APP下载

钛及钛合金在油气开采中的应用研究

2018-10-21游伟靳文

中国化工贸易·中旬刊 2018年11期
关键词:钛合金应用

游伟 靳文

摘 要:钛合金具有优异的性能,并且已广泛运用于航天、化学化工、医疗、石油石化和海洋工程等诸多领域,引起世界上众多研究者的关注和研发,并不断扩展钛合金的应用领域。当前石油天然气的开发成为钛合金新近涉及的一个领域,尽管钛合金尤其在勘探开发领域中存在耐腐蚀不高、腐蚀电位高等局限性问题,但其在开采的钻杆、输送管和油套管等重要组建已进入研发及试验的阶段,在油气开采中的运用将会愈发广泛。

关键词:钛合金;勘探开发;石油管材;应用

随着全球科学技术的快速发展,石油天然气的勘探开发也在不断的由浅井向深井及超深井发展,同时还需要应对较强腐蚀性和深海等不同恶劣的勘探开发环境,特别是在南海的可燃冰开发成为世界人们的关注点,是由天然气对管材新材料、新技术的需求也更加迫切。这种新采用的材料在满足低端石油管材经济性要求的同时,能够良好的适应高温、高压、高腐蚀等严苛条件的勘探开发环境,所以需要具有高耐腐蚀的优质钛合金石油管材。

1 钛合金的特性

钛合金的密度方面金属钛20℃的环境中,密度要比铝高一些,大约在4.506~4.516g/cm3,比金属铁、铜、镍等常用金属略低。钛在882℃以上呈体心立方的β钛,在882℃以下呈密排六方结构α钛。其中,1250MPa抗拉伸强度的高强度钛合金是现阶段重点研发和应用对象。在-253~600℃规定温度范围内,钛合金抗拉强度及密度是所有金属中最高的一种。抗拉强度高可以缩小勘探开发设备的结构质量,还能提升设备功能性,提高设备的技术层次,进一步增加油气勘探开发设备的安全性。

钛金属具有较高的活性,但钛表片形成密度极高且钛氧化层稳定,使钛及钛合金拥有优异的耐腐蚀性能。不同的金属在海水中腐蚀速率不同,钛的耐腐蚀方面表现得相对更出色,钛在海水中几乎没有出现被腐蚀的现象,并且钛合金在腐蚀性更强的高含硫环境中,腐蚀速率也很低,耐腐蚀性能远远高于其他金属。具有优异耐腐蚀性能的钛合金可以在更多样、更恶劣的环境中工作,可以与整体结构和寿命进行设计,在降低日常维护成本提高勘探开发设备的服役能力的同时,由于钛表面具有密度极高的氧化层,钛合金的勘探开发设备不需要对其进行涂层保护,减少了制造设备的成本。

钛合金具有较强的耐冲击性能,常温-60~20℃之间,与常用金属所研发的铜合金和镍合金相比,是镍合金的2.5倍,是铜合金的4倍,钛合金的抗冲击系数已经超过0.63,并且没有出现脆性转变点,钛合金的断裂韧性为每80到110MPa,已经远远超过合金钢及铝合金。钛合金较强的耐冲击性提高了设备的安全性,也使得钛合金的应用领域可以变得更加广泛,为更多严苛环境要求的领域提供更好的支持。

2 钛合金在油气开采中的应用

2.1 海上钻井平台零件及隔水管采用钛合金

相对陆地钻井平台,海洋钻井平台的要求更高一些,国外在20世纪90年代便开始对钛合金在海洋钻井平台的应用进行研究。其中,在北海油田中的海德威油田半潜式浮动平台已经采用钛合金隔水管,使得隔水管的提升力降低63%,大大降低对巨大柔性接头的需求,进而使系统成本降低40%,服役期限也提高到25年。同时,将钛合金使用在各种阀门和其他配件上,对维护的工作量和成本实现进一步减少。

2.2 钛合金钻杆

近年国际市场不断发展,市场对石油天然气的需求不断提高,油气田的开发同时面临进一步提高采收率和提升质量的多方面的需求,对油气勘探开发提出新挑战。为提高原油的采收率,降低油气田勘探开发成本并延长使用期限,使得大位移井和老井等复杂结构井越来越多。往常使用的常规钻杆已很难满足这些复杂结构井的开采需求,使用常规钻杆对这些复杂结构经进行开采工作时出现诸多问题,很难通过常规钻杆实现解决。比如,超短半径水平井中的井眼曲率很小,已经<18m,使得常规钻杆产生较大交变应力。交变应力容易使钻杆产生疲劳,导致钻杆断裂情况发生,对油田造成重大损失。为避免这些问题,确保油田平稳运行,钛合金钻杆是现阶段较好的选择。钛合金具有优异特性能有效提升钻具拉力和安全性增强对复杂事故的处理能力,已被各类结构井运用,取得良好效果。

2.3 钛合金输送管线

鈦合金输送管具有优异的耐冲击能力和耐腐蚀能力,易于弯曲。通过对钛合金管线多方面测试数据观察和探究,表明钛合金管线具有良好机械性能和拉伸能力等特征。同时,钛合金管的抗应力腐蚀疲劳强度远超于碳钢,在对海管铺设时,钛合金管可更好的适应铺设过程中出现的弯曲状况。此外。钛合金输送管在管线焊接方便也有良好的表现,使单面焊接内外两面成型的焊接技术可以得到很好的适用,确保了焊接有效性和稳定性。

综上所述,钛及钛合金具有低密度、耐腐蚀等特性,在油气勘探开发过程中具有良好的应用前景,国内外已对以钛合金为制造材料的油管、钻杆等设备进一步应用和研发,因钛合金出色耐腐蚀性能和较低成本,使油气开采所用的管材呈现逐步取代镍基合金管材的趋势。同时,钛合金设备出现,对目前遇到的问题进行改善,还扩大了钻井平台开发范围、增加平台的服役期限。

参考文献:

[1]李献军,王镐,羊玉兰,冯军宁,杨蓉.钛及钛合金在海洋和大陆油气开采工业中的开发和应用[J].中国钛业,2011(02):18-21.

作者简介:

游伟(1989- )女,汉族,陕西安康人,主要从事企业工会及共青团工作。

猜你喜欢

钛合金应用
一种可冷成型的高强高塑β钛合金材料
航空航天紧固件用钛合金材料综述
钛或钛合金管冷轧增壁成型装置及方法
一种钛合金薄材的表面处理方法
一种含钨的高强钛合金
多媒体技术在小学语文教学中的应用研究
分析膜技术及其在电厂水处理中的应用
GM(1,1)白化微分优化方程预测模型建模过程应用分析
煤矿井下坑道钻机人机工程学应用分析
气体分离提纯应用变压吸附技术的分析