多層涂層和相關應用方法與流程

井下油氣工具經常遭受苛刻的、腐蝕性的或其他極端井下環境。因此，金屬預處理、最終處理、修整和涂層可以作為保護施加在井下工具表面上。

技術實現要素：

在一個方面，本文公開的實施方案涉及井下工具，例如包括環形帶和至少一個在任一端上與所述帶軸向鄰近施加的環形多層涂層的芯軸，所述環形帶包括沿著芯軸的特定軸向長度形成耐磨表面的多個軸向鄰近的焊珠(weld beads)，所述涂層包括直接施加到芯軸表面上的呈現第一顏色的第一層和直接施加到所述第一層上的呈現與第一顏色不同的第二顏色的第二耐磨層，其中當第二層磨損或被去除一定量時，第一層的第一顏色被顯露出來，以指示芯軸應當被停止使用并且重新應用新的耐磨涂層。

在另一個實施方案中，公開了一種井下工具，其包括環形帶，該環形帶包括沿著工具的特定軸向長度形成耐磨表面的多個軸向鄰近的焊珠。該工具可以具有至少一個在任一端上與所述帶軸向鄰近施加的環形多層涂層。所述涂層包括直接施加到工具表面上的第一耐磨層；施加到所述第一耐磨層上的呈現第一顏色的第一顏色層；直接施加到第一顏色層上的呈現與第一顏色不同的第二顏色的第二耐磨層。當第二耐磨層磨損或被去除一定量時，第一顏色層的第一顏色被顯露為磨損程度的指示。

在其它方面，本文公開的實施方案涉及一種施加多層涂層的方法，所述多層涂層軸向地鄰近沿著井下工具的特定軸向長度定位的環形磨損帶的至少一端，所述磨損帶包括多個軸向鄰近的焊珠，所述方法包括將第一層(所述第一層呈現第一顏色)直接施加到軸向鄰近所述耐磨帶的所述井下工具表面的表面上，以及直接施加第二耐磨層(所述第二層呈現與第一顏色不同的第二顏色)到所述第一層上并且基本上軸向地鄰近所述磨損帶，其中當所述第二層磨損或被去除一定量時，所述第一層的第一顏色被顯露以指示所述井下工具應被停止使用并重新施加新的耐磨涂層。

附圖說明

圖1示出了井下工具上的多層涂層的一個實施方案。

圖2示出了井下工具上的多層涂層的橫截面圖。

圖3示出了使用構造涂層的實施方案。

具體實施方式

公開了施加在各種井下工具或可能經歷磨損的任何工業中的任何工具上的多層涂層，以及使用例如熱施加方法例如噴霧將多層涂層施加在表面上的方法。例如，井下油氣鉆探工具應用可以包括任何類型、尺寸或直徑的工具(例如，隨鉆成像或隨鉆測井鉆鋌)例如芯軸、連接器接頭和用于苛刻的、腐蝕性的或其他極端井下環境的其他設備。在某些實施方案中，施加多層涂層在各種非切割表面上，即不用于通過表面的旋轉或其它運動來切割巖石、地面或其它材料的表面，例如鉆頭。其他應用可能包括所有行業，包括海洋、航空航天、核能、農業和軍事。

在一個實施方案中，公開了多層涂層，其中將基層直接施加到金屬基材表面上，例如工具表面的外徑，然后是直接施加到基層上的耐磨損或耐摩擦層。在另一個實施方案中，公開了多層涂層，其中將第一耐摩擦層直接施加到金屬基材表面上，例如工具表面的外徑，然后是直接施加到基層上的第二耐磨損或耐摩擦層。在另一個實施方案中，多個環形多層涂層被施加到工具上，并且每個多層涂層可被設計成以不同的磨損水平顯示基層。這可以為用戶提供一種在沒有工具的情況下容易地測量磨損深度的方式。類似地，在相同的多層涂層內可以使用多種顏色或基層以實現這一點。

多層涂層可以施加在工具表面上的任何位置。當施加在工具上經歷或預期經歷磨損的區域中時，多層涂層可能是特別有用的。在這樣的情況下，當外部耐磨層被去除一定量以露出基層時，即基層對于人眼是可見的，則用戶理解磨損程度，即，工具可以保持使用多長時間或者是否應該將其從服務中移除以例如施加新的耐磨層。

基層的組成和厚度可以根據所需的應用和其它層而變化。通常，基層應以某種方式在視覺上不同于耐磨層，使得其提供磨損的指示。例如，基層可以具有與耐磨層不同的顏色，使得用戶容易看到色差，并且由于耐磨層的磨損或其它去除，基層被暴露出來。通常，基層的著色可以選自任何方便的材料，并且可以根據期望的應用、其他部件、外部環境和其他因素而變化。如果基層要直接施加至金屬基材，那么選擇具有與金屬基材類似的性質的基層組合物可能是有用的。在選擇用于基層的組合物時有時考慮的因素可包括但不限于粘附性、熱膨脹、電解、磁性等。

與基層一樣，一個或多個耐磨層的組合物和厚度也根據所需的應用和其它層而變化。通常，基層外部的耐磨層在視覺上不同，使得其提供磨損的指示。在選擇用于耐磨層例如基層的組合物時有時考慮的因素可包括但不限于粘附性、熱膨脹、電解、磁性等。

各層的粘結強度和孔隙率應當使得涂層在油氣工具經受的井下條件下不會失效。在一個實施方案中，基層和耐磨層都具有大于約9000，或大于約10,000，或大于約11,000psi(根據ASTM633)的粘合強度。在其它實施方案中，基層的粘合強度小于所述一個或多個耐磨層的粘合強度。在一個實施方案中，基層的粘合強度大于約5000，或大于約9000，而耐磨層的粘合強度大于約10,000psi(根據ASTM633)。在一個實施方案中，涂層的每個層的孔隙率小于約1.5，或小于約1.25，或小于約1，或小于約0.9％。

通常，當施加一個基層和一個耐磨層時，基層厚度與耐磨層厚度的比率為約1:5至約5:1，或約1:4至約4:1，或約1:2.5至約2.5:1，或約1:2至約2:1，或約1.5:1至約1:1.5。在一個具體實施方案中，基層為約8至約12千分之一英寸。類似地，在具體實施方案中，耐磨層為約8至約12千分之一英寸。在另一個實施方案中，采用多層涂層，其中直接施加到金屬基材表面(例如工具表面的外徑)上的第一耐磨層為約3至約7千分之一英寸，接著是基層，其為約2至約4千分之一英寸，隨后是直接施加到基層上的第二耐磨層，其為約3至約7千分之一英寸。在另一個實施方案中，無論基層和耐磨層的數量如何，涂層的總厚度為約10-15千分之一英寸。

檢查其上具有多層涂層的工具可以以規律的間隔定期性地進行，例如每次進入和離開井眼時，每隔一次進入和離開井眼時，每五次進入和離開井眼時或以其他間隔。另外，其上具有多層涂層的工具可以在使用一定數量的小時之后，例如在使用至少約兩百(200)小時后，或使用至少約三百(300)小時或使用至少約五百(500)小時，或使用至少約一千(1,000)小時，或使用至少約一千五百(1,500)小時，或至少約兩千小時(2,000)或更長時間。

圖1示出了井下工具100的實施方案的俯視圖，該井下工具100具有施加在工具100的外徑上的特定位置處的多層涂層。井下工具100可以包括沿著工具的特定長度的磨損帶或硬質帶102。磨損帶102可以是形成高耐磨表面的小的鄰近焊珠的匯集。當然，多層涂層104可以施加在任何方便的位置。如圖所示，多層涂層104可以軸向地鄰近磨損帶102的端部施加。軸向鄰近是指相對接近，使得其可鄰接或在其之間具有一些空間。

圖2示出了多層涂層104的實施方案的橫截面圖。基層104a(或第一層)可以直接施加到工具100的外徑。基層104a可以是任何厚度，例如至少一毫米、至少五毫米、至少十毫米或更厚。基層104a可以是任何類型的材料，包括但不限于任何鋁合金、氧化鋁、任何鋁青銅組合物，例如但不限于約3重量％至約12重量％鋁的那些組合物、與其它合金劑如鐵、鎳、錳或硅的任何鋁青銅組合物、氧化鉻二氧化硅、二氧化鈦陶瓷等。另外，基層104a可以是任何基本上非磁性的材料。此外，基層104可以是與要施加在頂部上的層(例如，下述的耐磨層104b)具有良好粘合性的任何材料。

耐磨層104b(或第二層或外層)可以直接施加在第一層104a的頂部上。耐磨層104b可以是任何厚度，例如至少五毫米、至少十毫米、至少二十毫米或更厚。耐磨層104b可以是任何類型的材料，包括但不限于因科鎳合金、不銹鋼、鉬、碳化鎢、所有碳化鎢合金、碳化鉻、氧化鉻二氧化硅、二氧化鈦陶瓷，以及任何其他合適的材料，滿足一個或多個高溫、耐磨擦性和耐腐蝕性的要求。如果需要制造井下工具，其中工具在磨損帶位置沒有突出，則可以在施加之前將金屬底切到大約帶的厚度。

圖3示出了一個實施方案，其中采用構造涂層和研磨來控制鉆鋌井下工具中的基層的厚度。具體地，通過噴涂應用的數量和基層的研磨來控制厚度。

在替代實施方案中，在整個厚度上具有可變顏色的材料的單層可以施加到工具表面的外徑。也就是說，當單層磨損時，不同的顏色可以是可見的或者用戶可檢測的，指示工具是否應當重新涂覆。例如，單層可以具有兩種顏色以指示何時需要重新涂覆(例如，用或不用)，或者單層可以具有多種顏色以指示涂層壽命的階段。

形成多層涂層的具體方式不是特別重要，只要獲得所需的特性即可。通常，制備基材以將表面粗糙化至用于粘附的合適輪廓。在一些情況下，這涉及制作所謂的錨定圖案，例如約2至約4千分之一英寸的鍵合型夾雜輪廓。在一個實施方案中，本文所述的多層涂層可以使用熱噴涂(也稱為金屬化)施加在金屬基材表面上，其中棒、絲或粉末形式的金屬在氧乙炔火焰、電弧或等離子體電弧的流中熔融，并且利用壓縮空氣噴槍以高速將液滴噴射在金屬基板表面上。

可以首先清潔和粗糙化金屬基材表面以提高粘合強度。熱噴涂方法可包括但不限于高速氧燃料(“HVOF”)氣體噴涂、低速氧燃料(“LVOF”)氣體噴涂、等離子噴涂(高或低能量)(常規的高能量或真空)、爆炸槍，其中使用含氧燃料氣體混合物、絲電弧(高或低能量)(其中在兩個可消耗的絲電極之間形成電弧)、火焰絲噴射(其中含氧燃料火焰熔化絲并將其沉積在表面上)，以及其他進行受控爆炸。

在其它實施方案中，也可以使用施加多層涂層的其它方法。例如，碳化鎢涂層可以與聚合物或含氟聚合物以給定體積百分比混合以形成布狀片材。然后可將布狀片材施加在基層上。

有利地，多層涂層減少或消除了用戶在工地上對尺寸的機械或電子測量的需要，從而減少停機時間和不準確性，并提高生產率。此外，原始工具可以反復使用，因為在金屬基材發生顯著的不可逆損壞或其它損壞之前提供磨損指示，這將防止翻新，從而為用戶和操作者提供顯著的成本節省。