语。
[0139] “MazefloTM”完井筛网是带有冗余的砂石控制和阻挡隔室的砂石筛网。MazefloTM将筛网的任何机械故障自动减轻到局部的隔室迷宫，同时允许通过未损坏段的连续烃流。流动路径被偏离，使得流动转向以重新分配流入的流动量（例如，参考美国专利No.7,464,752）。
[0140] “MoynoTM泵”和“渐进腔室泵”是安装在井底马达中的长柱形泵，该马达在流体在外部定子与附接到轴的转子之间流动时在轴内生成旋转扭矩。定子上通常比转子多一个凸耳，因而流向钻头的流体的力迫使转子转动。这些马达通常靠近钻头安装。可选择地，在井底泵送装置中，能够施加动力以转动转子并从而泵送流体。
[0141] “封隔器”是可在井内放置在工作管柱、挠性油管、生产管柱或钢丝绳上的工具。封隔器提供封隔器上方和下方的区域的流体压力隔离。除提供必须耐用且承受严酷的环境条件的液压密封以外，封隔器也必须抵抗由于封隔器上方和下方的流体压力差而引发的轴向负荷。
[0142] “封隔器锁闭机构”用于操作封隔器，以使封隔器通过封隔器连接到其上的管道的轴向移动来释放和接合卡瓦。当接合时，卡瓦被向外受力而进入套管壁，然后卡瓦的齿被大力地压入套管材料。钢丝绳封隔器通过拉动心轴以接合卡瓦的封隔器放置工具来运行，此后封隔器放置工具与封隔器分离并回到表面。
[0143] “MP35N”是主要包括镍、钴、铬和钼的金属合金。MP35N被认为具有高耐腐蚀性并适于恶劣的井底环境。
[0145] “销向下连接”目前是标准钻井构造，其中在连接组装期间，套连接件在表面处由卡瓦保持，而销连接件面向下。
[0146] “销向上连接”是钻井工具组件被定向成使得销连接件在表面处保持在卡瓦中同时实现连接，而不是其中套连接件由卡瓦保持的标准构造。该重新构造可以或可以不需要连接件的螺纹方向的改变，即左旋螺纹或右旋螺纹。
[0148] “柱塞举升装置”是使油管管柱上下移动以从油管排空水（类似于管路“清管”操作）的装置。在柱塞举升装置处于油管底部的情况下，清管装置构造成堵塞流体流，并因此通过来自下方的流体压力而在孔内向上推动它。当柱塞举升装置在井眼内向上移动时，其由于不允许水分离和流过柱塞举升装置而使水移位。在油管顶部，装置触发柱塞举升装置构造的改变使得其现在旁通流体，由此重力克服向上的流束而在油管内向下拉动它。摩擦和磨损是柱塞举升装置操作的重要参数。摩擦降低了柱塞举升装置下落或上升的速度，且外表面的磨损提供了间隙，该间隙降低了装置在孔内向上移动时的有效力。
[0149] “生产装置”是广义的术语，其被定义为包括与油和/或气井的钻井、完井、采油、修井或生产有关的任何装置。生产装置包括本文所述用于油气生产目的的任何装置。为便于确定术语，将流体注入井内定义为以负速度生产。因而，对用词“生产”的引用将包括“注入”，除非另外表明。
[0150] “往复运动的密封组件”是设计为在两个装置轴向位移时维持压力隔离的密封件。
[0151] “牙轮钻头”是装备有通常三个锥形切削元件以在土地中形成孔的泥土钻孔装置。
[0152] “旋转的密封组件”是设计为在两个装置旋转移位时维持压力隔离的密封件。
[0153] “砂石探头”是插入流束中用以评定流束中的砂石含量的小型装置。如果砂石含量高，则砂石探头可能被侵蚀。
[0154] “垢体”是管壁和其它流动设备上的可能积聚并导致流动约束的矿物（例如，碳酸钙）沉积物。
[0155] 用于砂砾封隔操作的“维修工具”包括封隔器转换工具和尾喷管，用以沿着工作管柱、绕衬套和尾喷管周围且回到环面进行循环。这容许与地层层段相对地放置钻井液。更一般地，砂砾封隔维修工具是一组工具，其将砂砾封隔筛网运送到TD、安置并测试封隔器，并控制在砂砾封隔操作期间泵送的流体的流动路径。该维修工具包括安置工具、转换接头和密封在封隔器孔口中的密封件。该维修工具可包括防擦拭装置和流体损耗或换向阀。
[0157] “分流管”是在砂石控制筛网中延伸以在长的或多区域的完井层段上分流砂砾封隔钻井液流直至实现完整的砂砾封隔的外管或内管。参见例如美国专利No.4,945,991、5,113,935和PCT专利公布WO 2007/092082、WO 2007/092083、WO 2007/126496和WO
2008/060479。
2008/060479。
[0158] “侧袋”是油管中的偏置的厚壁接头，用于安放气体举升阀、温度和压力探头、注入管线阀等。
[0159] “套筒”是设计成装配在另一部件上的管状部件。套筒的内表面和外表面可为圆形的或非圆形的横截面轮廓。内表面和外表面通常可具有不同的几何形状，即：外表面可为圆柱形的，具有圆形横截面，而内表面可具有椭圆形的或其它非圆形的横截面。可选择地，外表面可为椭圆形的且内表面为圆形的，或者是某一其它组合。销、狭槽和其它装置的使用可用于在一个或更多个自由度中将套筒约束到本体，且如果存在流体压力差或密闭度问题，则可使用密封元件。更一般地，套筒可被认为是广义的中空柱体，且沿柱体的轴向长度具有一个或更多个半径或变化的横截面轮廓。
[0160] “滑动接触”指的是进行相对运动的两个本体之间的摩擦接触，不论是否通过流体或固体分隔，后者包括流体中的粒子（皂土、玻璃珠等）或设计为产生滚动以减轻摩擦的装置。进行相对运动的两个本体的接触表面的一部分将总是处于滑动状态并因此滑动。
[0161] “智能井”是装备有装置、仪器和控制器以实现从指定层段选择性地流动以最大化希望的流体的生产并最小化不希望的流体的生产的井。可出于其它原因调节流速，例如出于地质力学原因而控制地下水位下降或压力差。
[0162] “采油处理”管线是用于将泵送设备连接到井口以便进行采油处理的管道。
[0163] “地下安全阀”是安装在油管中以切断流动的阀，在离岸操作中，通常是安装在海床下方。有时这些阀设定成在速度超过设定值的情况下，例如在地面处失去密闭度的情况下自动关闭。
[0164] “抽吸杆”是将位于表面的梁式泵送单元与位于井底的抽吸杆泵连接的钢质杆。这些杆可用接头连接和螺纹连接或它们可为类似于挠性油管进行操纵的连续杆。当所述杆上下往复运动时，在杆和油管之间的接触位置处存在摩擦和磨损。
[0166] “螺纹连接装置”是用于连接管道段并通过带交错螺纹或经加工的（例如，金属-金属密封件）部件之间的机械干涉而实现液力密封的装置。通过使一个装置相对于另一个装置旋转来组装或装配螺纹连接。两个管道件可适于直接螺纹连接在一起。或可将称为联接器的连接器部件旋拧到一个管道上，接下来将第二管道旋拧到联接器中。
[0167] “工具接头”是通常由特殊钢合金制成的管道的锥形螺纹联接元件，其中销和套连接件（分别为外螺纹和内螺纹）固定到管道的任一端。工具接头常用在钻管上，但是也可用在工作管柱和其它OCTG上，且它们可摩擦焊接到管道的端部。
[0168] “顶部驱动”是用于从位于缆车上的使附接到钻机井架上的轨道上下移动的驱动系统旋转钻管的方法和设备。顶部驱动是操作钻管的优选方法，这是因为其有利于管道的同时的旋转和往复运动以及钻井流体的循环。在定向钻井操作中，当使用顶部驱动设备时粘附住管道的风险通常较低。
[0169] “油管”是在安装在井中在套管内侧以允许流体流到地面的管道。
[0170] “阀”是用于控制流动管线中的流速的装置。存在多种阀装置，包括止回阀、闸阀、截止阀、球阀、针阀和插塞阀。阀可手动、远程或自动操作，或者为这些操作方式的结合。阀的性能很大程度上取决于密闭配合的机械装置之间建立的密封。
[0172] 砂石控制操作中的“冲洗管道”是在筛网被安放在跨越地层层段的位置之后在基管内侧延伸的直径较小的管道。冲洗管道用于促进跨整个完井层段的环形泥浆流动，在砂砾封隔处理期间进行回流，并在筛网-井眼环面中离开砂砾封隔。
[0175] “工作管柱”是用于执行井眼操作例如运行测井工具、从井眼捞出材料或执行水泥灌浆作业的被接合的管道件。
[0176] “涂层”包括一个或更多个相邻的层和任何所包括的交界面。涂层可置于本体组件的基部基体材料上，在置于基部基体材料上的加硬层上或在另一涂层上。
[0177] “超低摩擦涂层”是在参考条件下摩擦系数低于0.15的涂层。
[0178] “层”是可用于具体功能目的的具有一定厚度的材料，诸如用于减小的摩擦系数、高刚度或用于下面的层的遮盖层或保护的机械支撑。
[0179] “超低摩擦层”是在超低摩擦涂层中提供低摩擦的层。
[0180] “非渐变的层”是组分、微观结构、物理和机械性能在层的整个厚度中基本恒定的层。
[0181] “渐变的层”是层的至少一种成分、元素、组成或固有性能在层的厚度上或其某些部分上改变的层。
[0182] “缓冲层”是置于两个或更多个超低摩擦层之间或置于超低摩擦层和隔离层或加硬层之间的层。可能存在包括在超低摩擦涂层内的一个或更多个缓冲层。
[0183] “隔离层”是置于本体组件的基体材料或加硬层的外表面以及可为另一隔离层、缓冲层或超低摩擦层之间的层。可能存在以这种方式置入的一个或更多个隔离层。
[0184] “加硬层”是置于本体组件的基体材料的外表面和隔离层、缓冲层或超低摩擦涂层之间的层。加硬层可用在油气钻井工业中，用以防止工具接头和套管磨损。
[0185] “交界面”是从一个层到相邻层的过渡区域，其中一个或更多个组成材料组分和/或性能值从体现相邻层中的每一个特征的值的5%至95%改变。
[0186] “渐变的交界面”是设计成具有组成材料组分和/或性能值从一层到相邻层逐渐改变的交界面。例如，渐变的交界面可产生为逐渐停止第一层的处理而同时逐渐开始第二层的处理。
[0187] “非渐变的交界面”是组成材料组分和/或性能值从一个层到相邻层突然改变的交界面。例如，非渐变的交界面可由于停止一个层的处理且随后开始第二层的处理来产生。
[0188] （注：以上定义的一部分来自《石油工业大辞典（A Dictionary for the Petroleum Industry）》，第三版，奥斯丁德克萨斯大学，石油扩展部门，2001年）
具体实施方式
[0190] 重新构造设备以在指定位置比如两个或更多个本体之间的接触点处利用套筒有利于使用该低摩擦技术。在套筒元件上使用涂层提供了可容易放入制造装置或室以施加该涂层的小型部件，具有改进的经济性。可移除的套筒可更容易利用小型部件在进行的现场操作的环境内进行更换，这些小型部件可容易在制造工厂和现场位置之间移动。而且，对于冶金考虑，较宽选择的涂层和基体材料可用于可能不是油气生产操作系统的主应力构件的这些装置。在升高的温度下施加的涂层将引起额外的制造复杂性，这是因为这样的操作可能不利地影响这种材料的热处理。
[0191] 另外且可选择地，井底设备的设计构造可被修改，以方便使用套筒。例如，钻柱或工作管柱的工具接头的定向可任选地被改变，使得外螺纹销连接件而不是内螺纹套连接件在工具接头连接操作期间保持在表面处。该重新构造有利于套筒的使用，这是因为套筒不会沿孔下降或当连接在管的脱扣操作期间断开时落到地面。利用该设计，不需要如美国专利No.7,028,788（“Wear Sleeve”）中具体指出的套筒元件的拧紧。
[0192] 在本公开的一种实施方式中，套筒元件的轴线可大体上平行于其所接近的柱体的轴线。套筒元件可在一个或更多个自由度中是自由的或套筒元件可利用合适的附接机构或几何装置而相对于近侧物体（柱体或本体）固定，以提供约束。通常，套筒元件将被限制为至少与近侧物体同轴地移动，但是套筒元件可在旋转上被限制或自由旋转。在套筒和近侧物体之间的交界面处使用椭圆形或非圆形横截面将是限制套筒随近侧物体旋转的多种可能装置之一。销、狭槽和其它非限制性装置的使用可用于在一个或更多个自由度中将套筒限制到近侧物体，且如果存在流体压差或密闭度问题，则可使用密封元件。而且，套筒元件可根据带套筒油气生产装置的具体特性以及使用而在近侧物体的内侧或外侧。
[0193] 套筒可由任何承载材料，比如金属、合金、陶瓷、金属陶瓷、聚合物、任何类型的钢（碳钢、合金钢及任何类型的不锈钢）、基于WC的硬金属以及以上所述材料的任何组合制成。套筒材料可受到局部的、侧向负荷，但是通常不受到由其接近的本体所经历的通常更大的轴向负荷。因而，套筒材料和几何结构与本体相比不受强度和韧性要求的限制。这允许基于但不限于诸如涂层的类型及其处理温度的条件来为套筒选择材料。
[0194] 在本公开的范围内，对其它油气生产装置的类似重新构造是可行的，从而方便使用可涂覆有已经被认可的材料的套筒。
[0195] 本文公开了经涂覆的带套筒油气井生成装置以及制造和利用该经涂覆的带套筒装置的方法。本文描述的涂层提供本文公开的各种油气井装置和操作的明显的性能改进。图1示出总体的油气井生产系统，对于该油气井生产系统，对本文描述的某些带套筒生产装置施加涂层可提供这些装置的改进的性能。图1A是基于陆地的钻机10的示意图。图1B是穿过砂石12、页岩14和水16而定向地钻入油田18的钻机10的示意图。图1C和1D是生产井20和注入井22的示意图。图1E是穿孔枪24的示意图。图1F是砂砾封隔26和筛网衬套28的示意图。在不失普遍性的情况下，对于不同的井生产装置来说不同的本发明的涂层可能是优选的，且对于不同的井生产装置来说不同类型的套筒可能是适当的。生产操作的宽泛综述整体上显示了对于经涂覆的带套筒装置减轻摩擦、磨损、侵蚀、腐蚀和沉积的可能现场应用的范围。
[0196] 本文公开的涂覆这种带套筒装置的方法包括：对将受到摩擦、磨损、腐蚀、侵蚀和/或沉积的内套筒表面、外套筒表面或其组合的一部分施加合适的涂层。对套筒表面的暴露出而与另一固体接触或与流体流束接触的至少一部分施加涂层，其中：涂层的摩擦系数小于或等于0.15；涂层的硬度大于400VHN；经涂覆的带套筒装置的耐磨性为未经涂覆的装置2
的耐磨性的至少3倍；和/或涂层的表面能量小于1J/m。存在从所公开的涂层选择合适的涂层并设计用于具体应用的合适的套筒元件以最大化该技术的技术和经济优势的技巧。
的耐磨性的至少3倍；和/或涂层的表面能量小于1J/m。存在从所公开的涂层选择合适的涂层并设计用于具体应用的合适的套筒元件以最大化该技术的技术和经济优势的技巧。
[0197] 2010年2月22日提交的美国专利申请No.12/660,179公开了在经涂覆的带套筒油气井生成装置上使用超低摩擦涂层，该申请在此整体上通过引用并入。2009年8月18日提交的美国专利申请No.12/583,292公开了在用在油气钻井应用中的钻杆组件上使用超低摩擦涂层，该申请在此整体上通过引用并入。2009年8月18日提交的美国专利申请No.12/583,302公开了在油气井生产装置上使用涂层，该申请在此整体上通过引用并入。
[0198] 钻杆组件为可得益于涂层的使用的生产装置的一个示例。操作的钻杆组件的几何形状是包括柱形本体的一类应用的一个示例。在钻杆的情形中，实际的钻杆组件为与套管或裸孔，外柱体滑动接触的内柱体。这些装置可具有变化的半径且可选择地可被描述为包括变化半径的多个接壤的柱体。如下面描述的，在油气井生产操作中存在柱形本体的几种其它情形，或者由于相对运动而滑动接触或者在与流体流束接触后保持静止。通过考虑要解决的相关问题、通过评估要解决的接触或流动问题以缓解摩擦、磨损、腐蚀、侵蚀或沉积以及通过明智地考虑如何将套筒设计成装置构造并为了最大利用和利益而将这种涂层施加到这些套筒元件以实现有利的经涂覆的带套筒油气生产装置，本发明的涂层可有利地用于这些应用中的每一种。
[0199] 存在油气井生产装置的许多示例，其提供经涂覆的带套筒装置的有益使用的机会，如在背景部分中描述的，包括：具有为了初始安装时的低摩擦以及为了耐磨、耐腐蚀和耐侵蚀以及抵抗在外表面或内表面上的沉积而涂覆的带套筒元件的静止的带套筒装置；以及带套筒轴承、轴衬及其它几何结构，其中套筒元件被涂覆，以用于减少摩擦和磨损以及抵抗腐蚀和侵蚀。
[0200] 在每种情形中，都可能存在使用经涂覆的带套筒装置来减少摩擦、磨损、腐蚀、侵蚀和沉积的主要动机和次要动机。相同装置可以包括具有为解决不同涂层设计方面而施加的不同涂层的多于一个套筒元件，这些方面包括要解决的问题、对套筒元件施加涂层可利用的技术以及与每种涂层类型相关的经济性。将可能存在控制套筒元件最终设计和待施加的涂层的选择的许多权衡和折中。
[0201] 经涂覆的带套筒装置的使用和相关益处的概述：
[0202] 在从井眼制备和生产烃的各种阶段期间需要的宽范围的操作和装备中，存在有在各种环境中出现的多种原型应用。这些应用可被看作与固体物体表面滑动机械接触的本体的各种几何结构和与固体物体表面相互作用的流体流动。这些部件的设计可适合于并入经涂覆的套筒元件以减少摩擦、磨损、侵蚀、腐蚀和沉积。从这个意义上讲，各部件变为“经涂覆的带套筒油气井生产装置”。在下面列举了多种具体几何结构和示例性应用，但是本领域技术人员将理解宽范围的经涂覆的带套筒装置的应用且该列举不限制本文公开的本发明方法的范围。
[0203] A.由于相对运动而引起滑动接触的经涂覆的带套筒柱形本体：
[0204] 在整个生产操作中普遍存在的应用中，两个柱形本体接触，且随着一个本体相对于另一本体移动而发生摩擦和磨损。本体可以包括以不同的半径接壤地放置的多个柱形段，且柱体可同轴地或不同轴地放置。部件设计可适合于在两个柱形本体之间的接触点处放置套筒元件。该套筒元件可在内套筒表面、外套筒表面或其某一组合中的至少一部分上被涂覆，以有益地减少接触摩擦和磨损。套筒元件可任选地是可移除的且根据需要且在装置应用适当的情况下，可随后进行维护或更换。
[0205] 例如，设计用于钻管或工作柱的工具接头的套筒元件以及涂覆这种套筒元件可以是利用涂层减少钻杆和套管或裸孔之间的接触摩擦的有效的方式。对于套管、油管和抽吸杆管柱，管联接器是可以具有施加到内表面或外表面区域或其组合的一部分的涂层的套筒元件。在又一应用中，柱塞型人造举升装置，使该工具适合于具有如下一个或更多个经涂覆的套筒元件可能是有益的：该套筒元件包括装置的最大外径，以减少由于与油管管柱接触引起的磨损和摩擦。
[0206] 应用的示例性列表如下：
[0207] 钻管可被捡起或放松，从而引起纵向运动且可在套管或裸孔内旋转。摩擦力和装置磨损随井倾斜度增大、随局部井眼曲率增大并随接触负荷增大而增大。这些摩擦负荷引起必须由钻机和钻柱装置（参见图2）克服的明显的钻孔扭矩和拖滞作用。图2A示出在定向井或水平井中的钻柱组件30中发生的偏斜。图2B是具有螺纹连接件35的钻管32和工具接头34的示意图。在该图中示出在销连接件处的经涂覆的套筒元件33。图2C是钻头和井底钻具组件36的示意图。图2D是套管38和工具接头39的示意图，显示在两个柱形本体之间发生的接触。施加到本文公开的套筒元件的减小摩擦涂层可用于随着工具接头39在套管38内旋转而减小两个部件之间的摩擦和磨损，也减小了为了钻取侧向井而转动工具接头39所需的扭矩。
[0208] 井底钻具组件（BHA）装置位于钻杆组件上的钻管下面且可能经受类似的摩擦和磨损，且因而本文公开的涂层可提供这些机械问题的减少（参见图3）。尤其是，本文公开的施加到BHA装置的涂层可减少与裸孔接触点处的摩擦和磨损并延长工具寿命。本文公开的涂层的低表面能量也可抑制地层切屑与工具的粘附，并且还可延长腐蚀和侵蚀限度。其还可降低不同粘附的趋势。图3A是在井底钻具组件装置中所使用的铣刀40的示意图。图3B是在井底钻具组件装置中所使用的钻头41和扩孔器器42的示意图。图3C是在井底钻具组件装置中所使用的铰刀44的示意图。在该图中示出了经涂覆的套筒元件43。图3D是在井底钻具组件装置中所使用的稳定器46的示意图。图3E是在井底钻具组件装置中所使用的接头48的示意图。
[0209] 钻柱在海底立管系统内操作且可由于钻井操作而引起对立管的磨损。由于洋流引起的立管的振动可通过涂层来减缓且可抑制海生物出现，从而进一步减少与流动的流相关的拖滞作用。参考图4，本文公开的在立管管道外部50上使用涂层可用于减少由于洋流引起的摩擦和振动。此外，本文公开的在带套筒内部轴衬52上及可由经涂覆的带套筒装置保护的其它接触部位上使用涂层可用于减少摩擦和磨损。经涂覆的套筒元件53可适合于立管连接且在该图中示出。
[0210] 柱塞举升装置通过在油管管柱内上下运行而从井移除水。柱塞举升装置外径和油管内径两者可受磨损影响且柱塞举升装置的效率随磨损和接触摩擦而减小。减小摩擦将增大柱塞举升装置操作的最大可容许偏差并增大该技术的可应用范围。使油管和柱塞举升装置两者的磨损降低将增大所需维护之间的时间间隔。从操作观点来看，减小油管内径的磨损是高度希望的。而且，涂覆柱塞举升装置的内表面可能是有益的。经涂覆的套筒元件可被结合到柱塞举升装置工具的外侧，其中套筒元件的外径将几乎等于装置被操作所在的油管的内径减去某一公差，以允许柱塞在油管管柱内滑动。根据柱塞举升装置设计，这些套筒元件将在现场进行更换且使工具恢复使用。可选择地，柱塞举升装置的整个表面区域可被涂覆以减少摩擦和磨损。在旁路状态中，如果流阻由工具内部上的涂层减少，则流体将更容易流过工具，允许工具更快下降。
[0211] 完井滑动套筒可轴向地移动，例如通过击打挠性油管以使柱形套筒相对于可以为柱形的工具本体向上或向下移位。这些套筒由于来自地层材料以及垢体和沉积物的积聚的破坏而对摩擦、磨损、侵蚀、腐蚀和粘附是敏感的。对套筒元件的某些部分涂覆以允许在这些滑动套筒系统内移动将有助于确保在滑动套筒装置需要移动时滑动套筒装置将不会粘附。
[0212] 抽吸杆和CorodTM管件在抽油机中使用，用以将油泵送到低压井中的表面，且其还可用于将水泵出气井。摩擦和磨损随着杆相对于油管管柱移动而连续发生。摩擦的减小可使得能够选择较小的抽油机并减少用于井泵送操作（参见图5）的动力需求。参考图5A，本文公开的经涂覆的套筒可在杆泵送装置的接触部位处使用，包括但不限于作为与抽吸杆62相附接的带套筒装置的抽吸杆联接器、抽吸杆引导件60、抽吸杆62、油管封隔器64、井底泵66和穿孔68。参考图5B，本文公开的涂层可在抛光杆夹钳70和抛光杆72上使用，用以提供光滑耐用的表面以及良好的密封。经涂覆的套筒元件71被示出为位于抽吸杆密封处，用以提供低摩擦紧密密封。图5C是抽吸杆62的示意图，其中本文公开的涂层可用于防止摩擦和磨损且用在螺纹连接件74上。抽吸杆联接器73可作为套筒元件的形式在其自身右侧被涂覆，或者其可适合与外侧涂覆的套筒一起使用，以提供与油管管柱接触的低摩擦耐用表面，其在油管管柱内往复运动。
[0213] 在用于钻机上的钻井流体的泵和用于井采油活动中采油流体的泵中的活塞和/或活塞衬套中的带套筒装置可被涂覆以减小摩擦和磨损，使得能够改进泵性能和延长装置寿命。因为使用某个设备来泵送酸，所以经涂覆的套筒衬套也可减小对这些装置的腐蚀和侵蚀破坏。
[0214] 可膨胀的管件通常在孔中延伸、利用悬挂组件支撑且随后通过使心轴行进穿过管道而膨胀。涂覆心轴的表面可极大地减小心轴负荷，且在比其它可能情形更大的倾斜井或更大的膨胀比率下允许可膨胀的管件应用。心轴可设定成在最高接触应力的位置处具有经涂覆的带套筒装置。如果是可移除的，则这些经涂覆的套筒将实现较长的心轴工具寿命和可能的现场补救。膨胀操作的速度和效率可通过明显的摩擦减小而得以改进。心轴为锥形柱体且可被认为包括变化半径的接壤柱体；可选择地，锥形心轴可被认为具有复杂几何形状。
[0215] 为了流阻和腐蚀/侵蚀降低的益处，控制管线和导管可在内部被涂覆。玻璃丝纤维可在经涂覆的导管和转向接头内在减小的阻力下被向下泵送。
[0216] 在井眼中操作的工具通常为柱形本体或包括具有变化半径的接壤柱体的本体，所述本体在套管、油管和裸孔中在钢丝绳或刚性管道上操作。摩擦阻力随着井眼倾斜度增大或局部井眼曲率增大而增大，使得这种工具的操作在钢丝绳上是不可靠的。在接触表面处的经涂覆的带套筒装置可使这种工具在较大的倾斜下在钢丝绳上可靠地操作或减小利用挠性油管、牵引机或向下泵送装置沿水平井向下推动工具的力。这种工具的列表包括但不限于：测井工具、穿孔枪和封隔器（参见图6）。参考图6A，本文公开的涂层可在测径器测井工具80的外表面上使用，以减小与裸孔82或套管（未显示）的摩擦和磨损。具有最大直径的部件83可用低摩擦涂层套筒加套筒，以使工具能够以较小的阻力和磨损在孔中运行。参考图6B，本文公开的涂层可在声波测井探测器84的外带套筒表面85上使用，包括但不限于信号发送器86和信号接收器88，以减小与套管90或在裸孔中的摩擦和磨损。参考图6C和6D，本文公开的涂层可在封隔器工具92的外涂覆的带套筒表面93和穿孔枪94的套筒95上使用，以减小与裸孔的摩擦和磨损。涂层的低表面能量将阻止地层与工具的粘附，并且也可扩大腐蚀和侵蚀限度。
[0217] 钢丝绳为在套管、油管和裸孔内操作的细长柱形本体。更详细来讲，每个股都为柱体，且绞合股为不同轴的柱体构成的束，其共同构成钢丝绳的有效柱体。在钢丝绳和裸孔之间的接触部位处存在摩擦力且因此利用低摩擦涂层涂覆钢丝绳将使得能够以减小的摩擦和磨损来操作。编织绳、多芯导管、单芯导管和试井钢丝可全都有利地涂覆有低摩擦涂层（参见图7）。参考图7A，本文公开的涂层可通过施加到绳102、绳的各个股104或股的束106而施加到钢丝绳100。图7B所看到的滑轮类型装置108可用于运行由钢丝绳100输送到套管、油管和裸孔内的测井工具。滑轮装置可有利地在由于摩擦而经受载荷和磨损的滑轮和轴承的区域中使用经涂覆的套筒。
[0218] 井底工具的套管扶正器和接触环为带套筒装置，其可被涂覆，以减小在井眼中放置这些装置以及特别是以较高的井眼倾斜角度提供井底运动的摩擦阻力。
[0219] B.主要为静止的经涂覆的柱形本体：
[0220] 存在用于柱形本体（比如，管或改型的管）的外部、内部或这两者的经涂覆的带套筒部分的多种多样的应用，主要用于抵抗侵蚀、腐蚀和磨损，但是也用于降低流体流的摩擦。柱形本体可为同轴的、接壤的、不同轴的、不接壤的或上述的任何组合，其中套筒位于相对对于柱形本体的内表面或外表面的近侧位置中。在这些应用中，经涂覆的带套筒柱形装置可在长的时间段内基本上是静止的，但是或许经涂覆的套筒的次要益处或应用是当安装生产装置时减小摩擦负荷。
[0221] 这种应用的示例性列举如下：
[0222] 穿孔基管、开槽基管或用于砂石控制的筛网基管通常在完井和采油处理（例如砂砾封隔或压裂封隔处理）期间和在井生产年限期间经受侵蚀和腐蚀破坏。例如，利用本发明方法获得的涂层相对于较厚的塑料涂层来说将提供用于流动的更大的内径并减少流动压降。在另一示例中，腐蚀产生的流体可能侵蚀材料并随时间推移而引起材料损失。而且，高产的地层层段可提供足够高以致引起侵蚀的流体速度。这些流体可能也携带固体粒子，比如趋于使完井装置失效的细粒或地层砂石。沥青、石蜡、垢体和水合物的沉积物也可能在诸如基管的完井设备上形成。涂层可通过减小摩擦、磨损、腐蚀、侵蚀和沉积的效果来提供在这些情形中的益处。（参见图8）在美国专利No.6,742,586B2中已经公开了用于筛网应用的某些涂层。在该应用中，经涂覆的带套筒装置的使用由于减小了摩擦和磨损而方便砂石控制装置的安装。经涂覆的带套筒装置也可用作“耐磨接头”，其中较高的砂石和支撑剂粒子速度可预期用以降低砂石筛网材料的使用寿命。
[0223] 在砂砾封隔操作中使用的冲洗管、分流管和维护工具可在内部、在外部或这两者进行涂覆，以减小侵蚀和流阻。具有砂砾封隔所针对的夹带有固体的流体被以高的速率泵送通过这些装置。带套筒装置可在这些工具中的特定位置处使用，以保护装置的主体不会由于砂石和支撑剂流而受侵蚀。
[0224] 耐磨接头可有利地被涂覆，以对由流体和固体的高速碰撞引起的侵蚀具有更大的抵抗性。经涂覆的带套筒装置可有利地在耐磨接头的特定位置处使用，在该特定位置处可预期具有最大耐磨破坏量。
[0225] 为了减小摩擦和抵抗腐蚀和侵蚀，可涂覆薄金属网。涂覆过程可在编织之前或在已经进行编织之后的收集网之前或者这两者或者组合地应用到各个柱形股。筛网可被认为包括许多柱体。绳股可被拉动穿过涂覆装置，以实现在绳的整个表面区域施加涂层。涂层TM应用包括但不限于：布置在完井层段内的砂石筛网、Mazeflo 完井筛网、烧结筛网、金属丝缠绕筛网、用于固体控制的摇动筛网和用作油气井生产装置的其它筛网。涂层能够施加至过滤介质、筛网基管或这两者的至少一部分。（参见图8）图8示出本文公开的涂层在筛网和基管上的示例性应用。特别地，本文公开的涂层可如图8A和8B中所示施加至筛网110以及基管112的开槽衬套，以防止在其上的腐蚀、侵蚀和沉积。图8A的详细近照显示了经涂覆的套筒元件111在筛网外部，以允许其以减小的摩擦阻力在井底滑动。本文公开的涂层也可施加至如图8C所示的固体控制设备的泥浆振动筛114中的筛网。经涂覆的带套筒装置可按各种方式与上述的这些装置一起使用，以减小在安装期间在井眼接触处的摩擦且减小在采油和生产期间在套筒所应用的特定位置处由于砂石和支撑剂流引起的侵蚀破坏。
[0226] 经涂覆的带套筒装置可减小材料硬度需求且缓解某些装置和部件的腐蚀和侵蚀影响，使得能够使用成本更低的材料作为钨铬钴合金、碳化物、MP35N、高合金材料和基于此目的而选择的其它昂贵材料的替代品。
[0227] C.板、盘和复杂几何形状：
[0228] 存在许多可对诸如板和盘的非柱形装置或对更复杂的几何形状考虑的经涂覆的带套筒装置应用。盘这一几何形状的一个示例性应用为可在一侧或两侧涂覆以减小在装置操作期间的摩擦的垫圈装置。涂层的益处可源于相对于其它装置的相对运动引起的滑动接触摩擦和磨损的减少或者可能来自与流体流的相互作用的腐蚀、侵蚀和沉积的减少，或在许多情况下通过这两者的组合实现。这些应用可受益于如下所述的涂层的使用。
[0229] 此类应用的示例性列表如下：
[0230] 扼流器、阀、阀座、密封件、球阀、流入控制装置、智能井阀和环形隔离阀可有益地使用经涂覆的部件比如套筒和垫圈，以减少沉积物引起的侵蚀、腐蚀和破坏。这些装置中的许多装置用于井口设备中（参见图9和10）。特别地，参考图9A、9B、9C、9D和9E，阀113、防喷器115、井口114、下方钻杆旋塞116和气体举升阀118可使用具有本文公开的涂层的经涂覆的套筒和垫圈117，以在高速部件中提供对摩擦、侵蚀和腐蚀的抵抗性，并且这些经涂覆的装置的平滑表面提供增强的可密封性。在图9E中，经涂覆的套筒119可用于使气体举升装置容易地进入侧袋和正确地密封。此外，参考图10A、10B和10C，扼流器120、孔板流量计122和涡轮流量计124可具有使用具有本文公开的涂层的经涂覆的套筒和垫圈123，以提供对摩擦、侵蚀和腐蚀的进一步抵抗的节流器和其它部件（例如，叶轮和转子）。通过在生产装置的不同部分上使用相同或不同涂层来降低摩擦和磨损，同一生产装置的其它表面区域可受到经涂覆的套筒和垫圈的保护。
[0231] 座、油嘴、阀、侧袋、心轴、封隔器卡瓦、封隔器锁片等可有益地使用具有低摩擦涂层的经涂覆的套筒和垫圈装置。
[0232] 地下安全阀用于在有可能损失表面密闭度的情况下控制流动。这些阀惯常地用在海上井中，以增大操作整体性并且通常由规定所要求。地下安全阀的可靠性和有效性的改善对操作整体性提供了显著益处且可在阀测试故障的情况下避免昂贵的修井操作。在移动的阀装置中，增强的可密封性、对腐蚀、侵蚀和沉积的抵抗性以及减少的摩擦和磨损由于这些原因而可能是非常有益的。在地下安全阀中使用经涂覆的套筒和垫圈将提高它们的操作性并获得上述益处。
[0233] 气体举升和化学品注入阀常用于油管管柱，以实现流体的注入，并且这些装置的涂层部分将提高它们的性能。使用气体举升来减少静压头并增大来自井的流动，并且例如注入化学品以抑制井内会妨碍流动的水合物或垢体的形成。在气体举升和化学品注入阀中使用经涂覆的套筒和垫圈将提高它们的操作性并获得上述的益处。
[0234] 弯头、T形管和联接器可在内部涂覆以便减少流体摩擦并防止垢体和沉积物的积聚。在这些应用中，经涂覆的带套筒装置可用在高侵蚀的具体位置处，比如用在在弯曲部、中间接头、T形管和夹带固体的流体混合和壁冲击的其它区域。
[0235] 可涂覆旋转设备的滚珠轴承、套筒轴承和轴颈轴承，以提供低摩擦和耐磨性，并实现轴承装置更长的寿命。
[0236] 耐磨轴衬可利用经涂覆的带套筒装置，用来减小摩擦和磨损并用于提高操作性。
[0237] 动态金属-金属密封件中的经涂覆的套筒可用来增强或代替往复和/或旋转密封组件中的弹性体。
[0238] MoynoTM和渐进腔室泵包括在固定定子内转动的叶片式转子。在这些部件中的经涂覆的带套筒装置将实现改进的操作并增大泵效率和耐久性。
[0239] 旋转的泵设备中的叶轮和定子可包括经涂覆的带套筒装置，以便抵抗侵蚀和磨损，并在流束中存在细微固体的情况下实现耐久性。这种应用包括潜水泵。
[0240] 离心装置中用于钻井流体固体控制的经涂覆的带套筒装置通过防止离心机排放的堵塞来增强这些装置的有效力。离心机的使用寿命可通过由经涂覆的套筒元件提供的耐侵蚀性来延长。
[0241] 被涂覆的工具中的弹簧可具有减小的接触摩擦和长的使用寿命可靠性。示例包括安全阀、气体举升阀、减震接头和震击器。
[0242] 测井工具装置可利用经涂覆的带套筒装置，用以改进包括将臂、取芯管、流体取样瓶和其它装置部署到井眼内的操作。如果施加涂层，则从工具伸出且然后缩回到工具内的装置可以更加不容易由于摩擦和固体沉积物而堵塞。
[0243] 包括但不限于套洗管道、抓钩和卡瓦打捞筒的打捞设备可有益地使用经涂覆的套筒，以有利于锁闭于井眼上或从井眼移去设备的分离部件或“打捞”。卡瓦打捞筒管道内的低摩擦进入可通过经涂覆的套筒来促进，且抓钩上的硬涂层可改善工具的咬合作用。（参见图11）特别地，参考图11A，本文公开的涂层可施加至套洗管道130、套洗管道连接器套筒132、旋转滑瓦134和打捞装置，以减少起锚器136进入套洗管柱的摩擦。锥形的且经涂覆的套筒133可用于减轻起锚器向套洗管道的进入。此外，参考图11B，本文公开的涂层可施加至抓钩138，以维持材料硬度用于良好夹持。
[0244] D.螺纹连接：
[0245] 油田应用中的高强度管道材料和特种合金可能容易擦伤，并且可有益地涂覆螺纹连接装置，以便在连接装置组装期间减小摩擦并增大表面硬度并且使得管道和连接装置能够重复使用而无需重新修整螺纹。可通过实现更高的接触应力提高密封性能而不存在擦伤风险。
[0246] 套管、油管、钻管、钻铤、工作管柱、表面流动管线、采油（stimulation）处理管线、用于连接井底工具的螺纹、海底立管和生产操作中包括的其它螺纹连接装置的销和/或套螺纹可有益地涂覆有本文公开的低摩擦涂层。可单独地或与当前用于改善连接装置组装和防擦伤性能的技术相结合地涂覆螺纹，包括螺纹的喷丸强化和冷轧，并且可能地但可能性不高的化学处理或螺纹的激光喷丸强化。（参见图12）参考图12A，销150和/或套152可涂覆有本文公开的涂层。参考图12B，螺纹154和/或台肩156可涂覆有本文公开的涂层。在连接销处示出经涂覆的套筒元件153。在图12C中，螺纹管件158的螺纹连接件（未显示）可涂覆有本文公开的涂层。在图12D中，可通过使用本文公开的涂层来防止螺纹154的擦伤159。在该情形中的涂层可施加至螺纹连接装置中的一组或两组螺纹。
[0247] E.用于钻井应用的示例性套筒构造
[0248] 当钻柱在钻井过程期间延伸或缩短时，钻管的管段被旋拧在一起和旋开。一些现代的钻机利用自动设备进行该操作，其称为“制造连接”。如图13A所示，卡瓦171设置在钻机地板或旋转台173中以保持钻柱175，管道被旋开，且连接“断开”。由钻机升降机保持的拆开的管道在管道在孔中运行时可被加到管柱，或在管道被从孔中取出时可被移除。在图13A中，由卡瓦保持的连接件177为工具接头套连接件。
[0249] 图13B显示了根据标准“销向下”惯例定向的连接件的销179上的经涂覆的套筒元件181。注意，重力矢量180指向下。应理解，从以下情况的角度来看这是不方便的：当连接件断开且分离的管道被移除时，套筒如果没有以某种方式附接则将将掉到地面或沿孔掉下。在美国专利7,028,788中，Strand通过将套筒和销连接件螺纹连接使得套筒在连接形成和断开期间与销固定在一起来解决该问题。
[0250] 应理解，带螺纹套筒系统可能存在某些问题，因为在钻井过程期间，美国专利7,028,788中具体指定的螺纹暴露到钻管外侧且接近地层和钻井流体。将显著地显现出这些螺纹被破坏或具有封隔在螺纹中的地层材料的可能性。另外，将存在与在套筒和销两者上的螺纹的制造和维护相关的额外的成本。如果套筒或销连接件的螺纹被破坏，则设备的相应部件必须在后续使用之前进行维修。
[0251] 一个示例性的可选择方法是使用如图13C所示的“销向上”构造。由于销179面向上，套筒181可在制造该连接件时直接放置在销上，且在断开该连接时套筒保持在原位。再次，重力矢量180在该图中指向下。任选地，如果希望防止套筒相对于钻管自由旋转且如果没有使用附接套筒的可选择装置，则防止套筒旋转的一种非限制性装置是使用键或槽，或可以为在销连接件上的套筒提供椭圆形轮廓的内套筒表面和相应的横截面区域。而且，如果存在流体压差或密闭度问题，则可使用密封元件。
[0252] 图13D示出椭圆形套筒内轮廓构造的放大视图。外套筒表面183具有圆形横截面，如销连接的内表面188。通常，销的螺纹被制成在锥形的圆锥形区段上。然而，在销的在螺纹上方的低应力区域中，椭圆形横截面186被加工成匹配套筒内表面横截面184的尺寸，其中通过合适的公差以允许套筒在螺纹上滑到销本体上。需要仔细分析以确保在套筒中存在足够的材料强度，使得在预期扭转负荷下，其不变形，且销强度不会受损。通常，材料可在不会影响销强度的情况下被移除直至斜角直径。认识到的是，管道将在一个方向转动，可考虑不对称的轮廓，且在不偏离本公开的精神的情况下可设计其它可选择的横截面轮廓。
[0253] 在不偏离利用经涂覆的套筒元件来利用在钻井时有利的低摩擦材料的基本构思的情况下，可设想到利用销连接件、套连接件或其它钻管的近侧区域将套筒附接到工具接头的可选择的方式。
[0254] 钻井条件、应用和益处：
[0255] 对于生产操作的一个重要方面即钻井过程的详细检验能够帮助确定在井生产过程中有益地使用经涂覆的带套筒装置的具体应用的若干挑战和机会。
[0256] 利用旋转钻井系统钻取用于油气开采和生产的深井，所述旋转钻井系统借助于岩石切削工具即钻头来形成钻孔。驱动该钻头的扭矩通常由具有机械变速器箱的马达在表面产生。借助于该变速器，马达驱动了旋转台或顶部驱动单元。将能量从表面传输到钻头的媒介是钻柱，其主要由钻管组成。钻柱的下部是井底钻具组件（本文简写为BHA），其由钻头、钻铤、稳定器、测量工具、下铰刀、马达和本领域技术人人员已知的其它装置组成。钻柱和井底钻具组件的组合在本文称为钻杆组件。可选择地，挠性油管可代替钻柱，并且挠性油管和井底钻具组件的组合在本文也称为钻杆组件。在别的构造中，套管底端附近的切削元件包括“钻井的同时加套”系统。本文公开的经涂覆的带套筒油气井生产装置提供了在该井底钻井操作中的特定益处。
[0257] 通过当今的先进定向钻井技术，可从同一初始井眼钻取多个横向井眼。这可意味着在长得多的深度上钻进和使用定向钻井技术，例如，通过使用旋转导向系统（本文简写为RSS）。尽管这提供主要是成本和后勤上的优点，但是它也极大地增大了在钻柱和套管上的磨损。在定向或大位移钻井的某些情形中，竖直偏斜度即倾斜度（与竖向形成的角度）可大至90°，这一般称为水平井。在钻井操作中，钻柱组件倾向于靠在钻孔或井套管的侧壁上安放。在定向井中，这种倾向由于重力作用而更大。随着钻柱的长度和/或偏斜程度增大，旋转钻柱所形成的整体摩擦拖滞作用也增大。为了克服这种摩擦拖滞作用的增大，需要额外的动力来旋转钻柱。由此形成的摩擦和磨损影响钻井效率。在这些情形中能够实现的测量深度可受钻井的可用转矩容量和钻柱的扭转强度的限制。需要找到更有效的解决方案来使用现有钻机和驱动机构增大设备寿命和钻井能力，以扩展这些操作的横向到达范围。
[0258] 深钻井环境，尤其是在硬岩石层中，引起钻杆组件的严重振动，其可导致钻头穿透速度下降和井底设备的过早失效。钻杆组件轴向地、扭转地、横向地或通常以这三种基本模式的组合来振动，即相联系的振动。本文公开的经涂覆的带套筒装置的使用可减小钻井所需的扭矩且还提供对扭转振动不稳定性的抵抗能力，包括钻柱和井底钻具组件的卡瓦粘附振动功能异常。减小的钻柱扭矩可允许钻井操作者以比当使用常规钻井设备时高的穿透速率（ROP）来钻井。本文公开的钻柱中的经涂覆的带套筒装置可防止或延迟钻柱开始翘曲，包括螺旋翘曲，且可防止在钻井操作期间与振动相关的钻杆组件失效和相关的非生产时间。
[0259] 钻柱包括选自钻管、工具接头、在钻柱和包括工具接头的井底钻具组件之间的过渡管道、包括工具接头和耐磨垫的重型钻杆及其组合的一个可更多个装置。井底钻具组件包括一个或更多个装置，其选自但不限于：稳定器、可变径稳定器、回扩铰刀、钻铤、挠性钻铤、旋转导向工具、辊铰刀、减震接头、钻井液马达、钻井的同时测井（LWD）工具、钻井的同时测量（MWD）工具、取芯工具、下铰刀、扩孔器、扶正器、涡轮、弯壳体、弯曲马达、钻井震击器、加速震击器、转换接头、下震击器、扭矩降低工具、浮动接头、打捞工具、打捞震击器、套洗管、测井工具、勘测工具接头、这些装置中任何一个的非磁性配对件及其组合和其相关的外部连接装置。
[0260] 本文公开的经涂覆的带套筒油气井生产装置可用于钻杆组件中，其中井下温度在从20到400℉的范围内，其中下限为20、40、60、80或100℉，而上限为150、200、250、300、350或400℉。在旋转钻井操作期间，表面处的钻井旋转速度可在从0到200RPM的范围内，其中下限为0、10、20、30、40或50RPM，而上限为100、120、140、160、180或200RPM。此外，在旋转钻井操作期间，钻井液压力可在从14psi到20,000psi的范围内，其中下限为14、100、
200、300、400、500或1000psi，而上限为5000、10000、15000或20000psi。
200、300、400、500或1000psi，而上限为5000、10000、15000或20000psi。
[0261] 在一种形式中，在暴露的外表面的至少一部分上带有涂层的本文公开的经涂覆的带套筒油气井生产装置提供比未经涂覆的装置大至少2倍、3倍、4倍或5倍的耐磨性。此外，本文公开的经涂覆的带套筒油气井生产装置当用在钻杆组件上且涂层位于表面的至少一部分上时与当使用未经涂覆的钻杆组件进行旋转钻井时相比提供了套管磨损的减少。此外，本文公开的经涂覆的带套筒油气井生产装置当用在钻杆组件上且涂层位于表面的至少一部分上时相对于使用未涂覆的钻杆组件进行旋转钻井操作使得套管磨损减少至少2倍、或3倍或4倍或5倍。
[0262] 本体组件或经涂覆的带套筒油气井生产装置可包括在暴露的外表面的至少一部分上的加硬层，以提供增强的耐磨性和耐用性。钻杆组件经历在加硬层区域处的最大磨损，因为这些是钻杆和套管或开启的钻孔之间的主要接触点。磨损可由磨蚀砂砾和岩石颗粒而加重，从而变得夹带在交界面中并且磨蚀了表面。本文公开的经涂覆的带套筒装置上的涂层显示高硬度性能以帮助缓解磨耗量。使用具有图案化设计的表面的加硬层可促进磨蚀粒子流过经涂覆的加硬层区域且减少对部件的涂层和加硬层部分的磨损和破坏量。与图案化加硬层相结合来使用涂层将进一步减小由于磨蚀粒子引起的磨损。
[0263] 本文公开的钻杆组件上的涂层也可消除或减少摩擦系数的速度减弱。更具体地，用于钻取用于烃开采和生产的深钻孔的旋转钻井系统通常经历引起称为“卡瓦粘附”振动的不稳定性的严重扭转振动，其特征在于（i）粘附阶段，其中钻头或BHA减慢直到其停止（相对滑动速度为零），以及（ii）滑动阶段，其中井下组件的相对滑动速度迅速加速至比通过在表面处的钻机施加的旋转速度（RPM）大得多的值。该问题对于由安装在钻头本体的表面上的固定刀片或切削器组成的刮刀钻头而言特别尖锐。摩擦本质规律中的非线性引起了克服卡瓦粘附振荡的稳定摩擦滑动的不稳定。因此，这导致复杂的问题。
[0264] 通过随着相对滑动速度增大而降低的摩擦系数表示的速度减弱特性可导致触发卡瓦粘附振动的扭转不稳定性。滑动不稳定是钻井中的问题，因为它是限制最大穿透速率的主要因素之一。在钻井应用中，有利的是避免卡瓦粘附状态，这是因为其引起振动和磨损，包括开始破坏相联系的振动。通过减少或消除速度减弱特性，本文公开的钻柱组件上的涂层使系统进入连续滑动状态，其中相对滑动速度是恒定的且不会振荡（避免卡瓦粘附）或呈现局部RPM的迅猛加速或减速。即使对于通过对钻井液使用润滑剂添加剂或片剂来避免卡瓦粘附运动的现有方法，在高法向负荷和小滑动速度下，仍可能出现卡瓦粘附运动。本文公开的钻杆组件上的涂层可保证在高法向负荷下也不存在卡瓦粘附运动。
[0265] 在主要地包含页岩地层的层段中，另一种钻井问题是常见的。当页岩切屑由于不同的流体压力而粘附到钻头切削面时，“钻头结球”可能出现，从而明显降低钻井效率和ROP。页岩切屑粘附到BHA装置比如稳定器导致钻井低效。这些问题由于使用基于水的钻井流体而加剧，而基于水的钻井流体由于成本和环境原因而可能是优选的。
[0266] 钻井振动和钻头结球是钻井低效的两个最常见的诱因。这些低效在ROP不随着钻头上的重量（本文简写为WOB）和如根据钻头的机械性能所预测的钻头每分钟转数（本文简写为RPM）线性增大的意义上可体现为ROP极限或“破坏点”。该极限在图14中示意性地示出。在钻井行业中已经认识到的是，钻杆振动和钻头结球是限制穿透速度的两个最有挑战的因素。本文公开的经涂覆的带套筒装置可施加至钻杆组件，以帮助减轻这些ROP极限。
[0267] 另外，经涂覆的带套筒装置将改善钻井工具的性能，尤其是用于在包含粘土和类似物质的地层中钻井的井底钻具组件。这些涂层材料提供热力学低能量表面，例如，用于井底装置的不浸水表面。本文公开的涂层适合于在多粘土区域进行油气钻井，例如使用基于水的钻井液（本文简写为WBM）进行高粘土含量的深页岩钻井，以防止井底钻具组件结球。
[0268] 此外，本文公开的经涂覆的带套筒装置当施加至钻柱组件时能够同时减小接触摩擦、结球并减小磨损，同时不会牺牲套管的耐久性和机械整体性。因而，本文公开的涂层是“套管友好的”，因为它们不会使套管的寿命或功能性劣化。本文公开的涂层的特征在于对减弱摩擦特性的速度的敏感性低或不敏感。因此，设有本文公开的经涂覆的带套筒装置的钻杆组件提供了低摩擦表面，其优点既在于减轻了卡瓦粘附振动，又减少了寄生转矩，从而进一步实现了超大位移钻井。
[0269] 用于钻杆组件的本文公开的经涂覆的带套筒装置提供了以下示例性非限制性的优点：i）减轻卡瓦粘附振动；ii）减少扭矩和拖滞作用，以便延长大位移井的位移；以及iii）减轻钻头和其它井底钻具组件结球。这些优点连同最小化寄生转矩可以引起井底钻井设备的钻井穿透速度以及耐久性的明显改善，从而也有助于缩短非生产时间（本文简写为NPT）。本文公开的涂层不仅减少摩擦，而且还耐受要求化学稳定性、耐腐蚀性、抗冲击性、耐磨性、耐侵蚀性和机械整体性（涂层-基体交界面强度）的不利的井下钻井环境。本文公开的涂层也可经得起复杂几何形状应用的检验而不会损坏基质性质。此外，本文公开的涂层还提供了提供对井底装置结球的抵抗性所需的低能量表面。
[0270] 示例性经涂覆的带套筒装置实施方式：
[0271] 对钻井过程的论述已经集中在经涂覆的带套筒装置的摩擦和磨损的益处，主要应用于滑动接触的柱体，且也已经确定了低能量表面用于减少地层切屑粘附到井底装置的益处。这些相同的技术说明适合于由于相对运动而滑动接触的其它柱体的情形，其适合于使用相应地具有修改的情形的经涂覆的带套筒装置。
[0272] 减少摩擦和磨损是对由于相对运动而滑动接触的本体施加涂层的主要动机。对于静止装置，涂层的动机和益处可能略有不同。尽管摩擦和磨损可能是重要的次级因素（例如在该装置的初次安装中），但经涂覆的带套筒装置的主要益处可为它们对侵蚀、腐蚀和沉积的抵抗能力，更类似于减少页岩地层对BHA的粘附的问题，并且这些因素于是变成它们的选择和使用的主要依据。
[0273] 在一个示例性实施方式中，经涂覆的带套筒油气井生产装置包括：一个或更多个柱形本体、在一个或更多个柱形本体的外径或内径附近的一个或更多个套筒、在一个或更多个套筒的暴露的外表面、暴露的内表面或者暴露的外表面或内表面这两者的组合的至少一部分上的加硬层、在一个或更多个套筒的内套筒表面、外套筒表面或其组合的至少一部分上的涂层，其中涂层包括一个或更多个超低摩擦层以及置于加硬层和超低摩擦涂层之间的一个或更多个隔离层。
[0274] 在另一种示例性实施方式中，经涂覆的带套筒油气井生产装置包括：一个或更多个本体，其中该一个或更多个本体不包括钻头；在一个或更多个本体的外表面或内表面附近的一个或更多个套筒；在一个或更多个套筒的内套筒表面、外套筒表面或其组合的至少一部分上的涂层，其中该涂层包括一个或更多个超低摩擦层以及置于一个或更多个套筒和超低摩擦涂层之间的一个或更多个隔离层，其中隔离层中的至少一个具有400VHN的最小硬度。
[0275] 在又一种示例性实施方式中，经涂覆的带套筒油气井生产装置包括：一个或更多个柱形本体；在一个或更多个柱形本体的外径或内径附近的一个或更多个套筒；以及在一个或更多个套筒的内套筒表面、外套筒表面或其组合的至少一部分上的涂层，其中该涂层在这里也称为超低摩擦涂层并且选自非晶态合金、经热处理的基于非电镀或电镀的镍-磷的复合材料（其中磷含量大于12wt%）、石墨、MoS2、WS2、基于富勒烯的复合材料、基于硼化物的金属陶瓷、准晶态材料、基于金刚石的材料、类金刚石碳（DLC）、氮化硼、碳纳米管、石墨烯片、高纵横比（即较长和薄）的金属粒子、环形材料（例如，碳纳米环）、长方或椭圆形粒子及上述的组合。
[0276] 在又一示例性实施方式中，经涂覆的带套筒油气井生产装置包括油气井生产装置，该油气井生产装置包括：一个或更多个本体，其中一个或更多个本体不包括钻头；在一个或更多个本体的外表面或内表面附近的一个或更多个套筒；以及在一个或更多个套筒的内套筒表面、外套筒表面或其组合的至少一部分上的涂层，其中该涂层在这里也称为超低摩擦涂层并且选自非晶态合金、经热处理的基于非电镀或电镀的镍-磷的复合材料（其中磷含量大于12wt%）、石墨、MoS2、WS2、基于富勒烯的复合材料、基于硼化物的金属陶瓷、准晶态材料、基于金刚石的材料、类金刚石碳（DLC）、氮化硼、碳纳米管、石墨烯片、高纵横比（即较长和薄）的金属粒子、环形材料（例如，碳纳米环）、长方或椭圆形粒子及上述的组合。
[0277] 本文公开的用于经涂覆的带套筒装置的涂层或超低摩擦涂层可由一个或更多个超低摩擦层组成，其选自非晶态合金、非电镀镍-磷复合材料、石墨、MoS2、WS2、基于富勒烯的复合材料、基于硼化物的金属陶瓷、准晶态材料、基于金刚石的材料、类金刚石碳（DLC）、氮化硼、碳纳米管、石墨烯片、高纵横比（即较长和薄）的金属粒子、环形材料（例如，碳纳米环）、长方或椭圆形粒子及上述的组合。基于金刚石的材料可为化学气相沉积（CVD）金刚石或多晶金刚石块（PDC）。超低摩擦涂层的成分在其整个厚度上是均匀的或可变化的。在一个有利的实施方式中，经涂覆的油气井生产装置涂覆有类金刚石碳（DLC）涂层，且更具体地DLC涂层可选自四面体非晶碳（ta-C）、四面体非晶氢化碳（ta-C:H）、类金刚石氢化碳（DLCH）、类聚合物氢化碳（PLCH）、类石墨氢化碳（GLCH）、含硅的类金刚石碳（Si-DLC）、含钛的类金刚石碳（Ti-DLC）、含铬的类金刚石碳（Cr-DLC）、含金属的类金刚石碳（Me-DLC）、含氧的类金刚石碳（O-DLC）、含氮的类金刚石碳（N-DLC）、含硼的类金刚石碳（B-DLC）、氟化的类金刚石碳（F-DLC）、含硫的类金刚石碳（S-DLC）及上述的组合。这些一个或更多个超低摩擦层可以是渐变的以改善耐久性、减少摩擦、粘附和机械性能。
[0278] 涂层（也称为超低摩擦涂层）的摩擦系数可小于或等于0.15或0.13或0.11或0.09或0.07或0.05。摩擦力可计算如下：摩擦力=法向力×摩擦系数。在另一种形式中，经涂覆的油气井生产装置可具有不低于涂层的静态摩擦系数的50%或60%或70%或80%或90%的涂层的动态摩擦系数。在又一种形式中，经涂覆的油气井生产装置可具有大于或等于涂层的静态摩擦系数的涂层动态摩擦系数。
[0279] 显著减小经涂覆的油气井生产装置的摩擦系数（COF）将引起摩擦力的减少。当装置为经涂覆的钻杆组件时，这转化为使切屑沿表面滑动所需的较小的力。如果摩擦力足够低，则可以增大切屑沿表面的移动性，直到它们能够被举升离开钻杆组件的表面或运输到环面为止。也可能的是，切屑沿表面的增大的移动性可能抑制由于钻井液和受钻井液挤压的切屑-刀盘交界面区域之间的、将切屑保持在刀盘面上的差压所引起的不同程度地卡住的切屑的形成。降低油气井生产装置表面上的COF通过用本文公开的涂层涂覆这些表面来完成。施加至油气井生产装置的这些涂层能够耐受不利的钻井环境，包括抵抗侵蚀、腐蚀、冲击载荷和暴露于高温。
[0280] 除低COF之外，本公开的涂层也具有足够高的硬度以提供在油气井生产操作期间克服磨损的耐久性。更具体地，本文公开的油气井生产装置上的涂层的维氏硬度或相当的维氏硬度可大于或等于400、500、600、700、800、900、1000、1500、2000、2500、3000、3500、4000、4500、5000、5500或6000。大于400的维氏硬度允许经涂覆的油气井生产装置当用作钻杆组件时用于使用基于水的钻井液并使用螺旋稳定器钻取页岩。螺旋稳定器引起BHA振动的倾向小于直刀片式稳定器。图15描述了相对于现有技术钻柱和BHA钢对于某些本文公开的涂层而言涂层COF和涂层硬度之间的关系。当用作钻杆组件上的表面涂层时，本文公开的涂层的低COF和高硬度的组合提供了用于井下钻井应用的坚硬、低COF耐用材料。
[0281] 本文公开的用于经涂覆的带套筒装置的涂层或超低摩擦涂层可由一个或更多个超低摩擦层、一个或更多个隔离层、一个或更多个缓冲层及其任意组合组成，从而形成多层涂层。该多层涂层可直接设置在基部基体材料上，或者在另一非限制性实施方式中，设置在置于涂层和基部基体材料之间的加硬材料的一部分上（参见图26）。
[0282] 经涂覆的带套筒油气井生产装置可由铁基材料、碳钢、钢合金、不锈钢、Al基合金、Ni基合金和Ti基合金、陶瓷、金属陶瓷和聚合物制成。4142型钢是用于带套筒的油气井生产装置的一种非限制性的示例性材料。基部基体的表面可以任选地在施加涂层，以形成隔离层之前经受提前表面处理，可在该隔离层上施加涂层，从而形成多层涂层。可使用其它示例性非限制基体材料，比如碳化钨钴。隔离层可提供以下益处中的一种或更多种：整个涂层的延长的耐久性、增强的耐磨性、减小的摩擦系数、增强的耐疲劳性和扩大的耐腐蚀性能。一种或更多种隔离层由选自以下非限制性示例性工艺中的一种或更多种形成：PVD、PACVD、CVD、离子注入、碳化、氮化、硼化、硫化、硅化、氧化、电化学工艺、非电镀工艺、热喷涂工艺、动力喷涂工艺、基于激光的工艺、摩擦搅拌工艺、喷丸强化工艺、激光喷丸强化工艺、焊接工艺、铜焊工艺、超细超级抛光工艺、摩擦润滑化学抛光工艺、电化学抛光工艺及上述的组合。
这种表面处理可硬化基体表面并通过引入另外的物质妨碍塑性变形和/或引入深压缩残余应力，从而抑制疲劳、冲击和磨损破坏引起的裂缝生长。需要大于400的维氏硬度，优选地，期望超过950的维氏硬度值以超过加硬层，期望超过1500的维氏硬度值以超过石英粒子，以及超过1700的维氏硬度值以超过其它层的硬度。隔离层可为结构支撑构件，用于覆盖多层涂层。
这种表面处理可硬化基体表面并通过引入另外的物质妨碍塑性变形和/或引入深压缩残余应力，从而抑制疲劳、冲击和磨损破坏引起的裂缝生长。需要大于400的维氏硬度，优选地，期望超过950的维氏硬度值以超过加硬层，期望超过1500的维氏硬度值以超过石英粒子，以及超过1700的维氏硬度值以超过其它层的硬度。隔离层可为结构支撑构件，用于覆盖多层涂层。
[0283] 在本文公开的经涂覆的带套筒油气井生产装置的另一实施方式中，油气井生产装置的本体组件可包括在暴露的外表面的至少一部分上的加硬层，以提供增强的耐磨性和耐久性。一个或更多个涂覆层沉积在加硬层的顶部上。加硬层的厚度可在等于外部涂覆层的厚度或为外部涂覆层厚度的若干数量级倍数之间的范围内变化。非限制性示例性加硬层厚度在钻杆组件的表面之上微凸（proud）1mm、2mm和3mm。非限制性示例性加硬材料包括基于金属陶瓷的材料、金属基体复合材料、纳米晶金属合金、非晶合金和硬金属合金。其它非限制示例性类型的加硬层包括分散在金属合金基体内的元素钨、钛、铌、钼、铁、铬和硅的碳化物、氮化物、硼化物和氧化物。这种加硬层可通过堆焊、热喷涂或激光/电子束熔敷来沉积。
[0284] 在本文公开的经涂覆的带套筒生产装置的又一实施方式中，多层超低摩擦涂层还可包括置于本体组件或加硬层的外表面和在暴露的外表面的至少一部分上的超低摩擦层之间的一个或更多个隔离层。隔离层可用于提供增强的韧性，以提高承载能力，以减小表面粗糙度，以抑制来自基部基体材料或加硬层扩散到外部涂层，和/或最小化残余应力吸收。隔离层的非限制示例如下：不锈钢、基于铬的合金、基于铁的合金、基于钴的合金、基于钛的合金或基于镍的合金、以下元素的合金或碳化物或氮化物或碳-氮化物或硼化物或硅化物或硫化物或氧化物：硅、钛、铬、铝、铜、铁、镍、钴、钼、钨、钽、铌、钒、锆、铪或上述的组合。一个或更多个隔离层可以是渐变的，以改善耐久性、减少摩擦、粘附和机械性能。
[0285] 超低摩擦涂层可具有高的固有残余应力（~1GPa）水平，其影响超低摩擦涂层的摩擦学性能和与用于沉积的基体（例如钢）的粘附强度。为了得益于本文公开的用于带套筒装置的超低摩擦涂层的低摩擦和耐磨/耐磨损的益处，其还需要呈现出与本体组件的用于沉积的外表面的耐久性和粘合强度。
[0286] 通常，直接沉积在钢表面上的超低摩擦涂层遭受差的粘附强度。该粘附强度的缺乏限制了超低摩擦涂层和钢交界面之间的厚度和不相容性，这可能导致在低负荷下脱层。为了克服这些问题，在一个实施方式中，本文公开的用于带套筒装置的超低摩擦涂层还可包括在套筒的外表面和超低摩擦层之间的缓冲层，该缓冲层具有各种金属（例如但不限于Cr、W、Ti、Ta）的、半金属（例如但不限于Si）的和陶瓷的化合物（例如但不限于CrxN、TiN、ZrN、AlTiN、SiC、TaC）。这些陶瓷、半金属和金属缓冲层释放本文公开的超低摩擦涂层的压缩残余应力，以增大粘附和承载能力。改善本文公开的超低摩擦涂层的磨损、摩擦和机械耐久性的额外途径是将多个超低摩擦层与中间缓冲层结合起来，以缓解残余应力积聚。
[0287] 本文公开的用在经涂覆的带套筒油气井生产装置中的涂层还可包括一个或更多个缓冲层（本文也称为粘合层）。在多层涂层构造中，一个或更多个缓冲层可置于本体组件的外表面和单层或两个或更多个层之间。一个或更多个缓冲层可选自以下元素或以下元素的合金：硅、铝、铜、钼、钛、铬、钨、钽、铌、钒、锆和/或铪。一个或更多个缓冲层还可选自以下元素的碳化物、氮化物、碳-氮化物、氧化物：硅、铝、铜、钼、钛、铬、钨、钽、铌、钒、锆和/或铪。一个或更多个缓冲层通常置于加硬层（当使用时）和一个或更多个涂覆层或超低摩擦层之间。缓冲层厚度可为相邻超低摩擦层的厚度的一部分或接近或超过相邻超低摩擦层的厚度。一个或更多个缓冲层可以是渐变的，以改善耐久性、减少摩擦、粘附和机械性能。
[0288] 本公开的另一方面是在本体组件或套筒的暴露的外表面的至少一部分上的加硬层上使用超低摩擦涂层，其中加硬层表面具有的图案化设计减少了促使磨损的磨料粒子的夹带。在钻井期间，悬浮在钻井流体中的磨蚀砂石和其它岩石粒子可进入本体组件或套筒和套管或开启的钻孔之间的交界面。这些磨蚀粒子一旦夹带到该交界面便促进本体组件、套筒和套管的加速磨损。存在延长设备寿命以最大化钻井和经济效益的需要。因为制造成在本体组件或套筒的表面上方微凸的加硬层实现了与套管或开启的钻孔的最大接触，其由于砂石和岩石粒子的夹带而经历最大磨蚀磨损。因此，一起使用加硬层和超低摩擦涂层以提供磨损保护和低摩擦是有利的。以图案化设计来应用加硬层是进一步有利的，其中加硬层材料之间的凹槽允许粒子流过加硬层区域而不被夹带且磨损交界面。减小加硬层和套管或开启的钻孔之间的接触面积以缓解由岩石切屑引起的粘附或结球甚至是更有利的。超低摩擦涂层可按任何布置施加，但优选地是其将被施加到图案的整个区域，这是因为穿过图案的通道的材料粘附到管道的机会减小。
[0289] 在本文公开的经涂覆的带套筒装置的另一实施方式中，加硬层表面具有图案化设计，以减少促进磨损的磨蚀粒子的夹带。超低摩擦涂层沉积在加硬层图案的顶部。加硬层图案可包括凹进区域和凸出区域且加硬层的厚度变化可与其整体厚度差不多。
[0290] 在另一实施方式中，隔离层可结合加硬层使用，其中加硬层位于暴露的外部套筒表面或内部套筒表面的至少一部分上，以对经涂覆的带套筒装置提供增强的耐磨性和耐久性，其中加硬层表面可具有减少促进磨损的磨蚀粒子的夹带的图案化设计。此外，一个或更多个超低摩擦涂覆层可沉积在隔离层顶部以形成多层涂层。
[0291] 带有本文公开的涂层的经涂覆的带套筒油气井生产装置还提供小于1、0.9、0.8、2
0.7、0.6、0.5、0.4、0.3、0.2或0.1J/m 的表面能量。在地下旋转钻井操作中，这有助于减轻由岩石切屑引起的粘附或结球。接触角也可用于量化本文公开的经涂覆的带套筒油气井生产装置上的涂层的表面能量。本文公开的涂层的水接触角大于50、60、70、80或90度。在本体组件的暴露的外表面的至少一部分上的加硬层上使用超低摩擦涂层，其中加硬层具有减小促进磨损的磨蚀粒子的夹带的图案化设计，也将减轻由岩石切屑引起的粘附或结球。在一种实施方式中，这种图案可减少加硬层和套管或开启的钻孔之间的接触面积的10%-90%并减少切屑的积聚。
0.7、0.6、0.5、0.4、0.3、0.2或0.1J/m 的表面能量。在地下旋转钻井操作中，这有助于减轻由岩石切屑引起的粘附或结球。接触角也可用于量化本文公开的经涂覆的带套筒油气井生产装置上的涂层的表面能量。本文公开的涂层的水接触角大于50、60、70、80或90度。在本体组件的暴露的外表面的至少一部分上的加硬层上使用超低摩擦涂层，其中加硬层具有减小促进磨损的磨蚀粒子的夹带的图案化设计，也将减轻由岩石切屑引起的粘附或结球。在一种实施方式中，这种图案可减少加硬层和套管或开启的钻孔之间的接触面积的10%-90%并减少切屑的积聚。
[0292] 在另外的有利实施方式中，多层超低摩擦涂层中的层之间的一个或更多个交界面为渐变的交界面。涂层中的各种层之间的交界面可对涂层的性能和耐久性有大的影响。尤其是，非渐变的交界面可产生包括以下中的一种或更多种的削弱源：应力集中、空穴、残余应力、锐变、脱层、疲劳裂纹、差的粘附作用、化学不相容性、机械不相容性。渐变的交界面允许层之间的材料和物理性能的逐渐改变，这降低削弱源的集中。每个渐变的交界面的厚度可从10nm到10微米或20nm到500nm或50nm到200nm变化。可选择地，渐变的交界面的厚度可为最薄的相邻层的厚度的5%到100%。
[0293] 在另外的有利实施方式中，渐变的交界面可与一个或更多个超低摩擦层、隔离层和缓冲层组合，其可为渐变的且可为类似或不同的材料，以进一步提高涂层的耐久性和机械性能。
[0294] 与各个层和交界面有关的更多细节
[0295] 与本文公开的在经涂覆的带套筒油气井生产装置中使用的涂层有关的更多细节如下：
[0296] 非晶态合金：
[0297] 作为用于本文公开的经涂覆的油气井生产装置的涂层的非晶态合金提供在较高的硬度下的高弹性极限/流动强度。这些属性允许这些材料当承受应力或应变时与诸如用于钻杆组件中的钢之类的晶态材料相比保留用于更高应变/应力的弹性。在图16中描述了用于带套筒装置的涂层的非晶态合金和常规的晶态合金/钢之间的应力-应变关系，并显示了常规的晶态合金/钢与非晶态合金相比能够在较低的应变/应力下容易地转变为塑性变形。在接触表面处的过早塑性变形引起晶态金属生成表面凹凸不平和作为结果的高凹凸不平接触力和COF。非晶态金属合金或非晶态材料的高弹性极限通常能够减少凹凸不平的形成，从而也引起耐磨性的显著提高。作为用于带套筒的油气井生产装置的涂层的非晶态合金将导致减少在生产操作期间形成的凹凸不平并从而降低装置的COF。
[0298] 作为用于带套筒的油气井生产装置的涂层的非晶态合金可利用多种涂覆技术来沉积，包括但不限于热喷涂、冷喷涂、堆焊、激光束表面上釉、离子注入和气相沉积。使用扫描的激光或电子束，能够对表面上釉并快速冷却以形成非晶态表面层。在上釉中，更改表面组分以确保良好的玻璃成型能力并增大硬度和耐磨性可能是有利的。这可通过当扫描到热源时掺合到表面上的熔池中来完成。硬护面涂层也可通过在空气或真空中进行热喷涂包括等离子喷涂来施加。作为用于油气井生产装置的涂层的更薄的全非晶态涂层可通过薄膜沉积技术来获得，包括但不限于溅射、化学气相沉积（CVD）和电弧沉积。本文公开的某些非晶态合金组分，例如接近等原子化学计量的（例如，Ni-Ti），可通过诸如喷丸强化或冲击加载的重塑性变形而被去晶态，包括激光喷丸强化。作为本文公开的用于油气井生产装置的涂层的非晶态合金产生磨损和摩擦性能的良好平衡并且对于要采用的生产技术来说需要足够的玻璃成型能力。
[0299] 基于Ni-P的复合涂层：
[0300] 作为本文公开的用于带套筒的油气井生产装置的基于非电镀和电镀的镍-磷（Ni-P）的复合材料可通过将惰性粒子从电解浴或非电镀浴沉积到金属基质上而形成。Ni-P复合涂层提供了与大部分金属和合金基体的优异的粘附作用。这些涂层的最终性质取决于Ni-P基质的磷含量，其决定涂层的结构，并取决于嵌入的粒子的特性，例如类型、形状和尺寸。磷含量低的Ni-P涂层是含有过饱和P的晶态Ni。通过增大P含量，镍的晶体晶格变得越来越紧并且晶体尺寸减小。在大于12wt%或13wt%或14wt%或15wt%的磷含量下，涂层主要呈现非晶态结构。非晶态Ni-P涂层的退火可引起非晶态结构转化为有利的晶体态。该结晶可增大硬度，但是使耐腐蚀性恶化。合金中的磷越丰富，结晶过程就越慢。这扩大了涂层的非晶态范围。Ni-P复合涂层可加入其它金属元素，包括但不限于钨（W）和钼（Mo），以进一步增强涂层的性能。本文公开的基于镍-磷（Ni-P）的复合涂层可包括微米级尺寸和亚微米级尺寸的粒子。非限制性的示例性粒子包括：金刚石、纳米管、环（包括碳纳米环）、碳化物、氮化物、硼化物、氧化物及上述的组合。其它非限制示例性粒子包括塑料（例如，含氟聚合物）和硬质金属。
[0301] 分层材料和新型复合涂覆层：
[0302] 可使用诸如石墨、MoS2和WS2（2H多晶型片晶）的分层材料作为用于带套筒油气井生产装置的涂层。此外，也可使用包括类富勒烯纳米粒子的基于富勒烯的复合涂覆层作为用于油气井生产装置的涂层。类富勒烯纳米粒子与典型的金属相比具有有利的摩擦学性质，同时减轻常规的分层材料（例如，石墨、MoS2）的缺点。近球形富勒烯也可起到纳米级滚珠轴承的作用。中空类富勒烯纳米粒子的主要有利益处有助于以下三种作用：（a）滚动摩擦；（b）富勒烯纳米粒子用作间隔器，其消除了两个匹配金属表面的凹凸不平之间的金属与金属接触，以及（c）三种本体材料转移。当纳米粒子的形状得以保持时，摩擦表面之间的交界面中的类富勒烯纳米粒子的滑动/滚动可为低负荷下的主要摩擦机制。类富勒烯纳米粒子的有益效果随负荷增大。发现类富勒烯纳米粒子的外层在高接触负荷（~1GPa）下发生剥落。脱层的类富勒烯纳米粒子的转移在苛刻的接触条件下似乎是主要的摩擦机制。能够通过将这些粒子结合在涂覆层的粘结相中来利用类富勒烯纳米粒子的机械和摩擦学性质。此外，将类富勒烯纳米粒子结合在金属粘结相中的复合涂层（例如，Ni-P无电镀）能够提供具有适合用于带套筒油气井生产装置的涂层的自润滑和优异的防粘附特性的膜。
[0303] 更一般地，其它增强材料可应用在超低摩擦层中。这些材料包括但不限于碳纳米管、石墨烯片、高纵横比（即，较长且薄）的金属粒子、环形材料（例如，碳纳米环）和长方或椭圆形粒子。典型地，这些粒子将具有几纳米至微米数量级的尺寸。
[0304] 高级的基于硼化物的金属陶瓷和金属基质的复合材料：
[0305] 作为用于带套筒油气井生产装置的涂层的高级的基于硼化物的金属陶瓷和金属基质的复合材料可由于热处理或磨损维护期间的初期加热的高温暴露而形成在大体积（bulk）材料上。例如，基于硼化物的金属陶瓷（比如，TiB2-金属），表面层通常富含硼氧化物（比如，B2O3），其增强润滑性能，从而形成低摩擦系数。
[0306] 准晶态材料：
[0307] 准晶态材料可用作用于带套筒油气井生产装置的涂层。准晶态材料具有周期性原子结构，但不符合普通晶态材料通常有的3-D对称性。由于它们的晶体学结构，绝大部分为二十面体或十面体，具有定制的化学性质的准晶态材料呈现出独特的性质组合，包括低能量表面，其作为用于油气井生产装置的涂层材料是有吸引力的。准晶态材料由于它们在具2
有二十面体的Al-Cu-Fe化学性质的不锈钢基板上的低表面能量（~30mJ/m）而提供不粘附的表面性质。作为用于油气井生产装置的涂覆层的准晶态材料可提供低摩擦系数（在干燥空气中用金刚石压痕器进行划痕试验为~0.05）与相对较高的微观硬度（400~600HV）的组合，以用于耐磨性。作为用于油气井生产装置的涂覆层的准晶态材料还可提供低腐蚀表面，且经涂覆的层具有表面能量低的平滑且平坦的表面，以用于提高性能。准晶态材料可通过宽范围的涂覆技术沉积在金属基体上，包括但不限于热喷涂、气相沉积、激光熔敷、堆焊和电弧沉积。
有二十面体的Al-Cu-Fe化学性质的不锈钢基板上的低表面能量（~30mJ/m）而提供不粘附的表面性质。作为用于油气井生产装置的涂覆层的准晶态材料可提供低摩擦系数（在干燥空气中用金刚石压痕器进行划痕试验为~0.05）与相对较高的微观硬度（400~600HV）的组合，以用于耐磨性。作为用于油气井生产装置的涂覆层的准晶态材料还可提供低腐蚀表面，且经涂覆的层具有表面能量低的平滑且平坦的表面，以用于提高性能。准晶态材料可通过宽范围的涂覆技术沉积在金属基体上，包括但不限于热喷涂、气相沉积、激光熔敷、堆焊和电弧沉积。
[0308] 超硬材料（金刚石、类金刚石碳、立方氮化硼）：
[0309] 可使用诸如金刚石、类金刚石（DLC）和立方氮化硼（CBN）的超硬材料作为用于带套筒油气井生产装置的涂层。金刚石是人类已知的最硬的材料并且在某些条件下通过化学气相沉积（本文简写为CVD）沉积在套筒元件上时可产生超低摩擦系数。在一种形式中，CVD沉积碳可直接沉积在套筒的表面上。在另一种形式中，缓冲层可在CVD沉积之前施加至套筒元件。例如，当用在用于钻杆组件的套筒上时，CVD金刚石的表面涂层不仅提供减小切屑在表面处的粘附的趋势，而且还使得能够在坚硬粘土质钻井操作中（例如在墨西哥湾中）使用螺旋稳定器。利用CVD金刚石涂覆螺旋稳定器的流动表面可使切屑能够流过稳定器，沿孔向上进入钻柱环面而不会粘附到稳定器。
[0310] 在一个有利的实施方式中，类金刚石碳（DLC）可用作用于带套筒油气井生产装置的涂层。DLC指的是呈现一些类似于天然金刚石的独特性质的非晶态碳材料。适合于带套筒油气井生产装置的类金刚石碳（DLC）可选自ta-C、ta-C:H、DLCH、PLCH、GLCH、Si-DLC、含碳的类金刚石碳（Ti-DLC）、含铬的类金刚石碳（Cr-DLC）、Me-DLC、F-DLC、其它DLC类型及上3 3
述的组合。DLC涂层包括大量sp 掺杂碳原子。这些sp 键不仅以晶体出现—换句话说，长程有序的固体—而且以原子随机排列的非晶态固体出现。在这种情况下，仅少数单独的原子之间将进行键合，即短程有序，而是在大量原子上延伸的长程有序。键类型对非晶态碳膜
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的材料性质有相当大的影响。如果主要是sp 型，则DLC膜可能更柔软，而如果主要是sp类型，则DLC膜可能更硬。
述的组合。DLC涂层包括大量sp 掺杂碳原子。这些sp 键不仅以晶体出现—换句话说，长程有序的固体—而且以原子随机排列的非晶态固体出现。在这种情况下，仅少数单独的原子之间将进行键合，即短程有序，而是在大量原子上延伸的长程有序。键类型对非晶态碳膜
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的材料性质有相当大的影响。如果主要是sp 型，则DLC膜可能更柔软，而如果主要是sp类型，则DLC膜可能更硬。
[0311] DLC涂层可作为非晶态、柔性以及仍主要为sp3键合的“金刚石”来制成。最硬的是已知为四面体非晶态碳或ta-C（参见图17）的混合物。这种ta-C包括高体积分数（~80%）3 2
的sp 键合碳原子。用于DLC涂层的任选填料包括但不限于氢、石墨sp 碳和金属，并且可采用其它形式使用以根据特定应用实现希望的性质组合。可将各种形式的DLC涂层施加至与真空环境相容并且也导电的各种基体。DLC涂层质量也取决于诸如氢的合金化和/或掺杂元素的分数含量。某些DLC涂覆方法需要氢或甲烷作为前体气体，且因此完成的DLC材料中可保留相当大百分比的氢。为了进一步提高它们的摩擦学性能和机械性能，通常加入其它合金化和/或掺杂元素来修改DLC膜。例如，对DLC添加氟（F）和硅（Si）降低表面能量和可润湿性。减少含氟DLC（F-DLC）中的表面能量有助于膜中存在-CF2和-CF3基团。
然而，更高的F含量可导致较低的硬度。Si的添加可通过减少表面能量的分散成分而减小
3
表面能量。添加Si也可通过促进DLC膜中的sp 杂化而增大DLC膜的硬度。向膜添加金属元素（例如W、Ta、Cr、Ti、Mo）能够减少压缩残余应力，从而使膜在压缩加载时的机械完整性更好。
的sp 键合碳原子。用于DLC涂层的任选填料包括但不限于氢、石墨sp 碳和金属，并且可采用其它形式使用以根据特定应用实现希望的性质组合。可将各种形式的DLC涂层施加至与真空环境相容并且也导电的各种基体。DLC涂层质量也取决于诸如氢的合金化和/或掺杂元素的分数含量。某些DLC涂覆方法需要氢或甲烷作为前体气体，且因此完成的DLC材料中可保留相当大百分比的氢。为了进一步提高它们的摩擦学性能和机械性能，通常加入其它合金化和/或掺杂元素来修改DLC膜。例如，对DLC添加氟（F）和硅（Si）降低表面能量和可润湿性。减少含氟DLC（F-DLC）中的表面能量有助于膜中存在-CF2和-CF3基团。
然而，更高的F含量可导致较低的硬度。Si的添加可通过减少表面能量的分散成分而减小
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表面能量。添加Si也可通过促进DLC膜中的sp 杂化而增大DLC膜的硬度。向膜添加金属元素（例如W、Ta、Cr、Ti、Mo）能够减少压缩残余应力，从而使膜在压缩加载时的机械完整性更好。
[0312] DLC的类金刚石相或sp3键合碳是热力学亚稳定相，而sp2键合的石墨是热力学稳3
定相。因此，DLC涂层膜的形成需要不平衡处理，以获得亚稳定sp 键合碳。平衡处理方法比如石墨碳的蒸发，其中蒸发物质的平均能量低（接近kT，其中k为玻尔兹曼常数，而T为绝
2
对温标的温度），这引起形成100% sp 的键合碳。本文公开的用于生产DLC涂层的方法要求
3 2
碳的sp 键长度显著小于sp 键长度。因此，压力、冲击、催化作用或这些的某一组合在原子
2 3
尺度下施加可迫使sp 键合碳原子更为密集而成为sp 键合。这可以足够有力地完成，使得
2 3
原子不能简单地回弹分开到sp 键的分离特性。典型技术将这种压缩与将新的sp 键合碳
2
簇更深入地推入涂层相结合使得不存在用于膨胀回到sp 键合所需的分离的余地；或者将新簇由为下一冲击循环而到来的新的碳包埋。
定相。因此，DLC涂层膜的形成需要不平衡处理，以获得亚稳定sp 键合碳。平衡处理方法比如石墨碳的蒸发，其中蒸发物质的平均能量低（接近kT，其中k为玻尔兹曼常数，而T为绝
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对温标的温度），这引起形成100% sp 的键合碳。本文公开的用于生产DLC涂层的方法要求
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碳的sp 键长度显著小于sp 键长度。因此，压力、冲击、催化作用或这些的某一组合在原子
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尺度下施加可迫使sp 键合碳原子更为密集而成为sp 键合。这可以足够有力地完成，使得
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原子不能简单地回弹分开到sp 键的分离特性。典型技术将这种压缩与将新的sp 键合碳
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簇更深入地推入涂层相结合使得不存在用于膨胀回到sp 键合所需的分离的余地；或者将新簇由为下一冲击循环而到来的新的碳包埋。
[0313] 本文公开的DLC涂层可通过物理气相沉积、化学气相沉积或等离子辅助化学气相沉积涂覆技术来沉积。物理气相沉积涂覆方法包括RF-DC等离子反应磁控溅射、离子束辅助沉积、阴极电弧沉积和脉冲激光沉积（PLD）。化学气相沉积涂覆方法包括离子束辅助CVD沉积、等离子增强沉积、使用来自烃气体的辉光放电、使用来自烃气体的射频（r.f）辉光放电、等离子浸入式离子处理和微波放电。等离子增强化学气相沉积（PECVD）是用于以高的沉积速率大面积沉积DLC的一种有利方法。基于等离子体的CVD涂覆工艺是非视距（non-line-of-sight）技术，即等离子体符合地覆盖待涂覆的零件且该零件的整个暴露表面以均匀的厚度被涂覆。在施加DLC涂层之后可保留零件的表面光洁度。PECVD的一个优点在于基体零件的温度在涂覆操作期间不会升高到约150°C以上。含氟DLC(F-DLC)和含硅DLC(Si-DLC)膜能够使用分别混合有含氟和含硅的前体气体（例如，四氟乙烷和六甲基二硅氧烷）的乙炔（C2H2）处理气体利用等离子沉积技术来合成。
[0314] 本文公开的DLC涂层可呈现在前面描述的范围内的摩擦系数。超低COF可基于实际接触区域中薄石墨膜的形成。由于sp3键合是碳在600至1500°C的高温下的热力学不稳定相，因此取决于环境状况，其可转变为可作为固体润滑剂的石墨。这些高温可在凹凸不平碰撞或接触的过程中作为很短暂的瞬时温度（称为初始温度）出现。DLC涂层的超低COF3
的可选理论是烃基滑膜的存在。Sp 键合的碳的四面体结构可在表面处导致这样一种情形，在这种情形中可能存在来自表面的一个空位电子，其没有碳原子可以附着（参见图18），这称为“悬键”轨道。如果具有其自身的电子的氢原子被置于这种碳原子上，则其可能与悬键轨道键合，从而形成双电子共价键。当带有单个氢原子外层的两个这样的光滑表面在彼此上滑动时，氢原子之间将发生剪切。表面之间不存在化学键合，仅存在很弱的范德华力，且表面呈现重烃蜡的性质。如图18所示，表面处的碳原子可形成三个强健，在从表面引出的悬键轨道中留下一个电子。氢原子附着到这种表面，该表面变为疏水的且呈现低摩擦。
的可选理论是烃基滑膜的存在。Sp 键合的碳的四面体结构可在表面处导致这样一种情形，在这种情形中可能存在来自表面的一个空位电子，其没有碳原子可以附着（参见图18），这称为“悬键”轨道。如果具有其自身的电子的氢原子被置于这种碳原子上，则其可能与悬键轨道键合，从而形成双电子共价键。当带有单个氢原子外层的两个这样的光滑表面在彼此上滑动时，氢原子之间将发生剪切。表面之间不存在化学键合，仅存在很弱的范德华力，且表面呈现重烃蜡的性质。如图18所示，表面处的碳原子可形成三个强健，在从表面引出的悬键轨道中留下一个电子。氢原子附着到这种表面，该表面变为疏水的且呈现低摩擦。
[0315] 本文公开的用于带套筒油气井生产装置的DLC涂层也防止由于它们的摩擦学性质引起的磨损。特别地，本文公开的DLC涂层抵抗磨蚀和粘着磨损，使得它们适合用于经历滚动和滑动接触这两者的极端接触压力的应用。
[0316] 多层涂层：
[0317] 带套筒油气井生产装置上的多层涂层在本文公开且可用于最大化涂层的厚度以便增强其耐久性。本文公开的经涂覆的带套筒油气井生产装置不仅可包括单层，而且还可包括两个或更多个涂覆层、缓冲层和/或隔离层。例如，两个、三个、四个、五个或更多个涂覆层可沉积在套筒元件的各部分上。每个涂覆层的厚度可处于从0.001到5000微米的范围内，其中下限为0.001、0.1、0.5、0.7、1.0、3.0、5.0、7.0、10.0、15.0或20.0微米，而上限为25、50、75、100、200、500、1000、3000或5000微米。多层涂层的总厚度可在从0.5到5000微米的范围内。整个多层涂层厚度的下限可为0.5、0.7、1.0、3.0、5.0、7.0、10.0、15.0或20.0微米厚。整个多层涂层厚度（不包括加硬层）的上限可为25、50、75、100、200、500、1000、3000或5000微米厚。
[0318] 缓冲层：
[0319] 超低摩擦涂层的耐久性可通过加入缓冲层而被改善，以用在如超ERD应用中所经历的苛刻环境中。
[0320] 例如DLC涂层具有可能导致裂纹和脱层的高的压缩残余应力。利用CETR（摩擦学中心）块-环（BOR）设备执行的实验室规模磨损/耐久性试验以及在MOHR工程执行的大规模试验已经表明，DLC涂层的一个失效机制是涂层的断裂和脱层。在一个可能但非限定性的DLC涂层的硬度的目标范围（1500≤Hv≤2500）中，需要减小DLC层的压缩应力。目前使用的一种这样的技术是沉积一个或更多个金属/非金属缓冲层，以在多个DLC层可沉积在缓冲层的顶部之前减轻残余应力，从而产生多层结构。缓冲层也可借助通过位错活动（例如，如在晶体Ti缓冲层中的）或通过剪切带（例如，如在基于非晶态Si的缓冲层中的）适应变形来实现能量吸收。
[0321] 一个或更多个缓冲层可选自以下元素或以下元素的合金：硅、钛、铬、铝、铜、钼、钨、钽、铌、钒、锆和/或铪。一个或更多个缓冲层还可选自以下元素的碳化物、氮化物、碳-氮化物、硼化物、氧化物、硫化物和硅化物：硅、钛、铬、铝、铜、钼、钨、钽、铌、钒、锆和/或铪。一个或更多个缓冲层通常置于带套筒装置或加硬层或隔离层和一个或更多个超低摩擦层之间，或者在超低摩擦层之间。缓冲层厚度可为相邻层的厚度的一部分或接近或超过相邻层的厚度。
[0322] 在一个实施方式中，上面公开的缓冲层可通过诸如PACVD的工艺而沉积有DLC层，其中源和/或靶材被用以沉积DLC层和缓冲层（例如，Ti、Si等）。在一种工艺形式中，这利用交替路线来执行，即缓冲层在基体上生成到目标厚度。然后，缓冲层生长被切断且DLC层随后沉积到目标厚度。该工艺随后重复，直至实现需要的多层结构/厚度。该技术的限制是在DLC层和缓冲层之间产生非渐变的交界面，这是因为非渐变的交界面可为断裂和脱层的来源。而且，由于沉积工艺的较低温度性质，在缓冲层和DLC层之间的交界面处没有出现太多相互扩散，因而保持了成分不连续的多层结构。
[0323] 在另一实施方式中，交替的DLC和缓冲层的多层涂层可沉积成具有渐变的交界面。利用渐变的交界面，DLC和缓冲层之间的粘附可通过以下得以提高：（a）促进X-C键合，其中X表示在缓冲层中的非碳元素或多个非碳元素；（b）残余应力从DLC层到缓冲层逐渐减轻；以及（C）C的键合从DLC层朝缓冲层逐渐改变。经由渐变缓冲层交界面改进的交界面结构可使得能够抑制沿缓冲层和DLC层之间的渐变的交界面的断裂/脱层，因而实现DLC涂层的更大的整体冲击性能、承载能力，以及因此实现更长的使用寿命和更长时期的低摩擦性能。
[0324] 隔离层：
[0325] 在本文公开的经涂覆的带套筒装置的又一实施方式中，多层超低摩擦涂层还可包括置于套筒本体组件或加硬层的外表面和在暴露的外表面的至少一部分上的超低摩擦层之间的一个或更多个隔离层。
[0326] 在镍基合金用作隔离层的一个实施方式中，该层可通过电镀来形成。电镀镍可沉积为具有从150-1100或200至1000或250至900或者300至700Hv范围内的特定硬度的隔离层。镍为银白色金属，且因此镍基合金隔离层的外观可从暗灰至几乎全白的光亮度的范围内变化。在本文公开的镍合金隔离层的一种形式中，可使用电镀由镍氨基磺酸盐浴来沉积氨基磺酸镍。在本文公开的镍合金隔离层的另一种形式中，可由硫酸镍浴来沉积瓦特镍。瓦特镍通常产生比氨基磺酸镍更明亮的光泽，这是因为甚至是暗瓦特浴包含晶粒细化剂，从而改善沉积。瓦特镍还可沉积为半明亮光泽。半明亮瓦特镍实现较明亮的沉积物，这是因为浴包含有机和/或金属光亮剂。在瓦特浴中的光亮剂使沉积物平坦，产生比下面的部分更光滑的表面。半明亮瓦特沉积物可容易抛光到具有高光泽的超光滑表面。明亮镍浴包含对沉积物具有平坦化效果的较高浓度的有机光亮剂。基于硫的光亮剂通常用于实现早期沉积物中的平坦化，且无硫的有机物，比如甲醛，用于随着镀层变厚而实现完全光亮的沉积物。在另一种形式中，用于隔离层的镍合金可由黑镍形成，其通常被施加在电解或无电镀镍的下层电镀上。在由镍基隔离层提供的有利性能中，包括但不限于防腐蚀性、磁性性能、光滑表面光泽、外观、润滑能力、硬度、反射能力和发射率。
[0327] 在另一种实施方式中，用作隔离层的镍基合金可作为无电镀镍镀形成。在该形式中，无电镀镍镀为自动催化过程且不使用外加电流来产生沉积物。无电镀工艺沉积均匀的金属涂层，而不受零件的形状或其表面不规则性的影响；因此，其克服了电镀的主要缺点之一，即镀层厚度的变化源自由所镀零件的几何形状和其与电镀阳极的关系引起的电流密度的变化。在无电镀溶液与适当准备的表面相接触的任意部位处，无电镀溶液产生沉积物，而不需要符合阳极和复杂的固持作用。因为化学浴维持一致的沉积速率，所以电镀工仅仅通过控制浸入时间来精确地控制沉积厚度。用作隔离层的低磷无电镀镍可产生最光亮的且最硬的沉积物。硬度范围为60-70RC（或697Hv~1076Hv）。在另一种形式中，中等磷或中间磷可用作缓冲层，其具有约40-42RC（或392Hv~412Hv）的硬度。硬度可通过热处理而改变为60-62RC（或697Hv~746Hv）的范围。孔隙率比低磷无电镀镍低，且相反地，耐腐蚀性高于低磷无电镀镍。高磷无电镀镍与中间磷和低磷沉积物相比是致密的且暗的。高磷呈现出无电镀镍族的最佳的耐腐蚀性；然而，沉积物不像较低磷含量形式那么硬。高磷无电镀镍涂层实际上是非磁性的。对于本文公开的镍合金隔离层，镍硼可用作需要用于粘附的熔烧的金属的底板。NiP非晶态基质也可包括分散的第二相：非限制性的示例性分散的第二相包括：i）结合金刚石的细纳米尺寸第二相粒子的无电镀NiP基质；ii）具有分散在基质内的六边形氮化硼粒子的无电镀NiP基质；以及iii）具有均匀地分散在整个涂层中的亚微米PTFE粒子（例如按体积计20-25%的特氟隆）的无电镀NiP基质。
[0328] 在又一实施方式中，隔离层可由电镀铬层形成，以产生光滑的且反射的表面光洁度。硬铬或功能性铬镀隔离层提供在700至1,000或750至950或800至900HV范围内的高硬度，具有光亮的且光滑的表面光洁度，且抵抗腐蚀，具有在20μm至250或50至200或者100至150μm范围内的厚度。铬镀隔离层可容易以低成本施加。在该实施方式的另一种形式中，可使用装饰性镀铬作为隔离层，以提供具有光滑表面光洁度的耐用涂层。装饰性铬隔离层可按在0.1μm至0.5μm或0.15μm至0.45μm或者0.2μm至0.4μm或者
0.25μm至0.35μm范围内的厚度来沉积。装饰性铬隔离层也可施加在光亮镀镍上。
0.25μm至0.35μm范围内的厚度来沉积。装饰性铬隔离层也可施加在光亮镀镍上。
[0330] 在又一种实施方式中，隔离层可通过以下非限制性示例性工艺中的一种或更多种而形成在本体组件、套筒或加硬层上：PVD、PACVD、CVD、离子注入、碳化、氮化、硼化、硫化、硅化、氧化、电化学工艺、无电镀工艺、热喷涂工艺、动力喷涂工艺、基于激光的工艺、摩擦搅拌工艺、喷丸强化工艺、激光喷丸强化工艺、焊接工艺、铜焊工艺、超细超级抛光工艺、摩擦润滑化学抛光工艺、电化学抛光工艺及上述的组合。
[0331] 交界面：
[0332] 涂层中的各种层之间的交界面可对涂层的性能和耐久性有大的影响。尤其是，非渐变的交界面可产生包括以下中的一种或更多种的削弱源：应力集中、空穴、残余应力、锐变、脱层、疲劳裂纹、差的粘附、化学不相容性、机械不相容性。改善涂层性能的一种非限制性示例性方式是使用渐变的交界面。
[0333] 渐变的交界面允许层之间的材料和物理性能的逐渐改变，这降低削弱源的集中。在制造过程期间产生渐变的交界面的一种非限制性示例性方式是逐渐停止第一层的处理而同时逐渐开始第二层的处理。渐变的交界面的厚度可通过改变处理条件的变化速率来优化。每个渐变的交界面的厚度可在从10nm到10微米或20nm到500nm或50nm到200nm的范围内。可选择地，渐变的交界面的厚度可为最薄的相邻层的厚度的5%到95%。
[0334] 图案化加硬层：
[0335] 利用销盘构造进行的试验表明比块-环试验要大的涂层耐久性。考虑这些试验的不同几何条件，认识到销盘构造允许润滑流体中的砂粒围绕两个本体之间的接触印迹移动，而块-环构造夹带砂粒且不允许砂粒采取围绕接触区域的交替路径。与点接触印迹相比，线接触印迹迫使砂粒穿过接触区域，这造成对涂层较高速率的破坏。图案化加硬层的设计将使砂粒能够由于流体动力而优选地采取穿过非接触区域的交替路径并避免穿过最大接触压力的直接路径。
[0336] 非限制性的示例性加硬层图案设计包括横向凹槽或狭槽、纵向凹槽或狭槽、斜向凹槽或狭槽、螺旋凹槽或狭槽、人字形凹槽或狭槽、凹进韧窝、微凸韧窝及上述的组合。这种图案化加硬层可按图案形状直接施加或在大批施加之后在加硬层中机加工。在一个非限制性实施方式中，图案可减小加硬层和套管或开启的钻孔之间的接触面积10%-90%。
[0337] 所选择的图案可考虑施加技术。非限制性的示例性施加方法包括堆焊、热喷涂或激光/电子束熔敷和激光焊接技术，以方便加硬层的图案化。图案化的或可选择地非图案化的加硬层材料可通过一种或更多种工艺来制造，包括但不限于：热喷涂工艺、动力喷涂工艺、基于激光的工艺、摩擦搅拌工艺、喷丸强化工艺、激光喷丸强化工艺、焊接工艺、铜焊工艺、超细超抛光工艺、摩擦润滑化学抛光工艺、电化学抛光工艺及上述的组合。
[0338] 所选择的图案可考虑钻井条件。凹槽或狭槽图案的角度可考虑钻杆的旋转速度来优化且旋转速度大于轴向速度，其中当从表面观察时钻柱通常“向右转”（顺时针）。考虑这点的非限制的示例性设计为由激光焊接技术制成的单珠螺旋，其中相对于加硬层段的水平轴线的角度是小的，且加硬层材料之间的凹槽或区域深1mm-5mm且宽1mm-5mm。另外的非限制性示例性设计特征包括垂直于加硬层区域的水平轴线或接近垂直于加硬层区域的水平轴线的斜向凹槽或狭槽，以促进水平井眼中的流体动力润滑，同时也促进磨蚀粒子的通过。考虑这点的又一非限制性示例性设计是直径为1mm-10mm的微凸韧窝，以促进磨蚀粒子的通过。图34显示了具有图案化表面的加硬层的非限制性示例性示意图（图像没有按比例绘制）。
[0339] 其它有利实施方式：
[0340] 在渐变缓冲层交界面实施方式的另一形式中，DLC层的sp2/sp3比可根据层厚度来2 3 2 3
控制。这称为DLC的sp/sp 比的实施方式。通过在沉积工艺期间控制sp/sp 比，可控制在缓冲层交界面处积聚的残余应力。在该实施方式的一种形式中，DLC在缓冲层的交界面附
2 3
近的初始沉积可通过控制沉积参数而是更富含sp 的，随后在DLC层的内部转变成更类sp
2 3
特性。可被改变以调节DLC涂覆层的sp/sp 比的DLC沉积参数包括但不限于基体偏压、脉冲和变化的气体比例。作为结果产生的梯度应力分布可减少沿DLC缓冲层交界面脱层的趋势。通过定制DLC和缓冲层交界面处的结构，并通过有效地控制DLC结构的整体特性（例如，将硬度值维持在上面规定的范围内），可获得所公开的DLC涂层的耐久性的改善。
控制。这称为DLC的sp/sp 比的实施方式。通过在沉积工艺期间控制sp/sp 比，可控制在缓冲层交界面处积聚的残余应力。在该实施方式的一种形式中，DLC在缓冲层的交界面附
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近的初始沉积可通过控制沉积参数而是更富含sp 的，随后在DLC层的内部转变成更类sp
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特性。可被改变以调节DLC涂覆层的sp/sp 比的DLC沉积参数包括但不限于基体偏压、脉冲和变化的气体比例。作为结果产生的梯度应力分布可减少沿DLC缓冲层交界面脱层的趋势。通过定制DLC和缓冲层交界面处的结构，并通过有效地控制DLC结构的整体特性（例如，将硬度值维持在上面规定的范围内），可获得所公开的DLC涂层的耐久性的改善。
[0341] 在本文公开的经涂覆的带套筒油气井生产装置的一种有利实施方式中，可对该装置施加基于多层碳的非晶态涂覆层，比如类金刚石碳（DLC）涂层。适合于带套筒的油气井生产装置的类金刚石碳（DLC）涂层可选自ta-C、ta-C:H、DLCH、PLCH、GLCH、Si-DLC、Ti-DLC、Cr-DLC、Me-DLC、N-DLC、O-DLC、B-DLC、F-DLC及上述的组合。用于这种应用的一种特别有利的DLC涂层是DLCH或ta-C:H。多层DLC涂层的结构可包括在各个DLC层之间具有粘附或缓冲层的各个DLC层。与DLC涂层一起使用的示例性粘附或缓冲层包括但不限于以下元素或以下元素的合金：硅、铝、铜、钼、钛、铬、钨、钽、铌、钒、锆和/或铪。与DLC涂层一起使用的示例性粘附或缓冲层包括但不限于以下元素的碳化物、氮化物、碳-氮化物、氧化物：硅、铝、铜、钼、钛、铬、钨、钽、铌、钒、锆和/或铪。这些缓冲或粘合层作为韧化和缓解残余应力层并且允许用于多层实施方式的整个DLC涂层厚度被增大，同时维持用于耐久性的涂层整体性。
[0342] 在本文公开的经涂覆的带套筒油气井生产装置的又一种有利形式中，为了改进较薄DLC涂覆层的耐久性、机械完整性和井底性能，可利用混合涂覆方法，其中可在现有技术的加硬层上沉积一个或更多个DLC涂覆层。该实施方式提供增强的DLC加硬层交界面强度且如果DLC磨损或脱层还对井底装置提供抵抗过早磨损的保护。在该实施方式的另一形式中，可在施加DLC层之前对本体组件、套筒或加硬层施加例如由提前表面处理形成的一个或更多个隔离层以延长耐久性并提高DLC涂层的磨损、摩擦、疲劳和腐蚀性能。提前表面处理可选自离子注入、氮化、碳化、喷丸强化、激光和电子束上釉、激光喷丸强化及上述的组合。这种表面处理可通过引入另外的物质来硬化基体表面和/或引入深压缩残余应力，从而导致对由冲击和磨损破坏引起的裂缝生长的抑制。在该实施方式的又一形式中，前面描述的一个或更多个隔离层可置于表面处理层和一个或更多个缓冲或超低摩擦涂覆层之间。而且，上面鉴定的提前表面处理方法可应用到一个或更多个隔离层。
[0343] 图26是利用多层混合涂覆层的带套筒油气井生产装置上的涂层的示例性实施方式，其中DLC涂覆层沉积在钢基体上的加硬层顶部。在该实施方式的另一种形式中，加硬层可进行后处理（例如，蚀刻），以暴露出合金碳化物粒子，从而提高也如图26所示的超低摩擦涂层与加硬层的粘附作用。由多层涂层和加硬层组成的这种混合涂层可应用到诸如工具接头和稳定器等的井底装置，以提高沉积在这些装置上的DLC涂层的耐久性和机械完整性，并且如果外层磨损或脱层则提供“第二道防御线”，抵抗在地下旋转钻井操作中井底环境的侵袭性磨损和侵蚀条件。在该实施方式的另一种形式中，前面描述的一个或更多个缓冲层和/或一个或更多个隔离层可包括在混合多层涂层结构内以进一步提高油气井钻井、完井和生产操作的特性和性能。
[0344] 对接近油气井生产装置的套筒应用这些涂覆技术提供潜在的益处，包括但不限于钻井、完井、采油、修井和生产操作。有效的且可靠的钻井、完井、采油、修井和生产操作可通过对带套筒装置施加这种涂层来增强，以减轻如上面详细论述的摩擦、磨损、侵蚀、腐蚀和沉积。
[0345] 使用经涂覆的带套筒装置实施方式的示例性方法：
[0346] 在一种示例性实施方式中，使用经涂覆的带套筒油气井生产装置的有利方法包括：提供经涂覆的油气井生产装置，该经涂覆的油气井生产装置包括一个或更多个柱形本体、在一个或更多个柱形本体的外径或内径附近的一个或更多个套筒、在一个或更多个套筒的暴露的外表面、暴露的内表面或者暴露的外表面或内表面这两者的组合的至少一部分上的加硬层、以及在一个或更多个套筒的内套筒表面、外套筒表面或其组合的至少一部分上的涂层，其中涂层包括一个或更多个超低摩擦层以及置于加硬层和超低摩擦涂层之间的一个或更多个隔离层；以及在井建造、完井或生产操作中利用经涂覆的带套筒油气井生产装置。
[0347] 在另一种示例性实施方式中，使用经涂覆的带套筒油气井生产装置的有利方法包括：提供经涂覆的油气井生产装置，该经涂覆的油气井生产装置包括一个或更多个本体，其中该一个或更多个本体不包括钻头；在一个或更多个本体的外表面或内表面附近的一个或更多个套筒；以及在一个或更多个套筒的内套筒表面、外套筒表面或其组合的至少一部分上的涂层，其中该涂层包括一个或更多个超低摩擦层以及置于一个或更多个套筒和超低摩擦涂层之间的一个或更多个隔离层，其中至少一个隔离层具有400VHN的最小硬度；以及在井建造、完井或生产操作中利用经涂覆的带套筒油气井生产装置。
[0348] 在又一示例性实施方式中，经涂覆的带套筒油气井生产装置包括提供经涂覆的油气井生产装置，该经涂覆的油气井生产装置包括一个或更多个柱形本体，其具有在一个或更多个柱形本体的外径或内径附近的一个或更多个套筒；以及在一个或更多个套筒的内套筒表面、外套筒表面或其组合的至少一部分上的涂层，其中该涂层选自非晶态合金、经热处理的基于非电镀或电镀的镍-磷的复合材料（其中磷含量大于12wt%）、石墨、MoS2、WS2、基于富勒烯的复合材料、基于硼化物的金属陶瓷、准晶态材料、基于金刚石的材料、类金刚石碳（DLC）、氮化硼、碳纳米管、石墨烯片、高纵横比（即较长和薄）的金属粒子、环形材料（例如，碳纳米环）、长方或椭圆形粒子及上述的组合；以及在井建造、完井或生产操作中利用经涂覆的带套筒油气井生产装置。
[0349] 在又一示例性实施方式中，经涂覆的带套筒油气井生产装置包括提供经涂覆的油气井生产装置，该经涂覆的油气井生产装置包括一个或更多个本体，其中该一个或更多个本体不包括钻头，其具有在一个或更多个本体的外径或内径附近的一个或更多个套筒；以及在一个或更多个套筒的内套筒表面、外套筒表面或其组合的至少一部分上的涂层，其中该涂层选自非晶态合金、经热处理的基于非电镀或电镀的镍-磷的复合材料（其中磷含量大于12wt%）、石墨、MoS2、WS2、基于富勒烯的复合材料、基于硼化物的金属陶瓷、准晶态材料、基于金刚石的材料、类金刚石碳（DLC）、氮化硼、碳纳米管、石墨烯片、高纵横比（即较长和薄）的金属粒子、环形材料（例如，碳纳米环）、长方或椭圆形粒子及上述的组合；以及在井建造、完井或生产操作中利用经涂覆的带套筒油气井生产装置。
[0350] 试验方法：
[0351] 根据ASTM G99试验方法使用球-盘试验机测量摩擦系数。该试验方法需要两个样品——平坦的盘样品和球形端的球样品。使用支架刚性地保持的球样品垂直于平坦盘定位。通过使直径为2.7英寸的平坦盘按圆形路径回转来使平坦盘样品抵靠球样品滑动。法向负荷经球垂直向下地施加，使得球压紧抵靠于盘。特定法向负荷可借助于所附的重量、液压或气动加载机构来施加。在试验期间，使用附接到球支架的张力-压缩负荷传感器或类似的力感应装置来测量摩擦力。可通过将测出的摩擦力除以法向负荷来算出摩擦系数。在各种测试条件滑动速度下并且在室温和150°F下完成试验。采用直径为4mm~5mm的石英或低碳钢球作为配合面材料且待测试的涂层材料被施加到盘部件。参考条件环境为在0.6m/秒的滑动速度下、150°F下和300克负荷下的基于油的钻井流体（参见图21）。
[0352] 通过借助于上述ASTM G99试验方法使用球-盘摩擦试验设备在各种滑动速度下测量摩擦系数来评估速度增强或减弱效果。
[0353] 根据ASTM C1327维氏硬度试验方法测量硬度。维氏硬度试验方法包括使用金刚石压痕器压印试验材料，所述金刚石压痕器的形式为带有正方形基部并在承受1到100kgf的负荷的相对表面之间成136度角的直立棱锥。通常施加全负荷10到15秒。使用显微镜测量在去除负荷之后材料的表面中留下的压痕的两个对角并计算它们的平均值。计算压痕的倾斜表面的面积。维氏硬度为通过将kgf负荷除以压痕的平方毫米面积获得的商。维氏硬度试验的优点是能够进行极为精确的读数，且对所有类型的金属和表面处理仅使用一种压痕器。薄涂覆层（例如，小于100μm）的硬度已经通过纳米压痕评估，其中法向负荷（P）通过具有众所周知的棱锥几何形状（例如，Berkovich尖端，其具有三面棱锥几何形状）的压痕器对涂层表面施加法向负荷（P）。在纳米压痕中使用小负荷和尖端尺寸来消除或减少来自基体的作用，因此压痕面积可能仅为数平方微米或甚至纳米。在纳米压痕处理的过程中，对穿透深度进行记录，且然后利用压痕尖端的已知几何形状确定压痕的面积。可通过将负荷（kgf）除以压痕的面积（平方毫米）来获得硬度。
[0354] 根据ASTM G99试验方法通过球-盘几何形状测量磨损性能。通过测量两种样品在试验前后的尺寸来确定球和盘的磨损量或磨损体积损失。通过激光表面轮廓仪和原子力显微镜确定盘磨损轨道的深度或形状变化。通过测量样品在试验前后的尺寸确定球的磨损量或磨损体积损失。从球的已知几何形状和尺寸计算出球的磨损体积。
[0355] 根据ASTM D5725试验方法测量水接触角。称为“固着液滴方法”的方法使用基于光学系统的液体接触角测角仪来捕捉固体基体上的纯液体的轮廓。将液滴（例如，水）置于（或允许从一定距离落下）固体表面上。当液体安定（已经变为固着）时，液滴保持其表面张力并抵靠固体表面而变成卵形。液体/固体交界面与液体/蒸气交界面之间形成的角度为接触角。液滴的椭圆形接触上述表面所形成的接触角决定两种物质之间的亲和度。即，平坦液滴表明高亲和度，这种情况下液体被认为是“湿润”基体。在该表面上方（按高度计）更呈圆形的液滴表明更低的亲和度，因为液体附于固体表面上的角度更尖锐。在这种情况下，液体被认为是“不湿润”基体。固着液滴系统采用高分辨率照相机和软件来捕获和分析接触角。
[0356] 扫描电子显微镜（SEM）研究在以15-20kV的加速电压下操作的SEM上进行。用于SEM研究的样品通过横截涂覆的基体来制备，之后是金相样品制备技术，以便观察。扫描透射电子显微术（STEM）研究在以300kV下操作的显微镜上进行，其配备有用于成分分析的高分辨率电子能量损失谱仪（EELS）。在STEM模式中的操作使得能够获得涂层结构的高角环形暗场（HAADF）和亮场（BF）STEM图像。图29显示了候选涂层的示例性SEM图像和HAADF-STEM图像。
[0357] 在利用球-盘方法的初始试验之后，利用不同的接触几何形状进行另外的试验。加硬层基体材料和涂层的多种组合在实验室测试程序的第二阶段评估。为了更好地模拟钻井条件，在“块-环”试验中，一小的块被推动抵靠于约2英寸直径和四分之一英寸宽度的环。这些试验利用从用于通常可利用的摩擦学研究（CETR）的中心获得的设备来进行。
[0358] 利用工业标准试验设备以多种构造的基体和涂层材料进行钻井工具接头的测试。这些试验在德克萨斯的休斯顿的MOHR工程处进行。多种涂层被施加至相同尺寸的钢和加硬层环两者，作为工具接头。在该试验中，套管材料的外环或砂石被推靠着在车床夹具中转动的经涂覆的接头。同时，外环轴向地往复运动，且钻井液利用喷嘴和循环系统被喷涂到两个本体之间的交界面处。
[0359] 来自这些试验程序的数据在经涂覆的部件的实际现场测试之前指导研究方向并有助于在生产环境中将最可能成功的材料和施加方法的这些组合的理解。
[0360] 实施例
[0361] 示例性实施例1：
[0362] 通过气相沉积技术在4142钢基体上施加DLC涂层。DLC涂层具有在从1.5至25微米的范围内的厚度。硬度被测量为处于1,300到7,500维氏硬度数的范围内。进行基于球-盘几何形状的实验室试验来论证涂层的摩擦和磨损性能。使用石英球和低碳钢球作为配合面材料以分别模拟裸孔和加套孔条件。在一个环境温度试验中，在“干燥”或环境空气条件下以300克法向负荷和0.6m/秒滑动速度对石英配合面材料测试未经涂覆的4142钢、DLC涂层和商售的现有技术加硬层堆焊涂层，以模拟裸井眼条件。可在如图19所示的DLC涂层中实现高达10倍于未经涂覆的4142钢和加硬层的摩擦性能的提高（摩擦系数的减小）。
[0363] 在另一环境温度试验中，对低碳钢配合面材料测试未经涂覆的4142钢、DLC涂层和商售的现有技术加硬层堆焊涂层，以模拟加套的孔条件。可在图19中所示的DLC涂层中实现高达三倍于未经涂覆的4142钢和加硬层的摩擦性能（摩擦系数的减小）。DLC涂层由于DLC涂层高于配合面材料（即，石英和低碳钢）的硬度而抛光石英球。然而，磨损引起的体积损失在石英球和低碳钢球两者中都是最小的。另一方面，普通钢和加硬层导致石英球和低碳钢球两者中的显著磨损，表明这些并不是很“套管友好的”。
[0364] 也在基于油的钻井液中在环境温度下测试了球-盘磨损和摩擦系数。使用石英球和低碳钢球作为配合面材料，以分别模拟裸孔和加套孔条件。DLC涂层如图20所示较商用的加硬层而言呈现出显著的优点。使用DLC涂层可以实现与未经涂覆的4142钢和加硬层相比摩擦性能提高（摩擦系数的减小）高达30%。DLC涂层由于其高于石英的硬度而抛光石英球。另一方面，对于未经涂覆的钢盘的情况，低碳钢和石英球两者以及钢盘表现出明显的磨损。为了进行可比较的试验，加硬的盘的磨损特性在DLC涂覆盘和未经涂覆的钢盘的中间。
[0365] 图21描述了在高温下的磨损和摩擦性能。在加热到150°F的基于油的钻井液中执行试验，且再次使用石英球和低碳钢球作为配合面材料，以分别模拟裸孔和加套的孔条件。DLC涂层与未经涂覆的4142钢和商用的加硬层相比呈现高达50%的摩擦性能的提高（摩擦系数的减小）。未经涂覆的钢和加硬层导致石英球和低碳钢球的配合面材料的磨损损坏，而在抵靠DLC涂层摩擦的配合面材料中观察到明显更小的磨损损坏。
[0366] 图22显示了DLC涂层在升高的温度（150°F和200°F）下的摩擦性能。在该试验数据中，DLC涂层在高达200°F的升高的温度下呈现低的摩擦系数。然而，未经涂覆的钢和加硬层的摩擦系数随温度明显增大。
[0367] 示例性实施例2：
[0368] 在实验室磨损/摩擦测试中，通过监测在0.3m/秒~1.8m/秒的滑动速度范围滑动所需的剪切应力来对DLC涂层和未经涂覆的4142钢测量摩擦系数的速度相关性（速度减弱或增强）。使用石英球作为干式滑动摩擦试验中的配合面材料。DLC涂层相对于未经涂覆的钢的速度减弱性能在图23中描述。未经涂覆的4142钢呈现随滑动速度减小的摩擦系数（即，明显的速度减弱），而DLC涂层未表现出速度减弱并且实际上似乎存在COF的轻微速度增强（即，COF随滑动速度略微增大），这对于减轻扭转不稳定性（卡瓦粘附振动的前兆）可以是有利的。
[0369] 示例性实施例3：
[0370] 生产多层DLC涂层，以便最大化DLC涂层的厚度，从而提高其耐久性。在一种形式中，多层DLC涂层的总厚度从6μm到25μm变化。图24描述了用于经由PECVD生产的钻杆组件的单层和多层DLC涂层两者的SEM图像。与DLC涂层一起使用了缓冲层，也称为粘合层。在该情形中，缓冲层材料包含硅。
[0371] 示例性实施例4：
[0372] 经由水接触角测量DLC涂覆基体与未经涂覆的4142钢表面相比的表面能量。在图25中描述了结果，且结果表明DLC涂层与未经涂覆的钢表面相比提供了显著更低的表面能量。更低的表面能量可提供附着力更低的表面，以便减轻或减少钻头/稳定器结球并防止沥青、石蜡、垢体和/或水合物的沉积物的形成。
[0373] 示例性实施例5：
[0374] 图27显示了未抛光的、抛光的和镀Ni-P环的粗糙度。更具体地，图27描述了利用光学轮廓测定仪获得的粗糙度结果，其基于白光干涉测量技术由以下来工作：a）未抛光环；b）超抛光环；以及c）具有Ni-P隔离层的未抛光DLC涂覆环。扫描区域的光学图像在左侧显示且表面轮廓在右侧显示。在每个样品上在0.53mm乘以0.71mm的区域中进行三次扫描。未抛光的环的粗糙度显示出十分高（Ra~0.28μm）。超级抛光环具有比未抛光的环低几乎一个数量级的粗糙度（Ra~0.06μm）。在未抛光的环上的无电镀Ni-P镀提供与超级抛光环大约相同水平的粗糙度（Ra~0.08μm）。这表明在粗糙表面上沉积Ni-P隔离层可改善表面光滑度，且因此其可帮助避免在沉积超低摩擦涂层之前的耗时的超级抛光步骤。
[0375] 示例性实施例6：
[0376] 裸露的未抛光环对Ni-P隔离层/DLC涂覆环的摩擦和磨损结果在图28中显示。更具体地，图28描述了Ni-P隔离层/DLC涂覆环和裸露的未抛光环的随速度而变化的平均摩擦系数。在块-环（BOR）摩擦计中进行摩擦学试验。使用具有2%砂石的基于油的钻井液作为试验的润滑剂。对于设计成评估经涂覆的环的摩擦和耐久性性能的不同试验，试验在室温下进行但是其它条件（速度和负荷）改变。在图28中显示了摩擦随速度的变化，也称为斯特里伯克曲线。斯特里伯克曲线通常用于证明在润滑条件下摩擦响应随接触严酷性的变化。在所有情况下，Ni-P隔离层/DLC涂覆环的斯克里伯克曲线表明在低速和高速下比裸露的未抛光环要低很多的摩擦。因而，证明了有助于降低表面粗糙度的Ni-P隔离层也提供与较高粗糙度的裸露的未抛光环相比较的明显的摩擦益处。
[0377] 示例性实施例7：
[0378] 作为示例，形成2周期DLC缓冲层结构（Ti作为缓冲层材料），其中第一Ti缓冲层利用渐变的交界面方法沉积（例如，在DLC层和第一Ti缓冲层之间）。第二Ti缓冲层以非渐变的交界面产生。图30显示了整个多层结构。图31显示了在第一Ti缓冲层/DLC交界面处的渐变的交界面，以及在第二Ti缓冲层/DLC界面之间的非渐变的交界面。更具体地，图30显示了在左侧的高角环形暗场（HAADF）-扫描透射电子显微术（STEM）图像和在右侧的亮场STEM图像，揭示了2周期Ti-DLC结构。图31描述了电子能量损失谱（EELS）组成曲线，显示了Ti层1和DLC（左顶部和底部）之间的渐变的缓冲层交界面和Ti层2和DLC（右顶部和底部）之间的非渐变的交界面。该2周期DLC结构被涂覆在适当几何形状的环形样品上且在实验室规模（CETR-BOR）和大规模（MOHR）测试条件下测试。试验样品的事后分析表明通过在第二钛缓冲层和DLC层之间的非渐变的交界面处脱层而发生失效。这表明渐变的交界面的形成允许改进交界面的粘附性能。图32显示了测试样品的代表性图像。更具体地，图32描述了SEM图像，显示了通过在DLC和第二钛缓冲层之间的非渐变的交界面处的脱层而发生失效。在每一层中，交界面的厚度作为在限制性钛强度计数值的5%和95%之间的长度跨度的形式测量。非渐变的交界面的厚度小于20nm，而渐变的交界面的厚度大于100nm。在对具有渐变的交界面的DLC结构的MOHR试验中，通过第一DLC层的保存而观察到性能的提高。在大规模MOHR试验中，上述结构成功地承受3500lbf的侧向负荷——而没有以类似的方式设计的其它涂层不能够承受该水平的加载，从而导致涂层失效。
[0379] 示例性实施例8：
[0380] 下面论述具有各种缓冲层的DLC涂层的摩擦学性能。在块-环（BOR）摩擦计中进行耐久性和耐磨试验。图33显示了对于给定试验条件摩擦系数结果随时间的变化。结果表明对于同一DLC涂层的缓冲层的选择的摩擦学响应的差异。具有Ti缓冲层的DLC涂层提供最低的摩擦。此外，具有Si和Cr缓冲层的DLC涂层也提供相当低的摩擦（~0.1或更小），且在所有情形中，摩擦在整个试验中基本上保持稳定。如下面的表1所示，相应环样品的块磨损表现为处于同一范围中，由此表明接触压力的改变不明显，且因此块磨损对摩擦响应没有明显影响。
[0381] 表1:块磨损结果：
[0382]环抵靠块运行 块上的磨损伤痕宽度
CrN+Ti/DLC/Ti/DLC渐变环 3.1mm
CrN+Si/DLC/Si/DLC渐变环 2.1mm
CrN+Cr/DLC/Cr/DLC渐变环 3.7mm
CrN+Ti/DLC/Ti/DLC渐变环 3.1mm
CrN+Si/DLC/Si/DLC渐变环 2.1mm
CrN+Cr/DLC/Cr/DLC渐变环 3.7mm
[0383] 申请人已经尝试公开可以合理预见的本公开主题的所有实施方式和应用。然而，可能存在仍等同的不可预料的非实质性的修改。虽然已经结合本发明的具体的示例性实施方式描述了本发明，但是明显的是，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，根据前面的描述，许多改变、修改和变型对本领域技术人员来说将是明显的。因此，本发明旨在涵盖以上详细描述的所有此类改变、修改和变型。
[0384] 所有专利、试验步骤和本文引用的其它文件，包括优先权文件，通过引用而全部并入，该并入使得这种公开内容并无与本发明不一致且符合容许这种并入的所有权限。
[0385] 当本文列举数值下限和数值上限时，可设想到从任何下限到任何上限的范围。
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