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石油是一个国家的经济命脉。据估计, 世界可开采的石油资源储量为3000亿吨, 其中海底石油储量约为1300 亿吨。海底石油的开发, 开始于20 世纪初。它的发展经历了从近海到远海、从浅海到深海的过程。受技术条件和材料发展的限制, 最初只能开采从海岸直接向浅海延伸的石油、天然气矿藏。20 世纪80 年代以来, 在能源危机和技术进步的刺激下, 近海石油勘探与开发飞速发展, 海洋石油开发迅速向大陆架挺进, 逐渐形成了崭新的近海石油工业部门。海上钻井平台是实施海底油气勘探和开采的工作基地, 它标志着海底油气开发技术的水平。海上石油开采设备主要包括采油平台和附属设备, 附属设备有原油冷却器、升油管、泵、阀、接头和夹具等。这些设备均与海水及原油中的硫化物、氨、氯等介质接触。由于钛在这些介质中具有优异的耐蚀性, 所以美国在上世纪70 年代初就在其油田中使用了钛制造的近海石油平台支柱, 同时用钛制造了列管式换热器和板式换热器。钛列管式换热器利用海水作为冷却介质, 把从油井里抽出的高温汽/ 油混合物冷却。钛板式换热器也是利用海水作为冷却介质, 把碳钢换热器内冷却原油的淡水冷却。美国在北海油田钻井平台上大约使用了100 个钛热交换器。位于英国苏格兰阿伯丁的亨廷油田服务公司订购的钛制部件据说是世界上第一个钛制高压立管式竖井, 用于美国大陆石油公司(Conoco) 挪威的Heidrum 工程项目中。

石油钛合金钛钻探管的使用寿命较长,其重量仅为不锈钢的一半, 而使用灵活性却是不锈钢的二倍, 使用寿命为钢的10 倍。这些优异的性能使得钛成为一种用于钻探难度较大的近圆形、且深度深的油井的极佳材料。包含有钛钻探管的组合钻具可以极大地减少钻探时间、降低钻探总成本。美国的GrantPrideco 公司、RTI 能源系统公司及Torch 钻探服务公司在2000 年首次将钛钻探管用于工业应用。GrantPrideco 公司和RTI 能源系统公司共同生产和供应的钛钻探管还配有GrantPrideco 抗疲劳公司提供的钢工具接头。这种接头的重量轻、使用灵活性好,且可以使钛钻探管坚固结实。

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海水管道系统是海底石油开采不可缺少的部分, 由于钛对海水具有很高的耐蚀性, 其使用寿命为钢系的10 倍,因此, 钛管系的成本与Cu-Ni 系统相比是合算的。美国活性金属公司与精密管技术公司合办了一个钛管技术公司, 生产一种大口径钛合金管。这种管子所使用的合金是Ti-3Al-2.5V 合金, 口径为650mm, 壁厚为22 ~ 25mm, 长度为350m, 一根管子重达80 ~ 90t, 计划用于海底石油开采。美国另一家公司利用长度为15m、外径为600mm、壁厚为25mm 的无缝钛合金管通过挤压方法制成了近500m 长的竖井管, 已经用于一个近海钻井平台。据称, 这种竖井管的重量可以减轻一半, 从而大大降低压载成本, 另外, 还具有很高的断裂韧性和较长的疲劳寿命。

据资料报道, 在美国北海油田开发项目中, 船上浮体装置和海底固定装置的用钛量比以前有所增加。24 台船上浮体装置和64 台海底固定装置对钛材的需求量为: 安全保护装置50 ~ 100t,连接装置50 ~ 100t, 通用升降设备400 ~ 1000t, 钻杆1400 ~ 4200t。海上石油开采平台生物污染引起的结构件腐蚀是相当严重的, 美国一家公司在开采平台上使用了钛管制成的长套管, 对平台上的部位进行保护。

在过去几年里, 钛合金部件在石油钻探和海滨生产作业中的应用明显增加。钛合金部件使得石油钻探可以进入更深的水域和更深的油井, 包括更高的温度和腐蚀严重( 即多盐) 的生产环境。

对于这类应用, 从综合性能来考虑,TC4 钛棒(Ti-6Al-4V) 基合金是最适用的, 且成本最低。海水管道系统是海底石油开采不可缺少的部分, 由于钛对海水具有很高的耐蚀性, 其使用寿命为钢系的10 倍, 因此, 钛管系的成本与Cu-Ni 系统相比是合算的。美国活性金属公司与精密管技术公司合办了一个钛管技术公司, 生产一种大口径钛合金管。这种管子所使用的合金是TA18(Ti-3Al-2.5V) 合金, 口径为650mm, 壁厚为22 ~ 25mm, 长度为350m, 一根管子重达80 ~ 90t, 计划用于海底石油开采。美国另一家公司利用长度为15m、外径为600mm、壁厚为25mm 的无缝钛合金管通过挤压方法制成了近500m 长的竖井管, 已经用于一个近海钻井平台。据称, 这种竖井管的重量可以减轻一半, 从而大大降低压载成本, 另外, 还具有很高的断裂韧性和较长的疲劳寿命。

实践证明,Ti-6Al-4V(Gr.5_TC4) 合金是钻井管的最佳材料, 作为钻井应用,屈服强度和疲劳强度是最重要的, 因此,两种特别低间隙元素的Gr.5 合金适用于比较关键的动态提升装置。当使用温度超过75 ~ 80℃时, 为了防止缝隙腐蚀或应力腐蚀, 使用含钌的Gr29 合金。

最常用的部件包括海滨钻井提升装置、钻探管、锥形应力接头(TSJ) 和钛/ 钢混合提升装置。

钛泵、阀、接头、紧固件、夹具和零配件等小型钛部件在石油开采平台上已经广泛使用。国外海上石油勘探测井仪器外壳上也大量使用了钛合金。


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