鈦合金在石油天然氣勘探開發中的應用
時間：2021-07-08 06:27:26 點擊：199次
鈦(Ti)是20世紀50年代發展起來的一種重要的結構金屬由于鈦具有強度高密度小、超強耐腐蝕性,對人體無毒耐熱性高等優點被廣泛應用于航空、航天、船舶、化學化工、醫療、海洋工程和石油石化等各個領域被譽為“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性能與物理特性，以適應不同的需要。通常人們會認為鈦屬于“稀有元素”其實不然。鈦在地殼中的豐度為0.61 % ,在所有按元素中居第9位,而在可作為結構材料的金屬中居第4位,僅次于Al.Fe、Mg,其儲量比常見金屬Cu Pb Zn儲量的總和還多。全球有三十多個國家擁有鈦資源,我國鈦資源非常豐富鈦資源儲備約兩億噸占到全球總儲量的28.9 % ,鈦礦儲量位居世界第一。隨著國內外油氣資源需求的逐漸增長,促使石油天然氣勘探開發不斷深入,所遇環境和地層條件也越來越復雜。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。與此同時鉆完井工具井口設備輸油管線等將面臨多種問題。鈦及鈦合金由于多種的優良特性,已經成為油氣勘探開發中必不可少的新材料。國內外石油行業已制定多項鈦合金相關標準如ASTM B337無縫及焊接鈦合金管標準規范SY/T 6896.3<石油天然氣工業特種管材技術規范第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。在常規溫度范圍內( -253 C~600 C)鈦合金的比強度(抗拉強度密度)在所有金屬材料中最高。比強度高的優勢在于(1)可使設備設計更加緊湊大幅減小結構質量(2)大幅提高設備的技術水平,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,可與整體結構同壽命設計減少維護成本，提高服役能力減少腐蝕富裕量設計大幅減小設備結構質量;無需涂層保護簡化設備制造工藝降低制造成本。鈦具有優異的抗沖擊性能,在60℃~20℃范圍內抗沖擊系數達0.63以上無明顯的脆性轉變點，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度高對于大型焊接結構和殼體產生高應力低周數破壞時的應力循環周數一般不超過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油氣田開發壽命復雜結構井越來越多如大位移井、短半徑水平井、老井開窗側鉆水平井。常規鉆桿在這些復雜結構井應用時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)這使得常規鉆桿產生很大的交變應力。交變應力引起鉆桿疲勞斷裂的情況時有發生給油田帶來重大的損失。為解決這些問題國外開始從新材料上著手研制鈦合金鉆桿、鋁合金鉆桿、復合鉆桿等代替常規鉆桿%。實驗室證實當周期應力處于30 000 psi-40 000 psi時鈦的疲勞壽命是普通鋼材的10倍鈦合金管材的彈性系數約為16.5 msi彈性比鋼制鉆桿要好更適于高曲率井段(見表3)。目前已經生產出經濟性較好的鈦合金鉆桿,由材料為Ti- 6AI- 4V的管體經兩端鐓粗后、在兩端對焊工具接頭組成,管體尺寸滿足API標準、長度范圍為API標準規定的范圍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焊)。
鈦合金鉆桿在超深井、大位移井中也有應用。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提高處理事故復雜能力。
我國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已成為石油天然氣工業面臨的重大難題。國內外對高含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期服役的防腐。因此選取優質的耐腐蝕材料作管材已成為主導趨勢。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雜材料成本高、管材表面易損傷等缺陷。而且我國是紅土鎳礦資源較為缺乏的國家之一全國紅土鎳礦保有量僅占全部鎳礦資源的9.6 %,且國內紅士鎳礦品位較低開采成本比較高這就意味著我國在紅士鎳礦方面并沒有競爭力。因此,從長遠來講依賴鎳基合金不利于油氣戰略發展。我國鈦資源豐富鈦鐵礦儲量達2億噸,占全球儲量28 %排名全球第一。
鈦合金以其優異的抗點蝕性能,近年來開始逐漸應用于高含硫環境中。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發生腐蝕的情況下。通過多年的研制,目前已經形成與普通鋼材對應的油套管用鈦合金材料鈦合金油管力學性能與鎳基合金油管力學性能相當,接頭強度達到標準IS010400對P1 10鋼級的要求。
由于鈦合金管易于彎曲,并具有極高的抗海浪沖擊和平臺移動造成的動態應力腐蝕疲勞強度,鈦合金管抗應力腐蝕疲勞強度比現用碳鋼高10倍以上同時鋪設海管時鈦合金管適應鋪設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保證焊縫均勻可靠并且鈦合金輸送管線機械性能優異通過管體拉伸力學性能測試示波沖擊試驗、管體壓扁試驗、斷裂韌度KIC測試。
海洋鉆井平臺要求高于陸地鉆井平臺早在20世紀90年代國外就已經將鈦合金運用到海洋鉆井平臺的各個方面。北海油田挪威分部的海德威油田半潛式浮動鉆井平臺已使用鈦合金作為隔水管,降低整個系統質量達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成本降低了40 %預計服務年限可達25年之久
除此之外,海洋鉆井平臺上冷卻系統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,減少了維護工作量
( 1)鈦及鈦合金由于密度低、比強度高抗疲勞、耐腐蝕等特性,在石油天然氣勘探開發中的應用前景廣闊,目前國內外已經研制出鈦合金鉆桿、油管、套管、接箍、輸送管、連續油管、閥門、泵等多種鈦制產品。(2)在極度苛刻的腐蝕性環境下鈦合金產品依然能滿足防腐需求同樣長度、直徑、厚度和強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。(3)鈦合金產品的加入減輕了系統整體質量設備更加可靠使得海洋鉆井平臺可以進入更深的水域,延長平臺服役年限。
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