石油是一個(gè)國家的經(jīng)濟命脈。據估計, 世界可開(kāi)采的石油資源儲量為3000億噸, 其中海底石油儲量約為1300 億噸。海底石油的開(kāi)發(fā), 開(kāi)始于20 世紀初。它的發(fā)展經(jīng)歷了從近海到遠海、從淺海到深海的過(guò)程。受技術(shù)條件和材料發(fā)展的限制, 最初只能開(kāi)采從海岸直接向淺海延伸的石油、天然氣礦藏。20 世紀80 年代以來(lái), 在能源危機和技術(shù)進(jìn)步的刺激下, 近海石油勘探與開(kāi)發(fā)飛速發(fā)展, 海洋石油開(kāi)發(fā)迅速向大陸架挺進(jìn), 逐漸形成了嶄新的近海石油工業(yè)部門(mén)。海上鉆井平臺是實(shí)施海底油氣勘探和開(kāi)采的工作基地, 它標志著(zhù)海底油氣開(kāi)發(fā)技術(shù)的水平。海上石油開(kāi)采設備主要包括采油平臺和附屬設備, 附屬設備有原油冷卻器、升油管、泵、閥、接頭和夾具等。這些設備均與海水及原油中的硫化物、氨、氯等介質(zhì)接觸。由于鈦在這些介質(zhì)中具有優(yōu)異的耐蝕性, 所以美國在上世紀70 年代初就在其油田中使用了鈦制造的近海石油平臺支柱, 同時(shí)用鈦制造了列管式換熱器和板式換熱器。鈦列管式換熱器利用海水作為冷卻介質(zhì), 把從油井里抽出的高溫汽/ 油混合物冷卻。鈦板式換熱器也是利用海水作為冷卻介質(zhì), 把碳鋼換熱器內冷卻原油的淡水冷卻。美國在北海油田鉆井平臺上大約使用了100 個(gè)鈦熱交換器。位于英國蘇格蘭阿伯丁的亨廷油田服務(wù)公司訂購的鈦制部件據說(shuō)是世界上第一個(gè)鈦制高壓立管式豎井, 用于美國大陸石油公司(Conoco) 挪威的Heidrum 工程項目中。
石油鈦合金鈦鉆探管的使用壽命較長(cháng),其重量?jì)H為不銹鋼的一半, 而使用靈活性卻是不銹鋼的二倍, 使用壽命為鋼的10 倍。這些優(yōu)異的性能使得鈦成為一種用于鉆探難度較大的近圓形、且深度深的油井的極佳材料。包含有鈦鉆探管的組合鉆具可以極大地減少鉆探時(shí)間、降低鉆探總成本。美國的GrantPrideco 公司、RTI 能源系統公司及Torch 鉆探服務(wù)公司在2000 年首次將鈦鉆探管用于工業(yè)應用。GrantPrideco 公司和RTI 能源系統公司共同生產(chǎn)和供應的鈦鉆探管還配有GrantPrideco 抗疲勞公司提供的鋼工具接頭。這種接頭的重量輕、使用靈活性好,且可以使鈦鉆探管堅固結實(shí)。
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海水管道系統是海底石油開(kāi)采不可缺少的部分, 由于鈦對海水具有很高的耐蝕性, 其使用壽命為鋼系的10 倍,因此, 鈦管系的成本與Cu-Ni 系統相比是合算的。美國活性金屬公司與精密管技術(shù)公司合辦了一個(gè)鈦管技術(shù)公司, 生產(chǎn)一種大口徑鈦合金管。這種管子所使用的合金是Ti-3Al-2.5V 合金, 口徑為650mm, 壁厚為22 ~ 25mm, 長(cháng)度為350m, 一根管子重達80 ~ 90t, 計劃用于海底石油開(kāi)采。美國另一家公司利用長(cháng)度為15m、外徑為600mm、壁厚為25mm 的無(wú)縫鈦合金管通過(guò)擠壓方法制成了近500m 長(cháng)的豎井管, 已經(jīng)用于一個(gè)近海鉆井平臺。據稱(chēng), 這種豎井管的重量可以減輕一半, 從而大大降低壓載成本, 另外, 還具有很高的斷裂韌性和較長(cháng)的疲勞壽命。
據資料報道, 在美國北海油田開(kāi)發(fā)項目中, 船上浮體裝置和海底固定裝置的用鈦量比以前有所增加。24 臺船上浮體裝置和64 臺海底固定裝置對鈦材的需求量為: 安全保護裝置50 ~ 100t,連接裝置50 ~ 100t, 通用升降設備400 ~ 1000t, 鉆桿1400 ~ 4200t。海上石油開(kāi)采平臺生物污染引起的結構件腐蝕是相當嚴重的, 美國一家公司在開(kāi)采平臺上使用了鈦管制成的長(cháng)套管, 對平臺上的部位進(jìn)行保護。
在過(guò)去幾年里, 鈦合金部件在石油鉆探和海濱生產(chǎn)作業(yè)中的應用明顯增加。鈦合金部件使得石油鉆探可以進(jìn)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。
對于這類(lèi)應用, 從綜合性能來(lái)考慮,TC4 鈦棒(Ti-6Al-4V) 基合金是最適用的, 且成本最低。海水管道系統是海底石油開(kāi)采不可缺少的部分, 由于鈦對海水具有很高的耐蝕性, 其使用壽命為鋼系的10 倍, 因此, 鈦管系的成本與Cu-Ni 系統相比是合算的。美國活性金屬公司與精密管技術(shù)公司合辦了一個(gè)鈦管技術(shù)公司, 生產(chǎn)一種大口徑鈦合金管。這種管子所使用的合金是TA18(Ti-3Al-2.5V) 合金, 口徑為650mm, 壁厚為22 ~ 25mm, 長(cháng)度為350m, 一根管子重達80 ~ 90t, 計劃用于海底石油開(kāi)采。美國另一家公司利用長(cháng)度為15m、外徑為600mm、壁厚為25mm 的無(wú)縫鈦合金管通過(guò)擠壓方法制成了近500m 長(cháng)的豎井管, 已經(jīng)用于一個(gè)近海鉆井平臺。據稱(chēng), 這種豎井管的重量可以減輕一半, 從而大大降低壓載成本, 另外, 還具有很高的斷裂韌性和較長(cháng)的疲勞壽命。
實(shí)踐證明,Ti-6Al-4V(Gr.5_TC4) 合金是鉆井管的最佳材料, 作為鉆井應用,屈服強度和疲勞強度是最重要的, 因此,兩種特別低間隙元素的Gr.5 合金適用于比較關(guān)鍵的動(dòng)態(tài)提升裝置。當使用溫度超過(guò)75 ~ 80℃時(shí), 為了防止縫隙腐蝕或應力腐蝕, 使用含釕的Gr29 合金。
最常用的部件包括海濱鉆井提升裝置、鉆探管、錐形應力接頭(TSJ) 和鈦/ 鋼混合提升裝置。
鈦泵、閥、接頭、緊固件、夾具和零配件等小型鈦部件在石油開(kāi)采平臺上已經(jīng)廣泛使用。國外海上石油勘探測井儀器外殼上也大量使用了鈦合金。