用于磨损表面的涂层和相关设备、装置、系统及方法与流程

1.本发明的实施方式涉及可以用于油气井中的部件的一个或更多个磨损表面上的涂层。更具体地，本发明的实施方式涉及包括单晶超硬元素的涂层以及相关组件、设备、系统及方法，涂层可以用于在油气井中使用的部件的一个或更多个磨损表面上。


背景技术：

2.油气井泵和/或人工升降系统，包括：井下泵和地面泵、井口装置、人工升降(lift)装备(如：柱塞升降机(lift)、喷射升降机(lift)、杆式升降机、防喷器(bop)、井口阀等)，以及泵的部件、人工升降装备、或相关部件在井筒中长时间运行时都容易受到磨损(例如，通过磨蚀和/或侵蚀)、腐蚀和/或结垢。
3.油气井的操作环境通常会受到井流体内的砂粒、酸性物质、和/或无机元素的影响。由于在部件及部件周围泵送的井流体内有大量的砂、碎片和/或腐蚀性流体，油气井部件(例如：人工升降装备、泵、井口装置、其他相关部件等)通常会随着时间的推移而受到磨损。此外，油气井泵系统部件由于井套管(壳体，casing)内的酸性物质、比如盐酸而可能容易受到腐蚀。这种磨损和腐蚀的组合通常会使泵、升降系统、井口装置和其他井下部件的性能退化。而这种退化可能会缩短泵系统及相关部件的预期使用寿命，并可能增加未经计划的停机维修成本。此外，由于腐蚀产物和无机材料在部件表面积聚，油气井系统的部件容易结垢。这种积聚可能覆盖井下部件，因而限制生产、缩短系统及部件的预期使用寿命、和/或增加未经计划的部件停机和维修成本。


技术实现要素：

4.在一些方面，本发明所述的技术涉及用于油气井系统的组件，部件包括：具有第一磨损表面的第一部件；具有第二磨损表面的第二部件，所述第二磨损表面在所述第一部件和第二部件之间的相对运动期间至少部分地接触所述第一部件的第一磨损表面；以及金属基陶瓷复合涂层，所述金属基陶瓷复合涂层位于所述第一部件的所述第一磨损表面或所述第二部件的所述第二磨损表面中的至少一者的至少一部分上，所述金属基陶瓷复合涂层包含分散在金属基体中的单晶超硬颗粒。
5.在一些方面，本发明所述的技术涉及用于油气井系统的部件，所述部件包括：元件，所述元件具有磨损表面，所述磨损表面被构造成相对于所述油气井泵送组件的另一部件移动以及与所述油气井泵送组件的另一部件至少部分地接触；以及金属基陶瓷复合镀层，所述金属基陶瓷复合镀层位于所述磨损表面的至少一部分上，所述金属基陶瓷复合镀层包含分散在金属基体中的超硬单晶颗粒。
6.在一些方面，本发明所述的技术涉及一种生产在油气井泵送组件中使用的部件的磨损表面的至少一部分上的金属基陶瓷复合涂层的方法，所述方法包括：将所述部件的所述磨损表面的至少一部分定位在槽中，在金属镀槽(例如：自催化金属镀槽)中包括单晶超硬颗粒；用包括单晶超硬颗粒和金属流体基体的涂层对所述部件的所述磨损表面的所述至
少一部分进行涂覆；从所述槽中移除所述部件；以及对所述部件的所述磨损表面的所述至少一部分进行热处理。
7.根据一些实施方式，本发明所述的技术涉及井下泵，所述井下泵包括：筒状部(barrel)，所述筒状部包括内部腔，所述内部腔由所述筒状部的内表面所限定；柱塞，所述柱塞具有外表面；阀杆，所述阀杆机械连接到所述柱塞并且被配置成在所述筒状部的内部腔内以及相对于所述筒状部的内部腔对所述柱塞进行驱动，当所述柱塞的所述外表面相对于所述筒状部的所述内表面移动时，所述柱塞的所述外表面与所述筒状部的所述内表面至少部分地接触；以及金属基陶瓷复合涂层，所述金属基陶瓷复合涂层位于所述筒状部的所述内表面或所述柱塞的所述外表面中的至少一者的至少一部分上，所述金属基陶瓷复合涂层包括分散在金属基体中的单晶金刚石颗粒。
8.根据一些实施方式，本发明所述的技术涉及井下泵，所述井下泵包括：柱塞，所述柱塞具有外表面且在油管中从井脚移动到井口装置，柱塞的上下部分之间有压力差，当所述柱塞的所述外表面相对于所述油管的所述内表面移动时，所述柱塞的所述外表面与所述油管的所述内表面至少部分地接触；以及金属基陶瓷复合涂层，所述金属基陶瓷复合涂层位于所述油管的所述内表面或所述柱塞的所述外表面中的至少一者的至少一部分上，所述金属基陶瓷复合涂层包括分散在金属基体中的单晶金刚石颗粒。
9.根据一些实施方式，本发明所述的技术涉及井下esp泵系统，所述esp泵系统包括：叶轮，所述叶轮具有外表面和接触面；扩散器，所述扩散器具有内表面和接触表面，接触表面被配置成相对于所述扩散器驱动所述叶轮使叶轮绕轴线旋转。所述外表面和/或所述叶轮接触面至少部分地面接触，和/或被配置成在所述扩散器内表面和/或面接触部之间具有运行气隙。所述系统还包括金属基陶瓷复合涂层，所述金属基陶瓷复合涂层位于所述扩散器的内表面和/或接触部、或所述叶轮的外表面和/或接触面中的至少一者的至少一部分上，所述金属基陶瓷复合涂层包括分散在金属基体中的单晶金刚石颗粒。
10.在一些方面，本发明所述的技术涉及用于油气井泵送组件的井下部件，所述井下部件包括：井下元件，所述井下元件具有侵蚀表面，所述侵蚀表面由相对于所述油气井泵送组件的另一部件移动以及至少部分地接触所述油气井泵送组件的另一部件的流体所构造；以及金属基陶瓷复合镀层，所述金属基陶瓷复合镀层位于所述磨损表面的至少一部分上，所述金属基陶瓷复合镀层包括分散在金属基体中的超硬单晶颗粒。
11.在一些方面，本发明所述的技术涉及用于油气井泵送组件的井下部件，所述井下部件包括：井下元件，所述井下元件具有磨损表面，所述磨损表面被配置成相对于所述油气井泵送组件的另一部件移动以及至少部分地接触所述油气井泵送组件的另一部件；以及金属基陶瓷复合镀层，所述金属基陶瓷复合镀层位于所述磨损表面的至少一部分上，所述金属基陶瓷复合镀层包括分散在金属基体中的超硬单晶颗粒。
12.根据本文描述的一般原则可以对当前公开中所设想的任何实施方式的特征不受限制地、相互组合地加以使用。这些和其他实施方式、特征以及优点将通过结合附图和权利要求书的详细描述被更充分的理解。
附图说明
13.附图示出了若干示例性实施方式，并且是说明书的一部分。这些附图以及下列描
述展示并解释了当前发明的各种原理：
14.图1是根据本发明实施方式的泵送系统的主视图；
15.图2示出了根据本发明实施方式的将涂层施加在井下泵送系统的至少一个部件上的方法的流程图；
16.图3描绘了根据本发明实施方式的示例性抛光过程；
17.图4描绘了根据本发明实施方式的另一示例性抛光过程；
18.图5描绘了根据本发明实施方式的示例性系统，所述系统包括用于对未沉积的超硬颗粒执行回收过程的容器；
19.图6示出了用于涂层中的超硬多晶颗粒；
20.图7示出了根据本发明实施方式的用于涂层中的超硬单晶颗粒；
21.图8至图10是油气井系统部件的主视图，所述油气井系统可以包括根据本发明实施方式的一个或更多个涂层，其中，所述涂层的实施方式可以应用于井泵的第一和/或第二磨损部件、井部件、井系统、和/或井口装置；以及，
22.图11示出了根据本发明实施方式的经涂覆的部件，所述经涂覆的部件包括金属基材，所述金属基材被镀有沉积涂层，所述涂层具有分散在金属基体内的单晶超硬陶瓷颗粒。
具体实施方式
23.如本文所用，给定参数相关的术语“基本上”或“大约”是指并且包括本领域技术人员将会理解的程度，即：给定参数、性质或条件满足小的变化程度，比如在可接受的制造公差范围内。例如，基本满足的参数可以是至少90％地满足、至少95％地满足、至少99％地满足、或者甚至100％地满足。
24.如本文所用，术语“流体”可以指并且包括任何类型的流体和组合物(例如，可流动的组合物)。流体可以采取液体形式、气态形式，或液体和气体的组合，并且，在某些情况下，流体可以包括一些固体材料。在一些实施方式中，在冷却或加热过程中，流体可以在液体形式与气体形式之间转换。在一些实施方式中，术语“流体”包括：气体、液体、和/或液体和固体的可泵送混合物。
25.本文所使用的术语“超级磨料”和“超硬”可以指具有基本上至少等于或大于碳化钨的硬度的任何材料。例如，超硬制品可以代表制造的制品，该制品的至少一部分可以表现出与碳化钨的硬度基本上相等或比碳化钨的硬度大的硬度。
26.在一些实施方式中，本发明所公开的超硬颗粒或材料可以包含单晶构型的超硬颗粒。例如，颗粒可以基本上表现出单一的晶体结构，这种晶体结构具有基本单一的晶粒取向。单一的晶体结构可以基本在单晶颗粒内没有晶粒边界(grain boundary)，这与通常在井下应用的涂层中实现的多晶结构相反。换句话说，单晶颗粒基本上不包括具有多个晶粒取向的多晶结构，多个晶粒取向限定了不同尺寸的晶体之间的晶粒边界和/或对多晶结构进行限定的取向。
27.在一些实施方式中，单晶颗粒或材料可以包含单晶金刚石、单晶立方氮化硼(cbn)、单晶碳化硅、单晶金属间化合物(例如碳化物)或陶瓷、和/或包括一种或多种前述材料的混合物或组合物，这不受限制。
28.本发明公开的涂层的一些实施方式可以用于油气井泵送组件的一个或更多个部
件(例如，系统的井下和/或表面部件)。例如，这种涂层可以用于人工升降系统以及相关部件(例如，井下泵、柱塞升降(lift)机、喷射升降机、杆式升降机、电动潜水泵(esp)等)。在其他的实施方式中，可以将这种涂层实施在油气井生产部件上，例如：钻机装备、海洋立管系统、管状货物(例如套管、油管和钻柱)、井口装置、树木、阀、完井管柱和装备、地层和砂面完井、人工升降装备、井干预装备、以及上述部件的组合。
29.与没有这种涂层的类似部件相比，实施在油气井部件上的这种涂层可以有助于在恶劣的油气井环境中的相对延展的操作。具体地，油气井部件可以由带有表面(例如，带有复杂几何形状的表面)的基材(例如，金属基材)制造。可以将根据本公开的实施方式的涂层施加到表面，以助于延长井部件的使用寿命。更具体地，所述部件中的一些部件可以包括根据本公开实施方式的涂层，这种涂层包括包括超硬颗粒(例如，单晶颗粒)的组合物与作为镀覆溶液的金属基体组合物(例如，包含镍、磷、钴和/或铬)的涂层混合物。
30.本文描述的部件的涂层可以包括但不限于具有耐磨性、耐腐蚀性，和/或抗结垢性的优点。具有本文所述涂层的油气井部件通过提供具有更可靠的磨损表面的部件可以有助于延长相关部件和系统的使用寿命。此外，部件的涂层可以有助于增加维修间隔，由此与没有此类涂层的其他部件相比，这种系统随着时间的推移运行成本更低。
31.在一些实施方式中，与多晶颗粒相比，涂层中超硬颗粒的单晶结构可以提供更好的抗破损性和/或抗剪切性，这是由于例如单一晶体颗粒内不存在晶粒边界。
32.在一些实施方式中，使用单一晶体颗粒而不是多晶颗粒可以减少在操作井下应用中通常发现的砂(sand)粒和/或硬表面时在高压接触中的颗粒裂解和/或断裂。这种固体颗粒(例如，砂)通常存在于原油中，并且通常存在于在井部件的操作期间，例如，当井下泵的柱塞上下冲程时。这些颗粒可能与泵、油管和/或柱塞、叶轮和/或扩散器的筒状部和/或柱塞表面接触，从而导致磨蚀和磨损。这种砂主要由二氧化硅化合物(例如sio2)组成，并且表现出比超硬材料、例如金刚石相对较低的硬度。因此，在金属基体中包含单一晶体颗粒的涂层可以承受接触力并且抵抗由硬颗粒、例如砂引起的磨蚀损害。
33.在一些实施方式中，可以在将涂层施加在部件上后对涂层进行抛光或磨削，如下文将更详细地讨论的。例如，对涂层进行精加工操作可以包括使涂层经历抛光技术，以降低被涂覆表面的表面粗糙度，并且制备用于与其它零件相互作用(例如，部件的滑动相互作用)的部件。在一些实施方式中，抛光技术可以包括用于使表面平滑并减小摩擦系数的高磨蚀性陶瓷。由于与多晶颗粒相比单晶颗粒的高抗破损性和/或高抗剪切性，单一晶体或单晶颗粒可以产生相对较低的摩擦系数。例如，由于多晶颗粒中的不同晶粒取向差异，这种多晶颗粒可能趋于破裂。因此，与多晶金刚石相比，在单个晶体或单晶颗粒的滑动接触期间形成的摩擦层(tribolayer)可以表现出相对更理想的摩擦特性。
34.在一些实施方式中，本发明涉及从油井输送油的往复式有杆泵抽油(sucker rod pumping)系统(例如泵送系统)。这种有杆泵抽油系统可以按照气缸和柱塞泵使用的容积式原理工作。如下所述，可以将涂层应用于其它部件，例如：其它人工升降系统部件(例如，电子潜水泵、柱塞和喷射升降(lift)系统、喷射泵、井口阀、止推轴承、阀等)。
35.图1示出了有杆泵抽油系统100的基本部件。如图1所示，有杆泵抽油系统100的基本部件包括马达底座105、齿轮箱110、步进梁115、马头(horsehead)120、井口装置125、流动管线130、抛光杆(polished rod)135、套管140、油管(tubing)145、杆柱150、柱塞155、缆线
165、萨姆森梁170、以及筒状部160。
36.这种抽油井下泵送系统100通常从底端(井下)吸入流体并从泵的顶端排出流体。由于可以将泵放置在井的非竖向部分中，“顶部”和“底部”标签可能变得不清晰，因此，在本发明中，“顶部”是指沿井路径的最上方的点处或最接近表面的点处。同样，“底部”是指沿井路径的最下方的点处或离表面最远的点处。
37.此外，本发明中使用的关于井筒的位置，术语“上方”、“上部”和“井上”均指并包括靠近井表面的相对位置，而术语“下方”、“下部”和“井下”均指并包括远离井表面的相对位置。
38.马达底座105向系统100提供驱动力，并且可以是电动机或燃气发动机。齿轮箱110将马达底座105的高旋转速度降低到操作井下泵175所需的往复运动。齿轮箱110的主元件步进梁115用作对连接到抛光杆135的马头120的位置进行调节的机械杠杆。萨姆森梁170用作竖向稳定用支腿，以对马头120和步进梁115进行保持。萨姆森梁170可以通过缆线165连接到抛光杆。马头120将马达底座105的旋转运动转换成抛光杆135的往复运动，抛光杆135往复穿过井口装置125并且进入到油井中。抛光杆135或抽油杆柱的末端是柱塞155，柱塞155是将流体从油井中排出的主要机械驱动器。抛光杆135周围以及油井内是围绕油管145的套管140。套管140和油管145一起形成套管-油管环，所述套管-油管环围绕地下泵175的部件。由抽油杆组成的抽油杆柱150在井的油管柱内运行，并在表面驱动件与地下泵175之间提供机械连接。
39.泵175的筒状部160或工作筒状部是地下泵175的用作柱塞155的停止点的固定部分。筒状部160包含立式阀，所述立式阀与柱塞155一起充当吸气阀，打开立式阀时，井液在上冲程期间通过所述吸气阀进入泵的筒状部。柱塞155可以包含行进阀(traveling valve)，行进阀在下冲程期间打开，并且使得生产流体通过所述行进阀流向表面。在随后的上冲程中，行进阀关闭，滞留在关闭的行进阀上方的生产流体可以被提升到表面。例如在2021年9月23日提交的序列号为17/483，753的美国专利申请公开并进一步描述了这类装置，在此将还公开全文通过引用并入本文。
40.根据本发明的实施方式的涂层可以用于有杆泵抽油系统100的一个或更多个相互作用的磨损表面(例如，柱塞155和/或筒状部160的表面)。例如，在操作地下泵175期间，与柱塞155的外表面185相互作用的筒状部160的内表面180可以包含这种涂层。除此之外，或可替代地，柱塞155的外表面185可以包含这种涂层。
41.在其他的实施方式中，可以将这种涂层施加到其它磨损表面，诸如例如，有杆泵抽油系统100的一个或更多个联接器上(例如，杆联接器190)和/或杆柱150的抽油杆的表面上的那些磨损表面。在其他的实施方式中，可以将这种涂层施加到任何数量的适用性应用中所需的任何合适表面上(例如：磨损表面或其它)。例如，如下文图8至图10所讨论的，可以将根据本发明实施方式的一个或更多个涂层用于油气井系统的一个或更多个部件(例如，人工升降部件)。
42.图2示出了将涂层施加到部件(例如，部件的磨损表面)的过程。例如，部件可以包括有杆泵抽油系统100的井下部件，例如参考图1所讨论的部件。涂层可以包括金属基陶瓷复合物，金属基陶瓷复合物通过涂层或镀覆工艺(例如，化学镀工艺)被施加到部件(例如，金属表面)的基部或磨损表面。例如，可以通过化学方法(例如，并非电的方法)对部件的一
个或更多个金属表面进行镀覆来实施化学镀，其中，将要镀覆的表面浸入还原剂中，还原剂在被某些材料催化时，金属离子将被变成在表面上形成沉积物的金属。在其他的实施方式中，可以在选定的部件上施加涂层以实施化学或其他方法(例如电镀)。
43.如图2所示，在动作200中，可以制备包含在流体金属涂层基体中的陶瓷颗粒的槽(bath)(例如：自催化金属镀槽)。在一些实施方式中，使用连续搅拌方法可以将陶瓷颗粒分散在金属镀槽中。如上所述，陶瓷颗粒可以包括单一晶体(例如：单晶)颗粒(例如：金刚石颗粒，或如上讨论的其他材料)。在一些实施方式中，单晶颗粒可以表现出约0.1微米至12微米(例如：0.1微米至3微米、1微米至2微米、7微米至10微米)的尺寸范围(例如，外径)。分散有单晶颗粒的金属镀槽可以包含一种或更多种镍、磷、钴和/或铬的合金。例如，槽可以包含镍或镍钴和磷，其中，磷含量小于整体涂层金属镀槽的20％(例如，小于15％、小于13％、小于10％等)。在一些实施方式中，涂层材料中陶瓷颗粒的体积分数可以为槽的大约10％至30％之间(例如，10％至25％、17％、15％至19％、25％至27％)。
44.在动作205中，可以将部件的一个或更多个表面或部分定位在槽中，以便将涂层沉积在部件的表面上(例如，通过化学镀工艺)。
45.在动作210中，可以以部件表面的涂层移除部件。在一些实施方式中，涂层可以表现出大约10微米至400微米之间的厚度(例如，10微米至125微米、10微米至300微米、0.1微米至200微米、1微米至200微米或其组合)。
46.施加后，沉积的涂层可以表现出无定形结构，并且，在动作215中，可以对涂层进行热处理以部分地结晶并沉淀硬金属间化合物(例如，镍和磷在金属基体材料中实现的ni3p化合物)。涂层的结晶百分比可以以所选的热处理温度以及在施加于涂层的温度下的保持时间为基础。在一些实施方式中，沉积的涂层的热处理可以增加涂层的硬度(例如，通过金属间相的沉淀)，而且这个动作能够控制复合涂层的机械性能，以便可以获得所需的硬度和耐磨性。例如，在一些实施方式中，最终涂层的硬度可以高达1300-2000hv
0.1
(例如，1800-2000hv
0.1
)的硬度。
47.如上所述，当将涂层实施在两个或多个配合部件(例如，相对于彼此移动的部件)上时，部件中的一个或两个(例如，所有)部件可以包括根据本发明实施方式的涂层(例如，内径和外径上的涂层)。当将涂层(例如，相似或相同的涂层)施加到两个配合部件中的两个部件上时，可以实施两种不同的硬度热处理工艺作为涂层之间的区分，这可能有利于选定的应用。例如，具有相似或基本相同硬度的两个配合部件可以促进部件之间的磨损效应。为了避免这种磨损效应，可以对每个部件实施不同的热处理。例如，在相对移动的部件中，固定部件可以接受导致涂层硬度较高的热处理，而移动的部件可以接受导致涂层硬度较低的热处理。通过进一步的示例，如上所述的井下泵应用中，可以类似地对柱塞和筒状部进行涂覆；然而，可以应用两种不同的处理以得到与筒状部硬度相比相对较低的柱塞硬度，从而产生应用效益并避免磨损效应或使磨损效应最小化。
48.在动作220中，可以对涂层进行精加工，以对涂覆的金属表面进行抛光或磨光，并准备其与其他表面接触。在一些实施方式中，可以将抛光技术设计成减小复合涂层的表面粗糙度以及减小复合涂层的摩擦系数。在抛光过程中，一个或更多个抛光元件与抛光过程中施加的涂层之间的滑动接触可以使涂层中的单一晶体颗粒产生相对较低的摩擦系数。如上所述，在一些实施方式中，与多晶颗粒相比，由于单一晶体颗粒的高抗破损性和/或高抗
剪切性可以获得这种相对较低的摩擦系数，而多晶颗粒由于其晶粒的不同取向会趋于断裂。结果，与多晶颗粒相比，单一晶体颗粒滑动接触期间形成的摩擦层(例如，润滑层)可以得到改善。
49.图3描绘了示例性抛光过程300，可以在至少部分的中空部件305(例如，如图1所示的筒状部160)的内表面(例如，内径)上实施该抛光过程300。如图3所示，一个或更多个元件(例如，基本椭圆形或球形元件310、多个椭圆形球等)可以在部件305内滑动以对部件305的内部磨损表面进行抛光。在一些实施方式中，抛光元件310可以包括一种或更多种超硬材料(例如：碳化钨)，以使陶瓷涂层变得光滑。
50.在其他实施方式中，可以植入其他类型的元件以用于抛光(例如，连续旋转带等)。
51.在一些实施方式中，抛光元件310相对于部件305的运动可以在多于一种类型的相对运动中(例如，平移和旋转)出现。例如，如图所示，抛光元件310可以沿着延伸穿过部件305的轴线进行平移(例如，通过杠杆配置)。抛光元件310还可以相对于部件305绕轴线(例如，或另一轴线)进行旋转。这种运动可以使抛光元件310在部件305内以及相对于部件305在多个方向上滚动(例如，滚落)。
52.图4描述了示例性抛光过程400，可以在部件405(例如，如图1所示的柱塞155)的外表面(例如，外径)上实现该抛光过程400。如图4所示，一个或更多个元件(例如，基本平面的元件410)可以在一个或更多个运动方向上在部件405上方滑动，以用类似于上面讨论的方式对部件405进行抛光。在一些实施方式中，基本平面的元件410可以包含，如上所讨论的，类似于基本椭圆形元件310的材料(例如，超硬材料)。
53.回到图2所示的动作225中，在一些实施方式中，移除部件后，可以从槽中回收超硬陶瓷颗粒中的至少一些超硬陶瓷颗粒。可以通过在使用中从涂层溶液(例如，流体基质)中回收超硬颗粒来实施这样的回收过程，以提高涂层工艺的效率或商业可行性。这种回收可以使得超硬颗粒被再次利用，和/或可以确保超硬颗粒的选定浓度在涂层槽中得以保持。
54.图5描述了包含用于执行这种回收工艺的容器500的示例性系统，其中，可以从流体基质510中回收未沉积的超硬颗粒505，并在随后的工艺中，使未沉积的超硬颗粒505在镀覆槽溶液中进行重复使用。回收工艺可以利用超硬颗粒505的密度，这导致超硬颗粒被沉淀并沉降(settle)在容器500的底部。在对超硬颗粒505进行沉淀后，可以从容器500的上部部分移除溶液(例如，通过流体分离管515，流体分离管515通过j管方法操作以提取流体，而相对较重的颗粒505则保留在容器500中)。
55.在一些实施方式中，容器500可以包括阀(例如，空气阀520和泄压阀525)，以有助于移除(例如，加压移除)流体基质510。例如，对容器500中的流体加压可以用作将相对较重的超硬颗粒505保持在容器500底部(例如，在容器500中的较低或最低位置)。
56.移除大部分流体基质510(例如，基本上所有的流体基质510)后，可以从容器500的底部部分移除超硬颗粒505。例如，可以通过容器500中的下开口或阀530移除超硬颗粒505。超硬颗粒505可以经受干燥工序，其中，将从容器500中回收的超硬颗粒505置于烘箱中(例如，用嵌入气体操作以防止氧化)以使得超硬颗粒505变干燥以供后续使用。
57.在一些实施方式中，可以将槽中的溶液保持在中性或微酸性ph值(例如，ph值为5至7或更低)以促进槽中超硬颗粒505的分离(例如沉淀)。
58.图6和图7示出了可以使用在涂层工艺中的超硬晶体颗粒。如图6所示，多晶超硬颗
粒600(例如，多晶金刚石)包括许多晶粒605，或融合在一起的不同尺寸和/或取向的微晶粒。每个晶粒605表现出了晶粒605与相邻熔融晶粒之间的晶粒边界。如图7所示，与多晶超硬颗粒600相反，如上所述，可以选择单晶超硬颗粒700(例如，单晶金刚石)以用在本发明的涂层的实施方式中。这种单晶超硬颗粒700可以基本上表现出具有基本单一晶粒取向的单一晶体结构，这种单一晶体结构在单晶颗粒700的结构内基本上没有多个晶粒或晶粒边界。换句话说，单晶颗粒700基本上不包括具有多个晶粒605的多晶结构和如下晶粒取向：所述晶粒取向限定了微晶之间的晶粒边界，这在多晶超硬颗粒600中是典型的。
59.使用astm g174磨料磨损测试对这种涂层进行的示例性测试表明，根据本发明实施方式的涂层表现出比具有碳化硅(sic)涂层的那些涂层明显更小的磨损性(例如，明显更小的可见磨损疤痕)。例如，根据本发明一些实施方式的包含单晶金刚石涂层的部件的平均硬度(例如，具有约25％的体积分数和1微米至3微米的平均粒径)表现出比常规sic涂层高大约75％的硬度(例如，1500hv
0.05
)。因此，这种测试可以示出符合当前发明实施方式的包括单晶涂层的活性涂层。
60.图8至图10是油气井系统的部件的主视图，其中，油气井系统部件可以包含一个或更多个涂层。如图8所示，可以将这种涂层施加到两个相对移动的部件上，其中内部部件800可以线性移动(例如，平移)和/或相对于外部部件802(例如，外部套筒)旋转。可以在如下组件中实现这种配置，例如：柱塞升降机、喷射升降机、杆式升降机、或电动潜水泵(esp)。如图所示，部件800、802中的一个或两个部件可以在部件800、802的配合表面上和/或非配合外表面上包括涂层804，其与井流体接触，以抗腐蚀。这种涂层804可以表现出与上文讨论的那些厚度类似的厚度(例如，10微米至200微米、10微米至400微米等)。
61.如图9所示，可以将这种涂层施加在两个相对移动的部件上，其中第一部件900相对于第二部件902在一个或更多个方向上旋转。可以在如下组件中实现这种配置：诸如例如止推轴承，诸如在井下潜水电泵(esp)中实施的那些。如图所示，部件900、902中的一个或两个部件可以包括在部件900、902的配合表面上的涂层904。这种涂层904可以表现出与上文讨论的那些厚度类似的厚度(例如，10微米至400微米等)。
62.如图10所示，可以将这种涂层施加在一个或更多个部件1000上，部件1000经历磨损环境(例如，经历流体流动1002，由于高压流体流动期间的侵蚀和/或气蚀，流体流动1002可以受到侵蚀或对一个或更多个部件1000造成其他损坏)。可以在如下组件中实现这种配置：诸如例如：喷射升降机、井口阀等。如图所示，部件1000可以在部件1000的磨损表面上包括涂层1004，涂层1004可以表现出与上文讨论的那些厚度类似的厚度。
63.图11示出了经涂覆的部件1100，经涂覆的部件1100包括镀有沉积的涂层1102的金属基材1101。沉积的涂层包括分散在金属基体1103内的单晶超硬陶瓷颗粒1104。如图11所示，对基材1101施加涂覆后，可以对沉积的涂层1102进行热处理，以使金属基体1103中的硬金属间化合物部分地结晶和沉淀。例如，金属基体1103中的硬金属间化合物可以包含ni3p化合物，其中，镍和磷在金属基体1103内沉淀出单晶超硬陶瓷颗粒1104，例如，单晶金刚石、单晶立方氮化硼(cbn)、单晶碳化硅、单晶金属间化合物(例如碳化物)或陶瓷。
64.程度术语(例如：“大约”、“基本上”、“一般”、“几乎”等)表示结构或功能上不明显的变化。在示例中，当包括指示数量的术语时，程度术语被解释为指示数量的术语的
±
10％、
±
5％或+2％。在示例中，用于修饰形状时，程度术语表示通过程度术语修饰的形状具
有被已公开形状的外观。例如，程度术语可以用来表示形状可以具有圆角而不是尖角，弯曲边缘而不是直边缘，从其延伸的一个或更多个突出部，是长方形的，与所公开的形状相同，等等。
65.虽然本发明已经针对一些图示的实施方式进行了描述，但本领域普通技术人员将认识并理解本发明，而不受限制。相反，可以在不脱离下文所要求保护的公开范围的情况下对所示实施方式进行许多增加、删减和修改，包括其法律等同物。此外，本文中使用的词语“包含”、“具有”、及其变体(例如包含有、含有)，包括权利要求在内，应是开放式的，并且与“包括”一词及其变体具有相同的含义。此外，可以将其中一个实施方式的特征与另一个实施方式的特征进行组合，而仍然包含在发明人所设想的本公开的范围内。

技术特征：
1.一种用于油气井系统的组件，部件包括：第一部件，所述第一部件具有第一磨损表面，第二部件，所述第二部件具有第二磨损表面，所述第二磨损表面在所述第一部件与所述第二部件之间的相对运动期间至少部分地接触所述第一部件的所述第一磨损表面，以及金属基陶瓷复合涂层，所述金属基陶瓷复合涂层位于所述第一部件的所述第一磨损表面或所述第二部件的所述第二磨损表面中的至少一者的至少一部分上，所述金属基陶瓷复合涂层包含分散在金属基体中的单晶超硬颗粒。2.根据权利要求1所述的组件，其中，所述第一部件的所述第一磨损表面或所述第二部件的所述第二磨损表面中的两者包括所述金属基陶瓷复合涂层，或者其中，所述第一部件或所述第二部件中的至少一者的内表面或外表面中的至少一者包括所述金属基陶瓷复合涂层。3.根据权利要求2所述的组件，其中，对位于所述第一部件的所述第一磨损表面上的所述金属基陶瓷复合涂层与位于所述第二部件的所述第二磨损表面上的所述金属基陶瓷复合涂层分别进行热处理以在第一磨损表面和第二磨损表面中的每者上产生不同的硬度。4.根据权利要求1所述的组件，其中，对所述金属基陶瓷复合涂层进行热处理以在所述第一部件的所述第一磨损表面或所述第二部件的所述第二磨损表面中的至少一者上产生选定的硬度。5.根据权利要求1所述的组件，其中，所述金属基体的材料包括镍、磷或钴中的至少一种。6.根据权利要求1所述的组件，其中，基本上所有的单晶超硬颗粒包括单一结晶的超硬颗粒，所述单一结晶的超硬颗粒包含基本上单一的晶粒取向并且基本上没有晶粒边界。7.根据权利要求6所述的组件，其中，所述金属基陶瓷复合涂层基本上没有多晶超硬材料。8.根据权利要求1所述的组件，其中，所述金属基陶瓷复合涂层呈现出抛光表面，所述抛光表面是通过将一个或更多个陶瓷元件在抛光表面上滑动或者在抛光表面内滑动所形成的，以至少部分地减小所述抛光表面中的不规则性。9.根据权利要求1所述的组件，其中，所述单晶超硬颗粒包括单晶金刚石颗粒中的至少一种，所述单晶金刚石颗粒大体上包括：单一的晶粒取向、单晶立方氮化硼(cbn)、单晶碳化硅、或单晶金属间化合物或陶瓷。10.根据权利要求1所述的组件，其中，所述元件包括：泵的磨损部件、升降系统、井口装置、阀、承重部件、泵的筒状部和泵的柱塞中的至少一者、与井下泵联接的杆、一个或更多个部件之间的联接器、油气井泵送组件的砂分离器组件、esp泵系统的磨损部件、柱塞提升泵系统的磨损部件、井口装置喷射泵升降系统的磨损部件、阀、泵的扩散器、泵的叶轮、套管、esp保护器组件的止推轴承、esp马达组件、润滑器组件、柱塞垫和/或柱塞环、柱塞组件、底部孔缓冲弹簧组件、喷射升降系统喉部和/或喷射升降系统扩散器、或喷射喷嘴。11.一种在油气井系统中使用的部件，所述部件包括：元件，所述元件具有磨损表面，所述磨损表面被构造成相对于所述油气井泵送组件的另一部件移动以及与所述油气井泵送组件的另一部件至少部分地接触；以及金属基陶瓷复合镀层，所述金属基陶瓷复合镀层位于所述磨损表面的至少一部分上，
所述金属基陶瓷复合镀层包含分散在金属基体中的超硬单晶颗粒。12.根据权利要求11所述的部件，其中，所述金属基陶瓷复合镀层基本上没有任何超硬多晶材料。13.一种生产在油气井系统中使用的部件的磨损表面的至少一部分上的金属基陶瓷复合涂层的方法，所述方法包括：将所述部件的所述磨损表面的至少一部分定位在金属镀槽中，所述金属镀槽包括位于金属基体中的单晶超硬颗粒；用包括单晶超硬颗粒和金属基体的涂层对所述部件的所述磨损表面的所述至少一部分进行涂覆；从所述金属镀槽中移除所述部件；以及对所述部件的所述磨损表面的所述至少一部分进行热处理。14.根据权利要求13所述的方法，所述方法还包括：通过使一个或更多个超硬元件在所述磨损表面的所述至少一部分上滑动而对所述部件的所述磨损表面的所述至少一部分进行抛光。15.根据权利要求14所述的方法，所述方法还包括：使包括一个或更多个元件的一个或更多个超硬元件在所述磨损表面上滑动，所述一个或更多个元件包括碳化钨。16.根据权利要求14所述的方法，所述方法还包括：通过一个或更多个超硬元件的滑动而使所述涂层中的单晶超硬颗粒的摩擦系数降低。17.根据权利要求13所述的方法，所述方法还包括：在将所述部件移除后，从所述金属镀槽中回收单晶超硬颗粒中的至少一些单晶超硬颗粒。18.根据权利要求17所述的方法，所述方法还包括下述各者中的一者或更多者：通过在所述金属镀槽中保持选定的ph值，使所述单晶超硬颗粒中的至少一些单晶超硬颗粒能够沉降在所述金属镀槽中；对所述金属镀槽进行加压，以迫使大部分单晶超硬颗粒沉降在所述金属镀槽中；或者，通过j管，将所述金属镀槽中的所述金属基体的至少一部分与所述单晶超硬颗粒中的至少一些单晶超硬颗粒分离。19.根据权利要求17所述的方法，所述方法还包括：从所述金属镀槽中回收所述单晶超硬颗粒中的至少一些单晶超硬颗粒后，在随后的涂覆工艺中对所述单晶超硬颗粒中的至少一些单晶超硬颗粒进行重复利用。20.根据权利要求13所述方法，所述方法还包括：对所述部件的所述磨损表面的所述至少一部分进行热处理以产生第一硬度；以及对所述油气井系统中使用的与所述部件的所述磨损表面相互作用的另一部件的磨损表面进行热处理，以产生不同的第二硬度。

技术总结
金属基陶瓷复合涂层和相关设备、组件和方法，包括：分散在金属基体中的单晶超硬颗粒，其布置在油气井组件、系统或装置中的部件的至少一个磨损表面上。一个磨损表面上。一个磨损表面上。


技术研发人员：里亚德
受保护的技术使用者：哈比森-费舍尔公司
技术研发日：2023.03.13
技术公布日：2023/9/26