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钛管钛换热器在石油天然气勘探开发中的应用案例

发布时间 :2021-07-01 09:07:16 浏览次数 :

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储量的总和还多圈。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7000m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朗。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:钛合金油管》等。

1、钛合金材料特性

1.1 密度低、比强度高

钛的密度为4.506g/cm3~4.516g/cm3(20℃),比铝密度2.70g/cm3高,低于常用铁、铜、镍。几种常用的海洋船舶用金属材料的比强度(见表1)。在常规温度范围内(一253℃~600℃),钛合金的比强度(抗拉强度/密度)在所有金属材料中最高。

几种常用的海洋船舶用金属材料的比强度

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。

1.2 优异的耐腐蚀性能

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。几种金属材料在流动海水中腐蚀速率的比较(见表2),由表2可以看到钛在海水中几乎不会发生腐蚀问,在更为恶劣的高含硫环境下,钛合金的腐蚀速率也是极低的。

几种常用的海洋船舶用金属材料的比强度

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;减少腐蚀富裕量设计,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。

1.3 抗疲劳、耐冲击

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·m1/2~110 MPa·m1/2 ,从比韧度(KJRp ) 与(R以 )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105周,而钛材均在107周以上。

2、钛合金在石油行业中的应用

2.1 钛合金钻杆

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(<18 m),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一6AI一4V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)。

钛合金钻杆与普通钻杆的性能对照表

国外某油田在小曲率井中应用钛合金钻杆次数已达数百口(见表4)。

国外某油田在小曲率井中应用钛合金钻杆次数

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。

2.2 钛合金油套管

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H2S2、C2O2 油气田的管材防腐问题展了多年的研究,防腐措施大致有三类:加缓蚀剂、防腐涂层、耐腐蚀管材。前两者在一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%,且国内红土镍矿品位较低,开采成本比较高,这就意味着我国在红土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H2S含量很高,一般的不锈钢,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(见表5)。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P110钢级的要求。

石油套管用钛合金无缝钢管牌号及性能

忠世高新材料股份有限公司研制的钛合金油管,通过了API RP 5C5规定的上卸扣试验,并进行了爆破试验,打压173MPa发生爆破,爆破形貌为纵向开裂, 符合使用要求(见图1 ) 。

图1.jpg

2.3 钛合金输送管线

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(见图2 ) , 并目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。

图2.jpg

2.4  海洋钻井平台零件、隔水管

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巳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(见图3 )。

图3.jpg

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(见图 4 )。

图4.jpg

3、结论

(1)钛及钛合金由于密度低、比强度高、抗疲劳、耐腐蚀等特性,在石油天然气勘探斤发中的应用前景广阔,日前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,设备更加町靠,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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