固体润滑被膜形成用试剂、油井管、油井管螺纹接头和油井管的制造方法与流程

本发明是涉及油井管螺纹接头的润滑和耐腐蚀性的技术。本发明是涉及在螺纹部的紧固面(包括金属密封面)形成有固体润滑被膜代替湿式的润滑复合物的油井管和油井管螺纹接头的技术。在本说明书中，作为螺纹部的面的紧固面包括金属密封面。在此，固体润滑被膜是指由作为基体成分的粘合剂树脂和分散并分布在粘合剂树脂中的固体润滑剂以及根据需要添加的添加剂构成的被膜。本发明意在谋求通过实现油井管螺纹的润滑的固体润滑被膜来改善润滑，并且具有耐腐蚀性。另外，在本说明书中，以“润滑性”、“高润滑性”这样的术语进行说明的现象在广义上是指容易以低摩擦滑动的现象。另外，高润滑性在狭义上是指能够进行紧固/放松的次数(也记为紧固放松次数)能够为规定次数以上。例如，关于油井管螺纹接头的防烧伤性(耐焼き付き性，记载于api 5c5标准中。在api 5c5标准中，在套管尺寸的情况下要求能够进行至3次紧固。另外，在管道尺寸的情况下，要求能够进行至10次紧固。需要说明的是，在本说明书中，有时将具有内螺纹的管统称记载为套筒。即，联接器也记载为套筒的一种。

背景技术：

1、在油井管螺纹接头中，在螺纹部的润滑中，以往通过磷酸mn化学转化处理膜、使用了cu等的电镀对外螺纹侧和内螺纹侧中的至少一者的部件的螺纹部的紧固面(密封面)(以下，也简称为“紧固面”)进行表面处理而形成被膜。然后，在该被膜上涂布包含pb、zn等的润滑复合物来谋求润滑。

2、需要说明的是，在本说明书中，在螺纹部的紧固面(密封面)形成有被膜的情况下，包括该被膜在内称为紧固面。

3、与此相对，近年来，基于“干式/无掺杂”的非湿式润滑技术受到关注。“干式/无掺杂”包括膜本身不是api-mod复合物那样的粘性液体状的意思和不含有害重金属的意思。作为这样的“干式/无掺杂”的润滑，有对紧固面形成固体润滑被膜而谋求润滑的技术。本发明是涉及该“干式/无掺杂”情况下的润滑的技术。

4、在此，在过去的专利文献中，有关于各种固体润滑被膜的发明。固体润滑被膜由负责润滑的润滑剂成分和使润滑剂成分保持在膜中的作为基体成分的固体膜构成。固体膜是指不具有粘性的膜，不是液态的膜，其本身也有使螺纹紧固放松时的润滑完成的意思。以往以来的磷酸mn膜、电镀cu膜本身是固体膜。但是，由于以涂布润滑脂状的复合物而谋求润滑作为前提，因此，不包含在固体润滑被膜中。在本发明中，以固体膜的形式达到润滑，设想有机树脂膜作为固体膜。因此，在以下的记载中，将该固体膜也记载为粘合剂树脂。

5、在此，本发明中，将固体润滑剂的主要成分设为石墨，将粘合剂树脂的主要成分设为peek树脂。

6、在油井管螺纹的润滑领域及其它润滑领域中，几乎不存在将固体润滑剂的主要成分设为石墨的情况。另外，大多散见在粘合剂树脂成分中使用peek树脂的情况。但是，考虑到像油井管螺纹接头这样的特殊的润滑条件(施加大载荷且偏载荷的苛刻的润滑条件)，认为还没有将peek树脂控制在适当范围的过去的专利文献。

7、在此，作为类似技术，例如有专利文献1～6。

8、专利文献1～3是涉及油井管螺纹的固体润滑被膜的发明。在专利文献1～3中，作为被认为是固体润滑剂的物质的一例，例示了石墨。在专利文献3中还记载了：在固体润滑剂的候补材料中，石墨最好。

9、专利文献4不是油井管螺纹的发明。在专利文献4中，在轴承部分的润滑时，记载了石墨作为构成要素之一。另外，专利文献5是涉及水系试剂的文献，作为固体润滑剂，例示了石墨。

10、在此，关于石墨被广泛理解的想法是，具有即使在高温下润滑状况也不变、且即使在高载荷下润滑也不变的特长。另外，石墨具有即使为微粉末状也不爆炸、而是仅燃烧的性状。因此，石墨也广泛用于制造无缝钢管的穿孔工序中的芯棒和钢坯的润滑，稳定的润滑剂这样的理解得到了广泛定论。

11、另外，peek树脂(也简称为peek)是即使在高温也稳定的热塑性树脂，作为硬质的塑料而已知。peek是由poly ether ether ketone(聚醚醚酮)的首字母构成的简称。peek是非常硬的材料。此外，市售有为了强度强化而对peek添加玻璃纤维从而提高了强度、刚性的材料、为了提高润滑而添加混入了ptfe、石墨、碳纤维等的材料。需要说明的是，peek树脂是单体以颗粒状出售的树脂。

12、另外，在过去的与油井管螺纹的润滑有关的技术中，虽然使用peek树脂的技术的数量非常有限，但例如在专利文献6中有记载。在专利文献6中例示了在peek树脂中分散有ptfe的材料。

13、现有技术文献

14、专利文献

15、专利文献1：国际公开第2014/024755

16、专利文献2：日本特表2008-527249号公报

17、专利文献3：日本特表2013-545940号公报

18、专利文献4：日本专利第6776485号公报

19、专利文献5：国际公开第2019/021794

20、专利文献6：日本特表2015-506445号公报

技术实现思路

1、发明所要解决的问题

2、但是，在专利文献1～3中，虽然例示有石墨，但未明示石墨的含量。即，专利文献1～3的记载包含固体润滑剂中的总量～不含有，特别地推定对含量没有意识。

3、另外，专利文献6中记载的peek树脂的努氏硬度为hk80。专利文献6是显著软质的特殊的peek树脂的事例。在此，peek树脂的标准硬度是洛氏硬度为r120、努氏硬度为hk963，专利文献6的peek树脂的硬度远低于该标准。因此，专利文献6是使用了异质的peek树脂的例子，不适合作为本发明设想的peek树脂。

4、另外，本发明作为目标的油井管螺纹的润滑处于特殊的滑动状况。

5、即，在现场(实际的井)，将实际长度为约8m以上且小于约15m的销相对于设置在下方的套筒进行紧固/放松。此时，销处于如下状况：虽然在被起重机吊起的状态下使用动力钳进行紧固放松，但销的全部载荷可能会施加于套筒螺纹。在本说明书中，将其称为大载荷施加状态下的润滑。

6、另外，此时，销未必在理想的状态下进行紧固放松。即，在紧固时，销螺纹被插入套筒螺纹，或者以稍微手动拧紧的状态被设置。但是，销并不是相对于套筒螺纹直立不动地设置。另外，销也不是以一边向斜向倾斜一边笔直地(无挠曲地)立起的状态设置。即，销的下部被套筒螺纹约束，并且根据材料所具有的弹性模量(杨氏模量)和实际的销长度，上端侧即紧固侧的相反侧前端侧成为稍微挠曲的状态。特别是在8m以上的长度的销的情况下，当从下方仰视时，销被笔直地设置于套筒中，并且看起来像弯曲。从这样的状态开始，销进行紧固放松，因此，套筒螺纹和销螺纹完全不会在均质且对称地施加有载荷的状态下进行紧固放松。因此，成为在螺纹表面的一部分局部强烈地碰撞的状态下进行紧固放松的状况(偏载荷状态下的润滑)。另外，局部强烈地碰撞的部位也根据紧固放松而变化。

7、在使用以往的润滑脂状复合物的润滑技术中，在紧固放松时，复合物追随地移动。因此，即使存在一些润滑条件的变动等，润滑剂(润滑复合物)也以使紧固放松向良好的方向收敛的方式发挥功能。因此，在使用润滑脂状复合物的润滑技术中的螺纹接头的紧固放松的评价试验(也称为实验室试验)中，能够不依赖于使用实际尺寸销的评价，而通过使用短销的评价来掌握实际尺寸销的润滑状况。

8、另一方面，根据发明人的调查，在使用固体润滑被膜的油井管螺纹的润滑技术中，固体润滑被膜不可避免地在某种程度上被磨削。而且，需要设法使该磨削屑不堵塞螺纹间隙。另外，此时，来自被磨削掉的固体润滑被膜的二次形成物不一定与紧固放松联动而始终追随地移动。

9、这是在实际的井中发生的，是与使用湿式润滑复合物的润滑的情况大不相同的点。

10、另外，在油井管螺纹接头中得到了如下见解：通过与以往的使用润滑脂状复合物的润滑技术同样的评价，无法评价使用了固体润滑被膜的油井管螺纹的润滑技术，成为宽松的评价。即，在以往的专利文献中，油井管螺纹接头的紧固放松的评价即使是固体润滑被膜的评价，也大多是利用使用了湿式润滑复合物的润滑的评价(使用短销的紧固放松试验)。因此，得到了无法直接采用过去的专利文献中记载的固体润滑被膜润滑的条件(成分的合适范围等)的见解。

11、即，在通过实验室试验来评价固体润滑被膜的情况下，在与使用润滑复合物的润滑的情况同样地使用短销的评价中，由于如上所述的理由，未必能够模拟大载荷/偏载荷的影响。在使用了比实际的井中的状况短的短销的评价中，可知：固体润滑被膜不易被磨削，无法形成能够模拟实际的井中的烧伤(焼き付き)行为的状况。

12、如此，在以往的使用短销的评价中，由固体润滑被膜的磨削屑形成的二次生成物堵塞而烧伤，或者二次生成物再次按压于紧固面，无法模拟保持润滑膜的效果等状况。即，在单纯地使用短销的以往的评价中，固体润滑被膜的评价无论如何都变宽松。而且，在决定固体润滑被膜的物性参数时，存在本来不合格的区域也会被错误地评价为合适范围的问题。

13、出于这样的理由，发明人得到了如下见解：在以往的现有文献的记载中，实际情况是基于如上所述的宽松的评价而记载了合适范围的情况较多。

14、另外，得到了如下见解：在如油井管螺纹接头的紧固放松条件那样的、施加大载荷且还施加偏载荷的苛刻条件下，如专利文献1～5那样，即使单纯地设想活用石墨作为润滑剂，也无法顺利地进行。

15、以下列举其一例。

16、这里列举的例子是利用3.5”尺寸的油井管螺纹jfebeartm进行试验的事例。涂布粘合剂树脂仅使用环氧树脂、固体润滑剂仅使用石墨的试剂，进行烧成，在套筒螺纹侧形成固体润滑被膜。另外，对于销螺纹侧，使用粘合剂树脂使用氟树脂、固体润滑剂使用pmsq(聚甲基硅倍半氧烷)的试剂，形成固体润滑被膜。然后，利用卧式动力钳实施紧固放松试验，结果在一次紧固放松后发生轻度的烧伤，判定不合格。此时，螺纹以劳动用手套接触或不接触的程度产生摩擦发热。由此，从其发热情况也可以明确，无法说润滑良好。

17、另外，此时，如果在放松后观察螺纹，则密封部分完全健全，但形成了带状的来自石墨的二次形成物。能够推定它们(渣)堵塞而成为在螺纹部分发生烧伤的原因。紧固时，带状的物体(渣)形成于套筒螺纹的槽与其对置位置的销螺纹的牙之间的空隙等。另外，物体(渣)也形成于穿入齿侧的空隙、承载齿侧的空隙。该带状的物体的“流动性”差，即，无法与紧固速度联动地移动，在一部分的部分积存。推测其成为烧伤的直接原因，或者对固体润滑被膜带来损伤，造成下次以后的紧固放松中的烧伤的原因。观察到的是如下状态：放松时进行反向旋转，这些带状的物体一部分被破坏，包含从带状的物体变为粉状的物质。

18、这是一个例子，但如果使固体润滑剂仅为石墨，与粘合剂树脂调配后进行制膜，则无论选择哪种粘合剂树脂，推定都几乎全部如此。

19、这样，得到了如下见解：即使尝试将在过去的文献中明确记载为有效果的石墨实际应用并模仿来进行实验，也几乎全部烧伤。这是令人费解的。在仅将石墨用于固体润滑剂的事例中，或多或少，在一次紧固放松时，形成来自石墨的带状的二次生成物，其发生堵塞。另外，堵塞的物质进一步变为粉状，使螺纹间隙闭塞，在螺纹牙部分发生烧伤。或者，受到损伤而在第二次以后容易发生烧伤。而且，本发明人得到了如下见解：在使固体润滑剂由100％石墨构成的情况下，来自石墨的带状的二次生成物牢固地形成，其堵塞于螺纹间隙而成为烧伤的主因。

20、这样，得到了如下见解：存在石墨在历史上被认为是固体润滑剂的常识，但在油井管的螺纹领域中无法直接应用。即，存在如下问题：如果在确定石墨的适当范围的基础上不使用石墨，则无法抑制烧伤。

21、而且，需要明示能够期待由石墨带来的润滑提高效果的最佳范围来实现润滑。此外，需要适当地选择粘合剂树脂的组合。但是，在过去文献中，没有明确地指示。

22、另外，油井管螺纹的润滑存在与其它润滑行为不同的点，因此存在无法应用基于其它润滑条件的评价所进行的规定的问题。

23、一般而言，如果说起摩擦的两物体间的润滑行为，则设想一者被固定而另一者移动的状况。并且，对于移动的物体，设想从密合于固定的物体的状态开始润滑。即使在两个物体移动的情况下，润滑也始终从相互紧贴的状态开始。

24、另一方面，在油井管螺纹的润滑中，在紧固初期，销螺纹(外螺纹)从相对于套筒螺纹(内螺纹)存在螺纹的游隙量的松动的状态开始。因此，在螺纹彼此以一定程度啮合之前，螺纹彼此并非始终稳定地接触。即，在油井管螺纹的润滑中，强烈地碰撞的情况与几乎不碰撞的情况不均匀。而且，在强烈地碰撞时，对润滑膜造成损伤的担心高。进而，在螺纹啮合之后的润滑中，受到该处的润滑状况的影响而滑动。

25、特别是在存在螺纹啮合之前的“松动”的状况下，固体润滑被膜的情况下，存在直接受到来自松动的偏载荷的影响而固体润滑被膜容易受到损伤的问题。

26、另外，在实际的井中，在紧固放松时，存在由于销螺纹的总重量被施加于套筒螺纹而带来的影响。另外，由于如上述那样存在松动，因此，该载荷也不是均匀地施加，在螺纹啮合之前，存在销偏心地旋转的倾向。因此，固体润滑被膜必须是润滑可耐受作为偏载荷而施加的大载荷的膜。对于一点不留地剥离的膜、几乎都被破坏而消失的膜而言，无法应对。在实际的井中，油井管大多以api-5ct标准中所说的range-3或range-2的长度使用。如果是前者的标准，则大多以约12m～约16m运用。例如，约12m(约40英尺)的长度的油井管在9-5/8”的外径的情况下为约1t载荷的自重。在海洋钻机中，大多紧固使用预先连接三根而成的销螺纹。因此，如果使用9-5/8”外径的油井管，则成为对套筒侧施加约3吨的苛刻的状况。

27、在油井管螺纹的润滑中，需要设想可耐受这样的大载荷和偏载荷的润滑。于是，发明人进行了各种研究，结果得到了如下见解：重要的是，考虑到在大载荷的状况下在螺纹啮合之前存在“松动”的状况下如何抑制固体润滑被膜的损伤这点，对固体润滑剂和粘合剂树脂进行研究。

28、另一方面，在过去的文献中，难以说基于这样的观点进行了固体润滑被膜的设计。

29、顺便提一下，上述的一例是由于使用短销而没有负载大载荷、并且以卧式钳进行试验的结果。因此，在以接近实际的井条件下的应用的条件进行评价、不进行评价的以前的状况下产生问题。因此，示出了固体润滑剂仅使用石墨的情况下并非如过去文献所述那样绝对能够期待改善效果。

30、另外，如上所述，无法应用固体润滑剂由100％石墨构成的固体润滑剂，需要对固体润滑剂重新进行研究，需要固体润滑剂的成分组成的最优化。另外，与此同时，还需要研究粘合剂树脂。

31、另外，在活用油井管螺纹的润滑的同时，还需要考虑防腐蚀性的观点。油井管材料有时在长时间内被放置在场地中保管约1年～约2年，因此需要是即使在下雨的状况下也可耐受腐蚀的膜。

32、本发明是着眼于如上所述的方面而完成的，目的在于可以提供即使采用石墨作为固体润滑剂也能够对油井管螺纹赋予良好的润滑性和耐腐蚀性的固体润滑被膜。

33、用于解决问题的方法

34、本发明是将固体润滑剂的主要成分设为石墨、将粘合剂树脂的主要成分设为peek树脂的固体润滑被膜和试剂。而且，对于像油井管螺纹接头的紧固放松那样的施加大载荷且还施加偏载荷的苛刻条件，明确了能够兼顾稳定的润滑和耐腐蚀性的适当范围。由此，本发明确保了可耐受实际的井的紧固放松的润滑性，同时兼顾了耐腐蚀性。

35、如上所述，在单纯地以石墨作为固体润滑剂而制作固体润滑被膜的情况下，多数情况下固体润滑被膜在紧固放松时受到损伤。另外，在单纯地使用石墨的情况下，剥离的物质与紧固放松联动，被按压于螺纹面。由此，形成二次生成物，以往成为黑色带状。而且，得到了如下见解：该二次生成物堵塞螺纹间的间隙而频繁发生烧伤。

36、特别地得到了如下见解：在固体润滑剂为石墨100％的情况下，来自石墨的带状的二次生成物牢固地形成，其堵塞螺纹间隙而成为烧伤的主因。另外，得到了如下见解：通过以特定形状(鳞片状)的石墨作为主要成分、并且添加特定的其它固体润滑剂，由此能够阻碍来自石墨的带状的二次生成物牢固地生成。

37、本发明人鉴于该事实，对改善改良的条件范围进行了研究，包括石墨的最佳范围、以及粘合剂树脂的最佳范围、它们的调配比在内，发现了最佳的比率。例如，仅利用过去文献中所述的“单纯的石墨的活用”时，烧伤频繁发生。仅单纯地加入石墨时无法实现稳定的润滑。为了与润滑的改善相关联，注意到石墨的最优化以及使粘合剂树脂为peek主体的成分而进行硬度控制很重要。

38、另外，如上所述，如果基于石墨而使黑色带状的二次生成物牢固地形成，则会堵塞螺纹间隙而直接导致烧伤。因此，得到了如下见解：对于石墨，需要选定石墨的种类、调配比、粒径，排除成为烧伤原因的石墨范围后进行选定。

39、另外，粘合剂树脂的选择也很重要。对于油井管螺纹的润滑，如上所述，在螺纹彼此充分啮合之前，暴露于被施加大载荷、偏载荷的苛刻条件。此时，不能说固体润滑被膜的损伤为零，但容易从硬度、接触面剥离。而且，上述黑色带状的二次生成物在紧固放松时被剥离，出现在螺纹间隙。得到了如下见解：这是来自石墨和粘合剂树脂的物质，因此需要考虑上述石墨的规定和粘合剂树脂也受到限制，减少黑色带状的二次生成物，并且即使石墨和粘合剂树脂剥离也不会形成黑色带状，而是形成粉状～稍小的块状，在紧固放松时联动地移动，不会使特定的部位闭塞而烧伤。

40、根据发明人的研究的结果可知，以下的范围显著优良。虽然确保一定量的作为固体润滑剂的石墨，但使固体润滑剂不被100％石墨占有而混合其它种类的固体润滑剂很重要。具体而言，将石墨调整至50～90％很重要。进而，作为石墨本身的选择，选择鳞片状且选定平均粒径为0.1～10.0μm的小的石墨很重要。同时，粘合剂树脂选择peek树脂作为主要成分、且70％以上选择平均粒径为20μm以下的树脂很重要。另外可知，作为石墨的重量平衡，相对于全部被膜成分(＝固体润滑剂总重量+粘合剂树脂总重量)，抑制为20％以上且50％以下的适当范围很重要。

41、这些规定减少在作为烧伤的主要原因的紧固放松工序中的基于大载荷、偏载荷的负载条件下不可避免地被削掉(被剥离)的、以石墨和粘合剂树脂为基础形成的“黑色带状的二次生成物”。并且，这些规定的目的在于，将形状变为粉状～稍小的块状而不是黑色带状，与紧固放松联动而追随地移动，避免积存在某个特定部位而成为烧伤的原因。同时，这些规定是考虑到也能够确保耐腐蚀性的规定。

42、作为其它最佳范围的条件，包括包含溶剂的调配规定、石墨以外的固体润滑剂的规定、固体润滑被膜的铅笔硬度或膜厚、固体润滑被膜的基底层等规定在内进行了研究。而且，包括用于制作该固体润滑被膜的试剂、被膜本身和形成有固体润滑被膜的油井管螺纹接头以及扩展发明而形成有固体润滑被膜的金属材料、制膜方法在内，如以下那样构建发明。

43、另外，本发明的一个方式为用于在油井管的螺纹部形成固体润滑被膜的试剂，其主旨在于，相对于粘合剂树脂分散有两种以上固体润滑剂，作为上述两种以上固体润滑剂之一，含有固体润滑剂的总重量的50％以上且90％以下的石墨，石墨的形状为鳞片状且平均粒径为10.0μm以下，并且，作为上述两种以上固体润滑剂中的其它固体润滑剂，含有由选自bn(氮化硼)、云母、滑石、mca(氰尿酸三聚氰胺)、mos2(二硫化钼)、ptfe(聚四氟乙烯)、pfa(全氟烷氧基烷烃；四氟乙烯-全氟烷氧基乙烯共聚树脂)、fep(全氟乙烯丙烯共聚物；四氟乙烯-六氟丙烯共聚物)中的一种以上材料构成的固体润滑剂，上述粘合剂树脂以平均粒径20μm以下的peek树脂作为主要成分，含有粘合剂树脂的总重量的70％以上的该peek树脂。

44、另外，本发明的方式为在螺纹部形成有具备固体润滑被膜的润滑被膜的油井管，其主旨在于，上述固体润滑被膜通过使固体润滑剂相对于粘合剂树脂分散而构成，作为上述两种以上固体润滑剂之一，含有固体润滑剂的总重量的50％以上且90％以下的石墨，石墨的形状为鳞片状且平均粒径为10.0μm以下，并且，作为上述两种以上固体润滑剂中的其它固体润滑剂，含有由选自bn(氮化硼)、云母、滑石、mca(氰尿酸三聚氰胺)、mos2(二硫化钼)、ptfe(聚四氟乙烯)、pfa(全氟烷氧基烷烃；四氟乙烯-全氟烷氧基乙烯共聚树脂)、fep(全氟乙烯丙烯共聚物；四氟乙烯-六氟丙烯共聚物)中的一种以上材料构成的固体润滑剂，上述粘合剂树脂以平均粒径20μm以下的peek树脂作为主要成分，含有粘合剂树脂的总重量的70％以上的该peek树脂。

45、发明效果

46、根据本发明的方式，能够提供即使采用石墨作为固体润滑剂也能够对油井管的螺纹部赋予良好的润滑性和耐腐蚀性的固体润滑被膜。

47、例如，根据本发明的方式，可以得到考虑了在实际的井环境中可能会发生的相当于实际的井的条件的、具有紧固时的润滑性能和耐腐蚀性的油井管螺纹接头。需要说明的是，相当于实际的井的条件是指从上方对套筒施加销重量、因轴心偏移而倾斜地施加载荷的、不均匀而局部地施加载荷的局面较多的状况等条件。