鈦合金在石油天然氣勘探開發(fā)中的應用

鈦合金鉆桿

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(fā)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(guī)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?。?lt;18 m），這使得常規(guī)鉆桿產(chǎn)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(fā)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(guī)鉆桿。 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(shù)，提高處理事故復雜能力。

鈦合金油套

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(fā)已成為石油天然氣工業(yè)面臨的重大難題。國內(nèi)外對高含 H2S、CO2 油氣田的管材防腐問題開展了多年的研究，防腐措施大致有三類：加緩蝕劑、防腐涂層、耐腐蝕管材。前兩者在一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(yōu)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(nèi)紅土鎳礦品位較低，開采成本比較高，這就意味著我國在紅土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(zhàn)略發(fā)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(yōu)異的抗腐蝕性能，近年來開始逐漸應用于高含硫環(huán)境中。特別是工況條件比較惡劣， Cl-和 H2S含量很高，一般的不銹鋼，甚至是鎳基合金都會發(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 ISO10400 對 P110 鋼級的要求。

鈦合金輸送管線

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(tài)應力腐蝕疲勞強度，鈦合金管抗應力腐蝕疲勞強度比現(xiàn)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(yōu)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。

海洋鉆井平臺零件、隔水管 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(jīng)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(tǒng)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(tǒng)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(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，減少了維護工作量。