钛合金在石油天然气勘探开发中的应用
时间：2021-07-08 06:27:26 点击：183次
钛(Ti)是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属由于钛具有强度高密度小、超强耐腐蚀性,对人体无毒耐热性高等优点被广泛应用于航空、航天、船舶、化学化工、医疗、海洋工程和石油石化等各个领域被誉为“太空”金属、“海洋”金属和第四代金属"。
钛和铝一样,可以与其他一些金属元素形成合金提高和改善它的力学性能与物理特性，以适应不同的需要。通常人们会认为钛属于“稀有元素”其实不然。钛在地壳中的丰度为0.61 % ,在所有按元素中居第9位,而在可作为结构材料的金属中居第4位,仅次于Al.Fe、Mg,其储量比常见金属Cu Pb Zn储量的总和还多。全球有三十多个国家拥有钛资源,我国钛资源非常丰富钛资源储备约两亿吨占到全球总储量的28.9 % ,钛矿储量位居世界第一。随着国内外油气资源需求的逐渐增长,促使石油天然气勘探开发不断深入,所遇环境和地层条件也越来越复杂。如超过7000 m的深井越来越常见海洋钻井已不满足于滩海和浅海逐渐向深水进军陆地上,以往难以开采的三高(高温、高压高腐蚀)气井也开始攻克。与此同时钻完井工具井口设备输油管线等将面临多种问题。钛及钛合金由于多种的优良特性,已经成为油气勘探开发中必不可少的新材料。国内外石油行业已制定多项钛合金相关标准如ASTM B337无缝及焊接钛合金管标准规范SY/T 6896.3<石油天然气工业特种管材技术规范第3部分鈦合金油管〉等。
钛的密度为4.506 g/cm*-4.516 g/cm(20 C)比铝密度2.70 g/cm'高低于常用铁、铜、镍。在常规温度范围内( -253 C~600 C)钛合金的比强度(抗拉强度密度)在所有金属材料中最高。比强度高的优势在于(1)可使设备设计更加紧凑大幅减小结构质量(2)大幅提高设备的技术水平,提升功能(3)提高装备的安全性。
钛是一种活性较高的金属,而钛及钛合金却具有良好的耐腐蚀性能,这是由于钛表面形成致密而稳定的氧化钛膜。
良好的耐腐蚀性能使得钛合金在各种腐蚀条件下游刃有余,可与整体结构同寿命设计减少维护成本，提高服役能力減少腐蚀富裕量设计大幅减小设备结构质量;无需涂层保护简化设备制造工艺降低制造成本。钛具有优异的抗冲击性能,在60℃~20℃范围内抗冲击系数达0.63以上无明显的脆性转变点，是镍基合金的2.5倍以上是B30的4倍以上断裂韧性较高,断裂韧性在80 MPa m/-110 MPa'm'n ,从比韧度( K/Rpa2)2与( Rna/p)的关系曲线可以看出钛的断裂韧性最高钢次之铝合金最差疲劳强度高对于大型焊接结构和壳体产生高应力低周数破坏时的应力循环周数一般不超过10周而钛材均在10周以上。近年来,为提高原油采收率,降低油气田开采成本延长油气田开发寿命复杂结构井越来越多如大位移井、短半径水平井、老井开窗侧钻水平井。常规钻杆在这些复杂结构井应用时遇到了一些难以解决的问题。如在超短半径水平井中井眼曲率很小(<18m)这使得常规钻杆产生很大的交变应力。交变应力引起钻杆疲劳断裂的情况时有发生给油田带来重大的损失。为解决这些问题国外开始从新材料上着手研制钛合金钻杆、铝合金钻杆、复合钻杆等代替常规钻杆%。实验室证实当周期应力处于30 000 psi-40 000 psi时钛的疲劳寿命是普通钢材的10倍钛合金管材的弹性系数约为16.5 msi弹性比钢制钻杆要好更适于高曲率井段(见表3)。目前已经生产出经济性较好的钛合金钻杆,由材料为Ti- 6AI- 4V的管体经两端镦粗后、在两端对焊工具接头组成,管体尺寸满足API标准、长度范围为API标准规定的范围2或3。为降低制造成本,工具接头采用钢制,接头螺纹经过上卸扣磨合接头外径敷焊耐磨带(避免接头磨损后用普通焊条补焊)。
钛合金钻杆在超深井、大位移井中也有应用。由于钛合金密度低，可降低大钩载荷30 %降低扭矩30 %~40 %显著提高钻具的拉力余量与安全系数提高处理事故复杂能力。
我国的天然气资源中大部分都是含硫气田,如新疆塔里木、四川盆地都属于高含硫油气田。高腐蚀性油气田的开发已成为石油天然气工业面临的重大难题。国内外对高含H2S、CO2油气田的管材防腐问题开展了多年的研究" 2防腐措施大致有三类加缓蚀剂、防腐涂层耐腐蚀管材。前两者在- -定程度 上可以起到防腐作用但解决不了高温高压条件下长期服役的防腐。因此选取优质的耐腐蚀材料作管材已成为主导趋势。耐腐蚀金属管材主要有两大类:镍基合金和钛合金。目前镍基合金使用较为广泛,但镍基合金管材也存在如加工工艺复杂材料成本高、管材表面易损伤等缺陷。而且我国是红土镍矿资源较为缺乏的国家之一全国红土镍矿保有量仅占全部镍矿资源的9.6 %,且国内红士镍矿品位较低开采成本比较高这就意味着我国在红士镍矿方面并没有竞争力。因此,从长远来讲依赖镍基合金不利于油气战略发展。我国钛资源丰富钛铁矿储量达2亿吨,占全球储量28 %排名全球第一。
钛合金以其优异的抗点蚀性能,近年来开始逐渐应用于高含硫环境中。特别是工况条件比较恶劣Cl和HS含量很高- -般的不锈钢甚至是镍基合金都会发生腐蚀的情况下。通过多年的研制,目前已经形成与普通钢材对应的油套管用钛合金材料钛合金油管力学性能与镍基合金油管力学性能相当,接头强度达到标准IS010400对P1 10钢级的要求。
由于钛合金管易于弯曲,并具有极高的抗海浪冲击和平台移动造成的动态应力腐蚀疲劳强度,钛合金管抗应力腐蚀疲劳强度比现用碳钢高10倍以上同时铺设海管时钛合金管适应铺设过程中的弯曲变形工况。钛合金输送管线焊接性能良好单面焊接双面成型技术保证焊缝均匀可靠并且钛合金输送管线机械性能优异通过管体拉伸力学性能测试示波冲击试验、管体压扁试验、断裂韧度KIC测试。
海洋钻井平台要求高于陆地钻井平台早在20世纪90年代国外就已经将钛合金运用到海洋钻井平台的各个方面。北海油田挪威分部的海德威油田半潜式浮动钻井平台已使用钛合金作为隔水管,降低整个系统质量达50 %，从而将隔水管提升力降低了63 %省去了巨大的柔性接头系统成本降低了40 %预计服务年限可达25年之久
除此之外,海洋钻井平台上冷却系统中的热交换器使用了钛制管状冷却装置;各种类型的泵(如深井泵、离心泵)均采用了铸钛泵体和钛合金叶轮各种阀门及其他管件配件也采用了钛制品,减少了维护工作量
( 1)钛及钛合金由于密度低、比强度高抗疲劳、耐腐蚀等特性,在石油天然气勘探开发中的应用前景广阔,目前国内外已经研制出钛合金钻杆、油管、套管、接箍、输送管、连续油管、阀门、泵等多种钛制产品。(2)在极度苛刻的腐蚀性环境下钛合金产品依然能满足防腐需求同样长度、直径、厚度和强度的钛合金管材成本要低于G3镍基合金,因此有取代镍基合金管材趋势。(3)钛合金产品的加入减轻了系统整体质量设备更加可靠使得海洋钻井平台可以进入更深的水域,延长平台服役年限。
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