Труба для использования совместно с глубоко пробуренной скважиной
Изобретение относится к трубам для использования совместно с глубоко пробуренной скважиной. Буровая труба для скважины глубокого бурения содержит легкую металлическую трубу, изготовленную из алюминиевого сплава, имеющую секции с разными по толщине стенками в продольном направлении трубы, и соответствующую муфту на каждом конце для подсоединения трубы к последующей трубе, причём легкая металлическая труба изготовлена из алюминиевого сплава, содержащего, мас.%: 2,0-5,0 Cu, 0,2-1,0 Mg, 0,8-2,0 Li, макс. 0,15 Si, макс. 0,15 Fe, макс. 0,5 Mn, макс. 1,0 Zn, макс. 0,1 Ti, макс. 0,5 Ag, а также необязательно один или несколько следующих элементов, мас.%: макс. 0,2 Cr, макс. 0,2 Zr, макс. 0,2 Sc, макс. 0,2 Hf, макс. 0,2 V, остальное Al и неизбежные примеси, причём общая сумма элементов Cr, Zr, Sc, Hf и V не превышает 0,3 мас.%. Способ изготовления легкой металлической трубы включает формирование алюминиевой трубы из алюминиевого сплава указанного состава с использованием процесса экструзии и последующего отжига на твердый раствор, вытяжку трубы по всей ее длине, пока секция или секции с наименьшей толщиной стенок не будут вытянуты по меньшей мере на 2-2,5%, после чего трубу подвергают искусственному старению при температуре 164-180°C. Изобретение направлено на повышение прочностных характеристик буровой трубы. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 2 табл., 4 ил.
Изобретение относится к трубе для использования совместно с глубоко пробуренной скважиной, содержащей легкую металлическую трубу, изготовленную из сплава Al, имеющую секции с разной по толщине стенкаи, расположенные в продольном направлении трубы, и соответствующий элемент муфты на каждом конце для подсоединения трубы к последующей трубе. Изобретение также относится к способу изготовления легкой металлической трубы для такой трубы.
В глубоких пробуренных скважинах такие трубы, например, – это буровые трубы для формирования сборки буровой штанги, например, для разведки и добычи нефти и газа. Такие трубы могут также использоваться для формирования стояка и/или обсадной трубы скважины. Такие трубы также используются для глубоко пробуренных скважин, которые служат другим целям, таким как отвод воды или регенерации тепла. Для осуществления бурения требуется множество таких труб, спроектированных как буровые трубы, каждая из которых имеет элементы муфт на концах. Эти элементы муфты труб или являются отдельными компонентами, которые подсоединены к трубе, или вставлены в концы труб. Они соединяются по мере проходки ствола скважины и образуют сборку буровой штанги. Сборка буровой штанги и каждая труба, установленная в ней, должны выдерживать силы, воздействующие на сборку буровой штанги. Они в основном обеспечивают передачу крутящего момента, требуемого для проходки скважины, который должен быть приложен к сборке буровой штанге и передаваться по ней же на буровую головку. Такие сборки буровой штанги могут быть несколько километров длиной. Такая буровая труба должна также оказывать сопротивление к осевым растягивающим нагрузкам, которые в основном воздействует на сборку буровой штанги при её извлечении. Помимо механического напряжения такие буровые трубы также подвергаются химическому воздействию в скважине из-за действия бурового раствора и веществ, растворенных в нем. То же относится к случаю, когда трубы будут использоваться как стояки и/или обсадные трубы.
Буровые трубы, изготовленные из высокопрочной легированной стали, отвечают этим требованиям. Но у них есть такой недостаток, что вес сборки буровой штанги значительный, особенно для длинных сборок буровой штанги. Чтобы исправить такую ситуацию, были разработаны буровые трубы, которые состоят из легкой металлической трубы и соединительных элементов, прикрепленных к их концам, обычно изготовленных из стали. Такие буровые трубы более легкие, чем стальные трубы из-за значительно меньшего удельного веса алюминиевого сплава по сравнению со сталью. Это оказывает положительное влияние на транспортировку буровых труб, работу с буровыми трубами у буровой вышки или на ней, и на приводное устройство, которое необходимо для приведения в движение сборки буровой штанги. Если соединительные элементы используются как элементы муфты, они обычно крепятся к соответствующему концу легкой металлической трубы посредством процесса соединения по посадке с натягом. Такая буровая труба, содержащая легкую металлическую трубу и стальные элементы муфты, прикрепленные к ее концам, известна из DE 11 48 508.
Алюминиевый сплав типа AA 2014 или AA 7075 используется для изготовления легкой металлической трубы этой буровой трубы известного уровня техники. Оба типа сплавов являются высокопрочными алюминиевыми сплавами, прочность которых обеспечивается специальным составом сплава и процессом горячего отверждения. Такие легкие металлические трубы обычно изготавливаются посредством экструзии. Экструдированные трубы затем вытягиваются (удлиняются) на 1-1,5%, чтобы предотвратить любой изгиб, который мог образоваться. Вытянутые легкие металлические трубы в итоге подвергаются искусственному старению. Сплав типа AA 2014 – это алюминиевый сплав типа AlCu4SiMg. Сплав типа AA 7075 – это алюминиевый сплав типа AIZn5.5MgCu.
В последней разработке для производства легкой металлической буровой трубы, легкие металлические трубы изготавливаются с секциями с разными по толщине стенками в продольном направлении, так называемые "специализированные трубы". Легкая металлическая труба такой буровой трубы имеет три секции, имеющие большие по толщине стенки, отделенные друг от друга секцией с меньшей толщиной стенки. Две из этих секций, имеющих большую толщину стенок, образуют концевые секции трубы. Эти секции имеют большую толщину стенок, чем примыкающая секция, так что они могут подвергаться механической обработке в последовательности технологических операций для присоединения элементов муфт. Третья секция с большей толщиной стенки находится в центре между двумя концевыми секциями и служит в качестве износоустойчивого выступа (поверхности). Переходы между секциями с разными по толщине стенками непрерывные. Для изготовления таких легких металлических труб для буровой трубы вышеупомянутого типа с требуемой прочностью считается необходимым использовать алюминиевый сплав, который получает требуемую прочность благодаря составу сплава и его способностью к искусственному старению, что гарантирует, что все компоненты трубы имеют одинаковые значения прочности.
В дополнение к алюминиевым сплавам этого типа (AA 2014 или AA 7075, соответственно) известны другие высокопрочные Al сплавы, которые получают свою прочность только в процессе вытягивания. Такие сплавы – это Al сплавы, чувствительные к вытягиванию, которые используются для компонентов летательных аппаратов, например продольных элементов конструкции. Такие компоненты имеют постоянную толщину стенок по всей длине, так что желаемые значения прочности могут устанавливаться путем процесса вытягивания по всей длине компонента. Но это нельзя сделать в компонентах, имеющих секции с разными по толщине стенками в продольном направлении, и таким образом, в направлении вытягивания, так как процесс вытягивания преимущественно и даже исключительно будет вытягивать секции с меньшей толщиной стенок, в зависимости от разницы толщины стенок, но не секции с большей толщиной стенки.
Даже если алюминиевые сплавы AA 2014 или AA 7075 могут использоваться для изготовления легких металлических труб, имеющих секции с разными по толщине стенками, для изготовления буровой трубы с прочностными характеристиками, в настоящий момент считающимися достаточными, эти характеристики прочности не соответствуют характеристикам стальных буровых труб. Это означает, что легкие металлические трубы не могут использоваться для более глубоких скважин, которым нужна более длинная сборка буровой штанги, но это в точности те применения, для которых легкие металлические трубы были бы особенно желательны. Если прочность буровых труб недостаточна, операция бурения может осуществляться только при ограниченном крутящем моменте. Это оказывает неблагоприятное влияние на эффективность бурения. Кроме того, коррозионная стойкость легких металлических труб, изготовленных из этих алюминиевых сплавов, была выявлена как нестабильная, в частности, в коррозионной среде пробуренной скважины с содержащимся в ней буровым раствором. В буровой практике это нежелательно, так как коррозию нельзя контролировать, и используемые буровые трубы придется подвергать частой проверке на коррозию.
На основании вышеописанного известного уровня техники, задача изобретения – предложить трубу для использования совместно с глубокими пробуренными скважинами, например, спроектированную как буровую трубу, содержащую легкую металлическую трубу, изготовленную из Al сплава, и способ изготовления такой трубы, которая не только имеет улучшенные характеристики по сравнению с обычными легкими металлическими трубами, которые изготовлены из Al сплава AA 2014 или AA 7075, но также подходит для изготовления труб, имеющих секции с разными толщинами стенки.
Эта задача решается трубой общего типа, упомянутой в начале, в которой легкая металлическая труба изготовлена из сплава Al, имеющего следующий состав:
2,0-5,0 масс. % Cu,
0,2-1,0 масс. % Mg,
0,8-2,0 масс. % Li,
макс. 0,15 масс. % Si,
макс. 0,15 масс. % Fe,
макс. 0,5 масс. % Mn,
макс. 1,0 масс. % Zn,
макс. 0,1 масс. % Ti,
макс. 0,5 масс. % Ag,
остальное Al и неизбежные примеси.
Составы сплава, описанные в данном описании, могут содержать неизбежные примеси в размере 0,05 масс. % на элемент, в которых общее количество примесей не должно превышать 0,15 масс. %. Но предпочтительно, чтобы примесей было как можно меньше, так чтобы они не превышали 0,02 масс. % на элемент и общее количество в размере 0,8 масс. %.
Задача, относящаяся к способу, решается способом, в котором легкая металлическая трубка образована с использованием процесса экструзии и после этого последовательного отжига на твердый раствор, в котором полученная экструзией труба затем вытягивается по всей длине, пока секция или секции, имеющие наименьшую толщину стенок, не вытягиваются по меньшей мере на 2-2,5%, и в котором вытянутая легкая металлическая труба подвергается искусственному старению на последующем шаге технологической обработки при температуре 164-180°С.
В концепции заявленной трубы и вышеупомянутого способа изготовления легкой металлической трубы изобретатели преодолели предубеждение, описанное в начале, в том, что Al сплавы, чувствительные к вытягиванию, не могут использоваться для труб, имеющих секции с разными по толщине стенками. Действительно, Al сплав, из которого легкая металлическая труба для трубы по изобретению обычно изготавливается в процессом экструзии, является сплавом, чувствительным к вытягиванию, и поэтому сплавом, требующим, чтобы компоненты, изготовленные из него, вытягивались, и эти компоненты должны отвечать специальным требованиям прочности. Это относится к трубам, заявленным в данном документе. После этого эти трубы предназначены для использования совместно с глубокими пробуренными скважинами, например, как буровые трубы.
Независимо от того, имеет ли легкая металлическая труба, изготовленная из этого сплава, секции с разными по толщине стенками в ее продольном направлении, она не только имеет улучшенные значения прочности; легкая металлическая труба, изготовленная из них, также подтверждает коррозионную устойчивость к агрессивной окружающей среде в скважине. Это существенное преимущество, особенно для практического применения. Значения прочности могут быть улучшены более чем на 20%, обычно даже на 30–50%. Критическая переменная, в частности, для труб, используемых совместно с глубокими пробуренными скважинами, – это их сопротивление растрескиванию от коррозии под напряжением. Сопротивление растрескиванию от коррозии под напряжением существенно улучшено по сравнению с обычными трубами, изготовленными из Al сплава AA 7075. Трубы в соответствии с изобретением также демонстрируют явно улучшенное сопротивление растрескиванию от коррозии под напряжением по сравнению с трубами, изготовленными из Al сплава AA 2014. Испытания показали, что это даже более чем в три раза лучше, чем для трубы, изготовленной из сплава AA 2014. Как и типичные значения прочности, сопротивление усталости в трубе с легкой металлической трубой, изготовленной из сплава как заявлено улучшилось соответственно.
Кроме того, различное поведение при вытягивании легкой металлической трубы, изготовленной из такого сплава и имеющей секции с разными по толщине стенками, может практично использоваться перед выполнением процесса искусственного старения для окончательного придания прочности. Вытягивание секций с меньшей толщиной по меньшей мере на 2-2.5%, предпочтительно даже на 4-4.5% и более, технические требования к которым относятся к секциям, имеющим наименьшую толщину стенки, что вызывают минимальное вытягивание секций или отсутствие вытягивания секций, имеющих большую толщину стенок. Это зависит от разницы толщин стенок между секциями с меньшей толщиной стенок и теми, которые имеют большую толщину стенок. Результат состоит в том, что секции с большей толщиной стенок меньше затронуты процессом вытягивания или вообще им не затронуты. Итоговая прочность, включая прочность секций с большей толщиной стенок, придается во время последующего процесса искусственного старения и связанного с ним упрочнения. Значения прочности, полученные таким образом, обычно ниже, чем значения, которые могут наблюдаться в результате вытягивания секций с меньшей толщиной стенок. Но это не проблема, так как меньшая прочность в этих секциях компенсируется их большей толщиной стенок. В этом отношении изобретатели также преодолели благодаря концепции изобретения предубеждение в том что буровая труба, имеющая разные толщины стенок, должна иметь однородную прочность материала по всей длине.
Подходящий Al сплав для изготовления такой легкой металлической трубы – это, например, сплав, соответствующий AA 2195.
Допустив, что типичное искусственное старение для такого сплава AA 2195 при 153°С выполнено, могут быть достигнуты достаточные прочностные характеристики для легкой металлической трубы, которую предстоит использовать, например, как часть буровой трубы, если разница в толщине стенки между секцией с наименьшей толщиной стенки и секцией с наибольшей толщиной стенки меньше, чем 1,2. Новый процесс искусственного старения был разработан, чтобы обеспечить достаточные прочностные характеристики трубы, изготовленной из такого Al сплава, если толщина стенок секций с большей толщиной стенки более чем в 1,2 раза больше толщины секций с меньшей толщиной стенки. Эта концепция также учитывает, что время, необходимое для искусственного старения, не должно быть избыточно долгим, чтобы избежать ненужного повышения затрат на производство. Достаточные прочностные характеристики для легкой металлической трубы, изготовленной из такого сплава в соответствии с изобретением и имеющей отдельные секции с разными по толщине стенками, могут также быть получены для больших различий в толщинах стенок, если искусственное старение выполняется при повышеной температуре, а именно при 164–180°C, обычно в течение 24–38 часов. В частности предпочтительно искусственное старение в течение 36 часов при 170°C или приблизительно 170°C.
Известно на основании процесса искусственного старения для AA 2195 известного уровня техники, который выполняется при 153°С в соответствии с описанием, что итоговая прочность, которую можно получить, уменьшается при более высоких температурах искусственного старения. Но не предвидимо то, что если искусственное старение выполняется в упомянутом температурном диапазоне, конвергенция значений прочности секций, которые менее вытянуты или совсем не вытянуты, и тех секций, которые были вытянуты в максимальной степени, улучшилась, что означает, что разница характеристик прочности между этими секциями легкой металлической трубы относительно мала. В каждом случае этот способ может использоваться для получения характеристик прочности, которые улучшены по сравнению с характеристиками обычной легкой металлической трубы, даже в секциях, которые не были вытянуты.
Особенно предпочтительные характеристики могут быть получены для легкой металлической трубы, если Al сплав исключительно содержит вышеупомянутые элементы сплава в заявленных процентах.
Характеристики могут быть далее улучшены в трубе рассматриваемого типа в целях изготовления легкой металлической трубы и их планируемого использования совместно с глубокой пробуренной скважиной, если легкая металлическая труба изготовлена из сплава, имеющего следующие элементы сплава:
3,5 -4,5 масс. % Cu,
0,2-0,8 масс. % Mg,
0,8-1,3 масс. % Li,
0,1-0,4 масс. % Mn,
0,02-0,07 масс. % Ti,
макс. 0,15 масс. % Si,
макс. 0,15 масс. % Fe,
остальное Al и неизбежные примеси.
В предпочтительной дальнейшей разработке этого состава сплава доля Mg составляет 0,28–0,4 масс. %, а доля Mn составляет 0,01–0,25 масс. %.
Этот сплав может влиять на другое увеличение прочности легкой металлической трубы, которое в частности происходит из-за содержания Mn.
В возможном варианте осуществления используется следующий состав сплава:
3,5-4,5 масс. % Cu,
0,2-0,8 масс. % Mg,
0,8-1,3 масс. % Li,
0,1-0,4 масс. % Mn,
0,02-0,07 масс. % Ti,
0,2-0,5 масс. % Ag,
макс. 0,15 масс. % Si,
макс. 0,15 масс. % Fe,
макс. 0,5 масс. % Ag,
остальное Al и неизбежные примеси.
В этом сплаве содержание Ag приводит к увеличению прочности. Вариант с содержанием Ag предположительно не будет использоваться для промышленных целей по причине стоимости. Добавление элемента Ag также оказывает такое же влияние на сплавы, упомянутые выше.
Присутствие Li в сплаве не только повышает прочность, но также позволяет сохранять низким удельный вес. Упомянутые выше сплавы имеют удельный вес, который на несколько процентных пунктов ниже, чем удельный вес сплава AA 2014.
Содержание Li адаптировано к содержанием Cu и Mg в сплаве таким образом, что отдельная часть Li входит в сплав, но только настолько, чтобы привнести его в раствор и предотвратить образование нежелательных фаз, содержащих Li. По этой причине содержание Li в сплаве ограничено узкими пределами в 0,8–2,0 масс. %.
Магний способствует желательным характеристикам трубы, изготовленной из этого сплава, но он допускается только в упомянутом проценте, чтобы предотвратить образование нежелательных фаз (таких как S-фаза AI2CuMg). В связи с другими элементами сплава содержание Mg не должно превышать 1,0 масс. %.
Допустимые проценты Fe и Si в основном вводятся в сплав как примеси из-за рециклизации исходных веществ. Это не ухудшает желательные характеристики легкой металлической трубы, изготовленной из сплава.
Изобретение [описывается] ниже с использованием примера осуществления и со ссылками на прилагаемые чертежи. На чертежах:
фиг. 1: показывает схематически продольное сечение легкой металлической трубы,
фиг. 2: показывает диаграмму в соответствии с фиг. 2, но с искусственным старением, выполненным в соответствии с изобретением, и
фиг. 3: показывает диаграмму динамики предела текучести в течение периода искусственного старения для искусственного старения в условиях известного уровня техники,
фиг.4: показывает диаграмму, представляющую точку текучести или сопротивление разрыва трубы в соответствии с изобретением, объединенное с ее коэффициентом вытягивания.
На фиг. 1 показано схематически продольное сечение легкой металлической трубы 1 для формирования буровой трубы, которая используется для глубоко пробуренных скважин. Продольное протяжение легкой металлической трубы 1, показанной на фиг. 1, не в масштабе. Отношение длина/диаметр на самом деле гораздо меньше, чем показанное на этом схематическом чертеже.
Легкая металлическая труба 1 имеет секции с разными по толщине стенками в ее продольном направлении. Труба 1 показанного примера осуществления выполнена симметричной относительно её центра по направлению к её концам. Центральная секция A1 легкой металлической трубы 1 имеет большую толщину стенки, чем примыкающих секций. Секции A2 с меньшей толщиной стенок располагаются по обеим сторонам, примыкающим к секции A1. Между секциями A1 и A2 имеется непрерывный переход между секциями A1 и A2, в котором толщина стенок увеличивается постепенно от секции A2 к секции A1. Концевая секция A3, которая тоже имеет большую толщину стенки по сравнению с секцией A2, расположена так, что примыкает к каждой секции A2. Также имеется переходная секция между каждой секцией A2 и A3, в которой толщина стенки непрерывно и постепенно переходит от толщины стенки секции A2 к толщине стенки секции A3. Разница в толщине стенок между секцией A1, A3 и A2 составляет примерно 2 раза.
Понятно, что легкая металлическая труба не обязательно должна быть скомпонована симметрично в продольном направлении относительно ее центра.
Легкая металлическая труба, изображенная на фиг. 1, изготовлена из Al сплава, имеющего следующий состав:
| Al | Si | Fe | Cu | Mn | Mg | Li | Zn | V | Ti | Zr | Ag |
| 94,27 | 0,02 | 0,04 | 3,86 | 0,01 | 0,38 | 0,8 | 0,02 | 0,005 | 0,03 | 0,1 | 0,36 |
Легкая металлическая труба, которая была гомогенизирована после непрерывной разливки и затем экструдирована, была отожжена на твердый раствор после формовки, а затем вытянута до коэффициента вытягивания 4,6 в секциях A2 с наименьшей толщиной стенок. Из-за разницы в толщине стенок между секциями A2 и секциями A1 и A3 соответственно, эти секции остаются незатронутыми процессом вытягивания.
Концевые секции A3 утолщены по сравнению с примыкающими к ним секциями A2, так как профили должны подвергаться механической обработке по наружной периферийной поверхности, чтобы соединить элемент муфты с описанным примером осуществления. Легкая металлическая труба 1 образует фактическую буровую трубу только вместе с соединительными элементами муфты, не показанными на фигуре. Понятно, что утолщенные секции A3 могут также использоваться, чтобы обеспечить соединение с учетом геометрии элемента муфты. Секции A3 обрабатываются механически для обеспечения желаемой удерживающей геометрической формы, такой как резьба или тому подобное, после вытягивания и искусственного старения. Здесь используется тот факт, что секции A3 легкой металлической трубы 1 не затронуты процессом вытягивания и не были упрочнены этим процессом.
Используемый сплав – это сплав, который чувствителен к вытягиванию, что означает, что секции стенки, которые подверглись фактическому вытягиванию, упрочнены в зависимости от коэффициента вытягивания. В показанном примере осуществления это прежде всего секции A2 и, в постепенно уменьшающейся степени, переходные области в направлении соответственной секции с более толстой стенкой. Вытягивание легкой металлической трубы 1 перед механической обработкой концов приводит к тому, что трубе придается достаточная прочность и размерная устойчивость.
В последующем шаге легкая металлическая труба 1 подвергалась горячему отверждению посредством искусственного старения. Искусственное старение выполнялось при 170°C в течение 36 часов. В процессе искусственного старения прочность, заданная вытягиванием в секциях A2, была уменьшена в некоторой, но не значительной, степени, однако секции, не упрочненные процессом вытягивания – секции A1, A3 и переходные секции, которые не были вытянуты, – подвергались горячему отверждению посредством процесса искусственного старения.
Были взяты образцы из секций A1, A2 и A3 легкой металлической трубы 1, чтобы определить значения прочности. Значения прочности, определенные в таких условиях, можно увидеть в таблице ниже:
| Поз. | Направление | Коэффициент вытягивания [%] |
Rp02 [МПа] | Rm [МПа] | Ag [%] | A5 [%] |
| A3 | L | 0,8 | 525 | 575 | 5,2 | 9,8 |
| A2 | 4,6 | 573 | 604 | 4,5 | 11,8 | |
| A1 | 0 | 498 | 539 | 4,7 | 9,5 | |
| A2 | 4,6 | 572 | 602 | 4,6 | 11,2 | |
| A3 | 0,8 | 523 | 574 | 4,5 | 8,8 | |
| A3 | LT | 0,8 | 515 | 556 | 4,2 | 7,2 |
| A2 | 4,6 | 556 | 585 | 4,2 | 7,9 | |
| A1 | 0 | 497 | 542 | 5,5 | 9,3 | |
| A2 | 4,6 | 548 | 580 | 4,3 | 7,3 | |
| A3 | 0,8 | 515 | 556 | 4,2 | 7,2 |
Значения прочности, перечисленные в таблице, включают в себя 0,2% предела текучести (Rp02), прочность на растяжение (Rm), равномерное удлинение (Ag), и удлинение при разрыве (A5).
Значения прочности, перечисленные в таблице, которые были получены для легкой металлической трубы, превышают те значения прочности, которые были определены для сравнения с трубой, изготовленной из сплава AA 2014, на 20-30%. Эти значения прочности также предполагают, что даже не вытянутая секция A1 имеют достаточную прочность после искусственного старения, и что разница в прочности между секциями с меньшей толщиной стенок A2 и секциями с большей толщиной стенок A1, A3 хоть и существует, но не критична. Меньшие значения прочности, определенные в секциях с большей толщиной стенок, легко компенсируются большей толщиной их стенок.
На фиг. 2 показан рост предела текучести в течение периода искусственного старения трубы, которая показана на фиг. 1, имеющей другой коэффициент вытягивания. Искусственное старение выполнялось при 170°C, как было описано ранее. Кривые показывают, что увеличение периода искусственного старения свыше 40 часов больше не оказывает положительных эффектов. Поэтому его можно оставить коротким. Но самое главное, кривая, относящаяся к секции буровой трубы, которая осталась невытянутой, показывает, что прочность увеличилась до достаточно высокого уровня в ходе искусственного старения. Понятно, что прочность трубы в не вытянутых секциях более чем компенсируется соответственно более толстыми стенками.
Фиг. 3 – сравнение аналогичных образцов после испытания на искусственное старение, в котором искусственное старение выполнялось с использованием параметров известного уровня техники, а именно при 153°С. Видно, с одной стороны, что не вытянутый образец или не вытянутая секция трубы достигает приемлемых характеристик прочности только после неприемлемо долгого периода искусственного старения (>200 часов). За период старения, необходимый для искусственного старения при 170°C для достижения приемлемых характеристик прочности, не вытянутые секции трубы не достигают достаточных характеристик прочности, если искусственное старение выполняется при 153°С.
На фиг. 4 показано поведение при вытягивании, точка текучести и прочность на разрыв в переходе от секции трубы 1, имеющей более тонкую по толщине стенки – секции A2, – к секции, имеющей более толстую по толщине стенки – секции A1. Когда труба 1 вытягивается, как описано выше, секции с более тонкими по толщине стенками вытягиваются до желаемой степени (здесь: 4%). Этот коэффициент вытягивания уменьшается последовательно в переходной области от секции A2 к секции A1. Труба более не вытягивается после всего 2/5 переходной длины в направлении секции стенки A2.
Кривые точки текучести и прочности на разрыв показаны в сравнении с кривой для коэффициента вытягивания. Увеличение точки текучести и прочности на разрыв от секции трубы A2, имеющей более тонкую по толщине стенку, к секции трубы A1, имеющей более толстую по толщине стенку, ясно показывает, что увеличение толщины стенки более чем компенсирует недостатки не вытягивания в этих секциях. Также из-за способа искусственного старения, описанного выше, труба 1 имеет значительно более высокую прочность на разрыв и точку текучести в секциях с большей по толщине стенками.
Изобретение описано со ссылкой на пример осуществления. Многочисленные другие варианты осуществления для реализации изобретения могут быть выведены без отступления от его объема в прилагаемой формулы изобретения.
1. Буровая труба для скважины глубокого бурения, содержащая легкую металлическую трубу (1), изготовленную из алюминиевого сплава, имеющую секции с разными по толщине стенками в продольном направлении трубы, и соответствующую муфту на каждом конце для подсоединения трубы к последующей трубе, причём легкая металлическая труба (1) изготовлена из алюминиевого сплава, который содержит следующие элементы, мас.%: 2,0-5,0 Cu, 0,2-1,0 Mg, 0,8-2,0 Li, макс. 0,15 Si, макс. 0,15 Fe, макс. 0,5 Mn, макс. 1,0 Zn, макс. 0,1 Ti, макс. 0,5 Ag, а также необязательно один или несколько следующих элементов, мас.%: макс. 0,2 Cr, макс. 0,2 Zr, макс. 0,2 Sc, макс. 0,2 Hf, макс. 0,2 V, остальное Al и неизбежные примеси, причём общая сумма элементов Cr, Zr, Sc, Hf и V не превышает 0,3 мас.%.
2. Труба по п. 1, отличающаяся тем, что алюминиевый сплав легкой металлической трубы (1) имеет следующий состав, мас.%: 3,5-4,5 Cu, 0,2-0,8 Mg, 0,8-1,3 Li, 0,1-0,4 Mn, 0,02-0,07 Ti, макс. 0,15 Si, макс. 0,15 Fe, макс. 0,5 Ag, остальное Al и неизбежные примеси.
3. Труба по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что алюминиевый сплав легкой металлической трубы содержит 0,2-0,5 мас.% Ag.
4. Труба по одному из пп. 1-3, отличающаяся тем, что алюминиевый сплав легкой металлической трубы (1) имеет следующий состав, мас.%: 3,0-3,5 Cu, 0,28-0,25 Mg, 0,9-1,2 Li, 0,28-0,40 Mn, 0,035-0,06 Ti, макс. 0,15 Si, макс. 0,15 Fe, остальное Al и неизбежные примеси.
5. Труба по любому одному из пп. 1-4, отличающаяся тем, что секции с наименьшей толщиной стенки вытянуты в трубе по меньшей мере на 2-2,5%, предпочтительно по меньшей мере на 3,5%.
6. Труба по любому из пп. 1-5, отличающаяся тем, что легкая металлическая труба (1) содержит на каждом из ее двух концов секцию с большей толщиной стенки (A3), причём каждая секция с большей толщиной стенки (A3) отделена от другой секцией с меньшей толщиной стенки (A2), а между секциями с большей толщиной стенок (A3) и секциями с меньшей толщиной стенок (A2) имеются переходные секции, в которых толщина стенок непрерывно переходит от одной секции к другой.
7. Труба по п. 6, отличающаяся тем, что по меньшей мере одна секция с большей толщиной стенки (A1) находится между двумя концевыми секциями, имеющими большую толщину стенок (A3), при этом секция с большей толщиной стенки (A1) переходит в примыкающие секции с меньшей толщиной стенок (A2) через переходные секции.
8. Труба по п. 6, отличающаяся тем, что элементы муфты встроены в концевые секции легкой металлической трубы (1).
9. Труба по любому из пп. 1-8, отличающаяся тем, что она является буровой трубой для формирования сборки буровой штанги.
10. Способ изготовления легкой металлической трубы (1), имеющей секции с разными по толщине стенками в продольном направлении, отличающийся тем, что легкую металлическую трубу (1) формируют из алюминиевого сплава, содержащего 2,0-5,0 мас.% Cu, 0,2-1,0 мас.% Mg, 0,8-2,0 мас.% Li, макс. 0,15 мас.% Si, макс. 0,15 мас.% Fe, макс. 0,5 мас.% Mn, макс. 1,0 мас.% Zn, макс. 0,1 мас.% Ti, макс. 0,5 мас.% Ag, а также необязательно один или несколько следующих элементов: макс. 0,2 мас.% Cr, макс. 0,2 мас.% Zr, макс. 0,2 мас.% Sc, макс. 0,2 мас.% Hf, макс. 0,2 мас.% V, остальное Al и неизбежные примеси, причём общая сумма элементов Cr, Zr, Sc, Hf и V не превышает 0,3 мас.%, с использованием процесса экструзии и последующего отжига на твердый раствор, затем трубу вытягивают по всей ее длине, пока секция или секции с наименьшей толщиной стенок (A2) не будут вытянуты по меньшей мере на 2-2,5%, после чего вытянутую легкую металлическую трубу (1) подвергают искусственному старению при температуре 164-180°C.
11. Способ по п. 10, отличающийся тем, что легкую металлическую трубу (1) вытягивают пока секция или секции с наименьшей толщиной стенок (A2) не будут вытянуты по меньшей мере на 3,5%, в частности приблизительно на 4-4,5%.
12. Способ по п. 10 или 11, отличающийся тем, что вытянутую легкую металлическую трубу (1) подвергают искусственному старению в течение 24-45 часов, в частности 30-40 часов.
13. Способ по любому из пп. 10-12, отличающийся тем, что искусственное старение вытянутой легкой металлической трубы (1) осуществляют в температурном диапазоне 168-172°C, в частности при 170°C, в течение 32-38 часов, в частности приблизительно 36 часов.
