Revestimientos de nanocompuestos para conexiones roscadas.

A empalme roscado, caracterizado porque que comprende:

un elemento perno y un elemento caja,

en tanto el elemento perno posee una primera porción roscada adaptada para concordar con una segunda porción roscadadel elemento caja;

una primera composición de recubrimiento depositada sobre la porción roscada de por lo menos los elementos perno o caja, que comprende:un polímero seleccionado del grupo integrado por epoxis y poliimidas; aproximadamente entre 0.5 y15 % en peso de unperfluoropoliéter;aproximadamente entre 5 y 15 % en peso de por lo menos un elemento entre un agente inhibidorde la corrosión seleccionado del grupo integrado porun compuesto de zinc calcio estroncio ortofosfato silicato hidrato, un zinc calcio aluminio estroncio ortofosfato polifosfato silicato hidrato, un zinc aluminio molibdeno ortofosfato hidrato, unnitroisoftalato de zinc,y un fosfomolibdato de zinc; y

aproximadamente entre 10 y 15 % en peso de un aditivo de adhesiónque comprendeóxido de zinc con un diámetro promedio que oscila aproximadamente entre10 nm y aproximadamente 10 mm, dicho óxido de zinc se provee en una cantidad efectiva como para promover la adhesión de la primera composición de recubrimiento a la porción roscada;en tanto el resto de la primera composición está compuesto por el polímero y el porcentaje en peso de cada componente se basa en el peso total de la primera composición de recubrimiento.

REVESTIMIENTOS DE NANOCOMPUESTOS PARA CONEXIONES ROSCADAS

Antecedentes de la invención Campo de la invención

Las realizaciones de la presente revelación hacen referencia a sistemas de recubrimiento, en particular para conexiones roscadas, y, en una realización, a recubrimientos de nanocompuestos para resistencia a la corrosión.

Descripción del arte relacionado

En los campos petrolíferos, es una práctica común el uso de caños metálicos para extraer petróleo o gas de yacimientos o depósitos subterráneos. La extracción puede incluir la perforación de un pozo en la tierra y el encamisado interno del pozo con tubos metálicos de un diámetro relativamente grande, denominado encamisado, para proveer al pozo estabilidad estructural, e inhibir el colapso del mismo. Una vez que el pozo ha sido perforado a la profundidad deseada y el recubrimiento ha sido colocado en su lugar, es posible disponer un tren de tubos metálicos de menor diámetro, denominado tubería para bombear los hidrocarburos gaseosos o líquidos a la superficie. Los tubos más chicos que forman la tubería son empalmados para extenderse a través de una longitud suficiente como para alcanzar la profundidad de extracción. Tanto el tren de encamisado como el tren de tubería están constituidos por segmentos de caños unidos entre si usando conectares roscados.

Durante el montaje de los caños del encamisado o la tubería, las roscas y otras superficies de los caños que están bajo un contacto por deslizamiento entre si pueden experimentar un desgaste. Por lo general se agrega un aditivo o se engrasa la superficie de las roscas de los elementos macho y hembra de la conexión roscada durante el montaje de caños en orden a inhibir el desgaste. El aditivo típicamente incluye pequeñas partículas de metales pesados como Pb o Cu.

El uso de aditivos tiene inconvenientes de importancia, sin embargo. Es de destacar que las altas concentraciones de metales pesados pueden generar una acumulación de metales pesados en seres humanos y animales, provocando serias enfermedades. Además, los metales pesados presentes en el aditivo pueden contaminar el suelo, las aguas subterráneas, y las aguas oceánicas, generando un riesgo ambiental. Además, a la luz de estos peligros, la estricta normativa que prohíbe la descarga de metales pesado puede exigir ciertas precauciones cuando se usan aditivos, incrementando el costo de su empleo.

Además de los temas antes mencionados, el uso de aditivos puede también exigir ciertas operaciones como la limpieza y aplicación de aditivo a las conexiones roscadas en campo durante el uso. Estas operaciones son costosas y llevan mucho tiempo, dado que son mano de obra intensivas. Además, estas operaciones pueden exponer al personal a riesgos de seguridad, dado que es necesario exponerse a caños en movimiento y a menudo se desarrollan en condiciones adversas.

Otro riesgo potencial en el empleo de aditivos pueden incluir la "falta de aditivo" o el "exceso de aditivo". En la "falta de adhesivo", se provee una cantidad insuficiente de aditivo a la conexión roscada y/o el aditivo no se distribuye sobre toda la superficie de la conexión roscada como resultado de lo cual no se puede inhibir debidamente el desgaste. A pesar que la aplicación de un exceso de aditivo puede solucionar el tema de la falta de aditivo, este enfoque incrementa el riesgo de caer en el exceso, la situación en la cual se coloca demasiado aditivo sobre las roscas de los conectares. El exceso de aditivo puede generar condiciones tales que, durante el montaje del conectar, el sobrante no pueda ser evacuado por el extremo de las porciones roscadas de los segmentos de caño. El aditivo atrapado puede desarrollar alta presión dentro de la conexión roscada y conducir a una deformación plástica de los segmentos en la porción roscada. En casos extremos, la deformación plástica puede provocar el colapso del elemento macho del empalme, lo cual tornará a la conexión inútil, y exigirá el reemplazo de los segmentos de caño y/o el manguito.

Las soluciones anti-desgaste que no emplean aditivo han sido examinadas para abordar estos problemas. En un aspecto, la solicitud de patente internacional W26/75774 concedida a Imai, et al. revela una composición de recubrimiento que contiene una capa inferior, que comprende un polvo lubricante sólido y un aglutinante, y una capa de recubrimiento superior de un recubrimiento protector contra la corrosión sólido sin partículas sólidas. Al momento de apretar el empalme, el recubrimiento de protección contra la corrosión gradualmente se desgasta en las porciones de contacto debido a la fricción producida durante el ajuste, exponiéndose el recubrimiento lubricante sólido subyacente que provee su acción lubricante.

En otro aspecto, la Patente Estadounidense Número 5,253,92 concedida a Petelot, et al. describe un recubrimiento anti-agarre para la protección de tubos roscados metálicos. El recubrimiento comprende una capa de óxido de plomo delgada, producida por la oxidación de una capa de plomo, que se forma sobre una capa subyacente de cobre, níquel, o cromo, que a su vez se forma sobre el substrato.

En un aspecto adicional, la Solicitud de Patente Internacional WO/26/14251 concedida a Goto, et al. revela un empalme roscado que posee una mejor resistencia al desgaste y la corrosión el cual presenta una capa inferior de un recubrimiento lubricante líquido viscoso o semlsólldo que comprende por lo menos cera y una sal de metal térreo alcalino de ácido graso sin metales pesados. El recubrimiento además comprende una capa superior de un recubrimiento sólido seco formado sobre una composición de recubrimiento de resina acuosa.

Cada uno de estos enfoques tiene sus inconvenientes, sin embargo. El enfoque de Imai se basa en un recubrimiento contra la corrosión relativamente blando que se desgasta al exponerlo a la capa lubricante. Como resultado de ello, la durabilidad mecánica de la capa anti-corrosión es baja y esta capa puede desgastarse con el tiempo en áreas no deseadas, reduciéndose en forma significativa la protección contra la corrosión del recubrimiento. El enfoque propuesto por Petelot emplea metales pesados, como plomo y cobre, lo cual genera los peligros ambientales y de toxicidad antes expuestos. El enfoque propuesto por Goto también es problemático porque la capa inferior de un recubrimiento lubricante líquido o semlsólldo estará sometida a problemas de exceso de aditivo o escasez de aditivo al aplicarse la composición de la capa inferior.

En mérito a por lo menos los motivos anteriores, se necesitan sistemas de protección que provean una mejor resistencia a la corrosión, en especial en los entornos severos que se enfrentan en las industrias de producción de petróleo y gas.

Resumen de la invención

Las realizaciones de la presente Invención proveen un empalme roscado. En una realización, el empalme roscado comprende un elemento perno y un elemento caja, el elemento perno posee una primera porción roscada adaptada para acoplarse a una segunda porción roscada del elemento caja. El empalme roscado además comprende una primera composición de recubrimiento depositada sobre por lo menos una porción de por lo menos los elementos perno o caja. En una realización, la primera composición de recubrimiento comprende: un polímero;

un modificador polimérico que contiene flúor; por lo menos un aditivo anticorrosión y

por lo menos un óxido metálico que posee un diámetro que oscila aproximadamente entre 1 nm y 1 mm.

En ciertas realizaciones, la primera composición de recubrimiento puede combinarse con una segunda composición de recubrimiento que se deposita sobre por lo menos una porción de por lo menos los elementos perno o caja. En una realización, la segunda composición de recubrimiento comprende: un polímero;

un lubricante sólido disperso dentro del polímero; un óxido metálico; y un solvente.

Otra realización de la presente invención además provee un empalme roscado. En una realización, el empalme roscado comprende un elemento perno y un elemento caja, donde el elemento perno posee una primera porción roscada adaptada para acoplarse a una segunda porción roscada del elemento caja. El empalme roscado además comprende una primera composición de recubrimiento depositada sobre la porción roscada de por lo menos los elementos perno o caja. En una realización, la primera composición de recubrimiento comprende un polímero seleccionado del grupo integrado por epoxis y poliimidas; aproximadamente entre.5 y 15 % en peso de un perfluoropoliéter;

aproximadamente entre 5 y 15 % en peso de por lo menos un compuesto anticorrosivo seleccionado del grupo integrado por un compuesto de zinc calcio estroncio... [Seguir leyendo]

1. A empalme roscado, caracterizado porque que comprende:

un elemento perno y un elemento caja, en tanto el elemento perno posee una primera porción roscada adaptada para concordar con una segunda porción roscada del elemento caja;

una primera composición de recubrimiento depositada sobre la porción roscada de por lo menos los elementos perno o caja, que comprende:

un polímero seleccionado del grupo integrado por epoxls y polümldas; aproximadamente entre.5 y 15 % en peso de un perfluoropoliéter;

aproximadamente entre 5 y 15 % en peso de por lo menos un elemento entre un agente inhibidor de la corrosión seleccionado del grupo integrado por un compuesto de zinc calcio estroncio ortofosfato silicato hidrato, un zinc calcio aluminio estroncio ortofosfato polifosfato silicato hidrato, un zinc aluminio molibdeno ortofosfato hidrato, un nitroisoftalato de zinc, y un fosfomolibdato de zinc; y

aproximadamente entre 1 y 15 % en peso de un aditivo de adhesión que comprende óxido de zinc con un diámetro promedio que oscila aproximadamente entre 1 nm y aproximadamente 1 mm, dicho óxido de zinc se provee en una cantidad efectiva como para promover la adhesión de la primera composición de recubrimiento a la porción roscada;

en tanto el resto de la primera composición está compuesto por el polímero y el porcentaje en peso de cada componente se basa en el peso total de la primera composición de recubrimiento.

2. El empalme roscado de la Reivindicación 1, caracterizado porque el perfluoropoliéter reacciona químicamente con el polímero para formar una pluralidad de enlaces covalentes entre el polímero y el perfluoropoliéter; preferentemente el perfluoropoliéter es condensable con el polímero.

3. El empalme roscado de cualquiera de las Reivindicaciones 1 a 2, caracterizado porque la primera composición de recubrimiento comprende una sola capa.

4. El empalme roscado de cualquiera de las Reivindicaciones 1 a 3 caracterizado porque la composición de recubrimiento además comprende aproximadamente 3 a 3 % en peso de un lubricante sólido; preferentemente el lubricante sólido comprende por lo menos un elemento entre polietileno de alta densidad (HDPE), politetrafluoroetileno (PTFE), grafito, y disulfuro de molibdeno (MoS2).

5. El empalme roscado de cualquiera de las Reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la composición de recubrimiento además comprende un refuerzo inorgánico; preferentemente el refuerzo inorgánico posee un diámetro promedio inferior a aproximadamente 3 nm; más aún el refuerzo está presente en una cantidad que oscila aproximadamente entre 5 y 1 % en peso, en base al peso total de la primera composición; más aún el refuerzo comprende por lo menos un elemento entre carburo de silicio (SiC), dióxido de titanio (Ti2), óxido de aluminio (AI23), y dióxido de silicio (SÍ2).

6. El empalme roscado de cualquiera de las Reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque la primera composición de recubrimiento además comprende por lo menos un elemento entre:

aproximadamente entre 3 y 8 % en peso de zinc;

aproximadamente entre 1 y 5 % en peso de fosfato de zinc (II);

aproximadamente entre 1 y 5 % en peso de negro de humo; y

aproximadamente entre 1 y 2 % en peso de polidimetilsiloxano;

en tanto la cantidad de cada uno se basa en el peso total de la primera composición.

7. El empalme roscado de cualquiera de las Reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el coeficiente de desgaste de la primera composición de recubrimiento es inferior a aproximadamente 2. e-6 mm3/Nm.

8. El empalme roscado de cualquiera de las Reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque la composición de recubrimiento además comprende aproximadamente 3 a 3 % en peso de un lubricante sólido y:

a) el coeficiente de fricción de la primera composición de recubrimiento oscila aproximadamente entre.3 y.1; o

b) el recubrimiento sustancialmente no exhibe corrosión hasta aproximadamente 1h de exposición según ensayo de acuerdo a ASTM B117.

9. El empalme roscado de cualquiera de las Reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque una segunda capa de recubrimiento que comprende un lubricante de película seca se deposita sobre una porción roscada de por lo menos un elemento entre los elementos perno y caja.

1. El empalme roscado de la Reivindicación 9, caracterizado porque la segunda composición de recubrimiento comprende:

aproximadamente entre 4 y 16 % en peso politetrafluoroetileno (PTFE);

aproximadamente entre 8 y 24 % en peso de un epoxi reactivo; aproximadamente entre 1 y 6 % en peso de dióxido de titanio; y un solvente;

en tanto la cantidad de cada componente se basa en el peso total de la segunda composición.

11. El empalme roscado de cualquiera de las Reivindicaciones 9 y 1, caracterizado porque el espesor de los recubrimientos primero y segundo son aproximadamente ¡guales.

12. El empalme roscado de cualquiera de las Reivindicaciones 9 a 11, caracterizado porque la primera composición de recubrimiento es depositada sobre el elemento perno y la segunda composición de recubrimiento es depositada sobre el elemento caja.

13. El empalme roscado de cualquiera de las Reivindicaciones 1 a 12, caracterizado porque los elementos perno y caja son metálicos.

14. El empalme roscado de cualquiera de las Reivindicaciones 9 y 1, caracterizado porque el espesor combinado de las capas de recubrimiento primera y segunda es inferior a aproximadamente 8 mm; preferentemente el primer recubrimiento posee un espesor inferior a aproximadamente 4 mm.

15. El empalme roscado de cualquiera de las Reivindicaciones 9 a 14, caracterizado porque el segundo recubrimiento posee un espesor inferior a aproximadamente 3 mm.

16. El empalme roscado de la Reivindicación 1, en el cual el elemento perno posee una primera porción roscada adaptada para acoplarse a una segunda porción roscada del elemento caja, en tanto por lo menos una superficie del elemento perno o caja es arenado; caracterizado porque comprende además:

un epoxi; y

una segunda composición de recubrimiento depositada sobre la porción roscada del elemento caja, que comprende: aproximadamente entre 4 y 16 % en peso politetrafluoroetileno (PTFE); aproximadamente entre 8 y 24 % en peso de

un epoxi reactivo;

aproximadamente entre 1 y 6 % en peso de dióxido de titanio; y

un solvente;

en tanto la cantidad de cada componente se basa en el peso total de la segunda composición de recubrimiento.

17. El empalme roscado de la Reivindicación 16, caracterizado porque la primera composición de recubrimiento además comprende aproximadamente entre 3 y 3 % en peso de un lubricante sólido; preferentemente el lubricante sólido comprende por lo menos un elemento entre polietileno de alta densidad (HDPE), politetrafluoroetileno (PTFE), grafito, y disulfuro de molibdeno (MoS2).

18. Un método de protección de un empalme roscado, caracterizado porque comprende:

proveer un elemento perno y un elemento caja, en tanto el elemento perno posee una primera porción roscada

adaptada para acoplarse a una segunda porción roscada del elemento caja;

proveer una primera composición que comprende:

un polímero seleccionado del grupo integrado por epoxis y poliimidas;

aproximadamente entre.5 y 15 % en peso de un perfluoropoliéter; aproximadamente entre 5 y 15 % en peso de un agente inhibidor de la corrosión seleccionado del grupo integrado por un compuesto de zinc calcio estroncio ortofosfato silicato hidrato, un zinc calcio aluminio estroncio ortofosfato polifosfato silicato hidrato, un zinc aluminio molibdeno ortofosfato hidrato, un nitroisoftalato de zinc, y un fosfomolibdato de zinc; y

aproximadamente 1-15 % en peso de un aditivo de adhesión que comprende óxido de zinc con un diámetro promedio que oscila aproximadamente entre 1 nm y aproximadamente 1 mm, dicho óxido de zinc se provee en una cantidad efectiva como para promover la adhesión de la primera composición de recubrimiento a la porción roscada;

en tanto el resto de la primera composición está compuesto por el polímero y el porcentaje en peso de cada

componente se basa en el peso total de la primera composición de recubrimiento;

proveer una segunda composición de recubrimiento que comprende un lubricante de película seca; y

aplicar los recubrimientos primero y segundo sobre por lo menos la porción roscada de por lo menos los elementos

perno o caja.

19. El método de la Reivindicación 18, caracterizado porque el perfluoropoliéter reacciona químicamente con el polímero para formar una pluralidad de enlaces covalentes entre el polímero y el perfluoropoliéter; más aún el perfluoropoliéter es condensable con el polímero.

2. El método de cualquiera de las Reivindicaciones 18 a 19, caracterizado porque la primera composición de recubrimiento comprende una sola capa.

21. El método de cualquiera de las Reivindicaciones 18 a 2, caracterizado porque las partículas inorgánicas comprenden óxido de zinc con un diámetro promedio que oscila entre aproximadamente entre 1 y 3 nm.

22. El método de cualquiera de las Reivindicaciones 18 a 21, caracterizado porque la primera composición de recubrimiento además comprende aproximadamente 3 a 3 % en peso de un lubricante sólido; preferentemente el lubricante sólido comprende por lo menos un elemento entre polietileno de alta densidad (HDPE), politetrafluoroetileno (PTFE), grafito, y disulfuro de molibdeno (MoS2).

23. El método de cualquiera de las Reivindicaciones 18 a 22, caracterizado porque la composición de recubrimiento además comprende un refuerzo inorgánico; preferentemente el refuerzo inorgánico posee un diámetro promedio inferior a aproximadamente 3 nm; más aún el refuerzo está presente en una cantidad que oscila aproximadamente entre 5 y 1 % en peso, en base al peso total de la primera composición; más aún el refuerzo comprende por lo menos un elemento entre carburo de silicio (SiC), dióxido de titanio (Ti2), óxido de aluminio (AI23), y dióxido de silicio (SÍ2).

24. El método de cualquiera de las Reivindicaciones 18 a 23, caracterizado porque la primera composición de recubrimiento además comprende por lo menos uno de los siguientes componentes:

aproximadamente 3 a 8 % en peso de zinc; aproximadamente entre 1 y 5 % en peso de fosfato de zinc (II); aproximadamente entre 1 y 5 % en peso de negro de humo; y aproximadamente entre 1 y 2 % en peso de polidimetilsiloxano;

en tanto la cantidad de cada uno se basa en el peso total de la primera composición de recubrimiento.

25. El método de cualquiera de las Reivindicaciones 18 a 24, caracterizado porque la primera composición de recubrimiento es depositada sobre el elemento perno y la segunda composición de recubrimiento es depositada sobre el elemento caja.

26. El método de cualquiera de las Reivindicaciones 18 a 25, caracterizado porque el lubricante de película seca comprende un lubricante sólido disperso dentro de una matriz polimérica y un solvente; preferentemente el lubricante de película seca comprende por lo menos un elemento entre una película auto lubricante y una aleación metálica.

27. El método de cualquiera de las Reivindicaciones 18 a 26, caracterizado porque la segunda composición de recubrimiento comprende:

aproximadamente entre 4 y 16 % en peso politetrafluoroetileno (PTFE); aproximadamente entre 8 y 24 % en peso de un epoxi reactivo; aproximadamente entre 1 y 6 % en peso de dióxido de titanio; y un solvente;

en tanto la cantidad de cada componente se basa en el peso total de la segunda composición de recubrimiento; y/o el espesor de las composiciones de recubrimiento primera y segunda son aproximadamente iguales; y/o el método además comprende curar por lo menos un elemento entre las composiciones de recubrimiento primera y segunda a una temperatura inferior a aproximadamente 15°C; y/o los elementos perno y caja son metálicos; y/o por lo menos un elemento entre los elementos perno y caja es sometido a un tratamiento de superficie con el fin de mejorar la adhesión del recubrimiento a la superficie de dichos elementos perno y caja; preferentemente el tratamiento de superficie comprende por lo menos un elemento entre arenado, fosfatización, y enchapado con cobre.