Aleación de resistencia ultraalta para entornos severos de petróleo y gas y método de preparación.

Una aleación de alta tenacidad, resistente a la corrosión, adecuada para su uso en entornos de petróleo y gas,

que consiste en, en % en peso: 5-15 % Fe, 18-24 % Cr, 3,0-7,0 % Mo, 1,0-3,0 % Cu, 4,0-6,5 % Nb, 0,5-2,2 % Ti, 0,05-1,0 % Al, 0,005-0,040 % C, resto Ni más impurezas accidentales y desoxidantes, en donde la aleación tiene una relación de Nb/(Al+Ti) ≥ 2,5-7,5 y un límite elástico mínimo de 999,74 MPa (145 ksi).

Aleación de resistencia ultraalta para entornos severos de petróleo y gas y método de preparación Antecedentes de la invención 1. Campo de la invención La presente invención se refiere a una aleación adecuada para entornos severos de petróleo y gas y, más particularmente, a una aleación de resistencia ultraalta cuya microestructura única se obtiene por condiciones especiales de recocido y endurecimiento por envejecimiento, dando como resultado una combinación de límite elástico, resistencia a impacto, ductilidad, resistencia a la corrosión, estabilidad térmica y conformabilidad, haciendo a la aleación adecuada para aplicaciones corrosivas en pozos petrolíferos que contiene mezclas gaseosas de dióxido de carbono y sulfuro de hidrógeno.

2. Descripción de la técnica relacionada Cuando los pozos petrolíferos menos profundos y corrosivos se agotan, se necesitan materiales más tenaces y más resistentes a la corrosión para permitir una perforación más profunda y para que los pozos altamente corrosivos funcionen satisfactoriamente. Los pozos medianamente corrosivos se manejan mediante diversos aceros de 13Cr. Sin embargo, las aleaciones al 13 % de Cr carecen de la resistencia a la corrosión y tenacidad moderadas requeridas por las aplicaciones de pozos corrosivos más profundos que contienen mezclas gaseosas de dióxido de carbono y sulfuro de hidrógeno. Cayard et al., en "Serviceability of 13Cr Tubulars in Oil and Gas Production Environments", publicaron datos de corrosión por tensión de sulfuro que indicaban que las aleaciones 13Cr tenían una resistencia a la corrosión insuficiente para pozos que funcionaban en la región de transición entre entornos de gas agrio y no agrio. NACE Paper Nº 112, 1998, pág. 1-8, cuyos contenidos se incorporan por referencia en este documento.

Como antecedentes adicionales se dan las siguientes publicaciones que se incorporan también por referencia en este documento:

Patente de Estados Unidos Nº 4.788.036, con fecha 29 de noviembre de 1988, de Eiselstein et al.;

Patente de Estados Unidos Nº 6.458.318, con fecha 1 de octubre de 2002, de Nishiyama et al.; y Hibner et al. en la publicación titulada "Comparison of Corrosion Resistance of Nickel-base Alloys for OCTG's and Mechanical Tubing in Severe Sour Service Conditions", NACE Paper Nº 04110, 2004, pág. 1-15.

El documento US 6 004 408, con fecha 21 de diciembre de 1999, de Montagnon et al. desvela aleaciones endurecidas con precipitación basada en Ni-Cr-Fe con buenas características mecánicas hasta 500 º C que pueden usarse para aplicaciones en pozos profundos de petróleo y gas.

Las aleaciones basadas en Ni son necesarias para los entornos más altamente corrosivos. Las aleaciones de alto rendimiento usadas comúnmente para aplicación en parches de petróleo tales como 925, 718, G-3, MP35N, TI6246, C-276 y 725 son demasiado caras o no tienen la combinación necesaria de alta tenacidad y resistencia a la corrosión. Un objetivo de esta invención es también proporcionar una aleación altamente tenaz y resistente a la corrosión a un coste razonable.

Sumario de la invención La presente invención se refiere a una composición de aleación de Ni-Fe-Cr-Mo-Cu optimizada para proporcionar resistencia a la corrosión mejorada. Adicionalmente, se optimizan Nb, Ti y Al para producir una dispersión fina de gamma y gamma doble prima para proporcionar alta tenacidad. De esta manera, un objetivo fundamental de esta invención es proporcionar una aleación dúctil, altamente tenaz, altamente resistente a impacto y resistente a la corrosión para la producción de barras redondas y tubos, particularmente para aplicaciones en pozo de gas y/o petróleo, como se define en las reivindicaciones. Brevemente, la presente aleación consiste en, en % en peso: de 5 a 15 % Fe, 18-24 % Cr, 3, 0-7, 0 % Mo, 1, 0-3, 0 % Cu, 4, 0-6, 5 % Nb, 0, 5-2, 2 % Ti, 0, 05-1, 0 % Al, 0, 005-0, 040 % C, el resto Ni más impurezas accidentales y desoxidantes, en los que la aleación tiene una relación de Nb/ (Ti+Al) = 2, 57, 5 y un límite elástico mínimo de 999, 74 MPa (145 ksi) . El método de la presente invención como se define en las reivindicaciones incluye un tratamiento con calor final que incluye recocer una solución seguido de inactivación o enfriamiento con aire y envejecimiento.

Descripción detallada de la invención Las composiciones químicas expuestas a lo largo de esta invención están en porcentajes en peso a menos que se especifique de otra manera. De acuerdo con la presente invención, la aleación consiste en 5-15 % en peso Fe, 1824 % en peso Cr, 3, 0-7, 0 % en peso Mo, 1, 0-3, 0 % en peso Cu, 4, 0-6, 5 % en peso Nb, 0, 5-2, 2 % en peso Ti, 0, 05

1, 0 % en peso Al, 0, 005-0, 040 C, resto Ni más impurezas accidentales y desoxidantes, en la que la aleación tiene una relación de Nb/ (Ti+Al) = 2, 5-7, 5 y un límite elástico mínimo de 999, 74 MPa (145 ksi) . La relación Nb/ (Al+Ti) en la composición de aleación está dentro del intervalo de 2, 5 a 7, 5 para proporcionar las fracciones en volumen deseadas de las fases γ'y γ" para una alta tenacidad. Más preferentemente, la aleación de la presente invención consiste en 5-15 % Fe, 18-23 % Cr, 3, 0-7, 0 % Mo, 0, 1-3, 0 % Cu, 4, 0-6, 4 % Nb, 0, 6-2, 1 % Ti, 0, 1-1, 0 % Al; 0, 0050, 030 % C, resto Ni más impurezas accidentales y desoxidantes. Aún más preferentemente, la aleación de la presente invención consiste en 6-12 % Fe, 19-22 % Cr, 3, 5-7, 0 % Mo, 1, 0-3, 0 % Cu, 4, 0-6, 2 % Nb, 0, 8-2, 0 % Ti, 0, 10, 7 % Al, 0, 005-0, 020 % C, resto Ni más impurezas accidentales y desoxidantes. Nominalmente, la aleación de la presente invención consiste en aproximadamente 8 % Fe, 20, 5 % Cr, 4 % Mo, 2 % Cu, 5, 5 % Nb, 1, 5 % Ti, 0, 2 % Al, 0, 01 % C, resto Ni más impurezas accidentales y desoxidantes. La relación de Nb/ (Ti+Al) está en el intervalo de 2, 57, 5 para proporcionar la combinación deseada de fracciones en volumen de las fases γ'y γ" para una alta tenacidad.

Como se usa en este documento, todas las adiciones de constituyentes de aleación se expresan en porcentaje en peso a menos que se indique de otra manera.

El níquel (Ni) modifica la matriz basada en Fe para proporcionar una estructura austenítica estable, que es esencial para una buena estabilidad térmica y conformabilidad. El Ni es uno de los elementos principales que forma γ' de tipo Ni3Al, que es esencial para una alta tenacidad. Adicionalmente, se requiere aproximadamente un 40 % en peso de Ni para que tenga buena resistencia a la corrosión por tensión acuosa. No obstante, un alto contenido de Ni aumenta el coste del metal. El Ni es el elemento restante y está en el intervalo ampliamente definido como 35-70 %. Un contenido de Ni preferible es del 40-65 % y, más preferentemente, el contenido de Ni es del 50-60 %.

Se encontró que una aleación con hierro (Fe) aumentaba la tenacidad, puesto que el Fe se conoce como un sólido de sustitución reforzador de solución para la matriz de níquel. Se descubrió que se prefería un contenido de Fe del 0-15 % para alta resistencia a temperatura y estabilidad y, más preferentemente, un contenido de Fe del 5-15 % y aún más preferentemente un contenido de Fe del 6-12 %.

El cromo (Cr) es esencial para la resistencia a la corrosión. Es necesario un mínimo de aproximadamente 12 % de Cr para un entorno corrosivo agresivo, pero más del 25 % Cr tiende a dar como resultado la formación de fases α-Cr y sigma, que son perjudiciales para las propiedades mecánicas. El intervalo de Cr se define como 18-24 %, preferentemente 18-23 % y, más preferentemente, 19-22 % de Cr.

Se sabe que una adición del 1 % de molibdeno (Mo) aumenta la resistencia a la corrosión por picaduras. La adición de Mo también aumenta la resistencia de las aleaciones de Ni-Fe por reforzamiento de la solución de sólido de sustitución, puesto que el radio atómico del Mo es mucho mayor que el de Ni y Fe. Sin embargo, más de aproximadamente el 10 % de Mo tiende a formar la fase μ de tipo Mo7 (Ni, Fe, Cr) 6 o las fases Ï ternarias con Ni, Fe y Cr. Estas fases degradan la trabajabilidad. También, al ser caro, mayores contenidos de Mo aumentan innecesariamente el coste de la aleación. El intervalo de Mo es del 3, 0-7, 0 % y, preferentemente, del 3, 5-7, 0 % de Mo.

El cobre (Cu) mejora la resistencia a la corrosión en entornos corrosivos no oxidantes. Se reconoce el efecto sinérgico de Cu y Mo para contrarrestar la corrosión en aplicaciones de parche de petróleo típicas donde hay una reducción en los entornos ácidos que contienen altos niveles de cloruros. El intervalo de Cu se define como 1, 03, 0 %. Es sorprendente que dentro del intervalo composicional de la presente invención, es posible obtener una alta tenacidad... [Seguir leyendo]

1. Una aleación de alta tenacidad, resistente a la corrosión, adecuada para su uso en entornos de petróleo y gas, que consiste en, en % en peso: 5-15 % Fe, 18-24 % Cr, 3, 0-7, 0 % Mo, 1, 0-3, 0 % Cu, 4, 0-6, 5 % Nb, 0, 5-2, 2 % Ti, 0, 05-1, 0 % Al, 0, 005-0, 040 % C, resto Ni más impurezas accidentales y desoxidantes, en donde la aleación tiene una relación de Nb/ (Al+Ti) = 2, 5-7, 5 y un límite elástico mínimo de 999, 74 MPa (145 ksi) .

2. La aleación de la reivindicación 1 en la que el contenido de Ni e.

3. 70 %.

3. La aleación de la reivindicación 1 en la que el contenido de Ni e.

4. 65 %.

4. La aleación de la reivindicación 1 en la que el contenido de Ni e.

5. 60 %.

5. Barras o tubos adecuados para su uso en pozos corrosivos de petróleo/gas fabricados a partir de la aleación de la 15 reivindicación 1.

6. La aleación de la reivindicación 1 que consiste en 5-15 % Fe, 18-23 % Cr, 3, 0-7, 0 % Mo, 1, 0-3, 0 % Cu, 4, 0-6, 4 % Nb, 0, 6-2, 1 % Ti, 0, 1-1, 0 % Al y 0, 005-0, 030 % C, resto Ni más impurezas accidentales y desoxidantes.

7. La aleación de la reivindicación 1 que consiste en 6-12 % Fe, 19-22 % Cr, 3, 5-7, 0 % Mo, 1, 0-3, 0 % Cu, 4, 0-6, 2 % Nb, 0, 8-2, 0 % Ti, 0, 1-0, 7 % Al, 0, 005-0, 020 % C, resto Ni más impurezas accidentales y desoxidantes.

8. Un método de fabricación de una aleación de alta tenacidad, resistente a la corrosión, que comprende las etapas de: 25

(a) proporcionar una aleación en forma de lingote que consiste en, en % en peso: 5-15 % Fe, 18-24 % Cr, 3, 07, 0 % Mo, 1, 0-3, 0 % Cu, 4, 0-6, 5 % Nb, 0, 5-2, 2 % Ti, 0, 05-1, 0 % Al, 0, 005-0, 040 % C, resto Ni más impurezas accidentales y desoxidantes, en donde la aleación tiene una relación de Nb/ (Al+Ti) = 2, 5-7, 5;

(b) trabajar en caliente el lingote hasta una forma deseada; y

(c) tratar térmicamente la aleación conformada: (i) proporcionando una primera solución recocida por calentamiento entre 954 º C (1750 º F) y 1121 º C (2050 º F) durante un tiempo de 0, 5-4, 5 horas, seguido de inactivación con agua o enfriamiento con aire; (ii) envejecimiento por calentamiento a una temperatura de al menos aproximadamente 691 º C (1275 º F) y mantenimiento a esa temperatura durante un tiempo entre aproximadamente 6-10 horas para precipitar las fases γ'y γ"; (iii) proporcionar un segundo tratamiento térmico de envejecimiento de aproximadamente 565 º C (1050 º F) a 677 º C (1250 º F) y mantenimiento a esa temperatura para realizar una etapa de envejecimiento secundario durante 4-12 horas, después enfriamiento con aire después de envejecimiento a temperatura ambiente para conseguir una microestructura deseada y maximizar el refuerzo de γ'y γ", para conseguir un límite elástico mínimo de 999, 74 MPa (145 ksi) .

9. El método de la reivindicación 8 que incluye en la etapa (a) : someter la aleación a fusión por inducción en vacío más refusión por arco de vacío antes de la etapa (b) .

10. El método de la reivindicación 8 en el que el tiempo de calentamiento de la etapa de recocido de la primera solución (c) (i) es de aproximadamente 1 hora y el tiempo de mantenimiento en la etapa de envejecimiento 45 secundario (c) (iii) es de aproximadamente 8 horas.

11. Una barra o un tubo adecuados para su uso en pozos corrosivos de petróleo/gas fabricado de acuerdo con el método de la reivindicación 8.

12. El método de la reivindicación 8 en el que el contenido de Ni de la aleación es de.

3. 70 %, en particular del 4065 %, en particular e.

5. 60 %.