海上钻井开采系统用“钛”

钛合金具有高强度、低密度、优良的耐蚀性和良好的韧性，因而使其成为海洋钻探系统用设备如立管、钻管及锥形应力接头等的最好选择。在更多情况下，钛和钢的复合应用对海上钻探系统成本的降低和效益的提高具有很大的贡献。


　　在过去几年中，钛合金构件在海上石油钻探系统上的应用显著增加。钛合金使得钻井设备可以进入更深的水里和井里，包括温度更高和更具腐蚀性的环境中。以Ti-6Al-4V为基的钛合金，具有物理、机械和腐蚀等最佳的综合性能，对于海上钻探构件而言具有更大的吸引力。这些特点主要包括：
　　1、高的压缩和拉伸强度；
　　2、低密度与高强度结合，可使构件更轻； 
　　3、良好的韧性和低的弹性模量，意味着弯曲应力较低，弯曲疲劳寿命高；
　　4、在空气及海水中具有高的疲劳寿命；
　　5、能耐高达300℃的含盐与酸性的油井流体的腐蚀；
　　6、在300℃下，基体及焊缝耐海水腐蚀；
　　7、优越的抗冲刷腐蚀性能；⑧良好的塑性和断裂韧性以及高的耐久性和损伤容限。
　　为了得到海洋开发系统不同应用部件的最佳性能，在Ti-6Al—4V合金的基础上进行了成分调整。如Grade 5合金(Ti-6Al-4V)最适合于做钻管。这是由于钻管对屈服强度和疲劳强度的要求较高，而其它两种低间隙元素合金，如Grade 29，Grade 23则适合于对断裂韧性要求较高的立管。当构件的服役温度超过75℃～80℃时，为了防止间隙腐蚀和应力腐蚀的发生或为了满足NACEMR-01-75标准的要求，通常要选择更加耐蚀的含钌的Grade 29合金(Ti—6Al—4V—Ru，ELI，≤0．13％)，这些合金均可用传统的焊接方法焊接。
　　Ti—6Al—4V基合金在海上钻探系统应用的主要有以下几种构件。
　　(1)海上钻井立管钻井立管使用钛合金，除了减重外，还具有较好的损伤容限、易于用传统技术进行检查等优点。首次在海上大量使用钛合金钻井立管的是北海油田。在其高压立管中使用了30根599 mm(内径)X25 mm(壁厚)X14.6m(长)的Grade 23合金管材。采用钛合金立管的优点有
　　1)可将立管的牵引力从9.8 MN降至3.7 MN，因此，减小了张紧轮的尺寸；
　　2)可减少立管底部的活动连接，从而使其在钻井平台结构中易于手工操作；
　　3)减少了平台系统承载的质量；
　　4)不需要使用表面涂层。尽管钛合金立管的成本较不锈钢的要高，但使用后其整个系统的成本却比原来降低了40％。
　　虽然钛在立管上的使用取得很大成功，但全钛立管的市场却非常有限。由于经济原因，实际上多使用的将会是不锈钢／钛或复合材料／钛的立管。
　　(2)钻管 在短距离钻井中(曲率半径在18m以内)，传统的不锈钢管过早地出现转动疲劳和物理磨损，因而RTI开发了由Grade5合金与标准Cr-Mo钢接头连接而成的钻管。这样设计避免了工具卡死和磨损并保证了其韧性和疲劳寿命。1999年，美国已用外径为73 mm的钛合金管成功地钻成了10口曲率半径18m的油井。近来，又用外径为63.5 mm的钛合金钻管钻成了曲率半径为12m～15m的油井。另外，钛合金的无磁性也是吸引人之处，使得油井勘探不受磁性的影响。在长距离钻井中，采用钢管，其钻井深度在垂直方向只到6.1km，水平方向为7.1km-9.1 km，而采用钛管材后，其垂直方向可达9.1km。大直径钛管的使用，使得钻具吊起所需的力减少了约30％，扭矩减少了30％～40％，并克服了液压传动装置的限制。
　　(3)钛锥形应力接头 金属锥形应力接头相对于橡胶／铜等柔性接头而言，设计紧凑，易于检查，气密性好，可在高温下使用等，钛的锥形应力接头，其长度只有钢的1／3，成本与钢的相差无几，甚至更低。RTI已设计和制造了Grade 23和Grade 29合金应力接头，并安装在墨西哥湾和北海的钻井平台上，由于相对较低的成本和成功应用实例，钛制应力接头市场呈现出持续增长的势头。