KR102394420B1

KR102394420B1 - 드릴링 부품

Info

Publication number: KR102394420B1
Application number: KR1020167029480A
Authority: KR
Inventors: 윌리엄 디. 니엘센; 다이앤 엠. 니엘센; 크리스토퍼 담슈로더; 프리츠 그렌싱
Original assignee: 마테리온 코포레이션
Priority date: 2014-03-24
Filing date: 2014-12-23
Publication date: 2022-05-06
Also published as: JP2017514013A; JP2019108615A; US20150267477A1; WO2015147936A1; CA2943541C; JP6496325B2; CN106536770A; IL247993A0; US10597949B2; RU2016141320A; EP3122911B1; RU2016141320A3; PL3122911T3; RU2699482C2; IL247993B; EP3122911A1; JP6914288B2; CN106536770B; KR20160130510A; CA2943541A1

Abstract

드릴링 부품은 스피노달-경화 구리-니켈-주석 합금을 포함한다. 상기 드릴링 부품은, 파이프를 서로 연결하는데 사용된 툴 조인트와 같은, 드릴 스템 또는 드릴 스트링 부품일 수 있다.

Description

드릴링 부품 {DRILLING COMPONENT}

본 출원은 2014년 3월 24일자에 출원된 미국 가 특허출원 제61/969,424호의 우선권을 주장한다. 상기 출원은 이의 전문이 참조로 여기에 혼입된다.

본 개시는 구리 합금을 포함하는 드릴링 부품 (drilling components)에 관한 것이다.

대부분 구리 합금은 드릴 스트링 (drill string) 부품, 특히 충격 하중을 지탱하고 사용 동안 시추정 (well bore)과 접촉하는 헤비-섹션 (heavy-section) 외부 부품과 같은 외부 부품에 사용하기에 부적절하다. 구리 합금은 고 변형률 (즉, 충격 하중)에 적용된 경우 파괴되기 쉬운 것으로 알려졌기 때문에 부적절한 것으로 믿어왔다.

부가적으로, 드릴 스트링 부품은 종종 나사 연결 (threaded connections)로 서로 유지된다. 상기 드릴 스트링 부품은 나사 연결 세그먼트가 골링 (galling)에 기인하여 돌이킬 수 없는 손상을 입는 경우 사용할 수 없게 될 수 있다. 골링은, 예를 들어, 하나의 부품에서 다른 부품으로 전달될 물질과 함께, 하나의 부품의 나사와 제2 부품의 나사 사이에 금속-대-금속 접촉에 의해, 서로 연관된 표면 슬라이딩 사이에 마찰 및/또는 접착력에 기인하여 발생한다.

연장된 수명을 갖는 새로운 드릴링 부품을 개발하는 것이 바람직할 것이다.

본 개시는 스피노달-경화 (spinodally-hardened) 구리-니켈-주석 합금을 포함하는 드릴링 부품에 관한 것이다. 상기 부품은 강도 (예를 들어, 인장, 압축, 전단, 및 피로), 연성, 고 변형률 파괴 인성, 골링 보호 (galling protection), 투자율 (magnetic permeability), 및 염화물 응력 부식 균열 (stress corrosion cracking)에 대한 내성을 포함하는 특유의 특성의 조합을 제공한다. 이것은 시추정 드릴링 작동 동안 기계적인 기능성을 제공하면서 드릴 스트링 부품에 파괴적인 손상의 발생을 지연시킨다. 이것은 또한 이러한 부품의 유용한 사용 수명을 연장하여, 석유 및 가스 정을 드릴링하고 완성하기 위해 사용된 장비의 비용을 상당히 감소시킨다.

구체 예에서 스피노달-경화 구리-니켈-주석 합금을 포함하는 드릴링 부품은 개시된다.

상기 구리-니켈-주석 합금은 약 8 내지 약 20 wt% 니켈, 및 약 5 내지 약 11 wt% 주석을 함유할 수 있고, 나머지 밸러스는 구리이다. 좀 더 특정 구체 예에서, 상기 구리-니켈-주석 합금은 약 14.5 wt% 내지 약 15.5 wt% 니켈, 및 약 7.5 wt% 내지 약 8.5% 주석을 포함하고, 나머지 밸러스는 구리이다.

상기 드릴링 부품은 드릴 스템 (drill stem), 툴 조인트 (tool joint), 드릴 칼라 (drill collar), 또는 드릴 파이프 (drill pipe)일 수 있다.

몇몇 구체 예에서, 상기 드릴링 부품은 냉간 가공되고, 그 다음 재가열되어 미세구조의 스피노달 분해 (spinodal decomposition)에 영향을 미친다.

상기 드릴링 부품은 적어도 약 4인치의 외부 직경을 가질 수 있다. 상기 드릴링 부품은 60인치 이하의 길이를 가질 수 있다. 상기 드릴링 부품은 일반적으로 부품의 제1 말단으로부터 제2 말단으로 부품을 통하여 통과하는 구경 (bore)을 갖는다. 상기 구경은 약 2인치 이상의 직경을 가질 수 있다. 상기 부품의 측벽은 약 1.5 인치 이상의 두께를 가질 수 있다.

몇몇 구체 예에서, 상기 드릴링 부품은 주 몸체의 제1 말단에서 연장하는 수 커넥터 (male connector) 및 상기 주 몸체의 제2 말단으로 연장하는 암 커넥터를 갖는다. 다른 구체 예에서, 상기 드릴링 부품은 주 몸체의 제1 말단으로부터 연장하는 수 커넥터 및 상기 주 몸체의 제2 말단으로부터 연장하는 수 커넥터를 갖는다. 또 다른 구체 예에서, 상기 드릴링 부품은 주 몸체의 제1 말단으로 연장하는 암 커넥터 및 상기 주 몸체의 제2 말단으로 연장하는 암 커넥터를 갖는다.

상기 드릴링 부품은 실온에서 적어도 120 ksi의 0.2% 오프셋 항복강도 (offset yield strength) 및 적어도 12 ft-lbs의 샤르피 V-노치 충격 에너지 (Charpy v-notch impact energy)를 가질 수 있다. 다른 구체 예에서, 상기 드릴링 부품은 실온에서 적어도 102 ksi의 0.2% 오프셋 항복강도 및 적어도 17 ft-lbs의 샤르피 V-노치 충격 에너지를 갖는다. 또 다른 구체 예에서, 상기 드릴링 부품은 실온에서 적어도 95 ksi의 0.2% 오프셋 항복강도 및 적어도 22 ft-lbs의 샤르피 V-노치 충격 에너지를 갖는다.

선택적으로, 상기 드릴링 부품은 적어도 160 ksi의 최종 인장 강도, 적어도 150 ksi의 0.2% 오프셋 항복강도, 및 적어도 3%의 파단 신율을 가질 수 있다. 다른 구체 예에서, 상기 드릴링 부품은 적어도 120 ksi의 최종 인장강도, 적어도 110 ksi의 0.2% 오프셋 항복강도, 및 적어도 15%의 파단 신율을 가질 수 있다. 여전히 다른 구체 예에서, 상기 드릴링 부품은 적어도 106 ksi의 최종 인장강도, 적어도 95 ksi의 0.2% 오프셋 항복강도, 및 적어도 18%의 파단 신율을 갖는다.

특정 구체 예에서, 상기 드릴링 부품은 적어도 100 ksi의 최종 인장강도, 적어도 85 ksi의 0.2% 오프셋 항복강도, 및 적어도 10%의 파단 신율을 갖는다. 상기 드릴링 부품은 또한 적어도 10 ft-lbs의 샤르피 V-노치 충격강도를 가질 수 있다.

다른 구체 예에서, 스피노달-경화 구리-니켈-주석 합금을 포함하는 드릴 스템 (drill stem)은 개시된다. 상기 구리-니켈-주석 합금은 약 8 내지 약 20 wt% 니켈, 약 5 내지 약 11 wt% 주석, 및 밸런스로서 구리를 함유할 수 있다.

또 다른 구체 예에서, 제1 부품, 및 제2 부품, 및 드릴 스트링 부품 (drill string component)을 포함하는 드릴 스트링은 개시된다. 상기 드릴 스트링 부품은 제1 부품과 제2 부품 사이에 위치된다. 상기 드릴 스트링 부품은 스피노달-경화 구리-니켈-주석 합금을 포함한다. 구경은 제1 부품, 드릴 스트링 부품, 및 제2 부품을 통해 연장한다.

본 개시의 이들 및 다른 비-제한 특징은 이하 좀 더 상세하게 기재된다.

하기 도면의 간단한 설명은 여기에 개시된 대표적인 구체 예를 예시하지만, 이를 제한하지 않는 목적을 위해 제공된다.
도 1은 본 개시의 드릴 스트링의 제1 구체 예의 부분의 단면도이다.
도 2는 본 개시의 드릴 스트링의 제2 구체 예의 부분의 단면도이다.
도 3은 본 개시의 드릴 스트링의 제3 구체 예의 부분의 단면도이다.

여기에 개시된 부품, 공정 및 장치의 좀 더 완벽한 이해는 첨부된 도면을 참고하여 얻어질 수 있다. 이들 도면은 본 개시를 입증하는 편리성 및 용이성에 기초한 단지 개략적인 표현이며, 따라서, 장치 또는 이의 부품의 상대적 크기 및 치수를 나타내도록 의도되지 않고, 및/또는 대표적인 구체 예의 범주를 한정하거나 또는 제한하도록 의도되지 않는다.

비록 특정 용어가 명확성을 위해 하기 상세한 설명에 사용되었을지라도, 이들 용어는, 도들에서 예시를 위해 선택된 구체 예의 특정 구조를 오직 나타내는 것으로 의도된 것이지, 본 개시의 범주를 한정하거나 제한하는 것으로 의도된 것은 아니다. 도면 및 하기 상세한 설명에서, 같은 참조 번호는 같이 기능의 부품을 나타내는 것으로 이해될 것이다.

용어들의 "단수"는, 특별한 언급이 없는 한, 적어도 하나 또는 하나 이상을 의미한다.

본 명세서 및 청구항에 사용된 바와 같은, 용어 "포함하는"은 "이루어진" 및 "필수적으로 이루어진" 구체 예를 포괄한다. 여기에 사용된 바와 같은, 용어 "포함하는", "포괄하는", "구비한", "갖는", "할 수 있는", "함유하는", 및 이의 변형은, 명명된 성분/단계들의 존재를 요구하고, 다른 성분/단계들의 존재를 허용하는, 개-방 전환 문구, 용어, 또는 단어인 것으로 의도된다. 그러나, 이러한 묘사는, 다른 성분/단계들을 배제하면서, 이로부터 결과할 수 있는 어떤 불순물과 함께, 명명된 성분/단계들의 존재를 가능하게 하는, 열거된 성분/단계들로 "이루어지고" 및 "필수적으로 이루어진" 조성물 또는 공정들 또한 묘사하는 것으로 해석되어야 한다.

본 출원의 명세서 및 청구항에서 수치 값은, 동일한 수의 유효 숫자로 감소된 경우 동일한 수치 값 및 값을 결정하기 위해 본 출원에 기재된 타입의 종래의 측정 기술의 실험적인 오차 미만으로 상태 값 (stated value)과 다른 수치 값을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

여기에 개시된 모든 범위는 인용된 말단 값 및 독립적으로 결합 가능한 것의 포함이다 (예를 들어, "2 grams 내지 10 grams"의 범위는 말단 값인, 2 grams 및 10 grams, 및 모든 중간 값의 포함이다).

"약" 및 "실질적으로"와 같은 용어들에 의해 변형된 값은, 특정된 정확한 값으로 제한되지 않는다. 근사치인 표현은 값을 측정하기 위한 도구의 정확도에 상응할 수 있다. 한정어 "약"은 또한 두 말단 점의 절대 값에 의해 한정된 범위를 묘사하는 것으로 해석되어야 한다. 예를 들어, 표현 "약 2 내지 약 4"는 또한 범위 "2 내지 4"를 개시한다.

본 개시는 스피노달 강화 구리-계 합금으로부터 만들어진 드릴링 부품에 관한 것이다. 본 개시의 구리 합금은 강도, 연성, 고 변형률 파괴 인성, 골링 보호, 투과율, 및 염화물 응력 부식 균열에 대한 내성의 조합을 갖는 구리-니켈-주석 합금이다. 이것은, 충격 하중을 지탱하는데 필요한 드릴 스트링의 외부 부품으로 사용된 것을 포함하여, 드릴링 부품을 만드는데 이들의 사용을 가능하게 한다. 이러한 드릴링 부품은, 드릴 스템, 툴 조인트, 드릴 칼라, 또는 드릴 파이프를 포함할 수 있다. 드릴 스템은 드릴 파이프에 공저장비 (bottomhole assembly)와 연결하는 관의 마지막 부분이다. 툴 조인트는 개별 드릴 파이프를 함께 결합을 가능하게 하는 컨넥터를 제공하기 위해 드릴 파이프의 말단에 사용된 부품이다. 툴 조인트는 일반적으로 파이프로부터 개별적으로 제작되고, 제작 후 드릴 파이프 상에 용접된다. 드릴 칼라는 드릴용 비트에 중량을 제공하는데 사용된 드릴 스트링의 부품이다. 상기 드릴 칼라는 두꺼운 측벽을 갖는 관형 부분이다. 드릴 파이프는, 두꺼운 측벽을 갖는 중공 관이고, 시추정의 드릴링을 용이하게 하는데 사용된다. 드릴 파이프는 긴 거리에 걸쳐 자신의 중량을 지지하도록 설계된다.

도 1은 제1 부품 (110), 제2 부품 (120), 및 상기 제1 부품 (110)과 제2 부품 (120)을 서로 연결하는 드릴 스트링 부품 (130)을 포함하는 드릴 스트링 (100)의 일부를 예시하는 개략도이다. 제1 부품 (110)은 드릴 스트링 부품 (130)의 상보적인 오목부 (134) 또는 암 커넥터에 수신된 수 커넥터 (112)를 포함한다. 상기 수 커넥터 (112) 및 오목부 (134)은 일반적으로 나사산이 있다. 드릴 스트링 부품 (130)의 수 커넥터 (132)는 제2 부품 (120)의 상보적인 오목부 또는 암 커넥터 (124)에 수신된다. 다시, 상기 수 커넥터 (132) 및 오목부 (124)는 일반적으로 나사산이 있다. 각 부품 (110, 120, 130)은 그들을 통해 축 방향으로 이어지는, 구경 (115, 125, 135)을 포함한다. 드릴 스트링 부품 (130)에 대해, 상기 구경은 주 몸체 (138)를 통과하여 통하고, 상기 부품의 제1 말단 (137)으로부터 제2 말단 (139)으로 이어진다. 이 구체 예에서, 상기 드릴 스트링 부품은 상기 부품의 대립 말단 상에 하나의 수 커넥터 및 하나의 암 커넥터를 포함한다. 상기 수 커넥터 (132)는 주 몸체 (138)로부터 연장하고, 상기 암 커넥터 (134)는 주 몸체 (138)로 연장한다.

도 2는 제1 부품 (210), 제2 부품 (220), 및 상기 제1 부품 (210)과 제2 부품 (220)을 함께 연결하는 드릴 스트링 부품 (230)을 포함하는 드릴 스트링 (200)의 일부를 예시하는 개략도이다. 상기 제1 부품 (210)은 드릴 스트링 부품 (230)의 제1 상보적인 오목부 (234) 또는 암 커넥터에 수신되는 수 커넥터 (212)를 포함한다. 상기 수 커넥터 (212) 및 오목부 (234)는 일반적으로 나사산이 있다. 상기 제2 부품 (220)의 수 커넥터 (222)는 드릴 스트링 부품 (230)의 제2 상보적인 오목부 또는 암 커넥터 (236)에 수신된다. 다시, 수 커넥터 (222) 및 오목부 (236)은 일반적으로 나사산이 있다. 각 부품 (210, 220, 230)은 이를 통해 축 방향으로 이어지는 구경 (215, 225, 235)을 포함한다. 드릴 스트링 부품 (230)에 대하여, 상기 구경은 주 몸체 (238)을 통해 통과하고, 상기 부품의 제1 말단 (237)으로부터 제2 말단 (239)으로 이어진다. 이러한 구체 예에서, 상기 드릴 스트링 부품은 상기 부품의 대립 말단 상에 위치된 두 개의 암 커넥터를 포함한다. 상기 암 커넥터 (234)는 주 몸체 (238)로 연장한다.

도 3은 제1 부품 (310), 제2 부품 (320), 및 상기 제1 부품 (310)과 제2 부품 (320)을 함께 연결하는 드릴 스트링 부품 (330)을 포함하는 드릴 스트링 9300)의 일부를 예시하는 개략도이다. 상기 제1 부품 (310)은 드릴 스트링 부품 (330)의 제1 수 커넥터 (332)를 수신하는 암 커넥터 (314)를 포함한다. 수 커넥터 (332) 및 오목부 (314)은 일반적으로 나사산이 있다. 상기 드릴 스트링 부품 (330)의 제2 수 커넥터 (333)는 상기 드릴 스트링 부품 (330)의 상보적인 오목부 또는 암 커넥터 (324)에 수신된다. 다시, 상기 수 커넥터 (333) 및 오목부 (324)는 일반적으로 나사산이 있다. 각 부품 (310, 320, 330)은 이를 통해 축 방향으로 이어지는 구경 (315, 325, 335)을 포함한다. 드릴 스트링 부품 (330)에 대하여, 상기 구경은 주 몸체 (338)을 통해 통과하고, 상기 부품의 제1 말단 (337)으로부터 제2 말단 (339)로 이어진다. 이 구체 예에서, 상기 드릴 스트링 부품은 상기 부품의 대립 말단에 위치된 두 개의 수 커넥터를 포함한다. 상기 수 커넥터 (332)는 주 몸체 (338)로부터 연장하고, 상기 암 커넥터 (314)는 주 몸체 (338)로 연장한다.

모든 구체 예에 적용 가능하지만 도 3을 참조하면, 상기 드릴 스트링 (100, 200, 300)은 실린더형 또는 일반 실린더형일 수 있고, 적어도 약 4인치의 외부 직경 (344)을 가질 수 있다. 상기 드릴 스트링 부품 (130, 230, 330)은 60인치 이하의 길이 (348)를 가질 수 있다. 구경 (335)를 감싸는 측벽은 약 1.5 인치 이상의 두께 (342)를 갖는다. 상기 구경 (335)은 약 2인치 이상의 직경 (346)을 갖는다.

일반적으로, 상기 드릴링 부품을 형성하기 위해 사용된 구리 합금은 미세구조의 스피노달 분해에 영향을 미치도록 재가열 전에 냉간 가공된다. 냉간 가공은 소성 변형 (plastic deformation)에 의해 금속의 형상 또는 크기를 기계적으로 변경시키는 공정이다. 이것은 금속 또는 합금의 롤링, 인발, 프레싱, 스피닝, 압출 또는 헤딩 (heading)에 의해 수행될 수 있다. 금속이 소성 변형된 경우, 원자의 전위 (dislocations)는 물질 내에서 발생한다. 특히, 전위는 금속의 입자 내에 또는 가로질러 발생한다. 상기 전위는 서로 중첩되고, 물질 내에 전위 밀도는 증가한다. 중첩 전위에서 증가는 더 다른 또 다른 전위의 이동을 만든다. 이것은 일반적으로 연성을 감소시키고, 합금의 특징에 영향을 주면서 최종 합금의 경도 및 인장 강도를 증가시킨다. 냉간 가공은 또한 합금의 표면 상태를 개선시킨다. 기계적인 냉간 가공은 일반적으로 합금의 재결정점 아래의 온도에서 수행되고, 일반적으로 실온에서 수행된다.

스피노달 노화/분해는 다수의 부품이 다른 화학적 조성물 및 물리적 특성을 갖는 구별되는 영역 또는 미세구조로 분리될 수 있는 메커니즘이다. 특히, 상 다이어그램의 중심 영역에 벌크 조성물을 갖는 결정은 용리 (exsolution)를 겪는다. 본 개시의 합금의 표면에서 스피노달 분해는 표면 경화 (surface hardening)를 결과한다.

스피노달 합금 구조는, 본래 상 (original phases)이 상승 온도에서 도달된 혼화성 갭 (miscibility gap)이라고 하는 특정한 온도 및 조성물 하에서 분리된 경우, 생성된 균일한 두 개의 상 혼합물로 구성된다. 상기 합금 상은 결정 구조가 동일하게 유지되지만 상기 구조 내에 원자가 변형되고 크기가 유사하게 유지되는 다른 상으로 자발적으로 분해된다. 스피노달 경화는 기본 금속의 항복강도를 증가시키고, 조성물 및 미세구조의 높은 균일도를 포함한다.

대부분 경우에서, 스피노달 합금은 혼화성 갭으로 불리는 이들의 상 다이어그램에서 이상 (anomaly)을 나타낸다. 상기 혼화성 갭의 상대적으로 좁은 온도 범위 내에서, 원자 순서 (atomic ordering)는 존재하는 결정 격자 구조 내에서 일어난다. 최종 두-상 구조는 상기 갭을 상당히 밑도는 온도에서 안정하다.

여기에 활용된 구리-니켈-주석 합금은 일반적으로 약 9.0 wt% 내지 약 15.5 wt% 니켈, 및 약 6.0 wt% 내지 약 9.0 wt% 주석을 포함하고, 나머지 밸런스는 구리이다. 이 합금은 다양한 산업적 및 상업적 적용에 사용될 수 있는 높은 항복강도 제품으로 더욱 쉽게 형성되고 경화될 수 있다. 이 고성능 합금은 구리-베릴륨 합금과 유사한 특성을 제공하도록 설계된다.

좀 더 구체적으로, 본 개시의 구리-니켈-주석 합금은 약 9 wt% 내지 약 15 wt% 니켈 및 약 6 wt% 내지 약 9 wt% 주석을 포함하고, 나머지 밸런스는 구리이다. 좀 더 특정 구체 예에서, 상기 구리-니켈-주석 합금은 약 14.5 wt% 내지 약 15.5% 니켈, 및 약 7.5 wt% 내지 약 8.5 wt% 주석을 포함하고, 나머지 밸런스는 구리이다.

3원 구리-니켈-주석 스피노달 합금은 고강도, 우수한 마찰학 특징, 및 해수 및 산 환경에서 높은 내식성 (corrosion resistance)과 같은 특성의 유리한 조합을 나타낸다. 기본 금속의 항복강도에서 증가는 구리-니켈-주석 합금에서 스피노달 분해로부터 결과할 수 있다.

상기 구리 합금은 베릴륨, 니켈, 및/또는 코발트를 포함할 수 있다. 몇몇 구체 예에서, 상기 구리 합금은 약 1 내지 약 5 wt% 베릴륨을 함유하고, 코발트 및 니켈의 합은 약 0.7 내지 약 6 wt%의 범위이다. 특정 구체 예에서, 상기 합금은 약 2 wt% 베릴륨 및 약 0.3 wt% 코발트 및 니켈을 포함한다. 다른 구리 합금 구체 예는 대략 5 내지 7 wt%의 베릴륨의 범위를 함유할 수 있다.

몇몇 구체 예에서, 상기 구리 합금은 크롬을 함유한다. 상기 크롬은, 약 0.5 wt% 내지 약 2.0 wt% 또는 약 0.6 wt% 내지 약 1.2 wt%의 크롬을 포함하는, 상기 합금의 약 5 wt% 미만의 양으로 존재할 수 있다.

몇몇 구체 예에서, 상기 구리 합금은 실리콘을 함유한다. 상기 실리콘은, 약 1.0 wt% 내지 약 3.0 wt% 또는 약 1.5 wt% 내지 약 2.5 wt%의 실리콘을 포함하는, 5 wt% 미만의 양으로 존재할 수 있다.

본 개시의 합금은 선택적으로 소량의 첨가제 (예를 들어, 철, 마그네슘, 망간, 몰리브덴, 니오븀, 탄탈륨, 바나듐, 지르코늄, 및 이의 혼합물)를 함유한다. 상기 첨가제는 1 wt%까지, 적합하게는 0.5 wt%까지의 양으로 존재할 수 있다. 더군다나, 소량의 자연 불순물은 존재할 수 있다. 소량의 다른 첨가제는 알루미늄 및 아연과 같이 존재할 수 있다. 부가적인 원소의 존재는 최종 합금의 강도를 더욱 증가시키는 효과를 얻을 수 있다.

몇몇 구체 예에서, 약간의 마그네슘은 합금의 산소 함량을 감소시키기 위해 초기 합금의 형성 동안 첨가된다. 산화마그네슘은 합금 질량으로부터 제거될 수 있게 형성된다.

본 개시의 드릴링 부품을 제조하기 위해 사용된 합금은 하기 표 1에 나타낸 바와 같은 0.2% 오프셋 항복강도 및 실온 샤르피 V-노치 충격 에너지의 조합을 가질 수 있다. 이들 조합은 본 개시의 구리 합금에 따라 다르다. 이들 측정을 만드는데 사용된 시험 샘플은 세로 방향으로 배향된다. 열거된 값은 최소 값 (즉, 적어도 열거된 값)이고, 바람직한 오프셋 항복강도 및 샤르피 V-노치 충격 에너지 값은 여기서 열거된 조합을 초과한다. 또 다른 방식에서, 상기 합금은 여기에 열거된 값 이상인 0.2% 오프셋 항복강도 및 실온 샤르피 V-노치 충격 에너지의 조합을 갖는다.

0.2% 오프셋 항복강도 (ksi)	실온 샤르피 V-노치 충격에너지 (ft-lbs)	바람직한 실온 샤르피 V-노치 충격에너지 (ft-lbs)
120	12	15
102	17	20
95	22	30

표 2는 드릴링 부품에 사용하기 위한 본 개시에 대해 적절한 구리-계 합금의 하나의 대표 구체 예의 특성을 제공한다.

	0.2% 오프셋 항복강도 (ksi)	최종 인장강도 (ksi)	파단 신율 (%)	샤르피 V-노치 충격에너지 (ft-lbs)
평균	161	169	6	N/A
최소	150	160	3	N/A

표 3은 드릴링 부품에 사용하기에 적절한 또 다른 구리-계 합금에 대한 특성을 제공한다.

	0.2% 오프셋 항복강도 (ksi)	최종 인장강도 (ksi)	파단 신율 (%)	샤르피 V-노치 충격에너지 (ft-lbs)
평균	118	127	19	18
최소	110	120	15	12(15)

표 4는 드릴링 부품에 사용하기에 적절한 또 다른 구리-계 합금에 대한 특성을 제공한다.

	0.2% 오프셋 항복강도 (ksi)	최종 인장강도 (ksi)	파단 신율 (%)	샤르피 V-노치 충격에너지 (ft-lbs)
평균	105	115	22	60
최소	95	106	18	30(24)

본 개시의 드릴링 부품은 기술분야의 캐스팅 및/또는 몰딩 기술을 사용하여 만들어질 수 있다. 바람직하게는, 상기 드릴링 부품은, 상기 드릴링 부품을 만드는데 사용된 물질에 대한 최소 항복강도, 인장 강도, 및 파단 신율 값을 구체화하는, 비-자성 드릴 스트링 부품에 대한 (2012년 12월 재확인된) API 사양 7의 요구조건을 준수한다. 어떤 값을 갖는 드릴링 부품에 대한 기준은 드릴링 부품이 만들어진 물질과 관련 있는 것으로 해석되어야 한다.

좀 더 구체적으로, 몇몇 구체 예에서, 상기 구리-계 합금은 적어도 100 ksi의 0.2% 오프셋 항복강도, 적어도 110 ksi의 최종 인장강도 및 적어도 20%의 파단 신율을 갖는다. 다른 구체 예에서, 상기 구리-계 합금은 적어도 100 ksi의 0.2% 오프셋 항복강도, 적어도 120 ksi의 최종 인장강도, 및 적어도 18%의 파단 신율을 갖는다. 부가적인 구체 예에서, 상기 구리-계 합금은 적어도 110 ksi의 0.2% 오프셋 항복강도, 적어도 120 ksi의 최종 인장강도, 및 적어도 18%의 파단 신율을 갖는다.

드릴링 시스템의 부품에 손상을 방지 또는 지연시켜, 상기 부품의 유용한 수명은 연장되고, 이에 의해 정 (wells)을 드릴링 및 완성하는데 사용된 장비의 비용을 절감한다.

하기 실시 예는 본 개시의 합금, 제품, 공정, 및 특성을 예시한다. 본 실시 예들은 단지 예시적인 것으로, 그 안에 서술된 물질, 조건, 또는 공정 파라미터로 본 개시를 제한하는 것으로 의도되지 않는다.

실시 예

네 부분은 34인치의 길이로 톱으로 잘라진다. 이들 네 부분은 A1A3, A1A4, A2A3, 및 A2A4로 지명된다. 각 부분은 그 다음 절반으로 절단되고, 문자 A 또는 B는 상기 부분의 제공된 섹션을 나타내도록 상기 지명에 부가된다, 즉, A1A3A 및 A1A3B. 그 다음, 각 섹션은 5.25 인치의 직경으로 냉간 가공되고, 그 다음 5.00 인치의 외부 직경으로 기계 가공된다. 상기 섹션은 그 다음 3시간 동안 520℉에서 노화된다 (aging). 노화가 수행된 오븐의 크기에 기인하여, 상기 섹션은 두 개의 다른 하중으로 분리된다. 모든 A 섹션은 함께 노화되고, 모든 B 섹션도 함께 노화된다.

그 다음, 각 섹션에 대해, 두 샘플은 인장 시험을 위해 선택되고, 세 개의 샘플을 샤르피 시험을 위해 선택된다. 각 섹션은 원형 표면을 갖는다.

A 섹션에 대해, 두 개의 인장 샘플은 2T 및 3T로 지명된다. 상기 샘플은 바깥쪽 표면으로부터 1인치 반경에서 중심에 있는, 0.75-인치 정사각형의 형태로 취해진다. 하나의 샘플은 원형 표면의 북쪽 말단에서 취해지고, 다른 샘플은 원형 표면의 남쪽 말단에서 취해진다. 이들 샘플은 바깥쪽 표면으로부터 1인치 반경에서 중심에 있는, 0.5-인치 정사각형의 형태로 취해진다. 2C 샘플은 2T 샘플 바로 옆에서 취해지고, 3C1 샘플은 원형 표면의 동쪽 말단에서 취해지며, 3C2 샘플은 3T 샘플 바로 옆에서 취해진다.

B 섹션에 대해, 동일한 다섯 개 샘플은, 이들이 바깥쪽 표면으로부터 반경 1.5 인치에서 중심에 있는 것을 제외하고, 취해진다.

인장 데이터 및 샤르피 시험 데이터는 다양한 섹션에 대해 표 5 및 6에 보고된다.

	인장 데이터					샤르피 V-노치 충격에너지 (ft-lbs)
부분	샘플	인장강도 (ksi)	0.2% 오프셋 항복강도 (ksi)	파단 신율 (%)	단면 수축 (%)	2C	3C1	3C2
A1A3A	2T	107.9	92.4	23.68	36.02	20	19	25
A1A3A	3T	112.3	98.7	21.74	32.23
A1A4A	2T	112.4	99.4	15.41	43.32	26	23	32
A1A4A	3T	108.5	95.8	20.08	43.49
A2A3A	2T	114.2	103.5	17.79	45.8	24	17	23
A2A3A	3T	116.5	105.7	15.85	43.73
A2A4A	2T	108	94.1	21.69	37.16	18	32	24
A2A4A	3T	108.6	95.1	20.7	44.09

	인장 데이터					샤르피 V-노치 충격에너지 (ft-lbs)
부분	샘플	인장강도 (ksi)	0.2% 오프셋 항복강도 (ksi)	파단 신율 (%)	단면 수축 (%)	2C	3C1	3C2
A1A3B	2T	106.4	92.9	23.39	40.63	21	22	22
A1A3B	3T	106.3	92	25.62	36.66
A1A4B	2T	102.8	88.2	21.43	39.67	14	40	16
A1A4B	3T	107.6	95.2	21.4	45.1
A2A3B	2T	113.6	102.4	18.57	46.56	14	21	13
A2A3B	3T	117	104.3	20.38	41.47
A2A4B	2T	112	101.9	13.7	41.66	18	22	14
A2A4B	3T	110	97.2	21.15	44.34

인장 강도는 102로부터 117 ksi으로 변화된다. 상기 항복강도는 88로부터 106 ksi로 변화된다. 상기 파단 신율은 13%로부터 26%로 변화된다. 상기 샤르피 충격 강도는 13로부터 40 ft-lbs로 변화된다.

네 개의 부가적인 부분은 B13, B14, B23, 및 B24로 지명된다. 각 부분은 그 다음 절반으로 절단되고, 문자 A 또는 B는 상기 부분의 제공된 섹션을 나타내도록 지명에 부가된다, 즉, B13A 및 B13B. 샘플은 각 섹션이 7.12 인치의 직경으로 냉간 가공되고, 그 다음 6.87 인치의 외부 직경으로 기계 가공된 것을 제외하고는, 전술된 바와 같이 취해진다. 다시, A 섹션에 대해, 샘플은 바깥쪽 표면으로부터 1인치 반경에 중심이 있다. B 섹션에 대해, 상기 샘플은 바깥쪽 표면으로부터 1.5 인치 반경에 중심이 있다.

인장 데이터 및 샤르피 시험 데이터는 다양한 섹션에 대해 표 7 및 8에 보고된다.

	인장 데이터					샤르피 V-노치 충격에너지 (ft-lbs)
부분	샘플	인장강도 (ksi)	0.2% 오프셋 항복강도 (ksi)	파단 신율 (%)	단면 수축 (%)	2C	3C1	3C2
B13A	2T	111.8	99.3	19.02	39.67
B13A	3T	119.3	109.1	10.66	34.75
B14A	2T	113.2	100.4	20.76	37.45	16	19	15
B14A	3T	113.4	101.9	20.06	38.73
B23A	2T	126.8	116.6	12.49	31.09		10	11
B23A	3T	114.6	103.8	16.51	37.1
B24A*	2T	115.7	104.8	16.84	36.68	12	10	14
B24A	3T	119.7	108.3	14.6	31.95

* 두 개의 샤르피 표본은 선택되고 평균을 낸다.

	인장 데이터					샤르피 V-노치 충격에너지 (ft-lbs)
부분	샘플	인장강도 (ksi)	0.2% 오프셋 항복강도 (ksi)	파단 신율 (%)	단면 수축 (%)	2C	3C1	3C2
B13B	2T	102.9	88.8	22.95	42.78	27	25	25
B13B	3T	110.1	97	21.48	39.29
B14B	2T	106.9	94.1	22.15	40.13	24	33	29
B14B	3T	103.6	88.3	22.88	42.44
B23B	2T	115.8	104.3	17.3	33.06	19	16	16
B23B	3T	112.7	102	16.36	36.64
B24B	2T	118	107.2	15.8	34.34	20	17	19
B24B	3T	118.5	106.4	16.3	33.86

인장 강도는 102로부터 127 ksi로 변화된다. 상기 항복강도는 88로부터 117 ksi로 변화된다. 상기 파단신율은 10%로부터 23%로 변화된다. 상기 샤르피 충격 강도는 10으로부터 33 ft-lbs로 변화된다. 표 7에서, 샘플 B14A/2T 및 B14A/3T는 사양 7의 요구조건에 일치하는 점에 주목된다. 요약하면, 표 5 내지 8의 실시 예는 100 ksi의 최소 인장 강도, 85 ksi의 최소 0.2% 오프셋 항복강도, 및 10%의 최소 파단 신율을 갖는다. 이들은 또한 10 ft-lbs의 최소 샤르피 V-노치 충격강도를 갖는다.

본 개시의 변형 및 다른 특색 및 기능, 또는 이의 대체가, 많은 다른 시스템 또는 적용에 조합될 수 있다는 점은 인식될 것이다. 그 내부에서 다양하게 제시되는 예측하지 못하거나 또는 기대하지 않은 대체, 변경, 변화 또는 개선은, 기술분야의 당업자에게 나중에 만들어질 것이고, 또한 하기 청구항에 의해 포괄되는 것으로 의도된다.

Claims

드릴링 부품으로서,
스피노달-경화 구리-니켈-주석 합금을 포함하며,
여기서, 상기 드릴링 부품은 드릴 스트링용 외부 부품이며,
여기서, 상기 스피노달-경화 구리-니켈-주석 합금은 8 내지 20 wt% 니켈, 및 5 내지 11 wt% 주석을 포함하고, 나머지 밸런스는 구리이며,
여기서, 상기 드릴링 부품은 적어도 160 ksi의 최종 인장 강도, 적어도 18%의 파단 신율, 적어도 95 ksi의 0.2% 오프셋 항복강도, 및 적어도 22 ft-lbs의 샤르피 V-노치 충격강도를 갖는, 드릴링 부품.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 스피노달-경화 구리-니켈-주석 합금은 14.5 wt% 내지 15.5 wt% 니켈, 및 7.5 wt% 내지 8.5% 주석을 포함하고, 나머지 밸런스는 구리인 드릴링 부품.
청구항 1에 있어서,
상기 드릴링 부품은 냉간 가공되고 그 다음 재가열되는 드릴링 부품.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 드릴링 부품은 드릴 스템, 툴 조인트, 드릴 칼라, 또는 드릴 파이프인 드릴링 부품.
청구항 1에 있어서,
상기 드릴링 부품은, 적어도 4 inches의 외부 직경을 갖는 드릴링 부품.
청구항 1에 있어서,
상기 드릴링 부품은, 60 inches 이하의 길이를 갖는 드릴링 부품.
청구항 1에 있어서,
상기 드릴링 부품은, 상기 부품의 제1 말단으로부터 제2 말단까지 상기 부품을 관통하는 구경을 갖는 드릴링 부품.
청구항 9에 있어서,
상기 구경은 2 inches 이상의 직경을 갖는 드릴링 부품.
청구항 9에 있어서,
상기 부품의 측벽은 1.5 inches 이상의 두께를 갖는 드릴링 부품.
청구항 1에 있어서,
상기 드릴링 부품은, 주 몸체의 제1 말단으로부터 연장하는 수 커넥터 및 상기 주 몸체의 제2 말단으로 연장하는 암 커넥터를 갖는 드릴링 부품.
청구항 1에 있어서,
상기 드릴링 부품은, 주 몸체의 제1 말단으로부터 연장하는 수 커넥터 및 상기 주 몸체의 제2 말단으로부터 연장하는 수 커넥터를 갖는 드릴링 부품.
청구항 1에 있어서,
상기 드릴링 부품은, 주 몸체의 제1 말단으로 연장하는 암 커넥터 및 상기 주 몸체의 제2 말단으로 연장하는 암 커넥터를 갖는 드릴링 부품.
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
제1 부품;
제2 부품; 및
스피노달-경화 구리-니켈-주석 합금을 포함하는 드릴링 스트링 부품을 포함하고;
여기서, 상기 드릴링 스트링 부품은 상기 제1 부품 및 제2 부품을 연결하고; 및
여기서, 구경은, 상기 제1 부품, 제2 부품, 및 드릴링 스트링 부품을 통해 연장하며,
여기서, 상기 스피노달-경화 구리-니켈-주석 합금은 8 내지 20 wt% 니켈, 및 5 내지 11 wt% 주석을 포함하고, 나머지 밸런스는 구리이며,
여기서, 상기 드릴링 스트링 부품은 적어도 160 ksi의 최종 인장 강도, 적어도 18%의 파단 신율, 적어도 95 ksi의 0.2% 오프셋 항복강도, 및 적어도 22 ft-lbs의 샤르피 V-노치 충격강도를 갖는, 드릴링 스트링.