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鈦合金在石油化工行業(yè)的應(yīng)用

鈦金屬自被發(fā)現(xiàn)以來,化工領(lǐng)域一直是用量最大的。近12年,國內(nèi)化工領(lǐng)域消耗的鈦,每年都超過1.5萬噸。
鈦強度更高,作業(yè)能力更強,比強度,是不銹鋼的3.5倍,鋁合金的1.3倍,鎂合金的1.6倍,同樣的輕重,能承受更大的沖擊和壓力;抗拉強度,也是其他合金小伙伴的1.5-2倍,往地底下鉆的時候更安全、更耐用,特別適合西北油田超深井、短半徑井等復(fù)雜井況條件下的鉆井作業(yè)。

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(fù)雜結(jié)構(gòu)井越來越多,如大位移井、短半徑井、老井開窗側(cè)鉆水平井。常規(guī)鉆桿在這些復(fù)雜結(jié)構(gòu)井應(yīng)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;18m),這使得常規(guī)鉆桿產(chǎn)生很大的交變應(yīng)力。交變應(yīng)力引起鉆桿疲勞斷裂的情況時有發(fā)生,給油田帶來重大損失。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(fù)合鉆桿等代替常規(guī)鉆桿。

實驗室證實,當(dāng)周期應(yīng)力處于30000psi-40000psi時,鈦的疲勞壽命是普通鋼材的10倍,鈦合金管材的彈性系數(shù)約為16.5msi,彈性比鋼制鉆桿要好,更適于高曲率井段。目前已經(jīng)生產(chǎn)出經(jīng)濟性較好的鈦合金鉆桿,材料為Ti-6Al-4V的管體經(jīng)兩端鐓粗后、在兩端對焊工具接頭組成,鈦管體尺寸滿足API標準、長度范圍為API標準規(guī)定的范圍2或3。為降低制造成本,工具接頭采用鋼制,接頭螺紋經(jīng)過上卸扣磨合,接頭外徑敷焊耐磨帶。鈦合金鉆桿在超深井、大位移井中也有應(yīng)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(fù)雜能力。

在日常環(huán)境下,鈦合金鉆桿的使用壽命,是同規(guī)格常規(guī)鋼鉆桿的10倍;腐蝕環(huán)境下,是常規(guī)鋼鉆桿的100倍。

除了鉆桿,海上石油平臺支柱、換熱器、泵、閥等等,采油和煉油領(lǐng)域都應(yīng)用廣泛。
比如,美國的北海油田鉆井平臺,用了100個鈦熱交換器;挪威的Heidrum工程,用了世界上第一個鈦制高壓立管式豎井。

鈦更耐腐蝕,作業(yè)年限更久

海上石油開采平臺,生物污染引起的結(jié)構(gòu)件腐蝕是相當(dāng)厲害的。經(jīng)常會讓傳統(tǒng)金屬制造的設(shè)備“半死不活”……

但是,鈦的表面有一層自然形成的,致密的、惰性、抗銹、抗腐蝕的氧化膜,不需要額外做防腐處理,就能輕輕松松抵抗海水、硫酸、石油化工品的腐蝕。

鈦合金部件,可以幫助石油鉆探進入更深的水域和更深的油井,包括更高的溫度和腐蝕嚴重(即多鹽)的生產(chǎn)環(huán)境。

有了鈦,鉆井平臺只管探索,啥都不怕!

中國天然氣資源中大部分是含硫氣田,如新疆塔里木、四川盆地都屬于高含硫氣田。高含H2S2、C2O2油氣田的管材防腐、高溫高壓條件下長期服役是石油天然氣開發(fā)的難點問題,目前選取優(yōu)質(zhì)耐腐蝕材料作管材已成為主導(dǎo)趨勢。鈦合金以其優(yōu)異的抗點蝕性能,被應(yīng)用到高含硫環(huán)境,特別是工況惡劣,Cl與H2S含量很高,一般不銹鋼,甚至是鎳基合金都發(fā)生腐蝕的情況下。

鈦更輕巧,作業(yè)操作更靈活

雖然,鈦合金桿子比鋼桿子更厲害

但是,鈦合金桿子還更輕,同體積的重量幾乎只有鋼的一半。

因為鈦桿子更輕,所以鉆探的扭矩減少近50%,地面上頂驅(qū)的負荷對應(yīng)的就更小(PS:更小的力,鉆得更深更穩(wěn)),設(shè)備就沒那么容易壞。

所以,鈦桿子強有力,而且更輕,就可以更省力、更省油、更省設(shè)備。