[发明专利]采用摩擦搅拌处理加工管道的环形加硬接头的方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请基于35U.S.C.§119(e)要求于2008年8月14日递交的美国专利申请No.61/088,868的优先权，通过引用将其全部内容结合于此。

技术领域

在此公开的各实施方式主要涉及用在钻井操作中的改进的工具接头或其它磨损面。特别地，在此公开的各实施方式主要涉及向工具接头或其它磨损面涂覆耐磨材料或以其它方式改进工具接头或其它磨损面的性能的方法。

背景技术

钻探用于碳氢化合物开采的井眼涉及钻杆的使用，钻头连接到钻杆的一端，用于钻穿地层。钻杆的旋转运动确保钻探的推进。典型的钻杆可以达到长度约30英尺的分段，且因此，这些分段由工具接头彼此连接。工具接头为钻杆的各分段之间的连接构件---一个构件(外壳)具有内螺纹，配合构件(销)具有外螺纹，它们通过内螺纹和外螺纹装配成连续单元，使钻杆形成钻杆柱。通常，这些工具接头具有明显大于钻杆本体的直径，因此要求磨损防护，特别在当钻穿高磨蚀、高硅质土层时。特别地，当钻探进行时，工具接头摩擦钻成的孔和/或钻成的孔衬里(即，套管)。围绕螺纹之上的壁厚和外壳的热处理性能设计连接的强度。在钻探期间，螺纹之上的壁厚随着它摩擦壁或套管而变薄。因此，根据工具接头的剩余强度预测钻杆的寿命。

由于希望增加工具接头的寿命，已经执行了大量的尝试，以向工具接头(或其它易磨损面，如稳定器或钻铤)提供保护性硬化面合金或覆层，以形成环形加硬层。已经采用多种方法来向接头涂覆这种磨损降低材料，包括：GMAW(金属气电焊)、GTAW(钨电极惰性气体保护焊)、PTA(等离子体转移弧)和FCAW(熔剂芯焊丝电弧焊)。这些焊接工艺特征在于，在电焊条(可消耗的或者不可消耗的)和工具接头基材之间建立电弧。一旦建立这种电弧，强热形成等离子体。形成等离子体的气体经由来自管状线的外部气体或成分提供。等离子体的温度超过10000度的绝对温度，且在焊缝的中心最高，且沿着焊缝的宽度降低。

在历史上，且在实际中，工具接头已经涂有碳化钨，以抵抗钻孔中的岩层对工具接头的磨损。然而，碳化钨贵，它可以用作切割工作，以切割它在其中行径的套管，基质为软钢，其容易侵蚀掉，以允许碳粒子脱落。

其它现有技术使用的比硅质土材料硬的表面硬化材料在凝固之后且一旦冷却就以碎裂的方式碎裂和破裂，这是因为其结构的易碎属性和该结构不能承受凝固收缩应力，且通常在破裂时发射声能，以及如之前所述的那样，引起相当大的套管磨损。这些表面硬化材料为属于公知的“高铬-铁”组的合金，它们的高耐磨性源于存在共晶和/或过共晶型铬-碳微结构。

硅质土颗粒具有约800布氏硬度值(BHN)的硬度。在U.S.专利No.5,244,559中，所使用的表面硬化材料属于包含初生碳化钨的高铬-铁组，在硬度至少为300BHN至600Hv的基质中，初生碳化钨具有约1700Hv的硬度。处于这么高硬度的这些初生碳化钨是易碎的，几乎不具有抗张强度，因此在冷却时以取决于金属和碳化钨的混合物中的初生碳化钨的相对数量的频率从熔融状态撕开。因此，当通过焊接或采用大块焊接执行涂覆时，这种在比硅质土材料硬的表面硬化材料在焊缝范围内形成收缩裂缝。已经在多年时间内广泛且成功地涂覆这种材料，用于工具接头的环形加硬和其它工业产品的表面硬化。

虽然这些材料已经变得且仍被业内人员广泛接受，但用户表示期望一种环形硬化工具接头合金，其将外壳友好性与没有脆性裂纹地焊接相结合，以最小化任何机械故障风险问题。实际上，在大多数工业(包括石油和天然气工业中井下钻探设备的使用)中，构成给定工厂的结构和设备的金属成分必须具有完整性，这意味着没有任何种类的裂缝，因为这种裂缝可能会穿过块体发展并损坏部件。

U.S.专利No.6,375,865描述了一种具有马氏体-奥氏体微观结构的和静，其在焊接至工业产品之前预加热并在焊接后变凉。这种结构类型的合金可以无裂缝地沉积(由预处理和后处理进一步辅助)，且以出色的金属-金属磨损性能和低脆性为特征。

由磨损机制产生的磨损在包括钻探工业的多部分工业中总是存在且仍保持主要关注。然而，由于可以使用的材料与GMAW、GTAW、PTA和FCAW一起使用的限制，以及对不伤害外壳的材料的类型限制，对可以使用的材料的类型存在一些限制。

因此，对发展通过采用处理技术和/或涂覆材料以增加组件的使用寿命来改进工具接头或其它磨损面的性能的方法存在持续的需求。

发明内容