ПОДВЕРЖЕННОЕ КОРРОЗИИ СКВАЖИННОЕ ИЗДЕЛИЕ
CORROSION-PRONE WELL PRODUCT

[001] Данное изобретение относится к магниевому сплаву, подходящему для использования в качестве подверженного коррозии скважинного изделия, способу получения такого сплава, изделию, содержащему этот сплав, и применению этого изделия.
[002] Предпосылки изобретения
[003] В нефте- и газодобывающей промышленности используется технология, известная как гидравлический разрыв пласта, или «гидроразрыв». Такая технология обычно включает в себя закачивание под давлением воды в систему буровых скважин в нефте- и/или газоносных горных породах для того, чтобы разрушить их и высвободить нефть и/или газ.
[004] Для того чтобы добиться такого повышения давления, могут использоваться клапаны для разделения различных секций системы буровых скважин. Эти клапаны называются скважинными клапанами, причем слово «скважинный», используемое в контексте изобретения, относится к изделию, которое используется внутри скважины.
[005] Один способ формирования таких клапанов включает использование сфер из материала, известного как шары для гидроразрыва, для герметизации части ствола скважины. Шары для гидроразрыва могут быть сделаны из алюминия, магния, полимеров или композитов.
[006] Проблема с использованием шаров для гидроразрыва относится к тому, как их удалять после завершения операции гидроразрыва для того, чтобы позволить текучей среде течь по скважине или ее стволу. Один способ сделать это заключается в том, чтобы просверлить шар для гидроразрыва. Однако этот процесс типа сверления может затруднять производство, а также является дорогостоящим, сложным и, следовательно, нежелательным.
[007] Одно предложенное решение этой проблемы заключается в том, чтобы выполнять шар для гидроразрыва из материала, который будет растворяться или корродировать при условиях, существующих в скважине или ее стволе. Проблема, которую необходимо учитывать в связи с такими подверженными коррозии изделиями, заключается в обеспечении того, чтобы они корродировали со скоростью, которая позволяла бы им оставаться пригодными для использования в течение такого интервала времени, на протяжении которого от них требуется выполнять свою функцию, но в то же время позволяла бы им корродировать или растворяться по его истечении.
[008] Для того чтобы обеспечить подверженное коррозии изделие для применения в таких способах, использовались разлагаемые полимеры. Однако эти полимеры обычно не обладают особенно высокой механической прочностью.
[009] Альтернативное подверженное коррозии изделие описывается в патенте США № 8425651 на имя Xu и др. Этот документ описывает порошковый металлический композит, содержащий наноматрицу, предпочтительно из Al или Ni или их сочетания, в которой диспергировано множество первых частиц, множество вторых частиц и твердофазный связующий слой. Первые частицы содержат Mg, Al, Zn или Mn, или их сочетание, а вторые частицы содержат углеродные наночастицы. Этот композит может быть получен путем формирования порошковой смеси требуемых компонентов, а затем приложения к этому порошку температуры и давления для спекания и деформирования (но не расплавления) композита с тем, чтобы образовался порошковый композит. Проблема с такими способами порошковой металлургии заключается в том, что они являются сложными и дорогими.
[0010] Еще одно подверженное коррозии изделие описывается в публикации заявки на патент США № 2012/0318513 на имя Mazyar и др. В этом документе описано подверженное коррозии изделие, имеющее корродирующее ядро и покрывающий это ядро металлический слой. Материал ядра описывается как являющийся магниевым сплавом. Однако представляется, что сочетание магния и одного или более других материалов в виде, не являющемся сплавом, также предполагается охваченным за счет использования термина «сплав» в указанном документе. Например, в этом документе имеются ссылки на сплавы магния с вольфрамом, тогда как на самом деле технически невозможно сформировать сплав вольфрама и магния. Аналогичным образом, пригодными для формирования ядра в этом документе также упоминаются порошки магния, покрытого оксидом металла, которые опять же не будут магниевыми «сплавами». Поэтому представляется, что в данном документе термин «магниевый сплав» используется подразумевающим любой способ объединения магния и другого металла. Металлический слой описывается как включающий алюминий или никель.
[0011] Растворимое устройство изоляции ствола скважины описывается в публикации заявки на патент США № 2014/0124216 на имя Halliburton Energy Services, Inc.. Хотя там приведено лишь минимальное описание того, как сделано это устройство, представляется, что снова вместо «сплава» образуется порошковый композит. В дополнение, в этом документе магний упоминается только как один из большого списка компонентов, причем магний не является одним из предпочтительных компонентов. Это устройство также требует присутствия «электролитического соединения», которое растворяется в текучей среде в стволе скважины. Аналогичным образом, в публикации родственной заявки на патент США № 2014/0190705, тоже на имя Halliburton Energy Services, Inc., магний лишь упоминается как один из большого списка компонентов, причем магний не является одним из предпочтительных компонентов. Этот документ также требует присутствия «электролитического соединения», которое растворяется в текучей среде в стволе скважины.
[0012] Хотя в заявке Mazyar и др. описываются литье, ковка и обработка резанием, они лишь упоминаются в самых общих чертах (например, стадии способа и температуры нагрева не сообщаются), а структура получаемых материалов не описана. В дополнение, предпочтительным способом формирования подверженного коррозии изделия является прессование порошка до желаемой формы, например, холодным прессованием с использованием изостатического пресса. Как отмечено выше, такие способы порошковой металлургии сложны и дороги. В дополнение, получаемые порошковые композиты могут иметь неудовлетворительные механические свойства.
[0013] Таким образом, в нефтегазовой промышленности существует потребность в наличии подверженного коррозии (корродирующего) изделия, которое обеспечивало бы желаемые коррозионные характеристики и одновременно обладало улучшенными механическими свойствами, при более низкой стоимости, чем достижимо в настоящее время. Также было бы выгодно, чтобы подверженное коррозии изделие имело относительно низкую плотность (например, по сравнению с металлами в целом). Данное изобретение стремится решить эти проблемы.
[0014] Сущность изобретения
2
[0015] Данное изобретение относится к магниевому сплаву, подходящему для использования в качестве подверженного коррозии скважинного изделия, причем этот сплав имеет скорость коррозии по меньшей мере 50 мг/см/сутки в 15%-ом KCl при 93°C и условный предел текучести при остаточной деформации 0,2% по меньшей мере 50 МПа при тестировании с использованием метода испытания на растяжение по стандарту ASTM B557-10.
[0016] Применительно к данному изобретению термин «сплав» используется для обозначения композиции, получаемой смешиванием и сплавлением двух или более металлических элементов путем их совместного плавления, перемешивания и повторного затвердевания.
[0017] Термин «редкоземельные металлы» используется применительно к данному изобретению для указания на пятнадцать элементов-лантаноидов, а также на Sc и Y.
[0018] Магниевый сплав предпочтительно содержит один или более из Ni, Co, Ir, Au, Pd или Cu. В некоторых вариантах осуществления предпочтительным является Ni. Эти металлические элементы способствуют коррозии сплава. Во всех вариантах осуществления сплав предпочтительно содержит один или более из Ni, Co, Ir, Au, Pd или Cu, более предпочтительно Ni, в количестве между 0,01% и 15% по массе (мас.%), а в некоторых вариантах осуществления – более предпочтительно между 0,1% и 10% по массе, а еще более предпочтительно между 0,2% по массе и 8% по массе.
[0019] Особенно предпочтительные сочетания металлов в магниевом сплаве включают Mg-Al-Zn-Mn, Mg-Al-Mn, Mg-Zn-Zr, Mg-Y-RE-Zr, Mg-Zn-Cu-Mn, Mg-Nd-Gd-Zr, Mg-Ag-RE-Zr, Mg-Zn-RE-Zr, Mg-Gd-Y-Zr, Mg-Al-Ca-Mn и Mg-Al-Sn-Zn-Mn. Эти дополнительные элементы могут быть включены в состав путем формирования сплава магния с этими элементами, а затем добавления ускоряющего коррозию металлического элемента (т.е. Ni, Co, Ir, Au, Pd и/или Cu) к расплавленному сплаву.
[0020] В первом предпочтительном варианте осуществления магниевый сплав содержит (a) 0,01-10 мас.% одного или более из Ni, Co, Ir, Au, Pd или Cu, (b) 1-10 мас.% Y, (c) 1-15 мас.% по меньшей мере одного редкоземельного металла, отличного от Y, и (d) 0-1 мас.% Zr.
[0021] В этом первом варианте осуществления магниевый сплав содержит один или более редкоземельных металлов, отличных от Y, в количестве 1-15 мас.%, более предпочтительно в количестве 1-10 мас.%, еще более предпочтительно в количестве 1,5-5,0 мас.%. Предпочтительным редкоземельным металлом, отличным от Y, является Nd. Особенно предпочтительное количество Nd в сплаве составляет 1,7-2,5 мас.%, более предпочтительно 2,0-2,3 мас.%.
[0022] В первом варианте осуществления магниевый сплав содержит Y в количестве 1-10 мас.%, предпочтительно в количестве 2,0-6,0 мас.%, более предпочтительно в количестве 3,0-5,0 мас.%, еще более предпочтительно в количестве 3,3-4,3 мас.% или 3,7-4,3 мас.%.
[0023] В первом варианте осуществления магниевый сплав содержит Zr в количестве вплоть до 1 мас.%. В некоторых вариантах осуществления магниевый сплав содержит Zr в количестве 0,05-1,0 мас.%, более предпочтительно в количестве 0,2-1,0 мас.%, еще более предпочтительно в количестве 0,3-0,6 мас.%. В некоторых вариантах осуществления магниевый сплав содержит Zr в количестве до 0,6 мас.%, предпочтительно до 0,3 мас.%, более предпочтительно до 0,15 мас.%. В некоторых вариантах осуществления магниевый сплав практически не содержит Zr (например, магниевый сплав содержит менее чем 0,05 мас.% Zr).
[0024] Для всех вариантов осуществления остаток сплава предпочтительно составляют магний и случайные примеси. Предпочтительно, чтобы содержание Mg в магниевом сплаве составляло по меньшей мере 80 мас.%, более предпочтительно по меньшей мере 85 мас.%, еще более предпочтительно по меньшей мере 87 мас.%.
[0025] Особенно предпочтительным составом по первому варианту осуществления является магниевый сплав, содержащий 3,3-4,3 мас.% Y, 0,2-1,0 мас.% Zr, 2,0-2,5 мас.% Nd и, необязательно, 0,3-1,0 мас.% других редкоземельных металлов с Ni в качестве ускоряющего коррозию металлического элемента. Альтернативным предпочтительным составом по первому варианту осуществления является магниевый сплав, содержащий 3,3-4,3 мас.% Y, до 0,2 мас.% Zr, 1,7-2,5 мас.% Nd и, необязательно, 0,3-1,0 мас.% других редкоземельных металлов с Ni в качестве ускоряющего коррозию металлического элемента.
[0026] В первом варианте осуществления магниевый сплав предпочтительно содержит Ni в количестве между 0,01% и 10% по массе, более предпочтительно между 0,1% и 8% по массе, еще более предпочтительно между 0,2% по массе и 7% по массе. Другим особенно предпочтительным составом является магниевый сплав, содержащий 3,3-4,3 мас.% Y, 0,2-1,0 мас.% Zr, 2,0-2,5 мас.% Nd и 0,2-7 мас.% Ni. Альтернативным дополнительным особенно предпочтительным составом является магниевый сплав, содержащий 3,3-4,3 мас.% Y, 0,2 мас.% или менее Zr, 1,7-2,5 мас.% Nd и 0,2-7 мас.% Ni. Предпочтительно, чтобы остаток в сплаве составляли магний и случайные примеси.
[0027] Во втором предпочтительном варианте осуществления магниевый сплав содержит (a) 0,01-10 мас.% одного или более из Ni, Co, Ir, Au, Pd или Cu, (b) 1-15 мас.% Al, (c) 0,1-1 мас.% Mn и (d) необязательно, один или более из Ca, Sn и Zn.
[0028] Во втором варианте осуществления магниевый сплав содержит 1-15 мас.% Al, предпочтительно 2-12 мас.% Al, более предпочтительно 2,5-10 мас.% Al.
[0029] Во втором варианте осуществления магниевый сплав содержит 0,1-1 мас.% Mn, предпочтительно 0,1-0,8 мас.% Mn, более предпочтительно 0,2-0,6 мас.% Mn.
[0030] Во втором варианте осуществления магниевый сплав необязательно содержит один или более из Ca, Sn и Zn. Когда сплав содержит Sn, оно предпочтительно содержится в количестве 2-6 мас.%, более предпочтительно 3-5 мас.%. Когда сплав содержит Zn, он предпочтительно содержится в количестве 0,1-3 мас.%, более предпочтительно 0,2-2,5 мас.%. В некоторых вариантах осуществления сплав содержит как Sn, так и Zn. Когда сплав содержит Ca, он предпочтительно содержится в количестве 1-10 мас.%, более предпочтительно 2-6 мас.%.
[0031] Во втором варианте осуществления магниевый сплав предпочтительно содержит Ni в количестве между 0,01% и 10% по массе, более предпочтительно между 0,01% и 5% по массе, еще более предпочтительно между 0,1% по массе и 3% по массе.
[0032] В третьем предпочтительном варианте осуществления магниевый сплав содержит (a) 0,01-15 мас.% одного или более из Ni, Co, Ir, Au, Pd или Cu, (b) 1-9 мас.% Zn и (c) необязательно, один или более из Mn и Zr.
[0033] В третьем варианте осуществления магниевый сплав содержит 1-9 мас.% Zn, предпочтительно 5-8 мас.% Zn, более предпочтительно 6-7 мас.% Zn.
[0034] В третьем варианте осуществления, когда сплав содержит Mn, он предпочтительно содержится в количестве 0,1-1 мас.%, более предпочтительно 0,5-1,0 мас.%, еще более предпочтительно 0,7-0,9 мас.%.
[0035] В третьем варианте осуществления магниевый сплав предпочтительно содержит Ni в количестве между 0,01% и 10% по массе, более предпочтительно между 0,01% и 7% по массе, еще более предпочтительно между 0,1% по массе и 5% по массе.
[0036] В третьем варианте осуществления магниевый сплав может также содержать Cu, предпочтительно в количестве 0,1-5 мас.%, более предпочтительно 0,5-3 мас.%, еще более предпочтительно 1-2 мас.%. В некоторых вариантах осуществления сплав содержит как Mn, так и Cu.
[0037] В третьем варианте осуществления, когда магниевый сплав содержит Zr, он предпочтительно содержится в количестве вплоть до 1 мас.%, более предпочтительно в количестве 0,05-1,0 мас.%, еще более предпочтительно в количестве 0,2-1,0 мас.%, наиболее предпочтительно в количестве 0,3-0,7 мас.%.
[0038] Предпочтительно, чтобы ускоряющий коррозию металлический элемент (т.е. Ni, Co, Ir, Au, Pd и/или Cu) имел растворимость по меньшей мере 0,1% по массе в расплавленном магнии при 850°C. Предпочтительно, ускоряющий коррозию металлический элемент имеет растворимость в расплавленном магнии при 850°C по меньшей мере 0,5% по массе, более предпочтительно по меньшей мере 1% по массе. В некоторых вариантах осуществления предпочтительно, чтобы ускоряющий коррозию металлический элемент имел растворимость по меньшей мере 1% по массе в расплавленном магниевом сплаве, к которому он должен быть добавлен, при 850°C. Относительно расплавленного материала используемый термин «растворимость» означает, что ускоряющий коррозию металлический элемент растворяется в расплавленном магнии или магниевом сплаве.
[0039] Предпочтительно, ускоряющий коррозию металлический элемент имеет растворимость менее чем 0,1% по массе, более предпочтительно менее чем 0,01% по массе, в твердом магнии при 25°C. В некоторых вариантах осуществления предпочтительно, чтобы ускоряющий коррозию металлический элемент имел растворимость менее чем 0,1% по массе, более предпочтительно менее чем 0,01% по массе, в твердом магниевом сплаве, к которому он должен быть добавлен, при 25°C. Относительно твердого материала используемый термин «растворимость» означает, что атомы ускоряющего коррозию металлического элемента случайным образом распределены по всему сплаву в единственной фазе (т.е. вместо того, чтобы образовывать отдельную фазу).
2
2
2
2
2
2
2
[0040] Магниевый сплав предпочтительно имеет скорость коррозии по меньшей мере 50 мг/см/сутки, предпочтительно по меньшей мере 75 мг/см/сутки, еще более предпочтительно по меньшей мере 100 мг/см/сутки в 3%-ом KCl при 38°C (100°F). Предпочтительно, чтобы магниевый сплав имел скорость коррозии по меньшей мере 75 мг/см/сутки, предпочтительно по меньшей мере 250 мг/см/сутки, еще более предпочтительно по меньшей мере 500 мг/см/сутки в 15%-ом KCl при 93°C (200°F). Предпочтительно, чтобы скорость коррозии в 3%-ом KCl при 38°C или в 15%-ом KCl при 93°C (200°F) составляла менее чем 15000 мг/см/сутки.
[0041] Предпочтительно, чтобы магниевый сплав имел условный предел текучести при остаточной деформации 0,2% по меньшей мере 75 МПа, более предпочтительно по меньшей мере 100 МПа, еще более предпочтительно по меньшей мере 150 Мпа, при тестировании с использованием метода испытания на растяжение по стандарту ASTM B557-10. Предпочтительно, чтобы условный предел текучести при остаточной деформации 0,2% составлял менее чем 700 МПа. Условный предел текучести материала представляет собой напряжение, при котором деформация материала изменяется с упругого деформирования на пластическое деформирование, вызывая остаточную деформацию материала.
[0042] Предпочтительно, чтобы условный предел текучести магниевого сплава при остаточной деформации 0,2%, когда были добавлены один или более из Ni, Co, Ir, Au, Pd или Cu, составлял по меньшей мере 80%, более предпочтительно по меньшей мере 90% от условного предела текучести при остаточной деформации 0,2% основного сплава. Используемый термин «основной сплав» означает магниевый сплав без добавления одного или более из Ni, Co, Ir, Au, Pd или Cu. Еще более предпочтительно, чтобы условный предел текучести при остаточной деформации 0,2% магниевого сплава с добавленным Ni составлял по меньшей мере 80%, более предпочтительно по меньшей мере 90%, от условного предела текучести при остаточной деформации 0,2% основного сплава.
[0043] Данное изобретение также относится к подверженному коррозии скважинному изделию, такому как скважинный инструмент, содержащему описанный выше магниевый сплав. В некоторых вариантах осуществления подверженное коррозии скважинное изделие представляет собой шар для гидроразрыва, пробку, пакер или инструмент в сборе. Шар для гидроразрыва предпочтительно является практически сферическим по форме. В некоторых вариантах осуществления шар для гидроразрыва состоит по существу из описанного выше магниевого сплава.
[0044] Данное изобретение также относится к способу получения магниевого сплава, подходящего для использования в качестве подверженного коррозии скважинного изделия, содержащему стадии:
(a) плавления магния или магниевого сплава,
(b) добавления одного или более из Ni, Co, Ir, Au, Pd или Cu в расплавленный магний или магниевый сплав так, чтобы один или более из Ni, Co, Ir, Au, Pd или Cu расплавились,
(c) перемешивания полученного расплавленного магниевого сплава, и
(d) литья магниевого сплава.
[0045] Предпочтительно, этот способ предназначен для получения охарактеризованного выше магниевого сплава. Предпочтительно, чтобы стадия плавления выполнялась при температуре 650°C (т.е. температуре плавления чистого магния) или выше, предпочтительно менее чем 1090°C (температура кипения чистого магния). Предпочтительный диапазон температур составляет от 650°C до 850°C, более предпочтительно от 700°C до 800°C, наиболее предпочтительно примерно 750°C.
[0046] Стадия литья обычно включает разливку расплавленного магниевого сплава в литейную форму с последующим обеспечением возможности его охлаждения и затвердевания. Литейная форма может быть пресс-формой, многократно используемой литейной формой, песочной литейной формой, формой для литья по выплавляемым моделям, кристаллизатором для непрерывного литья или другой литейной формой.
[0047] После стадии (c) этот способ может содержать одну или более из следующих дополнительных стадий: (d) прессование выдавливанием, (e) ковка, (f) прокатка, (g) обработка резанием.
[0048] Предпочтительно, чтобы стадия (a) содержала плавление магниевого сплава. Предпочтительно, магниевый сплав стадии (a) содержит один или более из Al, Zn, Mn, Zr, Y, редкоземельных металлов, Cu, Nd, Gd, Ca, Sn и/или Ag. Особенно предпочтительные магниевые сплавы на стадии (a) включают Mg-Al-Zn-Mn, Mg-Al-Mn, Mg-Zn-Zr, Mg-Y-RE-Zr, Mg-Zn-Cu-Mn, Mg-Nd-Gd-Zr, Mg-Ag-RE-Zr, Mg-Zn-RE-Zr, Mg-Gd-Y-Zr, Mg-Al-Ca-Mn и Mg-Al-Sn-Zn-Mn. Как отмечено выше, эти дополнительные элементы могут быть включены в состав путем формирования сплава магния с этими элементами, а затем добавления ускоряющего коррозию металлического элемента к расплавленному сплаву.
[0049] В первом предпочтительном варианте осуществления магниевый сплав содержит 1-10 мас.% Y, 1-15 мас.% редкоземельных металлов, отличных от Y, и вплоть до 1 мас.% Zr. Особенно предпочтительный магниевый сплав содержит 3,3-4,3 мас.% Y, до 1 мас.% Zr, 2,0-2,5 мас.% Nd и, необязательно, 0,3-1 мас.% редкоземельных металлов. В этом сплаве Zr может присутствовать в количестве 0,05-1,0 мас.%, или сплав может содержать менее чем 0,05 мас.% Zr. Ni предпочтительно добавляется в количестве между 0,2% и 7% по массе. Предпочтительно, чтобы остаток в сплаве составляли магний и случайные примеси.
[0050] Во втором предпочтительном варианте осуществления магниевый сплав содержит 1-15 мас.% Al и вплоть до 2 мас.% в сумме Zn и/или Mn. Сплав предпочтительно содержит 2-12 мас.% Al. Предпочтительно, сплав содержит 0,2-1,2 мас.% в сумме Zn и/или Mn. Ni предпочтительно добавляется в количестве 0,1-3 мас.%.
[0051] В третьем предпочтительном варианте осуществления магниевый сплав содержит 1-9 мас.% Zn и, необязательно, один или более из Mn и Zr. Сплав предпочтительно содержит 5-8 мас.% Zn. Ni предпочтительно добавляется в количестве 0,1-5 мас.%.
2
2
2
2
2
2
2
2
2
[0052] Состав магниевого сплава, в частности первого и третьего вариантов осуществления, может быть подобран так, чтобы достичь желаемой скорости коррозии, попадающей в конкретный диапазон. Желаемая скорость коррозии в 15%-ом KCl при 93°C может быть в любом из следующих конкретных диапазонов: 50-100 мг/см/сутки; 100-250 мг/см/сутки; 250-500 мг/см/сутки; 500-1000 мг/см/сутки; 1000-3000 мг/см/сутки; 3000-4000 мг/см/сутки; 4000-5000 мг/см/сутки; 5000-10000 мг/см/сутки; 10000-15000 мг/см/сутки.
2
2
2
2
2
2
2
2
2
[0053] Способ по изобретению может также содержать корректировку составов магниевых сплавов, в частности первого и третьего вариантов осуществления, таким образом, что отлитые магниевые сплавы достигают желаемых скоростей коррозии в 15%-ом KCl при 93°C, попадающих в по меньшей мере два из следующих диапазонов: 50-100 мг/см/сутки; 100-250 мг/см/сутки; 250-500 мг/см/сутки; 500-1000 мг/см/сутки; 1000-3000 мг/см/сутки; 3000-4000 мг/см/сутки; 4000-5000 мг/см/сутки; 5000-10000 мг/см/сутки; 10000-15000 мг/см/сутки.
[0054] Предпочтительно, чтобы ускоряющий коррозию металлический элемент (т.е. Ni, Co, Ir, Au, Pd и/или Cu) имел растворимость по меньшей мере 0,1% по массе в расплавленном магнии при 850°C. Предпочтительно, чтобы ускоряющий коррозию металлический элемент имел растворимость в расплавленном магнии при 850°C по меньшей мере 0,5% по массе, более предпочтительно по меньшей мере 1% по массе. В некоторых вариантах осуществления предпочтительно, чтобы ускоряющий коррозию металлический элемент имел растворимость по меньшей мере 1% по массе в расплавленном магнии или магниевом сплаве, в который он добавляется.
[0055] Предпочтительно, ускоряющий коррозию металлический элемент (т.е. Ni, Co, Ir, Au, Pd и/или Cu) имеет растворимость менее чем 0,1% по массе, более предпочтительно менее чем 0,01% по массе, в твердом магнии при 25°C. В некоторых вариантах осуществления предпочтительно, чтобы ускоряющий коррозию металлический элемент имел растворимость менее чем 0,1% по массе, более предпочтительно менее чем 0,01% по массе, в расплавленном магнии или магниевом сплаве, в который он добавляется, когда он охлажден до 25°C и затвердел.
[0056] Ускоряющий коррозию металлический элемент представляет собой один или более из Ni, Co, Ir, Au, Pd или Cu. В некоторых вариантах осуществления предпочтительным является Ni. Что касается составов первого предпочтительного варианта осуществления, ускоряющий коррозию металлический элемент предпочтительно добавляется в количестве между 0,01% и 10% по массе, более предпочтительно между 0,1% и 8% по массе, еще более предпочтительно между 0,2% и 7 мас.% по массе. Что касается составов второго предпочтительного варианта осуществления, ускоряющий коррозию металлический элемент предпочтительно добавляется в количестве между 0,01% и 15% по массе, более предпочтительно между 0,01% и 5% по массе, еще более предпочтительно между 0,1% и 3% по массе. Что касается составов третьего предпочтительного варианта осуществления, ускоряющий коррозию металлический элемент предпочтительно добавляется в количестве между 0,01% и 10% по массе, более предпочтительно между 0,01% и 7% по массе, еще более предпочтительно между 0,1% и 5 мас.% по массе.
[0057] Особенно предпочтительный способ первого варианта осуществления содержит плавление на стадии (а) магниевого сплава, содержащего 3,3-4,3 мас.% Y, 0,2-1,0 мас.% Zr, 2,0-2,5 мас.% Nd и, необязательно, 0,3-1,0 мас.% редкоземельных металлов, а также добавление на стадии (b) Ni в качестве ускоряющего коррозию металлического элемента. Предпочтительно, чтобы на стадии (b) Ni добавлялся в количестве между 0,01% и 10% по массе, более предпочтительно между 0,1% по массе и 8% по массе.
[0058] Данное изобретение также относится к магниевому сплаву, подходящему для использования в качестве подверженного коррозии скважинного изделия, которое получается описанным выше способом.
[0059] В дополнение, данное изобретение относится к описанному выше магниевому сплаву для использования в качестве подверженного коррозии скважинного изделия.
[0060] Данное изобретение также относится к способу гидравлического разрыва пласта, содержащему использование подверженного коррозии скважинного изделия, содержащего описанный выше магниевый сплав, или описанного выше скважинного инструмента. Предпочтительно, этот способ содержит формирование по меньшей мере частичного уплотнения буровой скважины подверженным коррозии скважинным изделием. Этот способ может затем содержать удаление этого по меньшей мере частичного уплотнения за счет предоставления подверженному коррозии скважинному изделию возможности корродировать. Эта коррозия может происходить с желаемой скоростью при некоторых составах сплава по приведенному выше раскрытию. Предпочтительно, чтобы подверженное коррозии скважинное изделие представляло собой шар для гидроразрыва, пробку, пакер или инструмент в сборе. Шар для гидроразрыва предпочтительно является практически сферическим по форме. В некоторых вариантах осуществления шар для гидроразрыва состоит по существу из описанного выше магниевого сплава.
[0061] Далее изобретение будет описано со ссылками на следующие фигуры, которые не ограничивают объем заявленного изобретения, на которых:
Фигура 1 показывает микроструктуру образца DF9905D Примера 1,
Фигура 2 показывает график зависимости процента потери условного предела текучести от добавки Ni (мас.%) для сплавов Примеров 3A, 3B и 3C,
Фигура 3 показывает график зависимости условного предела текучести от добавки Ni (мас.%) для сплавов Примеров 3A, 3B и 3C, и
Фигура 4 показывает график зависимости скорости коррозии от добавки Ni (мас.%) для сплавов Примеров 3A, 3B и 3C.
[0062] Примеры
Пример 1 – Магниево-алюминиевый сплав
[0063]
[0064] Основной магниевый сплав, состоящий из коммерческого сплава AZ80A, который имеет типичный химический состав 8,5 мас.% Al, 0,5 мас.% Zn и 0,3 мас.% Mn, расплавили нагреванием до 750°C и добавили к нему никель в количествах, составляющих от 0,01 мас.% до 1 мас.%. Этот продукт затем отливали в заготовку и прессовали в стержень.
[0065] Для того, чтобы смоделировать умеренную и экстремальную коррозию в скважине, этот материал протестировали на коррозию путем измерения потери массы в водном растворе с 3 мас.% хлорида калия при постоянной температуре 38°C (100°F) и в водном растворе 15 мас.% хлорида калия при постоянной температуре 93°C (200°F).
[0066] Скорости коррозии показаны в нижеприведенной Таблице 1. Образцы содержат стандартный сплав (т.е. AZ80A без добавления никеля), а два образца – с различными количествами добавленного никеля.
Таблица 1
Шифр образца
Концентрация никелямас.%
Скорость коррозии в 3%-ом KCl при 38°C (100°F)мг/см<sup>2</sup>/сутки
Скорость коррозии в 15%-ом KCl при 93°C (200°F)мг/см<sup>2</sup>/сутки
Стандартный сплав
<0,005
<0,5
<0,5
DF9905B
0,016
113
449
DF9905D
0,61
161
1328
[0067] Данные в Таблице 1 ясно показывают повышенный уровень коррозии, достигнутый в образцах, к которым был добавлен никель, причем более высокое содержание никеля приводило к более высокой скорости коррозии.
[0068] Механические свойства образцов также протестировали с использованием стандартизированных испытаний на растяжение (т.е. по стандарту ASTM B557-10), и их результаты показаны в нижеприведенной Таблице 2.
Таблица 2
Шифр образца
Концентрация никелямас.%
Условный предел текучести при остаточной деформации 0,2%МПа
Предел прочности на растяжениеМПа
Относительное удлинение%
Стандартный сплав
<0,005
219
339
9
DF9905B
0,016
238
334
11
DF9905D
0,61
219
309
14
[0069] Фигура 1 показывает микроструктуру образца DF9905D (т.е. образца с 0,61 мас.% никеля). Темная область микроструктуры, помеченная как «1», - это фаза α-Mg (т.е. фаза, содержащая магний в твердом растворе с другими легирующими элементами). Светлая область микроструктуры, пример которой помечен как «2», - это фаза, содержащая ускоряющий коррозию элемент (т.е. никель в данном случае) и магний.
Пример 2 - магниевый сплав с иттрием и РЗМ
[0070]
[0071] Процедуру Примера 1 повторяли с тем исключением, что основной магниевый сплав AZ80A был заменен коммерческим сплавом Elektron 43. Использовали сплав WE43C с составом: 3,7-4,3 мас.% Y, 0,2-1,0 мас.% Zr, 2,0-2,5 мас.% Nd и 0,3-1 мас.% редкоземельных металлов (РЗМ).
[0072] Скорости коррозии показаны в нижеприведенной Таблице 3. Образцы содержат стандартный сплав (т.е. WE43C без добавления никеля), а пять образцов – с различными количествами добавленного никеля.
Таблица 3
Шифр образца
Концентрация никелямас.%
Скорость коррозии в 3%-ом KCl при 38°C (100°F)мг/см<sup>2</sup>/сутки
Скорость коррозии в 15%-ом KCl при 93°C (200°F)мг/см<sup>2</sup>/сутки
Стандартный сплав
<0,005
<0,5
<0,5
DF9911D
0,1
<0,5
94
DF9912A
0,2
78
308
DF9912B
0,4
199
643
DF9912C
0,62
203
929
DF9915C
0,65
302
1075
DF9915D
1,43
542
1811
[0073] Данные в Таблице 3 ясно показывают повышенный уровень коррозии, достигнутый в образцах, к которым был добавлен никель, причем более высокое содержание никеля приводило к более высокой скорости коррозии.
[0074] Механические свойства этих образцов также протестировали с использованием стандартизированных испытаний на растяжение, и их результаты показаны в нижеприведенной Таблице 4.
Таблица 4
Шифр образца
Концентрация никелямас.%
Условный предел текучести при остаточной деформации 0,2%МПа
Предел прочности на растяжениеМПа
Относительное удлинение%
Стандартный сплав
<0,005
186
301
15
DF9911D
0,1
197
302
17
DF9912A
0,2
234
337
15
DF9912B
0,4
238
331
14
DF9912C
0,62
230
311
11
DF9915C
0,65
224
305
21
DF9915D
1,43
229
321
20
[0075] Данные в Таблице 4 показывают, что сплавы по изобретению имеют улучшенные механические свойства, в частности условный предел текучести при остаточной деформации 0,2%, по сравнению с составами уровня техники.
[0076] Пример 3A – Магниево-алюминиевые сплавы
[0077] Дополнительные составы магниевого сплава приготовили объединением компонентов в количествах, показанных в нижеприведенной Таблице 5 (остальное – магний). Эти составы затем расплавили нагреванием до 750°C. Полученный продукт затем отливали в заготовку и прессовали в стержень.
Таблица 5
Mg-Al
Добавки к сплаву (мас.%, остальное – магний)
Шифр образца
Al
Ca
Sn
Zn
Mn
Ni
A1
8,4
0,4
0,2
0,00
A2
8,4
0,4
0,2
0,02
A3
8,4
0,4
0,2
0,15
A4
8,4
0,4
0,2
1,50
A5
6,5
0,7
0,3
0,00
A6
6,5
0,7
0,3
0,05
A7
6,5
0,7
0,3
0,15
A8
6,5
0,7
0,3
0,30
A9
6,5
0,7
0,3
0,60
A10
6,5
0,7
0,3
1,20
A11
3,0
0,7
0,3
0,00
A12
3,0
0,7
0,3
0,05
A13
3,0
0,7
0,3
0,15
A14
3,0
0,7
0,3
0,30
A15
3,0
0,7
0,3
0,60
A16
3,0
0,7
0,3
1,20
A17
3,5
3,0
0,0
0,3
0,00
A18
4,0
5,0
0,0
0,5
0,15
A19
4,0
3,6
0,0
0,4
0,50
A20
3,5
3,0
0,0
0,3
2,00
A21
8,0
4,0
2,0
0,3
0,00
A22
8,0
4,0
2,0
0,3
0,15
[0078] Механические свойства этих образцов также протестировали с использованием тех же самых стандартизированных испытаний на растяжение, и их результаты показаны в нижеприведенной Таблице 6.
Таблица 6
Класс сплава: Mg-Al
Шифр образца
Условный предел текучести при остаточной деформации 0,2%(МПа)
Оставшаяся доля условного предела текучести (%)
Скорость коррозии в 15%-ом KCl при 93°C (200°F)(мг/см<sup>2</sup>/сутки)
A1
219
100
0
A2
239
109
449
A3
235
107
1995
A4
220
101
1328
A5
199
100
0
A6
197
99
2078
A7
203
102
2531
A8
198
99
2800
A9
197
99
2574
A10
199
100
2494
A11
211
100
0
A12
196
93
1483
A13
192
91
1853
A14
194
92
1854
A15
197
94
1969
A16
194
92
1877
A17
321
100
0
A18
329
102
3299
A19
312
97
4851
A20
309
96
2828
A21
258
100
0
A22
256
99
1205
[0079] Эти данные показывают, что добавление никеля к этим магниево-алюминиевым сплавам значительно увеличивает скорость коррозии сплавов. Выгодным является то, что у этих сплавов такое увеличение скорости коррозии обеспечивается при одновременном сохранении механических свойств сплава (что иллюстрируется условным пределом текучести при остаточной деформации 0,2%). Таким образом, сплавы, протестированные в этом примере, могут найти применение в качестве компонентов в скважинных инструментах благодаря их сочетанию высоких скоростей коррозии и хороших механических свойств.
Пример 3B - магниевые сплавы с иттрием и РЗМ
[0080]
[0081] Дополнительные составы магниевого сплава приготовили объединением компонентов в количествах, показанных в нижеприведенной Таблице 7. Эти составы затем расплавили нагреванием до 750°C. Полученный продукт затем отливали в заготовку и прессовали в стержень.
Таблица 7
Mg-Y-RE
Добавки к сплаву (мас.%, остальное – магний)
Шифр образца
Y
Nd
Zr
Ni
R1
4,0
2,2
0,5
0,0
R2
3,6
2,1
0,5
0,4
R3
3,6
2,1
0,5
0,6
R4
3,6
2,1
0,5
1,4
R5
3,5
2,1
0,4
1,8
R6
3,5
2,1
0,4
3,5
R7
3,5
2,1
0,4
5,0
R8
3,5
2,1
0,4
6,1
R9
3,7
2,1
0,0
0,4
R10
3,7
2,1
0,0
0,6
R11
3,6
2,1
0,1
1,5
R12
3,9
2,0
0,0
1,1
R13
3,5
1,8
0,0
2,2
[0082] Механические свойства этих образцов протестировали с использованием стандартизированных испытаний на растяжение, и их результаты показаны в нижеприведенной Таблице 8.
Таблица 8
Класс сплава: Mg-Y-RE
Шифр образца
Условный предел текучести при остаточной деформации 0,2% (МПа)
Оставшаяся доля условного предела текучести (%)
Скорость коррозии в 15%-ом KCl при 93°C (200°F) (мг/см<sup>2</sup>/сутки)
R1
241
100
0,0
R2
229
95
198,6
R3
235
97
578,5
R4
234
97
1302,3
R5
238
99
2160,0
R6
263
109
6060,8
R7
253
105
7175,7
R8
232
96
7793,1
R9
221
92
636,0
R10
217
90
937,0
R11
206
85
1115,0
R12
209
87
1118,0
R13
256
106
3401,0
[0083] Эти данные показывают, что как и для магниево-алюминиевых сплавов, добавление никеля к этим сплавам магний-иттрий-РЗМ значительно увеличивает скорость коррозии сплава. Выгодным является то, что у этих сплавов такое увеличение скорости коррозии обеспечивается при одновременном сохранении механических свойств сплава (что иллюстрируется условным пределом текучести при остаточной деформации 0,2%). Однако, в дополнение к этим выгодным свойствам, у этих сплавов увеличение скорости коррозии практически пропорционально количеству добавленного никеля. Это может обеспечить дополнительную особенность, заключающуюся в том, что скорость коррозии этих сплавов является «настраиваемой», и могут быть получены сплавы с конкретными желаемыми скоростями коррозии или диапазонами конкретных скоростей коррозии. Таким образом, сплавы, протестированные в этом примере, могут найти применение в качестве компонентов в скважинных инструментах благодаря их сочетанию высоких скоростей коррозии и хороших механических свойств.
Пример 3С – Магниево-цинковые сплавы
[0084]
[0085] Составы магниевого сплава приготовили объединением компонентов в количествах, показанных в нижеприведенной Таблице 9. Эти составы затем расплавили нагреванием до 750°C. Полученный продукт затем отливали в заготовку и прессовали в стержень.
Таблица 9
Mg-Zn
Добавки к сплаву (мас.%, остальное – магний)
Шифр образца
Zn
Cu
Mn
Zr
Ni
Z1
6,5
1,5
0,8
0,00
Z2
6,5
1,5
0,8
1,00
Z3
6,5
1,5
0,8
2,00
Z4
6,5
1,5
0,8
4,00
Z5
6,5
0,5
0,00
Z6
6,5
0,15
Z7
6,5
0,30
Z8
6,5
1,00
[0086] Механические свойства этих образцов протестировали с использованием стандартизированных испытаний на растяжение, и их результаты показаны в нижеприведенной Таблице 10.
Таблица 10
Класс сплава: Mg-Zn
Шифр образца
Условный предел текучести при остаточной деформации 0,2% (МПа)
Оставшаяся доля условного предела текучести (%)
Скорость коррозии в 15%-ом KCl при 93°C (200°F) (мг/см<sup>2</sup>/сутки)
Z1
312
100
50
Z2
229
73
315
Z3
229
73
5474
Z4
216
69
9312
Z5
223
100
1
Z6
133
59
565
Z7
137
62
643
Z8
142
63
905
[0087] Эти данные показывают, что как и для магниево-алюминиевых сплавов и сплавов магний-иттрий-РЗМ, добавление никеля к этим магниево-цинковым сплавам значительно увеличивает их скорость коррозии. Магниево-цинковые сплавы известны в данной области высокими значениями прочности, и в данном описании показано, что добавление никеля также увеличивает их скорость коррозии. Однако данные демонстрируют, что механические свойства этих сплавов (иллюстрируемые условным пределом текучести при остаточной деформации 0,2%) снижаются с увеличением содержания никеля.
[0088] Этот пример показывает, что не все магниевые сплавы обеспечивают механическую прочность, требуемую для определенных применений изобретения, когда к ним добавляется никель, и что фактически трудно предсказать, как изменятся свойства конкретного сплава, когда к нему будет добавлен ускоряющий коррозию элемент, такой как никель.
[0089] На Фигурах 2, 3 и 4 построены графики механических свойств сплавов Примеров 3A, 3B и 3C в зависимости от добавки Ni (мас.%).
[0090] Фигура 2, в частности, показывает, что у магниево-цинковых сплавов Примера 3C («Mg-Zn», где цинк является главным упрочняющим элементом) при добавлении никеля теряется от 20% до 40% прочности. В противоположность этому, прочность магниево-алюминиевых сплавов («Mg-Al») и сплавов магний-иттрий-РЗМ (Mg-Y-RE) (Примеры 3A и 3B) сохраняется. Фигура 3 представляет собой график, показывающий зависимость значений абсолютного предела текучести (МПа) от добавки Ni (мас.%).
[0091] Фигура 4 представляет собой график зависимости скорости коррозии от добавки Ni (мас.%). Для сплавов магний-иттрий-РЗМ через точки данных была проведена линия, которая демонстрирует корреляцию между скоростью коррозии и добавкой Ni для этих сплавов. Она показывает, что сплавы магний-иттрий-РЗМ могут быть выгодно скорректированы для того, чтобы добиться желаемой конкретной скорости коррозии или диапазона скоростей коррозии.