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編者按 | 以“高效推動(dòng)中國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)”為主題的第九屆中國(guó)頁(yè)巖氣發(fā)展大會(huì)，于2019年12月28日成都勝利閉幕。本屆大會(huì)由中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司、中國(guó)石油化工集團(tuán)有限公司、中海油研究總院有限責(zé)任公司、中國(guó)石油化工集團(tuán)工程技術(shù)顧問(wèn)有限公司，中國(guó)海洋石油研究院，以及中國(guó)石油大學(xué)、中國(guó)石油工程學(xué)院非常規(guī)科學(xué)技術(shù)研究院、四川省人民政府、成都市博覽局、北京振威展覽有限公司、《石油與裝備》共同組織召開(kāi)。
中石油石油管工程技術(shù)研究院教授 宋生印
第九屆中國(guó)頁(yè)巖氣發(fā)展大會(huì)圍繞頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展、高效開(kāi)發(fā)、技術(shù)創(chuàng)新管理等層面的熱點(diǎn)話題，進(jìn)行廣泛深入的探討。石油管工程技術(shù)研究院教授宋生印認(rèn)為，水平井加分段壓裂是頁(yè)巖氣的核心技術(shù)，當(dāng)井深達(dá)到一定程度，因技術(shù)裝備受限，因碳鋼材料強(qiáng)度不夠，很有可能會(huì)因此帶來(lái)一系列的復(fù)雜事故。鈦合金管材或許可以迎刃而解。
以下為中石油石油管工程技術(shù)研究院教授宋生印現(xiàn)場(chǎng)發(fā)言實(shí)錄節(jié)選：
我主要分這四個(gè)方面講?，F(xiàn)在無(wú)論是陸地還是海上，水平井、大位移井、深井超深井等越來(lái)越多，我們今天開(kāi)這個(gè)會(huì)議是講頁(yè)巖氣，頁(yè)巖氣的核心技術(shù)大家都知道是水平井加分段壓裂，這是頁(yè)巖氣最核心的。但是這么深的井，存在一個(gè)最大的問(wèn)題就是我們的局限問(wèn)題，我們?cè)O(shè)備裝備局限問(wèn)題，有的井深到一定程度，我們碳鋼強(qiáng)度不夠，一旦有什么事故，這樣會(huì)帶來(lái)一系列的復(fù)雜事故，確實(shí)很麻煩。
另外一個(gè)我們水平段延伸到一定程度以后鉆井脫壓，如何施壓？鉆頭不往前走了，怎么辦？我們?cè)?jīng)模擬計(jì)算相關(guān)的井，不管地面給它的造壓再大，根本無(wú)法往前延伸，這是這個(gè)井位垂比的數(shù)據(jù)，摩阻到一定程度，地面給壓，它在底下是個(gè)負(fù)數(shù)，沒(méi)辦法往里面延伸，帶來(lái)了一系列施工困難。
另外就是如何高效提速？鉆機(jī)復(fù)合也不一定夠，管柱復(fù)合也不一定夠，就會(huì)帶來(lái)一系列問(wèn)題，需要有一些新材料、新利器解決這些問(wèn)題，鈦合金鉆桿確實(shí)就是比較好的一個(gè)利器。半徑比較小的情況下碳鋼鉆桿壽命比較短，一套新的鉆具可能打一部分都打不完就失效了，怎么辦呢？我們肯定要想辦法解決這些問(wèn)題，所以就指向了鈦合金這個(gè)材料。
鈦合金管材性能優(yōu)良
下面介紹一下這個(gè)材料的一些優(yōu)勢(shì)，作為石油管材，重點(diǎn)是兩大優(yōu)勢(shì)：一個(gè)是非常好的耐腐蝕性，當(dāng)然我們做鉆井的對(duì)腐蝕要求不是非常高，但是作為油套管，特別是油管，肯定就需要；另外就是良好的機(jī)械性能。從耐腐蝕來(lái)說(shuō)有這么九大性能，我不詳細(xì)展開(kāi)介紹了，時(shí)間關(guān)系。
這是我們實(shí)驗(yàn)室自己做的一些相關(guān)試驗(yàn)，包括材料腐蝕等等方面的一些試驗(yàn)，還有耐腐蝕的一些試驗(yàn)。鈦合金在腐蝕環(huán)境，不管硫化氫、二氧化碳含量，基本上不存在腐蝕，這是說(shuō)的縫隙腐蝕。鈦合金的縫隙腐蝕甚至比825合金還要好很多，幾乎不存在腐蝕。
另外就是耐海水，我們知道鈦合金本身就是海洋技術(shù)，50年免維護(hù)，這是美國(guó)公開(kāi)雜志的定義。耐鹽物腐蝕的速率是碳鋼的萬(wàn)分之一，是不銹鋼的千分之一，確實(shí)效果非常好。
再就是非常好的耐沖蝕性，我們做過(guò)試驗(yàn)，垂直充蝕，每秒40米的速度，沖蝕前后基本上不存在任何問(wèn)題，確實(shí)非常好。另外，它的機(jī)械性能也非常好，強(qiáng)度高。鈦合金密度只有4.5，碳鋼7.8，它的比強(qiáng)度是鎳基G3合金管的1.7倍，是普通P110鋼管的1.66倍。耐用性/抗斷裂性好，飛機(jī)對(duì)抗斷裂性要求就非常高，但是鈦合金不存在斷裂問(wèn)題。
另外低的熱傳導(dǎo)系數(shù)非常低，是鋼的四分之一，優(yōu)點(diǎn)也好，缺點(diǎn)也好，看用在什么地方，比方說(shuō)螺紋接頭，上扣就要發(fā)熱，一發(fā)熱就要膨脹，一膨脹就要粘住，這是帶來(lái)負(fù)面的問(wèn)題。
深井長(zhǎng)時(shí)間的載荷就是來(lái)自于自重，不是來(lái)自于地層，這個(gè)時(shí)候它的密度低，顯然大鉤載荷就會(huì)降低很多，美國(guó)實(shí)踐表明大鉤載荷降低30%以上，當(dāng)然它是用的鋼接頭的鈦合金，不是用的全鈦合金的鈦合金鉆桿，效果還是非常明顯。另外就是無(wú)磁性，不影響測(cè)井、錄井。
這個(gè)是屈服強(qiáng)度強(qiáng)度可調(diào)范圍寬非常廣，根據(jù)配方設(shè)計(jì)都可以滿足要求，沒(méi)有問(wèn)題。
彈性模量低，只有碳鋼的一半，鈦合金只有108GPa，鋼碳約為201GPa，在轉(zhuǎn)彎半徑很小的情況下不會(huì)出現(xiàn)任何問(wèn)題。熱膨脹系數(shù)低造成熱效應(yīng)很低，對(duì)深井應(yīng)用也非常好。
鈦合金的疲勞壽命比碳鋼高10倍以上，我們?cè)?jīng)做過(guò)一套新鉆具的旋轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)，大概700萬(wàn)周次，一套新的鉆具就斷掉，就在實(shí)驗(yàn)室里面做這個(gè)旋轉(zhuǎn)疲勞。但是鈦合金我們沒(méi)有做試驗(yàn)，因?yàn)?000萬(wàn)周次都斷不了，非常耗時(shí)，所以說(shuō)就沒(méi)有做，但是確實(shí)在材料試驗(yàn)上做過(guò)。甚至在腐蝕環(huán)境中可能是碳鋼的幾十倍，上百倍。應(yīng)該說(shuō)搞一個(gè)數(shù)量級(jí)到兩個(gè)數(shù)量級(jí)。
這個(gè)是管柱力學(xué)模型，我是模擬了一口6800m的井，算了一下油管的管柱力學(xué)，不詳細(xì)介紹了，但是不管是從管柱的靜力學(xué)或者是動(dòng)力學(xué)分析，鈦合金都非常好的改善了管柱力學(xué)性能，效果非常好。這口井是6800m，上面是用的壁厚大一點(diǎn)，底下用的壁厚薄一點(diǎn)的，原來(lái)全是用碳鋼，后面4800m全用成鈦合金，兩種情況跟碳鋼做對(duì)比，確確實(shí)實(shí)也是效果非常好，靜力學(xué)來(lái)說(shuō)要低很多，位移了很多，這樣對(duì)油管各方面的性能非常好，應(yīng)力也顯著降低，確確實(shí)實(shí)改善非常好。
另外一個(gè)就是屈曲，這是油管柱，大家知道下完之后分割機(jī)地面要給一個(gè)拉力，我們希望油管柱是不要處于屈曲狀態(tài)。當(dāng)然鉆柱，彈性能量低，鉆柱肯定會(huì)出現(xiàn)，屈曲肯定要比碳鋼要裂開(kāi)，但是相對(duì)來(lái)說(shuō)，因?yàn)樗闹亓康?，所以說(shuō)鉆壓物，在關(guān)柱上面不需要那么大的力量，所以說(shuō)相對(duì)來(lái)說(shuō)屈曲也會(huì)有一些改善。這就是載荷相關(guān)的一些情況，不管是動(dòng)力學(xué)、靜力學(xué)都非常好。
鈦合金研究應(yīng)用
簡(jiǎn)單匯報(bào)一下國(guó)內(nèi)外研究應(yīng)用的進(jìn)展情況。美國(guó)現(xiàn)在已經(jīng)有產(chǎn)品，并且已經(jīng)用得非常好的是鈦合金管體加上鋼接頭，比較成熟。并且接頭的形態(tài)，包括鋼跟臺(tái)怎么樣隔開(kāi)，不讓它出現(xiàn)電網(wǎng)腐蝕，用銅環(huán)等等一系列美國(guó)的專利，并且接頭也是用的美國(guó)自己專利的接頭，不是我們常用的NC接頭，效果非常好。這是另外一種全部用鈦合金的，接頭也是用，原來(lái)摩擦碳確實(shí)有一些問(wèn)題，全部做成鈦合金也沒(méi)有問(wèn)題，但是全部做成鈦合金到現(xiàn)在還沒(méi)有評(píng)價(jià)完，一方面沒(méi)有應(yīng)用先例；另外一方面系統(tǒng)評(píng)價(jià)還沒(méi)有結(jié)束。當(dāng)然耐磨性，因?yàn)檫@個(gè)很難再?gòu)?fù)焊耐磨帶，但是總體來(lái)說(shuō)它耐磨性能肯定是沒(méi)有鋼接頭的耐磨性能好。美國(guó)專門利用傳統(tǒng)鉆桿垂直深度，比方說(shuō)一套鉆具只能打6100米，但是用同樣規(guī)模的鈦合金可以打9200米，顯著降低了提拉力，扭矩肯定也是小了，扭矩降低30%-40%，效果非常好，這是他們施工的一系列應(yīng)用。包括扭矩屈曲、摩阻等等都降低很多，提拉力降低等等一系列問(wèn)題都改善得非常好。
再一個(gè)就是超短半徑水平井，這是美國(guó)利用鈦合金鉆桿已經(jīng)實(shí)踐了285口井的情況，最小曲率半徑曾經(jīng)施工到了12.2米，這個(gè)曲率半徑非常非常小。后面的兩列數(shù)據(jù)什么概念呢？光曲率半徑這一段每一口井大概需要15000周次能夠把這一段鉆完，但是我們碳鋼壽命是什么呢，這么小的半徑，半徑那么小，碳鋼的壽命只有500周次就斷掉。這是美國(guó)公開(kāi)文章寫(xiě)的，但是我們鈦合金可以到23000多次，像18.3m的曲率半徑的這口井，我們一套新的鈦合金鉆桿可以施工150口以上次，但是用鋼，最多只施工10口井或者15口井，最少差10倍，一套新的鉆具，需要旋轉(zhuǎn)周次是22600多次，但是鋼的壽命只有27萬(wàn)，不到28萬(wàn)，鈦合金達(dá)到300萬(wàn)周次。將來(lái)小型井根本不會(huì)用碳鋼來(lái)施工，也施工不了，全是用鈦合金，效果顯著。
因?yàn)槊绹?guó)技術(shù)在我們大慶油田也施工了幾口井，效果非常好，下一步不一定非要用美國(guó)的裝備了。另外剛才說(shuō)到超短半徑水平井的疲勞壽命，美國(guó)這套技術(shù)專門研制了螺紋接頭，這個(gè)接頭跟原來(lái)NC接頭確實(shí)改善非常好，疲勞壽命提高了很多。再一個(gè)用了135的鉆桿跟鈦合金鉆桿，轉(zhuǎn)彎半徑做了一個(gè)曲線，我們看鈦合金基本上呈數(shù)量級(jí)或者呈好幾個(gè)數(shù)量級(jí)的提高，確實(shí)疲勞壽命非常好。
美國(guó)設(shè)計(jì)的一口真實(shí)井，有置井段，中間就是轉(zhuǎn)彎這一段，下面斜置井段，中間這段是沒(méi)辦法用碳鋼解決的，轉(zhuǎn)彎半徑太小，中間這段設(shè)計(jì)不長(zhǎng)，一設(shè)計(jì)鉆柱就失效了，確確實(shí)實(shí)需要用鈦合金，并且很多參數(shù)都優(yōu)化得非常好，看底下的很多參數(shù)，扭矩各方面都降低得非常多，鉆速各方面也提高很多。
另外，鉆桿減少40%的扭矩，側(cè)向力減少了44%，可以使用水基泥槳代替油基泥漿，油基泥漿摩阻小，水基泥槳模組小，用鈦合金的就直接能送下去，沒(méi)有問(wèn)題，確確實(shí)實(shí)用得非常好。
他們用鈦合金鉆桿在墨西哥灣打了一口9100m的長(zhǎng)水平段，用鈦合金施工成功了，做得應(yīng)該說(shuō)是非常好，也公開(kāi)報(bào)道了。
剛才說(shuō)鈦合金的密度低，大家要說(shuō)了，鋁合金肯定更低，是不是更好？我專門列了一張表，鈦合金跟鋁合金做了一個(gè)對(duì)比，一方面從抗拉強(qiáng)度、密度等等做了一個(gè)對(duì)比，大家比較一下可以看出來(lái)，鋁合金的強(qiáng)度畢竟有點(diǎn)低，鋁合金現(xiàn)在達(dá)到500Mpa強(qiáng)度是很難的，航空航天可以達(dá)到，但是鉆井基本上420Mpa-450Mpa，盡管它只有2.7的比重，但是它的強(qiáng)度余量，特別是深井、超深井確實(shí)還是有點(diǎn)讓人擔(dān)心的。鋁合金的耐磨性就更差了，有一點(diǎn)鉆屑就很容易磨損掉，一磨損以后，很快就會(huì)失效，所以這個(gè)也存在一些問(wèn)題。當(dāng)然我在這里不是說(shuō)打擊鋁合金，簡(jiǎn)單做了一個(gè)對(duì)比。甚至用70鉆機(jī)打90鉆機(jī)干的活，這是另外的優(yōu)勢(shì)了，剛才都介紹了這些東西。鈦合金鉆桿現(xiàn)場(chǎng)肯定是需要有一些配套的東西，比如說(shuō)牙鉗，不能用有牙痕的牙鉗，肯定要用無(wú)牙痕牙鉗，相關(guān)配套的東西都需要做這方面的工作。
簡(jiǎn)單介紹這么多，無(wú)論是從材料特性，還是管柱力學(xué)方面，鈦合金是解決深井、超深井，大位水平井，以及3超氣井技術(shù)難題的新利器，并且管材及裝備的輕量化應(yīng)該是突破鉆井極限的有效手段。
謝謝！
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