Zastosowanie materiałów tytanowych w odwiertach i produkcji ropy
W ostatnich latach, w celu poprawy wydobycia ropy naftowej, obniżenia kosztów produkcji złóż ropy i gazu oraz wydłużenia okresu zagospodarowania złóż ropy i gazu, stosuje się coraz bardziej złożone odwierty, takie jak odwierty o dużej wyporności, odwierty o małym promieniu i odwierty studnie poziome z wierceniem bocznym poprzez otwieranie okien w starych studniach. Konwencjonalne rury wiertnicze napotkały pewne trudne problemy podczas stosowania w tak złożonych odwiertach. Na przykład w odwiertach poziomych o bardzo małym promieniu krzywizna odwiertu jest bardzo mała (<18m), which causes conventional drill pipes to produce large alternating stress. Alternating stress causes drill pipe fatigue fractures from time to time, causing significant losses to oil fields. To solve these problems, foreign countries have begun to start with new materials and develop titanium alloy drill pipes, aluminum alloy drill pipes, composite drill pipes, etc. to replace conventional drill pipes.
1. Większa wytrzymałość i większa zdolność operacyjna
Laboratorium potwierdziło, że przy naprężeniu cyklicznym wynoszącym 30000 psi-40000 psi, trwałość zmęczeniowa tytanu jest 10 razy większa niż w przypadku zwykłej stali. Współczynnik sprężystości rur ze stopów tytanu wynosi około 16,5 msi i jest bardziej elastyczny niż stalowe rury wiertnicze i jest bardziej odpowiedni dla odcinków studni o dużej krzywiźnie. Obecnie wyprodukowano rury wiertnicze ze stopu tytanu o dobrej efektywności ekonomicznej. Korpus rury wykonany z Ti-6Al-4V jest spęczany na obu końcach i przyspawany do złączy narzędziowych na obu końcach. Rozmiar korpusu rury tytanowej jest zgodny ze standardem API, a zakres długości wynosi 2 lub 3 określony w standardzie API. Aby obniżyć koszty produkcji, złącze narzędzia wykonane jest ze stali, gwint złącza jest docierany po sprzączce dokręcającej i wykręcającej, a zewnętrzna średnica złącza jest przyspawana pasem odpornym na zużycie. Rury wiertnicze ze stopów tytanu są również stosowane w studniach bardzo głębokich i o dużej wyporności. Ze względu na małą gęstość stopu tytanu może zmniejszyć obciążenie dużego haka o 30%, zmniejszyć moment obrotowy o 30-40%, znacznie poprawić margines naprężenia i współczynnik bezpieczeństwa narzędzia wiertniczego oraz poprawić zdolność radzić sobie ze złożonymi wypadkami.
W codziennym środowisku żywotność rury wiertniczej ze stopu tytanu jest 10 razy większa niż w przypadku konwencjonalnej stalowej rury wiertniczej o tej samej specyfikacji; w środowisku korozyjnym jest 100 razy większa niż w przypadku konwencjonalnej stalowej rury wiertniczej. Oprócz rur wiertniczych, filary morskich platform wiertniczych, wymienniki ciepła, pompy, zawory itp. są szeroko stosowane w polach wydobycia i rafinacji ropy naftowej. Na przykład platforma wiertnicza na polu naftowym na Morzu Północnym w Stanach Zjednoczonych wykorzystuje 100 tytanowych wymienników ciepła; projekt Heidrum w Norwegii wykorzystuje pierwszy na świecie tytanowy wał wznośny wysokiego ciśnienia.
2.Większa odporność na korozję i dłuższa żywotność
W przypadku morskich platform wydobywczych korozja części konstrukcyjnych spowodowana zanieczyszczeniem biologicznym jest dość poważna. Często powoduje to, że tradycyjny sprzęt wykonany z metalu jest „półmartwy”, ale powierzchnia tytanu ma naturalnie uformowaną, gęstą, obojętną, odporną na rdzę i korozję warstwę tlenku, która z łatwością jest odporna na korozję powodowaną przez wodę morską, kwas siarkowy, i petrochemikaliów bez dodatkowej obróbki antykorozyjnej. Części ze stopu tytanu mogą ułatwić odwierty naftowe przedostające się do głębszych wód i głębszych szybów naftowych, w tym w wyższych temperaturach i środowiskach produkcyjnych o silnej korozji (tj. o wysokiej zawartości soli).
Większość zasobów gazu ziemnego w Chinach to pola gazowe zawierające siarkę, takie jak Basen Tarim w Xinjiangu i Basen Syczuan, które są polami gazowymi o wysokiej zawartości siarki. Ochrona antykorozyjna rur na polach naftowych i gazowych o wysokiej zawartości H2S2 i C2O2 oraz długoterminowa praca w warunkach wysokiej temperatury i wysokiego ciśnienia to trudne problemy w wydobyciu ropy i gazu. Obecnie dominującym trendem stał się wybór wysokiej jakości materiałów odpornych na korozję na rury. Stopy tytanu są stosowane w środowiskach o wysokiej zawartości siarki ze względu na ich doskonałą odporność na wżery, szczególnie w trudnych warunkach pracy, gdzie zawartość Cl i H2S jest wysoka, a zwykła stal nierdzewna, a nawet stopy na bazie niklu ulegają korozji.
3. Lżejszy i bardziej elastyczny w obsłudze
Chociaż pręty ze stopu tytanu są mocniejsze niż pręty stalowe, są również lżejsze, a ich waga przy tej samej objętości jest prawie o połowę mniejsza niż w przypadku stali. Dzięki temu moment wiercenia można zmniejszyć o blisko 50%, a odpowiadające mu obciążenie napędu górnego na podłożu jest mniejsze (PS: mniejsza siła, głębsze i stabilniejsze wiercenie), a sprzęt nie jest tak łatwy do złamania. Dlatego pręty tytanowe są mocne i lżejsze, co pozwala zaoszczędzić więcej wysiłku, paliwa i sprzętu.
W przyszłości bardzo pilne będzie globalne zapotrzebowanie na rury olejowe ze stopu tytanu o wyższej wytrzymałości i większej odporności na korozję. Największe krajowe przedsiębiorstwa produkujące rury stalowe oraz instytuty badawcze aktywnie prowadzą prace badawczo-rozwojowe. Oczekuje się, że tytan stosowany w dziedzinie wierceń naftowych i transportu stanie się dużym rynkiem zastosowań materiałów tytanowych.
