多层涂层和相关应用方法背景技术
井下油气工具经常遭受苛刻的、腐蚀性的或其他极端井下环境。因此，金属预处
理、最终处理、修整和涂层可以作为保护施加在井下工具表面上。
发明内容
在一个方面，本文公开的实施方案涉及井下工具，例如包括环形带和至少一个在
任一端上与所述带轴向邻近施加的环形多层涂层的芯轴，所述环形带包括沿着芯轴的特定
轴向长度形成耐磨表面的多个轴向邻近的焊珠(weld beads)，所述涂层包括直接施加到芯
轴表面上的呈现第一颜色的第一层和直接施加到所述第一层上的呈现与第一颜色不同的
第二颜色的第二耐磨层，其中当第二层磨损或被去除一定量时，第一层的第一颜色被显露
出来，以指示芯轴应当被停止使用并且重新应用新的耐磨涂层。
在另一个实施方案中，公开了一种井下工具，其包括环形带，该环形带包括沿着工
具的特定轴向长度形成耐磨表面的多个轴向邻近的焊珠。该工具可以具有至少一个在任一
端上与所述带轴向邻近施加的环形多层涂层。所述涂层包括直接施加到工具表面上的第一
耐磨层；施加到所述第一耐磨层上的呈现第一颜色的第一颜色层；直接施加到第一颜色层
上的呈现与第一颜色不同的第二颜色的第二耐磨层。当第二耐磨层磨损或被去除一定量
时，第一颜色层的第一颜色被显露为磨损程度的指示。
在其它方面，本文公开的实施方案涉及一种施加多层涂层的方法，所述多层涂层
轴向地邻近沿着井下工具的特定轴向长度定位的环形磨损带的至少一端，所述磨损带包括
多个轴向邻近的焊珠，所述方法包括将第一层(所述第一层呈现第一颜色)直接施加到轴向
邻近所述耐磨带的所述井下工具表面的表面上，以及直接施加第二耐磨层(所述第二层呈
现与第一颜色不同的第二颜色)到所述第一层上并且基本上轴向地邻近所述磨损带，其中
当所述第二层磨损或被去除一定量时，所述第一层的第一颜色被显露以指示所述井下工具
应被停止使用并重新施加新的耐磨涂层。
附图说明
图1示出了井下工具上的多层涂层的一个实施方案。
图2示出了井下工具上的多层涂层的横截面图。
图3示出了使用构造涂层的实施方案。
具体实施方式
公开了施加在各种井下工具或可能经历磨损的任何工业中的任何工具上的多层
涂层，以及使用例如热施加方法例如喷雾将多层涂层施加在表面上的方法。例如，井下油气
钻探工具应用可以包括任何类型、尺寸或直径的工具(例如，随钻成像或随钻测井钻铤)例
如芯轴、连接器接头和用于苛刻的、腐蚀性的或其他极端井下环境的其他设备。在某些实施
方案中，施加多层涂层在各种非切割表面上，即不用于通过表面的旋转或其它运动来切割
岩石、地面或其它材料的表面，例如钻头。其他应用可能包括所有行业，包括海洋、航空航
天、核能、农业和军事。
在一个实施方案中，公开了多层涂层，其中将基层直接施加到金属基材表面上，例
如工具表面的外径，然后是直接施加到基层上的耐磨损或耐摩擦层。在另一个实施方案中，
公开了多层涂层，其中将第一耐摩擦层直接施加到金属基材表面上，例如工具表面的外径，
然后是直接施加到基层上的第二耐磨损或耐摩擦层。在另一个实施方案中，多个环形多层
涂层被施加到工具上，并且每个多层涂层可被设计成以不同的磨损水平显示基层。这可以
为用户提供一种在没有工具的情况下容易地测量磨损深度的方式。类似地，在相同的多层
涂层内可以使用多种颜色或基层以实现这一点。
多层涂层可以施加在工具表面上的任何位置。当施加在工具上经历或预期经历磨
损的区域中时，多层涂层可能是特别有用的。在这样的情况下，当外部耐磨层被去除一定量
以露出基层时，即基层对于人眼是可见的，则用户理解磨损程度，即，工具可以保持使用多
长时间或者是否应该将其从服务中移除以例如施加新的耐磨层。
基层的组成和厚度可以根据所需的应用和其它层而变化。通常，基层应以某种方
式在视觉上不同于耐磨层，使得其提供磨损的指示。例如，基层可以具有与耐磨层不同的颜
色，使得用户容易看到色差，并且由于耐磨层的磨损或其它去除，基层被暴露出来。通常，基
层的着色可以选自任何方便的材料，并且可以根据期望的应用、其他部件、外部环境和其他
因素而变化。如果基层要直接施加至金属基材，那么选择具有与金属基材类似的性质的基
层组合物可能是有用的。在选择用于基层的组合物时有时考虑的因素可包括但不限于粘附
性、热膨胀、电解、磁性等。
与基层一样，一个或多个耐磨层的组合物和厚度也根据所需的应用和其它层而变
化。通常，基层外部的耐磨层在视觉上不同，使得其提供磨损的指示。在选择用于耐磨层例
如基层的组合物时有时考虑的因素可包括但不限于粘附性、热膨胀、电解、磁性等。
各层的粘结强度和孔隙率应当使得涂层在油气工具经受的井下条件下不会失效。
在一个实施方案中，基层和耐磨层都具有大于约9000，或大于约10,000，或大于约11,
000psi(根据ASTM633)的粘合强度。在其它实施方案中，基层的粘合强度小于所述一个或多
个耐磨层的粘合强度。在一个实施方案中，基层的粘合强度大于约5000，或大于约9000，而
耐磨层的粘合强度大于约10,000psi(根据ASTM633)。在一个实施方案中，涂层的每个层的
孔隙率小于约1.5，或小于约1.25，或小于约1，或小于约0.9％。
通常，当施加一个基层和一个耐磨层时，基层厚度与耐磨层厚度的比率为约1:5至
约5:1，或约1:4至约4:1，或约1:2.5至约2.5:1，或约1:2至约2:1，或约1.5:1至约1:1.5。在
一个具体实施方案中，基层为约8至约12千分之一英寸。类似地，在具体实施方案中，耐磨层
为约8至约12千分之一英寸。在另一个实施方案中，采用多层涂层，其中直接施加到金属基
材表面(例如工具表面的外径)上的第一耐磨层为约3至约7千分之一英寸，接着是基层，其
为约2至约4千分之一英寸，随后是直接施加到基层上的第二耐磨层，其为约3至约7千分之
一英寸。在另一个实施方案中，无论基层和耐磨层的数量如何，涂层的总厚度为约10-15千
分之一英寸。
检查其上具有多层涂层的工具可以以规律的间隔定期性地进行，例如每次进入和
离开井眼时，每隔一次进入和离开井眼时，每五次进入和离开井眼时或以其他间隔。另外，
其上具有多层涂层的工具可以在使用一定数量的小时之后，例如在使用至少约两百(200)
小时后，或使用至少约三百(300)小时或使用至少约五百(500)小时，或使用至少约一千(1,
000)小时，或使用至少约一千五百(1,500)小时，或至少约两千小时(2,000)或更长时间。
图1示出了井下工具100的实施方案的俯视图，该井下工具100具有施加在工具100
的外径上的特定位置处的多层涂层。井下工具100可以包括沿着工具的特定长度的磨损带
或硬质带102。磨损带102可以是形成高耐磨表面的小的邻近焊珠的汇集。当然，多层涂层
104可以施加在任何方便的位置。如图所示，多层涂层104可以轴向地邻近磨损带102的端部
施加。轴向邻近是指相对接近，使得其可邻接或在其之间具有一些空间。
图2示出了多层涂层104的实施方案的横截面图。基层104a(或第一层)可以直接施
加到工具100的外径。基层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。基层104a可以是任何类型的材料，包括但不限于任何铝合金、氧化铝、任何铝青铜
组合物，例如但不限于约3重量％至约12重量％铝的那些组合物、与其它合金剂如铁、镍、锰
或硅的任何铝青铜组合物、氧化铬二氧化硅、二氧化钛陶瓷等。另外，基层104a可以是任何
基本上非磁性的材料。此外，基层104可以是与要施加在顶部上的层(例如，下述的耐磨层
104b)具有良好粘合性的任何材料。
耐磨层104b(或第二层或外层)可以直接施加在第一层104a的顶部上。耐磨层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。耐磨层104b可以是
任何类型的材料，包括但不限于因科镍合金、不锈钢、钼、碳化钨、所有碳化钨合金、碳化铬、
氧化铬二氧化硅、二氧化钛陶瓷，以及任何其他合适的材料，满足一个或多个高温、耐磨擦
性和耐腐蚀性的要求。如果需要制造井下工具，其中工具在磨损带位置没有突出，则可以在
施加之前将金属底切到大约带的厚度。
图3示出了一个实施方案，其中采用构造涂层和研磨来控制钻铤井下工具中的基
层的厚度。具体地，通过喷涂应用的数量和基层的研磨来控制厚度。
在替代实施方案中，在整个厚度上具有可变颜色的材料的单层可以施加到工具表
面的外径。也就是说，当单层磨损时，不同的颜色可以是可见的或者用户可检测的，指示工
具是否应当重新涂覆。例如，单层可以具有两种颜色以指示何时需要重新涂覆(例如，用或
不用)，或者单层可以具有多种颜色以指示涂层寿命的阶段。
形成多层涂层的具体方式不是特别重要，只要获得所需的特性即可。通常，制备基
材以将表面粗糙化至用于粘附的合适轮廓。在一些情况下，这涉及制作所谓的锚定图案，例
如约2至约4千分之一英寸的键合型夹杂轮廓。在一个实施方案中，本文所述的多层涂层可
以使用热喷涂(也称为金属化)施加在金属基材表面上，其中棒、丝或粉末形式的金属在氧
乙炔火焰、电弧或等离子体电弧的流中熔融，并且利用压缩空气喷枪以高速将液滴喷射在
金属基板表面上。
可以首先清洁和粗糙化金属基材表面以提高粘合强度。热喷涂方法可包括但不限
于高速氧燃料(“HVOF”)气体喷涂、低速氧燃料(“LVOF”)气体喷涂、等离子喷涂(高或低能
量)(常规的高能量或真空)、爆炸枪，其中使用含氧燃料气体混合物、丝电弧(高或低能量)
(其中在两个可消耗的丝电极之间形成电弧)、火焰丝喷射(其中含氧燃料火焰熔化丝并将
其沉积在表面上)，以及其他进行受控爆炸。
在其它实施方案中，也可以使用施加多层涂层的其它方法。例如，碳化钨涂层可以
与聚合物或含氟聚合物以给定体积百分比混合以形成布状片材。然后可将布状片材施加在
基层上。
有利地，多层涂层减少或消除了用户在工地上对尺寸的机械或电子测量的需要，
从而减少停机时间和不准确性，并提高生产率。此外，原始工具可以反复使用，因为在金属
基材发生显著的不可逆损坏或其它损坏之前提供磨损指示，这将防止翻新，从而为用户和
操作者提供显著的成本节省。