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钛合金管在石油工业的应用案例及前景
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钛合金管在石油工业的应用案例及前景

发布时间 :2020-12-03 06:16:31 浏览次数 :

钛合金的性能特点为: 优异的耐酸性气体与海水耐蚀性能、极高的比强度,这些特点决定了在石油钻井行业的广泛应用前景。钛合金在钻井中应用领域包括钻杆、油套管、连续管、隔水管,钛合金钻杆以其重量轻,比强度高可取代钢钻杆延伸三维水平井与大位移井的延伸能力,减少钻杆与驱动系统的故障; 钛合金油套管性价比可取代镍基合金管; 钛合金连续管可以大幅度提升连续管作业适用的井深范围,使我国所有井都可以应用连续管进行作业; 钛合金隔水管可以提升平台适用水深,避免海水对隔水管腐蚀。

一、钛合金管在石油工业应用案例

钛合金管在石油中应用范围非常广泛,就目前的经济可替代性而言主要有以下方面。

1、钛合金钻杆

目前国内已生产出 P110 钢级的钛合金钻杆,与常规普通钢 S135 钻杆相比,其优势有:

1.1 可以使大位移井与水平井位移延伸更远

钛合金密度仅 4.5 g /cm3,同样壁厚与长度的钻杆在常规密度为 1.25 g /cm3的水平段钻井液中其浮重仅为钢质钻杆的 49% 。这种情况下,摩阻力也仅为普通钻杆的 50% 左右,而管柱的摩阻扭矩问题

是大位移井技术的核心问题之一,它决定水平位移的最大延伸,因此钛合金钻杆可以更有利于大位移井与三维丛式水平井。在国内目前工厂化钻井越来越多情况下,钛合金钻杆使用范围更大。

1.2 减少地面设备负荷

钛合金 钻 杆 由 于 重 量 轻,导 致 扭 矩 减 少 近50% ,有效减少了地面顶驱 ( 转盘) 负荷,使这种损坏发生几率大大降低,而负荷减少还会带来柴油消耗的减少。

1. 3  减少接头的水力损失

钛合金钻杆重量轻,扭矩低,加工的钻杆接头可以不必如钢钻杆同样的强化,通常水平井使用 Φ 127mm S135 钻 杆 时,接 头 内 径 就 由 G105 钻 杆 的Φ 82. 55 mm 减少到 Φ 69.85 mm,钛合金钻杆由于所受扭矩的减少,80钢级的钻杆可以在同样位移时达到 S135 钢级的强度效果( 由于浮重减少 51% ,扭矩也会下降 51% ) 。而 X95 钢级的钻杆接头内径则达到 Φ 88. 9 mm。接头内径增大可以显著降低循环压耗。

相比,优势也非常突出,钛合金与钢钻杆接头性能非常接近,因此可以使接头与本体为同一材质。而通常铝合金钻杆虽然也具有重量轻的特点,但由于铝合金不耐磨损、强度较低,因此需要对接头进行强化,接头通常采用钢质材料,这样导致钻杆重量降低有限。而且铝合金强度与高强度钢相比,还有一定差距,仅能达到钛全套钻杆的 2 /3 左右。此外铝合金钻杆的材质硬度较低,导致钻杆与井壁碰撞时发生较严重的本体划痕磨损,因此难以使用。而钛合金钻杆则由于本体硬度可以接近于钢质钻杆,因此可以有效避免这一问题。

钛合金与常规钻杆接头材料性能对比如表 1。

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2、 抗腐蚀油套管

对于同时含高浓度 CO2与 H2S 的气藏,普通的不锈钢管和超级 13Cr 管材的耐腐性能已经满足不了如此苛刻的腐蚀环境,需要采用镍基油管 ( 套管) ,这类套管价格高达 30 万元/t 以上,如果使用单位重量价格与之类似的钛合金管代替,则可以达到相似的抗腐蚀性能。而由于钛合金的密度低,使其与单位长度、强度相同的镍基管相比价格更低。

钛合金无缝管通过第三方试验检测:

1)试验用钛合金油管具有优异的抗硫化氢应力腐蚀性能、抗点腐蚀和抗全面腐蚀性能,对氢致开裂不敏感,在本实验高温高压条件下耐 H2S / CO2腐蚀性能良好,具有和镍基 G3 合金相当的耐腐蚀性能。

2)试验用钛合金油管的力学性能均达到 APISpec 5CT 中对 P110 钢级的力学性能要求,与 P110钢级的 G3 镍合金油管力学性能相当,接头连接强度达到标准 ISO 10400 对 P110 钢级的要求。

3、钛合金连续管

采用钛合金生产连续管则由于其重量轻,可以在同样轴向力情况下,使井深增加近 1 倍( 井筒工作液为清水) 。此时连续管则适用于深井乃至超深井,钛合金的良好的可焊接性能使这种应用可以不受运输尺寸影响。

对于常规中深井来说,钛合金连续管可以提高疲劳寿命,也有一定的意义,特别是对于高腐蚀环境更有效益。

4、钛合金隔水管

海上钻井中隔水管长期与海水接触经受海水与海洋生物腐蚀,使用钛合金可以有效解决这类腐蚀问题,而且钛合金密度低,重量轻的特点可以使海上平台适应钻更深的水深。虽然深水隔水管可以采用浮力块减少轻平台负荷,但重量越大,浮力块体积就相应增大,这在如中国南海等洋流速度较快地区,则增大了隔水管的侧向力,这又带来隔水管强度与平台拖拽力。在海上钻井平台级别每增加一级,日费上涨以 10 万元计,即使不考虑钛合金没有腐蚀、强度高等其它因素,仅平台日费节省就可以在 2 ~ 3年收回钛合金隔水管投资。

二、钛合金管在石油工业的应用前景

1、发展钛合金在石油钻井行业的应用,不仅可以节省成本投入,更能提高应对复杂条件的能力,特别是对于三维丛式水平井与大位移井、连续管作业等,钛合金钻杆更能提升作业能力,对于石油钻井行业具有重要的意义。

2、钛合金钻杆与连续管可尽快进行试验性应用,如先装备一支队伍,取得应用效果后可规模推广。

3、钛合金可以取代镍基合金作为极端腐蚀环境下的油套管,可以减少这类井的成本投入。

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