(57)【要約】【課題】銅合金を含む、穿孔用構成要素を提供すること。【解決手段】穿孔用構成要素は、スピノーダル硬化銅−ニッケル−錫合金を含む。穿孔用構成要素は、パイプを一緒に接合するために使用されるツール継手等のドリルステムまたはドリルストリング構成要素であり得る。一実施形態において、スピノーダル硬化銅−ニッケル−錫合金は、約８〜約２０重量％のニッケルと、約５〜約１１重量％の錫とを含み、残部は、銅である。一実施形態において、穿孔用構成要素は、冷間加工され、次いで、再加熱されている。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
スピノーダル硬化銅−ニッケル−錫合金を含む、ドリルストリングのための外側構成要素。
【請求項２】
主要本体の第１の端部から延びているオス型コネクタと、前記主要本体の第２の端部から延びているオス型コネクタとを有する、請求項１に記載の外側構成要素。
【請求項３】
前記スピノーダル硬化銅−ニッケル−錫合金は、８〜２０重量％のニッケルと、５〜１１重量％の錫とを含み、残部は、銅である、請求項１または２に記載の外側構成要素。
【請求項４】
前記スピノーダル硬化銅−ニッケル−錫合金は、１４．５重量％〜１５．５重量％のニッケルと、７．５重量％〜８．５％の錫とを含み、残部は、銅である、請求項１または２に記載の外側構成要素。
【請求項５】
前記外側構成要素は、ドリルステム、ツール継手、ドリルカラー、またはドリルパイプである、請求項１または２に記載の外側構成要素。
【請求項６】
少なくとも１０．１６ｃｍ（４インチ）の外径を有する、請求項１または２に記載の外側構成要素。
【請求項７】
１５２．４ｃｍ（６０インチ）以下の長さを有する、請求項１または２に記載の外側構成要素。
【請求項８】
前記構成要素の第１の端部から第２の端部まで前記構成要素を通過するボアを有する、請求項１または２に記載の外側構成要素。
【請求項９】
前記ボアは、５．０８ｃｍ（２インチ）以上の直径を有する、請求項８に記載の外側構成要素。
【請求項１０】
前記構成要素の側壁は、３．８１ｃｍ（１．５インチ）以上の厚さを有する、請求項８に記載の外側構成要素。
【請求項１１】
主要本体の第１の端部から延びているオス型コネクタと、前記主要本体の第２の端部の中に延びているメス型コネクタとを有する、請求項１に記載の外側構成要素。
【請求項１２】
主要本体の第１の端部の中に延びているメス型コネクタと、前記主要本体の第２の端部の中に延びているメス型コネクタとを有する、請求項１に記載の外側構成要素。
【請求項１３】
少なくとも１１０３ＭＰａ（１６０ｋｓｉ）の終局引張強度と、少なくとも１０３４ＭＰａ（１５０ｋｓｉ）の０．２％オフセット降伏強度と、少なくとも３％の破断伸びとを有する、請求項１または２に記載の外側構成要素。
【請求項１４】
少なくとも８２７ＭＰａ（１２０ｋｓｉ）の終局引張強度と、少なくとも７５８ＭＰａ（１１０ｋｓｉ）の０．２％オフセット降伏強度と、少なくとも１５％の破断伸びとを有する、請求項１または２に記載の外側構成要素。
【請求項１５】
少なくとも７３０ＭＰａ（１０６ｋｓｉ）の終局引張強度と、少なくとも６５５ＭＰａ（９５ｋｓｉ）の０．２％オフセット降伏強度と、少なくとも１８％の破断伸びとを有する、請求項１または２に記載の外側構成要素。
【請求項１６】
少なくとも６８９Ｍｐａ（１００ｋｓｉ）の終局引張強度と、少なくとも５８６Ｍｐａ（８５ｋｓｉ）の０．２％オフセット降伏強度と、少なくとも１０％の破断伸びとを有する、請求項１または２に記載の外側構成要素。
【請求項１７】
少なくとも１３ジュール（１０フィートポンド）のシャルピーＶ切り欠き衝撃強度を有する、請求項１または２に記載の外側構成要素。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の引用）
本願は、米国仮特許出願第６１／９６９，４２４号（２０１４年３月２４日出願）に対する優先権を主張する。上記出願は、参照により本明細書にその全体が引用される。
【０００２】
本開示は、銅合金を含む、穿孔用構成要素に関する。
【背景技術】
【０００３】
殆どの銅合金は、ドリルストリング構成要素における使用のために好適ではなく、特に、衝撃荷重に耐え、使用中、坑井と接触している大断面外側構成要素等の外側構成要素における使用のために好適ではない。銅合金は、高速の歪み（すなわち、衝撃荷重）を受けると、破断しやすいことが知られているため、好適ではないと考えられる。
【０００４】
加えて、ドリルストリング構成要素は、多くの場合、ねじ式接続によって一緒に保持される。ドリルストリング構成要素は、ねじ式接続区画が摩耗により回復不可能にまで損傷されると、使用不可能にされ得る。摩耗は、例えば、一方の構成要素のねじ山と第２の構成要素のねじ山との間の金属間接触による、互いに対してスライドする表面間の摩擦および／または接着により生じ、材料が一方の構成要素から他方の構成要素に移される。
【０００５】
延長された寿命を有する、新しい穿孔用構成要素を開発することが、望ましい。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示は、スピノーダル硬化銅−ニッケル−錫合金を含む、穿孔用構成要素に関する。構成要素は、強度（例えば、引張、圧縮、剪断、および疲労）、靭性、高歪み速度破壊靭性、摩耗保護、透磁性、および塩化物応力腐食割れ耐性を含む、特性の固有の組み合わせを提供する。これは、抗井穿孔動作の間、機械的機能性を提供しながら、ドリルストリング構成要素への破壊的損傷の発生を遅延させる。これはまた、そのような構成要素の有用耐用年数を延長させ、油井およびガス井を穿孔および完成させるために使用される機器のコストを著しく低減させる。
【０００７】
実施形態に開示されるのは、スピノーダル硬化銅−ニッケル−錫合金を含む、穿孔用構成要素である。
【０００８】
銅−ニッケル−錫合金は、約８〜約２０重量％のニッケルと、約５〜約１１重量％の錫とを含み得、残部は、銅である。より具体的実施形態では、銅−ニッケル−錫合金は、約１４．５重量％〜約１５．５重量％のニッケルと、約７．５重量％〜約８．５％の錫とを含み、残部は、銅である。
【０００９】
穿孔用構成要素は、ドリルステム、ツール継手、ドリルカラー、またはドリルパイプであり得る。
【００１０】
いくつかの実施形態では、穿孔用構成要素は、冷間加工され、次いで、再加熱され、微小構造のスピノーダル分解に影響を及ぼす。
【００１１】
穿孔用構成要素は、少なくとも約４インチの外径を有することができる。穿孔用構成要素は、６０インチ以下の長さを有し得る。穿孔用構成要素は、概して、構成要素の第１の端部から第２の端部まで構成要素を通過するボアを有する。ボアは、約２インチ以上の直径を有することができる。構成要素の側壁は、約１．５インチ以上の厚さを有し得る。
【００１２】
いくつかの実施形態では、穿孔用構成要素は、主要本体の第１の端部から延びているオス型コネクタと、主要本体の第２の端部の中に延びているメス型コネクタとを有する。他の実施形態では、穿孔用構成要素は、主要本体の第１の端部から延びているオス型コネクタと、主要本体の第２の端部から延びているオス型コネクタとを有する。他の異なる実施形態では、穿孔用構成要素は、主要本体の第１の端部の中に延びているメス型コネクタと、主要本体の第２の端部の中に延びているメス型コネクタとを有する。
【００１３】
穿孔用構成要素は、少なくとも１２０ｋｓｉの０．２％オフセット降伏強度と、室温において少なくとも１２フィートポンドのシャルピーＶ切り欠き衝撃エネルギーとを有することができる。他の実施形態では、穿孔用構成要素は、少なくとも１０２ｋｓｉの０．２％オフセット降伏強度と、室温において少なくとも１７フィートポンドのシャルピーＶ切り欠き衝撃エネルギーとを有する。さらに他の実施形態では、穿孔用構成要素は、少なくとも９５ｋｓｉの０．２％オフセット降伏強度と、室温において少なくとも２２フィートポンドのシャルピーＶ切り欠き衝撃エネルギーとを有する。
【００１４】
代替として、穿孔用構成要素は、少なくとも１６０ｋｓｉの終局引張強度と、少なくとも１５０ｋｓｉの０．２％オフセット降伏強度と、少なくとも３％の破断伸びとを有し得る。他の実施形態では、穿孔用構成要素は、少なくとも１２０ｋｓｉの終局引張強度と、少なくとも１１０ｋｓｉの０．２％オフセット降伏強度と、少なくとも１５％の破断伸びとを有し得る。さらに異なる実施形態では、穿孔用構成要素は、少なくとも１０６ｋｓｉの終局引張強度と、少なくとも９５ｋｓｉの０．２％オフセット降伏強度と、少なくとも１８％の破断伸びとを有する。
【００１５】
特定の実施形態では、穿孔用構成要素は、少なくとも１００ｋｓｉの終局引張強度と、少なくとも８５ｋｓｉの０．２％オフセット降伏強度と、少なくとも１０％の破断伸びとを有する。穿孔用構成要素はまた、少なくとも１０フィートポンドのシャルピーＶ切り欠き衝撃強度を有し得る。
【００１６】
他の実施形態に開示されるのは、スピノーダル硬化銅−ニッケル−錫合金を含むドリルステムである。銅−ニッケル−錫合金は、約８〜約２０重量％のニッケルと、約５〜約１１重量％の錫とを含み得、残部は、銅である。
【００１７】
さらなる実施形態に開示されるのは、第１の構成要素と、第２の構成要素と、ドリルストリング構成要素とを含むドリルストリングである。ドリルストリング構成要素は、第１の構成要素と第２の構成要素との間に位置する。ドリルストリング構成要素は、スピノーダル硬化銅−ニッケル−錫合金を含む。ボアが、第１の構成要素、ドリルストリング構成要素、および第２の構成要素を通って延びる。
【００１８】
本開示のこれらおよび他の非限定的特性が、以下により具体的に開示される。
本発明は、例えば、以下を提供する。
（項目１）
スピノーダル硬化銅−ニッケル−錫合金を含む穿孔用構成要素。
（項目２）
前記スピノーダル硬化銅−ニッケル−錫合金は、約８〜約２０重量％のニッケルと、約５〜約１１重量％の錫とを含み、残部は、銅である、項目１に記載の穿孔用構成要素。
（項目３）
前記スピノーダル硬化銅−ニッケル−錫合金は、約１４．５重量％〜約１５．５重量％のニッケルと、約７．５重量％〜約８．５％の錫とを含み、残部は、銅である、項目１に記載の穿孔用構成要素。
（項目４）
前記穿孔用構成要素は、冷間加工され、次いで、再加熱されている、項目１に記載の穿孔用構成要素。
（項目５）
前記穿孔用構成要素は、ドリルストリング構成要素である、項目１に記載の穿孔用構成要素。
（項目６）
前記穿孔用構成要素は、ドリルステム、ツール継手、ドリルカラー、またはドリルパイプである、項目５に記載の穿孔用構成要素。
（項目７）
少なくとも約４インチの外径を有する、項目１に記載の穿孔用構成要素。
（項目８）
６０インチ以下の長さを有する、項目１に記載の穿孔用構成要素。
（項目９）
前記構成要素の第１の端部から第２の端部まで前記構成要素を通過するボアを有する、項目１に記載の穿孔用構成要素。
（項目１０）
前記ボアは、約２インチ以上の直径を有する、項目９に記載の穿孔用構成要素。
（項目１１）
前記構成要素の側壁は、約１．５インチ以上の厚さを有する、項目９に記載の穿孔用構成要素。
（項目１２）
主要本体の第１の端部から延びているオス型コネクタと、前記主要本体の第２の端部の中に延びているメス型コネクタとを有する、項目１に記載の穿孔用構成要素。
（項目１３）
主要本体の第１の端部から延びているオス型コネクタと、前記主要本体の第２の端部から延びているオス型コネクタとを有する、項目１に記載の穿孔用構成要素。
（項目１４）
主要本体の第１の端部の中に延びているメス型コネクタと、前記主要本体の第２の端部の中に延びているメス型コネクタとを有する、項目１に記載の穿孔用構成要素。
（項目１５）
少なくとも１６０ｋｓｉの終局引張強度と、少なくとも１５０ｋｓｉの０．２％オフセット降伏強度と、少なくとも３％の破断伸びとを有する、項目１に記載の穿孔用構成要素。
（項目１６）
少なくとも１２０ｋｓｉの終局引張強度と、少なくとも１１０ｋｓｉの０．２％オフセット降伏強度と、少なくとも１５％の破断伸びとを有する、項目１に記載の穿孔用構成要素。
（項目１７）
少なくとも１０６ｋｓｉの終局引張強度と、少なくとも９５ｋｓｉの０．２％オフセット降伏強度と、少なくとも１８％の破断伸びとを有する、項目１に記載の穿孔用構成要素。
（項目１８）
少なくとも１００ｋｓｉの終局引張強度と、少なくとも８５ｋｓｉの０．２％オフセット降伏強度と、少なくとも１０％の破断伸びとを有する、項目１に記載の穿孔用構成要素。
（項目１９）
少なくとも１０フィートポンドのシャルピーＶ切り欠き衝撃強度を有する、項目１８に記載の穿孔用構成要素。
（項目２０）
穿孔用ストリングであって、
第１の構成要素と、
第２の構成要素と、
スピノーダル硬化銅−ニッケル−錫合金を含む穿孔用ストリング構成要素と
を備え、
前記穿孔用ストリング構成要素は、前記第１の構成要素と前記第２の構成要素とを接続し、
ボアが、前記第１の構成要素、前記第２の構成要素、および前記穿孔用ストリング構成要素を通って延びている、
穿孔用ストリング。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
次に示す図面の簡単な説明は、本明細書で開示される典型的実施形態の図解を目的とするもので、開示の限定を目的とするものではない。
【図１】図１は、本開示のドリルストリングの第１の実施形態の一部の断面図である。
【図２】図２は、本開示のドリルストリングの第２の実施形態の一部の断面図である。
【図３】図３は、本開示のドリルストリングの第３の実施形態の一部の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本書に開示される構成要素、プロセス、および装置は、添付図を参照することでより完全に理解することができる。これらの図は、本開示の明示を簡便かつ容易にすることに重きを置いた模式的な略図にすぎず、したがって、装置またはその構成要素の相対的寸法や大きさを示すものではなく、および／または、例示的実施形態の範囲を画定もしくは限定するものでもない。
【００２１】
以下の記述には明確性のため特定の用語が用いられているが、これらの用語は、図中での説明のために選定された実施形態に特有の構成のみを示すことを意図しており、本開示の範囲を画定または限定することを意図しない。添付図および以下の記述において、各数字表示は同様の機能を有する構成要素を示すものと理解されるべきである。
【００２２】
「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」の単数形は、別の明確な指示がない限り、複数の指示対象を含む。
【００２３】
明細書および請求項で用いられるように、用語「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（備える）」は、「ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｏｆ（から成る）」および「ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ  ｏｆ（実質的に成る）」実施形態を含み得る。用語「ｃｏｍｐｒｉｓｅ（ｓ）（備える）」、「ｉｎｃｌｕｄｅ（ｓ）（含む）」、「ｈａｖｉｎｇ（有する）」、「ｈａｓ（有する）」、「ｃａｎ（できる）」、「含む（ｃｏｎｔａｉｎ（ｓ））」、およびこれらの変形は、本明細書で使用されるように、指名された構成要素／ステップの存在を要求するもので、かつ他の構成要素／ステップの存在を許容するオープンエンドな移行部、用語、または単語を意図する。しかしながら、列挙された構成要素／ステップ「から成る（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｏｆ）」および「実質的に成る（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ  ｏｆ）」等と記された組成物またはプロセスの記述は、指名された構成要素／ステップと、その結果生じ得る不純物の存在のみを許容し、他の構成要素／ステップを排除するものと解釈されるべきである。
【００２４】
本願の明細書および請求範囲の数値は、同数の有効数字に四捨五入した際に同じ値となる数値、ならびに示された数値との差異が、本願に示されたものと同種の従来の計測手法における実験誤差より小さな数値を含むものと理解されるべきである。
【００２５】
本明細書で開示される全ての範囲は、示された端点を含むものであり、独立して組み合わせ可能である（例えば、「２グラム〜１０グラム」の範囲は、端点２グラムおよび１０グラムと、さらにそれらの間の値の全てとを含む）。
【００２６】
「約」、「実質的に」等の用語で修飾される数値は、規定される正確な値のみに限定されるとは限られない。概略を表わす言語は、数値を測定する機器の精度に対応する場合もある。修飾語の「ａｂｏｕｔ（約）」はまた、２つの端点の絶対値で画定される範囲を開示するものと考えられるべきである。例えば、「約２〜約４」という表現は、「２〜４」の範囲をも開示する。
【００２７】
本開示は、スピノーダル強化銅系合金から作製される、穿孔用構成要素に関する。本開示の銅合金は、強度、靭性、高歪み速度破壊靭性、摩耗保護、透磁性、および塩化物応力腐食割れ耐性の組み合わせを有する、銅−ニッケル−錫合金である。これは、衝撃荷重に耐える必要があるドリルストリングの外側構成要素として使用されるものを含む、穿孔用構成要素を作製におけるその使用を可能にする。そのような穿孔用構成要素として、ドリルステム、ツール継手、ドリルカラー、またはドリルパイプが挙げられ得る。ドリルステムは、坑底アセンブリをドリルパイプに接続する管類の最後の部品である。ツール継手は、ドリルパイプの端部において、別個のドリルパイプを一緒に接合することを可能にするコネクタを提供するために使用される構成要素である。ツール継手は、通常、パイプと別個に製作され、製作後、ドリルパイプ上に溶接される。ドリルカラーは、穿孔するためのビットに荷重を提供するために使用される、ドリルストリングの構成要素である。ドリルカラーは、厚い側壁を有する管状部品である。ドリルパイプは、厚い側壁を有し、抗井の穿孔を促進するために使用される中空管である。ドリルパイプは、長距離にわたって、それ自体の重量を支持するように設計される。
【００２８】
図１は、第１の構成要素１１０と、第２の構成要素１２０と、第１の構成要素１１０と第２の構成要素１２０とを一緒に接続するドリルストリング構成要素１３０とを含むドリルストリング１００の一部を図示する概略図である。第１の構成要素１１０は、ドリルストリング構成要素１３０の相補的陥凹１３４またはメス型コネクタ内に受け取られるオス型コネクタ１１２を含む。オス型コネクタ１１２と陥凹１３４とは、概して、ねじ山付きである。ドリルストリング構成要素１３０のオス型コネクタ１３２は、第２の構成要素１２０の相補的陥凹またはメス型コネクタ１２４内に受け取られる。再び、オス型コネクタ１３２と陥凹１２４とは、概して、ねじ山付きである。各構成要素１１０、１２０、１３０は、それを通して軸方向に走るボア１１５、１２５、１３５を含む。ドリルストリング構成要素１３０に対して、ボアは、主要本体１３８を通過し、構成要素の第１の端部１３７から第２の端部１３９に走る。本実施形態では、ドリルストリング構成要素は、構成要素の両端に１つのオス型コネクタと１つのメス型コネクタとを含む。オス型コネクタ１３２は、主要本体１３８から延び、メス型コネクタ１３４は、主要本体１３８の中に延びる。
【００２９】
図２は、第１の構成要素２１０と、第２の構成要素２２０と、第１の構成要素２１０および第２の構成要素２２０を一緒に接続するドリルストリング構成要素２３０とを含むドリルストリング２００の一部を図示する概略図である。第１の構成要素２１０は、ドリルストリング構成要素２３０の第１の相補的陥凹２３４またはメス型コネクタ内に受け取られるオス型コネクタ２１２を含む。オス型コネクタ２１２と陥凹２３４とは、概して、ねじ山付きである。第２の構成要素２２０のオス型コネクタ２２２は、ドリルストリング構成要素２３０の第２の相補的陥凹またはメス型コネクタ２３６内に受け取られる。再び、オス型コネクタ２２２と陥凹２３６とは、概して、ねじ山付きである。各構成要素２１０、２２０、２３０は、それを通して軸方向に走るボア２１５、２２５、２３５を含む。ドリルストリング構成要素２３０に対して、ボアは、主要本体２３８を通過し、構成要素の第１の端部２３７から第２の端部２３９に走る。本実施形態では、ドリルストリング構成要素は、構成要素の両端に位置する２つのメス型コネクタを含む。メス型コネクタ２３４は、主要本体２３８の中に延びる。
【００３０】
図３は、第１の構成要素３１０と、第２の構成要素３２０と、第１の構成要素３１０および第２の構成要素３２０を一緒に接続するドリルストリング構成要素３３０とを含むドリルストリング３００の一部を図示する概略図である。第１の構成要素３１０は、ドリルストリング構成要素３３０の第１のオス型コネクタ３３２を受け取るメス型コネクタ３１４を含む。オス型コネクタ３３２と陥凹３１２とは、概して、ねじ山付きである。ドリルストリング構成要素３３０の第２のオス型コネクタ３３３は、ドリルストリング構成要素３３０の相補的陥凹またはメス型コネクタ３２４内に受け取られる。再び、オス型コネクタ３３３と陥凹３２４とは、概して、ねじ山付きである。各構成要素３１０、３２０、３３０は、それを通して軸方向に走るボア３１５、３２５、３３５を含む。ドリルストリング構成要素３３０に対して、ボアは、主要本体３３８を通過し、構成要素の第１の端部３３７から第２の端部３３９に走る。本実施形態では、ドリルストリング構成要素は、構成要素の両端に位置する２つのオス型コネクタを含む。オス型コネクタ１３２は、主要本体１３６から延び、メス型コネクタ１３４は、主要本体１３６の中に延びる。オス型コネクタ３３２は、主要本体３３８から延びる。
【００３１】
図３を参照すると、全実施形態に適用可能であるが、ドリルストリング１００、２００、３００は、円筒形または略円筒形であってもよく、少なくとも約４インチの外径３４４を有することができる。ドリルストリング構成要素１３０、２３０、３３０は、６０インチ以下の長さ３４８を有することができる。ボア３３５を囲繞する側壁３４０は、約１．５インチ以上の厚さ３４２を有する。ボア３３５は、約２インチ以上の直径３４６を有する。
【００３２】
概して、穿孔用構成要素を形成するために使用される銅合金は、再加熱し、微小構造のスピノーダル分解に影響を及ぼすのに先立って、冷間加工されている。冷間加工は、塑性変形によって、金属の形状またはサイズを機械的に改変するプロセスである。これは、金属または合金の圧延、引抜、押圧、旋圧、押出、もしくは圧造によって行われることができる。金属が、塑性的に変形させられると、原子の転位が、材料内で生じる。特に、転位は、金属の粒子を横断して、またはその中で生じる。転位は、互いに重複し、材料内の転位密度は、増加する。重複転位の増加は、さらなる転位の移動をより困難にする。これは、概して、合金の靭性および衝撃特性を低減させながら、結果として生じる合金の硬度および引張強度を増加させる。冷間加工はまた、合金の表面仕上げを改善する。機械的冷間加工は、概して、合金の再結晶化点を下回る温度で行われ、通常、室温において行われる。
【００３３】
スピノーダル時効／分解とは、それによって多種の成分が異なった化学組成および物性を有する別個の領域または微小構造に分離できる機構である。特に、状態図の中央域にあるバルク組成を有する結晶は、離溶を起こす。本開示の合金の表面で起こるスピノーダル分解は、表面が硬化する結果を招く。
【００３４】
スピノーダル合金の構造は、初期相が特定の温度で分離し、高温に達した溶解度ギャップと呼ばれる組成が形成されたときに作られる均一な２相混合物でできた構造である。これらの合金相は、結晶構造は同じでありながら、構造内の原子が同程度の大きさを保ちつつ変化した別の相に自然分解する。スピノーダル硬化は、ベース金属の耐力を増大させ、組成およびミクロ構造の高い均一性を含む。
【００３５】
スピノーダル合金は、殆どの場合、その状態図中に、溶解度ギャップと呼ばれる異常を呈する。溶解度ギャップの比較的に狭い温度範囲内において、原子規則性が、既存の結晶格子構造内に生じる。結果として生じる２相構造は、ギャップを有意に下回る温度で安定する。
【００３６】
本明細書で利用される銅−ニッケル−錫合金は、約９．０重量％〜約１５．５重量％のニッケルと、約６．０重量％〜約９．０重量％の錫とを一般に含み、残部は、銅である。この合金は、硬化可能で、さらに、様々な産業的・商業的用途で使用できる高降伏強度製品に容易に成形可能である。この高性能合金は、銅−ベリリウム合金と同様の特性を提供するように設計されている。
【００３７】
より具体的には、本開示の銅−ニッケル−錫合金は、約９重量％〜約１５重量％のニッケルと、約６重量％〜約９重量％の錫とを含み、残部は、銅である。より具体的実施形態では、銅−ニッケル−錫合金は、約１４．５重量％〜約１５．５％のニッケルと、約７．５重量％〜約８．５重量％の錫とを含み、残部は、銅である。
【００３８】
三元銅−ニッケル−錫スピノーダル合金は、海中および酸環境において、高強度、優れた摩擦学的特性、および高腐食耐性等の特性の有益な組み合わせを呈する。卑金属の降伏強度の増加は、銅−ニッケル−錫合金におけるスピノーダル分解から生じ得る。
【００３９】
銅合金は、ベリリウム、ニッケル、および／またはコバルトを含み得る。いくつかの実施形態では、銅合金は、約１〜約５重量％のベリリウムを含み、コバルトおよびニッケルの合計は、約０．７〜約６重量％の範囲内である。具体的実施形態では、合金は、約２重量％のベリリウムと、約０．３重量％のコバルトおよびニッケルとを含む。他の銅合金実施形態は、約５〜７重量％のベリリウムの範囲を含むことができる。
【００４０】
いくつかの実施形態では、銅合金は、クロムを含む。クロムは、約０．５重量％〜約２．０重量％または約０．６重量％〜約１．２重量％のクロムを含む、約５重量％未満の量の合金として存在し得る。
【００４１】
いくつかの実施形態では、銅合金は、シリコンを含む。シリコンは、約１．０重量％〜約３．０重量％または約１．５重量％〜約２．５重量％のシリコンを含む、５重量％未満の量として存在し得る。
【００４２】
本開示の合金は、随意に、小量の添加剤（例えば、鉄、マグネシウム、マンガン、モリブデン、ニオブ、タンタル、バナジウム、ジルコニウム、およびそれらの混合物）を含む。添加剤は、最大１重量％、好適には、最大０．５重量％の量として存在し得る。さらに、小量の自然不純物が、存在し得る。アルミニウムおよび亜鉛等の小量の他の添加剤も、存在し得る。追加の元素の存在は、結果として生じる合金の強度をさらに増加させる効果を有し得る。
【００４３】
いくつかの実施形態では、ある量のマグネシウムが、合金の酸素含有量を低減させるために、初期合金の形成の間に添加される。酸化マグネシウムが、合金質量から除去され得るように形成される。
【００４４】
本開示の穿孔用構成要素を作製するために使用される合金は、以下の表１に示されるように、０．２％オフセット降伏強度と、室温シャルピーＶ切り欠き衝撃エネルギーの組み合わせを有することができる。これらの組み合わせは、本開示の銅合金に固有である。これらの測定を行うために使用される試験サンプルは、縦方向に向けられた。列挙される値は、最小値（すなわち、少なくとも列挙される値）であり、望ましくは、オフセット降伏強度およびシャルピーＶ切り欠き衝撃エネルギー値は、ここに列挙される組み合わせより高い。換言すると、合金は、ここに列挙される値以上の０．２％オフセット降伏強度と、室温シャルピーＶ切り欠き衝撃エネルギーとの組み合わせを有する。
【００４５】
【表１】
2019108615.tif 000002
【００４６】
表２は、穿孔用構成要素において使用するための本開示に好適な銅系合金の一例示的実施形態の特性を提供する。
【００４７】
【表２】
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【００４８】
表３は、穿孔用構成要素において使用するために好適な別の銅系合金の特性を提供する。
【００４９】
【表３】
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【００５０】
表４は、穿孔用構成要素において使用するために好適なさらに別の銅系合金の特性を提供する。
【００５１】
【表４】
2019108615.tif 000005
【００５２】
本開示の穿孔用構成要素は、当技術分野において公知の鋳造および／または成形技法を使用して作製されることができる。望ましくは、穿孔用構成要素は、穿孔用構成要素を作製するために使用される材料のための最小降伏強度、引張強度、および破断伸び値を規定する、非磁気ドリルストリング構成要素のためのＡＰＩ規格７（２０１２年１２月に再是認）の要件に準拠する。ある値を有する穿孔用構成要素の言及は、穿孔用構成要素が作製される材料の言及として解釈されたい。
【００５３】
より具体的には、いくつかの実施形態では、銅系合金は、少なくとも１００ｋｓｉの０．２％オフセット降伏強度と、少なくとも１１０ｋｓｉの終局引張強度と、少なくとも２０％の破断伸びとを有する。他の実施形態では、銅系合金は、少なくとも１００ｋｓｉの０．２％オフセット降伏強度と、少なくとも１２０ｋｓｉの終局引張強度と、少なくとも１８％の破断伸びとを有する。追加の実施形態では、銅系合金は、少なくとも１１０ｋｓｉの０．２％オフセット降伏強度と、少なくとも１２０ｋｓｉの終局引張強度と、少なくとも１８％の破断伸びとを有する。
【００５４】
穿孔用システムの構成要素への損傷を遅延または防止することによって、構成要素の有用寿命は、延長され、それによって、抗井を穿孔および完成させるために使用される機器のコストの削減をもたらす。
【００５５】
以下の実施例は、本開示の合金、物品、プロセス、および特性を図示する。これらの実施例は単に説明用であり、そこに記された材料、条件、またはプロセスパラメータに本開示を限定することを意図しない。
【００５６】
（実施例）
４つの部品が、３２インチの長さに切り取られた。これらの４つの部品は、Ａ１Ａ３、Ａ１Ａ４、Ａ２Ａ３、およびＡ２Ａ４として指定された。各部品は、次いで、半分に切断され、文字ＡまたはＢが、部品の所与の区分を指すために表示に追加され、すなわち、Ａ１Ａ３ＡおよびＡ１Ａ３Ｂとされた。次に、各区分は、５．２５インチの直径に冷間加工され、次いで、５．００インチの外径に機械製作された。区分は、次いで、３時間、５２０°Ｆで時効された。時効が行われる炉のサイズにより、区分は、２つの異なる積載量に分離された。Ａ区分は全て、ともに時効され、Ｂ区分は全て、ともに時効された。
【００５７】
次に、区分毎に、２つのサンプルが、引張試験のために採取され、３つのサンプルが、シャルピー試験のために採取された。各区分は、円形表面を有していた。
【００５８】
Ａ区分に関して、２つの引張サンプルは、２Ｔおよび３Ｔとして指定された。サンプルは、外側表面から半径１インチを中心として、０．７５インチの正方形の形態で採取された。一方のサンプルは、円形表面の北端において採取され、他方のサンプルは、円形表面の南端において採取された。シャルピー試験のための３つのサンプルは、２Ｃ、３Ｃ１、および３Ｃ２として指定された。これらのサンプルは、外側表面から半径１インチを中心として、０．５インチの正方形の形態で採取された。２Ｃサンプルは、２Ｔサンプルに隣接して採取され、３Ｃ１サンプルは、円形表面の東端において採取され、３Ｃ２サンプルは、３Ｔサンプルに隣接して採取された。
【００５９】
Ｂ区分に関して、同一の５つのサンプルが採取されたが、外側表面から半径１．５インチを中心とした。
【００６０】
引張データおよびシャルピー試験データが、種々の区分に関して、表５Ａおよび５Ｂに報告される。
【００６１】
【表５Ａ】
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【００６２】
【表５Ｂ】
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【００６３】
引張強度は、１０２〜１１７ｋｓｉと変動した。降伏強度は、８８〜１０６ｋｓｉと変動した。破断伸びは、１３％〜２６％と変動した。シャルピー衝撃強度は、１３〜４０フィートポンドと変動した。
【００６４】
４つの追加の部品が、Ｂ１３、Ｂ１４、Ｂ２３、およびＢ２４として指定された。各部品は、次いで、半分に切断され、文字ＡまたはＢが、部品の所与の区分を指すために表示に追加され、すなわち、Ｂ１３ＡおよびＢ１３Ｂとした。サンプルは、前述のように採取されたが、各区分は、７．１２インチの直径に冷間加工され、次いで、６．８７インチの外径に機械製作された。再び、Ａ区分に関して、採取されたサンプルは、外側表面から半径１インチを中心とした。Ｂ区分に関して、採取されたサンプルは、外側表面から半径１．５インチを中心とした。
【００６５】
引張データおよびシャルピー試験データが、種々の区分に関して、表６Ａおよび６Ｂに報告される。
【００６６】
【表６Ａ】
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【００６７】
【表６Ｂ】
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【００６８】
引張強度は、１０２〜１２７ｋｓｉと変動した。降伏強度は、８８〜１１７ｋｓｉと変動した。破断伸びは、１０％〜２３％と変動した。シャルピー衝撃強度は、１０〜３３フィートポンドと変動した。表６Ａでは、サンプルＢ１４Ａ／２ＴおよびＢ１４Ａ／３Ｔは、規格７の要件に準拠することに留意されたい。要約すると、表５および６の実施例は、１００ｋｓｉの最小引張強度と、８５ｋｓｉの最小０．２％オフセット降伏強度と、１０％の最小破断伸びとを有していた。それらはまた、１０フィートポンドの最小シャルピーＶ切り欠き衝撃強度を有していた。
【００６９】
上記開示の変形、他の特徴や機能、または、これらの代替を組み合させて他の多くのシステムや用途とすることができることを理解されるであろう。今のところ予測または予期できない様々な代替、変更、変形、もしくは改良が当業者によって今後行われる可能性があるが、これらもまた添付の請求範囲に含まれることが意図される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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