本申請要求于2014年3月24日提交的美國臨時(shí)專利申請序列號No.61/969,424的優(yōu)先權(quán)。該申請的全部內(nèi)容以引用方式并入本文。

背景技術(shù)：

本公開涉及包含銅合金的鉆井部件。

大部分銅合金并不適合用于鉆柱部件中，尤其是外部部件，如在使用過程中承受沖擊載荷并且與井筒接觸的厚壁(heavy-section)外部部件。認(rèn)為銅合金不適合的原因是，已知銅合金在發(fā)生高應(yīng)變率的應(yīng)變(例如，沖擊載荷)時(shí)易于斷裂。

此外，鉆柱部件通常通過螺紋連接而保持在一起。當(dāng)螺紋連接部分因磨損而發(fā)生無法修復(fù)的損傷時(shí)，鉆柱部件將無法使用。由于(例如)一個(gè)部件的螺紋與第二部件的螺紋之間的金屬-金屬接觸，并伴隨著物質(zhì)由一個(gè)部件傳遞至另一部件，使得彼此之間相對滑動的表面之間存在摩擦和/或粘附，由此發(fā)生了磨損。

有利的是，研制出具有更長的使用壽命的新型鉆井部件。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本公開涉及包含亞穩(wěn)硬化的銅-鎳-錫合金的鉆井部件。該部件提供了包括強(qiáng)度(例如，拉伸強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度)、延展性、高應(yīng)變率斷裂韌性、防磨損性、磁導(dǎo)性、以及耐氯化物應(yīng)力腐蝕開裂性在內(nèi)的性能的獨(dú)特組合。這使得在鉆井作業(yè)中提供機(jī)械功能的同時(shí)，延遲鉆柱部件的破壞性損傷的發(fā)生。這還延長了這種部件的可利用的使用壽命，大幅降低了用于對油氣井進(jìn)行鉆井和完井的設(shè)備的成本。

實(shí)施方案中公開的是包含亞穩(wěn)硬化的銅-鎳-錫合金的鉆井部件。

銅-鎳-錫合金可含有約8重量％至約20重量％的鎳、以及約5重量％至約11重量％的錫，余量為銅。在更具體的實(shí)施方案中，銅-鎳-錫合金包含約14.5重量％至約15.5重量％的鎳和約7.5重量％至約8.5重量％的錫，余量為銅。

鉆井部件可為鉆桿(drill stem)、鉆具接頭、鉆鋌或鉆管(drillpipe)。

在一些實(shí)施方案中，可將鉆井部件冷加工，然后再次加熱，從而進(jìn)行微觀組織的亞穩(wěn)分解。

鉆井部件的外徑為至少約4英寸。鉆井部件的長度為60英寸以下。鉆井部件通常具有由部件的一端通向部件的另一端的鉆孔。鉆孔的直徑為約2英寸以上。部件的側(cè)壁的厚度為約1.5英寸以上。

在一些實(shí)施方案中，鉆井部件具有延伸自主體的第一末端的陽螺紋接頭、以及延伸至主體的第二末端的陰螺紋接頭。在其他實(shí)施方案中，鉆井部件具有延伸自主體的第一末端的陽螺紋接頭、以及延伸自主體的第二末端的陽螺紋接頭。在其他不同的實(shí)施方案中，鉆井部件具有延伸至主體的第一末端的陰螺紋接頭、以及延伸至主體的第二末端的陰螺紋接頭。

鉆井部件的0.2％補(bǔ)償屈服強(qiáng)度可以為至少120ksi，室溫下的夏比V型缺口沖擊能量為至少12ft-lb。在其他實(shí)施方案中，鉆井部件的0.2％補(bǔ)償屈服強(qiáng)度為至少102ksi，室溫下的夏比V型缺口沖擊能量為至少17ft-lb。在其他實(shí)施方案中，鉆井部件的0.2％補(bǔ)償屈服強(qiáng)度為至少95ksi，室溫下的夏比V型缺口沖擊能量為至少22ft-lb。

或者，鉆井部件的極限抗拉強(qiáng)度為至少160ksi，0.2％補(bǔ)償屈服強(qiáng)度為至少150ksi，并且斷裂伸長率為至少3％。在其他實(shí)施方案中，鉆井部件的極限抗拉強(qiáng)度可以為至少120ksi，0.2％補(bǔ)償屈服強(qiáng)度為至少110ksi，并且斷裂伸長率為至少15％。在其他實(shí)施方案中，鉆井部件的極限抗拉強(qiáng)度為至少106ksi，0.2％補(bǔ)償屈服強(qiáng)度為至少95ksi，并且斷裂伸長率為至少18％。

在具體實(shí)施方案中，鉆井部件的極限抗拉強(qiáng)度為至少100ksi，0.2％補(bǔ)償屈服強(qiáng)度為至少85ksi，并且斷裂伸長率為至少10％。鉆井部件的夏比V型缺口沖擊強(qiáng)度可以為至少10ft-lb。

其他實(shí)施方案中披露了包含亞穩(wěn)硬化的銅-鎳-錫合金的鉆桿。銅-鎳-錫合金可含有約8重量％至約20重量％的鎳、約5重量％至約11重量％的錫、以及余量的銅。

其他實(shí)施方案中披露了鉆柱，其包括第一部件、第二部件以及鉆柱部件。鉆柱部件位于第一部件和第二部件之間。鉆柱部件包含亞穩(wěn)硬化的銅-鎳-錫合金。鉆孔延伸穿過第一部件、鉆柱部件和第二部件。

下面將更具體地披露本發(fā)明的這些特征和其他非限制性特征。

附圖說明

下面為附圖簡要說明，這些說明是為了示出本文所披露的示例性實(shí)施方案，而并非是為了對其加以限制。

圖1為本公開鉆柱的第一實(shí)施方案的一部分的截面視圖。

圖2為本公開鉆柱的第二實(shí)施方案的一部分的截面視圖。

圖3為本公開鉆柱的第三實(shí)施方案的一部分的截面視圖。

具體實(shí)施方式

參照附圖可更完整地理解本文所公開的部件、方法和裝置。為了便于和易于說明本發(fā)明，這些附圖僅是示意性表示，因此并非旨在表示所述設(shè)備或其部件的相對大小和尺寸，和/或限定或限制示例性實(shí)施方案的范圍。

盡管為了清楚起見，在以下的描述中使用了特定術(shù)語，這些術(shù)語旨在僅指代被選擇在附圖中舉例說明的實(shí)施方案的具體結(jié)構(gòu)，并非旨在限定或限制本公開的范圍。在附圖和下面的描述中，應(yīng)理解類似的數(shù)字標(biāo)號指代的是具有類似功能的部件。

除非上下文中另有明確說明，否則單數(shù)形式的“一個(gè)”、“一種”和“所述”包括多個(gè)指代物的情況。

本說明書和權(quán)利要求書中所用的用語“包括”可包括“由…構(gòu)成”和“基本上由…構(gòu)成”的實(shí)施方案。如本文中使用的術(shù)語“包含”、“包括”、“具有”、“有”、“能夠”、“含有”及其變化形式旨在表示開放式的連接短語、術(shù)語或詞語，其要求具有所提到的成分/步驟，并且允許具有其他成分/步驟。然而，這種描述應(yīng)被解釋為還描述了組合物或方法“由所列舉的成分/步驟組成”和“基本上由所列舉的成分/步驟組成”的情況，其允許僅具有所指出的成分/步驟，以及任何可能由此產(chǎn)生的雜質(zhì)，并排除了其他成分/步驟。

在本申請的說明書和權(quán)利要求書中的數(shù)值應(yīng)被理解為：包括減少到相同有效數(shù)字位數(shù)時(shí)相同的數(shù)值、以及與所述值之間的差值小于本申請中所述類型的用以確定該值的常規(guī)測量技術(shù)的試驗(yàn)誤差的數(shù)值。

本文中所披露的全部范圍均包括所列的端值，并且是可獨(dú)立組合的(例如，范圍“2g至10g”包括端值2g和10g，并且包括全部的中間值)。

由一個(gè)或多個(gè)術(shù)語(如“約”和“基本上”)修飾的值可以不限于指定的精確值。用于表示近似的用語可符合用于測量所述值的儀器的精度。修飾語“約”還應(yīng)被視為公開了由兩個(gè)端值的絕對值所確定的范圍。例如，“約2至約4”的表述還公開了范圍“2至4”。

本公開涉及由亞穩(wěn)強(qiáng)化的銅系合金制成的鉆井部件。本公開的銅合金為銅-鎳-錫合金，該銅-鎳-錫合金具有強(qiáng)度、延展性、高應(yīng)變率斷裂韌性、防磨損性、磁導(dǎo)性、以及耐氯化物應(yīng)力腐蝕開裂性的組合。這使得其能夠用于制造鉆井部件，包括用作需要承受沖擊負(fù)荷的鉆柱的外部部件的那些鉆井部件。這種鉆井部件可包括鉆桿、鉆具接頭、鉆鋌或鉆管。鉆桿是將井下鉆具組合連接至鉆管的最后一節(jié)管道。鉆具接頭是用在鉆管端部以提供能夠?qū)⒏鱾€(gè)鉆管接合在一起的連接頭的部件。鉆具接頭和鉆管通常是分別制造的，并且在制造后將鉆具接頭焊接至鉆管上。鉆鋌是用于向鉆頭提供重量的鉆柱部件。鉆鋌是具有較厚的側(cè)壁的管狀件。鉆管是具有較厚側(cè)壁的中空管，其用于幫助井筒的鉆制。鉆管設(shè)計(jì)為在較長距離范圍內(nèi)支撐其自重。

圖1為示出了鉆柱100的一部分的示意圖，其中鉆柱100包括第一部件110、第二部件120、以及將第一部件110和第二部件120連接在一起的鉆柱部件130。第一部件110包括接收于鉆柱部件130的互補(bǔ)凹槽(complementary recess)134或陰螺紋接頭中的陽螺紋接頭112。陽螺紋接頭112和凹槽134通常為螺紋連接。鉆柱部件130的陽螺紋接頭132接收于第二部件120的互補(bǔ)凹槽或陰螺紋接頭124中。同樣的，陽螺紋接頭132和凹槽124通常為螺紋連接。各部件110、120、130包括沿軸向從其中穿過的鉆孔115、125、135。對于鉆柱部件130，鉆孔穿過主體138并且由部件的第一末端137延伸至第二末端139。在該實(shí)施方案中，鉆柱部件包括位于部件的相對的末端的一個(gè)陽螺紋接頭和一個(gè)陰螺紋接頭。陽螺紋接頭132延伸自主體138，陰螺紋接頭134延伸至主體138。

圖2為示出了鉆柱200的一部分的示意圖，其中鉆柱200包括第一部件210、第二部件220、以及將第一部件210和第二部件220連接在一起的鉆柱部件230。第一部件210包括接收于鉆柱部件230的第一互補(bǔ)凹槽234或陰螺紋接頭中的陽螺紋接頭212。陽螺紋接頭212和凹槽234通常為螺紋連接。第二部件220的陽螺紋接頭222接收于鉆柱部件230的第二互補(bǔ)凹槽或陰螺紋接頭236中。同樣的，陽螺紋接頭222和凹槽236通常為螺紋連接。各部件210、220、230包括沿軸向從其中穿過的鉆孔215、225、235。對于鉆柱部件230，鉆孔穿過主體238并且由部件的第一末端237延伸至第二末端239。在該實(shí)施方案中，鉆柱部件包括位于部件的相對的末端的兩個(gè)陰螺紋接頭。陰螺紋接頭234延伸至主體238。

圖3為示出了鉆柱300的一部分的示意圖，其中鉆柱300包括第一部件310、第二部件320、以及將第一部件310和第二部件320連接在一起的鉆柱部件330。第一部件310包括接收鉆柱部件330的第一陽螺紋接頭332的陰螺紋接頭314。陽螺紋接頭332和凹槽312通常為螺紋連接。鉆柱部件330的第二陽螺紋接頭333接收于鉆柱部件330的互補(bǔ)凹槽或陰螺紋接頭324中。同樣的，陽螺紋接頭333和凹槽324通常為螺紋連接。各部件310、320、330包括沿軸向從其中穿過的鉆孔315、325、335。對于鉆柱部件330，鉆孔穿過主體338并且由部件的第一末端337延伸至第二末端339。在該實(shí)施方案中，鉆柱部件包括位于部件的相對的末端的兩個(gè)陽螺紋接頭。陽螺紋接頭132延伸自主體136，陰螺紋接頭134延伸至主體136。陽螺紋接頭332延伸自主體338。

參見圖3，雖然適用于所有實(shí)施方案，鉆柱100、200、300可為圓柱狀或大致為圓柱狀，并且外徑344可為至少約4英寸。鉆柱部件130、230、330的長度348可為60英寸以下。包圍鉆孔335的側(cè)壁340的厚度342為約1.5英寸以上。鉆孔335的直徑346為約2英寸以上。

通常來說，用于形成鉆井部件的銅合金經(jīng)過冷加工，然后再次加熱以進(jìn)行微觀組織的亞穩(wěn)分解。冷加工是通過塑性變形從而以機(jī)械方式改變金屬的形狀或尺寸的工藝?？赏ㄟ^對金屬或合金進(jìn)行軋制、拉延、沖壓、旋壓、擠出或鍛壓從而完成冷加工。當(dāng)金屬發(fā)生塑性變形時(shí)，會在材料內(nèi)發(fā)生原子的位錯(cuò)。具體而言，位錯(cuò)發(fā)生于金屬的晶粒之間或晶粒之內(nèi)。位錯(cuò)彼此重疊并且材料內(nèi)的位錯(cuò)密度增加。重疊位錯(cuò)的增加使得進(jìn)一步位錯(cuò)的移動更為困難。這提高了所得合金的硬度和拉伸強(qiáng)度，同時(shí)通常降低了合金的延展性和沖擊特性。冷加工還提高了合金的表面光潔度。機(jī)械冷加工通常在低于合金的再結(jié)晶點(diǎn)的溫度下進(jìn)行，并且通常在室溫下進(jìn)行。

亞穩(wěn)時(shí)效/分解是一種這樣的機(jī)制，通過該機(jī)制，多種成分可以分成具有不同的化學(xué)組成和物理性質(zhì)的不同區(qū)域或微觀組織。特別地，在相圖中心區(qū)域具有體相組成(bulk composition)的晶體發(fā)生脫溶。位于本公開合金表面的亞穩(wěn)分解導(dǎo)致表面硬化。

亞穩(wěn)合金組織由均勻的兩相混合物形成，所述均勻的兩相混合物是當(dāng)原始相在特定溫度和組成下發(fā)生分離時(shí)所產(chǎn)生的，所述特定溫度和組成被稱為混溶隙，混溶隙是在高溫下達(dá)到的。合金相自發(fā)分解為其他相，其中晶體結(jié)構(gòu)保持相同，但結(jié)構(gòu)中的原子被修飾但在尺寸上保持相似。亞穩(wěn)硬化提高了基體金屬的屈服強(qiáng)度，并包括組成和微觀組織的高度均勻性。

在大多數(shù)情況中，亞穩(wěn)合金在其相圖中表現(xiàn)出被稱為混溶隙的異常。在混溶隙的相對較窄的溫度范圍內(nèi)，在現(xiàn)有的晶格結(jié)構(gòu)中發(fā)生原子排序。所產(chǎn)生的兩相組織在遠(yuǎn)低于所述混溶隙的溫度下是穩(wěn)定的。

本文中使用的銅-鎳-錫合金通常包含約9重量％至約15.5重量％的鎳和約6.0重量％至約9.0重量％的錫，余量為銅。該合金可被硬化，并且更易于形成能夠用在各種工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用中的高屈服強(qiáng)度產(chǎn)品。這種高性能合金被設(shè)計(jì)為具有與銅-鈹合金相似的性質(zhì)。

更具體而言，本公開的銅-鎳-錫合金包含約9重量％至約15重量％的鎳和約6重量％至約9重量％的錫，余量為銅。在更具體的實(shí)施方案中，銅-鎳-錫合金包含約14.5重量％至約15.5重量％的鎳和約7.5重量％至約8.5重量％的錫，余量為銅。

銅-鎳-錫三元亞穩(wěn)合金表現(xiàn)出了有益的性能組合，如高強(qiáng)度、優(yōu)異的摩擦學(xué)特性、以及海水和酸性環(huán)境中的高耐腐蝕性?；w金屬的屈服強(qiáng)度增加可能是通過銅-鎳-錫合金的亞穩(wěn)分解而得到的。

銅合金可包含鈹、鎳和/或鈷。在一些實(shí)施方案中，銅合金含有約1重量％至5重量％的鈹，并且鈷和鎳的總和在約0.7重量％至約6重量％的范圍內(nèi)。在具體實(shí)施方案中，合金包含約2重量％的鈹和約0.3重量％的鈷和鎳。其他的銅合金實(shí)施方案可包含約5重量％和7重量％之間的范圍內(nèi)的鈹。

在一些實(shí)施方案中，銅合金可含有鉻。鉻的含量可小于合金的約5重量％，包括約0.5重量％至約2.0重量％、或者約0.6重量％至約1.2重量％的鉻。

在一些實(shí)施方案中，銅合金含有硅。硅的含量可小于5重量％，包括約1.0重量％至約3.0重量％、或者約1.5重量％至約2.5重量％的硅。

本公開的合金可任選地包含少量的添加劑(例如，鐵、鎂、錳、鉬、鈮、鉭、釩、鋯及其混合物)。添加劑的含量可為至多1重量％，適當(dāng)?shù)暮繛橹炼?.5重量％。此外，可存在少量的天然雜質(zhì)?？纱嬖谏倭康钠渌砑觿?，如鋁和鋅。其他元素的存在可具有進(jìn)一步提高所得合金的強(qiáng)度的效果。

在一些實(shí)施方案中，為了降低合金的氧含量，會在初始合金的形成過程中添加一些鎂。所形成的氧化鎂可從合金塊體中除去。

用于制造本公開的鉆井部件的合金可具有如下表1所示的0.2％補(bǔ)償屈服強(qiáng)度和室溫夏比V型缺口沖擊能量的組合。這些組合對于本公開的銅合金而言是獨(dú)特的。用于進(jìn)行這些測量的測試樣品為縱向排布。所列數(shù)值為最小值(即，至少為所列數(shù)值)，并且有利的是，補(bǔ)償屈服強(qiáng)度和夏比V型缺口沖擊能量的數(shù)值高于這里所列的組合。換言之，合金所具有的0.2％補(bǔ)償屈服強(qiáng)度和室溫夏比V型缺口沖擊能量的組合等于或高于這里所列的數(shù)值。

表1

表2提供了適合于本公開用于鉆井部件中的銅系合金的一個(gè)示例性實(shí)施方案的性質(zhì)。

表2

表3提供了適合用于鉆井部件中的另一種銅系合金的性質(zhì)。

表3

表4提供了適合用于鉆井部件中的另一種銅系合金的性質(zhì)。

表4

可利用本領(lǐng)域中已知的鑄造和/或成型技術(shù)來制造本公開的鉆井部件。有利的是，該鉆井部件符合關(guān)于非磁性鉆柱部件的API規(guī)范7(API Specification 7)(2012年12月重訂)的要求，該要求明確了用于制造鉆井部件的材料的最小屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長率的數(shù)值。查閱具有特定值的鉆井部件應(yīng)視為查閱用于制造鉆井部件的材料。

更具體而言，在一些實(shí)施方案中，銅系合金的0.2％補(bǔ)償屈服強(qiáng)度為至少100ksi，極限抗拉強(qiáng)度為至少110ksi，并且斷裂伸長率為至少20％。在其他實(shí)施方案中，銅系合金的0.2％補(bǔ)償屈服強(qiáng)度為至少100ksi，極限抗拉強(qiáng)度為至少120ksi，并且斷裂伸長率為至少18％。在其他實(shí)施方案中，銅系合金的0.2％補(bǔ)償屈服強(qiáng)度為至少110ksi，極限抗拉強(qiáng)度為至少120ksi，并且斷裂伸長率為至少18％。

通過延緩或者防止出現(xiàn)對鉆井系統(tǒng)中部件的損壞，延長了部件的使用壽命，從而使用于鉆井和完井的設(shè)備成本降低。

如下實(shí)施例示出了本公開的合金、制品、工藝和性質(zhì)。這些實(shí)施例僅是說明性的，并且不旨在將公開內(nèi)容限制于其中所述的材料、條件或工藝參數(shù)。

實(shí)施例

將四件試樣鋸成長度為32英寸。將這四件試樣標(biāo)記為A1A3、A1A4、A2A3和A2A4。然后將每件試樣對半切割，并在所述標(biāo)記后加上字母A或B，以指代試樣的給定部分，即A1A3A和A1A3B。接下來，將各部分冷加工至直徑為5.25英寸，然后機(jī)械加工至外徑為5.00英寸。然后將這些部分在520°F下進(jìn)行時(shí)效處理三小時(shí)。由于進(jìn)行時(shí)效處理的爐子的尺寸，將這些部分分為不同的兩批。所有的A部分一同進(jìn)行時(shí)效處理，并且所有的B部分一同進(jìn)行時(shí)效處理。

接下來，對于各部分，取兩個(gè)樣本進(jìn)行拉伸測試，并取三個(gè)樣本進(jìn)行夏比測試。各部分具有圓形表面。

對于A部分，將兩個(gè)拉伸樣本標(biāo)記為2T和3T。該樣本呈0.75英寸正方形的形式，該樣本的中心點(diǎn)位于距離外表面的半徑為1英寸的位置處。一個(gè)樣本取自圓形表面的北端，另一樣本取自圓形表面的南端。將用于夏比測試的三個(gè)樣本標(biāo)記為2C、3C1和3C2。這些樣本呈0.5英寸正方形的形式，其中心點(diǎn)位于距離外表面的半徑為1英寸的位置處。2C樣本取自與2T樣本相鄰處，3C1樣本取自圓形表面的東端，3C2樣本取自與3T樣本相鄰處。

對于B部分，取同樣的五個(gè)樣本，不同之處在于：這些樣本的中心點(diǎn)位于距離外表面的半徑為1.5英寸的位置處。

不同部分的拉伸數(shù)據(jù)和夏比測試數(shù)據(jù)記錄于表5A和5B中。

表5A

表5B

抗拉強(qiáng)度為102ksi至117ksi。屈服強(qiáng)度為88ksi至106ksi。斷裂伸長率為13％至26％。夏比沖擊強(qiáng)度為13ft-lb至40ft-lb。

其他四個(gè)試樣標(biāo)記為B13、B14、B23和B24。將各試樣對半切割，并在所述標(biāo)記后加上字母A或B，以指代試樣的給定部分，即B13A和B13B。按照如上所述方式取樣本，不同之處在于：將各部分冷加工至直徑為7.12英寸，然后機(jī)械加工至外徑為6.87英寸。同樣的，對于A部分，所取樣本的中心點(diǎn)位于距離外表面的半徑為1英寸的位置處。對于B部分，所取樣本的中心點(diǎn)位于距離外表面的半徑為1.5英寸的位置處。

不同部分的拉伸數(shù)據(jù)和夏比測試數(shù)據(jù)記錄于表6A和6B中。

表6A

*取兩個(gè)夏比樣本并計(jì)算平均值。

表6B

抗拉強(qiáng)度為102ksi至127ksi。屈服強(qiáng)度為88ksi至117ksi。斷裂伸長率為10％至23％。夏比沖擊強(qiáng)度為10ft-lb至33ft-lb。注意到，在表6A中，樣本B14A/2T和B14A/3T符合規(guī)范7的要求。綜上，表5和表6的實(shí)施例的最小抗拉強(qiáng)度為100ksi，最小0.2％補(bǔ)償屈服強(qiáng)度為85ksi，最小斷裂伸長率為10％。此外，其最小夏比V型缺口沖擊強(qiáng)度為10ft-lb。

應(yīng)該理解的是，上述公開的變化形式和其他特征和功能或其替代方式，可以組合成許多其他不同的系統(tǒng)或應(yīng)用。本領(lǐng)域技術(shù)人員后續(xù)可作出各種目前未預(yù)見或未預(yù)期的替代方式、修改、變化形式或改進(jìn)，這也旨在由所附權(quán)利要求所涵蓋。