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図面 (20)

課題・解決手段

摩擦および高摩耗抵抗を有する、サッカーロッドガイドが、それを備える、流体抽出システムとともに、本明細書に開示される。サッカーロッドガイドの外部表面の少なくとも一部は、約5〜約20重量%ニッケルと、約5〜約10重量%スズとを含み、残部が銅であり、少なくとも75ksiの0.2%オフセット降伏強度を有する、冷間加工され、スピノーダル硬化性である、またはスピノーダル硬化された、銅合金から形成される。ガイドは、サッカーロッドの表面を囲繞し、それに係合するように適合される、平滑ボアを含む。ガイドの外部表面は、2つの端部間に伸びる、溝を含むことができる。特定の実施形態では、ガイドは、2つの同じガイド区画をともに継合することによって作製される。他の実施形態では、ガイドは、サッカーロッドの周囲に成型された単一一体型部片である。

概要

背景

背景
流体抽出装置は、典型的には、地下リザーバから流体を抽出するためのポンプと、それを通して生産された流体が進行する、導管生産用管類としても知られる)と、電力をポンプに提供するための電源と、電源およびポンプに接続する、サッカーロッド昇降システムとを含む。抽出のための典型的流体は、水と、油およびガスを含む、種々の炭化水素とを含む。

サッカーロッド昇降システムは、カップリングによってともに継合され、導管または生産用管類の内側に据え付けられる、一連のサッカーロッドを含む。サッカーロッドの外側表面と導管の内側表面(両方とも、概して、鋼鉄から作製される)との間の反復的接触によって生じる、導管への損傷は、導管の機械完全性を損なわせ、導管によって環境の中に搬送される流体の漏出つながり得る。そのような漏出は、事実上、圧送プロセスを停止させ、多くの場合、そのような故障是正するための非常にコストがかかる付加的動作につながる。

導管への損傷は、概して、逸脱された坑井(水平および垂直に進行する、坑井)または非線形掘削プロセスによって生産された坑井等、坑井壁湾曲された状況において生じる可能性がより高い。サッカーロッドガイドが、サッカーロッドの周囲に設置され、坑井ケーシングに接触するロッドを最小限にし、それによって、全体的損傷を低減させることができる。しかしながら、接触は、依然として、サッカーロッドガイドと坑井ケーシングとの間で生じるであろう。故に、改良された性質を有する、新しいサッカーロッドガイドを開発することが望ましいであろう。

概要

摩擦および高摩耗抵抗を有する、サッカーロッドガイドが、それを備える、流体抽出システムとともに、本明細書に開示される。サッカーロッドガイドの外部表面の少なくとも一部は、約5〜約20重量%ニッケルと、約5〜約10重量%スズとを含み、残部が銅であり、少なくとも75ksiの0.2%オフセット降伏強度を有する、冷間加工され、スピノーダル硬化性である、またはスピノーダル硬化された、銅合金から形成される。ガイドは、サッカーロッドの表面を囲繞し、それに係合するように適合される、平滑ボアを含む。ガイドの外部表面は、2つの端部間に伸びる、溝を含むことができる。特定の実施形態では、ガイドは、2つの同じガイド区画をともに継合することによって作製される。他の実施形態では、ガイドは、サッカーロッドの周囲に成型された単一一体型部片である。

目的

(背景)
流体抽出装置は、典型的には、地下リザーバから流体を抽出するためのポンプと、それを通して生産された流体が進行する、導管(生産用管類としても知られる)と、電力をポンプに提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

この技術が所属する分野

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請求項1

請求項2

炭素鋼に対して測定されるとき、0.4未満の滑り摩擦係数を有する、請求項1に記載のサッカーロッドガイド。

請求項3

前記銅−ニッケル−スズ合金は、前記サッカーロッドガイドの外部表面上に存在する、請求項1に記載のサッカーロッドガイド。

請求項4

前記銅−ニッケル−スズ合金は、1つ以上の銅−ニッケル−スズ合金インサートの形態にある、請求項1に記載のサッカーロッドガイド。

請求項5

前記1つ以上の銅−ニッケル−スズ合金インサートは、前記サッカーロッドガイドの外部表面の少なくとも一部を構成する、請求項4に記載のサッカーロッドガイド。

請求項6

前記銅−ニッケル−スズ合金は、約5重量%〜約20重量%ニッケルと、約5重量%〜約10重量%スズとを含み、前記合金は、少なくとも75ksiの0.2%オフセット降伏強度を有する、請求項1に記載のサッカーロッドガイド。

請求項7

第1の端部、第2の端部、外側本体直径、および外部表面を有する、縦方向本体と、サッカーロッドに係合するように適合される、前記第1の端部から前記第2の端部に延在する、前記縦方向本体内の平滑内部ボアとをさらに備える、請求項1に記載のサッカーロッドガイド。

請求項8

前記縦方向本体は、非銅合金材料を含む、請求項7に記載のサッカーロッドガイド。

請求項9

前記非銅合金材料は、ポリマー樹脂である、請求項6に記載のサッカーロッドガイド。

請求項10

(A)少なくとも1つの溝は、前記第1の端部から前記第2の端部に伸びる、(B)(1)前記少なくとも1つの溝は、前記第1の端部から前記第2の端部に延在する縦軸と平行に伸びる、または(2)前記少なくとも1つの溝は、前記第1の端部から前記第2の端部に螺旋状に伸びる、請求項7に記載のサッカーロッドガイド。

請求項11

サッカーロッドガイドアセンブリであって、サッカーロッドと、前記サッカーロッドに添着されるサッカーロッドガイドであって、前記サッカーロッドガイドは、銅−ニッケル−スズ合金を含み、前記サッカーロッドガイドは、炭素鋼に対して測定されるとき、0.4未満の滑り摩擦係数を有する、サッカーロッドガイドとを備える、サッカーロッドガイドアセンブリ。

請求項12

前記サッカーロッドガイドは、前記サッカーロッドに成型される、請求項11に記載のサッカーロッドガイドアセンブリ。

請求項13

前記銅−ニッケル−スズ合金は、前記サッカーロッドガイドの外部表面の少なくとも一部上に形成される、請求項11に記載のサッカーロッドガイドアセンブリ。

請求項14

前記銅−ニッケル−スズ合金は、前記サッカーロッドガイドの外部表面の少なくとも一部を形成する、1つ以上の銅−ニッケル−スズ合金インサートを含む、請求項11に記載のサッカーロッドガイドアセンブリ。

請求項15

前記銅−ニッケル−スズ合金は、約5重量%〜約20重量%ニッケルと、約5重量%〜約10重量%スズとを含み、前記合金は、少なくとも75ksiの0.2%オフセット降伏強度を有する、請求項11に記載のサッカーロッドガイドアセンブリ。

請求項16

接着剤は、前記サッカーロッドガイドを前記サッカーロッドに添着する、請求項11に記載のサッカーロッドガイドアセンブリ。

請求項17

サッカーロッドガイド区画であって、第1の端部および第2の端部を有する、区画本体と、ある半径を有し、前記区画本体を通して縦方向に延在する、半円筒形中心チャネルと、前記区画本体の内部表面の対向側にあり、前記サッカーロッドガイド区画が別の関連付けられたサッカーロッドガイド区画に対して縦方向にのみ移動することを可能にするように適合される、第1の摺動継合部および第2の摺動継合部と、前記区画本体の第1の側を通して延在し、関連付けられた締結具が前記サッカーロッドガイド区画を前記関連付けられたサッカーロッドガイド区画に固着させることを可能にするように適合される、少なくとも1つの開口とを備え、前記サッカーロッドガイド区画の外部表面は、炭素鋼に対して測定されるとき、0.4未満の滑り摩擦係数を有する、サッカーロッドガイド区画。

請求項18

前記区画本体は、約5重量%〜約20重量%ニッケルと、約5重量%〜約10重量%スズとを含む、銅−ニッケル−スズ合金から作製され、前記合金は、少なくとも75ksiの0.2%オフセット降伏強度を有する、請求項17に記載のサッカーロッドガイド区画。

請求項19

前記区画本体の外部表面は、非銅合金材料でコーティングされる、または前記区画本体は、非銅合金材料から作製され、銅合金インサートは、外部表面に近接して前記区画本体内に存在する、請求項17に記載のサッカーロッドガイド区画。

請求項20

前記第1の摺動継合部は、ピンであり、前記第2の摺動継合部は、尾部である、請求項17に記載のサッカーロッドガイド区画。

請求項21

前記ピンおよび前記尾部はそれぞれ、傾斜側壁を有する、請求項20に記載のサッカーロッドガイド区画。

請求項22

前記第1の摺動継合部および前記第2の摺動継合部は両方とも、ピンである、または両方とも、尾部である、請求項17に記載のサッカーロッドガイド区画。

請求項23

前記少なくとも1つの開口は、相互から離間され、前記区画本体の前記第1の端部と前記第2の端部との間に延在する、複数の開口である、請求項17に記載のサッカーロッドガイド区画。

請求項24

(I)前記サッカーロッドガイド区画はさらに、前記区画本体の外部表面内の少なくとも1つの縦方向溝を備え、(A)前記少なくとも1つの縦方向溝は、前記溝が前記区画本体の前記第1の端部から前記第2の端部に伸びるにつれて、前記区画本体の第1の側から前記区画本体の第2の側に螺旋状に進むか、または(B)前記少なくとも1つの縦方向溝は、前記区画本体の前記第1の端部から前記第2の端部に縦方向に伸びるか、もしくは(II)前記サッカーロッドガイド区画はさらに、前記区画本体の対向側の前記区画本体の外部表面内の一対の縦方向溝を備え、各溝は、前記区画本体の前記第1の端部から前記第2の端部に縦方向に伸びるかのいずれかである、請求項17に記載のサッカーロッドガイド区画。

請求項25

前記区画本体はさらに、中央部分を備え、前記第1の端部および前記第2の端部は、前記中央部分の外径が前記第1の端部および前記第2の端部の直径を上回るように、前記中央部分に向かってテーパ状になる、請求項17に記載のサッカーロッドガイド区画。

請求項26

ポンプシステムであって、坑内ポンプと、前記坑内ポンプに給電するための電源と、前記坑内ポンプと前記電源との間に位置する少なくとも1つのサッカーロッドと、前記少なくとも1つのサッカーロッドを囲繞する少なくとも1つのサッカーロッドガイドであって、前記サッカーロッドガイドは、外部表面であって、前記外部表面の少なくとも一部は、銅−ニッケル−スズ合金から成る、外部表面と、前記サッカーロッドに係合するように適合される平滑内部ボアとを備え、前記サッカーロッドは、前記平滑内部ボアを通して通過し、前記サッカーロッドガイドは、炭素鋼に対して測定されるとき、0.4未満の滑り摩擦係数を有する、サッカーロッドガイドとを備える、ポンプシステム。

技術分野

0001

(関連出願の相互参照
本願は、参照することによってその全体として組み込まれる、2017年12月28日に出願された、米国仮特許出願第62/611,250号の優先権を主張する。

0002

本開示は、少なくとも部分的に、スピノーダル硬化性である銅合金またはスピノーダル硬化された銅合金から作製される、低摩擦および高摩耗耐性サッカーロッドガイドに関する。ガイドは、特に、油およびガス産業において作製および使用されるもの等の流体抽出装置の、生産用管類としても知られる、導管内に、サッカーロッドを誘導し、心合させるために有用である。本明細書に開示されるサッカーロッドガイドは、他の特性の中でもとりわけ、摩擦を低減させ、摩耗抵抗し、導管の内径への損傷を限定し、流体抽出を向上させ、全体的坑井操業コストを低減させる。

背景技術

0003

背景
流体抽出装置は、典型的には、地下リザーバから流体を抽出するためのポンプと、それを通して生産された流体が進行する、導管(生産用管類としても知られる)と、電力をポンプに提供するための電源と、電源およびポンプに接続する、サッカーロッド昇降システムとを含む。抽出のための典型的流体は、水と、油およびガスを含む、種々の炭化水素とを含む。

0004

サッカーロッド昇降システムは、カップリングによってともに継合され、導管または生産用管類の内側に据え付けられる、一連のサッカーロッドを含む。サッカーロッドの外側表面と導管の内側表面(両方とも、概して、鋼鉄から作製される)との間の反復的接触によって生じる、導管への損傷は、導管の機械完全性を損なわせ、導管によって環境の中に搬送される流体の漏出つながり得る。そのような漏出は、事実上、圧送プロセスを停止させ、多くの場合、そのような故障是正するための非常にコストがかかる付加的動作につながる。

0005

導管への損傷は、概して、逸脱された坑井(水平および垂直に進行する、坑井)または非線形掘削プロセスによって生産された坑井等、坑井壁湾曲された状況において生じる可能性がより高い。サッカーロッドガイドが、サッカーロッドの周囲に設置され、坑井ケーシングに接触するロッドを最小限にし、それによって、全体的損傷を低減させることができる。しかしながら、接触は、依然として、サッカーロッドガイドと坑井ケーシングとの間で生じるであろう。故に、改良された性質を有する、新しいサッカーロッドガイドを開発することが望ましいであろう。

発明が解決しようとする課題

0006

(簡単な説明)
本開示は、少なくとも部分的に、スピノーダル硬化性銅合金またはスピノーダル硬化された銅合金から作製される、サッカーロッドガイドに関する。サッカーロッドガイドは、銅合金から均一に作製されてもよい、または銅合金は、サッカーロッドガイド(またはその一部)の外部表面上にのみ存在してもよい、もしくは銅合金は、最初に、外部表面上に暴露されるか、または最初に、サッカーロッドガイドの内部内隠蔽される(および後に暴露される)かのいずれかである、インサートとして存在してもよい。銅合金は、サッカーロッドガイドに、高引張強度高疲労強度高破壊靱性摩耗抵抗、低摩擦、および耐食性を含む、性質の組み合わせを提供する。銅合金の使用は、ガイドおよびそのようなガイドを使用するポンプシステム内の他の構成要素への破壊的損傷の発生を低減させながら、流体回収動作の間、機械的機能性および効率を提供する。これはまた、そのような構成要素の有用な耐用年数延長し、坑井から流体を回収するために使用される機器のコストを有意に低減させる。

課題を解決するための手段

0007

種々の実施形態において本明細書に開示されるのは、銅−ニッケルスズ合金から成る、サッカーロッドガイドである。いくつかの実施形態では、銅−ニッケル−スズ合金は、サッカーロッドガイドの外部表面の少なくとも一部を構成する。他の実施形態では、銅−ニッケル−スズ合金は、少なくとも部分的に、ポリマー樹脂等の非銅合金材料内に囲まれる。

0008

一実施形態では、サッカーロッドガイドは、第1の端部、第2の端部、外側本体直径、および外部表面を有する、縦方向本体を有する。サッカーロッドガイドはまた、サッカーロッドに係合するように適合される、第1の端部から第2の端部に延在する、縦方向本体内の平滑内部ボアを有する。サッカーロッドガイドの外部表面の少なくとも一部は、銅−ニッケル−スズ合金から成る。

0009

いくつかの実施形態では、外部表面の少なくとも一部を構成する、銅−ニッケル−スズ合金は、銅−ニッケル−スズ合金の層の形態にある。本層は、例えば、ポリマー樹脂と混合される、高パーセンテージの銅−ニッケル−スズ合金を含有してもよい。銅−ニッケル−スズ合金は、樹脂内に粉末として分散されてもよく、濃度勾配は、サッカーロッドガイドの中心における低濃度金属合金粉末から、サッカーロッドガイドの外部表面における高濃度の金属合金粉末に及ぶ。

0010

他の実施形態では、外部表面の少なくとも一部を構成する、銅−ニッケル−スズ合金は、1つ以上の銅合金インサートの形態にある。サッカーロッドガイドの残りは、ポリマー樹脂等の代替材料から形成されることができる。銅−ニッケル−スズ合金は、約5重量%〜約20重量%ニッケルと、約5重量%〜約10重量%スズとを含んでもよく、合金は、少なくとも75ksiの0.2%オフセット降伏強度を有する。

0011

また、本明細書に開示されるのは、サッカーロッドと、サッカーロッドに添着される、低摩擦および高摩耗耐性サッカーロッドガイドとを備える、サッカーロッドガイドアセンブリである。サッカーロッドガイドは、上記に説明されるような構造を有してもよく、サッカーロッドが、内部ボアを通して伸びる。

0012

本明細書の種々の実施形態においてさらに開示されるのは、別個部品の対または組み合わせにおいて使用され、サッカーロッドガイドを形成し得る、サッカーロッドガイド区画である。そのようなガイド区画は、第1の端部および第2の端部を有する、区画本体と、ある半径を有し、区画本体を通して縦方向に延在する、半円筒形中心チャネルと、区画本体の内部表面の対向側にあり、サッカーロッドガイド区画が別の関連付けられたサッカーロッドガイド区画に対して縦方向にのみ移動することを可能にするように適合される、第1の摺動継合部および第2の摺動継合部と、区画本体の第1の側を通して延在し、関連付けられた締結具がサッカーロッドガイド区画を関連付けられたサッカーロッドガイド区画に固着させることを可能にするように適合される、少なくとも1つの開口とを備えてもよい。

0013

いくつかの実施形態では、蟻継ぎ継合部が使用されるように、第1の摺動継合部は、ピンであり、第2の摺動継合部は、尾部である。2つの同じガイド区画が、サッカーロッドガイドを形成するために使用されることができる。他の実施形態では、第1の摺動継合部および第2の摺動継合部は両方とも、ピンである、または両方とも、尾部である。2つのピンを有する、ガイド区画が、2つの尾部を有するガイド区画と併用され、サッカーロッドガイドを形成することが検討される。特定の実施形態では、ピンおよび尾部はそれぞれ、傾斜側壁を有する。

0014

他の実施形態では、サッカーロッドガイド区画は、相互から離間され、区画本体の第1の端部と第2の端部との間に延在する、複数の開口を有する。

0015

サッカーロッドガイド区画はさらに、区画本体の外部表面内の少なくとも1つの縦方向溝を備えることができる。時として、少なくとも1つの縦方向溝は、溝が、区画本体の第1の端部から第2の端部に伸びるにつれて、区画本体の第1の側から区画本体の第2の側に螺旋状に進む。他の事例では、少なくとも1つの縦方向溝は、区画本体の第1の端部から第2の端部に縦方向に伸びる。特定の実施形態では、一対の縦方向溝が、区画本体の対向側の区画本体の外部表面内に存在し、各溝は、区画本体の第1の端部から第2の端部に縦方向に伸びる。

0016

区画本体はさらに、中央部分を備えてもよく、第1の端部および第2の端部は、中央部分の外径が第1の端部および第2の端部の直径を上回るように、中央部分に向かってテーパ状になる。テーパは、例えば、線形または放物線のいずれかであることができる。

0017

区画本体は、約5重量%〜約20重量%ニッケルと、約5重量%〜約10重量%スズとを含む、銅−ニッケル−スズ合金から作製されることができ、合金は、少なくとも75ksiの0.2%オフセット降伏強度を有する。付加的実施形態では、区画本体の外部表面は、ポリマー樹脂または有機複合材コーティングされることができる。金属区画本体は、外部コーティングのためのフレームとして作用する。

0018

他の代替実施形態では、区画本体は、固化されたポリマー樹脂または有機複合材から作製され、銅合金インサートが、区画本体内に存在する。これらの実施形態では、サッカーロッドガイド区画は、初めは、摩耗し、最終的に、金属インサートの表面を暴露させるであろうことが検討される。銅合金インサートは、次いで、さらなるシステム摩耗を遅延させるであろう。

0019

また、本明細書に開示されるのは、第1の端部、第2の端部、外側本体直径、および外部表面を有する、縦方向本体と、サッカーロッドに係合するように適合される、第1の端部から第2の端部に延在する、縦方向本体内の平滑内部ボアと、第1の端部から第2の端部に伸びる、少なくとも1つの溝とを備える、サッカーロッドガイドである。これらのサッカーロッドガイドは、1つの一体型本体として作製されることができる、または上記に説明されるように、ガイド区画から作製されることができる。

0020

いくつかの実施形態では、サッカーロッドガイドはさらに、外部表面から内部ボアに半径方向に延在する、少なくとも1つの開口を備え、開口は、サッカーロッドガイドを関連付けられたサッカーロッドに対して定位置に固着するための関連付けられた締結具を受容するように適合される。

0021

また、本明細書に開示されるのは、サッカーロッドと、上記に説明されるようなサッカーロッドガイドとを備える、サッカーロッドガイドアセンブリである。サッカーロッドは、サッカーロッドガイドの平滑内部ボアを通して通過し、サッカーロッドガイドに継合される。

0022

接着剤が、サッカーロッドおよびサッカーロッドガイドを継合するために使用されることができる。代替として、サッカーロッドガイドはさらに、外部表面から内部ボアに半径方向に延在する、開口と、サッカーロッドガイドをサッカーロッドに固着するために開口を通して通過する、締結具とを備えることができる。他の接続手段もまた、本明細書で検討される。

0023

本明細書にさらに開示されるのは、坑内ポンプと、坑内ポンプに給電するための電源と、坑内ポンプと電源との間に位置する、少なくとも1つのサッカーロッドとを備える、ポンプシステムである。サッカーロッドガイドは、サッカーロッドを囲繞し、上記に説明されるような構造を有する。

0024

さらに開示されるのは、サッカーロッドストリングを使用して、坑内ポンプをモータに接続するステップと、サッカーロッドストリングを使用して、坑内ポンプを動作させ、流体を坑井から抽出するステップとを含む、流体を坑井から抽出する方法である。サッカーロッドストリングは、銅−ニッケル−スズ合金から成る、サッカーロッドガイドのセットを備え、銅−ニッケル−スズ合金は、約8〜約20重量%ニッケルと、約5〜約11重量%スズとを含み、炭素鋼に対して測定されるとき、0.4未満の滑り摩擦係数を有する。

0025

特定の実施形態では、坑井は、逸脱された坑井または非線形傾斜掘削によって生産された坑井である。

0026

本開示のこれらおよび他の非限定的特性が、下記により具体的に開示される。

0027

以下は、図面の簡単な説明であって、これは、本明細書に開示される例示的実施形態を図示する、目的のために提示され、それを限定する目的のためのものではない。

図面の簡単な説明

0028

図1は、本開示による、サッカーロッドガイドアセンブリの略図である。

0029

図2Aは、図1のサッカーロッドガイドの平面断面図である。

0030

図2Bは、付加的詳細を示す、図1のサッカーロッドガイドの平面断面図である。

0031

図3は、本開示による、サッカーロッドガイド区画の一実施形態の斜視図である。

0032

図4Aは、さらなる詳細を示す、図2のサッカーロッドガイド区画の内部表面の平面図である。図4Bは、図2のサッカーロッドガイド区画の上面図である。図4Cは、尾部の詳細を示す、図4Bの上面図の第1の側の拡大された上面図である。図4Dは、ピンの詳細を示す、図4Bの上面図の第2の側の拡大された上面図である。図4Eは、2つの同じサッカーロッドガイド区画が、ともに継合され、サッカーロッドガイドを形成する方法を示す、上面図である。

0033

図5は、本開示による、サッカーロッドガイドの平面(すなわち、縦軸を俯瞰的に見たときの)図である。

0034

図6は、サッカーロッドガイドの2つの端部間に延在する縦軸と平行に伸びる溝を伴う、サッカーロッドガイドの外側面図である。サッカーロッドガイドの端部は、線形にテーパ状である。

0035

図7は、サッカーロッドガイドの2つの端部間に延在する縦軸と平行に伸びる溝を伴う、サッカーロッドガイドの外側面図である。溝は、螺旋断面を有する、すなわち、縦軸に対して角度付けられる。サッカーロッドガイドの端部は、線形にテーパ状である。

0036

図8は、本開示による、サッカーロッドガイド区画の代替実施形態の上面図である。本実施形態では、ガイド区画は、銅金属合金から作製され、ガイドの外部表面区画は、ポリマー樹脂でコーティングされる。

0037

図9は、本開示による、サッカーロッドガイド区画の別の代替実施形態の上面図である。本実施形態では、ガイド区画本体は、ポリマー樹脂または有機複合材等の非銅合金材料から作製される。1つ以上の銅合金インサートは、外部表面に近接して、ガイド区画本体内に存在する。

0038

図10は、本開示による、圧送システムの略図である。

0039

図11は、逸脱された坑井の略図である。

0040

図12は、逸脱された坑井のキックオフポイント(KOP)の拡大図である。サッカーロッドガイドは、生産用管類に接触するように見られ得、これは、摩耗をもたらす。

0041

図13は、本開示による、サッカーロッドガイドアセンブリの付加的の実施形態の平面(すなわち、縦軸を俯瞰的に見たときの)図である。ここでは、サッカーロッドガイドは、サッカーロッド上へのサッカーロッドガイドの直接成型によって形成される。サッカーロッドガイドは、ポリマー樹脂と銅合金粉末混成物から作製される。混成物が、成型された後、サッカーロッドガイドアセンブリは、回転され、これは、銅合金粉末をサッカーロッドガイドの外部表面に優先的に移動させる。

0042

図14は、本開示による、サッカーロッドガイドアセンブリの別の付加的実施形態の平面図である。ここでは、サッカーロッドガイドは同様に、サッカーロッド上へのサッカーロッドガイドの直接成型によって形成される。金型および成型プロセスは、銅合金インサートがサッカーロッドガイドの外部表面上に位置するように、1つ以上の銅合金インサートが位置付けられることを可能にする。

0043

図15は、材料を炭素鋼上で摺動させることによって測定される、種々の材料の典型的滑り摩擦係数を図示する、グラフである。

実施例

0044

(詳細な説明)
本明細書に開示される構成要素、プロセス、および装置のより完全な理解は、添付の図面を参照することによって得られることができる。これらの図は、単に、本開示の実証の利便性および容易性に基づく概略的表現であって、したがって、デバイスまたはその構成要素の相対的サイズおよび寸法を示すこと、および/または例示的実施形態の範囲を定義もしくは限定することを意図するものではない。

0045

以下の説明では、明確性の目的のため、具体的用語が使用されているが、これらの用語は、図面における例証のために選択された実施形態の特定の構成のみを指すことを意図しており、本開示の範囲を定義または限定することを意図するものではない。図面および下記の発明を実施するための形態では、同様の数字表示は、同様の機能の構成要素を指すものと理解されたい。

0046

「a」、「an」、および「the」の単数形は、文脈によって別様に明確に示されない限り、複数参照を含む。

0047

明細書および請求項において使用されるように、用語「comprise(s)(〜を備える)」、「include(s)(〜を含む)」、「having(〜を有する)」、「has(〜を有する)」、「can(〜することができる)」、「contain(s)(〜を含有する)」、およびこれらの変形は、本明細書で使用されるように、指名された原料/ステップの存在を要求し、かつ他の原料/ステップの存在を許容する、非制限的移行、用語、または単語であることが意図される。しかしながら、列挙された原料/ステップ「consisting of(から成る)」および「consisting essentially of(から実質的に成る)」のように説明される組成またはプロセスの説明は、指名された原料/ステップとともに、そこから結果として生じ得る任意の不可避不純物の存在のみを許容し、他の組成/ステップを排除するものと解釈されるべきである。

0048

本願の明細書および請求項の数値は、同数有効数字に丸められると同一である、数値と、値を判定するために本願に説明されたタイプの従来の測定技術における実験誤差未満だけ示された値と異なる、数値とを含むものと理解されるべきである。

0049

本明細書に開示される全ての範囲は、示された終点を含むものであり、独立して組み合わせ可能である(例えば、「2グラム〜10グラム」の範囲は、終点2グラムおよび10グラムと、さらにそれらの間の値の全てとを含む)。

0050

「約」および「実質的に」等の用語または複数の用語によって修飾される値は、規定された精密な値に限定されなくてもよい。近似用語は、値を測定するための器具の精度に対応してもよい。修飾語「約」はまた、2つの終点の絶対値によって定義された範囲を開示すると見なされるべきである。例えば、表現「約2〜約4」はまた、範囲「2〜4」を開示する。用語「約」は、示される数の±10%を指し得る。

0051

用語「関連付けられた」は、請求項において、請求される部品の機能または形状を説明または解説することに役立つ、請求されていない部品を指すために使用される。

0052

本開示は、滑り摩擦係数を参照する。そのような値は、「Standard Test Method for Ranking Resistance of Materials to Sliding Wear Using Block−on−Ring Wear Test」と題されたASTMG77−17、および「Standard Test Method for Calibration and Operation of the Falex Block−on−Ring Friction and Wear Testing Machine」と題されたASTMD2714−94(2014)に従って測定される。

0053

本開示は、少なくとも部分的に、スピノーダル硬化性銅合金またはスピノーダルに硬化された銅系合金から作製される、サッカーロッドガイド(およびその区画)に関する。本開示の銅合金は、強度、延性、高歪み率破壊靱性潤滑性、摩耗抵抗、およびかじり保護の組み合わせを有する、銅−ニッケル−スズ合金であってもよい。サッカーロッドガイドが、サッカーロッドの周囲に設置され、サッカーロッドを坑井壁/ケーシングに接触しないように保ち、それによって、損傷を低減させ、生産を向上させる。

0054

図10は、流体を坑井から抽出するためのンプシステム100の種々の部品を図示し、本開示のサッカーロッドガイドが使用される、状況を例証するために提供される。

0055

システム100は、研磨されたロッド部分125を含む、サッカーロッド124のストリングを往復運動させる、移動ビーム122を有する。サッカーロッド124のストリングは、坑井128の底部に配置される坑内ポンプ126を作動させるために、ビームから懸架される。

0056

移動ビーム122は、順に、歯車ボックス134等の歯車減速機構を通してクランクアーム130に結合される、電源132(例えば、電気モータ)によって駆動される、クランクアーム130によって往復運動される、ピットマンアームによって作動される。電源は、3相AC誘導モータまたは同期モータであってもよく、圧送ユニットを駆動させるために使用される。歯車ボックス134は、クランクアーム130を駆動するために、モータトルクを、低速であるが高トルクの出力に変換する。クランクアーム130は、ビーム122から懸架されたサッカーロッド124のストリングを平衡させる役割を果たす、平衡錘136を具備する。平衡力はまた、空気平衡ユニット上に見出されるもの等の空気シリンダによっても提供されることができる。ベルト付き圧送ユニットは、平衡力のために、ロッドストロークまたは空気シリンダの反対方向に伸びる平衡錘を使用してもよい。

0057

坑内ポンプ126は、サッカーロッド124のストリングの端部に取り付けられる、プランジャ138と、坑井128内の生産用管類の端部に取り付けられる、ポンプ筒140とを有する、往復運動式ポンプであってもよい。プランジャ138は、移動弁142と、筒140の底部に位置付けられる静止弁144とを含む。ポンプのアップストローク時、移動弁142は、閉鎖し、プランジャ138の上方の油および/または水等の流体を坑井の上部に持ち上げ、静止弁144は、開放し、リザーバからの付加的流体がポンプ筒140の中に流動することを可能にする。ダウンストローク時、移動弁142は、開放し、静止弁144は、閉鎖し、次のサイクルに備える。ポンプ126の動作は、ポンプ筒140内に維持される流体レベルが、そのストローク全体にわたって、サッカーロッド124のストリングの下側端部を流体内に維持するために十分であるように制御される。サッカーロッド124のストリングは、導管111によって囲繞され、これは、順に、坑井ケーシング110によって囲繞される。研磨されたロッド部分125の下方のサッカーロッドのストリングは、サッカーロッドカップリング123を介してともに保持される、サッカーロッド124から作製される。サッカーロッドガイド127は、ストリング内のサッカーロッド124に取り付けられ、ロッド124を導管111内に誘導し、心合させる。

0058

従来のカップリング幾何学形状および材料は、ポンプから退出し、生産用管類とサッカーロッドストリングとの間の隙間を通して流動するにつれた坑井流体の速度上昇と組み合わせられた、表面間の接触に起因して、高速管類摩耗を生じさせる。生産用管類およびサッカーロッドストリングの両方上の本摩耗は、特に、坑井が、傾斜掘削によって生産され得る、逸脱された坑井(すなわち、水平ならびに垂直に進行する、坑井)であるとき、顕著である。

0059

本点において、図11は、逸脱された坑井の例証である。図12は、キックオフポイントの拡大図である。図11に見られるように、導管/管類150は、水平方向に湾曲し、同様に、垂直方向に上/下に上昇し、例えば、流体リザーバまで辿り得る。逸脱された坑井は、それぞれ、異なる方向に湾曲し得る、複数の曲線を含有し得る。サッカーロッドストリング160は、導管内に位置する。

0060

図12により明確に見られるように、ロッドストリング160は、サッカーロッド162と、サッカーロッドガイド164と、サッカーロッドカップリング166とから成る。逸脱された坑井の曲率に起因して、サッカーロッドガイド164は、示されるように、ここでは、場所152において、導管150の内壁に接触する。システム内の機械的摩擦が、サッカーロッド、ガイド、および導管/管類が、相互に対して擦過および摩耗するため、増加する。サッカーロッドストリングもまた、屈曲および湾曲し得る。

0061

継続すると、図1は、サッカーロッド124に取り付けられる、サッカーロッドガイド127の斜視図である。サッカーロッド124は、直径229を有する。サッカーロッド124は、サッカーロッドガイド127の内部表面(不可視)と接触する、外側表面224を有する。種々のサッカーロッドの寸法は、API Specification 11B(その第27版は、2010年5月に発行されている)によって定義される。

0062

本開示のいくつかの例示的実施形態によると、サッカーロッドガイドは、材料の単一連続部片として作製される。サッカーロッドガイドは、原材料(すなわち、鍛造物)から機械加工鋳造、成型、または別様に作製されることができる。所与の形状の金属物体を作製するための製造方法は、公知であり、サッカーロッドガイドを作製するために適用されることができる。

0063

図1に戻って参照すると、単一部片として作製される、サッカーロッドガイドが、本明細書にさらに説明されるであろうように、サッカーロッド124上に摺動され、次いで、流体耐性接着剤または機械的付属設備を使用して、添着されることができる。

0064

図2Aおよび図2Bは、サッカーロッドガイド127の断面図であり、単一部片実施形態および多部片実施形態の両方に適用される、いくつかの側面を図示する。最初に、図2Aから開始すると、サッカーロッドガイド127は、第1の端部304と、第2の端部306とを有する、縦方向本体332を含む。本体332は、略円筒形形状(上部から見たとき)を有してもよく、長さLは、外径ODを上回る。本体の外径ODは、サッカーロッド(図1では、参照番号229)の外径を上回る。

0065

平滑ボア302が、サッカーロッドガイド127の中心縦軸305に沿って、第1の端部304から第2の端部306に、本体332を通して、完全に伸びる。ボア302は、サッカーロッドガイド310の内側表面310を画定する。いくつかの実施形態では、内側ボア302の形状は、内径IDを有する、中空円柱である。内側ボアは、サッカーロッドの寸法に合致するように成形されることを理解されたい。

0066

ガイド127の各端部は、テーパ状である。ガイド127は、第1の端部304と、第2の端部306と、中央部分312とを含む。第1の端部304および第2の端部306は、中央部分312の外径ODが各端部の直径を上回るように、ガイドの中心に向かってテーパ状である。したがって、端部は、OD未満であるが、IDを上回る、直径によって画定された、テーパを有する。用語「テーパ」は、ここでは、直径が中央から各端部に減少することのみを指し、直径の変化が任意の所与の様式において生じることを要求しない。ここでは、図2Aにおいて、ガイドの端部は、線形に、すなわち、直線317において、テーパ状になる。他の実施形態では、ガイドの端部は、放物線状にテーパ状になる。

0067

ここで図2Bを参照すると、線形テーパは、ガイドの端部と平行な水平線315と、テーパ線317とによって作製された角度として定義される、角度αにあってもよい。概して、角度αは、鋭的である、すなわち、90°未満である。いくつかの実施形態では、角度αは、約60°である。

0068

加えて、ボアの2つの端部は、それぞれ、各端部304および306に位置する、内側カウンタシンク350および352を含むことができる。カウンタシンク部分354および356は、内側ボアの端部における直径を増加させ、サッカーロッドを挿入することをより容易にする。ここでは、カウンタシンク部分354および356は、内側ボアの直径をガイドの端部に向かって線形に、すなわち、直線線357において増加させる。カウンタシンクの角度は、角度βとして定義され、角度は、直線線357と非カウンタシンク内側ボア表面310との間に作成される。概して、角度βは、鋭的である、すなわち、90°未満である。いくつかの実施形態では、角度βは、約20°である。

0069

ここで図1および図2Aを参照すると、いくつかの例示的実施形態では、ガイド127は、接着剤によって、サッカーロッド上の所望の場所に固着される。接着剤は、内側ボア表面310をサッカーロッド(図1、224)の外側表面に接合する。いくつかの実施形態では、接着剤は、流体耐性接着剤であり、ポンプアセンブリによって抽出される流体が、接着剤を劣化させたり、その接着剤性質に影響を及ぼしたりしないことを意味する。

0070

他の実施形態では、ガイド127は、機械的手段によって、サッカーロッドに取り付けられる。例えば、図2Aでは、サッカーロッドガイド127は、サッカーロッドガイドをサッカーロッドに対して定位置に固着するための締結具を受容する、半径方向に配向された開口319(縦軸305に対して)を含んでもよい。例えば、開口は、位置決めねじを受容し、これが、次いで、ガイド127がサッカーロッドを中心として所望の場所に留まるように、摩擦力をサッカーロッドに印加する、ねじ山付き開口であってもよい。デバイスをロッドに締結するための他の機械的手段もまた、使用されてもよい。

0071

本開示の他の例示的実施形態によると、サッカーロッドガイドは、2つのサッカーロッドガイド区画を組み合わせることによって作製される。これらのガイド区画は、原材料(すなわち、鍛造物)から機械加工、鋳造、成型、または別様に作製されることができる。ガイド区画自体は、材料の1つの連続部片であることができる、または本明細書にさらに説明されるように、異なる材料の組み合わせであってもよい。2つのそのようなガイド区画は、上記に説明されるように、ともに継合され、サッカーロッド124上に摺動され、次いで、流体耐性接着剤または機械的付属設備を使用して取り付けられることができる。

0072

図3は、1つの例示的サッカーロッドガイド区画527の斜視図である。図4Aは、図3のサッカーロッドガイド区画の内部表面の平面図である。図4Bは、図3のサッカーロッドガイド区画の上面図である。図4Cは、サッカーロッドガイド区画の第1の側の拡大された上面図である。図4Dは、サッカーロッドガイド区画の第2の側の拡大された上面図である。図4Eは、2つのサッカーロッドガイド区画が、組み合わせられ、サッカーロッドガイドアセンブリを形成する方法を示す。同じ参照番号が、同じ部品を指すために、これらの図において使用される。

0073

ここで図3を参照すると、サッカーロッドガイド区画527は、区画本体532から形成される。本体532は、第1の端部504と、第1の端部と反対の第2の端部506と、外部表面562とを有する。第1の端部および第2の端部は、縦軸505によって識別されるように、縦方向端部である。

0074

サッカーロッドガイド区画527は、ガイド区画の縦方向長さに伸び、ガイド区画の縦軸505と略平行である、半円筒形中心チャネル502を含む。中心チャネルは、ガイド区画の内部表面510上に形成される。ここから分かるように、チャネルは、半径rを伴う、半円形断面を有する。サッカーロッドは、中心チャネルに係合するであろう。中心チャネルの表面は、完全に平滑であり、すなわち、ねじ山を含有しない。中心チャネルはまた、区画本体を第1の側507と第2の側509とに分割する。換言すると、中心チャネルは、第1の側と第2の側との間にある。

0075

サッカーロッドガイド区画の外部表面562は、少なくとも1つの溝を有する。ここでは、2つの溝573、574が、示される。これらの溝は、流体がサッカーロッドガイドの周囲の導管を通して流動することを可能にする。ここで図示されるように、溝は、第1の端部504から第2の端部506に線形に伸び、言い換えると、溝は、縦軸505と略平行である。他の実施形態では、溝は、第1の端部504から第2の端部506に非線形に延在する。これらの例示的実施形態では、溝は、溝が第1の端部から第2の端部に延在するため、外部表面内の2つの側507、509間に伸びる。いくつかの実施形態では、溝は、組み立てられたサッカーロッドガイドの円周の周囲に螺旋経路を形成する。

0076

サッカーロッドガイド区画527は、少なくとも1つの開口520を区画本体の第1の側507上に含み、これは、締結具を収容する。ここに図示されるように、3つのそのような開口が第1の側507上に存在し、区画本体の第1の端部と第2の端部との間で相互から離間される。3つのそのような開口はまた、区画本体の第2の側509上にも存在する。開口は、外部表面562から内部表面510に延在する。締結具が、開口を通して延在し、2つのガイド区画をともに固着させる。例えば、開口は、ねじ山付きであってもよく、ねじ山付きねじが、開口520を通して通過する。他の締結具は、ピン、オス型およびメス型の組み合わせボルトナットおよびボルト、またはスナップピン機構、もしくは当技術分野において公知の他の機械的締結具を含むことができる。

0077

サッカーロッドガイド区画527はまた、第1の摺動継合部570と、第2の摺動継合部572とを含む。第1の摺動継合部は、ガイド区画の第1の側507上に位置する。第2の摺動継合部は、ガイド区画の第2の側509上に位置する。各摺動継合部570、572は、サッカーロッドガイド区画が、第2のサッカーロッドガイド区画に対して/それに接続されるとき、縦方向にのみ移動することを可能にするように適合される。概して、摺動継合部は、縦軸505と平行なガイド区画の全長に沿って(すなわち、2つの端部504、506間に)延在するであろう。ここに図示されるように、摺動継合部は、蟻継ぎ、すなわち、ピンおよび尾部の配列の形態にある。

0078

ここで図4Aを参照すると、区画本体532の内部表面510が、可視である。第1の端部504、第2の端部506、第1の側507、第2の側509、および中心チャネル502は、縦軸505とともに標識される。ここから分かるように、第1の側507上の第1の摺動継合部は、尾部またはソケット582であり、第2の側509上の第2の摺動継合部は、ピン580である。ピンおよび尾部は、補完的に成形される。また、ここに見られるように、開口520は、2つの端部504、506間に延在する。開口はまた、2つの摺動継合部を通して通過する。

0079

再び、サッカーロッドガイド区画527の各端部504および506は、テーパ状である。第1の端部504および第2の端部506は、中央部分の外側半径がテーパを有する端部の外側半径を上回るように、中央部分からガイド区画527の中心チャネル502に向かってテーパ状になる。

0080

図4Bは、上面(第1の端部502において縦軸を俯瞰的に見たときの)図である。尾部582およびピン580は、ここでは可視である。中心チャネルの半径rもまた、ここに示される。

0081

図4Cは、尾部582の拡大された上面図である。図4Dは、ピン580の拡大図である。図4Cに見られるように、尾部582は、傾斜側壁585とともに成形される。尾部の側壁は、尾部が、その基部(区画本体の内側)において、内部表面510より広くなるように傾斜される。同様に、図4Dに見られるように、ピン580も、傾斜側壁586とともに成形される。ピンの側壁は、ピンが、その遠位端581において、内部表面510より広くなるように傾斜される。

0082

いくつかの実施形態では、図4Eに図示されるように、2つの同じサッカーロッドガイド区画527A、527Bは、ともに継合され、サッカーロッドガイド557を形成する。ピンおよび尾部の形状(図4Cおよび図4Dに見られるように)に起因して、2つのガイド区画527A、527Bは、2つの区画をともに縦方向に摺動させることによって係合される。各ガイド区画のピンは、他のガイド区画の尾部に係合する。締結具が、次いで、開口(図3、520)を通して挿入され、2つのガイド区画をともに固定する。各ガイド区画527A、527Bは、サッカーロッド円周の半分(50%)を被覆する。同じ部品は、1つのみの部品が作製および出荷される必要があるため、製造コストを低減させ、操業上の使用を簡略化する。

0083

2つの摺動継合部のピンおよび尾部形状(例えば、台形)に起因して、2つのガイド区画は、ピンおよび尾部が係合されると、相互に対して縦方向にのみ移動することができることに留意されたい。より具体的には、2つのガイド区画は、開口520によって画定された軸内で引き離されることができない。使用時、これは、ある理由から、開口520を通して締結具が全て、破損し、サッカーロッドガイドをサッカーロッドに継合する接着剤が、喪失された場合、2つのガイド区画が、依然として、サッカーロッドから分離し、坑井ケーシングの中に落下せず、したがって、潜在的に、遮断または穿孔を生じさせないであろうことを意味する。むしろ、2つのガイド区画は、別のサッカーロッドガイドまたはサッカーロッドカップリングに遭遇されるまで、単に、サッカーロッドを辿って摺動するはずである。

0084

他の検討される実施形態では、サッカーロッドガイドは、2つの異なるサッカーロッドガイド区画から形成されることができる。1つのサッカーロッドガイド区画は、ピンを内部表面の両側上に含む一方、第2の相補的サッカーロッドガイド区画は、尾部を内部表面の両側上に含む。

0085

図5は、サッカーロッドガイド(単一部片として、または複数のガイド区画から形成されるかどうかを問わない)の上面図である。サッカーロッドガイド430の上部断面は、略円形形状であり、ボア442が、縦軸に沿って、ガイドを通して完全に伸びる。ガイドの外部表面462は、少なくとも1つの溝を有する。ここでは、4つの溝471、472、473、474が、示される。ガイドは、内径425と、外径427とを有する。各溝は、深度475を有し、これは、ガイドの直径に対して測定される。各溝は、所望の深度を有してもよく、任意の数の溝が存在してもよい。いくつかの例示的実施形態では、溝深度475の比率は、最大で、外径427と内径425との間の差異の2分の1である。他の例示的実施形態では、複数の溝が存在し、溝は、概して、ガイドの周界の周囲に均一に離間される。

0086

ここで図6外面図を参照すると、ガイドは、第1の端部434と、第2の端部436と、中央部分428とを有する。第1の端部434および第2の端部436は、下向きにテーパ状である、すなわち、中央部分428における直径は、ガイドの各端部における直径を上回る。再び、用語「テーパ」は、ここでは、直径が中央部分から各端部に減少することのみを指し、直径の変化が任意の所与の様式において生じることを要求しない。ここでは、図6において、コアの端部は、線形に、すなわち、直線に、テーパ状になる。溝471および472も同様に、可視であり、縦軸460と略平行に線形に第1の端部から第2の端部に延在する。

0087

図7は、本開示の別の側面を図示する。図7は、サッカーロッドガイド430の側面図である。ここでは、溝は、縦軸460と平行に伸びない。むしろ、溝471、472は、第1の端部434から第2の端部436に螺旋状に、または換言すると、ねじ上のねじ山と同様に、周縁の片側から周縁の他側に伸びる。溝の1回転によって網羅される縦軸に沿った距離(見越し距離とも呼ばれる)は、所望に応じて、変動されることができる。

0088

再び図10を参照すると、サッカーロッドガイド127が、望ましくは、サッカーロッド124の代わりに、任意の導管管類111に接触する。これは、サッカーロッドおよび導管管類上の摩耗および断裂を低減させる。サッカーロッドガイドの外部表面上の溝は、流体が流動する経路を提供し、サッカーロッドガイド127の断面積を低減させ、サッカーロッドガイドの使用に起因して、流動する流体の任意のインピーダンスを低減させる。

0089

本開示のいくつかの側面によると、サッカーロッドガイドおよびサッカーロッドガイド区画は、銅合金材料から、またはポリマー樹脂(すなわち、複合材)に添加された銅合金材料から、もしくはポリマー樹脂の中に成型された銅合金材料から、作製される。

0090

概して、銅合金は、再加熱し、微小構造スピノーダル分解に影響を及ぼすのに先立って、冷間加工されている。冷間加工は、塑性変形によって、金属の形状またはサイズを機械的に改変するプロセスである。これは、金属または合金の圧延引抜押圧旋圧押出、もしくは圧造によって行われることができる。金属が、塑性的に変形されると、原子転位が、材料内で生じる。特に、転位は、金属の粒子横断して、またはその中で生じる。転位は、相互に重複し、材料内の転位密度は、増加する。重複転位の増加は、さらなる転位の移動をより困難にする。これは、概して、合金の延性および衝撃特性を低減させながら、結果として生じる合金の硬度および引張強度を増加させる。冷間加工はまた、合金の表面仕上げを改良することができる。機械的冷間加工は、概して、合金の再結晶化点を下回る温度で行われ、通常、室温において行われる。

0091

スピノーダル時効/分解は、複数の成分が、異なる化学組成および物性を伴う特定の領域または微小構造に分離することができる機構である。特に、状態図の中央域にあるバルク組成を伴う結晶は、離溶を受ける。本開示の合金の表面におけるスピノーダル分解は、表面が硬化する結果を招く。

0092

スピノーダル合金の構造は、初期相が、高温に達した溶解度ギャップと称される、ある温度および組成下で分離されたときに生産される、均質2相合物から作製される。合金相は、結晶構造が、同一であるが、構造内の原子が、修正されるものの、サイズが類似したままである、他の相に自発的に分解する。スピノーダル硬化は、卑金属の降伏強度を増加させ、組成およびミクロ構造の高い均一性を含む。

0093

スピノーダル合金は、大部分の場合、その状態図中に、溶解度ギャップと呼ばれる異常を呈する。溶解度ギャップの比較的に狭い温度範囲内において、原子秩序が、既存の結晶格子構造内に生じる。結果として生じる2相構造は、ギャップを有意に下回る温度で安定する。

0094

本明細書で利用される銅−ニッケル−スズ合金は、概して、約5重量%〜約20重量%のニッケルと、約5重量%〜約10重量%のスズとを含み、残部は、銅である。換言すると、銅−ニッケル−スズ合金は、約70重量%〜約90重量%銅を含有する。本合金は、硬化され、様々な産業および商業用途で使用され得る、高降伏強度製品により容易に形成されることができる。本高性能合金は、銅−ベリリウム合金と同様の特性を提供するように設計される。

0095

より具体的には、本開示の銅−ニッケル−スズ合金は、約9重量%〜約15重量%のニッケルと、約6重量%〜約9重量%のスズとを含み、残部は、銅である(すなわち、約76重量%〜約85重量%銅)。より具体的実施形態では、銅−ニッケル−スズ合金は、約14.5重量%〜約15.5%のニッケルと、約7.5重量%〜約8.5重量%のスズとを含み、残部は、銅である(すなわち、約76重量%〜約78重量%銅)。

0096

より好ましくは、銅−ニッケル−スズ合金は、約15重量%ニッケルを含む、約14重量%〜約16重量%ニッケルと、約8重量%スズを含む、約7重量%〜約9重量%スズと、残部銅とを含み、不純物および微量の添加物を除外する。さらに他の好ましい実施形態では、銅−ニッケル−スズ合金は、約8重量%〜約10重量%ニッケルと、約5重量%〜約7重量%スズと、残部銅とを含み、不純物および微量の添加物を除外する。

0097

微量の添加物は、ホウ素、ジルコニウム、鉄、およびニオブを含み、これは、等軸結晶の形成をさらに向上させ、また、溶液熱処理の間、基質内へのNiおよびSnの拡散率不同性を減少させる。他の微量の添加物は、マグネシウムおよびマンガンを含み、これは、脱酸剤としての役割を果たすことができ、および/またはその仕上げられた状態における合金の機械的性質に影響を及ぼすことができる。他の元素もまた、存在してもよい。不純物は、ベリリウムコバルトシリコンアルミニウム亜鉛クロム、鉛、ガリウムまたはチタンを含む。本開示の目的のために、これらの要素の0.01重量%未満の量は、不可避不純物と見なされるべきである、すなわち、その存在は、意図または所望されない。前述の元素のそれぞれの約0.3%以下の重量比が、銅−ニッケル−スズ合金内に存在する。概して、不純物および微量の添加物は、最大で、銅−ニッケル−スズ合金の合計1重量%となるであろう。

0098

三元銅−ニッケル−スズスピノーダル合金は、海中および酸環境において、高強度、優れた摩擦学的特性、および高腐食耐性等の性質の有益な組み合わせを呈する。卑金属の降伏強度の増加は、銅−ニッケル−スズ合金におけるスピノーダル分解から生じ得る。

0099

本開示のガイドおよびガイド区画を作製するために使用される合金は、少なくとも85ksi、または少なくとも90ksi、または少なくとも95ksiを含む、少なくとも75ksiの0.2%オフセット降伏強度を有し得る。銅−ニッケル−スズ合金はまた、炭素鋼に対して測定されるとき、0.4またはそれ未満、もしくは0.3またはそれ未満、もしくは0.2またはそれ未満の滑り摩擦係数を有し得る。

0100

より特定の実施形態では、銅系合金は、商標名ToughMet(登録商標)3またはToughMet(登録商標)2下でMaterionから市販されている。ToughMet(登録商標)2は、公称上、Cu−9Ni−6Sn合金である。

0101

ToughMet(登録商標)3は、公称上、Cu−15Ni−8Sn合金である。そのグレードまたは弾性度に応じて、ToughMet(登録商標)3は、約95ksi〜約150ksiの最小0.2%オフセット降伏強度、約105ksi〜約160ksiの最小最大引張強度、約3%〜約18%の最小伸長率、約22HRC〜約36HRCの最小ロックウェル硬度C、0.3未満の摩擦係数、および最大30フィートポンド(約30フィートポンドを含む)の平均シャルピーV−ノッチCVN)靭性を有することができる。0.2%オフセット降伏強度および最大引張強度は、ASTME8に従って測定される。ロックウェルC硬度は、ASTM E18に従って測定される。CVN靭性は、ASTM E23に従って測定される。ToughMet(登録商標)3はまた、CO2腐食塩化物SCC、孔食、および隙間腐食に強い。また、NACEMRO172「H2S環境試験および掘削のためのガイドライン」に従って、浸食HESSC、および一般的腐食(弱酸性坑井を含む)に耐性がある。

0102

これらの性質は、異なる組み合わせで存在してもよい。例えば、ToughMet(登録商標)3は、TS95、TS120U、TS130、およびTS160Uグレード等のいくつかのグレードにおいて供給されている。

0103

TS95グレードは、約95ksiの最小0.2%オフセット降伏強度、約105ksiの最小最大引張強度、約18%の最小伸長率、約93HRBの最小ロックウェル硬度B、および約30フィートポンドの平均シャルピーV−ノッチ(CVN)靭性を有する。

0104

TS120Uグレードは、約110ksiの最小0.2%オフセット降伏強度、約120ksiの最小最大引張強度、約15%の最小伸長率、約22HRCの最小ロックウェル硬度C、および約11フィートポンドの平均シャルピーV−ノッチ(CVN)靭性を有する。

0105

TS130グレードは、約130ksiの最小0.2%オフセット降伏強度、約140ksiの最小最大引張強度、約10%の最小伸長率、および約24HRCの最小ロックウェル硬度Cを有する。

0106

TS160Uグレードは、約148ksiの最小0.2%オフセット降伏強度、約160ksiの最小最大引張強度、約3%の最小伸長率、および約32HRCの最小ロックウェル硬度Cを有する。

0107

図8および図9は、本開示の付加的実施形態を図示する。これらの2つの図は、サッカーロッドガイド区画のものであるが、その議論はまた、サッカーロッドガイド自体にも適用される。

0108

図8では、サッカーロッドガイド区画527は、区画本体532を含む。区画本体は、前述の銅−ニッケル−スズ合金等の銅金属合金から作製される。区画本体532の外部表面562は、コーティング590でコーティングされ、これは、ガイド区画の最外層と見なされ得る。コーティングは、銅−ニッケル−スズ合金ではない、材料から作製される。そのような非銅合金材料の実施例は、ポリマー樹脂または有機複合材を含む。区画本体は、コーティングを区画本体により良好に添着するための開口部(図示せず)を有してもよい。そのような開口部の実施例は、外部表面の面積を事実上増加させる、開口または他のテクスチャを含んでもよい。本図では、内部表面510は、コーティング590でコーティングされないが、内部表面もまた、コーティングされることができる。

0109

図9では、サッカーロッドガイド区画527はまた、区画本体532を含む。本実施形態では、区画本体は、銅−ニッケル−スズ合金ではない、材料、すなわち、ポリマー樹脂または有機複合材から作製される。1つ以上の銅合金インサートが、外部表面562に近接して、特に、高摩耗場所において、区画本体内に位置する。ここでは、3つの銅合金インサート592、594、596が、図示される。銅合金インサート592は、区画本体のローブ550内に位置する。ローブは、区画本体の中心円周方向部分であり、これは、坑井ケーシングに接触するであろう。銅合金インサート594は、第1の側507に近接し、銅合金インサート596は、第1の側509に近接する。銅合金インサートは、前述の銅−ニッケル−スズ合金等の銅合金から作製される。

0110

これらの実施形態では、銅合金インサートは、組立の間、金型内に設置され、次いで、銅−ニッケル−スズ合金ではない、材料(すなわち、ポリマー樹脂または有機複合材)が、成型空洞の中に注入され、固化/硬化されると、定位置に設定されることができる。結果として生じるサッカーロッドガイドおよびサッカーロッドガイド区画は、初期使用の間、摩耗するように設計される。最終的に、本体内の銅合金表面は、暴露された状態になるであろう。本摩耗耐性および潤滑性表面は、次いで、さらなるシステム摩耗を遅延させるであろう。

0111

ポリマー樹脂は、例えば、ポリエチレンまたはポリプロピレン等のポリオレフィンポリカーボネートポリ塩化ビニルPVC)、ポリスチレンポリテトラフルオロエチレンPTFE)、ポリクロロプレンポリアラミド、またはポリアミド、もしくは油坑井生産環境のために好適な他のポリマーであることができる。

0112

図13および図14は、本開示の付加的実施形態を図示する。前の図は、サッカーロッドガイド区画を示し、2つのサッカーロッドガイド区画が、ともに継合され、サッカーロッドガイドを形成し、サッカーロッドガイドが、機械的締結具または接着剤によってサッカーロッドに添着された。図13および図14の実施形態では、サッカーロッドガイドは、サッカーロッドの周囲の単一一体型部片として形成される。これは、例えば、サッカーロッドガイドをサッカーロッドの周囲で射出成型することによって行われる。これらの2つの図は、サッカーロッドガイドのものであるが、その議論はまた、サッカーロッドガイド区画にも同様に適用される。

0113

図13は、図1のものに類似する、本開示による、サッカーロッドガイドアセンブリ600の平面図である。サッカーロッドガイドアセンブリは、サッカーロッド610と、サッカーロッドの周囲に形成される、サッカーロッドガイド620とを含む。サッカーロッドガイドの本体630は、外部表面632を有する。4つの溝640が、外部表面上に示され、サッカーロッド本体の2つの端部間に縦方向に伸びる。

0114

ここでは、サッカーロッドガイドは、サッカーロッド上へのサッカーロッドガイドの直接成型によって形成される。これは、サッカーロッドを金型の中に設置することによって行われることができ、これは、サッカーロッドガイドの形状を画定する。サッカーロッドは、金型に対して定位置に固定される。材料の混成物が、次いで、サッカーロッドガイドを形成するために使用される。混成物は、液体状態で金型の中に注入される。注入後、金型は、サッカーロッドの縦軸の周囲で回転される。回転は、500毎分回転数(rpm)=10,000rpmに及ぶ速度であることができる。明確性の目的のために、サッカーロッドは、樹脂が固化するにつれて、混成物がサッカーロッド上で硬化するように、金型とともに回転することに留意されたい。

0115

混成物はまた、複合材であると見なされ得、(A)銅合金粉末と、(B)非銅合金材料とを含有する。非銅合金材料の実施例は、(1)上記に説明されたようなポリマー樹脂、および(2)粉末を作製するために使用される銅合金と異なる、第2の金属または金属合金を含む。第2の金属または金属合金は、銅合金粉末より低い密度およびより低い溶融温度を有するべきであり、したがって、銅合金粉末は、サッカーロッドガイドの外部表面を形成することができる。好適な金属または金属合金は、アルミニウムまたは亜鉛、もしくは潜在的に、真鍮または青銅合金を含み得る。

0116

銅合金粉末は、非銅合金材料より高密度であるため、回転は、銅合金粉末を、サッカーロッドから離れ、サッカーロッドガイドの外部表面自体に向かって優先的に移動させる。したがって、非銅合金材料内には、銅合金粉末の濃度勾配が存在し得、内径(サッカーロッドに隣接する)では、最低濃度の粉末、サッカーロッドガイドの外部表面上では、最高濃度の粉末を伴う。内径と外部表面との間の勾配は、回転速度および回転時間ならびに他の要因に応じて、所望に応じて変動されることができる。

0117

特に、薄層634が、サッカーロッドガイドの外部表面上に形成されることができ、これは、大量の銅合金粉末を含有する。本層または「皮層」の密度は、少なくとも0.18ポンド立方インチであってもよく、0.2ポンド/インチ3もの高密度であり得る。比較として、ポリマー樹脂は、典型的には、約0.03ポンド/インチ3〜約0.08ポンド/インチ3の密度を有する一方、銅合金粉末は、概して、数桁上回る、密度を有する。例えば、商標名ToughMet(登録商標)3下で供給されており、上記に説明される、Cu−15Ni−8Sn合金の密度は、0.325ポンド/インチ3である。

0118

(A)銅合金粉末と(B)非銅合金材料の混成物は、約20重量%〜約70重量%の銅合金粉末と、約30重量%〜約80重量%の非銅合金材料とを含有してもよい。特に、いくつかの実施形態では、非銅合金材料は、ポリマー樹脂であることが検討される。

0119

所望に応じて、添加剤が、混成物に添加されることができるが、それらは、サッカーロッドガイドの所望の性質に有意に悪影響を及ぼさないように選択されるべきである。そのような添加剤は、例えば、耐衝撃性改良剤紫外線安定剤熱安定剤潤滑剤、または酸化防止剤を含み得る。添加剤は、概して、混成物の5重量%を上回って添加されない。

0120

銅合金粉末は、機械的プロセス、化学プロセス、および電気化学プロセス、またはこれらのタイプのプロセスのうちの少なくとも2つの任意の組み合わせを介して、形成されることができる。機械的プロセスの非限定的実施例は、フライス加工粉砕、および粉末化を含む。粉末化は、溶融物機械的崩壊を指す。いくつかの実施形態では、粉末化は、高圧水またはガスを用いて実施される。粉末化は、遠心粉末化、真空粉末化、または超音波粉末化であってもよい。化学プロセスの非限定的実施例は、溶液からの沈殿を含む。沈殿方法は、浸出液(例えば、拡散浸透電解、または化学的還元を介して)からの合金の沈殿を含んでもよい。合金/複合材粉末は、異なる金属の共沈殿および/または連続沈殿によって生産されてもよい。電気化学プロセスの非限定的実施例は、(例えば、粉末状堆積物として、または平滑、高密度、および脆弱堆積物として)金属をカソード上に堆積させた後、フライス加工が続いてもよい。電解槽条件が、制御され、所望の粒子形状およびサイズを達成してもよい。

0121

銅合金粉末は、約2マイクロメートルの直径〜約500マイクロメートルの直径の粒子サイズを有してもよい。特定の実施形態では、粉末材料は、約2マイクロメートル〜約90マイクロメートルの直径であってもよく、粒子の少なくとも50体積%は、80マイクロメートル未満の直径を有する。いくつかのより具体的実施形態では、粉末は、約2マイクロメートル〜約90マイクロメートルの直径であってもよく、粒子の少なくとも85体積%は、80マイクロメートル未満の直径を有する。他の望ましい実施形態では、粒子は、約5マイクロメートル〜約100マイクロメートルの直径を有する。代替として、粉末粒子は、220メッシュを通して通過することができる。

0122

図14は、別のサッカーロッドガイドアセンブリの平面図である。サッカーロッドガイドアセンブリ602は、サッカーロッド610と、サッカーロッドの周囲に形成される、サッカーロッドガイド620とを含む。サッカーロッドガイドの本体630は、外部表面632を有する。本例証では、4つの溝640が、外部表面上に示され、サッカーロッド本体の2つの端部間に縦方向に伸びる。

0123

本実施形態では、銅合金インサート650(破線)が、サッカーロッドガイドの本体内に位置する。ここでは、4つの銅合金インサートが、坑井ケーシングに接触するであろう、外部表面の部分上に位置する。他の構成もまた、検討される。銅合金インサートは、所望される任意の厚さであることができ、実施形態では、0.1インチ〜約0.5インチの厚さを有することが検討される。

0124

サッカーロッドガイドはまた、図13に関して上記に説明されるように、サッカーロッド上へのサッカーロッドガイドの直接成型によって形成されることが検討される。金型は、銅合金インサートを受け入れ、それらをサッカーロッドガイドの外部表面上に設置するように成形されることができる。非銅合金材料は、銅合金インサートおよびサッカーロッドの両方に接合するであろう。非銅合金材料はまた、上記に説明されるように、添加剤を含むことができる。金型の回転は、本実施形態に関して、必要ではなくてもよいが、所望に応じて、実施されることもできる。

0125

本開示のサッカーロッドガイドおよびサッカーロッドガイド区画は、当技術分野において公知の鋳造および/または成型技法を使用して作製されることができる。

0126

本開示の銅−ニッケル−スズ合金は、非常に低摩擦を有する。炭素鋼と接触するニッケル合金は、典型的には、0.7の滑り摩擦係数を有する。炭素鋼と接触する炭素鋼は、典型的には、0.6の滑り摩擦係数を有する。対照的に、炭素鋼と接触するToughMet(登録商標)3は、典型的には、0.2未満の滑り摩擦係数を有する。図15を参照されたい。これは、ポンプシステムの異なる部品に対して擦過するとき、摩耗を有意に低減させるであろう。また、圧送システム内の全体的摩擦損失を有意に低減させることが可能性として考えられる。

0127

サッカーロッドガイド内の銅−ニッケル−スズ合金の使用は、より少ない電力使用ならびに向上されたポンプ容量をもたらすであろう。合金は、低摩擦係数、高靭性(CVN)、高引張強度、高耐食性、および高摩耗抵抗の組み合わせを有する。特性の一意の組み合わせは、サッカーロッドガイドが、システム構成要素をかじり損傷から確実に保護しながら、必要とされる基本的機械的および腐食特性を満たすことを可能にし、それによって、システムの寿命を大幅に延長させ、予期しない故障のリスクを低減させる。1つの結果は、保守のための操業停止間のより長い坑井寿命である。

0128

本開示は、例示的実施形態を参照して説明された。修正および改変が、先行する発明を実施するための形態の熟読および理解に応じて、当業者想起されるであろう。例示的実施形態は、それらが添付の請求項またはその均等物の範囲内である限り、全てのそのような修正および改変を含むものとして解釈されることが意図される。

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