本申請(qǐng)要求2015年8月12日提交的、名稱為“用于生產(chǎn)超長(zhǎng)管件的裝置、制品、組分和方法及其使用(Apparatus,Manufacture,Composition and Method For Producing Long Length Tubing and Uses Thereof)”的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)No.62/204,204的權(quán)益，其通過(guò)引用以其全部?jī)?nèi)容并入本文。

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型涉及金屬管件，以及用于制備該金屬管件的方法和材料。更具體地，本實(shí)用新型涉及用于制備例如在石油和天然氣鉆井、油氣提取和維持(maintenance)中應(yīng)用的具有大長(zhǎng)度的管件的材料和方法。

背景技術(shù)：

用于制備超長(zhǎng)管的各種方法和材料是已知的，例如，用于石油和天然氣工業(yè)中。石油和天然氣盤繞管件(oil and gas coiled tubing，CT)已經(jīng)被界定為任意管狀的產(chǎn)品，其被制造為在制造過(guò)程中需要纏繞到卷盤上的長(zhǎng)度。在使用前，管被儲(chǔ)存在卷盤單元上然后在被插入到井眼內(nèi)進(jìn)行操作之前被標(biāo)稱地(nominally)拉直。當(dāng)在使用后從井眼收回時(shí)，該管件在不使用的時(shí)候被重新盤繞回卷盤單元上。管件直徑通常在0.75英寸(in.)到4英寸的范圍內(nèi)，且管件長(zhǎng)度超過(guò)30000英尺(ft.)的單個(gè)卷盤已經(jīng)投入商業(yè)制造。

目前使用的大多數(shù)CT以低合金碳鋼板材的大盤繞卷開始。起始的板材盤繞卷可能高達(dá)55英寸寬和超過(guò)24噸重。每一盤繞卷中的板材長(zhǎng)度取決于板材厚度且在針對(duì)0.087英寸規(guī)格的3500英尺到針對(duì) 0.250英寸規(guī)格的1000英尺的范圍之間。為了獲得CT應(yīng)用所需的大的長(zhǎng)度，例如30000英尺，板材必須在CT工業(yè)被稱為“偏差節(jié)點(diǎn)(bias joint)”的地方被連續(xù)地疊接在一起。然后，板材被滾軋以形成圓形的管狀形狀，并使用高頻感應(yīng)焊接工藝(High Frequency Induction welding process)(或等同的焊接工藝)進(jìn)行滾焊(seam welded)。最終，在被運(yùn)輸至操作位點(diǎn)之前，30000英尺長(zhǎng)的連續(xù)管件被包裹在大直徑卷盤單元上以進(jìn)行壓力測(cè)試。

根據(jù)傳統(tǒng)的無(wú)縫管制造工藝來(lái)生產(chǎn)無(wú)縫管件也是已知的。例如，坯料(billet)在附接至推鋼機(jī)(ram)的芯棒上被擠壓，如在美國(guó)專利No.2,819,794,3,411,337,3,455,137和/或3,826,122中所公開的，或用沖孔芯棒(piercing mandrel)來(lái)沖孔，如在美國(guó)專利No.2,159,123中所公開的。擠壓或沖孔可以在隨后伴隨有拉拔工藝(drawing process)。由于坯料容器的限制以及較低的擠壓速率、沖壓能力和搬運(yùn)設(shè)備的組合，用于管件制造的大多數(shù)工藝的能力被限制為有效地生產(chǎn)超長(zhǎng)(即，大于1000英尺)的高強(qiáng)度無(wú)縫管件。當(dāng)期望例如用于CT的無(wú)縫管件的長(zhǎng)度較長(zhǎng)(例如，長(zhǎng)于1000英尺)時(shí)，使用例如焊接(熔融，固態(tài)等)或機(jī)械接合的接合技術(shù)將具有較短長(zhǎng)度的管件接合起來(lái)。典型地，接合點(diǎn)顯著地削弱了由此產(chǎn)生的CT管，且在許多更具挑戰(zhàn)和高價(jià)值的應(yīng)用中限制了其實(shí)用性。除了結(jié)構(gòu)性能的降低，這些接合技術(shù)中的許多技術(shù)還可能不利地影響管件的空間要求(claim)和/或腐蝕性能，這進(jìn)一步限制了它們的應(yīng)用。因此，仍然需要用于制備超長(zhǎng)管件的替代方法、裝置和材料。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本公開的主題涉及一種用于制備超長(zhǎng)管件的方法，包括：提供熔融金屬的來(lái)源；連續(xù)地將所述熔融金屬供應(yīng)至成型裝置；將所述熔融金屬成型為具有選定長(zhǎng)度的加長(zhǎng)的管件。

根據(jù)另一實(shí)施方式，成型的工藝是通過(guò)連續(xù)擠壓實(shí)現(xiàn)的。

根據(jù)另一實(shí)施方式，成型的工藝包括成型實(shí)心棒且然后將所述實(shí) 心棒成型為中空管。

根據(jù)另一實(shí)施方式，所述實(shí)心棒被通過(guò)曼內(nèi)斯曼(Mannesmann)工藝成型為所述中空管。

根據(jù)另一實(shí)施方式，所述實(shí)心棒被通過(guò)一致性(Conform)工藝成型為所述中空管。

根據(jù)另一實(shí)施方式，所述實(shí)心棒具有削弱的中心區(qū)域，所述中心區(qū)域隨后通過(guò)拉拔穿過(guò)沖模而被加大，所述沖模具有在所述中心區(qū)域內(nèi)的浮動(dòng)芯軸。

根據(jù)另一實(shí)施方式，所述熔融金屬是鋁合金。

根據(jù)另一實(shí)施方式，所述熔融金屬是鎂合金。

根據(jù)另一實(shí)施方式，所述熔融金屬是鈦合金。

根據(jù)另一實(shí)施方式，所述熔融金屬是鋼合金。

根據(jù)另一實(shí)施方式，進(jìn)一步包括在成型步驟后改變所述管件的尺寸的步驟。

根據(jù)另一實(shí)施方式，改變的步驟通過(guò)穿過(guò)沖模拉拔所述管件來(lái)實(shí)施。

根據(jù)另一實(shí)施方式，改變的步驟包括在當(dāng)所述管件在拉拔步驟期間穿過(guò)所述沖模被拉拔時(shí)所述管內(nèi)定位浮動(dòng)芯軸。

根據(jù)另一實(shí)施方式，進(jìn)一步包括通過(guò)熱軋、冷軋或銑削中的至少一者來(lái)機(jī)械加工所述管的步驟。

根據(jù)另一實(shí)施方式，進(jìn)一步包括通過(guò)均質(zhì)化、固溶熱處理或淬火中的至少一者來(lái)熱處理所述管的步驟。

根據(jù)另一實(shí)施方式，進(jìn)一步包括將所述管件盤繞成盤繞卷的步驟。

根據(jù)另一實(shí)施方式，成型的步驟包括成型加長(zhǎng)的板材，然后沿縱向地將所述加長(zhǎng)的板材滾軋成管和沿著縱向縫口焊接。

根據(jù)另一實(shí)施方式，進(jìn)一步包括將所述加長(zhǎng)的板材盤繞成盤繞卷且然后接著在縱向地滾軋和焊接之前將所述加長(zhǎng)的板材展開的步驟。

根據(jù)另一實(shí)施方式，進(jìn)一步包括在滾軋步驟之前熱處理所述加長(zhǎng) 的板材的步驟。

根據(jù)另一實(shí)施方式，超長(zhǎng)管件具有管，所述管具有大于1000英尺的長(zhǎng)度、沿著其整個(gè)長(zhǎng)度是無(wú)縫的且具有鋁合金的材料組分。

根據(jù)另一實(shí)施方式，所述合金是2xxx系列。

根據(jù)另一實(shí)施方式，所述鋁合金選自如下所述美國(guó)鋁業(yè)協(xié)會(huì)(AA)注冊(cè)的合金中的一者：2001、2014、2014A、2214、2015、2015A、2017、2017A、2117、2219、2319、2419、2519、2022、2023、2024、2024A、2124、2224、2224A、2324、2424、2524、2624、2724、2824、2025、2026、2027、2029、2034、2039、2139、2040、2050、2055、2056、2060、2065、2070、2076、2090、2091、2094、2095、2195、2295、2196、2296、2097、2197、2297、2397、2098、2198、2099、2199。

根據(jù)另一實(shí)施方式，所述管件顯示出周期性應(yīng)變硬化反應(yīng)。

附圖說(shuō)明

為了對(duì)本公開內(nèi)容更加完整的理解，參考與附圖一起結(jié)合考慮的示例性實(shí)施方式的以下具體描述。

圖1是說(shuō)明進(jìn)行用于生產(chǎn)根據(jù)本申請(qǐng)的一個(gè)實(shí)施方式的加長(zhǎng)管件的方法的工藝流程的示意圖；

圖2和3是美國(guó)專利No.6,712,125中公開的連續(xù)鑄造裝置的剖視圖；

圖4和5是現(xiàn)有技術(shù)管拉拔裝置和工藝的概略剖視圖；

圖6是美國(guó)專利No.8,245,553中公開的管膨脹裝置和工藝的剖視圖；

圖7是與美國(guó)專利No.2,710,433中所公開的類似的連續(xù)桿鑄造裝置和方法的概略描繪；

圖8是美國(guó)專利No.361,954中公開的用于由實(shí)心構(gòu)件形成中空構(gòu)件的一系列工藝步驟和裝置；

圖9是美國(guó)專利No.3,765,216中公開的擠壓裝置和方法的透視 圖；

圖10是美國(guó)專利No.3,623,535中公開的連續(xù)桿鑄造裝置和方法的概略圖；

圖11是進(jìn)給至油氣井中的CT的透視圖；

圖12是對(duì)于三種類型鋼管件和一種類型鋁管件的疲勞損壞循環(huán)—壓力曲線圖；

圖13A和13B分別是對(duì)于鋼和鋁合金管件樣品的應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖。

具體實(shí)施方式

圖1示出可以用于生產(chǎn)根據(jù)本公開內(nèi)容的一個(gè)實(shí)施方式的超長(zhǎng)(例如，大于1000英尺)金屬管件的系統(tǒng)10。熔融金屬12的連續(xù)供應(yīng)(諸如在用于熔融的鋼或鋁合金的保溫爐/儲(chǔ)液器中)以在可持續(xù)的基礎(chǔ)上足以供應(yīng)隨后的加工裝置/步驟(14、16等)的速率和體積提供熔融的金屬。熔融金屬12的供應(yīng)可以由一個(gè)或多個(gè)鋁熔煉爐或鋼熔爐(未示出)的輸出而連續(xù)地填滿。所使用的金屬將包括高強(qiáng)度鋼、鋁、鎂、和鈦合金。圖1的系統(tǒng)10具有用于生產(chǎn)管件的可替換的裝置和加工途徑。在第一種方法中，從熔融金屬12的供應(yīng)獲得的金屬通過(guò)使用連續(xù)擠壓/鑄造裝置/工藝被連續(xù)地?cái)D壓/鑄造14為實(shí)心桿或空心管，該連續(xù)擠壓/鑄造裝置/工藝在以下美國(guó)專利中被描述：標(biāo)題為“連續(xù)壓力熔融金屬供應(yīng)系統(tǒng)和方法”的美國(guó)專利No.6,536,508、標(biāo)題為“用于使用熔融鋁材高壓擠壓的裝置和方法”的美國(guó)專利No.7,934,627、標(biāo)題為“用于形成連續(xù)金屬條的連續(xù)壓力熔融金屬供應(yīng)系統(tǒng)和方法”的美國(guó)專利No.6,915,837、標(biāo)題為“連續(xù)壓力熔融金屬供應(yīng)系統(tǒng)和方法”的美國(guó)專利No.6,712,126、標(biāo)題為“用于形成連續(xù)金屬條的連續(xù)壓力熔融金屬供應(yīng)系統(tǒng)和方法”的美國(guó)專利No.6,712,125以及標(biāo)題為“用于熔融金屬供應(yīng)系統(tǒng)的注射器(injector)”的美國(guó)專利No.6,708,752。上述美國(guó)專利中的每一個(gè)均由本申請(qǐng)的受讓人所擁有，其通過(guò)引用以它們的全部并入本文，并且在下文可以被共同地稱為“美 鋁專利”。

圖2和3采自所述美鋁專利的美國(guó)專利No.6,712,125，并且說(shuō)明了在其中公開的連續(xù)鑄造/擠壓裝置114的多個(gè)方面，該裝置114用泵輸送儲(chǔ)液器232中的金屬234通過(guò)沖模(die)306(圖2)。可替換地，金屬可以在形成實(shí)心桿402R或空心管狀擠壓件/鑄造件402T的一個(gè)或多個(gè)沖?？?12中被泵送到歧管140(圖3)。在上述美鋁專利中描述的裝置將用于熔融的鋁或鎂合金。如專利No.6,712,125中所描述的，對(duì)于鋼材，裝置114的某些部分可以要求由更高耐熱性的材料制成，以在保持鋼材熔融所需要的更高溫度下運(yùn)作，更具體地，可能需要諸如氧化鋯的穩(wěn)定的耐火材料。對(duì)于鈦，該裝置的某些部分可能需要甚至更高的承溫能力和更低反應(yīng)性的材料。可能需要諸如鎢(可能具有鋯涂層)的材料。在中空擠壓件(管件14T)以圖1的裝置/步驟14被生產(chǎn)的實(shí)例中，該中空擠壓件然后可以被拉拔和成形16(例如，通過(guò)穿過(guò)用于進(jìn)行一系列拉拔工藝的一個(gè)或多個(gè)拉拔沖模)，從而產(chǎn)生所需要的質(zhì)量、強(qiáng)度和尺寸精度。穿過(guò)沖模511對(duì)管件514T的連續(xù)向下拉拔工藝可以在具有如(圖4)中所示的浮動(dòng)芯棒513和不具有浮動(dòng)芯棒513(圖5)的情況下使用。在具有和不具有內(nèi)部的浮動(dòng)芯棒的情況下進(jìn)行拉拔工藝是本領(lǐng)域中已知的。內(nèi)部芯棒給出諸如同心度和表面光潔度提高的許多優(yōu)勢(shì)。在不具有內(nèi)部芯棒的情況下進(jìn)行給出諸如較低運(yùn)行成本和較低拉拔力的其它優(yōu)勢(shì)。最好的工藝依賴于很多性能和商業(yè)需求?？赡苄枰獌?nèi)部芯棒、或不需要內(nèi)部芯棒、或者二者的組合來(lái)生產(chǎn)出最好的產(chǎn)品。

如果擠壓的(進(jìn)料的(feed))管14T(圖1)需要被擴(kuò)大，例如，在具有來(lái)自桿鑄造機(jī)的小的中央孔洞或弱化的核心區(qū)域的桿的情況下，如以下更加充分地被描述的那樣，膨脹芯棒(諸如如圖6中所示的和美國(guó)專利No.8,245,553中公開的膨脹浮動(dòng)芯棒)可以被用于膨脹該管。雖然拉拔裝置和工藝16(圖1)單獨(dú)可能能夠生產(chǎn)所需要的幾何形狀和材料性質(zhì)，可能需要一些成直線的(in-line)、熱量的和可能機(jī)械的工藝18(諸如均質(zhì)化、固溶化、淬火、熱軋、冷軋和銑削) 以產(chǎn)生強(qiáng)度、斷裂韌度、抗疲勞度和抗腐蝕性的最優(yōu)組合。確定尺寸的、連續(xù)的且處理過(guò)的管件然后可以在卷盤中的卷帶軸上被盤繞以儲(chǔ)存20和運(yùn)輸。

盤繞管件在盤繞至獲得期望的材料性質(zhì)之后(例如，在成批熱處理19中)可以可選擇地被熱加工。

在所述美鋁專利中公開的裝置和方法可以用于生產(chǎn)實(shí)心的擠壓或鑄造桿14R(圖1)、402R(圖3)而不是管件，并且這種桿14R、402R可以進(jìn)一步被加工以形成中空的管件，如下文所述。實(shí)心桿14R的另一來(lái)源是在來(lái)自諸如Properzi、Lenaeus和Hazelett的發(fā)明人的美國(guó)專利號(hào)US2710433、US2865067、US3623535、US378542中公開的裝置和方法，這些專利通過(guò)引用以其全部并入本文并且公開了用于通過(guò)熔融鋁從鑄造輪(casting wheel)之上的漏斗流出來(lái)連續(xù)鑄造金屬棒或桿的裝置和方法。圖7概略地示出如美國(guó)專利No.2,710,433中所描述的用于連續(xù)鑄造桿14R的連續(xù)桿鑄造機(jī)610。該連續(xù)鑄造機(jī)610具有帶有降液管614的上漏斗612，該上漏斗612用于容納和分配熔融的鋁金屬。分配的鋁被接收到具有將鋁引導(dǎo)到鑄造輪620上的澆注槽618的下漏斗616中。鑄造輪620由模具注油器622加油。沉積在鑄造輪上的鋁通過(guò)被水箱626冷卻的連續(xù)帶624而被緊靠鑄造輪620的表面壓制和成形，固化并冷卻沉積在鑄造輪620上的熔融鋁。帶注油器628將油噴灑到帶624上。這種生產(chǎn)金屬桿的裝置和方法(即，連續(xù)桿鑄造(圖1))也可以代替由以上通過(guò)引用并入的美鋁專利所提供的連續(xù)桿擠壓/鑄造14而被使用。且不論連續(xù)金屬桿的來(lái)源，(14或21)桿14R必須形成為管子形狀，即，提供有內(nèi)部空洞以產(chǎn)生連續(xù)的管件產(chǎn)品14T。在一種方法中，如美國(guó)專利No.361,954中所描述的曼內(nèi)斯曼軋管法(Mannesmann process)可以用于在桿中產(chǎn)生連續(xù)的中央孔洞以形成連續(xù)管。這種曼內(nèi)斯曼軋管法以圖8的步驟A-F被說(shuō)明，其中，桿14R被重新成形為管14T。在形成管結(jié)構(gòu)14T之后，該管然后可以通過(guò)以上所述的并且參考圖4和5和6的(如果孔洞需要被加大)拉拔/成形/切成所需尺寸(dimensioning)步驟16而被確 定尺寸和成形。從曼內(nèi)斯曼軋管法22輸出的管結(jié)構(gòu)14T可以具有僅需要常規(guī)的連續(xù)向下拉拔工藝的尺寸，在具有浮動(dòng)芯棒513(圖4)或不具有浮動(dòng)芯棒(圖5)的情況下，以產(chǎn)生所需要的幾何形狀和材料性質(zhì)改進(jìn)?？赡苄枰芍本€的或分批盤繞的(coiled batch)、熱機(jī)械加工18和19以產(chǎn)生強(qiáng)度、斷裂韌度、抗疲勞度和抗腐蝕性的最優(yōu)組合。

除了用于加工由桿擠壓或連續(xù)鑄造14、21產(chǎn)生的桿14R的曼內(nèi)斯曼軋管法22之外，桿14R還可以通過(guò)如美國(guó)專利No.3,765,216、4,055,979和5,167,138中所描述的一致性(conform)連續(xù)擠壓工藝24(圖1)由類似圖9中所說(shuō)明裝置的裝置24D形成為管子形狀。根據(jù)本公開內(nèi)容，可以使用一致性連續(xù)擠壓來(lái)生產(chǎn)超長(zhǎng)的無(wú)縫管件。在一種方法中，一致性裝置24D和方法將接受連續(xù)進(jìn)料桿14R并且以應(yīng)用所需要的最終尺寸生產(chǎn)出連續(xù)的擠壓管14T。可替換地，一致性工藝可以用于提供具有以下尺寸的管14T，該尺寸僅需要常規(guī)的連續(xù)向下拉拔工藝，在具有浮動(dòng)芯棒513(圖4)或不具有浮動(dòng)芯棒(圖5)的情況下，以產(chǎn)生所需要的幾何形狀和鑄造材料性質(zhì)改進(jìn)。而且，可能需要一些成直線的或分批盤繞的、熱機(jī)械加工以產(chǎn)生強(qiáng)度、斷裂韌度、抗疲勞度和抗腐蝕性的最優(yōu)組合。

作為進(jìn)一步的可替換方式，第一步驟可以使用改良的桿鑄造工藝從而提供具有中央孔洞或集中的弱化區(qū)域的桿的連續(xù)長(zhǎng)度。具有中央孔洞或集中的弱化區(qū)域的桿可以通過(guò)精確控制固化期間的徑向熱提取的速率、管的生產(chǎn)速率、以及控制固化期間送料熔融金屬到桿核心的能力而在改良的桿鑄造機(jī)上被生產(chǎn)。圖10示出如美國(guó)專利3,623,535中公開的這種類型工藝，并且說(shuō)明了常規(guī)的桿鑄造工藝期間固化的各個(gè)階段。如圖10中所示和如US 3,623,535中所描述的，在常規(guī)的桿鑄造工藝期間，固化首先在外側(cè)發(fā)生并且向內(nèi)移動(dòng)到核心。通過(guò)控制徑向熱提取的速率、桿通過(guò)鑄造機(jī)被送料的速率以及熔融金屬送料容器的高度，可以在桿的中央處產(chǎn)生集中的孔洞或弱化區(qū)域。這些中央孔洞或集中的弱化區(qū)域然后可以使用近似于圖6中所示出的 膨脹浮動(dòng)芯棒513而被隨后加大。膨脹芯棒將形成具有所需要的尺寸或如下尺寸的無(wú)縫管件，該如下尺寸僅需要常規(guī)的連續(xù)向下拉拔工藝，在具有浮動(dòng)芯棒513(圖4)或不具有浮動(dòng)芯棒(圖5)的情況下，以產(chǎn)生所需要的幾何形狀和材料性質(zhì)改進(jìn)?？赡苄枰芍本€的或分批盤繞的、熱機(jī)械加工以產(chǎn)生強(qiáng)度、斷裂韌度、抗疲勞度和抗腐蝕性的最優(yōu)組合。這一可替換的工藝將使用所有高強(qiáng)度金屬材料(即，高強(qiáng)度鋼、鋁、鎂和鈦合金)來(lái)運(yùn)作。

應(yīng)用

盤繞管件(CT)應(yīng)用環(huán)境極端不利。它們是腐蝕性的，相對(duì)高溫度和結(jié)構(gòu)挑戰(zhàn)性的環(huán)境。圖11示出用于將盤繞管件1012的卷盤1010運(yùn)輸?shù)骄⑶覍⑺归_進(jìn)入到井眼WB中的裝置1000。將盤繞管件1012盤繞在卷盤1010上的行為在管件1012上施加巨大壓力，因?yàn)樾纬杀P繞卷的內(nèi)表面的管件1012的側(cè)被壓縮并且外表面被拉伸(張緊)。當(dāng)管件1012從卷盤1010展開盤繞并且拉直管件以傳送至注射器1014的時(shí)候，這種壓縮和張緊被反轉(zhuǎn)。管件1012在導(dǎo)向拱/鵝頸部1016之上被彎曲以改變方向從而進(jìn)入井眼WB，導(dǎo)致彎曲和拉直的第二次循環(huán)。一旦在井中，管件1012經(jīng)受附加的負(fù)荷，例如，由于來(lái)自注射器1014的真實(shí)長(zhǎng)度而被懸浮(suspended)、彎曲以符合井眼并且經(jīng)受壓力下的流體。管件1012在插入和在井眼WB內(nèi)執(zhí)行任務(wù)期間(諸如，井眼清潔操作期間)還可以經(jīng)受機(jī)械扭轉(zhuǎn)、推動(dòng)和拉動(dòng)。當(dāng)將管件1012從井眼WB收回的時(shí)候，移除過(guò)程包括類似的彎曲、展開和壓縮，隨著它被收回和當(dāng)它被再次盤繞在卷盤1010上時(shí)。這一順序事件在管件1012的使用壽命中可以發(fā)生很多次，并且管件1012在降解前越能更好地承受這種使用類型，使用壽命就越長(zhǎng)。如能夠被領(lǐng)會(huì)的那樣，由于管件的制造和運(yùn)輸昂貴，管件1012使用壽命的任何延長(zhǎng)均轉(zhuǎn)化為大量的成本節(jié)約。

合金

通常，鋼合金需要承受CT遭受的機(jī)械力。作為本公開內(nèi)容的一方面，本申請(qǐng)發(fā)明人認(rèn)識(shí)到，雖然絕大多數(shù)鋁合金在這些極具挑戰(zhàn)性的環(huán)境中將無(wú)法生存，但是用本文所公開的鋁合金作為用于石油和天然氣市場(chǎng)的鋼CT合金(steel CT alloys)的替代品仍然是可能的。具體地，可以使用2xxx系列的可熱處理的鋁合金，例如AA2040或AA2029。此外，任何具有50ksi的最小拉力屈伸強(qiáng)度(Tensile yield strength)的2xxx系列的可熱處理的合金都可能是可用的。這包括但不限于AA注冊(cè)合金：2001、2014、2014A、2214、2015、2015A、2017、2017A、2117、2219、2319、2419、2519、2022、2023、2024、2024A、2124、2224、2224A、2324、2424、2524、2624、2724、2824、2025、2026、2027、2029、2034、2039、2139、2040、2050、2055、2056、2060、2065、2070、2076、2090、2091、2094、2095、2195、2295、2196、2296、2097、2197、2297、2397、2098、2198、2099、2199.

在該組分范圍內(nèi)的鋁合金展現(xiàn)了用于CT的優(yōu)良性能。更具體地，它們展現(xiàn)了高強(qiáng)度、增強(qiáng)的韌性(toughness)、損傷容限(damage tolerance)以及抗腐蝕性的組合，在石油和天然氣CT的應(yīng)用中尤其有用。這些合金在可見于CT的許多應(yīng)用的高溫和暴露時(shí)長(zhǎng)(duration of exposure)也展現(xiàn)了良好的強(qiáng)度和韌性。所述選定的鋁組分在單一軸向(uni-axial)的低循環(huán)(應(yīng)變(strain)受控以及高塑性應(yīng)變范圍)疲勞測(cè)試中，與當(dāng)今在使用中的許多CT鋼的表現(xiàn)相同或更好。由于鋁相比于鋼的較低的重量，由本公開內(nèi)容所披露的鋁合金制成的CT在低壓力應(yīng)用中顯示出顯著的重量減輕。

在應(yīng)變受控、高塑性應(yīng)變范圍疲勞測(cè)試中，所述選定的鋁組分相比于CT鋼以較低的速率積累可塑性(plasticity)。對(duì)于CT的應(yīng)用，這可以轉(zhuǎn)化為鋁CT在較低內(nèi)部壓力下壽命的延長(zhǎng)，同時(shí)提供顯著的重量減輕。當(dāng)被擠壓(extruded)成無(wú)縫的CT管時(shí)，所公開的鋁組分在加壓的雙軸向(bi-axial)的低循環(huán)(應(yīng)變受控以及高塑性應(yīng)變范圍)疲勞測(cè)試中，與當(dāng)今在使用中的許多CT鋼的表現(xiàn)相同或更好。這些 測(cè)試在CT工業(yè)中被用來(lái)測(cè)度具有特定管尺寸的CT合金的性能。這在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中驗(yàn)證了當(dāng)使用本申請(qǐng)中選定的鋁組分以顯著地重量減輕的機(jī)會(huì)。這些測(cè)試的結(jié)果的一個(gè)例子在圖12中示出。圖12顯示了在變化的壓力下受測(cè)的等效截面管的低循環(huán)疲勞性能。該圖示出了一種美國(guó)鋁業(yè)公司(Alcoa)的鋁合金(即C002D)以及三種常見的鋼合金(即QT-700、QT-800和QT-900)在從70ksi(QT-700)到90ksi(QT-900)的不同的靜態(tài)屈服應(yīng)力下的性能。這些鋼管是被用于現(xiàn)今的盤繞管件的應(yīng)用(如下文所描述的)的許多鋼管的代表。C002D是一種在組分上類似于AA2040的合金，其具有大于50ksi的屈服強(qiáng)度。鋁合金測(cè)試的三條線被示出。“Max”的數(shù)據(jù)是表現(xiàn)最好的測(cè)試結(jié)果，“Med”是居中的測(cè)試結(jié)果，以及“Min”是最小的測(cè)試結(jié)果。該曲線圖顯示了鋁合金比鋼合金表現(xiàn)得更好?？紤]到鋁制管可以提供約66％的重量減輕，這具有重要意義。鋼制的盤繞管件目前在美國(guó)由三家主要的CT供應(yīng)商制造和供應(yīng)。這包括優(yōu)質(zhì)管道-國(guó)民油井華高公司(Quality Tubing-National Oilwell Varco)、泰納瑞斯公司(Tenaris)以及全球油管公司(Global Tubing)。雖然使用的基礎(chǔ)鋼合金在成分上相似，命名習(xí)慣根據(jù)供應(yīng)商而變化。Quality Tubing產(chǎn)品從QT-700、QT-800、QT-900到QT-1300。全球油管公司(Global Tubing)提供范圍從GT-80直到GT-110的產(chǎn)品。泰納瑞斯公司(Tenaris)提供范圍從HS-70到HS-110的產(chǎn)品。所有這些供應(yīng)商采用在下文描述的輥軋成型和高頻縫焊工藝來(lái)制造其管件。

本公開內(nèi)容的鋁組分相比于典型的CT鋼合金的另一有益性質(zhì)為，所述鋁組分具有在CT運(yùn)轉(zhuǎn)期間發(fā)生的低循環(huán)(高塑性應(yīng)變范圍)疲勞事件期間周期性硬化的能力。普通CT鋼在低循環(huán)(高塑性應(yīng)變范圍)疲勞事件下周期性地軟化。該應(yīng)變硬化特性使得在較高壓力CT應(yīng)用中通過(guò)所述選定的鋁組分能顯著地減輕重量。鋼的應(yīng)變受控的周期性軟化和鋁的周期性硬化的例子在圖13A和圖13B中示出，圖13A和圖13B來(lái)自題目為“現(xiàn)代疲勞分析設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”(Fundamentals of Modern Fatigue Analysis for Design)的文章，美國(guó)金屬協(xié)會(huì)的關(guān)于 疲勞和斷裂的手冊(cè)(ASM Handbook on Fatigue and Fracture)第19卷，第235頁(yè)。其中，M為單調(diào)的(monotonic)并且C為循環(huán)應(yīng)力(cyclic stress)。在圖13A中，SAE 1005-1009的鋼樣本從0.13英寸的厚度被冷軋至0.109英寸的厚度，展現(xiàn)了約65ksi的單調(diào)的屈服強(qiáng)度。在塑性應(yīng)變范圍內(nèi)循環(huán)該鋼樣本后，屈服應(yīng)力經(jīng)過(guò)一定數(shù)量的循環(huán)時(shí)減少并最終穩(wěn)定在約38ksi。該材料響應(yīng)被描述為應(yīng)變軟化材料響應(yīng)。對(duì)于圖13B中描繪的2024-T351鋁的樣本，該情況相反。此鋁合金展現(xiàn)了材料的循環(huán)應(yīng)變硬化反應(yīng)。在該情況下，單調(diào)屈服(yield)為約45ksi到56ksi，分別取決于該單調(diào)屈服是在壓縮還是張緊中測(cè)試的。在塑性應(yīng)變范圍內(nèi)循環(huán)鋁樣本后，屈服應(yīng)力經(jīng)歷一定數(shù)量的循環(huán)而增加并最終穩(wěn)定在約63ksi。穩(wěn)定的屈服應(yīng)力是盤繞管件的性能中的關(guān)鍵要素。作為本公開內(nèi)容的一方面，應(yīng)理解，本公開內(nèi)容的鋁合金的應(yīng)變硬化能力相較于鋼合金的應(yīng)變軟化是將鋁運(yùn)用到CT的優(yōu)勢(shì)。

如上所述，采用鋁作為CT的材料導(dǎo)致盤繞卷盤的單位重量相比于現(xiàn)用的鋼盤繞卷盤的單位重量顯著的減少。盤繞管件的卷盤通常在定制的(custom)CT拖拉機(jī)拖車(tractor trailers)上由商用車輛從一地運(yùn)輸?shù)搅硪坏亍＿@些車輛使用美國(guó)和外國(guó)的進(jìn)行石油和天然氣開采活動(dòng)的道路和橋梁系統(tǒng)。重量減輕的重要性由于這些車輛總重量而發(fā)揮作用。CT車輛平均具有約165000磅的總車重。更新、更高容量的車輛達(dá)到240000磅以上的總車重。鋼制盤繞管件的卷盤在任何地方重達(dá)80000到110000磅，取決于CT的應(yīng)用和相應(yīng)的尺寸，從鋼轉(zhuǎn)換為鋁能夠潛在地減輕25000到50000磅或更多的重量。盤繞卷盤的單位重量的減少顯著地減少卡車或拖車必須運(yùn)載的負(fù)荷。僅該重量減少就對(duì)該產(chǎn)業(yè)是重要的。此外，由于他們的結(jié)構(gòu)負(fù)荷要求將會(huì)顯著地減少，所以盤繞卷盤重量的減少還使得運(yùn)輸CT的車輛顯著地減輕。定制的高容量CT車輛需要特殊許可以在公用道路上行駛。這些許可是昂貴的并且在各個(gè)國(guó)家以及在特定國(guó)家的各個(gè)縣之間的許可要求都不一樣。此外，還要考慮橋梁的額定載荷限制(load rating limits)。如果超出這些限制，則需要使用替代路線，這通常代表著對(duì)運(yùn)營(yíng)者的 額外的時(shí)間和花費(fèi)。進(jìn)一步，如果CT卡車超出特定道路的載荷限制，它們可能因?yàn)椴蛔袷叵拗贫涣P款。

根據(jù)本公開內(nèi)容的鋁CT的另一顯著的優(yōu)勢(shì)是，在使用中減少井下(downhole)的扭矩和阻力。在10磅/加侖(lg/gal)的泥中，鋁CT的重量為相同尺寸的鋼CT的24％。在特定的井剖面中(in certain well profiles)，扭矩和阻力的減少可以促進(jìn)在屈曲之前的更長(zhǎng)的行程，更低的軸向應(yīng)力和較少的伸展和纏繞(windup)。利用鋁而不是現(xiàn)用的鋼的另一益處是通過(guò)回收的更好的可持續(xù)發(fā)展性?；厥帐褂煤蟮匿X目前提供比鋼多約8到10倍的回收價(jià)值。

將鋁合金用于有縫管的制備

雖然如上文描述的，不具有連接或接縫的連續(xù)長(zhǎng)度的鋁管展現(xiàn)了有益的特質(zhì)，但是可能有需要有縫鋁管的情況，例如，在那些情況中現(xiàn)有的鋼管形成設(shè)備被用于制造管件?，F(xiàn)有技術(shù)中有縫管的制備按照以下的方法使用鋼進(jìn)行。在CT的直徑被選定后，具有合適的厚度的鋼的主盤繞卷(master coil)，以形成管的周長(zhǎng)所需的寬度被切割成條狀。然后，多片經(jīng)切割的鋼被首尾相接地焊接以形成連續(xù)長(zhǎng)度的鋼。被焊接的鋼片之后被卷到收帶(take-up)卷盤上，直至積累了足夠長(zhǎng)度的鋼。之后，鋼板從盤繞卷被繞下，并穿過(guò)一系列輥軋(roller die)，機(jī)械地將扁平的鋼軋成管狀。在最后一組成型輥(forming rollers)之前的一個(gè)點(diǎn)，管壁的邊緣被非常接近彼此地放置。之后，這些邊緣通過(guò)被稱為高頻感應(yīng)(HFI)焊接的電焊過(guò)程被連接在一起。在需要時(shí)，額外的順序過(guò)程(in-line processing)諸如焊瘤去除、焊縫退火、熱處理和渦流檢測(cè)(eddy-current inspection)也可以是該工藝中的一部分。在運(yùn)輸之前，工藝的最后的步驟為盤繞和壓力測(cè)試過(guò)程。

作為本公開內(nèi)容的一個(gè)方面，應(yīng)理解，上文公開的2XXX鋁可以被用于形成具有縱向焊縫和不連續(xù)的橫向焊縫以連接管的長(zhǎng)度從而形成更長(zhǎng)長(zhǎng)度的傳統(tǒng)的管。本公開內(nèi)容的另一方面，應(yīng)理解，超長(zhǎng)金屬管，諸如CT，可以使用連續(xù)長(zhǎng)度的扁平鋁合金備件(stock)來(lái)成 形，該鋁合金備件隨后被卷成圓筒(cylinder)并且在縱向焊縫處接合，但是由于扁平備件的長(zhǎng)度，不需要橫向的接合。可選地，橫向的接合可以被用于連接較短長(zhǎng)度的鋁扁平備件。在一個(gè)可選項(xiàng)中，超長(zhǎng)的扁平鋁備件被接納在存儲(chǔ)片軸上(the long length of flat aluminum stock is taken up on a storage spool)，即盤繞的，并且隨后被展開(unspooled)以扎制(rolling)和接縫(seaming)。在另一方面，該長(zhǎng)的扁平鋁備件被軋制成圓筒(管)并且如其被制造的那樣被縱向地接合，例如，通過(guò)連續(xù)鑄造。生產(chǎn)上文提到的長(zhǎng)的扁平鋁備件的示例性的連續(xù)板材或板鑄造過(guò)程被公開在美國(guó)專利號(hào)為6,672,368的“鋁的連續(xù)鑄造”(Continuous Casting of Aluminum)和美國(guó)專利號(hào)為7,125,612“有色金屬的鑄造”(Casting of Non-Ferrous Metals)，其兩者都由本申請(qǐng)的受讓人所擁有，并且他們?nèi)績(jī)?nèi)容通過(guò)引用并入本文。生成的(resultant)圓柱形管件之后被盤繞在卷盤上來(lái)儲(chǔ)存，避免了子長(zhǎng)度在橫向連接上的接合。在本實(shí)用新型的另一方面，鋼扁平備件的連續(xù)長(zhǎng)度可以使用上文描述的連續(xù)工藝中的一個(gè)而被產(chǎn)生，例如，連續(xù)鑄造，并且之后被軋制成圓筒(管)并且被接合來(lái)生成期望的給定長(zhǎng)度的沒(méi)有橫向焊縫的連續(xù)管件。可選地，連續(xù)的扁平鋼備件在展開(uncoiling)之前可以被盤繞、軋制以及沿縱向接縫接合以生成給定長(zhǎng)度的沒(méi)有橫向焊縫的連續(xù)管件。

用于本公開內(nèi)容管件的示例性使用

隨著將來(lái)需要更加深入和偏遠(yuǎn)的勘探、鉆井和提取，由于盤繞卷相當(dāng)重且不能以節(jié)省成本和具有時(shí)效性的方式從一個(gè)地方運(yùn)輸至其它地方，因此，超長(zhǎng)盤繞管件產(chǎn)品會(huì)變得難于負(fù)擔(dān)。根據(jù)本公開內(nèi)容生產(chǎn)的盤繞管件可用于多種應(yīng)用，包括與清掃沙子或高效運(yùn)輸固體物有關(guān)的井下干預(yù)和鉆井應(yīng)用。從井眼中清潔出沙子或固體物的過(guò)程要求將流體向下泵入井中，將固態(tài)物捕獲到洗滌流體中，接著將固態(tài)物攜載到表面。盤繞管件可以被注入(injected)和用作虹吸繩(siphon string)以移除水垢(scale)、產(chǎn)生的砂(produced sand)、壓裂砂(frac sand)和廢石(debris)。盤繞管件被大量用于井下干預(yù)活動(dòng)，包括：孔的清掃、給井眼打孔、以及取回和替換損壞的儀器。盤繞管件被用于在較長(zhǎng)的水平井眼構(gòu)造中運(yùn)輸接線工具和傳遞震動(dòng)作用。盤繞管件可被用作能被推進(jìn)至管線的導(dǎo)管，其中該管線的端部附接有特殊的工具。導(dǎo)管允許以一定壓力泵入特殊化學(xué)品來(lái)移除管線中的水垢和蠟的堆積物。盤繞管件允許實(shí)時(shí)的井下測(cè)量，該井下測(cè)量可以用于記錄操作和井眼處理。在一些實(shí)例中，CT可用于高壓泵送以將高壓施加到可能產(chǎn)生的儲(chǔ)液器，這導(dǎo)致井眼附近的崩塌且改進(jìn)了滲透性和儲(chǔ)液器的性能。根據(jù)本公開內(nèi)容生產(chǎn)的CT管件可用于上述任何應(yīng)用。

本公開內(nèi)容的CT還可以用于速度繩(velocity string)。更具體地，根據(jù)本公開內(nèi)容的盤繞管件快速進(jìn)入已有的生產(chǎn)井以降低有效的流動(dòng)面積來(lái)允許用自然的儲(chǔ)液器壓力提升儲(chǔ)液器中的水，允許自然壓力維持成熟生產(chǎn)井中的產(chǎn)量。在另一使用中，CT可以用作電動(dòng)潛水泵(electrical submersible pump,ESP)電纜導(dǎo)管，其中ESP電纜可在安裝之前被插入到盤繞管件中，使得管件變成ESP電纜的支撐構(gòu)件以快速部署和取回ESP。CT還可用于鉆孔。更具體地，近幾年已經(jīng)使用用來(lái)打孔的向下鉆進(jìn)的電機(jī)作出改進(jìn)。這些進(jìn)步已經(jīng)使得新技術(shù)能夠從“母井”中橫向鉆孔。一些新的盤繞管件鉆機(jī)能夠鉆孔和探察井(case well)以在節(jié)省時(shí)間方面具有驚人的改進(jìn)。跡象是，具有繁重負(fù)擔(dān)的盤繞管件鉆孔技術(shù)正朝向用于鉆井需求更大的3-1/2”和4-1/2”管件前進(jìn)。本文公開的制造工藝和合金不限制直徑和壁厚。因此，隨著直徑繼續(xù)增長(zhǎng)，鋁能夠在不損失性能的情況下繼續(xù)提供顯著的重量節(jié)省。本公開內(nèi)容的CT還可用于管線清潔的目的，其中盤繞管件可被用作能被推進(jìn)至管線的導(dǎo)管，其中該管線的端部附接有特殊的工具。CT允許以一定壓力泵入特殊化學(xué)品來(lái)移除管線中的水垢和蠟的堆積物。

應(yīng)當(dāng)理解的是，本文公開的實(shí)施方式僅是示例性的，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不違背要求保護(hù)的主題的精神和范圍的情況下做出多種改變和改進(jìn)。所有這些改變和改進(jìn)旨在被包括在本公開的范圍內(nèi)。