CN109906304B - 可腐蚀的井下制品 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及适合于用作可腐蚀的井下制品的镁合金。镁合金包含：(a)2wt％‑7wt％Gd，(b)0wt％‑2wt％Y，(c)0wt％‑5.0wt％Nd，以及(d)至少80wt％Mg，并且具有按照通过ASTM B557M‑10测量的至少22％的伸长率。本发明还涉及包含镁合金的井下工具、用于产生镁合金的方法以及包括使用包含镁合金的井下工具的水力压裂的方法。
Description
本发明涉及适合于用作可腐蚀的井下制品(corrodible downhole article)的镁合金、用于制备这样的合金的方法、包含该合金的制品以及该制品的用途。
背景
石油和天然气工业利用被称为水力压裂或“压裂(fracking)”的技术。这通常包括用在含石油和/或天然气的岩石中的钻孔的系统中的水加压，以便压裂岩石以释放石油和/或天然气。
为了实现此加压，可以使用阀来封闭或分开钻孔系统的不同部分。这些阀被称为井下阀(downhole valve)，在本发明的上下文中使用的词语井下指的是在井或钻孔中使用的制品。
井下塞(downhole plug)是一种类型的阀。常规的塞由许多被锥形部件迫使分开的区段。锥体迫使区段离开，直到区段与管道钻孔接合。然后，塞被小球密封。形成这样的阀的另一种方式包括使用具有在管道内衬(pipe lining)中的预先定位的底座(seat)上接合的多个直径的球体(通常被称为压裂球(fracking ball))。井下塞和压裂球可以由铝、镁、聚合物或复合材料制成。
两种类型的阀的问题与制作阀使用的材料的延展率(ductility)有关。可腐蚀的镁合金，例如用于制造井下阀的那些，由于其六方晶体结构而具有有限的延展率。当这些合金以其可锻造形式(wrought form)使用时，例如当它们被挤出时，这些合金可以呈现出显著的晶体织构(crystallographic texture)(即在特定方向上排列的晶体)。这还可以限制延展率，特别是在横向方向上。这些因素意味着可溶解的镁合金的延展率低于合意的。
本申请人的较早专利申请GB2529062A涉及适合于用作可腐蚀的井下制品的镁合金。此文献公开了一种合金，所述合金包含3.7wt％-4.3wt％Y、0.2wt％-1.0wt％Zr、2.0wt％-2.5wt％Nd以及0.3wt％-1.0wt％稀土，具有21％的最大伸长率(即延展率)、约1100mg/cm2/天的在93℃(200F)在3％KCl中的腐蚀速率以及约200MPa的0.2％验证应力(0.2％proof stress)。这些镁合金的使用范围可以受其延展率的限制。
CN 106086559描述了包含Gd和/或Y以及Ni的镁合金。然而，这些合金中Y和/或Gd的原子百分含量(atomic percentage amount)对应于大于2wt％Y和/或大于7wt％Gd的重量百分比。CN 104152775涉及包含86.7wt％Mg、2.2wt％Ni、5.8wt％Gd以及5.3wt％Nd的镁合金。
已经寻找提供期望的腐蚀特性、但具有改进的延展率的材料。
发明陈述
本发明涉及适合于用作可腐蚀的井下制品的镁合金，其中该合金包含：
(a)2wt％-7wt％Gd，
(b)0wt％-2wt％Y，
(c)0wt％-5.0wt％Nd，以及
(d)至少80wt％Mg，
并且具有按照通过ASTM B557M-10测量的至少22％的伸长率。
关于本发明，术语“合金”被用于意指通过将两种或更多种金属元素混合并熔融、通过将它们熔化在一起、将它们混合并再固化而制成的组合物。
关于本发明，术语“稀土金属”被用于指的是十五种镧系元素以及Sc和Y。
由本发明的镁合金制成的塞和压裂球(fracking ball)可以找到较宽的使用范围。
特别地，该合金可以具有按照通过ASTM B557M-10测量的至少23％、更特别地至少24％、甚至更特别地至少25％的伸长率。
特别地，镁合金可以包含小于5wt％的总量、更特别地小于3wt％的总量、甚至更特别地小于1wt％的总量的除了Gd之外的稀土金属。在某些实施方案中，镁合金可以包含小于0.5wt％、更特别地小于0.1wt％的总量的除了Gd之外的稀土金属。在特定的实施方案中，镁合金可以大体上不含除了Gd之外的稀土金属。更特别地，除了Gd之外的稀土金属可以包括Y和/或Nd，甚至更特别地，它们可以是Y和/或Nd。
更特别地，镁合金可以包含3wt％-6wt％的量、甚至更特别地4.0wt％-6.0wt％的量的Gd。在某些实施方案中，镁合金可以包含4.5wt％-5.5wt％、更特别地4.6wt％-4.9wt％的量的Gd。
更特别地，镁合金可以包含多达1.0wt％的量的Zr。在某些实施方案中，镁合金可以包含0.01wt％-0.5wt％的量、更特别地0.02wt％-0.2wt％的量、甚至更特别地0.05wt％-0.10wt％的量的Zr。在某些实施方案中，镁合金可以大体上不含Zr。
特别地，镁合金可以包含一种或更多种促进腐蚀的元素。更特别地，该一种或更多种元素可以是一种或更多种过渡金属。特别地，镁合金可以包含以下中的一种或更多种：Ni、Co、Ir、Au、Pd、Fe或Cu。本领域中已知这些元素促进镁合金的腐蚀。镁合金可以包含总计0wt％-2wt％、更特别地0.1wt％-2wt％、甚至更特别地0.2wt％-1.0wt％的以下中的一种或更多种：Ni、Co、Ir、Au、Pd、Fe或Cu。在某些实施方案中，镁合金可以包含总计0.4wt％-0.8wt％、更特别地0.5wt％-0.7wt％的以下中的一种或更多种：Ni、Co、Ir、Au、Pd、Fe或Cu。
特别地，镁合金可以包含0wt％-2wt％Ni、更特别地0.1wt％-2wt％Ni、甚至更特别地0.2wt％-1.0wt％Ni。在某些实施方案中，镁合金可以包含0.4wt％-0.8wt％、更特别地0.5wt％-0.7wt％的量的Ni。
更特别地，镁合金可以包含小于1wt％、甚至更特别地小于0.5wt％、更特别地小于0.1wt％的量的Y。在某些实施方案中，镁合金可以大体上不含Y。
特别地，镁合金可以包含小于2wt％的量的Nd。更特别地，镁合金可以包含小于1wt％、甚至更特别地小于0.5wt％、更特别地小于0.1wt％的量的Nd。在某些实施方案中，镁合金可以大体上不含Nd。
更特别地，镁合金可以包含小于1wt％、甚至更特别地小于0.5wt％、更特别地小于0.1wt％的量的Al。在某些实施方案中，镁合金可以大体上不含Al。
特别地，镁合金可以包含小于1wt％、甚至更特别地小于0.5wt％、更特别地小于0.1wt％的量的Ce(例如以稀土金属混合物的形式)。在某些实施方案中，镁合金可以大体上不含Ce。
更特别地，合金的其余部分可以是镁和附带的杂质。特别地，镁合金中的Mg的含量可以是至少85wt％、更特别地至少90wt％、甚至更特别地至少92wt％。
第一实施方案的特别地优选的组合物是包含以下的镁合金：小于2wt％的总量的除了Gd之外的稀土金属、4.0wt％-6.0wt％的量的Gd、0.02wt％-0.2wt％的量的Zr、0.1wt％-0.8wt％的量的Ni以及至少90wt％的量的Mg。
特别地，镁合金可以具有在38℃(100F)在3％KCl中至少50mg/cm2/天、更特别地至少75mg/cm2/天、甚至更特别地至少100mg/cm2/天的腐蚀速率。特别地，镁合金可以具有在93℃(200F)在15％KCl中至少50mg/cm2/天、更特别地至少250mg/cm2/天、甚至更特别地至少500mg/cm2/天的腐蚀速率。更特别地，在38℃在3％KCl中或在93℃(200F)在15％KCl中的腐蚀速率可以小于15,000mg/cm2/天。
特别地，当使用标准拉伸测试方法ASTM B557M-10测试时，镁合金可以具有至少75MPa、更特别地至少100MPa、甚至更特别地至少125MPa的0.2％验证应力。更特别地，0.2％验证应力可以小于700MPa。材料的0.2％验证应力是材料应变从弹性变形变成塑性变形、造成材料永久变形0.2％应变的应力。
此外，本发明涉及具有上文描述的组成的可锻造镁合金(wrought magnesiumalloy)。
本发明还涉及包括上文描述的镁合金的可腐蚀的井下制品，例如井下工具。在某些实施方案中，可腐蚀的井下制品是压裂球、塞、封隔器或工具组件。特别地，压裂球可以在形状上是大体上球形的。在某些实施方案中，压裂球基本上由上文描述的镁合金组成。
本发明还涉及用于产生适合于用作可腐蚀的井下制品的镁合金的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)加热Mg、Gd、以及任选地Y和Nd中的一种或更多种，以形成包含2wt％-7wt％Gd、0wt％-2wt％Y、0wt％-5.0wt％Nd以及至少80wt％Mg的熔融的镁合金，
(b)混合所得到的熔融的镁合金，以及
(c)铸造镁合金。
特别地，该方法可以用于产生如上文定义的镁合金。所得到的合金中的任何其他所需的组分(例如，在描述合金的前述段落中列出的那些)可以在加热步骤(a)中添加。更特别地，加热步骤可以在650℃(即纯镁的熔点)或更高、甚至更特别地小于1090℃(纯镁的沸点)的温度进行。特别地，温度范围可以是650℃至850℃、更特别地700℃至800℃、甚至更特别地约750℃。更特别地，在步骤(b)中，所得到的合金可以是充分熔融的。
铸造步骤通常包括将熔融的镁合金倾倒在模具中，以及然后允许熔融的镁合金冷却并固化。模具可以是压铸模具(die mould)、永久模具、砂模具(sand mould)、精铸模具(investment mould)、直接冷铸(DC)模具(direct chill casting mould)或其他模具。
在步骤(c)之后，该方法可以包括以下另外的步骤中的一个或更多个：(d)挤出，(e)锻造，(f)滚压，(g)机械加工。
镁合金的组成可以被定制以实现落在特定范围内的期望的腐蚀速率。在93℃在15％KCl中的期望的腐蚀速率可以在以下特定范围中的任何范围：50mg/cm2/天-100mg/cm2/天；100mg/cm2/天-250mg/cm2/天；250mg/cm2/天-500mg/cm2/天；500mg/cm2/天-1000mg/cm2/天；1000mg/cm2/天-3000mg/cm2/天；3000mg/cm2/天-4000mg/cm2/天；4000mg/cm2/天-5000mg/cm2/天；5000mg/cm2/天-10,000mg/cm2/天；10,000mg/cm2/天-15,000mg/cm2/天。
本发明的方法还可以包括定制镁合金的组成，使得铸造镁合金实现落在以下范围中的至少两个内的在93℃在15％KCl中的期望的腐蚀速率：50mg/cm2/天至100mg/cm2/天；100mg/cm2/天-250mg/cm2/天；250mg/cm2/天-500mg/cm2/天；500mg/cm2/天-1000mg/cm2/天；1000mg/cm2/天-3000mg/cm2/天；3000mg/cm2/天-4000mg/cm2/天；4000mg/cm2/天-5000mg/cm2/天；5000mg/cm2/天-10,000mg/cm2/天；以及10,000mg/cm2/天-15,000mg/cm2/天。
本发明还涉及适合于用作可腐蚀的井下制品的镁合金，所述镁合金通过上文描述的方法可获得。
另外，本发明涉及如上文描述的用作可腐蚀的井下制品的镁合金。
本发明还涉及水力压裂的方法，所述方法包括使用包含如上文描述的镁合金的可腐蚀的井下制品，或如上文描述的井下工具。特别地，该方法可以包括用可腐蚀的井下制品在钻孔中形成至少部分的密封。该方法然后可以包括通过允许可腐蚀的井下制品腐蚀来除去至少部分的密封。在本公开内容的某些合金组合物的情况下，此腐蚀可以以期望的速率发生，如上文讨论的。更特别地，可腐蚀的井下制品可以是压裂球、塞、封隔器或工具组件。特别地，压裂球可以在形状上是大体上球形的。在某些实施方案中，压裂球可以基本上由上文描述的镁合金组成。
将通过参考以下附图进一步描述本发明，附图不意图限制所要求保护的本发明的范围，在附图中：
图1示出延展率相对于以wt％计的Gd含量的图。
实施例
镁合金组合物通过将组分以以下表1中列出的量组合来制备。然后，这些组合物通过在750℃加热被熔化。然后，熔体被铸造成坯料(billet)并挤出成棒。
*RE包括包括钇、但排除钆的所有稀土元素
表1
此数据清楚地示出，本发明的实施例令人惊讶地示出显著地改进的伸长率/延展率。这通过观察以图1的图的形式的此数据来确认。
本发明还涉及以下项目：
1.一种镁合金，适合于用作可腐蚀的井下制品，其中所述合金包含：
(a)2wt％-7wt％Gd，
(b)0wt％-2wt％Y，
(c)0wt％-5.0wt％Nd，以及
(d)至少80wt％Mg，
并且具有按照通过ASTM B557M-10测量的至少22％的伸长率。
2.如项目1所述的镁合金，具有按照通过ASTM B557M-10测量的至少24％的伸长率。
3.如项目1或项目2所述的镁合金，包含4.0wt％-6.0wt％的量的Gd。
4.如项目3所述的镁合金，包含4.5wt％-5.5wt％的量的Gd。
5.如前述项目中任一项所述的镁合金，包含总计0.1wt％-0.8wt％的量的以下中的一种或更多种：Ni、Co、Ir、Au、Pd、Fe或Cu。
6.如前述项目中任一项所述的镁合金，包含总量小于1wt％的除了Gd之外的稀土金属。
7.如前述项目中任一项所述的镁合金，包含0.01wt％-0.5wt％的量的Zr。
8.如项目7所述的镁合金，包含0.02wt％-0.2wt％的量的Zr。
9.如前述项目中任一项所述的镁合金，其中所述镁合金中的Mg的含量是至少85wt％。
10.如项目9所述的镁合金，其中所述镁合金中的Mg的含量是至少90wt％。
11.如前述项目中任一项所述的镁合金，具有在93℃在15％KCl中至少50mg/cm2/天的腐蚀速率。
12.一种井下工具，包括如前述项目中任一项所述的镁合金。
13.一种用于产生如项目1-11中任一项所述的镁合金的方法，包括以下步骤：
(a)加热Mg、Gd、以及任选地Y和Nd中的一种或更多种，以形成包含2wt％-7wt％Gd、0wt％-2wt％Y、0wt％-5.0wt％Nd以及至少80wt％Mg的熔融的镁合金，
(b)混合所得到的熔融的镁合金，以及
(c)铸造所述镁合金。
14.一种水力压裂的方法，包括使用如项目12所述的井下工具。
Claims (34)
1.一种镁合金，适合于用作可腐蚀的井下制品，其中所述镁合金包含：
(a)2wt％-7wt％Gd，
(b)0wt％-1wt％Y，
(c)0wt％-5.0wt％Nd，
(d)总计0.1wt％-2wt％的以下中的一种或更多种：Ni、Co、Ir、Au、Pd、Fe和Cu，以及
(e)至少80wt％Mg，
并且具有按照通过ASTM B557M-10测量的至少22％的伸长率。
2.如权利要求1所述的镁合金，具有按照通过ASTM B557M-10测量的至少24％的伸长率。
3.如权利要求1或权利要求2所述的镁合金，包含4.0wt％-6.0wt％的量的Gd。
4.如权利要求3所述的镁合金，包含4.5wt％-5.5wt％的量的Gd。
5.如权利要求1-2和4中任一项所述的镁合金，包含总计0.1wt％-0.8wt％的量的以下中的一种或更多种：Ni、Co、Ir、Au、Pd、Fe和Cu。
6.如权利要求3所述的镁合金，包含总计0.1wt％-0.8wt％的量的以下中的一种或更多种：Ni、Co、Ir、Au、Pd、Fe和Cu。
7.如权利要求1-2、4和6中任一项所述的镁合金，包含总量小于1wt％的除了Gd之外的稀土金属。
8.如权利要求3所述的镁合金，包含总量小于1wt％的除了Gd之外的稀土金属。
9.如权利要求5所述的镁合金，包含总量小于1wt％的除了Gd之外的稀土金属。
10.如权利要求1-2、4、6和8-9中任一项所述的镁合金，包含0.01wt％-0.5wt％的量的Zr。
11.如权利要求3所述的镁合金，包含0.01wt％-0.5wt％的量的Zr。
12.如权利要求5所述的镁合金，包含0.01wt％-0.5wt％的量的Zr。
13.如权利要求7所述的镁合金，包含0.01wt％-0.5wt％的量的Zr。
14.如权利要求10所述的镁合金，包含0.02wt％-0.2wt％的量的Zr。
15.如权利要求11-13中任一项所述的镁合金，包含0.02wt％-0.2wt％的量的Zr。
16.如权利要求1-2、4、6、8-9和11-14中任一项所述的镁合金，其中所述镁合金中的Mg的含量是至少85wt％。
17.如权利要求3所述的镁合金，其中所述镁合金中的Mg的含量是至少85wt％。
18.如权利要求5所述的镁合金，其中所述镁合金中的Mg的含量是至少85wt％。
19.如权利要求7所述的镁合金，其中所述镁合金中的Mg的含量是至少85wt％。
20.如权利要求10所述的镁合金，其中所述镁合金中的Mg的含量是至少85wt％。
21.如权利要求15所述的镁合金，其中所述镁合金中的Mg的含量是至少85wt％。
22.如权利要求16所述的镁合金，其中所述镁合金中的Mg的含量是至少90wt％。
23.如权利要求17-21中任一项所述的镁合金，其中所述镁合金中的Mg的含量是至少90wt％。
24.如权利要求1-2、4、6、8-9、11-14和17-22中任一项所述的镁合金，具有在93℃在15％KCl中至少50mg/cm2/天的腐蚀速率。
25.如权利要求3所述的镁合金，具有在93℃在15％KCl中至少50mg/cm2/天的腐蚀速率。
26.如权利要求5所述的镁合金，具有在93℃在15％KCl中至少50mg/cm2/天的腐蚀速率。
27.如权利要求7所述的镁合金，具有在93℃在15％KCl中至少50mg/cm2/天的腐蚀速率。
28.如权利要求10所述的镁合金，具有在93℃在15％KCl中至少50mg/cm2/天的腐蚀速率。
29.如权利要求15所述的镁合金，具有在93℃在15％KCl中至少50mg/cm2/天的腐蚀速率。
30.如权利要求16所述的镁合金，具有在93℃在15％KCl中至少50mg/cm2/天的腐蚀速率。
31.如权利要求23所述的镁合金，具有在93℃在15％KCl中至少50mg/cm2/天的腐蚀速率。
32.一种井下工具，包括根据前述权利要求中任一项所述的镁合金。
33.一种用于产生根据权利要求1-31中任一项所述的镁合金的方法，包括以下步骤：
(a)加热Mg、Gd、以下中的一种或更多种：Ni、Co、Ir、Au、Pd、Fe和Cu，以及任选地Y和Nd中的一种或更多种，以形成包含2wt％-7wt％Gd、0wt％-1wt％Y、0wt％-5.0wt％Nd、总计0.1wt％-2wt％的以下中的一种或更多种：Ni、Co、Ir、Au、Pd、Fe和Cu，以及至少80wt％Mg的熔融的镁合金，
(b)混合所得到的熔融的镁合金，以及
(c)铸造由步骤(b)得到的镁合金。
34.一种水力压裂的方法，包括使用根据权利要求32所述的井下工具。
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