鈦合金在石油天然氣勘探開發(fā)中的應(yīng)用
時(shí)間:2021-07-08 06:27:26 點(diǎn)擊:140次
鈦(Ti)是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來的一種重要的結(jié)構(gòu)金屬由于鈦具有強(qiáng)度高密度小、超強(qiáng)耐腐蝕性,對(duì)人體無毒耐熱性高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于航空、航天、船舶、化學(xué)化工、醫(yī)療、海洋工程和石油石化等各個(gè)領(lǐng)域被譽(yù)為“太空”金屬、“海洋”金屬和第四代金屬"。
鈦和鋁一樣,可以與其他一些金屬元素形成合金提高和改善它的力學(xué)性能與物理特性,以適應(yīng)不同的需要。通常人們會(huì)認(rèn)為鈦屬于“稀有元素”其實(shí)不然。鈦在地殼中的豐度為0.61 % ,在所有按元素中居第9位,而在可作為結(jié)構(gòu)材料的金屬中居第4位,僅次于Al.Fe、Mg,其儲(chǔ)量比常見金屬Cu Pb Zn儲(chǔ)量的總和還多。全球有三十多個(gè)國(guó)家擁有鈦資源,我國(guó)鈦資源非常豐富鈦資源儲(chǔ)備約兩億噸占到全球總儲(chǔ)量的28.9 % ,鈦礦儲(chǔ)量位居世界第一。隨著國(guó)內(nèi)外油氣資源需求的逐漸增長(zhǎng),促使石油天然氣勘探開發(fā)不斷深入,所遇環(huán)境和地層條件也越來越復(fù)雜。如超過7000 m的深井越來越常見海洋鉆井已不滿足于灘海和淺海逐漸向深水進(jìn)軍陸地上,以往難以開采的三高(高溫、高壓高腐蝕)氣井也開始攻克。與此同時(shí)鉆完井工具井口設(shè)備輸油管線等將面臨多種問題。鈦及鈦合金由于多種的優(yōu)良特性,已經(jīng)成為油氣勘探開發(fā)中必不可少的新材料。國(guó)內(nèi)外石油行業(yè)已制定多項(xiàng)鈦合金相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)如ASTM B337無縫及焊接鈦合金管標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范SY/T 6896.3<石油天然氣工業(yè)特種管材技術(shù)規(guī)范第3部分鈦合金油管〉等。
鈦的密度為4.506 g/cm*-4.516 g/cm(20 C)比鋁密度2.70 g/cm'高低于常用鐵、銅、鎳。在常規(guī)溫度范圍內(nèi)( -253 C~600 C)鈦合金的比強(qiáng)度(抗拉強(qiáng)度密度)在所有金屬材料中最高。比強(qiáng)度高的優(yōu)勢(shì)在于(1)可使設(shè)備設(shè)計(jì)更加緊湊大幅減小結(jié)構(gòu)質(zhì)量(2)大幅提高設(shè)備的技術(shù)水平,提升功能(3)提高裝備的安全性。
鈦是一種活性較高的金屬,而鈦及鈦合金卻具有良好的耐腐蝕性能,這是由于鈦表面形成致密而穩(wěn)定的氧化鈦膜。
良好的耐腐蝕性能使得鈦合金在各種腐蝕條件下游刃有余,可與整體結(jié)構(gòu)同壽命設(shè)計(jì)減少維護(hù)成本,提高服役能力減少腐蝕富裕量設(shè)計(jì)大幅減小設(shè)備結(jié)構(gòu)質(zhì)量;無需涂層保護(hù)簡(jiǎn)化設(shè)備制造工藝降低制造成本。鈦具有優(yōu)異的抗沖擊性能,在60℃~20℃范圍內(nèi)抗沖擊系數(shù)達(dá)0.63以上無明顯的脆性轉(zhuǎn)變點(diǎn),是鎳基合金的2.5倍以上是B30的4倍以上斷裂韌性較高,斷裂韌性在80 MPa m/-110 MPa'm'n ,從比韌度( K/Rpa2)2與( Rna/p)的關(guān)系曲線可以看出鈦的斷裂韌性最高鋼次之鋁合金最差疲勞強(qiáng)度高對(duì)于大型焊接結(jié)構(gòu)和殼體產(chǎn)生高應(yīng)力低周數(shù)破壞時(shí)的應(yīng)力循環(huán)周數(shù)一般不超過10周而鈦材均在10周以上。近年來,為提高原油采收率,降低油氣田開采成本延長(zhǎng)油氣田開發(fā)壽命復(fù)雜結(jié)構(gòu)井越來越多如大位移井、短半徑水平井、老井開窗側(cè)鉆水平井。常規(guī)鉆桿在這些復(fù)雜結(jié)構(gòu)井應(yīng)用時(shí)遇到了一些難以解決的問題。如在超短半徑水平井中井眼曲率很小(<18m)這使得常規(guī)鉆桿產(chǎn)生很大的交變應(yīng)力。交變應(yīng)力引起鉆桿疲勞斷裂的情況時(shí)有發(fā)生給油田帶來重大的損失。為解決這些問題國(guó)外開始從新材料上著手研制鈦合金鉆桿、鋁合金鉆桿、復(fù)合鉆桿等代替常規(guī)鉆桿%。實(shí)驗(yàn)室證實(shí)當(dāng)周期應(yīng)力處于30 000 psi-40 000 psi時(shí)鈦的疲勞壽命是普通鋼材的10倍鈦合金管材的彈性系數(shù)約為16.5 msi彈性比鋼制鉆桿要好更適于高曲率井段(見表3)。目前已經(jīng)生產(chǎn)出經(jīng)濟(jì)性較好的鈦合金鉆桿,由材料為Ti- 6AI- 4V的管體經(jīng)兩端鐓粗后、在兩端對(duì)焊工具接頭組成,管體尺寸滿足API標(biāo)準(zhǔn)、長(zhǎng)度范圍為API標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍2或3。為降低制造成本,工具接頭采用鋼制,接頭螺紋經(jīng)過上卸扣磨合接頭外徑敷焊耐磨帶(避免接頭磨損后用普通焊條補(bǔ)焊)。
鈦合金鉆桿在超深井、大位移井中也有應(yīng)用。由于鈦合金密度低,可降低大鉤載荷30 %降低扭矩30 %~40 %顯著提高鉆具的拉力余量與安全系數(shù)提高處理事故復(fù)雜能力。
我國(guó)的天然氣資源中大部分都是含硫氣田,如新疆塔里木、四川盆地都屬于高含硫油氣田。高腐蝕性油氣田的開發(fā)已成為石油天然氣工業(yè)面臨的重大難題。國(guó)內(nèi)外對(duì)高含H2S、CO2油氣田的管材防腐問題開展了多年的研究" 2防腐措施大致有三類加緩蝕劑、防腐涂層耐腐蝕管材。前兩者在- -定程度 上可以起到防腐作用但解決不了高溫高壓條件下長(zhǎng)期服役的防腐。因此選取優(yōu)質(zhì)的耐腐蝕材料作管材已成為主導(dǎo)趨勢(shì)。耐腐蝕金屬管材主要有兩大類:鎳基合金和鈦合金。目前鎳基合金使用較為廣泛,但鎳基合金管材也存在如加工工藝復(fù)雜材料成本高、管材表面易損傷等缺陷。而且我國(guó)是紅土鎳礦資源較為缺乏的國(guó)家之一全國(guó)紅土鎳礦保有量?jī)H占全部鎳礦資源的9.6 %,且國(guó)內(nèi)紅士鎳礦品位較低開采成本比較高這就意味著我國(guó)在紅士鎳礦方面并沒有競(jìng)爭(zhēng)力。因此,從長(zhǎng)遠(yuǎn)來講依賴鎳基合金不利于油氣戰(zhàn)略發(fā)展。我國(guó)鈦資源豐富鈦鐵礦儲(chǔ)量達(dá)2億噸,占全球儲(chǔ)量28 %排名全球第一。
鈦合金以其優(yōu)異的抗點(diǎn)蝕性能,近年來開始逐漸應(yīng)用于高含硫環(huán)境中。特別是工況條件比較惡劣Cl和HS含量很高- -般的不銹鋼甚至是鎳基合金都會(huì)發(fā)生腐蝕的情況下。通過多年的研制,目前已經(jīng)形成與普通鋼材對(duì)應(yīng)的油套管用鈦合金材料鈦合金油管力學(xué)性能與鎳基合金油管力學(xué)性能相當(dāng),接頭強(qiáng)度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)IS010400對(duì)P1 10鋼級(jí)的要求。
由于鈦合金管易于彎曲,并具有極高的抗海浪沖擊和平臺(tái)移動(dòng)造成的動(dòng)態(tài)應(yīng)力腐蝕疲勞強(qiáng)度,鈦合金管抗應(yīng)力腐蝕疲勞強(qiáng)度比現(xiàn)用碳鋼高10倍以上同時(shí)鋪設(shè)海管時(shí)鈦合金管適應(yīng)鋪設(shè)過程中的彎曲變形工況。鈦合金輸送管線焊接性能良好單面焊接雙面成型技術(shù)保證焊縫均勻可靠并且鈦合金輸送管線機(jī)械性能優(yōu)異通過管體拉伸力學(xué)性能測(cè)試示波沖擊試驗(yàn)、管體壓扁試驗(yàn)、斷裂韌度KIC測(cè)試。
海洋鉆井平臺(tái)要求高于陸地鉆井平臺(tái)早在20世紀(jì)90年代國(guó)外就已經(jīng)將鈦合金運(yùn)用到海洋鉆井平臺(tái)的各個(gè)方面。北海油田挪威分部的海德威油田半潛式浮動(dòng)鉆井平臺(tái)已使用鈦合金作為隔水管,降低整個(gè)系統(tǒng)質(zhì)量達(dá)50 %,從而將隔水管提升力降低了63 %省去了巨大的柔性接頭系統(tǒng)成本降低了40 %預(yù)計(jì)服務(wù)年限可達(dá)25年之久
除此之外,海洋鉆井平臺(tái)上冷卻系統(tǒng)中的熱交換器使用了鈦制管狀冷卻裝置;各種類型的泵(如深井泵、離心泵)均采用了鑄鈦泵體和鈦合金葉輪各種閥門及其他管件配件也采用了鈦制品,減少了維護(hù)工作量
( 1)鈦及鈦合金由于密度低、比強(qiáng)度高抗疲勞、耐腐蝕等特性,在石油天然氣勘探開發(fā)中的應(yīng)用前景廣闊,目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)研制出鈦合金鉆桿、油管、套管、接箍、輸送管、連續(xù)油管、閥門、泵等多種鈦制產(chǎn)品。(2)在極度苛刻的腐蝕性環(huán)境下鈦合金產(chǎn)品依然能滿足防腐需求同樣長(zhǎng)度、直徑、厚度和強(qiáng)度的鈦合金管材成本要低于G3鎳基合金,因此有取代鎳基合金管材趨勢(shì)。(3)鈦合金產(chǎn)品的加入減輕了系統(tǒng)整體質(zhì)量設(shè)備更加可靠使得海洋鉆井平臺(tái)可以進(jìn)入更深的水域,延長(zhǎng)平臺(tái)服役年限。