[发明专利]用于钻杆组件的超低摩擦覆层

说明书

技术领域

本发明涉及旋转钻进领域。更具体地说，涉及超低摩擦覆层以及在钻杆组件上应用此类覆层来减少地下旋转钻进操作中的摩擦和磨损。

背景技术

在旋转钻进操作中，钻头连接到井底钻具组件的末端，所述井底钻具组件连接到包括钻杆和钻具接头(tool joint)的钻柱上，其通过转盘或者顶部驱动装置在表面进行旋转。钻柱和井底钻具组件的重量使得旋转的钻头在地壳中钻孔。在操作进行过程中，钻杆的新部分被加到钻柱上，来增加其总长。在钻进作业中，周期性地，将裸井井眼中加上套筒来稳定其壁，并恢复钻进作业。结果，钻柱通常既在裸井井眼内也在已经安装在井眼中的套筒内进行工作。或者，在钻进组件中，可用连续油管(coiled tubing)来替换钻柱。钻柱和井底钻具组件或连续油管和井底钻具组件的组合，在此被称为钻杆组件。钻柱的旋转通过钻柱和井底钻具组件来提供力给钻头。在连续油管钻进中，力通过钻进液体泵来输送给钻头。通过旋转传输的力的大小受限于钻柱或连续油管能够承受的最大扭矩。

在穿透地下岩层的井眼钻进中，钻杆组件要经受相当大的与钢套管和岩层的滑动接触。这一滑动接触主要由钻杆组件在井眼中的旋转和轴向移动而产生。在钻杆组件的运动表面和套筒和岩层的固定表面之间的摩擦在钻杆上产生了相当大的拖拽和在钻进操作中的拖拽和过大的扭矩。由摩擦产生的问题对任何钻进操作而言都是固有的，但是在定向钻井或者大位移钻井(extended reach drilling，ERD)中尤其严重。定向钻进或ERD有意在垂直方向上偏离井眼。在一些情况下，与垂直方向的角度之大可达到与垂直方向呈九十度。此类井通常被称为水平井，并可从钻井平台钻到相当大的深度和距离。

在所有的钻井操作中，钻杆组件均具有靠到井眼或者套管侧的倾向，但因为重力因素，该倾向在定向钻井中更加明显。在钻柱提高长度或提高垂直偏转度时，由旋转钻杆组件产生的摩擦量也被提高。为了克服这一增加的摩擦，需要附加功率来旋转钻杆组件。在一些情况下，在钻杆组件和套管壁或者井眼之间的摩擦超过了钻杆组件能够容忍的最大扭矩和/或钻机的最大扭矩容量，使得钻进工作必须停止。因此，使用可得到的定向钻进设备和技术能钻进的井的深度是受到限制的。

一种降低由钻杆组件与套管(在筒井(cased hole)的情况下)或者井眼(在裸井(open hole)的情况下)之间接触而引起的摩擦的方法，是改进钻进泥浆的润滑性。在工业钻井操作中，已经试图来减少摩擦，其主要使用水和/或油基泥浆溶液，其含有各种类型的昂贵并常常环境不友好的添加剂。柴油和其它矿物油也常常用作润滑剂，但在泥浆处理方面存在问题。已知某些矿物，诸如膨润土，可帮助降低钻井组件和裸井井眼之间的摩擦。材料，诸如特氟隆已经用来降低摩擦，但是这些材料缺乏耐久性和强度。其它添加剂包括了植物油、沥青、石墨、洗涤剂和胡桃壳，但其各自具有自身的局限。

另一个减低钻杆组件和套管或井眼之间的摩擦的方法，是使用铝钻柱，因为铝比钢来得轻。然而，铝钻柱是昂贵的，并难以使用在钻井作业中，并且其与许多类型的钻井液(例如具有高pH值的钻井液)不相容。

另一种减低钻杆组件和套管或井眼之间的摩擦的方法，是在钻柱组件上使用表面硬化(hard facing)材料(在此也被称为带状加硬(hardbanding)或硬表面堆焊(hardfacing))。美国专利No.4,665,996，在这里全文引入作为参考，公开了通过利用具有如下组成的合金来对钻杆的主支撑表面表面进行硬表面堆焊：50-65％钴，25-35％钼，1-18％铬，2-10％硅和低于0.1％碳，来减低钻柱和套筒或岩石之间的摩擦。结果，旋转钻进操作需要的扭矩，尤其对于定向钻进，得以减少。该公开的合金对钻柱还提供了优异的耐磨性，同时降低了在套管上的磨损。带状加硬的另一类型是，将WC-钴金属陶瓷施加到钻杆组件上。其它带状加硬材料包括TiC、碳化铬，和其它混合的碳化物和氮化物体系。使用焊接覆盖或者热喷镀方法来将带状加硬应用到钻杆组件的部分上。