專利名稱：用于管狀連接件的新型處理方法和設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及具有金屬硬密封的用于石油和天然氣井套管和管 道的螺紋連接件的表面處理。更具體地，本發(fā)明涉及在螺紋連接件磷酸
鋅處理中設(shè)定磷葉石(Zn2Fe(P04)2'4H20)與磷鋅礦(Zn3(P04)2'4H20)
的比例以提供改進(jìn)的耐磨損性能。
背景技術(shù)：
套管接合件、襯墊以及其它油田管狀元件經(jīng)常用于井的鉆孔、精加 工和形成。例如，套管接合件可以放置在井孔中以穩(wěn)定底層或防止底層 受到井孔壓力升高(例如井孔壓力超過地層壓力)的破壞。
套管接合件可以通過首尾相連的方式由螺紋連接件相連，螺紋連接 件被設(shè)計(jì)成在相連的套管接合件的內(nèi)部形成密封并在套管接合件的外 壁與井孔的壁之間形成環(huán)形空間。所述密封可以是接近連接件形成的金 屬硬密封(metal-to-metal seal)。在授予Blose等人的美國專利號 No.5，423,579和授予Blose的No.2，893,759中教導(dǎo)了這種金屬硬密封的 實(shí)例，兩件專利都轉(zhuǎn)讓給了本發(fā)明的受讓人。
在螺紋連接件上采用的用于相對薄壁的油田管狀元件的金屬硬密 封可以具有從螺紋連接件中線測得的小于IO度的淺密封角，以最有效 地利用管的薄壁。
由于具有相對較高的D/t比(管的標(biāo)稱外徑與管的標(biāo)稱壁厚的比)， 大直徑油田管狀元件會出現(xiàn)因制造變量而產(chǎn)生橢圓度或其它偏心率或 遭受不正確操作的破壞。當(dāng)在大直徑套管的螺紋連接件上采用金屬硬密 封時，螺紋設(shè)計(jì)者經(jīng)常被迫提高組裝時(也就是在連接件通過螺紋連接 在一起時)密封表面之間的干涉，以確保管產(chǎn)生的任何偏心不會影響密 封性能。密封干涉通常以標(biāo)稱管直徑每英寸直徑干涉的千分之一測得。
密封干涉落在標(biāo)稱管直徑每英寸0.0025" 0.0045'的范圍內(nèi)。例如，16" 標(biāo)稱直徑管的金屬硬密封具有直徑上0.040" 0.072"的組裝干涉。
在此采用的大直徑油田管狀元件大體上是指具有大于或等于 9.375"標(biāo)稱直徑的管，盡管如此本發(fā)明的權(quán)益并不局限于這一尺寸的管。
而且，目前鉆石油和天然氣井的公司通常要求的是大直徑套管上的 螺紋連接件能夠重復(fù)組裝和松開循環(huán)，也就是說連接件必須組裝(通過 螺紋擰緊在一起)和松開(螺紋旋開)多次，而不會對金屬硬密封表面 產(chǎn)生有害的作用，例如磨損。
磨損是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員眾所周知的現(xiàn)象。磨損被認(rèn)為是產(chǎn)生不 利的潤滑損失。磨損經(jīng)常是由在長表面上的高接觸應(yīng)力引起的。因此， 具有淺接觸角(淺接觸角當(dāng)然會導(dǎo)致高接觸應(yīng)力)的油田管狀元件的磨 損尤其明顯。此外，在大直徑管狀元件上也常見磨損，因?yàn)楦呓佑|應(yīng)力 與大直徑有關(guān)。
提出能夠組裝連接件數(shù)次的要求以確保如果在將套管送入井內(nèi)時 遇到問題，例如在井孔屮存在阻礙，則在問題得到解決的同時可以從井 孔內(nèi)取出套管，并且套管得到重新安裝。這種組裝和松開要求的常規(guī)解 釋是螺紋連接件能夠組裝三次并松開兩次，通過套管完全伸入井孔內(nèi)的 過程模擬兩個問題。當(dāng)對用于油田連接件的螺紋連接件進(jìn)行組裝時，通常它們由一般稱 為"管子涂料"的"螺紋油"潤滑。螺紋油最常見的是油脂基混合物，具有 鉛、銅或錫或者石墨或者它們的氧化物或硫化物、或類似的無機(jī)材料、 或備選的PTFE或其它合成材料的附帶顆粒。這些顆粒通常尺寸范圍是 從1微米到大約75微米，但有時尺寸大于IOO微米。
例如美國專利No.2.543,741 (Zweifel)教導(dǎo)了一種用于螺紋接合件 的潤滑組合物，包含片狀銅粉、鉛粉末和石墨。組合物中的片狀銅粉非 常小，通常基本上是均勻厚度的，范圍在3.9xl0—s到19.5xl0—s英寸(或 大約1微米到5微米)。還教導(dǎo)了片狀銅粉的最大尺寸不應(yīng)該超出大約 76微米。
美國專利No.2,754,266 (Stegemeier等人)教導(dǎo)了一種導(dǎo)電螺紋化 合物，包含金屬、金屬氧化物或金屬硫化物的細(xì)顆粒，最大顆粒尺寸小 于大約0.002"(大約50.8微米)，優(yōu)選小于0.001"(大約25.4微米)。
美國專利No.3,423，315 (McCarthy等人)教導(dǎo)了一種包含粉末鉛顆 粒的管螺紋潤滑劑，其中鉛顆粒的大約63%可以通過325目的篩子(也 就是尺寸小于44微米)，鉛顆粒的另外14%可以通過200目的篩子(也 就是尺寸小于74微米)。
美國專利No.3,935，114 (Donaho)教導(dǎo)了一種用于油田鉆頭軸頸軸 承的低磨耗油脂，其包括具有顆粒尺寸范圍的二硫化鉬，包含一些細(xì)微 和一些粗糙的顆粒，100%的顆?？梢酝ㄟ^100目的篩子(也就是小于 149微米)并且85%的顆?？梢酝ㄟ^325目的篩子(也就是小于44微 米)。
當(dāng)大直徑套管上的螺紋連接件具有用于與高密封干涉結(jié)合的淺角 金屬硬密封(也就是密封件具有小于10度的密封角)時，金屬硬密封 表面可以在組裝過程中與連接件的幾個旋轉(zhuǎn)中相接觸。
而且，如果螺距(通常被定義為每英寸的螺紋數(shù))較高，則與螺距 較低時相比金屬硬密封表面可以在組裝過程中連接件的更多旋轉(zhuǎn)中處 于接觸。油田管狀元件的螺紋連接件采用的螺距通常在每英寸2個螺紋 到每英寸6個螺紋的范圍。
總之，變量的這種組合產(chǎn)生的情形是金屬硬密封的兩個鋼表面在與 接觸表面正交的應(yīng)力作用下在相當(dāng)大的螺線距離內(nèi)保持滑動接觸。這意 味著在這種狀態(tài)下，金屬硬密封表面在反復(fù)的組裝-松開循環(huán)中極易磨 損。
通常，向油田管狀元件上的螺紋連接件涂敷磷酸鹽涂層以降低存儲 過程中產(chǎn)生的腐蝕并提高組裝過程中螺紋潤滑劑(管涂料)的保持力。 為此采用多種類型的磷酸鹽涂層。例如，在壽命周期內(nèi)可以看到幾百個 組裝和松開循環(huán)的鉆桿螺紋通常涂敷有重磷酸錳處理層。磷酸錳涂層通 常比磷酸鋅涂層更厚、更硬、具有更好的熱穩(wěn)定性并且耐磨光性能更好。
然而，磷酸錳處理比磷酸鋅處理昂貴的多而且涂敷起來更耗時。
磷酸鋅涂層在工業(yè)上一直被廣泛用作噴漆的涂層以提高噴漆層的 粘附力并提高耐腐蝕性。鋼質(zhì)基底上的磷酸鋅涂層通常包括兩個含水礦
物磷鋅礦(磷酸鋅，Zn3(P04)2'4H20 )和磷葉石(磷酸鋅鐵， Zn2Fe(P04)2'4H20)。磷鋅礦晶體通常是正交晶形式，莫氏硬度大約為4。 磷葉石晶體通常是單斜晶形式的，莫氏硬度大約為3。
已知的是(a)磷酸鹽涂層的重量通常以每平方米的克數(shù)(gm/m2) 測得，(b)涂層中磷葉石和磷鋅礦的比例對隨后形成的涂層(例如漆 層)的粘附力和耐腐蝕性具有很深的影響，并且這些是決定磷酸鹽涂層 效率的重要特征。
磷酸鋅涂層中磷葉石和磷鋅礦的比例通常被表達(dá)成稱為"磷葉石比 率"或"P-比率"的比率，具體表達(dá)為
P-比率二lp/lp+lh (公式l) 式中l(wèi)h表示來自磷鋅礦表面的X射線衍射強(qiáng)度，lp表示來自磷葉 石表面的X射線衍射強(qiáng)度。P-比率被廣泛認(rèn)為是鐵和鋼上底漆的磷酸鋅 型薄膜的特征值。
傳統(tǒng)上，在磷酸鋅處理系統(tǒng)中形成磷葉石所需的鐵通過鋼質(zhì)基底溶 解獲得。在一些現(xiàn)代磷酸鋅處理系統(tǒng)中，還在磷酸鹽處理溶液中加入可 利用的鐵。對于"三陽離子"磷酸鹽處理系統(tǒng)的情形，還可以在磷酸鹽浸 浴中加入鎳和錳。
為了參照本發(fā)明測定P-比率，作為本領(lǐng)域的現(xiàn)行實(shí)踐，假設(shè)P-比率 中的"磷葉石"不僅包含磷酸鋅鐵，而且包含其任何類似物，其中溶于磷 酸鹽處理溶液中的錳、鎳、鈷、鈣、鎂、銅和/或類似陽離子可以替換磷 葉石中的一些或全部鐵。
用于確定P-比率的標(biāo)準(zhǔn)方法是通過X射線衍射；然而也可以通過 多種方法實(shí)驗(yàn)確定，包括例如在美國專利No.4,544,639 (Faust)中教導(dǎo) 的試劑方法。
當(dāng)磷酸鋅涂層被用作鋼上的底層以作為噴漆表面(例如在汽車或器 具應(yīng)用中)時，本領(lǐng)域中眾所周知的是通過保持磷酸鋅底層具有非常高 的P-比率可以極大地提高的噴漆表面耐鹽霧和疵痂腐蝕性能。也就是
說，需要降低用作噴漆底層的磷酸鋅涂層中磷鋅礦的比例。
正如美國專利No.6,179,934 (Kawakami等人)第2欄第41行的教 導(dǎo)，認(rèn)為0.8-1.0的P-比率值為噴漆層基底的涂層提供良好的轉(zhuǎn)化涂層。
美國專利No.6,612,415 (Yamane)披露了用于鋼質(zhì)盤式制動蹄磷酸 鹽涂層以在襯板于摩擦材料之間實(shí)現(xiàn)良好結(jié)合的最佳P-比率是0.8-1.0。
美國專利No.4,510,209 (Hada等人)教導(dǎo)了一種雙涂層鋼質(zhì)材料， 其具有鋅或鋅基合金(實(shí)質(zhì)上為鍍鋅鋼)的底層以及涂敷磷酸鋅層的表 面以提高涂層例如噴漆層的性能。該專利還教導(dǎo)了當(dāng)向鍍有鋅或鋅基合 金的鋼質(zhì)材料涂敷常規(guī)的磷酸鋅層時，所得到的磷酸鹽涂層薄膜主要包 括針狀晶體形式的磷鋅礦型磷酸鋅(Zn3(P04)2'4H20)。
本領(lǐng)域已知的是涂敷在純鋅上的磷酸鋅處理層在溶液中缺乏任何 游離鐵時產(chǎn)生100%的磷鋅礦。將在后文論述的是，極為需要的是在用 于汕田管狀元件的螺紋連接件上的磷酸鋅涂層中具有更高的磷鋅礦比 例，但'209專利教導(dǎo)的過程所需的鋅基涂層需要的附加費(fèi)用使得油田螺 紋連接件變得不經(jīng)濟(jì)。
盡管如此，如圖l所示('209專利的圖3) ， '209專利教導(dǎo)了根據(jù) 涂層中鋅的濃度在鍍鋅鋼上的磷酸鋅涂層中存在三個截然不同的結(jié)晶 形成"區(qū)域"，如下(a)當(dāng)鋅的重量含量在2%到40%之間時，所得到 的磷酸鹽涂層主要包括細(xì)顆粒形致密晶體形式的磷酸鋅鐵或磷葉石。如 圖1曲線II所示，該區(qū)域被標(biāo)記為"晶粒形晶體"。(b)當(dāng)鋅的重量含 量處于大約40%到大約60%的范圍時，磷酸鹽薄膜層包括微粒形磷葉 石晶體和粗針狀磷鋅礦晶體的混合物。如圖1曲線II所示，該區(qū)域被標(biāo) 記為"針狀晶體和晶粒形晶體的混合物"。(c)當(dāng)鋅的重量含量超過大約 60%時，磷酸鹽層主要包括磷鋅礦晶體，如圖1曲線II所示，該區(qū)域被 標(biāo)記為"針狀晶體"。該圖表清楚地示出隨著涂層中鋅與鐵比率的變化對 磷酸鋅涂層的晶體形態(tài)(包括晶體尺寸和形狀)的影響的連續(xù)性。
總之，磷鋅礦晶體往往比磷葉石晶體變得更大(據(jù)記載長度達(dá)到 20-50微米)，并且以隨機(jī)定向包括一些垂直或與基底平面正交生長的 一些晶體。
磷鋅礦晶體生長的隨機(jī)圖案導(dǎo)致晶體之間存在相對較大的空隙。相 對較大的晶體尺寸、隨機(jī)(和有時垂直的)晶體生長以及大空隙一直被 示出對富含磷鋅礦的磷酸鋅層的外層(例如噴漆層)的粘附力具有不利
的影響。
然而一直需要的是一種在油田套管的螺紋連接件上用于提高磷酸 鋅涂層性能以滿足重復(fù)制造和松開循環(huán)的要求而不是采用錳磷酸鹽處 理系統(tǒng)或其它昂貴的磷酸鹽處理系統(tǒng)的方法。

發(fā)明內(nèi)容
一方面，本發(fā)明涉及一種為特定標(biāo)稱直徑和壁厚的油田管狀元件設(shè) 計(jì)螺紋連接件的方法，所述螺紋連接件包括金屬硬密封(metal-to-metal seal)和磷酸鋅涂層，所述方法包括步驟確定所需的螺距、確定所需 的金屬硬密封角、確定在螺紋連接件預(yù)定組裝時金屬硬密封表面之間所 需的直徑干涉、以及為磷酸鋅涂層選定適當(dāng)?shù)腜-比率以防止在指定次數(shù) 的組裝和松開循環(huán)過程中產(chǎn)生磨損。
另一方面，本發(fā)明涉及一種用于油田管狀元件的螺紋連接件，其具 有金厲硬密封和磷酸鋅涂層，所述磷酸鋅涂層具有小于或等于0.8的P-比率。
另一方面，本發(fā)明涉及一種處理螺紋連接件的方法，包括的歩驟有 確定足以形成磷鋅礦涂層厚度的處理時間，以及在足以形成磷鋅礦涂層 厚度的時間內(nèi)，使用磷酸鹽化合物涂覆至少一部分螺紋連接件。
從以下描述和附加權(quán)利要求中將會清楚地了解到本發(fā)明的其它方 面和優(yōu)點(diǎn)。


圖l是表示在鍍鋅鋼磷酸鋅涂層上形成的類型的天然晶體的曲線圖, 如美國專利No,4,510,209所教導(dǎo)。
圖2是用于油田管狀元件的具有金屬硬密封的螺紋連接件,如美國 專禾ij No.2,893，759所教導(dǎo)。
圖3是表示跨過磷酸鹽層的負(fù)電性相對浸漬時間的現(xiàn)有技術(shù)的曲線 圖。來自Industrial Press, Inc， 1986. ISBN 0-8311-1168-2的磷酸化和金屬 予頁處理(Phophating and Metal Pre-Treatment(D.B. Freeman))。
具體實(shí)施例方式
一方面，本發(fā)明的實(shí)施方式涉及一種具有金屬硬密封和磷酸鋅涂層 的螺紋連接件的方法。特別地，實(shí)施方式涉及一種處理螺紋連接件的方 法。而且，實(shí)施方式涉及具有金屬硬密封和磷酸鋅涂層的螺紋連接件。
參照圖2，示出了具有金屬硬密封的用于油田管狀元件的螺紋連接 件。該螺紋連接件具有圓柱形內(nèi)螺紋或套管元件1，其與圓柱形外螺紋 或插銷元件2相連。套管元件1和插銷元件2可以與相鄰套管元件(未 單獨(dú)示出)的端部一體并被設(shè)計(jì)成將相鄰套管連接在一起。套管元件1 和插銷元件2可以分別包括互補(bǔ)的內(nèi)和外螺紋部分3和4。套管元件1 包括錐形密封表面5，其與插銷元件2的相應(yīng)密封表面6基本上互補(bǔ)。
在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中，為螺紋連接件例如圖2所示的螺紋連 接件設(shè)置磷酸鋅涂層。該磷酸鋅涂層可以包括磷鋅礦和磷葉石?？梢栽?套管元件1或插銷元件2中的任何一個上涂敷磷酸鋅涂層。備選地，可 以在套管元件1和插銷元件2上涂敷磷酸鋅涂層。
根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式，通過選擇適當(dāng)?shù)腜-比率確定磷鋅礦和 磷葉石的數(shù)量?？梢酝ㄟ^本領(lǐng)域眾所周知的幾種不同的方法形成高P-比率涂層(具有低百分比的磷鋅礦)，包括但不局限于
利用靜態(tài)磷酸鹽浸浴
在磷酸鹽處理溶液中采用低濃度的鋅
在磷酸鹽浸浴中采用短滯留時間
相反，可以通過幾種不同的方法提高涂層中磷鋅礦的百分比，降低 P-比率，這些方法包括但不局限于 在鍍鋅鋼上涂敷磷酸鋅涂層 在磷酸鹽處理溶液中采用高濃度的鋅 提高靜態(tài)磷酸鹽浸浴的滯留時間 攪拌靜態(tài)磷酸鹽浸浴
采用噴霧裝置代替液池
在加工過程中刷洗或摩擦表面
在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中，P-比率小于或等于0.8。在另一實(shí)施 方式中，P-比率小于或等于0.6。在另一實(shí)施方式中，P-比率小于或等于 0.4。
已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)確定通過在插銷(陽)螺紋連接件或套管(陰)螺紋 連接件或者二者上涂敷改進(jìn)的磷酸鋅涂層可以明顯減小在反復(fù)的組裝-松開循環(huán)過程中大直徑套管上金屬硬密封的磨損。
具體地，已經(jīng)確定的是與現(xiàn)有技術(shù)關(guān)于用于噴漆或結(jié)合表面的最佳 磷酸鋅涂層的教導(dǎo)相反，存在防止用于油田管狀元件的特定螺紋連接件 上的金屬密封件磨損的最大P-比率。可以根據(jù)以下公式確定特定螺紋連 接件磷酸鋅涂層的最大P-比率
4、 - c々+ r，r + g + c4/ (公式2)
式中D是管的標(biāo)稱OD的直徑(密封件接觸面積的直徑)；T是螺
距；A是密封角；I足密封干涉，以及P,是最大P-比率。CM C2和Cj
是反函數(shù)并且C3是正函數(shù)，使得當(dāng)直徑、螺距或密封干涉增大時，Pmax 減小，并且當(dāng)密封角增大時，Pm^增大。還可預(yù)料到通過另外的變量例 如磷鋅礦晶體的空隙影響最大P-比率。
而且，已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)確定盡管在常規(guī)購買的磷酸鋅浸浴中磷酸鹽涂 層厚度不會隨著浸漬時間大于大約600秒而增大，但通過范圍從至少 600秒到至少1600秒的更長的浸漬時間會提高防磨損性能。
這一發(fā)現(xiàn)總體與圖3所示的情形相一致，圖3示出穿過磷酸鋅涂層 的電勢(以毫伏mV計(jì))相對于磷酸鋅涂層浸浴的滯留時間。通常油田 管狀元件的螺紋連接件在常規(guī)磷酸鋅浸浴中的滯留時間大約是幾分鐘， 大體上低于10分鐘(或600秒)。這相當(dāng)于加工的"結(jié)晶化和生長"階 段的開始，又與非常高的P-比率相對應(yīng)，并且在這一階段形成的晶體主 要是磷葉石。
為了獲得磷酸鋅涂層，這種涂層限制用于油田管狀元件的螺紋連接 件上的金屬硬密封產(chǎn)生磨損，實(shí)驗(yàn)證實(shí)涂層的P-比率必須與圖3中的"C" 區(qū)域("結(jié)晶化和生長")的中或后階段相對應(yīng)，或者落入"D"區(qū)域("結(jié) 晶重組")。也就是說，常規(guī)磷酸鋅浸浴內(nèi)的滯留時通常必須大于大約 600秒。
本發(fā)明的發(fā)明人相信圖3中的"C"區(qū)域("結(jié)晶化和生長")與圖1 中的曲線II的中間區(qū)域大體上相對應(yīng)，在那里形成"針狀晶體和晶粒形 晶體的混合物"(也就是分別為磷鋅礦和磷葉石)。
本發(fā)明的發(fā)明人相信圖3中的"D"區(qū)域("結(jié)晶重組")與圖1中的 曲線II的右手區(qū)域大體上相對應(yīng)，在那里形成"針狀晶體"(也就是磷鋅 礦晶體)。
通常，對于標(biāo)稱外徑為9.375"或更大的大直徑套管，最大P-比率 低于0.S，優(yōu)選低于0.6，并且最優(yōu)選是低于0.4。
一些磷酸鋅處理系統(tǒng)，尤其是僅采用磷酸鹽溶液噴霧裝置的系統(tǒng)， 可以生產(chǎn)極大的(例如20-50微米)磷鋅礦晶粒。此外， 一些磷酸鋅處 理系統(tǒng)還可以生產(chǎn)圖案高度隨機(jī)的磷鋅礦晶體，特別是大比例的磷鋅礦 品體被布置成與鋼質(zhì)基底的表面正交。這些被布置成大體上與鋼質(zhì)基底 正交的品粒相當(dāng)大的磷鋅礦和/或磷鋅礦晶體在極端情況下可以起到"支 開"金屬硬密封表面的作用，特別是組裝時在密封件內(nèi)構(gòu)建的干涉不充 分的情況下。為此， 一些磷酸鹽處理系統(tǒng)要求除了確保防止密封表面磨 損所需的最大P-比率之外，還應(yīng)該為特定的螺紋連接件設(shè)計(jì)最大磷鋅礦 晶粒尺寸。
如果使用時特定磷酸鋅處理系統(tǒng)在不超出最大磷鋅礦晶粒尺寸的 情況下不能產(chǎn)生足夠低的P-比率以防止或減小磨損，則必須更換連接件 或系統(tǒng)。
可以利用少量實(shí)驗(yàn)并參照以下變量確定特定螺紋連接件的最大P-比率。
隨著標(biāo)稱管直徑的增大，最大P-比率減小，因?yàn)橐粋€螺距的圓周長 度增大，這意味著密封件之間滑動接觸的長度在組裝和松開循環(huán)過程中 將會增大。
隨著螺紋連接件螺距的增大(也就是每英寸具有更多的螺紋)，最 大P-比率減小，因?yàn)樵诮M裝和松開循環(huán)的多個旋轉(zhuǎn)過程中金屬密封件保 持接觸。
隨著金屬硬密封的密封角的減小，最大P-比率減小，因?yàn)樵诮M裝和 松開循環(huán)的多個旋轉(zhuǎn)過程中密封表面將處于接觸。
隨著組裝時金屬硬密封干涉的增大，最大P-比率減小，因?yàn)樵诮M裝
禾口松開循環(huán)的多個旋轉(zhuǎn)過程中密封表面將處于接觸。
對于具有特定突出特征和重復(fù)磷酸鹽涂層的給定螺紋連接件(也就
是具有給定涂層厚度、P-比率和表面晶體形態(tài))，在用于螺紋連接件組
裝的螺紋油中存在最佳顆粒尺寸和顆粒分布。
具體地，如果特定連接件上的磷酸鹽涂層的P-比率非常低(例如低
于0.4)，磷鋅礦晶體明顯比常規(guī)磷酸鋅涂層更大且更粗糙，這意味著 晶體之間的空隙也更大且更多。例如，用于本發(fā)明實(shí)施方式的涂層在 50-100微米范圍內(nèi)比通常的涂層含有更大的磷鋅礦晶體。
備選地，如果磷酸鋅涂層表面上的磷鋅礦晶體的形態(tài)也非常隨機(jī) (在采用噴霧磷酸鹽處理系統(tǒng)的情況下是所期望的)，用于本發(fā)明該實(shí) 施方式的螺紋油包含通常在螺紋化合物中采用的顆粒的更寬分布；例 如，如同在美國專利No.3,935,1 14 (Donaho)所教導(dǎo)的用于軸頸軸承油 脂的顆粒分布，其中全部范圍尺寸(一些細(xì)的和一些粗糙的)的顆粒比 由現(xiàn)有技術(shù)螺紋化合物教導(dǎo)的分級的、尺寸相對均勻的小于10微米或 者甚至小于2微米的顆粒具有更好的潤滑性能。
當(dāng)前不清楚磷酸鋅涂層中大百分比含量的磷鋅礦在用于油田管狀 產(chǎn)品的某些螺紋連接件中具有更好的耐磨損性能的原因。 一些可能的原 因包括磷鋅礦是更好的用于螺紋潤滑劑的基底，因?yàn)樵诹卒\礦晶體之間 具有大量空隙，或者可能是磷鋅礦晶體略微更大的硬度有助于提高抗磨 損性能，或者可能是在微觀水平上由于磷鋅礦晶體分布的隨機(jī)性以及晶 體的針狀形狀而使得金屬硬密封表面上具有減小的表面接觸面積。
此外，還可以預(yù)測到管子涂料存留在磷鋅礦晶體空隙內(nèi)的固體可以 產(chǎn)生更好的耐磨損性能。所述空隙可以具有特定尺寸和深度，并且管子
涂料的固體顆粒具有可以使它們存留在空隙內(nèi)的顆粒尺寸或篩目尺寸。
對于可以包括固體顆粒例如鉛、鋅、銅、PTFE和石墨的多種固體顆粒， 不同的磷鋅礦晶粒尺寸和粗糙度會提高耐磨損性能。進(jìn)一步可以預(yù)測到 磷鋅礦晶體可以具有空隙尺寸和深度的分布并且管子涂料的固體顆粒 可以具有顆粒尺寸的分布。
還應(yīng)該認(rèn)識到根據(jù)本發(fā)明的螺紋連接件還可以通過在此具體描述 的用于控制磷酸鋅涂層P-比率的方法之外的其它工藝制成。另外，特定 磷酸鹽處理系統(tǒng)和所需的P-比率可以在磷鋅礦形成時產(chǎn)生特定"空隙圖 案"。所形成的空隙還具有峰值和谷值。磷鋅礦"峰值"所代表的表面的百 分?jǐn)?shù)與"谷值"所代表的表面的百分?jǐn)?shù)的比率被定義為"空隙比"?？梢栽?組裝和松開之后測定空隙比，使得磷鋅礦在組裝過程中一直被"熨平"。 本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會認(rèn)識到可以采用多項(xiàng)工藝測定這一比率。
在備選實(shí)施方式中，根據(jù)本發(fā)明的方法和工藝可以被用于所謂的 "無涂料"螺紋連接件。在這些實(shí)施方式中，磷酸鹽處理可以被用于處理 連接件以提供足夠的強(qiáng)度，從而使連接件承受多次"組裝和松開"循環(huán)而 無需添加管子涂料。在某些實(shí)施方式中，低P-比率的磷酸鹽處理對于任 何無涂料系統(tǒng)是有效的低涂層，但對于采用懸浮在磷酸鹽涂層上的某種 粘合劑中的特定潤滑劑的無涂料系統(tǒng)尤其有效。
例如在US20030144158A1"用于抗咬合管狀螺紋接合件的螺紋部 件"中公開了現(xiàn)有技術(shù)的無涂料系統(tǒng)，其涉及一種用于抗咬合管狀螺紋 接合件的螺紋部件，其中潤滑物質(zhì)至少在螺紋接合表面上沉積成薄膜， 所述表面得到處理以吸收所述潤滑物質(zhì)。潤滑物質(zhì)包括(a)稠化劑；
(b)與稠化劑在物理和化學(xué)上相容并且至少包括具有化學(xué)作用的極壓 添加劑(被稱為化學(xué)EP添加劑)并且能夠在不小于1000兆帕的Hertz 壓力下使用的一組極壓添加劑；(c)油的均勻混合物。潤滑物質(zhì)各組 分的比例被選定為使得所述潤滑物質(zhì)具有能夠確保自感應(yīng)和薄膜形成 的潤滑過程的一致性。
US20030144158A1還公開了一種那樣的系統(tǒng)。在那種應(yīng)用中，用于 采油工業(yè)的螺紋管具有表面得到處理的螺紋端部，其中金屬表面具有由
2.0/xm和6.0Aim組成的粗糙度(Ra)，其由干腐蝕抑制涂層的均勻?qū)? 和干潤滑涂層的第二均勻?qū)?覆蓋。備選地，層8， 9組合成干腐蝕抑 制涂層的一個均勻?qū)?，其包含固體潤滑劑顆粒的散布。
美國專利No.6，827，996也公開了一種那樣的系統(tǒng)。該專利涉及一種 用于鋼管的螺紋接合件，其包括各自具有接觸表面的插銷和套管，所述 接觸表面包括螺紋部分和非螺紋金屬接觸部分，在不涂敷油脂的情況下 可以防止所述螺紋連接件在反復(fù)的擰緊和松開的過程中磨損。在插銷和 套管中的至少一個的接觸表面上形成包括潤滑粉末例如二硫化鉬和樹 脂粘合劑的固體潤滑劑涂層。固體潤滑劑涂層具有通過SAICAS (表面 和界面切割分析系統(tǒng))方法確定的洛氏M刻度70-140的硬度以及至少 500N/m的粘結(jié)強(qiáng)度，并且其即使在高溫油井環(huán)境下也具有良好的耐磨 損性能。在固體潤滑劑涂層中包含防紫外線顆粒例如氧化鈦細(xì)顆粒提高 了螺紋接合件的防塵性能。所有專利和申請?jiān)诖巳恳胱鳛閰⒖肌?br> 在本發(fā)明的某些實(shí)施方式中，連接件在被放入磷酸鹽浸浴之前可以 得到預(yù)加熱。通常，所需的浸漬溫度大約為20(TF。顯然，需要一定的 吋限使鋼達(dá)到溫度，從而可以減少對連接件預(yù)加熱的處理時間。
在其它實(shí)施方式巾，可以執(zhí)行多次磷酸鹽處理以形成多層。這些處 理可以包括多個浸浴(也就是攪拌的和靜態(tài)的)、多個浸漬時間，等等。 在一種實(shí)施方式中，在第一浸漬處理采用本領(lǐng)域已知的工藝以形成硬的 致密磷葉石層，之后通過磨光(去除游離鐵)、之后通過輔助處理形成 磷鋅礦層。
此外，盡管本發(fā)明的實(shí)施方式提到了具體的磷酸鹽處理類型(也就 是浸漬、噴霧)，但本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將會認(rèn)識到本發(fā)明涵蓋的思路 比任何具體的磷酸鹽處理方法寬泛的多。因而，所采用的任何磷酸鹽處 理方式明顯落入本發(fā)明的范圍內(nèi)。
本發(fā)明實(shí)施方式的優(yōu)點(diǎn)包括以下一項(xiàng)或多項(xiàng)。根據(jù)本發(fā)明一些實(shí)施 方式具有磷酸鋅涂層的螺紋連接件具有改進(jìn)的耐磨損性能。此外，螺紋
連接件可以承受多次的組裝和松開循環(huán)。
盡管已經(jīng)參照有限種實(shí)施方式對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但受益于公開 內(nèi)容的本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會認(rèn)識到可以想到不脫離在此公開的本發(fā) 明范圍的其它實(shí)施方式。因此，本發(fā)明的范圍僅應(yīng)該由附加權(quán)利要求來限制。
權(quán)利要求
1.一種用于油田管狀元件的螺紋連接件，包括金屬硬密封；以及磷酸鋅涂層，其中磷酸鋅涂層包括平均顆粒尺寸為至少大約50微米的顆粒。
2. 如權(quán)利要求1所述的螺紋連接件，其中磷酸鋅涂層的P-比率小 于或等于0.6。
3. 如權(quán)利要求1所述的螺紋連接件，其中磷酸鋅涂層的P-比率小 于或等于0.4。
4. 如權(quán)利要求1所述的螺紋連接件，其中金屬硬密封具有小于10 度的密封角。
5. 如權(quán)利要求1所述的螺紋連接件，其中螺紋連接件具有每英寸2 個螺紋到每英寸6個螺紋之間的螺距。
6. 如權(quán)利要求1所述的螺紋連接件，其中金屬硬密封在預(yù)定組裝時 具有直徑干涉為油田管狀元件標(biāo)稱直徑每英寸0.0025"到0.0045"之間。
7. 如權(quán)利要求1所述的螺紋連接件，其中油田管狀兀件具有等于或 大于9.375"的標(biāo)稱直徑。
8. 如權(quán)利要求1所述的螺紋連接件，其中平均顆粒尺寸的范圍在大 約50微米到100微米。
9. 一種處理螺紋連接件的方法，包括在足以形成磷鋅礦晶體的條件下使用磷酸化合物涂覆至少一部分 螺紋連接件，所述磷鋅礦晶體具有至少大約50微米的平均顆粒尺寸。
10. 如權(quán)利要求9所述的方法，其中涂覆條件包括用于靜態(tài)磷酸鋅 浸浴大于大約600秒并小于大約1600秒的浸漬時間。
11. 如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述條件足以形成選定的空隙比。
12.如權(quán)利要求9所述的方法，其中隨后在不添加大量管涂料的情 況下組裝連接件。
13.如權(quán)利要求9所述的方法，其中涂覆條件包括大約200°F的浸漬溫度。
全文摘要
一種處理螺紋連接件的方法包括確定足以形成磷鋅礦涂層厚度的處理時間，在足以形成磷鋅礦涂層厚度的時限內(nèi)使用磷酸鹽化合物涂覆至少一部分螺紋連接件(3，4)。
文檔編號F16L15/00GK101194125SQ200680017860
公開日2008年6月4日 申請日期2006年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月13日
發(fā)明者哈里斯·A·J·雷諾茲 申請人:海德瑞有限公司