ПОДВЕРЖЕННОЕ КОРРОЗИИ СКВАЖИННОЕ ИЗДЕЛИЕ
CORROSION-PRONE BOREHOLE PRODUCT

[001] Данное изобретение относится к магниевому сплаву, пригодному для применения в качестве подверженного коррозии скважинного изделия, способу получения такого сплава, содержащему сплав изделию и применению изделия.
Предпосылки изобретения
[002]
[003] В нефтяной и газовой отраслях промышленности применяется технология, известная как гидравлический разрыв, или «фрекинг». Обычно она включает создание давления водой в системе скважин в нефте- и/или газоносных горных породах, чтобы разрушить породы для высвобождения нефти и/или газа.
[004] Для достижения этого повышенного давления могут быть использованы клапаны, чтобы перекрывать или изолировать различные секции системы скважин. Эти клапаны называются скважинными клапанами, причем слово «скважинный» используется в контексте изобретения для обозначения изделия, которое применяется в скважине или стволе скважины.
[005] Одним типом клапана являются скважинные пробки. Традиционная пробка состоит из нескольких сегментов, которые принудительно раздвинуты конической деталью. Конус раздвигает сегменты так, что они сопрягаются с трубой по ее внутреннему диаметру. Затем пробка герметизируется маленьким шариком. Еще один подход к формированию таких клапанов предусматривает применение сфер (общеизвестных как гидроразрывные шары) с множественными диаметрами, которые входят в контакт на предварительно позиционированных гнездах в трубопроводе. Скважинные пробки и гидроразрывные шары могут быть выполнены из алюминия, магния, полимеров или композитных материалов.
[006] Проблема с клапанами обоих типов связана с пластичностью материала, используемого для их изготовления. Подверженные коррозии магниевые сплавы, такие как сплавы, используемые для изготовления скважинных клапанов, имеют ограниченную пластичность вследствие своей гексагональной кристаллической структуры. Эти сплавы могут проявлять значительную кристаллографическую текстуру (т.е. кристаллы, ориентированные в конкретном направлении), когда используются в их деформированной форме, в том случае, когда их прессовали выдавливанием. Это может дополнительно ограничивать пластичность, особенно в поперечном направлении. Эти факторы означают, что пластичность растворимых магниевых сплавов является более низкой, чем это желательно.
2
[007] Предшествующая патентная заявка данного заявителя, GB2529062A, относится к магниевому сплаву, пригодному для применения в качестве подверженного коррозии скважинного изделия. Этот документ раскрывает сплав, содержащий 3,7-4,3 мас.% Y, 0,2-1,0 мас.% Zr, 2,0-2,5 мас.% Nd и 0,3-1,0 мас.% редкоземельных металлов, имеющий максимальное относительное удлинение (т.е. пластичность) 21%, скорость коррозии около 1100 мг/см/день в 3%-ном KCl при 93°C (200°F) и 0,2%-ный условный предел текучести около 200 МПа. Диапазон применимости этих магниевых сплавов может быть ограничен их пластичностью.
[008] CN 106086559 описывает магниевые сплавы, содержащие Gd и/или Y, а также Ni. Однако количества Y и/или Gd в атомных процентах в этих сплавах соответствуют массовым процентам, которые больше 2 мас.% Y и/или больше 7 мас.% Gd. CN 104152775 относится к магниевому сплаву, содержащему 86,7 мас.% Mg, 2,2 мас.% Ni, 5,8 мас.% Gd и 5,3% Nd.
[009] Требовалось найти материал, который обеспечивает желательные коррозионные характеристики, но с улучшенной пластичностью.
Сущность изобретения
[0010]
[0011] Это изобретение относится к магниевому сплаву, пригодному для применения в качестве подверженного коррозии скважинного изделия, причем сплав содержит:
(a) 2-7 мас.% Gd,
(b) 0-2 мас.% Y,
(c) 0-5,0 мас.% Nd и
(d) по меньшей мере 80 мас.% Mg,
и имеет измеренное согласно стандарту ASTM B557M-10 относительное удлинение по меньшей мере 22%.
[0012] В отношении этого изобретения термин «сплав» используется для обозначения композиции, выполненной смешением и сплавлением двух или более металлических элементов путем их совместной плавки, перемешивания и повторного их затвердевания.
[0013] Термин «редкоземельные металлы» применяется в отношении изобретения для обозначения пятнадцати элементов-лантанидов, а также Sc и Y.
[0014] Пробки и гидроразрывные шары, выполненные из магниевых сплавов по изобретению, могут найти более широкий диапазон применений.
[0015] В частности, сплав может иметь измеренное согласно стандарту ASTM B557M-10 относительное удлинение по меньшей мере 23%, более конкретно по меньшей мере 24%, еще более конкретно по меньшей мере 25%.
[0016] В частности, магниевый сплав может содержать иные редкоземельные металлы, нежели Gd, в суммарном количестве менее 5 мас.%, более конкретно в суммарном количестве менее 3 мас.%, еще более конкретно в суммарном количестве менее 1 мас.%. В некоторых вариантах исполнения магниевый сплав может содержать иные редкоземельные металлы, нежели Gd, в суммарном количестве менее 0,5 мас.%, более конкретно в суммарном количестве менее 0,1 мас.%. В конкретных вариантах исполнения магниевый сплав может по существу не содержать иных редкоземельных металлов, нежели Gd. Более конкретно, иные редкоземельные металлы, нежели Gd, могут включать Y и/или Nd, еще более конкретно они могут быть Y и/или Nd.
[0017] Более конкретно, магниевый сплав может содержать Gd в количестве 3-6 мас.%, еще более конкретно в количестве 4,0-6,0 мас.%. В некоторых вариантах исполнения магниевый сплав может содержать Gd в количестве 4,5-5,5 мас.%, более конкретно 4,6-4,9 мас.%.
[0018] Более конкретно, магниевый сплав может содержать Zr в количестве до 1,0 мас.%. В некоторых вариантах исполнения магниевый сплав может содержать Zr в количестве 0,01-0,5 мас.%, более конкретно в количестве 0,02-0,2 мас.%, еще более конкретно в количестве 0,05-0,10 мас.%. В некоторых вариантах исполнения магниевый сплав может по существу не содержать Zr.
[0019] В частности, магниевый сплав может содержать один или более элементов, которые способствуют коррозии. Более конкретно, эти один или более элементов могут представлять собой один или более переходных металлов. В частности, магниевый сплав может содержать один или более из Ni, Co, Ir, Au, Pd, Fe или Cu. Эти элементы известны в данной области техники как способствующие коррозии магниевых сплавов. Магниевый сплав может содержать 0-2 мас.% в сумме одного или более из Ni, Co, Ir, Au, Pd, Fe или Cu, более конкретно 0,1-2 мас.%, еще более конкретно 0,2-1,0 мас.%. В некоторых вариантах исполнения магниевый сплав может содержать 0,4-0,8 мас.% в сумме одного или более из Ni, Co, Ir, Au, Pd, Fe или Cu, более конкретно 0,5-0,7 мас.%.
[0020] В частности, магниевый сплав может содержать 0-2 мас.% Ni, более конкретно 0,1-2 мас.%, еще более конкретно 0,2-1,0 мас.%. В некоторых вариантах исполнения магниевый сплав может содержать Ni в количестве 0,4-0,8 мас.%, более конкретно 0,5-0,7 мас.%.
[0021] Более конкретно, магниевый сплав может содержать Y в количестве менее 1 мас.%, еще более конкретно менее 0,5 мас.%, более конкретно менее 0,1 мас.%. В некоторых вариантах исполнения магниевый сплав может по существу не содержать Y.
[0022] В частности, магниевый сплав может содержать Nd в количестве менее 2 мас.% Более конкретно, магниевый сплав может содержать Nd в количестве менее 1 мас.%, еще более конкретно менее 0,5 мас.%, более конкретно менее 0,1 мас.%. В некоторых вариантах исполнения магниевый сплав может по существу не содержать Nd.
[0023] Более конкретно, магниевый сплав может содержать Al в количестве менее 1 мас.%, еще более конкретно менее 0,5 мас.%, более конкретно менее 0,1 мас.%. В некоторых вариантах исполнения магниевый сплав может по существу не содержать Al.
[0024] В частности, магниевый сплав может содержать Се (например, в виде мишметалла) в количестве менее 1 мас.%, еще более конкретно менее 0,5 мас.%, более конкретно менее 0,1 мас.%. В некоторых вариантах исполнения магниевый сплав может по существу не содержать Се.
[0025] Более конкретно, остальное в сплаве может представлять собой магний и случайные примеси. В частности, содержание Mg в магниевом сплаве может составлять по меньшей мере 85 мас.%, более конкретно по меньшей мере 90 мас.%, еще более конкретно по меньшей мере 92 мас.%.
[0026] Особенно предпочтительная композиция по первому варианту исполнения представляет собой магниевый сплав, содержащий иные редкоземельные металлы, нежели Gd, в суммарном количестве менее 2 мас.%, Gd в количестве 4,0-6,0 мас.%, Zr в количестве 0,02-0,2 мас.%, Ni в количестве 0,1-0,8 мас.% и Mg в количестве по меньшей мере 90 мас.%.
2
2
2
2
2
2
2
[0027] В частности, магниевый сплав может иметь скорость коррозии по меньшей мере 50 мг/см/день, более конкретно по меньшей мере 75 мг/см/день, еще более конкретно по меньшей мере 100 мг/см/день, в 3%-ном KCl при 38°C (100°F). В частности, магниевый сплав может иметь скорость коррозии по меньшей мере 50 мг/см/день, более конкретно по меньшей мере 250 мг/см/день, еще более конкретно по меньшей мере 500 мг/см/день, в 15%-ном KCl при 93°C (200°F). Более конкретно, скорость коррозии в 3%-ном KCl при 38°C или в 15%-ном KCl при 93°C (200°F) может быть менее 15000 мг/см/день.
[0028] В частности, магниевый сплав может иметь 0,2%-ный условный предел текучести по меньшей мере 75 МПа, более конкретно по меньшей мере 100 МПа, еще более конкретно по меньшей мере 125 МПа, при проведении испытания с использованием метода испытания на растяжение согласно стандарту ASTM B557M-10. Более конкретно, 0,2%-ный условный предел текучести может составлять менее 700 МПа. Упомянутый 0,2%-ный условный предел текучести материала представляет собой напряжение, при котором деформация материала изменяется с упругой деформации на пластическую деформацию, вызывая остаточную деформацию материала в 0,2%.
[0029] В дополнение, это изобретение относится к деформируемому магниевому сплаву, имеющему описанный выше состав.
[0030] Это изобретение также относится к подверженному коррозии скважинному изделию, такому как скважинный инструмент, содержащему описанный выше магниевый сплав. В некоторых вариантах исполнения подверженное коррозии скважинное изделие представляет собой гидроразрывной шар, пробку, пакер или инструмент в сборе. В частности, гидроразрывной шар может иметь практически сферическую форму. В некоторых вариантах исполнения гидроразрывной шар состоит по существу из описанного выше магниевого сплава.
[0031] Это изобретение также относится к способу получения магниевого сплава, пригодного для применения в качестве подверженного коррозии скважинного изделия, включающему стадии:
(а) нагревание Mg, Gd и, необязательно одного или более из Y и Nd, с образованием расплавленного магниевого сплава, содержащего 2-7 мас.% Gd, 0-2 мас.% Y, 0-5,0 мас.% Nd и по меньшей мере 80 мас.% Mg,
(b) перемешивание получившегося расплавленного магниевого сплава и
(с) литье магниевого сплава.
[0032] В частности, способ может быть предназначен для получения охарактеризованного выше магниевого сплава. На стадии (а) нагревания могут быть добавлены любые другие необходимые в получающемся сплаве компоненты (например, такие, которые перечислены в предшествующих абзацах описания сплава). Более конкретно, стадия нагревания может быть осуществлена при температуре 650°С (т.е. температуре плавления чистого магния) или более, еще более конкретно менее 1090°С (температура кипения чистого магния). В частности, температурный диапазон может составлять от 650°С до 850°С, более конкретно от 700°С до 800°С, еще более конкретно примерно 750°С. Более конкретно, получившийся на стадии (b) сплав может быть полностью расплавленным.
[0033] Стадия литья обычно включает разливку расплавленного магниевого сплава в литейную форму, а затем предоставление ему возможности охлаждения и затвердевания. Литейная форма может представлять собой форму для литья под давлением, многократную литейную форму, песчаную форму, форму для литья по выплавляемым моделям, кристаллизатор для литья с прямым охлаждением (от англ. direct chill casting, DC) или другую литейную форму.
[0034] После стадии (с) способ может включать одну или более из следующих дополнительных стадий: (d) прессование, (е) ковка, (f) прокатка, (g) обработка резанием.
2
2
2
2
2
2
2
2
2
[0035] Состав магниевого сплава может быть точно подобран для достижения желательной скорости коррозии, попадающей в конкретный диапазон. Желательная скорость коррозии в 15%-ном KCl при 93°C может быть в любом из следующих конкретных диапазонов: 50-100 мг/см/день; 100-250 мг/см/день; 250-500 мг/см/день; 500-1000 мг/см/день; 1000-3000 мг/см/день; 3000-4000 мг/см/день; 4000-5000 мг/см/день; 5000-10000 мг/см/день; 10000-15000 мг/см/день.
2
2
2
2
2
2
2
2
2
[0036] Способ по изобретению может также включать подбор составов магниевых сплавов так, что литые магниевые сплавы достигают желательных скоростей коррозии в 15%-ном KCl при 93°C, попадающих в по меньшей мере два из следующих диапазонов: 50-100 мг/см/день; 100-250 мг/см/день; 250-500 мг/см/день; 500-1000 мг/см/день; 1000-3000 мг/см/день; 3000-4000 мг/см/день; 4000-5000 мг/см/день; 5000-10000 мг/см/день; и 10000-15000 мг/см/день.
[0037] Это изобретение также относится к магниевому сплаву, пригодному для применения в качестве подверженного коррозии скважинного изделия, которое может быть получено описанным выше способом.
[0038] В дополнение, это изобретение относится к описанному выше магниевому сплаву для применения в качестве подверженного коррозии скважинного изделия.
[0039] Это изобретение также относится к способу гидравлического разрыва пласта, включающему применение подверженного коррозии скважинного изделия, содержащего описанный выше магниевый сплав, или описанного выше скважинного инструмента. В частности, способ может включать формирование по меньшей мере частичного уплотнения в буровой скважине с помощью подверженного коррозии скважинного изделия. Затем способ может включать удаление упомянутого по меньшей мере частичного уплотнения путем предоставления подверженному коррозии скважинному изделию возможности корродировать. Эта коррозия может происходить с желательной скоростью при определенных составах сплава согласно раскрытому изобретению, как обсуждалось выше. Более конкретно, подверженное коррозии скважинное изделие может представлять собой гидроразрывной шар, пробку, пакер или инструмент в сборе. В частности, гидроразрывной шар может иметь практически сферическую форму. В некоторых вариантах исполнения гидроразрывной шар может состоять по существу из описанного выше магниевого сплава.
[0040] Это изобретение будет дополнительно описано со ссылкой на нижеследующую фигуру, которая не предполагается ограничивающей объем заявленного изобретения, причем:
Фигура 1
показывает график зависимости пластичности от содержания Gd в мас.%.
Примеры
[0041]
[0042] Композиции магниевого сплава приготовили объединением компонентов в количествах, перечисленных ниже в Таблице 1. Эти композиции затем расплавили нагреванием при 750°С. Затем расплав отлили в заготовку и прессовали выдавливанием с получением стержня.
Таблица 1
Пример номер
Химический состав (мас.%)
Свойства
РЗМ*
Тип РЗМ
Ni
Gd
Al
Zr
0,2%-ный условный предел текучести (МПа)
Предел прочности на растяжение (МПа)
Относительное удлинение (%)
1<sup>†</sup>
1,4
Y
0,6
0
-
0,02
152
248
10,2
2<sup>†</sup>
1,6
Nd
0,6
0
-
0
101
195
7,5
3<sup>†</sup>
3,3
Nd
0,6
0
-
0
141
216
9,5
4<sup>†</sup>
1,4
Y
0,7
0,7
-
0,01
169
256
13
5<sup>†</sup>
3,3
Nd
0,6
1
-
0
187
251
8,9
6<sup>†</sup>
3,3
Nd
0,6
1
0,4
0
192
247
10,5
7<sup>†</sup>
-
0,7
1,9
-
0,02
150
239
15,0
8<sup>†</sup>
-
0,2
2,0
-
0,03
136
204
12,1
9<sup>†</sup>
-
0,4
2,0
-
0,03
159
234
15,1
10
-
0,4
2,9
-
0,02
150
227
26,0
11<sup>†</sup>
-
0,6
3,0
-
0,02
156
238
17,5
12<sup>†</sup>
-
0,4
3,0
0,2
0,02
142
227
20,8
13<sup>†</sup>
1,3
Y
0,58
3,2
-
0,01
152
236
17,9
14
-
0,6
3,5
-
0,03
156
236
21,5
15<sup>†</sup>
1,4
Y
0,58
3,9
-
0,02
156
240
20,1
16
-
0,6
4,1
-
0,03
153
227
21,6
17<sup>†</sup>
1,3
Y
0,57
4,5
-
0,04
157
243
19,4
18
-
0,6
4,7
-
0,03
158
233
23,6
19
-
0,2
4,7
-
0,02
139
217
24,6
20
-
0,6
4,8
-
0,02
146
228
26,8
21
-
0,6
5,4
-
0,01
152
236
23,0
22<sup>†</sup>
-
0,6
6,0
-
0,02
147
232
20,2
23<sup>†</sup>
-
0,6
7
-
0,02
152
239
18,8
24<sup>†</sup>
-
0,6
8
-
0,02
158
241
12,8
* РЗМ включает все редкоземельные элементы, в том числе иттрий, но за исключением гадолиния;
†
Сравнительные примеры.
[0043] Эти данные ясно показывают, что примеры по изобретению неожиданно проявляют значительно улучшенные относительное удлинение/пластичность. Это подтверждается рассмотрением этих данных в форме графика на фигуре 1.