Покрытие со сверхнизким трением для бурильных колонн в сборе

Покрытие со сверхнизким трением для бурильных колонн в сборе

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Изобретение относится к области вращательного бурения. Более конкретно оно относится к покрытиям со сверхнизким трением и использованию таких покрытий для бурильных колонн в сборе для уменьшения трения и износа в течение процессов подземного вращательного бурения.

Уровень техники

В процессах вращательного бурения буровую коронку присоединяют к окончанию низа бурильной колонны в сборе, который присоединен к бурильной трубе, включающей трубчатую штангу и бурильные замки, которые могут вращаться по поверхности посредством бурового ротора или блока верхнего привода. Масса бурильной трубы и низа бурильной колонны в сборе вызывает вращение головки бура для бурения отверстия в земле. По мере развития данного процесса новые секции трубчатой штанги добавляют к бурильной трубе для увеличения ее общей длины. Периодически в течение процесса бурения открытый ствол скважины обсаживают для стабилизации стенок и процесс бурения начинают снова. В результате бурильная труба обычно действует как в открытом стволе скважины, так и внутри обсадных труб, которые устанавливают в стволе скважины. Альтернативно гибкие насосно-компрессорные трубы (НКТ) могут заменить бурильную трубу в бурильной колонне в сборе. Сочетание бурильной трубы и низа бурильной колонны в сборе или гибких НКТ и низа бурильной колонны в сборе здесь называют бурильной колонной в сборе. Вращение бурильной трубы подает мощность через бурильную трубу и низ бурильной колонны в сборе к коронке. При бурении с использованием гибких НКТ мощность поставляют к коронке посредством буровых гидравлических насосов. Количество мощности, которое можно передать посредством вращения, ограничено максимальным вращающим моментом, который может выдерживать бурильная труба или гибкие НКТ.

В течение бурения скважины через подземные пласты породы бурильная колонна в сборе подвержена значительному скользящему контакту как со стальной обсадкой, так и с породами. Этот скользящий контакт в основном является следствием вращательных и осевых движений бурильной колонны в сборе в стволе скважины. Трение между движущейся поверхностью бурильной колонны в сборе и неподвижными поверхностями обсадки и породы вызывает торможение бурильной колонны и приводит к избыточному вращающему моменту и торможению в течение процесса бурения. Проблема, вызываемая трением, присуща любому процессу бурения, однако особенно причиняет трудности в направленных скважинах или в скважинах при бурении с увеличенным отклонением от оси скважины (БООС). Направленное бурение или БООС представляет собой намеренное отклонение ствола скважины от вертикали. В некоторых случаях отклонение от вертикали может достигать 90º. Такие скважины обычно называют горизонтальными скважинами и их можно бурить на значительную глубину и значительное расстояние от буровой платформы.

Во всех процессах бурения бурильная колонна в сборе стремится прижаться к стенке ствола скважины или обсадной трубы, однако это наклонность намного выше в направленных скважинах из-за действия силы тяжести. По мере того, как бурильная труба увеличивается в длине или увеличивается градус отклонения от вертикали, величина трения, вызванного вращением бурильной колонны в сборе, также возрастает. Для того чтобы преодолеть это увеличение, трения требуется дополнительная мощность для вращения бурильной колонны в сборе. В некоторых случаях трение между бурильной колонной в сборе и стенкой обсадной трубы или стволом скважины превышает максимальный вращающий момент, который может вынести бурильная колонна в сборе, и/или максимальную вращательную способность буровой установки, и процесс бурения необходимо прекратить. Следовательно, глубина, до которой можно пробурить скважины с использованием доступного оборудования для направленного бурения и технологий, ограничена.

Одним способом уменьшения трения, вызванного контактом между бурильной колонной в сборе и обсадными трубами (в случае обсаженного ствола скважины) или стволом скважины (в случае необсаженного ствола скважины), является улучшение смазывающей способности бурового раствора.

В промышленных процессах бурения предпринимали попытки для уменьшения трения, в основном посредством использования воды и/или буровых растворов на основе масла, содержащих различные типы дорогих и часто экологически вредных добавок. Также часто использовали дизельное топливо и другие минеральные масла в качестве смазочных материалов, однако существует проблема с устранением бурового раствора. Известно, что определенные минералы, такие как бентонит, помогают уменьшить трение между бурильной колонной в сборе и необсаженным стволом скважины. Такие материалы, как тефлон, использовали для уменьшения трения, однако они недостаточно долговечны и прочны. Другие добавки включают растительные масла, асфальт, графит, моющие средства и скорлупу грецких орехов, однако каждое имеет свои собственные ограничения.

Другим способом уменьшения трения, вызванного контактом между бурильной колонной в сборе и обсадными трубами или стволом скважины, является использование алюминиевой бурильной трубы, так как алюминий легче стали. Однако алюминиевая бурильная труба дорога и ее трудно использовать в процессе бурения, и она не совместима со многими типами буровых растворов (например, с буровыми растворами с высоким pH).

Еще одним способом уменьшения трения, вызванного контактом между бурильной колонной в сборе и обсадными трубами или стволом скважины, является использование материала с твердосплавным покрытием на бурильной трубе в сборе (также называемого здесь наплавкой твердого сплава или поверхностным упрочением). В патенте US 4665996, включенным здесь во всей своей полноте путем ссылки, описывают использование поверхностного упрочения сплавом, состоящим из 50-65% кобальта, 25-35% молибдена, 1-18% хрома, 2-10% кремния и менее 0,1% углерода на основную несущую поверхность трубчатой штанги для уменьшения трения между бурильной трубой и обсадными трубами или породой. В результате вращающий момент, необходимый для процесса вращательного бурения, особенно направленного бурения, уменьшается. Описанный сплав также обеспечивает превосходное сопротивление износу бурильной трубы наряду с уменьшением износа обсадных труб. Другой формой наплавки твердого сплава является WC-кобальтовые металлокерамические материалы, применяемые для бурильной колонны в сборе. Другие наплавляемые твердые материалы включают TiC, Cr - карбид и другие системы смешанного карбида и нитрида. Наплавление твердого сплава можно применять для частей бурильной колонны в сборе, используя способы наплавленного слоя сварного шва или термического распыления.

Еще одной проблемой, встречающейся в процессах подземного вращательного бурения, особенно направленного бурения, является износ обсадных труб и бурильной колонны в сборе, который происходит, когда металлические поверхности контактируют друг с другом. Это стирание металлических поверхностей в течение бурения нефтяных и газовых скважин приводит к избыточному износу как бурильной колонны в сборе, так и обсадной трубы скважины. В настоящее время одним предпочтительным решением для уменьшения износа бурильной колонны в сборе является наплавка твердого сплава на части бурильной колонны в сборе. Содержащий карбид вольфрама сплав, такой как Stellite 6 и Stellite 12 (торговая марка Cabot Corporation), обладает превосходной устойчивостью к износу как материал для наплавки твердого сплава. Наплавка твердого сплава защищает бурильную колонну в сборе, однако она приводит к чрезмерному стиранию обсадной трубы скважины. Эта проблема особенно труднопреодолима при направленном бурении, так как бурильная колонна в сборе, которая стремится прижиматься к обсадной трубе скважины, непрерывно стирает обсадную трубу скважины по мере вращения бурильной трубы. Помимо этого, некоторые из этих сплавов наплавки твердого сплава, такие как карбид вольфрама, могут вызывать излишнее трение.

Следовательно, существует потребность в новых технологиях покрытий/ материалов, которые не повреждают обсадные трубы и при этом защищают бурильную колонну в сборе от износа и, в то же время, понижают контактное трение в обсаженном стволе скважины при условиях бурения. Это требует новых материалов, которые сочетают высокую прочность со способностью к низкому коэффициенту трения (КГ) при контакте со стальной поверхностью обсадных труб. Если такое покрытие/материал также может обеспечить низкую поверхностную энергию и низкий КГ на стенке ствола скважин, тогда оно может помочь обеспечить бурение с увеличенным отклонением от оси скважины.

Краткое описание изобретения

По настоящему изобретению предпочтительная бурильная колонна в сборе с покрытием для процессов подземного вращательного бурения включает корпус в сборе с открытой внешней поверхностью, включающий бурильную трубу, соединенную с низом бурильной колонны в сборе, или гибкие НКТ, соединенные с низом бурильной колонны в сборе, и покрытие со сверхнизким трением по меньшей мере на части открытой внешней поверхности корпуса в сборе, где коэффициент трения покрытия со сверхнизким трением равен или меньше 0,15.

Дополнительный аспект настоящего изобретения относится к предпочтительному способу уменьшения трения в бурильной колонне в сборе с покрытием при процессах подземного вращательного бурения, включающему: обеспечение бурильной колонны в сборе с покрытием, включающей корпус в сборе с открытой внешней поверхностью, включающий бурильную трубу, соединенную с низом бурильной колонны в сборе, или гибкие НКТ, соединенные с низом бурильной колонны в сборе, и покрытие со сверхнизким трением по меньшей мере на части открытой внешней поверхности корпуса в сборе, где коэффициент трения покрытия со сверхнизким трением равен или меньше 0,15, и использование бурильной колонны в сборе с покрытием в процессах подземного вращательного бурения.

Еще один аспект настоящего изобретения относится к предпочтительной бурильной колонне в сборе с покрытием для процессов подземного вращательного бурения, включающей: корпус в сборе с открытой внешней поверхностью, включающий бурильную трубу, соединенную с низом бурильной колонны в сборе, или гибкие НКТ, соединенные с низом бурильной колонны в сборе, наплавку твердого сплава по меньшей мере на часть открытой внешней поверхности корпуса в сборе, и покрытие со сверхнизким трением по меньшей мере на части наплавленного твердого сплава, где коэффициент трения покрытия со сверхнизким трением равен или меньше 0,15.

Еще один аспект настоящего изобретения относится к предпочтительному способу уменьшения трения в бурильной колонне в сборе с покрытием при процессах подземного вращательного бурения, включающему: обеспечение бурильной колонны в сборе, включающей корпус в сборе с открытой внешней поверхностью, включающий бурильную трубу, соединенную с низом бурильной колонны в сборе, или гибкие НКТ, соединенные с низом бурильной колонны в сборе, наплавку твердого сплава по меньшей мере на часть открытой внешней поверхности корпуса в сборе, и покрытие со сверхнизким трением по меньшей мере на части наплавленного твердого сплава, где коэффициент трения покрытия со сверхнизким трением равен или меньше 0,15, и использование бурильной колонны в сборе с покрытием в процессах подземного вращательного бурения.

Эти и другие свойства и особенности описанной бурильной колонны в сборе с покрытием, способы уменьшения трения в бурильной колонне в сборе с покрытием для процессов подземного вращательного бурения и их предпочтительные применения и/или использования станут ясными из последующего подробного описания, особенно при прочтении совместно с приложенными к нему чертежами.

Краткое описание чертежей

Чтобы помочь специалисту в получении и использовании предмета обсуждения приведены ссылки на приложенные чертежи.

На Фиг.1 схематически изображена механическая скорость бурения (МСБ) в зависимости от массы, приложенной к коронке (МПК) в течение подземного вращательного бурения.

На Фиг.2 изображены примеры применения описанных здесь покрытий со сверхнизким трением в применениях подземного бурения.

На Фиг.3 изображено соотношение между КГ покрытия и твердостью покрытия для некоторых описанных здесь покрытий со сверхнизким трением в отличие от стали основной комплектации.

На Фиг.4 изображена репрезентативная диаграмма напряжений-деформаций, показывающая высокий предел упругости аморфных сплавов по сравнению с пределом упругости кристаллических металлов/сплавов.

На Фиг.5 изображена тройная фазовая диаграмма аморфных углеродов.

На Фиг.6 изображена схематическая иллюстрация теории водородной ненасыщенной связи.

На Фиг.7 изображена характеристика трения и износа покрытия АПУ (алмазоподобного углерода) при сухом испытании износа при трении скольжения.

На Фиг.8 изображена характеристика трения и износа покрытия АПУ в буровом растворе на основе масла.

На Фиг.9 изображена характеристика трения и износа покрытия АПУ при испытании износа при трении скольжения в буровом растворе на основе масла при повышенной температуре (66°С (150°F)).

На Фиг.10 показана характеристика трения покрытий АПУ при повышенной температуре в буровом растворе на основе масла.

На Фиг.11 сравнивают характеристику ослабления скорости покрытия АПУ с непокрытой, подвергаемой воздействию внешней среды стальной подложкой.

На Фиг.12 изображены СЭМ (сканирующая электронная микроскопия) поперечные сечения описанных здесь однослойных и многослойных покрытий АПУ.

На Фиг.13 изображен краевой угол смачивания водой покрытий АПУ в отличие от непокрытой стали 4142.

На Фиг.14 изображена примерная схема гибридного покрытия АПУ на наплавленном твердом сплаве для бурильных колонн в сборе.

Определения

Бурильную трубу определяют как колонну или трубу трубчатой штанги с присоединенными бурильными замками, переходной трубкой между бурильной трубой и низом бурильной колонны в сборе, включая бурильные замки, тяжелой трубчатой штангой, включая бурильные замки, и износными накладками, которые передают жидкость и вращательную мощность от ведущей бурильной трубы к воротникам бура и коронке. Часто, особенно в нефтяной промышленности, данный термин неточно применяют так, чтобы он включал как трубчатую штангу, так и воротники бура. Бурильная труба не включает буровую коронку.

Бурильную колонну определяют как полную длину пустотелых труб, состоящих из ведущей бурильной трубы, трубчатой штанги и воротников бура, которые составляют буровой снаряд от поверхности до низа бурильной колонны. Бурильная колонна не включает буровую коронку.

Низ бурильной колонны в сборе (НБК) определяют как один или более компонентов, включающих, но не ограничивающихся этим: стабилизаторы, стабилизаторы переменного размера, обратные расширители, воротники бура, гибкие воротники бура, управляемые инструменты для вращательного бурения, расширители с цилиндрическими шарошками, амортизирующие переводники, гидравлические забойные двигатели, инструменты для каротажа в процессе бурения (КПБ), инструменты измерения в процессе бурения (ИПБ), колонковые буровые инструменты, расширители основания буровой скважины, буровые расширители, центраторы, турбины, кривые переходники, наклонные гидравлические двигатели, бурильные ясы, гидравлические ускорители, устанавливаемые над ясом, перепускные переводники, отбойные ясы, устройства уменьшения вращающего момента, переводники с обратным клапаном, ловильные снаряды, ловильные ясы, промывочные трубы, применяемые при ловильных работах, каротажные приборы, переводники приборов для измерения искривления скважины, немагнитные аналоги этих компонентов, сопряженные внешние соединения этих компонентов и их сочетания.

Бурильную колонну в сборе определяют как сочетание бурильной трубы и низа бурильной колонны в сборе или гибких НКТ и низа бурильной колонны в сборе. Бурильная колонна в сборе не включает буровой коронки.

Подробное описание изобретения

Все численные значения в подробном описании и в формуле изобретения здесь даны посредством терминов «примерно» или «приблизительно», применяемых к указанной величине, и они учитывают экспериментальную ошибку, которую может ожидать специалист в данном уровне техники.

Обзор применения покрытий со сверхнизким трением и связанных с этим преимуществ

Глубокие скважины для разведки и добычи нефти и газа бурят с помощью системы вращательного бурения, которая создает ствол скважины посредством разрушающего породу инструмента, буровой коронки. Вращающий момент, приводящий в движение коронку, часто получают на поверхности посредством двигателя с механической коробкой передач. Через трансмиссию двигатель приводит в движение буровой ротор или блок верхнего привода. Средством для транспортировки энергии от поверхности к буровой коронке является бурильная труба (здесь сокращенно обозначаемая как БТ), в основном состоящая из трубчатых штанг. Низшая часть бурильной трубы представляет собой низ бурильной колонны в сборе (здесь сокращенно обозначаемый как НБК), состоящий из воротников бура, стабилизаторов и других устройств, включая устройства измерения, расширителей основания буровой скважины и двигателей. Сочетание бурильной трубы и низа бурильной колонны в сборе здесь называют бурильной колонной в сборе. Альтернативно, гибкие НКТ (насосно-компрессорные трубы) можно использовать вместо бурильной трубы, и сочетание гибких НКТ и низа бурильной колонны в сборе также называют здесь бурильной колонной в сборе. Низ бурильной колонны в сборе соединен с буровой коронкой на буровом наконечнике.

В случае бурильной колонны в сборе, включающей бурильную трубу, периодически в течение процессов бурения добавляют новые секции трубчатой штанги к бурильной колонне, и верхние участки ствола скважины обычно обсаживают для стабилизации стенок и бурение возобновляют. Таким образом, бурильная колонна в сборе (бурильная труба/НБК) испытывает различные типы трения и износа, вызванные взаимодействием между бурильной трубой/НБК/коронкой и обсадными трубами (обсаженная часть ствола скважины) или разрушающим породу инструментом и буровым раствором в пространстве между трубой и внешней стенкой буровой скважины, или бурильной трубой/НБК/коронкой с необсаженной частью ствола скважины (необсаженная часть ствола скважины).

Бурение направлено в более глубокие и твердые пласты, где низкая механическая скорость бурения (здесь сокращенно обозначаемая как МСБ) приводит к высоким затратам на бурение. В других областях, таких как глубокое бурение в глинистых сланцах, может возникать налипание разрубленной породы на низ бурильной колонны, где срезы глинистого сланца прилипают к режущей поверхности коронки из-за различного давления бурового раствора на режущую поверхность со стороны бурового раствора и режущую поверхность со стороны коронки, значительно уменьшая эффективность бурения и МСБ. Налипание срезов к составляющим частям НБК, таким как стабилизаторы, также может привести к неэффективности бурения.

Трение и износ в бурильной колонне в сборе являются важными причинами преждевременного повреждения бурильной трубы или гибких НКТ и связанной с этим потерей энергии, производимой двигателем. Износ стабилизатора может влиять на качество ствола скважины, помимо того, что он приводит к колебательной потере энергии, производимой двигателем. Эти неэффективности могут проявляться как ограничители МСБ или «точки провала» в том смысле, что МСБ не увеличивается линейно с массой, приложенной к коронке (здесь сокращенной обозначаемой как МПК) и числом оборотов в минуту (здесь сокращенно обозначаемых как об/мин) коронки, как предсказывалось с точки зрения механики коронки. Эти ограничения схематически изображены на Фиг.1.

В бурильной промышленности осознали, что колебания бурильной колонны и налипание породы на коронку являются двумя наиболее сильными ограничителями механической скорости бурения. Описанные здесь покрытия со сверхнизким трением при применении к бурильной колонне в сборе помогают ослаблять эти ограничения МСБ.

Окружающие породы при глубоком бурении, особенно пласты твердой породы, вызывают сильные колебания бурильной колонны в сборе, которые могут вызвать уменьшение механической скорости бурения буровой коронки и преждевременное повреждение скважинного оборудования. Двумя основными источниками возбуждения колебаний являются взаимодействия буровой коронки и пласта породы и бурильной колонны в сборе и ствола скважины или обсадных труб. Вследствие этого бурильная колонна в сборе колеблется продольно, со скручиванием, горизонтально, или обычно с сочетанием этих трех основных мод, то есть связанных колебаний. Это приводит к сложной проблеме. Особенно сложная форма колебания бурильной колонны в сборе представляет собой прерывистый режим колебания, который является проявлением неустойчивости при кручении. Статическое контактное трение различных частей бурильной колонны в сборе с обсадными трубами/стволом скважины, а также динамическая характеристика этого контактного трения как функция скорости вращения, могут быть важными для появления прерывистых колебаний. Например, полагают, что вызываемую коронкой прерывистую нестабильность при кручении можно инициировать посредством ослабления скорости контактного трения на поверхностях коронки и ствола скважины, где трение динамического контакта ниже, чем статическое трение.

Современная передовая технология буровой платформы позволяет выполнять множественное бурение боковых скважин из одной начальной скважины. Это может означать бурение на большие глубины и использование технологии направленного бурения, например, с использованием роторно-управляемых систем (здесь сокращенно обозначаемых как РУС). Хотя это дает большие преимущества в стоимости и логистике, это также сильно увеличивает износ бурильной трубы и обсадных труб. В некоторых случаях направленного бурения или бурения с увеличенным отклонением от оси скважины степень отклонения от вертикали, угол от вертикали, может составлять 90°, что обычно называют горизонтальными скважинами. В процессах бурения бурильная труба в сборе стремится прижаться к стенке ствола скважины или обсадных труб. Это тенденция намного выше в направленных скважинах из-за действия силы тяжести. По мере того, как увеличивают длину и/или степень отклонения бурильной трубы, также возрастает общее сопротивление трения, создаваемое вращением бурильной трубы. Для преодоления этого увеличения сопротивления трения требуется дополнительная мощность для вращения бурильной трубы. Получающийся износ и трение в бурильной трубе/обсадных трубах (в обсаженном стволе скважины) являются критическими для эффективности процесса бурения. Измеренная глубина, которую можно достичь в этой ситуации, часто ограничена полезной мощностью вращающего момента буровой установки. Существует необходимость в нахождении более эффективных решений для увеличения срока службы оборудования и производительности бурения с существующими установками и приводными механизмами для увеличения горизонтального бурения при бурении с увеличенным отклонением от оси. Высокое контактное трение в этих применениях приводит к высокому вращающему моменту и сопротивлению среды, которое может ограничивать зону досягаемости при бурении с увеличенным отклонением от оси. Было обнаружено, что нанесение на всю бурильную колонну в сборе или на ее части покрытия со сверхнизким трением может решить эти проблемы. На Фиг.2 обозначены области бурильной колонны в сборе, на которые можно нанести описанные здесь покрытия со сверхнизким трением для уменьшения трения.

Другой аспект по настоящему изобретению относится к использованию покрытий со сверхнизким трением для улучшения характеристики бурильного оборудования, особенно бурильной головки для бурения в пластах, содержащих глину и подобные вещества. В настоящем изобретении используют новые материалы или системы покрытий с низкой поверхностной энергией для обеспечения поверхностей с низкой термодинамической энергией, например смачиваемых неводной жидкостью поверхностей деталей низа бурильной колонны. Описанные здесь покрытия со сверхнизким трением подходят для нефтяного и газового бурения в областях вязких горных пород, такого как глубокое бурение в глинистых сланцах с высокими содержаниями глин, с использованием буровых жидкостей на водной основе (здесь кратко обозначаемых как БВО) для предотвращения налипания разрубленной породы на буровую коронку и низ бурильной колонны в сборе.

Более того, описанные здесь покрытия со сверхнизким трением при нанесении на бурильную трубу в сборе могут одновременно уменьшать контактное трение, налипание разрубленной породы на коронку и уменьшать износ, в то же время не обеспечивая долговечности и механической целостности обсадных труб в случае обсаженного ствола скважины. Таким образом, описанные здесь покрытия со сверхнизким трением являются «не причиняющими вреда обсадным трубам» в том, что они не уменьшают срок службы или функциональные возможности обсадных труб. Для описанных здесь покрытий со сверхнизким трением также характерна низкая чувствительность или отсутствие чувствительности к характеристике уменьшения скорости из-за трения. Таким образом, бурильные колонны в сборе, снабженные описанными здесь покрытиями со сверхнизким трением, обеспечивают поверхности с низким трением с преимуществами как в области ослабления прерывистых колебаний, так и в области уменьшения паразитного вращающего момента для того, чтобы обеспечить дополнительную способность к бурению со сверхвысоким отклонением от оси скважины.

Описанные здесь покрытия со сверхнизким трением для бурильных колонн в сборе предоставляют следующие примерные неограничивающие преимущества: 1) ослабление прерывистых колебаний, 2) уменьшение вращающего момента и сопротивления-среды для увеличения зоны досягаемости для скважин с большим отклонением от оси, и 3) ослабление налипания разрубленной породы на буровую коронку и другие компоненты низа бурильной колонны. Эти три преимущества совместно с минимизацией паразитного вращающего момента могут привести к значительным улучшениям в механической скорости бурения, также как и в долговечности скважинного бурового оборудования, также таким образом внося вклад в уменьшение непродуктивного времени (здесь сокращенно называемого НПВ). Описанные здесь покрытия со сверхнизким трением не только уменьшают трение, но также противодействуют агрессивным компонентам среды, окружающей погруженное в скважину буровое оборудование, требующее химической устойчивости, устойчивости к коррозии, ударной устойчивости, устойчивости к износу, эрозионной и механической сохранности (прочности поверхности раздела покрытие - подложка). Описанные здесь покрытия со сверхнизким трением также подходят для применения в сложных формах без повреждения свойств подложки. Более того, описанные здесь покрытия со сверхнизким трением также обеспечивают поверхности с низкой энергией, необходимые для обеспечения сопротивления налипанию разрубленной породы компонентам низа бурильной колонны.

Примерные воплощения по настоящему изобретению

В одном примерном воплощении по настоящему изобретению бурильная колонна в сборе с покрытием для процессов подземного вращательного бурения включает корпус в сборе с открытой внешней поверхностью, включающий бурильную колонну, соединенную с низом бурильной колонны в сборе, или гибкие НКТ, соединенные с низом бурильной колонны в сборе, и покрытие со сверхнизким трением на по меньшей мере части открытой внешней поверхности корпуса в сборе, где коэффициент трения покрытия со сверхнизким трением равен или меньше 0,15. В альтернативных формах этого воплощения коэффициент трения покрытия со сверхнизким трением может быть равен или меньше 0,13, или 0,11, или 0,09, или 0,07, или 0,05. Силу трения можно вычислить следующим образом:

Сила трения=Нормальная (вертикально направленная) сила х коэффициент трения

В другом воплощении бурильная колонна в сборе с покрытием для процессов подземного вращательного бурения может обладать коэффициентом динамического трения покрытия со сверхнизким трением, который не ниже 50%, или 60%, или 70%, или 80%, или 90% от статического коэффициента трения покрытия со сверхнизким трением. В еще одном воплощении бурильная колонна в сборе с покрытием для процессов подземного вращательного бурения может обладать коэффициентом динамического трения покрытия со сверхнизким трением, который выше или равен статическому коэффициенту трения покрытия со сверхнизким трением.

Покрываемая бурильная колонна в сборе может состоять из сталей (сплавов на основе железа), сплавов на основе алюминия, сплавов на основе никеля и сплавов на основе титана. Сталь 4142 представляет собой один неограничивающий пример стали, используемый для компонентов бурильной колонны в сборе. Поверхности подложки из стали можно при необходимости подвергнуть дополнительной обработке поверхности до нанесения покрытия со сверхнизким трением. Усиленная обработка поверхности может обеспечить одно или более из следующих преимуществ: повышенная долговечность, уменьшенный износ, уменьшенный коэффициент трения, уменьшенная усталость и повышенная коррозионная характеристика слоя(ев) покрытия со сверхнизким трением. Неограничивающие примеры дополнительных обработок поверхности включают ионную имплантацию (ионное легирование), азотирование, науглероживание, дробеструйное упрочение, лазерное полирование и полирование электронным пучком, лазерную нагартовку и их сочетание. Такие обработки поверхности могут повышать прочность поверхности подложки путем введения дополнительных веществ и/или накладывать глубокое остаточное напряжение сжатия, приводящие к подавлению роста трещин, вызванного повреждением из-за усталости, удара и износа.

Описанное здесь покрытие со сверхнизким трением можно выбрать из аморфного сплава, нанесенного химическим осаждением никель-фосфорного композиционного материала, графита, MoS₂, WS₂, композиционного материала на основе фуллерена, металлокерамики на основе борида, квазикристаллического материала, материала на основе алмаза, алмазоподобного углерода (АПУ), нитрида бора и их сочетаний. Материал на основе алмаза может быть химически осажденным из паровой фазы (ХОПФ) алмазом или поликристаллическим синтетическим алмазом (ПСА). В одном преимущественном воплощении бурильная колонна в сборе с покрытием для процессов подземного вращательного бурения покрыта покрытием со сверхнизким трением из алмазоподобного углерода (АПУ), и более конкретно АПУ покрытие можно выбрать из тетраэдрического аморфного углерода (ТАУ), тетраэдрического аморфного гидрированного углерода (ТАГУ), алмазоподобного гидрированного углерода (АПГУ), подобного полимеру гидрированного углерода (ППГУ), подобного графиту гидрированного углерода (ПГГУ), кремнийсодержащего алмазоподобного углерода (КАПУ), металлсодержащего алмазоподобного углерода (МАПУ), кислородсодержащего алмазоподобного углерода (КСАПУ), азотсодержащего алмазоподобного углерода (ААПУ), борсодержащего алмазоподобного углерода (БАПУ), фторсодержащего алмазоподобного углерода (ФАПУ) и их сочетаний.

Значительное уменьшение коэффициента трения (КГ) бурильной колонны в сборе приводит к значительному уменьшению силы трения. Это приводит к меньшей силе, требуемой для скольжения выбуренной породы вдоль поверхности бурильной колонны в сборе с покрытием. Если сила трения достаточно мала, возможно увеличение подвижности выбуренной породы вдоль поверхности до тех пор, пока она может подниматься по поверхности бурильной колонны в сборе или перемещаться к затрубному пространству (между колонной и стенками скважины). Также возможно, что повышенная подвижность выбуренной породы вдоль поверхности может подавлять образование различным образом налипших выбуренных пород из-за разницы давления между буровым раствором и областью границы раздела между выбуренными породами и буром, из которой выжат буровой раствор, удерживающей выбуренную породу на лезвии бура. Понижения КГ на поверхностях компонентов бурильной колонны в сборе достигают путем покрытия этих поверхностей описанными здесь покрытиями со сверхнизким трением. Эти покрытия со сверхнизким трением, которые наносят на бурильную колонну в сборе, способны противостоять агрессивным веществам окружающей среды при бурении, включая сопротивление коррозии, ударной нагрузке и воздействию высоких температур.

Помимо сверхнизкого КТ покрытия по настоящему изобретению также обладают достаточно высокой твердостью для того, чтобы противостоять износу в течение процессов бурения. Более конкретно, твердость по Виккерсу или твердость, эквивалентная твердости по Виккерсу, описанных здесь покрытий со сверхнизким трением на бурильных колоннах в сборе, может быть больше или равной 400, 400, 600, 700, 800, 900, 1000, 1500, 2000, 2500, 3000, 3500, 4000, 5000, 5500 или 6000. Твердость по Виккерсу больше 400 позволяет использовать бурильную колонну в сборе с покрытием по настоящему изобретению для бурения в глинистых сланцах с буровыми растворами на основе воды и допускает использование стабилизаторов бурильной колонны со спиральной канавкой. На Фиг.3 изображено соотношение между КТ покрытия и твердостью покрытия для некоторых описанных здесь покрытий со сверхнизким трением в отличие от сталей бурильной трубы/НБК предыдущего уровня техники. Сочетание низкого КТ и высокой твердости описанных здесь покрытий со сверхнизким трением при использовании их в качестве покрытия поверхности бурильной колонны в сборе обеспечивает твердые, долговечные материалы с низким КТ для применений в бурении с погруженным пневмоударником.

Бурильная колонна в сборе с покрытием с описанными здесь покрытиями со сверхнизким трением также обеспечивает поверхностную энергию меньше 1,0, 0,9, 0,8, 0,7, 0,6, 0,5, 0,4, 0,3, 0,2 или 0,1 Дж/м² для ослабления прилипания или налипания вырубленной породы в течение процессов подземного вращательного бурения. Краевой угол также можно использовать для количественной характеристики поверхностной энергии описанных здесь покрытий со сверхнизким трением на бурильных колоннах в сборе с покрытием. Краевой угол смачивания водой описанных здесь покрытий со сверхнизким трением больше 50, 60, 70, 80 или 90°.

Дополнительные подробности, касающиеся описанных здесь покрытий со сверхнизким трением для использования в бурильных колоннах в сборе, приведены далее.

Аморфные сплавы со сверхнизким трением

Аморфные сплавы в качестве описанных здесь покрытий со сверхнизким трением для бурильных колонн в сборе обеспечивают высокий предел упругости/скоростной напор потока при относительно высокой твердости. Эти характеристики позволяют таким материалам, когда они подвергаются сжатию или растяжению, оставаться упругими для более высоких растяжений/сжатий по сравнению с материалами с кристаллической структурой, такими как стали, используемые в бурильных колоннах в сборе. Соотношение растяжение-сжатие аморфных сплавов в качестве покрытий со сверхнизким трением для бурильных колонн в сборе и обычных сплавов с кристаллической структурой/сталей изображено на Фиг.4 и показывает, что традиционные сплавы с кристаллической структурой/стали могут легко пластически деформироваться при относительно низких растяжениях/сжатиях по сравнению с аморфными сплавами. Преждевременная пластическая деформация на поверхностях контакта приводит к образованию неровностей поверхности и последующим высоким силам контакта с неровностями и КГ металлов с кристаллической структурой. Вообще, высокий предел упругости аморфных металлических сплавов или аморфных материалов может привести к уменьшению образования неровностей, что также приводит к значительному усилению сопр