【擴(kuò)大鈦應(yīng)用】鈦在陸地油氣勘探開發(fā)中的應(yīng)用
2021年12月24日 11:12 37517次瀏覽 來源： 中國有色金屬報 分類： 鈦應(yīng)用 作者： 王祝堂
石油、天然氣勘探與開發(fā)可分為陸地開采與近海開采，在地殼中蘊(yùn)藏的石油與天然氣，陸地大致占60%，近海占40%左右，開采近海如渤海、南海等海底地殼中的油、氣也有著重要意義。
在鈦合金未工業(yè)化與較大規(guī)模的應(yīng)用前，常用的測井儀外殼是用45鋼、40Cr鋼、30MoVNb鋼制造的，但是，它們都滿足不了現(xiàn)代技術(shù)測井的需要，現(xiàn)代高技術(shù)油氣勘探和開發(fā)要求測井儀金屬外殼既能承受大于98MPa的壓力，又要耐地下原油和各種介質(zhì)的腐蝕，而且在測井中，還要對自然γ射線吸收率小，在磁性測井中，還不能對地磁場產(chǎn)生屏蔽效應(yīng)。從這些性能要求看來，鈦合金是制備測井儀外殼的優(yōu)良材料。
上世紀(jì)80年代中期，中國石油管理局從法國斯侖貝謝公司和美國德萊賽公司引進(jìn)了6套用Ti-6Al-4V鈦合金制備外殼的綜合測井儀，當(dāng)時，國產(chǎn)測井儀外殼還沒有用鈦合金制備的。Ti-6Al-4V是一種綜合性能好的、成熟的、性價俱佳的合金，但自此以后，寶雞有色金屬加工廠（現(xiàn)在的寶鈦集團(tuán)有限公司）等對此合金擠壓管材的方方面面作了詳細(xì)的研究。
測井儀外殼為厚壁長圓筒體，所受的力為外壓力，能承受的壓力越高，則可深入地層更深的部位測井，Ti-6Al-4V鈦合金擠壓管和40Cr鋼管的耐壓試驗(yàn)結(jié)果見表1（楊曉明、熊正中等的數(shù)據(jù)）。由表中的數(shù)據(jù)可見，Ti-6Al-4V合金擠壓管在室溫112.7MPa和高溫117.6MPa壓力下沒有發(fā)生失穩(wěn)破壞，而40Cr鋼管在常溫80.4MPa壓力時即失穩(wěn)破壞。試驗(yàn)證明，40Cr鋼管的臨界破壞壓力為78.4MPa-80.4MPa。測井儀外殼受的外壓力大于等于臨界破壞壓力時產(chǎn)生的失穩(wěn)破壞為壓扁或折皺，會破壞殼體內(nèi)的測量系統(tǒng)，因此，測井儀外殼臨界破壞壓力高低對測井儀的安全與正常工作起著十分重要的作用。Ti-6Al-4V鈦合金及40 Cr鋼管的力學(xué)性能和臨界破壞壓力見表2、3。
中國從法國引進(jìn)的綜合深井儀鈦合金外殼最大使用壓力為137.2MPa，允許使用溫度為150℃-175℃。按表3所列數(shù)據(jù)，只要選擇合適直徑與壁厚的Ti-6Al-4V鈦合金制造測井儀外殼，完全可以達(dá)到斯侖貝謝公司的允許最大耐壓值。中國早已能全盤擠壓性能優(yōu)秀的各種直經(jīng)與壁厚的鈦合金管材，寶鈦集團(tuán)等生產(chǎn)的管材不但能滿足國內(nèi)需求，還能出口到國外。國產(chǎn)Ti-6Al-4V合金在175℃的耐壓值遠(yuǎn)大于120MPa，可完全滿足國內(nèi)高技術(shù)測井要求；在常用的測井儀殼體尺寸范圍內(nèi)，Ti-6Al-4V合金的理論最大臨界破壞壓力已達(dá)248MPa，以其制造的測井儀殼體完全能承受大于137MPa的壓力。
在石油勘探和開發(fā)測井中，探測地層的自然γ射線并對其進(jìn)行能譜分析是獲得地層含油數(shù)據(jù)主要手段之一，測并儀金屬外殼對自然γ射線吸收率越小，則探測靈敏度越高，獲得的分析數(shù)據(jù)也越可靠。Ti-6Al-4V合金和40Cr鋼管對Co60和Cs137γ射線的試驗(yàn)見表4。
測井儀的工作條件非常嚴(yán)酷，要求外殼材料具有很高的抗腐蝕性能，研究表明，Ti-6Al-4V合金在原油介質(zhì)中與在含硫化物、氯化物介質(zhì)中都有很強(qiáng)的抗蝕性，腐蝕速率小于0.017mm/a，因此，用Ti-6Al-4V合金制造的測井儀外殼，可以在相當(dāng)長的時間內(nèi)避免因腐蝕使殼體減薄而造成臨界破壞壓力下降進(jìn)而產(chǎn)生的失穩(wěn)破壞。
在石油勘探和開發(fā)測井中，還要測量一些磁物理量，測井儀外殼磁化率也會對測井產(chǎn)生影響，磁化率過大，則會使殼體產(chǎn)生屏蔽效應(yīng)，影響磁性測量儀的正常工作，所以要求金屬外殼的磁化率越小越好。因此，鈦合金是制造磁性測井儀外殼的最佳材料，Ti-6Al-4V合金的磁化率X＝3.2×10-6cm3/g，是一種非鐵磁材料，同時，鈦合金還有良好的加工成形性能。
表1 管材的耐壓試驗(yàn)
表2 Ti-6Al-4V合金及40 Cr鋼管的力學(xué)性能
表3 不同直徑不同壁厚管的臨界破壞壓力，MPa
表4 Ti-6Al-4V合金和40 Cr鋼對γ射線吸收率
注：蓋革彌勒計數(shù)器本底計數(shù)170/10 s
責(zé)任編輯：楊一鳴
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