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    不銹鋼管在鉆井中的應用及趨勢分析

    作者:www.fireeye100.com 點擊: 日期:2020-06-12 15:40
    本文闡述了工業用不銹鋼管的主要應用領域是石油、化工、天然氣、電力設備制造、造船、造紙等行業。不銹鋼管用于各大石油公司的主要管道系統開發,并且也是鉆井來油釆氣輸送工程的主要材料。標準耐高溫不銹鋼管在甜、濕、酸服役環境下表現很好。加大石油、天然氣資源勘探開發力度,穩定國內石油產量,促進天然氣產量快速增長,推進煤層氣、頁巖氣等非常規油氣資源開發利用,當石油工業逐漸轉向高溫、高壓工程時,超級耐高溫不銹鋼管將會更多地被釆用。在“十二五期間,國家重點發展節能環保產業、新能源產業、生物產業、高端裝備制造業等產業,這些產業將推動高端不銹鋼管行業需求的增長。

    1不銹鋼管在各個行業中的應用及發展趨勢

    1.1鋼管的分類和應用

      鋼管是一種中空的長條鋼材,大量用作輸送流體的管道,如石油、天燃氣、水、煤氣、蒸氣等,另外,在搞彎、抗扭強度相同時,重量較輕,所以也廣泛用于制造機械零件和工程結構,也常用作生產各種常規武器等。

    1.1.1鋼管的分類

        鋼管的分類:鋼管分無縫鋼管和焊接鋼管(有縫管)兩大類。按斷面形狀又可分為圓管和異形管,廣泛應用的是圓形鋼管,但也有一些方形、矩形、半圓形、六角形、等邊三角形、八角形等異形鋼管。

        無縫鋼管:無縫鋼管是用鋼錠或實心管坯經穿孔制成毛管,然后經熱軋、冷軋或冷撥制成。無縫鋼管的規格用外徑^壁厚毫米數表示。無縫鋼管分熱軋和冷軋(撥)無縫鋼管兩類。

    1.1.2鋼管的應用

        熱軋無縫鋼管分一般鋼管,低、中壓鍋爐鋼管,高壓鍋爐鋼管、合金鋼管、不銹鋼管、石油裂化管、地質鋼管和其它鋼管等。冷軋(撥)無縫鋼管除分一般鋼管、低中壓鍋爐鋼管、高壓鍋爐鋼管、合金鋼管、不銹鋼管、石油裂化管、其它鋼管外,還包括碳素薄壁鋼管、合金薄壁鋼管、不銹薄壁鋼管、異型鋼管。熱軋無縫管外徑一般大于32mm,壁厚2.5-75mm,冷軋無縫鋼管處徑可以到6mm,壁厚可到0.25mm,薄壁管外徑可到5mm壁厚小于0.25mm,冷軋比熱軋尺寸精度高。圖一顯示出焊管和無縫管的一些常用的產品規格。

    1.2不銹鋼管發展現狀

        石油和化工是國民經濟的支柱產業,其產品在國民經濟產業鏈中占有舉足輕重的地位,尤其是近20年來,無論是不銹鋼無縫管還是焊管的生產技術都有了長足的進步,產量、質量和品種不斷增加和提高,少數產品的質量達到了國際先進水平i但是和國際先進水平相比,我國不銹鋼管廠在工藝技術、裝備水平、產品質量等方面尚有較大的差距,需要進行技術改造和提高,以適應我國國民經濟發展的要求。

    1.3無縫鋼管行業發展的新格局

        無縫鋼管是國民經濟建設的重要原材料之一,是一種經濟型鋼材品種。被廣泛應用于石油、電力、化工、煤炭、機械、軍工、航空航天等行業。世界各國、特別是工業發達國家都十分重視無縫鋼管的生產與貿易。

        從國際經驗來看:快速增長并不是各個產業均衡增長的產物,而是由幾個更快增長的主導產業帶動。不同時期主導產業不同,主導產業的轉換推動經濟的持續快速增長。從國內經驗來看:80年代的主導產業:輕工、紡織等;90年代的主導產業:基礎產業和基礎設施、新一代家電產品、房地產等;1997年以后的經濟減速。是因為出現主導產業的“斷檔”這種局面,到2002年終于改變,一批新的主導產業浮出水面;帶頭的是住宅、汽車、電子通訊和城市基礎設施建設這些具有一定的最終產品性質的先導行業。這些先導行業拉動了一批中間投資品性質的產業,主要是鋼鐵、有色金屬、建材、機械、化工等材料和裝備行業。以上兩個方面又拉動了電力、煤炭、石油等能源行業和港口、鐵路、公路等運輸行業的增長。正是以上各行業的快速增長帶動了整個無縫鋼管市場的需求,促進了無縫鋼管行業的快速發展。

    1.4無縫鋼管行業可持續快速發展的機遇

        國內外無縫鋼管市場目前均處于消費增長期,國內無縫鋼管消費量將保持較快的增長速度,為我國無縫鋼管的發展提供了有利時機。

        (1)能源、交通、石化用管需求量不減.高性能品種增長迅速。能源、交通、石油化工等設旋的建設和維修所需無縫鋼管仍在鋼材市場需求中占有相當重要的地位。近幾年對高性能新品種的需求量增長較快,例如高性能油井管、大口徑電站鍋爐用管、耐腐蝕、耐低溫的石化用管以及不銹鋼管等等。

        (2)輸送石油、天然氣、成品油、煤漿、礦漿等流體的管線管.尤其是高強度管線用管的需求量將會大幅上升。

        (3)建筑業的高速增長,建筑結構用高檔網架管材需求量增長迅速。

        (4)高技術含量的鋼管需求量增加。汽車、家電、造船、設備制造等行業對無縫鋼管數量需求增加、品種及質量要求提高,無縫鋼管品種向高技術含量方向發展。

    2不銹鋼管在鉆井中的應用

        石油勘探開發是一個多學科交叉、技術和資金高度密集的行業,需要消耗大量不同性能、甩途的冶金材料和冶金產品。隨著超深、超斜油氣井以及含H2S、C02、CL-等油氣田的開發,具有防腐性能要求的不銹鋼材應用日益增加。

        2009年我國油井管的總產量超過了1 80萬t,占無縫鋼管總產量的17.62a/6。國內市場占有率超過了80%。全年油井管出口34.4萬t,進口32.2萬t,出口超過了進口,已連續兩年成為凈出口產品。品種上近年來國內不少企業不僅生產出了按APl標準要求的K、N、C、P鋼級套管,還根據用戶需求開發出了具有自主知識產權的系列套管,如天津鋼管公司開發出了TP系列的抗擠毀套管、抗腐蝕套管、抗高溫熱采井用套管、超深井用套管、以及特殊扣氣密性套管,其中TP130TT高抗擠毀套管的抗擠毀強度達到了167MPa以上;高抗擠毀抗腐蝕套管在氯化鈉5%、醋酸0.5%的氧化性腐蝕溶液中,720h不斷裂;TP140V套管下井深度達到6936m(近期這一記錄還將被打破);NC-3Cr抗二氧化碳腐蝕套管已經批量發往塔里木油田下井使用。另外寶鋼、成都無縫也都開發出了自己系列產品。

    2.1不銹鋼在油井管和鉆桿中的應用

        按照國際通用概念,鉆井深度超過4500m的鉆井稱為深井,鉆井深度超過6000m的鉆井為超深井,超過9000m的為特深井。目前世界上深井鉆探工作量最大的是美國,迄今為止累計工作量占全球的85%。1984年原蘇聯在科拉半島的波羅地盾結晶巖中鉆成世界上第一口12260m特深井SG-3井(1991年第二次鉆至深12869m)。

        隨著勘探開發鉆井設備不斷更新改進,鉆井新工藝、新技術不斷發展,技術水平不斷提高,鉆井速度加快、鉆井深度增加(最深一口井深達73 13米)。特別是近些年來,在陸地、海洋的復雜地層、復雜環境地區,大斜度定向井、大位移水平井、叢式井、開窗側鉆井逐年增多。隨著油井深度增加,井內溫度和壓力相應提高,固井完井用油套管服役的地質環境發生了顯著變化,對油套管的綜合力學性能、使用性能和壽命提出了更高要求,特別是對強韌性匹配提出了極高的要求,在鉆采石油、天然氣時,除需要鉆探機械設備外,還需要專用管材,即鉆柱、套管、油管等,統稱為“油井管”。下表為鉆探設備常用的數據:

    2.2  特殊油井管的種類

    2.2.1超高強度油井管

        為滿足深井和超深井的鉆采需要,API標準的鋼級通常為P110。國外已開發出比AP15CT標準更嚴格、強度級別更高的油井管。超高強度套管都是特殊螺紋管。日本住友金屬工業公司的SM系列及G組、日本鋼管(NKK)公司的NK系列等均為超高強特殊螺紋套管。5000m以上的超深井,已使用NK-V150鋼級。這是由于我國有些油田的工況條件相當惡劣,使用P110鋼級時可能會出現失效事故。

    2.2.2高壓潰套管

        這種套管的下井深度超過同鋼級、同壁厚的普通套管,且管柱重量相對減輕、套管內徑較大。用在3000m以上的油氣井、海洋油氣井中,其經濟效果尤為顯著。目前,在我國的四川、新疆、長慶、勝利以及東海、渤海等油田,已使用日本住友金屬工業公司的Sm-95T,Sm-1IOT等高壓潰套管以及日本鋼管(NKK)公司的NK-T95,NK- TllO等高壓潰套管。

    2.23  防腐蝕套管

        我國一些含硫油氣田,過去在使用API標準中的L80,C90鋼級的套管時,易發生問題。近年已普遍使用日本住友金屬工業公司及日本鋼管(NKK)公司的系列防腐蝕套管,效果很好。防腐蝕套管也是特殊螺紋套管。

    2.2.4特殊螺紋油井管

        國內油套管螺紋普遍為V型、圓頂錐螺紋。這種螺紋對精度要求不高,易于加工,但連接強度低,密封性差。如國內N80,P110套管,即使采用長螺紋連接,其連接率(即螺紋連接強度與套管體強度之比)僅為65%- 85%,并隨著套管鋼級的提高而降低,同時,其連接的密封性能亦差。這種螺紋主要借助于API螺紋脂來實現密封。它僅使用在100℃以下的油井中,不能滿足深井的要求。近年來,從國外進口的特殊螺紋油套管在深井、超深井、高壓氣井以及稠油熱采井、定向井、重腐蝕井中廣泛使用。有人估計全球生產的特殊螺紋接頭油管和套管已占全部油、套管產量的21%。共同特點是接頭連接強度高,可以與管體等強度匹配,甚至有的高于管體,適用于深井、超深井。密封性能好,適用于高壓氣井、油井和熱采井??箯澞芰?,適用于斜并、大位移井、水平井。上扣容易,可快速上扣且不易錯扣,適用于沙漠、海洋等惡劣環境下的鉆井作業。

    2.2.5連續管

        連續管過去主要用于修井和完井作業。連續管鉆井技術是近年來的一個研究熱點。連續管是一種強度和韌性良好的鋼管,卷在滾筒上。主要采用ERW焊管,已成功試制無縫鋼管連續管。其材料也由碳鋼發展到低合金鋼(包括淬火回火鋼)及鈦合金。目前正在研制復合材料連續管。連續管的屈服強度一般為492MPa或562MPa,現已發展到703MPa。連續管用鋼必須有良好的強韌性匹配,以保證較高的低周疲勞壽命。安東石油公司與BJ公司合作,正在開展連續油管修井作業,連續油管打撈,連續油管拖動酸化壓裂,連續油管鉆井、側鉆井等業務。

    2.2.6膨脹管

        人們越來越體會到膨脹管帶來的好處。無論是鉆井還是采油,膨脹管都有廣闊的應用。通過一種機械膨脹裝置,靠液體壓力推進,推進過程中使井下管件經過塑性變形達到擴大管徑的目的。割縫膨脹管主要用于封隔復雜層段,代替常規割縫襯管和防砂。實體可膨脹套管的原理是利用坐放裝置將膨脹套管下入井內后,根據金屬的彈塑性變形原理,在擴管錐的作用下,于井下通過冷加工將石油管材擴到所需要的尺寸。由于直徑膨脹,膨脹管的壁厚要減小2%-5%。其直徑可以膨脹約20%,其長度縮短約8%,塑性變形極限不超過30%。實體膨脹管膨脹后,其力學性能、尺寸精度等應符合API有關標準的規定。

    2.2.7抗CO2腐蝕油井管

        主要用于C02腐蝕嚴重井,有時還用于C02、H2S、Cl-共存包括H20的腐蝕介質中。國外有比較成熟的產品。除APISpec5CT列有1個13Cr鋼級(L80-13Cr),各生產廠均建立了自己的非API鋼級。以川崎制鐵為例,其非API的13Cr有8個級,其中,后4個鋼級稱為超級13Cr。在CO2和H2S共存或H2S分壓未達臨界值但CI-很高的使用環境中,13Cr鋼(包括超級13Cr)是不能滿足要求的,需要采用22Cr雙相不銹鋼(ASF2205)或超級雙相不銹鋼25Cr,甚至要采含Cr20%以上、含Ni30%以上的高Ni、Cr不銹鋼和Ni基合金。上述鋼級的管材價格昂貴,低產氣田一般無力承受。因此,近年來國內外都在研究開發含Cr2-5%的經型抗CO2腐蝕油井管。

    3結束語

        我國內陸原油產量僅占世界總產量的5%左右,而且單口并產量低,井數多,耗管量高。隨著我國石油鉆采由東部向西部及沿海大陸架的戰略轉移,油層的深度也由淺入深,井內油氣壓力和溫度亦不斷提高。鉆采條件對油井管的要求很苛刻,一旦油井管選擇不當,造成脫扣、壓潰和漏氣,將會使油井報廢(南疆、川西等地區的油氣井,一口井投資約3000萬-4000萬元,個別的高達1億元)。因此,企業對油井管質量要求越來越高,特殊油井管的用量也越來越大,目前國內特殊油井管生產、柔性油管、膨脹套管的開發基本上是空白。因此,在我國大力開發高鋼級、特殊油井管勢在必行。