钻井部件的制作方法

本申请要求于2014年3月24日提交的美国临时专利申请序列号No.61/969,424的优先权。该申请的全部内容以引用方式并入本文。

背景技术：

本公开涉及包含铜合金的钻井部件。

大部分铜合金并不适合用于钻柱部件中，尤其是外部部件，如在使用过程中承受冲击载荷并且与井筒接触的厚壁(heavy-section)外部部件。认为铜合金不适合的原因是，已知铜合金在发生高应变率的应变(例如，冲击载荷)时易于断裂。

此外，钻柱部件通常通过螺纹连接而保持在一起。当螺纹连接部分因磨损而发生无法修复的损伤时，钻柱部件将无法使用。由于(例如)一个部件的螺纹与第二部件的螺纹之间的金属-金属接触，并伴随着物质由一个部件传递至另一部件，使得彼此之间相对滑动的表面之间存在摩擦和/或粘附，由此发生了磨损。

有利的是，研制出具有更长的使用寿命的新型钻井部件。

技术实现要素：

本公开涉及包含亚稳硬化的铜-镍-锡合金的钻井部件。该部件提供了包括强度(例如，拉伸强度、压缩强度、剪切强度和疲劳强度)、延展性、高应变率断裂韧性、防磨损性、磁导性、以及耐氯化物应力腐蚀开裂性在内的性能的独特组合。这使得在钻井作业中提供机械功能的同时，延迟钻柱部件的破坏性损伤的发生。这还延长了这种部件的可利用的使用寿命，大幅降低了用于对油气井进行钻井和完井的设备的成本。

实施方案中公开的是包含亚稳硬化的铜-镍-锡合金的钻井部件。

铜-镍-锡合金可含有约8重量％至约20重量％的镍、以及约5重量％至约11重量％的锡，余量为铜。在更具体的实施方案中，铜-镍-锡合金包含约14.5重量％至约15.5重量％的镍和约7.5重量％至约8.5重量％的锡，余量为铜。

钻井部件可为钻杆(drill stem)、钻具接头、钻铤或钻管(drillpipe)。

在一些实施方案中，可将钻井部件冷加工，然后再次加热，从而进行微观组织的亚稳分解。

钻井部件的外径为至少约4英寸。钻井部件的长度为60英寸以下。钻井部件通常具有由部件的一端通向部件的另一端的钻孔。钻孔的直径为约2英寸以上。部件的侧壁的厚度为约1.5英寸以上。

在一些实施方案中，钻井部件具有延伸自主体的第一末端的阳螺纹接头、以及延伸至主体的第二末端的阴螺纹接头。在其他实施方案中，钻井部件具有延伸自主体的第一末端的阳螺纹接头、以及延伸自主体的第二末端的阳螺纹接头。在其他不同的实施方案中，钻井部件具有延伸至主体的第一末端的阴螺纹接头、以及延伸至主体的第二末端的阴螺纹接头。

钻井部件的0.2％补偿屈服强度可以为至少120ksi，室温下的夏比V型缺口冲击能量为至少12ft-lb。在其他实施方案中，钻井部件的0.2％补偿屈服强度为至少102ksi，室温下的夏比V型缺口冲击能量为至少17ft-lb。在其他实施方案中，钻井部件的0.2％补偿屈服强度为至少95ksi，室温下的夏比V型缺口冲击能量为至少22ft-lb。

或者，钻井部件的极限抗拉强度为至少160ksi，0.2％补偿屈服强度为至少150ksi，并且断裂伸长率为至少3％。在其他实施方案中，钻井部件的极限抗拉强度可以为至少120ksi，0.2％补偿屈服强度为至少110ksi，并且断裂伸长率为至少15％。在其他实施方案中，钻井部件的极限抗拉强度为至少106ksi，0.2％补偿屈服强度为至少95ksi，并且断裂伸长率为至少18％。

在具体实施方案中，钻井部件的极限抗拉强度为至少100ksi，0.2％补偿屈服强度为至少85ksi，并且断裂伸长率为至少10％。钻井部件的夏比V型缺口冲击强度可以为至少10ft-lb。

其他实施方案中披露了包含亚稳硬化的铜-镍-锡合金的钻杆。铜-镍-锡合金可含有约8重量％至约20重量％的镍、约5重量％至约11重量％的锡、以及余量的铜。

其他实施方案中披露了钻柱，其包括第一部件、第二部件以及钻柱部件。钻柱部件位于第一部件和第二部件之间。钻柱部件包含亚稳硬化的铜-镍-锡合金。钻孔延伸穿过第一部件、钻柱部件和第二部件。

下面将更具体地披露本发明的这些特征和其他非限制性特征。

附图说明

下面为附图简要说明，这些说明是为了示出本文所披露的示例性实施方案，而并非是为了对其加以限制。

图1为本公开钻柱的第一实施方案的一部分的截面视图。

图2为本公开钻柱的第二实施方案的一部分的截面视图。

图3为本公开钻柱的第三实施方案的一部分的截面视图。

具体实施方式

参照附图可更完整地理解本文所公开的部件、方法和装置。为了便于和易于说明本发明，这些附图仅是示意性表示，因此并非旨在表示所述设备或其部件的相对大小和尺寸，和/或限定或限制示例性实施方案的范围。

尽管为了清楚起见，在以下的描述中使用了特定术语，这些术语旨在仅指代被选择在附图中举例说明的实施方案的具体结构，并非旨在限定或限制本公开的范围。在附图和下面的描述中，应理解类似的数字标号指代的是具有类似功能的部件。

除非上下文中另有明确说明，否则单数形式的“一个”、“一种”和“所述”包括多个指代物的情况。

本说明书和权利要求书中所用的用语“包括”可包括“由…构成”和“基本上由…构成”的实施方案。如本文中使用的术语“包含”、“包括”、“具有”、“有”、“能够”、“含有”及其变化形式旨在表示开放式的连接短语、术语或词语，其要求具有所提到的成分/步骤，并且允许具有其他成分/步骤。然而，这种描述应被解释为还描述了组合物或方法“由所列举的成分/步骤组成”和“基本上由所列举的成分/步骤组成”的情况，其允许仅具有所指出的成分/步骤，以及任何可能由此产生的杂质，并排除了其他成分/步骤。

在本申请的说明书和权利要求书中的数值应被理解为：包括减少到相同有效数字位数时相同的数值、以及与所述值之间的差值小于本申请中所述类型的用以确定该值的常规测量技术的试验误差的数值。

本文中所披露的全部范围均包括所列的端值，并且是可独立组合的(例如，范围“2g至10g”包括端值2g和10g，并且包括全部的中间值)。

由一个或多个术语(如“约”和“基本上”)修饰的值可以不限于指定的精确值。用于表示近似的用语可符合用于测量所述值的仪器的精度。修饰语“约”还应被视为公开了由两个端值的绝对值所确定的范围。例如，“约2至约4”的表述还公开了范围“2至4”。

本公开涉及由亚稳强化的铜系合金制成的钻井部件。本公开的铜合金为铜-镍-锡合金，该铜-镍-锡合金具有强度、延展性、高应变率断裂韧性、防磨损性、磁导性、以及耐氯化物应力腐蚀开裂性的组合。这使得其能够用于制造钻井部件，包括用作需要承受冲击负荷的钻柱的外部部件的那些钻井部件。这种钻井部件可包括钻杆、钻具接头、钻铤或钻管。钻杆是将井下钻具组合连接至钻管的最后一节管道。钻具接头是用在钻管端部以提供能够将各个钻管接合在一起的连接头的部件。钻具接头和钻管通常是分别制造的，并且在制造后将钻具接头焊接至钻管上。钻铤是用于向钻头提供重量的钻柱部件。钻铤是具有较厚的侧壁的管状件。钻管是具有较厚侧壁的中空管，其用于帮助井筒的钻制。钻管设计为在较长距离范围内支撑其自重。

图1为示出了钻柱100的一部分的示意图，其中钻柱100包括第一部件110、第二部件120、以及将第一部件110和第二部件120连接在一起的钻柱部件130。第一部件110包括接收于钻柱部件130的互补凹槽(complementary recess)134或阴螺纹接头中的阳螺纹接头112。阳螺纹接头112和凹槽134通常为螺纹连接。钻柱部件130的阳螺纹接头132接收于第二部件120的互补凹槽或阴螺纹接头124中。同样的，阳螺纹接头132和凹槽124通常为螺纹连接。各部件110、120、130包括沿轴向从其中穿过的钻孔115、125、135。对于钻柱部件130，钻孔穿过主体138并且由部件的第一末端137延伸至第二末端139。在该实施方案中，钻柱部件包括位于部件的相对的末端的一个阳螺纹接头和一个阴螺纹接头。阳螺纹接头132延伸自主体138，阴螺纹接头134延伸至主体138。

图2为示出了钻柱200的一部分的示意图，其中钻柱200包括第一部件210、第二部件220、以及将第一部件210和第二部件220连接在一起的钻柱部件230。第一部件210包括接收于钻柱部件230的第一互补凹槽234或阴螺纹接头中的阳螺纹接头212。阳螺纹接头212和凹槽234通常为螺纹连接。第二部件220的阳螺纹接头222接收于钻柱部件230的第二互补凹槽或阴螺纹接头236中。同样的，阳螺纹接头222和凹槽236通常为螺纹连接。各部件210、220、230包括沿轴向从其中穿过的钻孔215、225、235。对于钻柱部件230，钻孔穿过主体238并且由部件的第一末端237延伸至第二末端239。在该实施方案中，钻柱部件包括位于部件的相对的末端的两个阴螺纹接头。阴螺纹接头234延伸至主体238。

图3为示出了钻柱300的一部分的示意图，其中钻柱300包括第一部件310、第二部件320、以及将第一部件310和第二部件320连接在一起的钻柱部件330。第一部件310包括接收钻柱部件330的第一阳螺纹接头332的阴螺纹接头314。阳螺纹接头332和凹槽312通常为螺纹连接。钻柱部件330的第二阳螺纹接头333接收于钻柱部件330的互补凹槽或阴螺纹接头324中。同样的，阳螺纹接头333和凹槽324通常为螺纹连接。各部件310、320、330包括沿轴向从其中穿过的钻孔315、325、335。对于钻柱部件330，钻孔穿过主体338并且由部件的第一末端337延伸至第二末端339。在该实施方案中，钻柱部件包括位于部件的相对的末端的两个阳螺纹接头。阳螺纹接头132延伸自主体136，阴螺纹接头134延伸至主体136。阳螺纹接头332延伸自主体338。

参见图3，虽然适用于所有实施方案，钻柱100、200、300可为圆柱状或大致为圆柱状，并且外径344可为至少约4英寸。钻柱部件130、230、330的长度348可为60英寸以下。包围钻孔335的侧壁340的厚度342为约1.5英寸以上。钻孔335的直径346为约2英寸以上。

通常来说，用于形成钻井部件的铜合金经过冷加工，然后再次加热以进行微观组织的亚稳分解。冷加工是通过塑性变形从而以机械方式改变金属的形状或尺寸的工艺。可通过对金属或合金进行轧制、拉延、冲压、旋压、挤出或锻压从而完成冷加工。当金属发生塑性变形时，会在材料内发生原子的位错。具体而言，位错发生于金属的晶粒之间或晶粒之内。位错彼此重叠并且材料内的位错密度增加。重叠位错的增加使得进一步位错的移动更为困难。这提高了所得合金的硬度和拉伸强度，同时通常降低了合金的延展性和冲击特性。冷加工还提高了合金的表面光洁度。机械冷加工通常在低于合金的再结晶点的温度下进行，并且通常在室温下进行。

亚稳时效/分解是一种这样的机制，通过该机制，多种成分可以分成具有不同的化学组成和物理性质的不同区域或微观组织。特别地，在相图中心区域具有体相组成(bulk composition)的晶体发生脱溶。位于本公开合金表面的亚稳分解导致表面硬化。

亚稳合金组织由均匀的两相混合物形成，所述均匀的两相混合物是当原始相在特定温度和组成下发生分离时所产生的，所述特定温度和组成被称为混溶隙，混溶隙是在高温下达到的。合金相自发分解为其他相，其中晶体结构保持相同，但结构中的原子被修饰但在尺寸上保持相似。亚稳硬化提高了基体金属的屈服强度，并包括组成和微观组织的高度均匀性。

在大多数情况中，亚稳合金在其相图中表现出被称为混溶隙的异常。在混溶隙的相对较窄的温度范围内，在现有的晶格结构中发生原子排序。所产生的两相组织在远低于所述混溶隙的温度下是稳定的。

本文中使用的铜-镍-锡合金通常包含约9重量％至约15.5重量％的镍和约6.0重量％至约9.0重量％的锡，余量为铜。该合金可被硬化，并且更易于形成能够用在各种工业和商业应用中的高屈服强度产品。这种高性能合金被设计为具有与铜-铍合金相似的性质。

更具体而言，本公开的铜-镍-锡合金包含约9重量％至约15重量％的镍和约6重量％至约9重量％的锡，余量为铜。在更具体的实施方案中，铜-镍-锡合金包含约14.5重量％至约15.5重量％的镍和约7.5重量％至约8.5重量％的锡，余量为铜。

铜-镍-锡三元亚稳合金表现出了有益的性能组合，如高强度、优异的摩擦学特性、以及海水和酸性环境中的高耐腐蚀性。基体金属的屈服强度增加可能是通过铜-镍-锡合金的亚稳分解而得到的。

铜合金可包含铍、镍和/或钴。在一些实施方案中，铜合金含有约1重量％至5重量％的铍，并且钴和镍的总和在约0.7重量％至约6重量％的范围内。在具体实施方案中，合金包含约2重量％的铍和约0.3重量％的钴和镍。其他的铜合金实施方案可包含约5重量％和7重量％之间的范围内的铍。

在一些实施方案中，铜合金可含有铬。铬的含量可小于合金的约5重量％，包括约0.5重量％至约2.0重量％、或者约0.6重量％至约1.2重量％的铬。

在一些实施方案中，铜合金含有硅。硅的含量可小于5重量％，包括约1.0重量％至约3.0重量％、或者约1.5重量％至约2.5重量％的硅。

本公开的合金可任选地包含少量的添加剂(例如，铁、镁、锰、钼、铌、钽、钒、锆及其混合物)。添加剂的含量可为至多1重量％，适当的含量为至多0.5重量％。此外，可存在少量的天然杂质。可存在少量的其他添加剂，如铝和锌。其他元素的存在可具有进一步提高所得合金的强度的效果。

在一些实施方案中，为了降低合金的氧含量，会在初始合金的形成过程中添加一些镁。所形成的氧化镁可从合金块体中除去。

用于制造本公开的钻井部件的合金可具有如下表1所示的0.2％补偿屈服强度和室温夏比V型缺口冲击能量的组合。这些组合对于本公开的铜合金而言是独特的。用于进行这些测量的测试样品为纵向排布。所列数值为最小值(即，至少为所列数值)，并且有利的是，补偿屈服强度和夏比V型缺口冲击能量的数值高于这里所列的组合。换言之，合金所具有的0.2％补偿屈服强度和室温夏比V型缺口冲击能量的组合等于或高于这里所列的数值。

表1

表2提供了适合于本公开用于钻井部件中的铜系合金的一个示例性实施方案的性质。

表2

表3提供了适合用于钻井部件中的另一种铜系合金的性质。

表3

表4提供了适合用于钻井部件中的另一种铜系合金的性质。

表4

可利用本领域中已知的铸造和/或成型技术来制造本公开的钻井部件。有利的是，该钻井部件符合关于非磁性钻柱部件的API规范7(API Specification 7)(2012年12月重订)的要求，该要求明确了用于制造钻井部件的材料的最小屈服强度、抗拉强度和断裂伸长率的数值。查阅具有特定值的钻井部件应视为查阅用于制造钻井部件的材料。

更具体而言，在一些实施方案中，铜系合金的0.2％补偿屈服强度为至少100ksi，极限抗拉强度为至少110ksi，并且断裂伸长率为至少20％。在其他实施方案中，铜系合金的0.2％补偿屈服强度为至少100ksi，极限抗拉强度为至少120ksi，并且断裂伸长率为至少18％。在其他实施方案中，铜系合金的0.2％补偿屈服强度为至少110ksi，极限抗拉强度为至少120ksi，并且断裂伸长率为至少18％。

通过延缓或者防止出现对钻井系统中部件的损坏，延长了部件的使用寿命，从而使用于钻井和完井的设备成本降低。

如下实施例示出了本公开的合金、制品、工艺和性质。这些实施例仅是说明性的，并且不旨在将公开内容限制于其中所述的材料、条件或工艺参数。

实施例

将四件试样锯成长度为32英寸。将这四件试样标记为A1A3、A1A4、A2A3和A2A4。然后将每件试样对半切割，并在所述标记后加上字母A或B，以指代试样的给定部分，即A1A3A和A1A3B。接下来，将各部分冷加工至直径为5.25英寸，然后机械加工至外径为5.00英寸。然后将这些部分在520°F下进行时效处理三小时。由于进行时效处理的炉子的尺寸，将这些部分分为不同的两批。所有的A部分一同进行时效处理，并且所有的B部分一同进行时效处理。

接下来，对于各部分，取两个样本进行拉伸测试，并取三个样本进行夏比测试。各部分具有圆形表面。

对于A部分，将两个拉伸样本标记为2T和3T。该样本呈0.75英寸正方形的形式，该样本的中心点位于距离外表面的半径为1英寸的位置处。一个样本取自圆形表面的北端，另一样本取自圆形表面的南端。将用于夏比测试的三个样本标记为2C、3C1和3C2。这些样本呈0.5英寸正方形的形式，其中心点位于距离外表面的半径为1英寸的位置处。2C样本取自与2T样本相邻处，3C1样本取自圆形表面的东端，3C2样本取自与3T样本相邻处。

对于B部分，取同样的五个样本，不同之处在于：这些样本的中心点位于距离外表面的半径为1.5英寸的位置处。

不同部分的拉伸数据和夏比测试数据记录于表5A和5B中。

表5A

表5B

抗拉强度为102ksi至117ksi。屈服强度为88ksi至106ksi。断裂伸长率为13％至26％。夏比冲击强度为13ft-lb至40ft-lb。

其他四个试样标记为B13、B14、B23和B24。将各试样对半切割，并在所述标记后加上字母A或B，以指代试样的给定部分，即B13A和B13B。按照如上所述方式取样本，不同之处在于：将各部分冷加工至直径为7.12英寸，然后机械加工至外径为6.87英寸。同样的，对于A部分，所取样本的中心点位于距离外表面的半径为1英寸的位置处。对于B部分，所取样本的中心点位于距离外表面的半径为1.5英寸的位置处。

不同部分的拉伸数据和夏比测试数据记录于表6A和6B中。

表6A

*取两个夏比样本并计算平均值。

表6B

抗拉强度为102ksi至127ksi。屈服强度为88ksi至117ksi。断裂伸长率为10％至23％。夏比冲击强度为10ft-lb至33ft-lb。注意到，在表6A中，样本B14A/2T和B14A/3T符合规范7的要求。综上，表5和表6的实施例的最小抗拉强度为100ksi，最小0.2％补偿屈服强度为85ksi，最小断裂伸长率为10％。此外，其最小夏比V型缺口冲击强度为10ft-lb。

应该理解的是，上述公开的变化形式和其他特征和功能或其替代方式，可以组合成许多其他不同的系统或应用。本领域技术人员后续可作出各种目前未预见或未预期的替代方式、修改、变化形式或改进，这也旨在由所附权利要求所涵盖。