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不锈钢管在钻井中的应用及趋势分析

本文阐述了工业用不锈钢管的主要应用领域是石油、化工、天然气、电力设备制造、造船、造纸等行业。不锈钢管用于各大石油公司的主要管道系统开发,并且也是钻井来油釆气输送工程的主要材料。标准耐高温不锈钢管在甜、湿、酸服役环境下表现很好。加大石油、天然气资源勘探开发力度,稳定国内石油产量,促进天然气产量快速增长,推进煤层气、页岩气等非常规油气资源开发利用,当石油工业逐渐转向高温、高压工程时,超级耐高温不锈钢管将会更多地被釆用。在“十二五期间,国家重点发展节能环保产业、新能源产业、生物产业、高端装备制造业等产业,这些产业将推动高端不锈钢管行业需求的增长。

1不锈钢管在各个行业中的应用及发展趋势

1.1钢管的分类和应用

  钢管是一种中空的长条钢材,大量用作输送流体的管道,如石油、天燃气、水、煤气、蒸气等,另外,在搞弯、抗扭强度相同时,重量较轻,所以也广泛用于制造机械零件和工程结构,也常用作生产各种常规武器等。

1.1.1钢管的分类

    钢管的分类:钢管分无缝钢管和焊接钢管(有缝管)两大类。按断面形状又可分为圆管和异形管,广泛应用的是圆形钢管,但也有一些方形、矩形、半圆形、六角形、等边三角形、八角形等异形钢管。

    无缝钢管:无缝钢管是用钢锭或实心管坯经穿孔制成毛管,然后经热轧、冷轧或冷拨制成。无缝钢管的规格用外径^壁厚毫米数表示。无缝钢管分热轧和冷轧(拨)无缝钢管两类。

1.1.2钢管的应用

    热轧无缝钢管分一般钢管,低、中压锅炉钢管,高压锅炉钢管、合金钢管、不锈钢管、石油裂化管、地质钢管和其它钢管等。冷轧(拨)无缝钢管除分一般钢管、低中压锅炉钢管、高压锅炉钢管、合金钢管、不锈钢管、石油裂化管、其它钢管外,还包括碳素薄壁钢管、合金薄壁钢管、不锈薄壁钢管、异型钢管。热轧无缝管外径一般大于32mm,壁厚2.5-75mm,冷轧无缝钢管处径可以到6mm,壁厚可到0.25mm,薄壁管外径可到5mm壁厚小于0.25mm,冷轧比热轧尺寸精度高。图一显示出焊管和无缝管的一些常用的产品规格。

1.2不锈钢管发展现状

    石油和化工是国民经济的支柱产业,其产品在国民经济产业链中占有举足轻重的地位,尤其是近20年来,无论是不锈钢无缝管还是焊管的生产技术都有了长足的进步,产量、质量和品种不断增加和提高,少数产品的质量达到了国际先进水平i但是和国际先进水平相比,我国不锈钢管厂在工艺技术、装备水平、产品质量等方面尚有较大的差距,需要进行技术改造和提高,以适应我国国民经济发展的要求。

1.3无缝钢管行业发展的新格局

    无缝钢管是国民经济建设的重要原材料之一,是一种经济型钢材品种。被广泛应用于石油、电力、化工、煤炭、机械、军工、航空航天等行业。世界各国、特别是工业发达国家都十分重视无缝钢管的生产与贸易。

    从国际经验来看:快速增长并不是各个产业均衡增长的产物,而是由几个更快增长的主导产业带动。不同时期主导产业不同,主导产业的转换推动经济的持续快速增长。从国内经验来看:80年代的主导产业:轻工、纺织等;90年代的主导产业:基础产业和基础设施、新一代家电产品、房地产等;1997年以后的经济减速。是因为出现主导产业的“断档”这种局面,到2002年终于改变,一批新的主导产业浮出水面;带头的是住宅、汽车、电子通讯和城市基础设施建设这些具有一定的最终产品性质的先导行业。这些先导行业拉动了一批中间投资品性质的产业,主要是钢铁、有色金属、建材、机械、化工等材料和装备行业。以上两个方面又拉动了电力、煤炭、石油等能源行业和港口、铁路、公路等运输行业的增长。正是以上各行业的快速增长带动了整个无缝钢管市场的需求,促进了无缝钢管行业的快速发展。

1.4无缝钢管行业可持续快速发展的机遇

    国内外无缝钢管市场目前均处于消费增长期,国内无缝钢管消费量将保持较快的增长速度,为我国无缝钢管的发展提供了有利时机。

    (1)能源、交通、石化用管需求量不减.高性能品种增长迅速。能源、交通、石油化工等设旋的建设和维修所需无缝钢管仍在钢材市场需求中占有相当重要的地位。近几年对高性能新品种的需求量增长较快,例如高性能油井管、大口径电站锅炉用管、耐腐蚀、耐低温的石化用管以及不锈钢管等等。

    (2)输送石油、天然气、成品油、煤浆、矿浆等流体的管线管.尤其是高强度管线用管的需求量将会大幅上升。

    (3)建筑业的高速增长,建筑结构用高档网架管材需求量增长迅速。

    (4)高技术含量的钢管需求量增加。汽车、家电、造船、设备制造等行业对无缝钢管数量需求增加、品种及质量要求提高,无缝钢管品种向高技术含量方向发展。

2不锈钢管在钻井中的应用

    石油勘探开发是一个多学科交叉、技术和资金高度密集的行业,需要消耗大量不同性能、甩途的冶金材料和冶金产品。随着超深、超斜油气井以及含H2SC02CL-等油气田的开发,具有防腐性能要求的不锈钢材应用日益增加。

    2009年我国油井管的总产量超过了1 80t,占无缝钢管总产量的17.62a/6。国内市场占有率超过了80%。全年油井管出口34.4t,进口32.2t,出口超过了进口,已连续两年成为净出口产品。品种上近年来国内不少企业不仅生产出了按APl标准要求的KNCP钢级套管,还根据用户需求开发出了具有自主知识产权的系列套管,如天津钢管公司开发出了TP系列的抗挤毁套管、抗腐蚀套管、抗高温热采井用套管、超深井用套管、以及特殊扣气密性套管,其中TP130TT高抗挤毁套管的抗挤毁强度达到了167MPa以上;高抗挤毁抗腐蚀套管在氯化钠5%、醋酸0.5%的氧化性腐蚀溶液中,720h不断裂;TP140V套管下井深度达到6936m(近期这一记录还将被打破)NC-3Cr抗二氧化碳腐蚀套管已经批量发往塔里木油田下井使用。另外宝钢、成都无缝也都开发出了自己系列产品。

2.1不锈钢在油井管和钻杆中的应用

    按照国际通用概念,钻井深度超过4500m的钻井称为深井,钻井深度超过6000m的钻井为超深井,超过9000m的为特深井。目前世界上深井钻探工作量最大的是美国,迄今为止累计工作量占全球的85%1984年原苏联在科拉半岛的波罗地盾结晶岩中钻成世界上第一口12260m特深井SG-3(1991年第二次钻至深12869m)

    随着勘探开发钻井设备不断更新改进,钻井新工艺、新技术不断发展,技术水平不断提高,钻井速度加快、钻井深度增加(最深一口井深达73 13米)。特别是近些年来,在陆地、海洋的复杂地层、复杂环境地区,大斜度定向井、大位移水平井、丛式井、开窗侧钻井逐年增多。随着油井深度增加,井内温度和压力相应提高,固井完井用油套管服役的地质环境发生了显著变化,对油套管的综合力学性能、使用性能和寿命提出了更高要求,特别是对强韧性匹配提出了极高的要求,在钻采石油、天然气时,除需要钻探机械设备外,还需要专用管材,即钻柱、套管、油管等,统称为“油井管”。下表为钻探设备常用的数据:

2.2  特殊油井管的种类

2.2.1超高强度油井管

    为满足深井和超深井的钻采需要,API标准的钢级通常为P110。国外已开发出比AP15CT标准更严格、强度级别更高的油井管。超高强度套管都是特殊螺纹管。日本住友金属工业公司的SM系列及G组、日本钢管(NKK)公司的NK系列等均为超高强特殊螺纹套管。5000m以上的超深井,已使用NK-V150钢级。这是由于我国有些油田的工况条件相当恶劣,使用P110钢级时可能会出现失效事故。

2.2.2高压溃套管

    这种套管的下井深度超过同钢级、同壁厚的普通套管,且管柱重量相对减轻、套管内径较大。用在3000m以上的油气井、海洋油气井中,其经济效果尤为显著。目前,在我国的四川、新疆、长庆、胜利以及东海、渤海等油田,已使用日本住友金属工业公司的Sm-95TSm-1IOT等高压溃套管以及日本钢管(NKK)公司的NK-T95NK- TllO等高压溃套管。

2.23  防腐蚀套管

    我国一些含硫油气田,过去在使用API标准中的L80C90钢级的套管时,易发生问题。近年已普遍使用日本住友金属工业公司及日本钢管(NKK)公司的系列防腐蚀套管,效果很好。防腐蚀套管也是特殊螺纹套管。

2.2.4特殊螺纹油井管

    国内油套管螺纹普遍为V型、圆顶锥螺纹。这种螺纹对精度要求不高,易于加工,但连接强度低,密封性差。如国内N80P110套管,即使采用长螺纹连接,其连接率(即螺纹连接强度与套管体强度之比)仅为65%- 85%,并随着套管钢级的提高而降低,同时,其连接的密封性能亦差。这种螺纹主要借助于API螺纹脂来实现密封。它仅使用在100℃以下的油井中,不能满足深井的要求。近年来,从国外进口的特殊螺纹油套管在深井、超深井、高压气井以及稠油热采井、定向井、重腐蚀井中广泛使用。有人估计全球生产的特殊螺纹接头油管和套管已占全部油、套管产量的21%。共同特点是接头连接强度高,可以与管体等强度匹配,甚至有的高于管体,适用于深井、超深井。密封性能好,适用于高压气井、油井和热采井。抗弯能力强,适用于斜并、大位移井、水平井。上扣容易,可快速上扣且不易错扣,适用于沙漠、海洋等恶劣环境下的钻井作业。

2.2.5连续管

    连续管过去主要用于修井和完井作业。连续管钻井技术是近年来的一个研究热点。连续管是一种强度和韧性良好的钢管,卷在滚筒上。主要采用ERW焊管,已成功试制无缝钢管连续管。其材料也由碳钢发展到低合金钢(包括淬火回火钢)及钛合金。目前正在研制复合材料连续管。连续管的屈服强度一般为492MPa562MPa,现已发展到703MPa。连续管用钢必须有良好的强韧性匹配,以保证较高的低周疲劳寿命。安东石油公司与BJ公司合作,正在开展连续油管修井作业,连续油管打捞,连续油管拖动酸化压裂,连续油管钻井、侧钻井等业务。

2.2.6膨胀管

    人们越来越体会到膨胀管带来的好处。无论是钻井还是采油,膨胀管都有广阔的应用。通过一种机械膨胀装置,靠液体压力推进,推进过程中使井下管件经过塑性变形达到扩大管径的目的。割缝膨胀管主要用于封隔复杂层段,代替常规割缝衬管和防砂。实体可膨胀套管的原理是利用坐放装置将膨胀套管下入井内后,根据金属的弹塑性变形原理,在扩管锥的作用下,于井下通过冷加工将石油管材扩到所需要的尺寸。由于直径膨胀,膨胀管的壁厚要减小2%-5%。其直径可以膨胀约20%,其长度缩短约8%,塑性变形极限不超过30%。实体膨胀管膨胀后,其力学性能、尺寸精度等应符合API有关标准的规定。

2.2.7CO2腐蚀油井管

    主要用于C02腐蚀严重井,有时还用于C02H2SCl-共存包括H20的腐蚀介质中。国外有比较成熟的产品。除APISpec5CT列有113Cr钢级(L80-13Cr),各生产厂均建立了自己的非API钢级。以川崎制铁为例,其非API13Cr8个级,其中,后4个钢级称为超级13Cr。在CO2H2S共存或H2S分压未达临界值但CI-很高的使用环境中,13Cr(包括超级13Cr)是不能满足要求的,需要采用22Cr双相不锈钢(ASF2205)或超级双相不锈钢25Cr,甚至要采含Cr20%以上、含Ni30%以上的高NiCr不锈钢和Ni基合金。上述钢级的管材价格昂贵,低产气田一般无力承受。因此,近年来国内外都在研究开发含Cr2-5%的经型抗CO2腐蚀油井管。

3结束语

    我国内陆原油产量仅占世界总产量的5%左右,而且单口并产量低,井数多,耗管量高。随着我国石油钻采由东部向西部及沿海大陆架的战略转移,油层的深度也由浅入深,井内油气压力和温度亦不断提高。钻采条件对油井管的要求很苛刻,一旦油井管选择不当,造成脱扣、压溃和漏气,将会使油井报废(南疆、川西等地区的油气井,一口井投资约3000-4000万元,个别的高达1亿元)。因此,企业对油井管质量要求越来越高,特殊油井管的用量也越来越大,目前国内特殊油井管生产、柔性油管、膨胀套管的开发基本上是空白。因此,在我国大力开发高钢级、特殊油井管势在必行。

文章作者:不锈钢管|大口径不锈钢管|不锈钢厚壁管|大口径厚壁钢管|厚壁不锈钢管

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