BR112019008931B1 - Liga de magnésio e método de produção da mesma, ferramenta de fundo do poço e método de fraturamento hidráulico - Google Patents

Abstract

A presente invenção refere-se a uma liga de magnésio adequada para uso como um artigo de fundo de poço corrosível. A liga de magnésio compreende: (a) 2 a 7%, em peso, de Gd, (b) 0 a 2%, em peso, de Y, (c) 0 a 5,0%, em peso, de Nd, e (d) pelo menos 80%, em peso, de Mg, e tem um alongamento conforme medido por ASTM B557M-10 de pelo menos 22%. A invenção também se refere a uma ferramenta de fundo de poço que compreende a liga de magnésio, um método para produzir uma liga de magnésio, e um método de faturamento hidráulico que compreende o uso de uma ferramenta de fundo de poço que compreende a liga de magnésio.

Description

[001]A presente invenção refere-se a uma liga de magnésio adequada para uso como um artigo de fundo de poço corrosível, a um método para produzir essa liga, a um artigo que compreende a liga e ao uso do artigo.

FUNDAMENTOS

[002]As indústrias de petróleo e gás utilizam uma tecnologia conhecida como fraturamento hidráulico ou “fracking”. Essa normalmente envolve a pressurização com água de um sistema de furos de poço em rochas contendo petróleo e/ou gás a fim de fraturar as rochas para liberar o petróleo e/ou gás.

[003]Com o intuito de alcançar essa pressurização, podem-se usar válvulas para bloquear ou isolar diferentes seções de um sistema de furos de poço. Essas válvulas são referidas como válvulas de fundo de poço, sendo que o termo fundo de poço é usado no contexto da invenção para se referir a um artigo que é usado em um poço ou furo de poço

[004]Tampões de fundo de poço consistem em um tipo de válvula. Um tampão convencional consiste em uma série de segmentos que são separados por uma parte cônica. O cone força os segmentos para fora até que se engatem ao furo de tubo. O tampão é, então, vedado por uma pequena esfera. Outro modo de formar essas válvulas envolve o uso de esferas (comumente conhecidas como esferas de fraturamento hidráulico) de múltiplos diâmetros que se engatam em assentos pré- posicionados no revestimento do tubo. Os tampões de fundo de poço e esferas de fraturamento hidráulico podem ser feitos a partir de alumínio, magnésio, polímeros ou compósitos.

[005]Um problema com ambos os tipos de válvulas se refere à ductilidade do material usado para fabricá-las. Ligas de magnésio corrosíveis tais como aquelas usadas para produzir válvulas de fundo de poço têm uma ductilidade limitada devido a sua estrutura cristalina hexagonal. Essas ligas podem exibir uma textura cristalográfica significativa (isto é, cristais alinhados em uma direção particular) quando usadas em sua forma forjada, tal como quando forem extrudadas. Isso pode limitar adicionalmente a ductilidade, especialmente na direção transversal. Esses fatores significam que a ductilidade de ligas de magnésio dissolvíveis é menor que a desejável.

[006]O pedido de patente anterior do requerente, GB2529062A, se refere a uma liga de magnésio adequada para uso como um artigo de fundo de poço corrosível. Esse documento revela uma liga que compreende 3,7 a 4,3%, em peso, de Y, 0,2 a 1,0%, em peso, de Zr, 2,0 a 2,5%, em peso, de Nd e 0,3 a 1,0%, em peso, de terras raras tendo um alongamento máximo (isto é, ductilidade) de 21%, uma taxa de corrosão de cerca de 1.100 mg/cm2/dia em KCl a 3% a 93°C (200°F) e um estresse de prova de 0,2% de cerca de 200 MPa. A faixas de usos dessas ligas de magnésio podem ser limitadas por suas ductilidades.

[007]O documento CN 106086559 descreve ligas de magnésio que compreendem Gd e/ou Y bem como Ni. No entanto, as proporções de porcentagem atômica de Y e/ou Gd nessas ligas correspondem a porcentagens ponderais que são maiores que 2%, em peso, de Y e/ou maiores que 7%, em peso, de Gd. O documento CN 104152775 se refere a uma liga de magnésio que compreende 86,7%, em peso, de Mg, 2,2%, em peso, de Ni, 5,8%, em peso, de Gd e 5,3% de Nd.

[008]Almeja-se um material que proporcione as características de corrosão desejadas, mas com ductilidade aperfeiçoada.

DECLARAÇÃO DA INVENÇÃO

[009]A presente invenção refere-se a uma liga de magnésio adequada para uso como um artigo de fundo de poço corrosível, em que a liga compreende: (a)2 a 7%, em peso, de Gd, (b)0-2%, em peso, de Y, (c)0-5,0%, em peso, de Nd, e (d)pelo menos 80%, em peso, de Mg, e tem um alongamento conforme medido por ASTM B557M-10 de pelo menos 22%.

[010]Em relação a esta invenção, o termo “liga” é usado para significar uma composição feita misturando-se e fundindo-se dois ou mais elementos metálicos derretendo-os juntos, misturando-os e ressolidificando-os juntos.

[011]O termo “metais de terra rara” é usado em relação à invenção para se referir aos quinze elementos lantanídeos, bem como Sc e Y.

[012]Tampões e esferas de fraturamento hidráulico feitos a partir das ligas de magnésio da invenção podem ter uma gama maior de usos.

[013]Em particular, a liga pode ter um alongamento conforme medido por ASTM B557M-10 de pelo menos 23%, mais particularmente, pelo menos 24%, ainda mais particularmente, pelo menos 25%.

[014]Em particular, a liga de magnésio pode compreender metais de terra rara diferente de Gd em uma quantidade total menor que 5%, em peso, mais particularmente, em uma quantidade total menor que 3%, em peso, ainda mais particularmente, em uma quantidade total menor que 1%, em peso. Em algumas modalidades, a liga de magnésio pode compreender metais de terra rara diferentes de Gd em uma quantidade total menor que 0,5%, em peso, mais particularmente, menor que 0,1%, em peso. Em modalidades particulares, a liga de magnésio pode ser substancialmente livre de metais de terra rara diferentes de Gd. Mais particularmente, os metais de terra rara diferentes de Gd podem compreender Y e/ou Nd, ainda mais particularmente, podem ser Y e/ou Nd.

[015]Mais particularmente, a liga de magnésio pode compreender Gd em uma quantidade de 3 a 6%, em peso, ainda mais particularmente, em uma quantidade de 4,0 a 6,0%, em peso. Em algumas modalidades, a liga de magnésio pode compreender Gd em uma quantidade de 4,5 a 5,5%, em peso, mais particularmente, 4,6 a 4,9%, em peso.

[016]Mais particularmente, a liga de magnésio pode compreender Zr em uma quantidade de até 1,0%, em peso. Em algumas modalidades, a liga de magnésio pode compreender Zr em uma quantidade de 0,01 a 0,5%, em peso, mais particularmente, em uma quantidade de 0,02 a 0,2%, em peso, ainda mais particularmente, em uma quantidade de 0,05 a 0,10%, em peso. Em algumas modalidades, a liga de magnésio pode ser substancialmente livre de Zr.

[017]Em particular, uma liga de magnésio pode compreender um ou mais elementos que promovem corrosão. Mais particularmente, o um ou mais elementos podem ser um ou mais metais de transição. Em particular, uma liga de magnésio pode compreender um ou mais dentre Ni, Co, Ir, Au, Pd, Fe ou Cu. Esses elementos são conhecidos na técnica por promoverem a corrosão de ligas de magnésio. A liga de magnésio pode compreender 0 a 2%, em peso, em total de um ou mais dentre Ni, Co, Ir, Au, Pd, Fe ou Cu, mais particularmente 0,1 a 2%, em peso, ainda mais particularmente, 0,2 a 1,0%, em peso. Em algumas modalidades, a liga de magnésio pode compreender 0,4 a 0,8%, em peso, em total de um ou mais dentre Ni, Co, Ir, Au, Pd, Fe ou Cu, mais particularmente, 0,5 a 0,7%, em peso.

[018]Em particular, a liga de magnésio pode compreender 0 a 2%, em peso, Ni, mais particularmente 0,1 a 2%, em peso, ainda mais particularmente 0,2 a 1,0%, em peso. Em algumas modalidades, a liga de magnésio pode compreender Ni em uma quantidade de 0,4 a 0,8%, em peso, mais particularmente 0,5 a 0,7%, em peso.

[019]Mais particularmente, a liga de magnésio pode compreender Y em uma quantidade menor que 1%, em peso, ainda mais particularmente, menor que 0,5%, em peso, mais particularmente, menor que 0,1%, em peso. Em algumas modalidades, a liga de magnésio pode ser substancialmente livre de Y.

[020]Em particular, a liga de magnésio pode compreender Nd em uma quantidade menor que 2%, em peso. Mais particularmente, a liga de magnésio pode compreender Nd em uma quantidade menor que 1%, em peso, ainda mais particularmente, menor que 0,5%, em peso, mais particularmente, menor que 0,1%, em peso. Em algumas modalidades, a liga de magnésio pode ser substancialmente livre de Nd.

[021]Mais particularmente, a liga de magnésio pode compreender Al em uma quantidade menor que 1%, em peso, ainda mais particularmente, menor que 0,5%, em peso, mais particularmente, menor que 0,1%, em peso. Em algumas modalidades, a liga de magnésio pode ser substancialmente livre de Al.

[022]Em particular, a liga de magnésio pode compreender Ce (por exemplo, sob a forma de mischmetal) em uma quantidade menor que 1%, em peso, ainda mais particularmente, menor que 0,5%, em peso, mais particularmente, menor que 0,1%, em peso. Em algumas modalidades, a liga de magnésio pode ser substancialmente livre de Ce.

[023]Mais particularmente, o restante da liga pode ser magnésio e impurezas incidentais. Em particular, o teor de Mg na liga de magnésio pode ser pelo menos 85%, em peso, mais particularmente, pelo menos 90%, em peso, ainda mais particularmente, pelo menos 92%, em peso.

[024]Uma composição particularmente preferencial da primeira modalidade é uma liga de magnésio que compreende metais de terra rara diferente de Gd em uma quantidade total menor que 2%, em peso, Gd em uma quantidade de 4,0 a 6,0%, em peso, de Zr em uma quantidade de 0,02 a 0,2%, em peso, Ni em uma quantidade de 0,1 a 0,8%, em peso, e Mg em uma quantidade de pelo menos 90%, em peso.

[025]Em particular, uma liga de magnésio pode ter uma taxa de corrosão de pelo menos 50 mg/cm2/dia, mais particularmente, pelo menos 75 mg/cm2/dia, ainda mais particularmente, pelo menos 100 mg/cm2/dia, em KCl a 3% a 38°C (100°F). Em particular, uma liga de magnésio pode ter uma taxa de corrosão de pelo menos 50 mg/cm2/dia, mais particularmente, pelo menos 250 mg/cm2/dia, ainda mais particularmente, pelo menos 500 mg/cm2/dia, em KCl a 15% a 93°C (200°F). Mais particularmente, a taxa de corrosão, em KCl a 3% a 38°C ou em KCl a 15% a 93°C (200°F), pode ser menor que 15.000 mg/cm2/dia.

[026]Em particular, uma liga de magnésio pode ter uma estresse de prova de 0,2% de pelo menos 75 MPa, mais particularmente, pelo menos 100 MPa, ainda mais particularmente, pelo menos 125 MPa, quando testado usando um método de teste de tração padrão ASTM B557-10. Mais particularmente, o estresse de prova de 0,2% pode ser menor que 700 MPa. O estresse de prova de 0,2% de um material é o estresse no qual a tensão de material se altera de deformação elástica para deformação plástica, fazendo com que o material se deforme permanentemente por tensão a 0,2%.

[027]Além disso, esta invenção se refere a uma liga de magnésio forjada tendo a composição descrita anteriormente.

[028]A presente invenção também se refere a um artigo de fundo de poço corrosível, tal como uma ferramenta de fundo de poço, que compreende a liga de magnésio descrita anteriormente. Em algumas modalidades, o artigo de fundo de poço corrosível é uma esfera de fraturamento hidráulico, tampão, packer ou montagem de ferramenta. Em particular, a esfera de fraturamento hidráulico pode ser substancialmente esférica em formato. Em algumas modalidades, a esfera de fraturamento hidráulico consiste essencialmente na liga de magnésio descrita anteriormente.

[029]A presente invenção também se refere a um método para produzir uma liga de magnésio adequada para uso como um artigo de fundo de poço corrosível que compreende as etapas de: (a) aquecer Mg, Gd, e, opcionalmente, um ou mais dentre Y e Nd, para formar uma liga de magnésio fundida que compreende 2 a 7%, em peso, de Gd, 0 a 2%, em peso, de Y, 0 a 5,0%, em peso, de Nd, e pelo menos 80%, em peso, de Mg, (b) misturar a liga de magnésio fundida resultante, e (c) a liga de magnésio.

[030]Em particular, o método pode servir para produzir uma liga de magnésio conforme definido acima. Quaisquer outros componentes necessários na liga resultante (por exemplo, aqueles arrolados nos parágrafos anteriores que descrevem a liga) podem ser adicionados na etapa de aquecimento (a). Mais particularmente, a etapa de aquecimento pode ser realizada em uma temperatura de 650°C (isto é, ponto de fusão de magnésio puro) ou mais, ainda mais particularmente, menor que 1090°C (o ponto de ebulição de magnésio puro). Em particular, a faixa de temperatura pode ser 650°C a 850°C, mais particularmente, 700°C a 800°C, ainda mais particularmente, cerca de 750°C. Mais particularmente, na etapa (b) a liga resultante pode estar totalmente derretida.

[031]A etapa de fundição normalmente envolve despejar a liga de magnésio fundida em um molde, e, então, permitir que a mesma resfrie e se solidifique. O molde pode ser um molde de matriz, um molde permanente, um molde de areia, um molde de investimento, um molde de fundição por resfriamento direto (DC), ou outro molde.

[032]Após a etapa (c), o método pode compreender uma ou mais das etapas adicionais a seguir: (d) extrudar, (e) forjar, (f) laminar, (g) usinar.

[033]A composição da liga de magnésio pode ser adaptada para alcançar um a taxa de corrosão desejada que se enquadre em uma faixa particular. A taxa de corrosão desejada em KCl a 15% a 93°C pode ser qualquer uma das faixas particulares a seguir: 50 a 100 mg/cm2/dia; 100 a 250 mg/cm2/dia; 250 a 500 mg/cm2/dia; 500 a 1.000 mg/cm2/dia; 1000 a 3.000 mg/cm2/dia; 3.000 a 4.000 mg/cm2/dia; 4.000 a 5.000 mg/cm2/dia; 5.000 a 10.000 mg/cm2/dia; 10.000 a 15.000 mg/cm2/dia.

[034]O método da invenção também pode compreender adaptar as composições das ligas de magnésio de modo que as ligas de magnésio fundidas alcancem as taxas de corrosão desejadas em KCl a 15% a 93°C se enquadrando em pelo menos duas das faixas a seguir: 50 a 100 mg/cm2/dia; 100 a 250 mg/cm2/dia; 250 a 500 mg/cm2/dia; 500 a 1.000 mg/cm2/dia; 1.000 a 3.000 mg/cm2/dia; 3.000 a 4.000 mg/cm2/dia; 4.000 a 5.000 mg/cm2/dia; 5.000 a 10.000 mg/cm2/dia; e 10.000 a 15.000 mg/cm2/dia.

[035]Esta invenção também se refere a uma liga de magnésio adequada para uso como um artigo de fundo de poço corrosível que é obtenível pelo método descrito anteriormente.

[036]Além disso, esta invenção se refere a uma liga de magnésio conforme descrito anteriormente para uso como um artigo de fundo de poço corrosível.

[037]Esta invenção também se refere a um método de fraturamento hidráulico que compreende o uso de um artigo de fundo de poço corrosível que compreende a liga de magnésio conforme descrito anteriormente, ou uma ferramenta de fundo de poço conforme descrito anteriormente. Em particular, o método pode compreender formar um lacre pelo menos parcial em um furo de poço com o artigo de fundo de poço corrosível. O método pode, então, compreender remover o lacre pelo menos parcial permitindo-se que o artigo de fundo de poço corrosível corroa. Essa corrosão pode ocorrer em uma taxa desejada com determinadas composições de liga da revelação conforme discutido anteriormente. Mais particularmente, o artigo de fundo de poço corrosível pode ser uma esfera de fraturamento hidráulico, tampão, packer ou montagem de ferramenta. Em particular, a esfera de fraturamento hidráulico pode ser substancialmente esférica em formato. Em algumas modalidades, a esfera de fraturamento hidráulico pode consistir essencialmente na liga de magnésio descrita anteriormente.

[038]A presente invenção será adicionalmente descrita com referência à Figura a seguir que não é destinada a limitar o escopo da invenção reivindicada, em que:

[039]A Figura 1 mostra um gráfico de ductilidade contra o teor de Gd em %, em peso.

EXEMPLOS

[040]As composições de liga de magnésio foram preparadas combinando-se os componentes nas proporções arroladas na Tabela 1 abaixo. Essas composições foram, então, derretidas aquecendo-se a 750°C. A fusão foi, então, fundida em um ingote e extrudada a uma haste. RE inclui todos os elementos de Terra Rara, inclusive ítrio, mas excluindo gadolínio t Exemplos comparativos Tabela 1

[041]Esses dados mostram claramente que os exemplos da invenção apresentam surpreendentemente um alongamento/ductilidade significativamente aperfeiçoados. Isso é confirmado observando-se esses dados sob a forma do gráfico da Figura 1.

Claims (14)

1. Liga de magnésio adequada para uso como um artigo de fundo de poço corrosível, CARACTERIZADA pelo fato de que a liga compreende: (a) 2 a 7%, em peso, de Gd, (b) 0 a 1%, em peso, de Y, (c) 0 a 5,0%, em peso, de Nd, (d) 0,1 a 2% em peso no total de um ou mais de Ni, Co, Ir, Au, Pd, Fe ou Cu, (e) pelo menos 80%, em peso, de Mg, e tem um alongamento conforme medido pela ASTM B557M-10 de pelo menos 22%.

2. Liga de magnésio, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que tem um alongamento conforme medido pela ASTM B557M-10 de pelo menos 24%.

3. Liga de magnésio, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, CARACTERIZADA pelo fato de que compreende Gd em uma quantidade de 4,0 a 6,0%, em peso.

4. Liga de magnésio, de acordo com a reivindicação 3, CARACTERIZADA pelo fato de que compreende Gd em uma quantidade de 4,5 a 5,5%, em peso.

5. Liga de magnésio, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, CARACTERIZADA pelo fato de que compreende um ou mais dentre Ni, Co, Ir, Au, Pd, Fe ou Cu em uma quantidade de 0,1 a 0,8%, em peso, no total.

6. Liga de magnésio, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, CARACTERIZADA pelo fato de que compreende metais de terras raras diferentes de Gd em uma quantidade total menor que 1%, em peso.

7. Liga de magnésio, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, CARACTERIZADA pelo fato de que compreende Zr em uma quantidade de 0,01 a 0,5%, em peso.

8. Liga de magnésio, de acordo com a reivindicação 7, CARACTERIZADA pelo fato de que compreende Zr em uma quantidade de 0,02 a 0,2%, em peso.

9. Liga de magnésio, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, CARACTERIZADA pelo fato de que o teor de Mg na liga de magnésio é pelo menos 85%, em peso.

10. Liga de magnésio, de acordo com a reivindicação 9, CARACTERIZADA pelo fato de que o teor de Mg na liga de magnésio é pelo menos 90%, em peso.

11. Liga de magnésio, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, CARACTERIZADA pelo fato de que tem uma taxa de corrosão de pelo menos 50 mg/cm2/dia em KCl a 15% a 93°C.

12. Ferramenta de fundo de poço, CARACTERIZADA pelo fato de que compreende uma liga de magnésio, conforme definida em qualquer uma das reivindicações 1 a 11.

13. Método para produzir uma liga de magnésio, conforme definida em qualquer uma das reivindicações 1 a 11, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende as etapas de: (a) aquecer Mg, Gd, de um ou mais de Ni, Co, Ir, Au, Pd, Fe ou Cu e opcionalmente, um ou mais dentre Y e Nd, para formar uma liga de magnésio fundida que compreende 2 a 7%, em peso, de Gd, 0 a 1%, em peso, de Y, 0 a 5,0%, em peso, de Nd, 0,1 a 2% em peso no total de um ou mais de Ni, Co, Ir, Au, Pd, Fe ou Cu, e pelo menos 80%, em peso, de Mg, (b) misturar a liga de magnésio fundida resultante, e (c) moldar a liga de magnésio.

14. Método de fraturamento hidráulico, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende o uso de uma ferramenta de fundo de poço, conforme definida na reivindicação 12.