BR122021010481B1

BR122021010481B1 - Liga de magnésio adequada para a utilização como um artigo de fundo de poço corrosível e método para fraturamento hidráulico

Info

Publication number: BR122021010481B1
Application number: BR122021010481-6A
Authority: BR
Inventors: Timothy Wilks; Mark Turski
Original assignee: Magnesium Elektron Limited
Priority date: 2014-07-28
Filing date: 2015-07-28
Publication date: 2021-08-03
Also published as: EP3175010A2; US20170369971A1; BR112017001189A2; CA2954126C; CA3141049C; MX2017000042A; WO2016016628A3; SA517380708B1; GB2554793A; GB201513245D0; US20160024619A1; WO2016016628A2; RU2016150850A3; GB2554793B; GB2529062B; IL249928B; ES2796232T3; GB2529062A; KR20170038804A; IL249928A0

Abstract

trata-se de ligas de magnésio adequadas para serem utilizadas como artigos de fundo de poço corrosíveis, em que as ligas possuem uma taxa de corrosão de pelo menos 50 mg/cm²/dia em 15% de kcl a 93 °c e uma resistência de prova 0,2% de pelo menos 50mpa quando testadas com o uso do método do teste de tensão padrão astm b557-10. a invenção também se refere aos métodos para produzir as ligas, às ferramentas de fundo de poço que compreendem as ligas e aos métodos de fraturamento hidráulica que utilizam as ferramentas de fundo de poço.

Description

[001] Esta invenção refere-se a uma liga de magnésio adequada para a utilização como um artigo de fundo de poço corrosível, a um método para a fabricação de tal liga, a um artigo que compreende a liga e à utilização do artigo.

Fundamentos

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

[003] Para conseguir essa pressurização, válvulas podem ser utilizadas para separar diferentes seções de um sistema de furo de poço. Essas válvulas são referidas como válvulas de fundo de poço, a expressão fundo de poço sendo utilizada no contexto da invenção para se referir a um artigo que é utilizado em um poço ou furo de poço.

[004] Uma forma de formar tais válvulas envolve a utilização de esferas de material conhecidas como esferas de fraturamento para vedar as partes de um furo de poço. As esferas de fraturamento podem ser feitas de alumínio, magnésio, polímeros ou compósitos.

[005] Um problema com a utilização de esferas de fraturamento se relaciona com a forma como elas são removidas uma vez que a operação de fraturamento tenha sido completada de modo a permitir que o fluido flua através do poço ou furo de poço. Uma maneira de fazer isso é perfurar através da esfera de fraturamento. No entanto, esse tipo de processo de perfuração pode prejudicar a produção, além de ser caro, difícil e, portanto, indesejável.

[006] Uma solução proposta para esse problema tem sido formar a esfera de fraturamento a partir de um material que irá se dissolver ou corroer sob as condições no poço ou furo de poço. Uma questão que deve ser considerada em relação a tais artigos corrosíveis é garantir que eles sejam corrosíveis a uma taxa que permita que eles permaneçam utilizáveis durante o período de tempo durante o qual eles são necessários para desempenhar sua função, mas que permita que eles sejam corrosíveis ou dissolvam depois.

[007] Foram utilizados polímeros degradáveis para proporcionar um artigo corrosível para a utilização em tais métodos. No entanto, esses polímeros não têm, em geral, uma resistência mecânica particularmente elevada.

[008] Um artigo corrosível alternativo é descrito na Patente U.S. N° 8.425.651 em nome de Xu et. al. Esse documento descreve um compósito de metal em pó que compreende uma nanomatriz, de preferência, produzida a partir de Al ou Ni ou uma combinação dos mesmos, na qual está dispersa uma pluralidade de primeira partícula, uma pluralidade de segunda partícula e uma camada de ligação de estado sólido. A primeira partícula compreende Mg, Al, Zn ou Mn, ou uma combinação dos mesmos, e a segunda partícula compreende nanopartículas de carbono. O compósito pode ser produzido ao formar uma mistura em pó dos componentes necessários e, em seguida, ao aplicar a temperatura e a pressão ao pó para sinterizar e deformar (mas não derreter) o compósito para formar um compósito em pó. Um problema com tais métodos metalúrgicos em pó é que eles são complicados e dispendiosos.

[009] Um artigo corrosível adicional é descrito na publicação de pedido de patente U.S. N° 2012/0318513 em nome de Mazyar et. al. Nesse documento, o artigo corrosível é descrito como tendo um núcleo corrosível e uma camada metálica que cobre o núcleo. O material do núcleo é descrito como sendo uma liga de magnésio. No entanto, parece que a combinação de magnésio e um ou mais outros materiais em uma forma que não é uma liga também se destina a ser coberta pela utilização do termo "liga" em Mazyar et. al. Por exemplo, esse documento refere-se às ligas de magnésio com tungstênio, enquanto que na verdade não é tecnicamente viável formar uma liga de magnésio e tungsténio. De modo similar, Mazyer et. al. também menciona os pós de magnésio revestidos com um óxido metálico como sendo úteis para formar o núcleo, o que novamente não seria "ligas" de magnésio. Assim, Mazyar et. al. parece utilizar o termo "liga de magnésio"para significar qualquer forma na qual o magnésio e outro metal são combinados. A camada metálica é descrita como incluindo alumínio ou níquel.

[010] Um dispositivo de isolamento de fundo de poço dissolvível é descrito na publicação de pedido de patente U.S. N° 2014/0124216 em nome de Halliburton Energy Services, Inc. Embora exista uma descrição mínima sobre como o dispositivo é fabricado, parece que, de novo, é formado um compósito em pó em vez de uma "liga". Além disso, esse documento apenas menciona o magnésio como um de uma grande lista de componentes, com o magnésio não sendo um dos componentes preferidos. O dispositivo também requer a presença de um "composto eletrolítico" que se dissolve no fluido no poço. De modo semelhante, a publicação do pedido de patente U.S. N° 2014/0190705, também em nome da Halliburton Energy Services, Inc., menciona apenas o magnésio como um de uma grande lista de componentes, com o magnésio não sendo um dos componentes preferidos. Esse documento também requer a presença de um "composto eletrolítico" que se dissolve no fluido no fundo do poço.

[011] Embora a fundição, o forjamento e a usinagem sejam descritos em Mazyar et. al., esses são apenas mencionados em termos muito gerais (por exemplo, as etapas do método e as temperaturas de aquecimento não são indicados) e a estrutura dos materiais resultantes não é descrita. Além disso, o método preferido para formar o artigo corrosível é comprimir o pó na forma desejada, por exemplo, mediante a compressão a frio com o uso de uma prensa isostática. Tal como referido acima, tais métodos metalúrgicos em pó são complicados e dispendiosos. Além disso, os compósitos em pó resultantes podem ter propriedades mecânicas fracas.

[012] Assim, existe uma necessidade nas indústrias de petróleo e gás de proporcionar um artigo corrosível que proporcione as características de corrosão desejadas, ao mesmo tempo em que tenha as propriedades mecânicas melhoradas, e a um custo mais baixo do que pode realmente ser alcançado. É também vantajoso que o artigo corrosível tenha uma densidade relativamente baixa (por exemplo, em comparação com metais em geral). Essa invenção procura melhorar esses problemas.

Declaração de invenção

[013] Essa invenção refere-se a uma liga de magnésio adequada para a utilização como um artigo de fundo de poço corrosível, em que a liga tem uma taxa de corrosão de pelo menos 50 mg/cm2/dia em 15% de KCl a 93 °C e uma resistência de prova de 0,2% de pelo menos 50MPa quando testada com o uso do método de teste de tensão padrão ASTM B557 -10.

[014] Em relação a essa invenção, o termo "liga" é utilizado para significar uma composição feita ao misturar e fundir dois ou mais elementos metálicos, fundindo, misturando e ressolidificando esses.

[015] O termo "metais de terras raras" é usado em relação à invenção para se referir aos quinze elementos de lantanídeos, bem como Sc e Y.

[016] A liga de magnésio compreende, de preferência, um ou mais de Ni, Co, Ir, Au, Pd ou Cu. Em algumas modalidades, Ni é preferido. Esses elementos metálicos promovem a corrosão da liga. Em todas as modalidades, a liga compreende, de preferência, um ou mais de Ni, Co, Ir, Au, Pd ou Cu, mais de preferência, Ni, em uma quantidade entre 0,01% e 15% em peso (% em peso) e, em algumas modalidades, mais de preferência, entre 0,1% e 10% em peso, ainda mais de preferência, entre 0,2% em peso e 8% em peso.

[017] As combinações particularmente preferidas de metais na liga de magnésio incluem Mg-Al-Zn-Mn, Mg-Al-Mn, Mg-Zn-Zr, Mg-Y-RE-Zr, Mg-Zn- Cu- Mn, Mg-Nd- Gd-Zr, Mg-Ag-RE-Zr, Mg-Zn-RE-Zr, Mg-Gd-Y-Zr, Mg-Al-Ca-Mn e Mg-Al-Sn- Zn-Mn. Esses elementos adicionais podem ser incluídos formando uma liga de magnésio com esses elementos e depois adicionando à liga fundida, um elemento metálico promotor da corrosão (isto é, Ni, Co, Ir, Au, Pd e/ou Cu).

[018] Em uma primeira modalidade preferida, a liga de magnésio compreende (a) 0,01 a 10% em peso de um ou mais de Ni, Co, Ir, Au, Pd ou Cu, (b) 1 a 10% em peso de Y, (c) 1 a 15% de pelo menos um metal de terras raras diferente de Y, e (d) 0 a 1% em peso de Zr.

[019] Na primeira modalidade, a liga de magnésio compreende um ou mais metais de terras raras diferentes de Y em uma quantidade de 1 a 15% em peso, mais de preferência, em uma quantidade de 1 a 10% em peso, ainda mais de preferência, em uma quantidade de 1,5-5,0% em peso. Um metal de terras raras preferido diferente de Y é Nd. Uma quantidade particularmente preferida de Nd na liga é de 1,7 a 2,5% em peso, mais de preferência, de 2,0 a 2,3% em peso.

[020] Na primeira modalidade, a liga de magnésio compreende Y em uma quantidade de 1 a 10% em peso, de preferência, em uma quantidade de 2,0 a 6,0% em peso, mais de preferência, em uma quantidade de 3,0 a 5,0% em peso, ainda mais de preferência, em uma quantidade de 3,3 a 4,3% em peso ou 3,7a 4,3% em peso.

[021] Na primeira modalidade, a liga de magnésio compreende Zr em uma quantidade até 1% em peso. Em algumas modalidades, a liga de magnésio compreende Zr em uma quantidade de 0,05 a 1,0% em peso, mais de preferência, em uma quantidade de 0,2 a 1,0% em peso, ainda mais de preferência, em uma quantidade de 0,3 a 0,6% em peso. Em algumas modalidades, a liga de magnésio compreende Zr em uma quantidade de até 0,6% em peso, de preferência até 0,3% em peso, mais de preferência, até 0,15% em peso. Em algumas modalidades, a liga de magnésio está substancialmente livre de Zr (por exemplo, a liga de magnésio compreende menos de 0,05% em peso de Zr).

[022] Para todas as modalidades, de preferência, o restante da liga é magnésio e impurezas acidentais. É preferível que o teor de Mg na liga de magnésio seja, de preferência, pelo menos 80% em peso, mais de preferência, pelo menos 85% em peso, ainda mais de preferência, pelo menos 87% em peso.

[023] Uma composição particularmente preferida da primeira modalidade é uma liga de magnésio que compreende 3,3 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 opcionalmente 0,3 a 1,0% em peso de outras terras raras com Ni como o metal elemento. Uma composição alternativa preferida da primeira modalidade é uma liga de magnésio que compreende 3,3 a 4,3% em peso de Y, até 0,2% em peso de Zr, 1,7 a 2,5% em peso de Nd e opcionalmente 0,3 a 1,0% em peso de outras terras raras com Ni como o metal elemento.

[024] Na primeira modalidade, a liga de magnésio compreende de preferência Ni em uma quantidade entre 0,01% e 10% em peso, mais de preferência, entre 0,1% e 8% em peso, ainda mais de preferência, entre 0,2% em peso e 7% em peso. Uma outra composição particularmente preferida é uma liga de magnésio que compreende 3,3 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 0,2 a 7% em peso de Ni. Uma composição alternativa particularmente preferida é uma liga de magnésio que compreende 3,3 a 4,3% em peso de Y, 0,2% em peso ou menos de Zr, 1,7 a 2,5% em peso de Nd e 0,2 a 7% em peso de Ni. É preferível que o restante da liga seja magnésio e impurezas acidentais.

[025] Em uma segunda modalidade preferida, a liga de magnésio compreende (a) 0,01 a 10% em peso de um ou mais de Ni, Co, Ir, Au, Pd ou Cu, (b) 1 a 15% em peso de Al, (c) 0,1 a 1% Mn, e (d) opcionalmente, um ou mais de Ca, Sn e Zn.

[026] Na segunda modalidade, a liga de magnésio compreende 1 a 15% em peso de Al, de preferência 2 a 12% em peso de Al, mais de preferência, 2,5 a 10% em peso de Al.

[027] Na segunda modalidade, a liga de magnésio compreende 0,1 a 1% em peso de Mn, de preferência 0,1 a 0,8% em peso de Mn, mais de preferência, 0,2 a 0,6% em peso de Mn.

[028] Na segunda modalidade, a liga de magnésio compreende opcionalmente um ou mais de Ca, Sn e Zn. Quando a liga compreende Sn, está, de preferência, em uma quantidade de 2 a 6% em peso, mais de preferência, 3 a 5% em peso. Quando a liga compreende Zn, está de preferência, em uma quantidade de 0,1 a 3% em peso, mais de preferência, de 0,2 a 2,5% em peso. Em algumas modalidades, a liga compreende tanto Sn como Zn. Quando a liga compreende Ca, está, de preferência, em uma quantidade de 1 a 10% em peso, mais preferivelmente 2 a 6% em peso.

[029] Na segunda modalidade, a liga de magnésio compreende de preferência Ni em uma quantidade entre 0,01% e 10% em peso, mais de preferência, entre 0,01% e 5% em peso, ainda mais de preferência, entre 0,1% em peso e 3% em peso.

[030] Em uma terceira modalidade preferida, a liga de magnésio compreende (a) 0,01 a 15% em peso de um ou mais de Ni, Co, Ir, Au, Pd ou Cu, (b) 1 a 9% em peso Zn e (c) opcionalmente um ou Mais de Mn e Zr.

[031] Na terceira modalidade, a liga de magnésio compreende 1 a 9% em peso Zn, de preferência 5 a 8% em peso Zn, mais de preferência, 6 a 7% em peso Zn.

[032] Na terceira modalidade, quando a liga compreende Mn, está de preferência, em uma quantidade de 0,1 a 1% em peso, mais de preferência, de 0,5 a 1,0% em peso, ainda mais de preferência, de 0,7 a 0,9% em peso.

[033] Na terceira modalidade, a liga de magnésio compreende de preferência Ni em uma quantidade entre 0,01% e 10% em peso, mais de preferência, entre 0,01% e 7% em peso, ainda mais de preferência, entre 0,1% em peso e 5% em peso.

[034] Na terceira modalidade, a liga de magnésio pode também compreender Cu, de preferência em uma quantidade de 0,1 a 5% em peso, mais de preferência, 0,5 a 3% em peso, ainda mais de preferência, 1 a 2% em peso. Em algumas modalidades, a liga compreende Mn e Cu.

[035] Na terceira modalidade, quando a liga de magnésio compreende Zr, está, de preferência, em uma quantidade até 1% em peso, mais de preferência, em uma quantidade de 0,05 a 1,0% em peso, ainda mais de preferência, em uma quantidade de 0,2 a 1,0% em peso, mais de preferência, em uma quantidade de 0,3 a 0,7% em peso.

[036] É preferível que o elemento metálico promotor de corrosão (isto é, Ni, Co, Ir, Au, Pd e/ou Cu) tenha uma solubilidade de pelo menos 0,1% em peso em magnésio fundido a 850 °C. De preferência, o elemento metálico promotor da corrosão tem uma solubilidade de pelo menos 0,5% em peso em magnésio fundido a 850 °C, mais de preferência, pelo menos 1% em peso. Em algumas modalidades, É preferível que o elemento metálico promotor de corrosão tenha uma solubilidade de pelo menos 1% em peso na liga de magnésio fundido à qual deve ser adicionado a 850 °C. Em relação ao material fundido, o termo "solubilidade"é utilizado para significar que o elemento metálico promotor da corrosão se dissolve na liga de magnésio ou magnésio fundido.

[037] De preferência, o elemento metálico promotor da corrosão tem uma solubilidade inferior a 0,1% em peso, mais de preferência, inferior a 0,01% em peso, em magnésio sólido a 25 °C. Em algumas modalidades, É preferível que o elemento metálico promotor de corrosão tenha uma solubilidade inferior a 0,1% em peso, mais de preferência, inferior a 0,01% em peso, na liga de magnésio sólido à qual deve ser adicionada a 25 °C. Em relação ao material sólido, o termo "solubilidade"é usado para significar que os átomos do elemento metálico promotor da corrosão são distribuídos aleatoriamente por toda a liga em uma única fase (ou seja, em vez de formarem uma fase separada).

[038] A liga de magnésio tem, de preferência, uma taxa de corrosão de pelo menos 50 mg/cm2/dia, de preferência, pelo menos 75 mg/cm2/dia, ainda mais de preferência, pelo menos 100 mg/cm2/dia, em 3% de KCl, a 38 °C (100F). Prefere-se que a liga de magnésio tenha uma taxa de corrosão de pelo menos 75 mg/cm2/dia, de um modo preferido pelo menos 250 mg/cm2/dia, ainda mais de preferência, pelo menos 500 mg/cm2/dia, em 15% de KCl a 93 °C (200F). Prefere-se que a taxa de corrosão, em 3% de KCl, a 38 °C ou em 15% de KCl a 93 °C (200F), seja inferior a 15,000 mg/cm2/dia.

[039] É preferível que a liga de magnésio tenha uma resistência de prova de 0,2% de pelo menos 75 MPa, mais de preferência, pelo menos 100 MPa, ainda mais de preferência, pelo menos 150 MPa, quando testada com o uso do método de teste de tensão padrão ASTM B557 -10. Prefere-se que a resistência de prova de 0,2% seja inferior a 700 MPa. A resistência de prova de um material é a tensão na qual a tensão do material muda de deformação elástica para deformação plástica, fazendo com que o material se deforme permanentemente.

[040] É preferível que a resistência de prova de 0,2% da liga de magnésio, quando um ou mais de Ni, Co, Ir, Au, Pd ou Cu tenha sido adicionado, seja de pelo menos 80%, mais de preferência, pelo menos 90%, da prova de resistência de 0,2% da liga base. O termo "liga de base"é utilizado para significar a liga de magnésio sem terem sido adicionados um ou mais de Ni, Co, Ir, Au, Pd ou Cu. Ainda mais de preferência, a resistência de prova de 0,2% da liga de magnésio quando o Ni foi adicionado é pelo menos 80%, mais de preferência, pelo menos 90%, da resistência de prova de 0,2% da liga base.

[041] Essa 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 acima. Em algumas modalidades, o artigo de fundo de poço corrosível é um conjunto de esfera de fraturamento, bujão, empacotador ou ferramenta. A esfera de fraturamento é, de preferência, de forma substancialmente esférica. Em algumas modalidades, a esfera de fraturamento consiste essencialmente na liga de magnésio descrita acima.

[042] Esta invenção também se refere a um método para produzir uma liga de magnésio apropriada para a utilização como um artigo de fundo de poço corrosível que compreende as etapas de: a)fundir o magnésio ou uma liga de magnésio; b)adicionar um ou mais de Ni, Co, Ir, Au, Pd ou Cu ao magnésio fundido ou à liga de magnésio, de tal modo que uma ou mais de Ni, Co, Ir, Au, Pd ou Cu se fundem; c)misturar a liga de magnésio fundido resultante; e d)fundir a liga de magnésio.

[043] De preferência, o método é para produzir uma liga de magnésio como definido acima. É preferível que a etapa de fusão seja realizada a uma temperatura de 650 °C (ou seja, o ponto de fusão de magnésio puro) ou mais, de preferência, inferior a 1090 °C (o ponto de ebulição de magnésio puro). Uma faixa de temperaturas preferida é 650 °C a 850 °C, mais de preferência, 700 °C a 800 °C, mais de preferência, cerca de 750 °C.

[044] A etapa de fundição envolve normalmente o despejo da liga de magnésio fundido em um molde e, em seguida, permitir que arrefeça e solidifique. O molde pode ser um molde de matriz, um molde permanente, um molde de areia, um molde de investimento, um molde de fundição a frio direto (DC), ou outro molde.

[045] Após a etapa (c), o método pode compreender uma ou mais das seguintes etapas adicionais: (d) extrusão, (e) forjamento, (f) laminagem, (g) usinagem.

[046] É preferível que a etapa (a) compreenda a fusão de uma liga de magnésio. De preferência, a liga de magnésio da etapa (a) compreende um ou mais de Al, Zn, Mn, Zr, Y, metais de terras raras, Cu, Nd, Gd, Ca, Sn e/ou Ag. As ligas de magnésio particularmente preferidas para a etapa (a) incluem Mg-Al-Zn-Mn, Mg-Al- Mn, Mg-Zn-Zr, Mg-Y-RE-Zr, Mg-Zn- Cu- Mn, Mg-Nd- Gd-Zr, Mg-Ag-RE-Zr, Mg-Zn- RE-Zr, Mg-Gd-Y-Zr, Mg-Al-Ca-Mn e Mg-Al-Sn-Zn-Mn. Como referido acima, esses elementos adicionais podem ser incluídos formando uma liga de magnésio com esses elementos, e depois adicionando o elemento metálico promotor da corrosão à liga fundida.

[047] Em uma primeira modalidade preferida, a liga de magnésio compreende 1 a 10% em peso de Y, 1 a 15% em peso de terras raras que não Y e até 1% em peso de Zr. Uma liga de magnésio particularmente preferida compreende 3,3 a 4,3% em peso de Y, até 1% em peso de Zr, 2,0 a 2,5% em peso de Nd e opcionalmente 0,3 a 1,0% em peso de terras raras. Nessa liga, Zr pode estar presente em uma quantidade de 0,05 a 1,0% em peso, ou a liga pode compreender menos de 0,05% em peso de Zr. De preferência, o Ni é adicionado em uma quantidade entre 0,2% e 7% em peso. É preferível que o restante da liga seja magnésio e impurezas acidentais.

[048] Em uma segunda modalidade preferida, a liga de magnésio compreende 1 a 15% em peso de Al e até 2% em peso no total de Zn e/ou Mn. A liga compreende, de preferência, 2 a 12% em peso de Al. De preferência, a liga compreende 0,2 a 1,2% em peso no total de Zn e/ou Mn. De preferência, o Ni é adicionado em uma quantidade de 0,1 a 3% em peso.

[049] Em uma terceira modalidade preferida, a liga de magnésio compreende 1 a 9% em peso de Zn e opcionalmente um ou mais de Mn e Zr. A liga compreende, de preferência, 5 a 8% em peso de Zn. De preferência, o Ni é adicionado em uma quantidade de 0,1 a 5% em peso.

[050] A composição da liga de magnésio, em particular, das primeira e terceira modalidades, pode ser adaptada para se conseguir uma taxa de corrosão desejada que fique em uma faixa específica. A taxa de corrosão desejada em 15% de KCl a 93 °C pode estar em qualquer das seguintes faixas particulares: 50 a 100 mg/cm2/dia; 100 a 250 mg/cm2/dia; 250 a 500 mg/cm2/dia; 500 a 1000 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; 10.000 a 15.000 mg/cm2/dia.

[051] O método da invenção também pode compreender as composições de adaptação das ligas de magnésio, em particular, das primeira e terceira modalidades, de modo que as ligas de magnésio fundidas atingem as taxas de corrosão desejadas em KCl a 15% a 93 °C que ficam em pelo menos dois dos seguintes que varia entre: 50 a 100 mg/cm2/dia; 100 a 250 mg/cm2/dia; 250 a 500 mg/cm2/dia; 500 a 1000 mg/cm2/dia; 1000 a 3000 mg/cm2/dia; 3000 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.

[052] É preferível que o elemento metálico promotor de corrosão (isto é, Ni, Co, Ir, Au, Pd e/ou Cu) tenha uma solubilidade de pelo menos 0,1% em peso em magnésio fundido a 850 °C. De preferência, o elemento metálico promotor da corrosão tem uma solubilidade de pelo menos 0,5% em peso em magnésio fundido a 850 °C, mais de preferência, pelo menos 1% em peso. Em algumas modalidades, é preferível que o elemento metálico promotor de corrosão tenha uma solubilidade de pelo menos 1% em peso na liga de magnésio ou magnésio fundida à qual é adicionado.

[053] De preferência, o elemento metálico promotor da corrosão (ie Ni, Co, Ir, Au, Pd e/ou Cu) tem uma solubilidade inferior a 0,1% em peso, mais de preferência, inferior a 0,01% em peso, em magnésio sólido a 25 °C. Em algumas modalidades, É preferível que o elemento metálico promotor de corrosão tenha uma solubilidade inferior a 0,1% em peso, mais de preferência, inferior a 0,01% em peso, na liga de magnésio ou magnésio fundida à qual é adicionada uma vez arrefecida A 25 °C e solidificado.

[054] O elemento metálico promotor da corrosão é um ou mais de Ni, Co, Ir, Au, Pd ou Cu. Em algumas modalidades, o Ni é preferido. Em relação às composições da primeira modalidade preferida, o elemento metálico promotor da corrosão é, de preferência, adicionado em uma quantidade entre 0,01% e 10% em peso, mais de preferência, entre 0,1% e 8% em peso, ainda mais de preferência, entre 0,2% e 7 % por peso. Em relação às composições da segunda modalidade preferida, o elemento metálico promotor da corrosão é, de preferência, adicionado em uma quantidade entre 0,01% e 15% em peso, mais de preferência, entre 0,01% e 5% em peso, ainda mais de preferência, entre 0,1% e 3% % por peso. Em relação às composições da terceira modalidade preferida, o elemento metálico promotor da corrosão é, de preferência, adicionado em uma quantidade entre 0,01% e 10% em peso, mais de preferência, 0,01% e 7% em peso, ainda mais de preferência, entre 0,1% e 5% por peso.

[055] Uma primeira modalidade do método particularmente preferida compreende a fusão na etapa (a) de uma liga de magnésio que compreende 3,3 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 opcionalmente 0,3 a 1,0% em peso de terras raras e adicionar na etapa (b) Ni como o elemento metálico promotor da corrosão. É preferível que na etapa (b) Ni seja adicionado em uma quantidade entre 0,01% e 10% em peso, mais de preferência, entre 0,1% em peso e 8% em peso.

[056] Essa invenção refere-se também a uma liga de magnésio adequada para a utilização como um artigo de fundo de poço corrosível que pode ser obtido pelo método descrito acima.

[057] Além disso, essa invenção se refere a uma liga de magnésio como descrito acima para a utilização como um artigo de fundo de poço corrosível.

[058] Essa invenção também se refere a um método de fraturamento hidráulico que compreende a utilização de um artigo de fundo de poço corrosível que compreende a liga de magnésio como descrito acima, ou uma ferramenta de fundo de poço como descrito acima. De preferência, o método compreende a formação de uma vedação pelo menos parcial em um furo de poço com o artigo de fundo de poço corrosível. O método pode, então, compreender a remoção da vedação pelo menos parcial, permitindo que o artigo corrosível de fundo de poço corroa. Essa corrosão pode ocorrer a uma taxa desejada com certas composições de liga da divulgação como discutido acima. Prefere-se que o artigo de fundo de poço corrosivo seja um conjunto de esfera de fraturamento, bujão, empacotador ou de ferramenta. A esfera de fraturamento é, de preferência, de forma substancialmente esférica. Em algumas modalidades, a esfera de fraturamento consiste essencialmente na liga de magnésio descrita acima.

[059] Essa invenção será ainda descrita com referência às figuras a seguir que não se destinam a limitar o âmbito da invenção reivindicada, em que:

[060] a figura mostra uma microestrutura de amostra DF9905D do exemplo 1;

[061] a figura 2 mostra um gráfico de % de perda em tensão de prova contra a adição de Ni (% em peso) para as ligas dos exemplos 3A, 3B e 3C;

[062] a figura 3 mostra um gráfico de tensão de prova contra a adição de Ni (% em peso) para as ligas dos exemplos 3A, 3B e 3C; e

[063] a figura 4 mostra um gráfico da taxa de corrosão contra a adição de Ni (% em peso) para as ligas dos exemplos 3 a, 3B e 3C;

Exemplos Exemplo 1 - liga de magnésio e alumínio

[064] Uma liga de magnésio de base que consiste na liga comercial AZ80A que tem uma composição química típica de 8,5% em peso de Al, 0,5% em peso de Zn e 0,3% em peso de Mn, foi fundida mediante o aquecimento a 750 °C e adicionou-se níquel em quantidades que variam entre 0,01% em peso a 1% em peso. O produto foi, então, convertido em um lingote e extrusado em uma haste.

[065] A fim de simular o desempenho de corrosão suave e extrema em um poço, o material foi testado por corrosão medindo a perda de peso em uma solução aquosa de cloreto de potássio a 3% em peso a uma temperatura constante de 38 °C (100F) e 15% em peso de solução aquosa de cloreto de potássio a uma temperatura constante de 93 °C (200F).

[066] As taxas de corrosão são mostradas na Tabela 1 abaixo. As amostras compreendem a liga padrão (isto é, AZ80A sem níquel adicionado) e duas amostras com quantidades diferentes de níquel adicionado.

Tabela 1

[067] Os dados na Tabela 1 mostram claramente o nível de corrosão aumentado alcançado nas amostras às quais o níquel foi adicionado, com um teor de níquel mais elevado resultando em uma taxa de corrosão mais elevada.

[068] As propriedades mecânicas das amostras foram também testadas com o uso de testes de tensão normalizados (isto é, ASTM B557-10), e os resultados são apresentados na Tabela 2 abaixo.

[069] A figura 1 mostra uma microestrutura da amostra DF9905D (isto é, 0,61% em peso de níquel). A área escura da microestrutura, marcada com "1", é a fase α-Mg (isto é, a fase que compreende magnésio em solução sólida com os outros elementos de liga). A área de luz da microestrutura, cujo exemplo está marcado com "2", é a fase que compreende o elemento promotor da corrosão (isto é, níquel, nesse caso) e magnésio.

Exemplo 2 - Liga de terra rara de magnésio e ítrio

[070] O processo do exemplo 1 foi repetido, mas com a liga de magnésio de base AZ80A a ser substituída pela liga comercial Elektron 43. Utilizou-se uma liga WE43C com uma composição de 3,7a 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.

[071] As taxas de corrosão são mostradas na Tabela 3 abaixo. As amostras compreendem a liga padrão (isto é, WE43C sem níquel adicionado) e cinco amostras com quantidades diferentes de níquel adicionado.

Tabela 3

[072] Os dados na Tabela 3 mostram claramente o nível de corrosão aumentado alcançado nas amostras às quais o níquel foi adicionado, com um teor de níquel mais elevado resultando em uma taxa de corrosão mais elevada.

[073] As propriedades mecânicas dessas amostras foram também testadas com o uso de testes de tensão normalizados, e os resultados são apresentados na Tabela 4 abaixo.

Tabela 4

[074] Os dados na Tabela 4 mostram que as ligas da invenção têm propriedades mecânicas melhoradas, em particular, resistência de prova de 0,2%, quando comparadas às composições da técnica anterior.

Exemplo 3A - ligas de magnésio e alumínio

[075] Outras composições de liga de magnésio foram preparadas ao combinar os componentes nas quantidades listadas na Tabela 5 abaixo (o equilíbrio sendo magnésio). Essas composições foram, então, fundidas por aquecimento a 750 °C. O produto foi, então, convertido em um lingote e extrusado para uma haste.

Tabela 5

[076] As propriedades mecânicas destas amostras foram também testadas com o uso dos mesmos ensaios de tensão padronizados, e os resultados estão apresentados na Tabela 6 abaixo.

Tabela 6

[077] Esses dados mostram que a adição de níquel a essas ligas de magnésio e alumínio aumenta de maneira significativa a taxa de corrosão das ligas. De maneira vantajosa, para essas ligas, esse aumento na taxa de corrosão é proporcionado ao mesmo tempo em que se mantêm as propriedades mecânicas da liga (tal como exemplificado pela resistência de prova de 0,2%). Assim, as ligas testadas nesse exemplo podem encontrar a utilização como componentes em ferramentas de fundo de poço devido à sua combinação de taxas de corrosão elevadas e boas propriedades mecânicas.

Exemplo 3B - ligas de terras raras de ítrio e magnésio

[078] Outras composições de liga de magnésio foram preparadas ao combinar os componentes nas quantidades listadas na Tabela 7 abaixo. Essas composições foram, então, fundidas por aquecimento a 750 °C. O produto foi, então, convertido em um lingote e extrusado para uma haste.

Tabela 7

[079] As propriedades mecânicas dessas amostras foram testadas com o uso de testes de tensão normalizados, e os resultados são mostrados na Tabela 8 abaixo.

Tabela 8

[080] Esses dados mostram que, como para as ligas de magnésio e alumínio, a adição de níquel a essas ligas de terras raras de magnésio e itrio aumenta de maneira significativa a taxa de corrosão da liga. De maneira vantajosa, para essas ligas, esse aumento na taxa de corrosão é proporcionado ao mesmo tempo em que se mantêm as propriedades mecânicas da liga (tal como exemplificado pela resistência de prova de 0,2%). No entanto, além dessas propriedades vantajosas, para essas ligas, o aumento na taxa de corrosão é substancialmente proporcional à quantidade de níquel adicionado. Isso pode proporcionar a característica adicional de que a taxa de corrosão dessas ligas é, por conseguinte, "ajustável"e podem ser produzidas ligas com taxas de corrosão desejáveis específicas, ou intervalos de taxas de corrosão específicas. Assim, as ligas testadas nesse exemplo podem ser utilizadas como componentes em ferramentas de fundo de poço devido à sua combinação de taxas de corrosão elevadas e boas propriedades mecânicas.

Exemplo 3C - ligas de magnésio e zinco

[081] As composições de liga de magnésio foram preparadas combinando os componentes nas quantidades listadas na Tabela 9 abaixo. Estas composições foram então fundidas por aquecimento a 750 °C. O produto foi então convertido em um^ lingote e extrudido para uma haste.

Tabela 9

[082] As propriedades mecânicas dessas amostras foram testadas com o uso de testes de tensão normalizados, e os resultados estão apresentados na Tabela 10 abaixo.

Tabela 10

[083] Esses dados mostram que, tal como para as ligas de magnésio e alumínio e ligas de magnésio, ítrio e terras raras, a adição de níquel a essas ligas de magnésio e zinco aumenta de maneira significativa a sua taxa de corrosão. As ligas de magnésio e zinco são conhecidas na técnica como tendo valores de resistência elevados e é mostrado na divulgação que a adição de níquel também aumenta a sua taxa de corrosão. No entanto, os dados demonstram que as propriedades mecânicas dessas ligas (como exemplificado pela resistência de prova de 0,2%) diminuem com o aumento do teor de níquel.

[084] Esse exemplo mostra que nem todas as ligas de magnésio proporcionam a resistência mecânica necessária para certas utilizações da invenção quando níquel é adicionado e que é, de fato, difícil prever como as propriedades de uma determinada liga serão alteradas quando um elemento promotor da corrosão, como níquel, é adicionado.

[085] Nas figuras 2, 3 e 4, foram traçadas as propriedades mecânicas das ligas dos exemplos 3A, 3B e 3C contra a adição de Ni (% em peso).

[086] A figura 2 mostra que, em particular, para as ligas de magnésio e zinco do exemplo 3C ("Zn-Mg", onde o zinco é o principal elemento de reforço), entre 20% e 40% da força são perdidos quando níquel é adicionado. Em contraste, a resistência das ligas de magnésio e alumínio ("Mg-Al") e de magnésio, ítrio e terras raras (Mg-Y-RE) (exemplos 3 a e 3B) é mantida. A figura 3 é um gráfico que mostra os valores absolutos de prova (MPa) contra a adição de Ni (% em peso).

[087] A figura 4 é um gráfico da taxa de corrosão contra a adição de Ni (% em peso). Para as ligas de magnésio, ítrio e terras raras, uma linha foi desenhada através dos pontos de dados que demonstram a correlação entre a taxa de corrosão e adição de Ni para essas ligas. Isso mostra que as ligas de magnésio, ítrio e terras raras, vantajosamente, podem ser adaptadas para alcançar uma taxa de corrosão específica desejada ou faixa de taxas de corrosão.

Claims

1. Liga de magnésio adequada para a utilização como um artigo de fundo de poço corrosível, CARACTERIZADA pelo fato de que a liga de magnésio compreende: a) 0,01 a 15% em peso de um ou mais de Ni, Ir, Au, Pd ou Cu, b) 1 a 9% em peso de Zn, e c) 0,1 a 1% em peso de Mn, e magnésio em uma quantidade de pelo menos 80% em peso, em que a liga de magnésio tem uma taxa de corrosão de pelo menos 50 mg/cm2/dia em 15% de KCl a 93 °C e uma resistência de prova de 0,2% de pelo menos 50MPa quando testada usando o método de teste de tensão padrão ASTM B557-10.

2. Liga de magnésio, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que a liga de magnésio tem uma taxa de corrosão de pelo menos 100 mg/cm2/dia em 15% de KCl a 93 °C.

3. Liga de magnésio, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, CARACTERIZADA pelo fato de que a liga de magnésio tem uma resistência de prova de 0,2% de pelo menos 150 MPa quando testada usando o método de teste de tensão padrão ASTM B557-10.

4. Liga de magnésio, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, CARACTERIZADA pelo fato de que a resistência de prova de 0,2% da liga de magnésio quando um ou mais de Ni, Ir, Au, Pd ou Cu foi adicionado é de pelo menos 80% da resistência de prova de 0,2% da liga base.

5. Liga de magnésio, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, CARACTERIZADA pelo fato de que a liga de magnésio compreende Ni em uma quantidade de 0,01 a 15% em peso.

6. Liga de magnésio, de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADA pelo fato de que a liga de magnésio compreende Ni em uma quantidade de 0,01 a 10% em peso.

7. Liga de magnésio, de acordo com a reivindicação 6, CARACTERIZADA pelo fato de que a liga de magnésio compreende Ni em uma quantidade de 0,1 a 5% em peso.

8. Liga de magnésio, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, CARACTERIZADA pelo fato de que a liga de magnésio compreende Zn em uma quantidade de 1 a 7% em peso.

9. Liga de magnésio, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, CARACTERIZADA pelo fato de que a liga de magnésio compreende Mn em uma quantidade de 0,5 a 1,0% em peso.

10. Liga de magnésio, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, CARACTERIZADA pelo fato de que a liga de magnésio compreende Cu em uma quantidade de 0,1 a 5% em peso.

11. Liga de magnésio, de acordo com a reivindicação 10, CARACTERIZADA pelo fato de que a liga de magnésio compreende Cu em uma quantidade de 1 a 2% em peso.

12. Liga de magnésio, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, CARACTERIZADA pelo fato de que o artigo de fundo de poço corrosível é uma ferramenta de fundo de poço, preferivelmente uma esfera de fraturamento.

13. Método para fraturamento hidráulico, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende a utilização de uma ferramenta de perfuração, como definida na reivindicação 12.