鈦合金管在石油工程中的應(yīng)用特性及前景
發(fā)布日期:2022-2-5 20:27:43
鈦合金是以鈦為基體,加入其他元素組成的合金,鈦合金的性能與所含碳、氮、氫、氧等雜質(zhì)含量有關(guān),其特點是比強度高、熱強度高、抗蝕性好、低溫性能好、化學活性大、導(dǎo)熱系數(shù)小、彈性模量小、無磁。
世界上許多國家都認識到鈦合金材料的重要性,相繼對其進行研究開發(fā),并得到了實際應(yīng)用。目前鈦合金主要用于制作飛機發(fā)動機部件,其次為火箭、導(dǎo)彈和高速飛機的結(jié)構(gòu)件。
一、鈦合金的性能
1、優(yōu)異的耐酸性氣體腐蝕性能
鈦合金具有優(yōu)異的抗硫化物應(yīng)力腐蝕性能,抗點腐蝕性能,對氫致開裂不敏感,可在含H2S、Cl-和CO2共存條件下服役。
1.1 氫致開裂(HIC)試驗
依據(jù)標準NACETM0284—2000,采用A溶液,試驗后未發(fā)現(xiàn)表面氫鼓泡現(xiàn)象,證明鈦合金具有良好的氣致開裂性能。
1.2 抗硫化物應(yīng)力開裂(SSC)試驗
依據(jù)標準NACETM0177—2000A法A溶液進行試驗,在拉伸應(yīng)力80%σy、85%σy和90%σy載荷下720h實驗后均未發(fā)生開裂現(xiàn)象。
1.3 點蝕腐試驗
依據(jù)ASTM G48 試驗方法對石油用鈦合金管進行試驗,結(jié)果未發(fā)現(xiàn)點腐蝕現(xiàn)象。
1.4 高溫高壓含H2S/CO2試驗
試驗總壓:25MPa;溫度:60℃;試驗時間:720h;H2S分壓:2.0MPa;CO2分壓:3.5MPa。
試樣腐蝕前后質(zhì)量沒有發(fā)生變化,試樣表面也沒有發(fā)現(xiàn)腐蝕或點蝕現(xiàn)象,具有優(yōu)異的耐H2S/CO2腐蝕性能。
2、優(yōu)異的海水耐蝕性能
幾種海洋工程用金屬材料在流動海水中腐蝕速率的比較如表1。
從表1可以看出,鈦合金在海水中沒有腐蝕,而與之對比的不銹鋼達到每年腐蝕0.029~0.07mm之間。
3、極高的比強度
幾種艦船用金屬材料的屈強比和比強度的對比如表2。
從表2中可以看出,鈦合金具有強度高、變形能力強的特點,特別是其密度低,考慮構(gòu)件本身重量因素優(yōu)勢更顯著。
4、焊接性能好
鈦及鈦合金的焊接性能非常優(yōu)越,焊接方式通常采用等離子或鎢極氬弧焊,焊接過程應(yīng)在惰性氣體保護下或真空狀態(tài)下進行,這較容易做到,而鈦合金焊縫拉伸強度可達到管體強度的90%以上。
二、鈦合金在石油工業(yè)應(yīng)用前景
鈦合金在石油中應(yīng)用范圍非常廣泛,就目前的經(jīng)濟可替代性而言主要有以下方面。
1、鈦合金鉆桿
目前國內(nèi)已生產(chǎn)出P110鋼級的鈦合金鉆桿,與常規(guī)普通鋼S135鉆桿相比,其優(yōu)勢有:
1.1 可以使大位移井與水平井位移延伸更遠鈦合金密度僅4.5g/cm3。同樣壁厚與長度的鉆桿在常規(guī)密度為1.25g/cm3。的水平段鉆井液中其浮重僅為鋼質(zhì)鉆桿的49%。這種情況下,摩阻力也僅為普通鉆桿的50%左右,而管柱的摩阻扭矩問題是大位移井技術(shù)的核心問題之一,它決定水平位移的最大延伸,因此鈦合金鉆桿可以更有利于大位移 井與三維叢式水平井。在國內(nèi)目前工廠化鉆井越來越多情況下,鈦合金鉆桿使用范圍更大。
1.2 減少地面設(shè)備負荷
鈦合金鉆桿由于重量輕,導(dǎo)致扭矩減少近50%,有效減少了地面頂驅(qū)(轉(zhuǎn)盤)負荷,使這種損壞發(fā)生幾率大大降低,而負荷減少還會帶來柴油消耗的減少。
1.3 減少接頭的水力損失
鈦合金鉆桿重量輕,扭矩低,加工的鉆桿接頭可以不必如鋼鉆桿同樣的強化,通常水平井使用φ127mm S135鉆桿時,接頭內(nèi)徑就由G105鉆桿的φ82.55mm減少到φ69.85mm,鈦合金鉆桿由于所受扭矩的減少,80鋼級的鉆桿可以在同樣位移時達到S135鋼級的強度效果(由于浮重減少51%,扭矩也會下降51%)。而X95鋼級的鉆桿接頭內(nèi)徑則達到φ88.9mm。接頭內(nèi)徑增大可以顯著降低循環(huán)壓耗。
鈦合金鉆桿與鋁合金鉆桿相比,優(yōu)勢也非常突出,鈦合金與鋼鉆桿接頭性能非常接近,因此可以使接頭與本體為同一材質(zhì)。而通常鋁合金鉆桿雖然也具有重量輕的特點,但由于鋁合金不耐磨損、強度較低,因此需要對接頭進行強化,接頭通常采用鋼質(zhì)材料,這樣導(dǎo)致鉆桿重量降低有限。而且鋁合金強度與高強度鋼相比,還有一定差距,僅能達到鈦全套鉆桿的2/3左右。此外鋁合金鉆桿的材質(zhì)硬度較低,導(dǎo)致鉆桿與井壁碰撞時發(fā)生較嚴重的本體劃痕磨損,因此難以使用。而鈦合金鉆桿則由于本體硬度可以接近于鋼質(zhì)鉆桿,因此可以有效避免這一問題
鈦合金與常規(guī)鉆桿接頭材料性能對比如表3。
2、抗腐蝕油套管
對于同時含高濃度CO2與H2S的氣藏,普通的不銹鋼管和超級13Cr管材的耐腐性能已經(jīng)滿足不了如此苛刻的腐蝕環(huán)境,需要采用鎳基油管(套管),這類套管價格高達30萬t以上,如果使用單位重量價格與之類似的鈦合金管代替,則可以達到相似的抗腐蝕性能。而由于鈦合金的密度低,使其與單位長度、強度相同的鎳基管相比價格更低。
鈦合金無縫管通過第三方試驗檢測:
(1) 試驗用鈦合金油管具有優(yōu)異的抗硫化氫應(yīng)力腐蝕性能、抗點腐蝕和抗全面腐蝕性能,對氫致開裂不敏感,在本實驗高溫高壓條件下耐HS/CO腐蝕性能良好,具有和鎳基G3合金相當?shù)哪透g性能。
(2)試驗用鈦合金油管的力學性能均達到APISpec 5CT中對P110鋼級的力學性能要求,與P110鋼級的G3鎳合金油管力學性能相當,接頭連接強度達到標準ISO10400對Pll0鋼級的要求。
3、鈦合金連續(xù)管
采用鈦合金生產(chǎn)連續(xù)管則由于其重量輕,可以在同樣軸向力情況下,使井深增加近1倍(井筒工作液為清水)。此時連續(xù)管則適用于深井乃至超深井,鈦合金的良好的可焊接性能使這種應(yīng)用可以不受運輸尺寸影響。
對于常規(guī)中深井來說,鈦合金連續(xù)管可以提高疲勞壽命,也有一定的意義,特別是對于高腐蝕環(huán)境更有效益。
4、鈦合金隔水管
海上鉆井中隔水管長期與海水接觸經(jīng)受海水與海洋生物腐蝕,使用鈦合金可以有效解決這類腐蝕問題,而且鈦合金密度低,重量輕的特點可以使海上平臺適應(yīng)鉆更深的水深。雖然深水隔水管可以采用浮力塊減少輕平臺負荷,但重量越大,浮力塊體積就相應(yīng)增大,這在如中國南海等洋流速度較快地區(qū),則增大了隔水管的側(cè)向力,這又帶來隔水管強度與平臺拖拽力。在海上鉆井平臺級別每增加一級,日費上漲以10萬元計,即使不考慮鈦合金沒有腐蝕、強度高等其它因素,僅平臺日費節(jié)省就可以在2—3年收回鈦合金隔水管投資。
三、認識與建議
(1)發(fā)展鈦合金在石油鉆井行業(yè)的應(yīng)用,不僅可以節(jié)省成本投入,更能提高應(yīng)對復(fù)雜條件的能力,特別是對于三維叢式水平井與大位移井、連續(xù)管作業(yè)等,鈦合金鉆桿更能提升作業(yè)能力,對于石油鉆井行業(yè)具有重要的意義。
(2)鈦合金鉆桿與連續(xù)管可盡快進行試驗性應(yīng)用,如先裝備一支隊伍,取得應(yīng)用效果后可規(guī)模推廣。
(3)鈦合金可以取代鎳基合金作為極端腐蝕環(huán)境下的油套管,可以減少這類井的成本投入。
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