Aleación de alta resistencia resistente a la corrosión para aplicaciones de extracción de petróleo.

Una aleación de alta resistencia mecánica resistente a la corrosión que comprende,

en porcentajes en peso: 35-55% de Ni, 12-25% de Cr, 0,5-5% de Mo, hasta 3% de Cu, 2,1-4,5% de Nb, 0,5-3% de Ti, hasta 0,7% de Al, 0,005-0,04% de C, resto a 100 de Fe más impurezas incidentales y desoxidantes, aleación que satisface la ecuación: **Fórmula**

aleación que contiene una mezcla de las fases γ' y γ" con un mínimo de 1% en peso de γ", y que tiene un límiteelástico mínimo de 827 MPa en la condición de recocida, templada en agua y envejecida.

Aleación de alta resistencia resistente a la corrosión para aplicaciones de extracción de petróleo Antecedentes de la invención Campo de la invención La presente invención se refiere en general a aleaciones metálicas resistentes a la corrosión, más en particular, a aleaciones níquel-hierro-cromo que son particularmente útiles en pozos corrosivos de petróleo y gas y medios marinos, en los que la resistencia a la corrosión y un coste razonable son atributos deseados.

Descripción de la técnica relacionada A medida que los pozos de petróleo y gas poco profundos se empobrecen, se necesitan materiales de alta resistencia y más resistentes a la corrosión para perforar a más profundidad, encontrando medios más corrosivos.

Las aplicaciones en la extracción de petróleo requieren ahora aleaciones de resistencia a la corrosión y resistencia mecánica crecientes. Estas demandas crecientes se deben a factores tales como pozos profundos que implican temperaturas y presiones más altas; procedimientos de recuperación intensificados tales como inyección de vapor de agua o dióxido de carbono; tensiones en las tuberías incrementadas, en especial en plataformas marítimas; y constituyentes corrosivos de los pozos, incluidos sulfuro de hidrógeno (H2S) , CO2 y cloruros.

La selección de materiales es especialmente crítica para pozos de gases ácidos, los que contienen H2S. Los ambientes de pozos ácidos son muy tóxicos y extremadamente corrosivos para el acero al carbono y las tradicionales aleaciones para petróleo y gas. En medios ácidos, la corrosión se puede controlar usando inhibidores junto con tuberías de acero al carbono. Los inhibidores, sin embargo, implican un alto coste continuo y con frecuencia no son fiables a altas temperaturas. El añadir una tolerancia a las tuberías por la corrosión aumenta el peso y reduce las dimensiones interiores de los tubos. En muchos casos, la alternativa preferida en términos de economía del ciclo de vida y seguridad es el uso de una aleación resistente a la corrosión para la tubería y otros componentes del pozo. Estas aleaciones resistentes a la corrosión eliminan los inhibidores, rebajan el peso, mejoran la seguridad, eliminan o minimizan costes de trabajo y reducen tiempo muerto.

Los aceros inoxidables martensíticos, tales como las aleaciones con 13% de cromo, satisfacen los requerimientos de resistencia a la corrosión y resistencia mecánica an aplicaciones de extracción de petróleo ligeramente corrosivas. Las aleaciones con 13% de cromo, sin embargo, carecen de la moderada resistencia a la corrosión y resistencia mecánica requeridas para pozos de gas ácido aunque sea a bajo nivel. Cayard y otros, en Serviceability of 13Cr Tubulars in Oil and Gas Production Environments, publican datos de corrosión bajo tensiones por sulfuro que indican que las aleaciones 13Cr tienen una resistencia a la corrosión insuficiente para pozos que operan en la región de transición entre ambientes de gas ácido y gas no ácido. Se pueden encontrar más antecedentes de la técnica en las patentes U.S. nº. 4.358.511, expedida a Smith, Jr. y otros, y nº. 5.945.067, expedida a Hibner y otros.

Si bien los pozos suavemente corrosivos son equipados con diversos aceros 13Cr, se necesitan aleaciones de base níquel para ambientes más corrosivos. Entre las aleaciones de base Ni más comúnmente usadas para extracción de petróleo están las aleaciones de base Ni altas en níquel tales como, por ejemplo, las aleaciones 718, 725, 825, 925, G-3, C-276, que proporcionan resistencia a la corrosión aumentada para ambientes de gas ácido. Estas aleaciones, sin embargo, o son demasiado caras o no poseen la necesaria combinación de alta resistencia mecánica y alta resistencia a la corrosión.

En el documento EP 0052941 se describe un material para cuatro pozos de profundidades intermedias.

La presente invención resuelve el problema encontrado en la técnica anterior al proporcionar una aleación con una resistencia a la corrosión excelente para actuar en ambientes de gas ácido, junto con excelentes propiedades mecánicas para el servicio en aplicaciones de pozos profundos de petróleo y gas. Además, la presente invención proporciona una aleación con alta resistencia a la corrosión y alta resistencia mecánica para uso en aplicaciones de pozos de petróleo a un coste razonable.

Sumario de la invención En resumen, la presente invención está dirigida a una aleación Ni-Fe-Cr que contiene pequeñas cantidades de Mo y Cu y que tiene cantidades correlacionadas, controladas, de Nb, Ti, Al y C con el fin de obtener una microestructura única que proporciona un límite elástico mínimo de 827 MPa. En términos generales, la aleación tiene una relación de (Nb-7, 75C) / (Al+Ti) en el intervalo de 0, 5 a 9. En el cálculo precedente, el carbono porcentual en peso 7, 75x corrige las diferencias del peso atómico entre el carbono (peso atómico 12, 01) y el del Nb (peso atómico 92, 91) . De otra manera, el C porcentual en peso 7, 75x extrae de la matriz ese porcentaje en peso de Nb y

no queda disponible para formar fases de endurecimiento por precipitación. Cuando se satisface el valor de la relación 0, 5 a 9, la aleación tendrá una combinación de fase !’’ (gamma doble prima) y !’ (gamma prima) como fases que imparten resistencia mecánica, con un mínimo de 1% en peso de fase !’’ presente y un intervalo porcentual en peso de !’ + !’’ de 10 a 30, preferiblemente en un intervalo porcentual en peso de 12-25 cuando la relación es de 0, 5 a 8 y, aún más estrechamente cuando la relación es de 0, 5 a 6, según se determina por TermoCalc.

La estructura única se obtiene por condiciones de recocido y endurecimiento que proporcionan una combinación atractiva de resistencia al impacto, ductilidad y resistencia a la corrosión posibilitando que el material de la invención se use en aplicaciones de pozos de petróleo y gas corrosivos que contienen mezclas gaseosas de dióxido de carbono (CO2) y sulfuro de hidrógeno (H2S) típicamente encontradas en ambientes de pozos ácidos. El material de la invención es también útil en aplicaciones marinas en las que la resistencia mecánica, la resistencia a la corrosión y el coste son factores importantes en relación a la selección del material.

Esta especificación describe todas las composiciones en porcentaje en peso, a no ser que se exprese específicamente lo contrario. La aleación de la presente invención preferiblemente contiene en porcentajes en peso los constituyentes siguientes: 38-55% de Ni, 12-25% de Cr, 0, 5-5% de Mo, 0-3% de Cu, 2-4, 5% de Nb, 0, 5-3% de Ti, 0-0, 7% de Al, 0, 005-0, 04% de C y resto hasta 100%, Fe más impurezas incidentales más desoxidantes. El contenido de Fe de la aleación está entre aproximadamente 16-35%.

Las condiciones de recocido y endurecimiento por envejecimiento usadas en conexión con la aleación de la invención son las siguientes. El recocido se hace en el intervalo de temperaturas de 954ºC a 1121ºC. El envejecimiento preferiblemente se realiza por un procedimiento en dos etapas. La temperatura más alta está en el intervalo de 690ºC a 760ºC y la temperatura más baja está en el intervalo de 565ºC a 677ºC. También es posible un envejecimiento a una sola temperatura en uno de los intervalos dados, pero ello alarga marcadamente el tiempo de envejecimiento y puede dar por resultado una resistencia mecánica y/o una ductildad ligeramente menor, aumentando generalmente además el coste del tratamiento térmico.

Breve descripción de los dibujos La Fig. 1 es una fotografía de un diagrama de difracción, obtenido usando un instrumento microscopio electrónico de transmisión (TEM) , de la aleación nº. 1, tratada térmicamente por el procedimiento B, que muestra la matriz de la aleación y manchas de la fase !’, y

La Fig. 2 es una fotografía de un diagrama de difracción, obtenido usando un instrumento microscopio electrónico de transmisión (TEM) , de la aleación nº. 7, tratada térmicamente por el procedimiento C, que muestra la matriz de la aleación así como manchas de las fases !’ y !’’.

Descripción detallada de la invención Como se ha indicado antes, las composiciones químicas dadas aquí son en porcentaje en peso. De acuerdo con la presente invención, la aleación contiene aproximadamente 38-55% de Ni, 12-25% de Cr, 0, 5-5% de Mo, 0-3% de Cu, 2, 0-4, 5% de Nb, 0, 5-3% de Ti, 0-0, 7% de Al, 0, 005-0, 04% de C y resto hasta 100%, Fe más impurezas incidentales y desoxidantes. El Ni modifica la matriz de base Fe proporcionando una estructura austenítica estable, que es esencial para una buena estabilidad térmica y buena conformabilidad.

El níquel (Ni) es uno... [Seguir leyendo]

1. Una aleación de alta resistencia mecánica resistente a la corrosión que comprende, en porcentajes en peso: 3555% de Ni, 12-25% de Cr, 0, 5-5% de Mo, hasta 3% de Cu, 2, 1-4, 5% de Nb, 0, 5-3% de Ti, hasta 0, 7% de Al, 0, 0050, 04% de C, resto a 100 de Fe más impurezas incidentales y desoxidantes, aleación que satisface la ecuación:

Nb-7, 75C &&&&& = 0, 5-9

Al + Ti aleación que contiene una mezcla de las fases !’ y !” con un mínimo de 1% en peso de !”, y que tiene un límite elástico mínimo de 827 MPa en la condición de recocida, templada en agua y envejecida.

2. La aleación de la reivindicación 1 que contiene un porcentaje total en peso de !’ y !” de 10 a 30 por ciento.

3. La aleación de la reivindicación 1 que contiene 16-35% de Fe.

4. La aleación de la reivindicación 1 que contien.

3. 53% de Ni, 16-23% de Cr, 1-4, 8% de Mo, 0, 2-3, 0% de Cu, 2, 2-4, 3% de Nb, 0, 6-2, 8% de Ti, 0, 01-0, 7% de Al y 0, 005-0, 03% de C.

5. La aleación de la reivindicación 4, que contiene una mezcla de las fases !’ y !” con un mínimo de 1% en peso de fase !’ y un porcentaje total en peso de !’ + !” de 10 a 30 por ciento.

6. La aleación de la reivindicación 1 que contien.

3. 52% de Ni, 18-23% de Cr, 1-4, 5% de Mo, 0, 5-3% de Cu, 2, 54% de Nb, 0, 7-2, 5% de Ti, 0, 05-0, 7% de Al y 0, 005-0, 025% de C.

7. La aleación de la reivindicación que contiene un porcentaje total en peso de !’ y !” de 10 a 30 por ciento.

8. La aleación de la aleación 1 que contiene entre 1 y 10% en peso de fase !’’.

9. La aleación de la aleación 1 en forma de un tubo o una barra para uso en el ambiente de un pozo de petróleo o gas o en un ambiente marino.

10. Un procedimiento para fabricar una aleación de alta resistencia mecánica resistente a la corrosión, que comprende las etapas de:

proporcionar una aleación que comprende, en porcentaje en peso.

3. 55% de Ni, 12-25% de Cr, 0, 5-5% de Mo, hasta 3% de Cu, 2, 1-4, 5% de Nb, 0, 5-3% de Ti, hasta 0, 7% de Al, 0, 005-0, 04% de C, resto a 100 Fe más impurezas incidentales y desoxidantes, aleación que satisface la ecuación:

Nb-7, 75C &&&&& = 0, 5-9

Al + Ti y tratar térmicamente la aleación por recocido, temple en agua y al menos una etapa de endurecimiento por envejecimiento, por lo que la aleación contiene una mezcla de las fases !’ y !” con un mínimo de 1% en peso de !”, y que tiene un límite elástico mínimo de 827 MPa.

11. El procedimiento de la reivindicación 10 que incluye dos etapas de endurecimiento por envejecimiento.

12. El procedimiento de la reivindicación 10, en el que la etapa de recocido se realiza a de 954ºC a 1121ºC y el endurecimiento por envejecimiento es en dos etapas de envejecimiento realizadas a de 691ºC a 760ºC y de 565ºC a 677ºC.

13. El procedimiento de la reivindicación 12, en el que a la primera etapa de envejecimiento sigue un enfriamiento en horno a la segunda temperatura de envejecimiento, seguido de enfriamiento por aire.

14. El procedimiento de la reivindicación 10, en el que la aleación contiene un peso total porcentual de fases !’ y !” de 10 a 30 por ciento.

15. El procedimiento de la reivindicación 10 que incluye la etapa de conformar la aleación como tubo o barra para uso en un ambiente de un pozo de gas o petróleo o un ambiente marino.

16. Un tubo o una barra que comprende una aleación de cualquiera de las reivindicaciones 1-9.

17. Una aleación obtenible de acuerdo con el procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 10-15.

18. Uso de una aleación de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-9, 17, y/o o una barra de acuerdo con la reivindicación 16 en un ambiente de un pozo de gas o petróleo o un ambiente marino.

FIGURA 1. Diagrama de la zona de difracción seleccionada de la aleación nº. 1 (tratamiento térmico B) obtenido usando un instrumento de microscopía electrónica de transmisión (TEM) que muestra la matriz y manchas de γ´ difractado

FIGURA 2. Diagrama de la zona de difracción seleccionada de la aleación nº.7 (tratamiento térmico C) obtenido usando un instrumento de microscopía electrónica de transmisión (TEM) que muestra la matriz y manchas de γ´ y γ`` difractados. Las marcas son generadas por la presencia de γ´´.