Новые технологии в облицовочных и трубных материалах для экстремальных условий

Титановые сплавы

Титановые сплавы, в частности Ti-6Al-4V (Grade 5) и недавно разработанные Ti-6Al-4V ELI (extra low interstitials) и бета-богатые сплавы, такие как Ti-15V-3Al-3Cr-3Sn, предлагают исключительное соотношение прочности к весу, отличную коррозионную стойкость в хлоридах и H2S и низкий упругий модуль, который снижает концентрации напряжения в изгибе. Они особенно привлекательны для глубоководных и протяженных скважин, где снижение веса струн снижает верхние напряжения и требования к мощности буровой установки. Однако высокая стоимость титана, восприимчивость к галингу и потенциал для коррозии трещин при температурах выше 300°F (149°C) в сильных кислотах ограничивают его широкое использование. Достижения в покрытии и обработке поверхности помогают смягчить эти проблемы. Титановый корпус и трубки были успешно развернуты в нескольких сверхглубоких морских скважинах, с операторами, сообщающими о сокращении времени установки и улучшении срока службы усталости по сравнению со стальными эквивалентами.

Биметаллические и кладовые трубочки

Биметаллические трубы сочетают в себе недорогой углеродистой стальной подкладки с коррозионно-стойким сплавом (CRA) внутренний слой. Методы производства включают механическую облицовку (прижимная арматура), взрывное склеивание и наложение сварных швов. Слой CRA - обычно Alloy 825, Alloy 625 или 316L SS - обеспечивает коррозионную стойкость во внутреннем отверстии, в то время как подкладочная сталь обеспечивает механическую прочность и снижает общую стоимость. Недавние инновации в облицовке труб и инспекции повысили надежность. Кладная трубка в настоящее время широко используется в подводных протоках и нисходящих производственных нитях для обработки коррозионных жидкостей.

Технология продолжает развиваться с развитием рулонных и передовых центробежных процессов литья, достигая более равномерной толщины слоя и лучшей целостности склеивания.

Композитные материалы: легкие решения для экстремальных условий

Композитные материалы, в частности, армированные волокнами полимеры (FRP) и углеродно-волоконные композиты, набирают тягу в неметаллических трубчатых применениях, особенно для коррозионностойких лайнеров, забойных экранов и корпуса низкого давления. Хотя в настоящее время им не хватает прочности и температурной способности для первичного несущих корпуса в скважинах HPHT, они предлагают значительные преимущества в конкретных экстремальных условиях.

Стеклянная волокно-укрепленная эпоксидная оспа (GRE) обсадка и трубка

Трубы GRE десятилетиями использовались для впрыска воды, удаления рассола и низкотемпературного производства из-за их превосходной стойкости к H2S, CO2 и хлоридной коррозии. Они составляют примерно одну четвертую веса стали, снижая затраты на обработку и транспортировку. Однако их максимальная рабочая температура обычно ограничена 300 ° F (149 ° C) и они не могут выдерживать высокое давление внешнего коллапса. Недавнее развитие термореактивных смол (например, фенольная и бисмалеймид) повысило температурную стойкость до 400° F (204 ° C), а включение армирования углеродным волокном улучшает осевая жесткость и прочность. [[FLT: 0]] Гибридные волоконные композиты [[FLT: 1]], сочетающие стекло и углеродные слои, тестируются для применения в корпусах среднего давления (до 5000 фунтов на квадратный дюйм), но опыт работы на местах остается ограниченным.

Композиты из углеродного волокна для трубчатых труб высокой жесткости

Композиты из полимера с армированным волокном (CFRP) предлагают специфическую жесткость в три-пять раз выше, чем сталь, что выгодно в глубоких скважинах, где устойчивость к колоннам и струнам имеет решающее значение. Их усталостная стойкость превосходна, и они не страдают от коррозии в скважинных жидкостях. Основными недостатками являются высокая стоимость, сложность в изготовлении резьбовых соединений и ограниченная температурная способность (в настоящее время около 350°F / 177°C для обычных эпоксидных матриц). Исследования в полиэфирных эфирных кетоновых (PEEK) и других высокотемпературных термопластичных матрицах направлены на увеличение температурного предела до 500°F (260°C). Прототипные обсадные соединения CFRP с титановыми подсвязями были протестированы в демонстрационных скважинах, демонстрируя многообещающие характеристики коллапса и растяжения. Если эти материалы могут быть экономически изготовлены в длинных длинах и с надежными уплотнительными соединениями, они могут революционизировать глубоководную и HP

Передовые технологии производства, обеспечивающие производительность материалов

Одной только химии материала недостаточно - то, как материал обрабатывается, критически влияет на его конечные механические и коррозионные свойства. Новые технологии производства позволяют производить трубки с улучшенной микроструктурой, более жесткими допусками и более низкой стоимостью.

Аддитивное производство (3D-печать) компонентов скважины

В то время как аддитивное производство еще не используется для полноразмерного корпуса или труб, оно быстро внедряется для сложных инструментов забоя, соединений и компонентов соединения. Лазерный порошковый сплав для сплавов и нержавеющих сталей на основе порошка (LPBF) и направленное осаждение энергии (DED) позволяют изготавливать детали ближнего слоя в сверхсплавах на основе никеля и нержавеющих сталях, которые трудно обрабатывать обычным способом. Это позволяет оптимизировать геометрию для экранов управления песком, устройств управления потоком и расширяемых вкладышей со сложными внутренними проходами. Компоненты Inconel 718 , изготовленные с помощью LPBF, продемонстрировали механические свойства, сопоставимые с кованым материалом после горячего изостатического прессования (HIP) и термообработки. Способность производить короткие, настраиваемые детали на месте может значительно сократить время выполнения удаленных или морских операций.

Будущие приложения могут включать 3D-печатные износостойкие рукава или клапанные сиден

Продвинутая термическая обработка и ускоренное охлаждение

Термомеханическая контролируемая обработка (TMCP) и модифицированные циклы гашения и температуры оптимизируются для получения более тонких размеров зерна и более равномерного распределения карбидов в низколегированных и мартенситных нержавеющих сталях. Ускоренное охлаждение (например, прямое гашение после пирсинга) может увеличить прочность, не жертвуя прочностью. Двойное закалка и субзерообработка используются для минимизации удерживаемого аустенита и повышения устойчивости к SSC. Новые линии индукционного нагрева и криогенной обработки позволяют по требованию адаптировать механические свойства по длине трубы, что ценно для струн, которые испытывают различные нагрузки в скважине.

Инновации в производстве бесшовных труб

Достижения в области прокалывания и прокатки (например, премиальный роторный прокалывание и контролируемое прокатка) привели к снижению пористости и дефектов поверхности в бесшовной трубе. Использование моделирования конечных элементов для оптимизации процесса Маннесмана в сочетании с горячим зарядовым прокатом обеспечивает более последовательную толщину стенок и концентриситет. Это имеет решающее значение для сплавов, которые трудно экструдировать или прокатывать, таких как дуплексные нержавеющие стали и никелевые сплавы. Некоторые производители в настоящее время используют подход «формирование в линию», где труба немедленно подвергается тепловой обработке после прокатки, сводя к минимуму риск огрубления зерна и позволяя быстрее производить трубы премиум-класса.

Поверхностная инженерия: покрытия и обработка в экстремальных условиях

Поверхностная обработка обеспечивает дополнительный барьер между материалом подложки и агрессивной средой скважины. Они могут значительно продлить срок службы трубчатой струны, не требуя полного обновления сплава.

Керамические и термические спрей покрытия

Керамические покрытия, такие как глинозем (Al2O3), хромоксид (Cr2O3) и иттрий-стабилизированная циркония (YSZ), применяются через плазменное или высокоскоростное окситопливное (HVOF) тепловое распыление для обеспечения износостойкости, теплоизоляции и защиты от коррозии. Эти покрытия действуют как диффузионные барьеры и могут выдерживать температуры до 1500°F (816°C) в зависимости от материала. Они особенно используются на внутренней скважине трубок в паровом впрыске и геотермальных скважинах для снижения потери тепла и защиты от эрозии от частиц кремния и песка. HVOF-прикладные покрытия карбида вольфрама показали отличную устойчивость к проводной истиранию и теперь являются стандартными на критических разъемах и посадочных сосках.

Покрытия с химическим осаждением паров (CVD) и алмазоподобным углеродом (DLC)

Тематические исследования: развертывание передовых материалов в экстремальных скважинах

Несколько крупных операторов уже внедрили новые материалы в сложных скважинах, демонстрируя их практическую пользу.

Высокотемпературные (HPHT) газовые скважины в Северном море

Одна из самых жестких в мире разработок HPHT требовала производственной нитки, способной работать при 15 000 пси и 400 ° F (204 ° C) с до 5% H2S и 15% CO2. Оператор выбрал комбинацию наружного корпуса из стали C110 и производственной трубки из премиального сплава 718. Трубка была изготовлена со специальным трехслойным расстроенным и премиальным резьбовым соединением, включающим сцепление с DLC-покрытием. Колодец был в потоке более восьми лет без коррозионных или усталостных отказов. Успех этого проекта побудил операторов указать никелевые сплавы для подводных деревьев и оборудования для завершения в аналогичных средах.

Ультраглубокий морской колодец в Мексиканском заливе

Ультраглубокая скважина в Мексиканском заливе с измеренной глубиной более 30 000 футов (9 144 м) требовала конической нити с более легким титановым сплавом Ti-6Al-4V в верхней секции и высокопрочной сталью в нижней секции. Нижний модуль титана снижал риск запряжения и позволял использовать меньшую установку. Соединения были специально разработаны с двухплечевой нитью и DLC-покрытием. Струна хорошо работала на нескольких этапах завершения и гидравлических операциях разрыва пласта, без утечек соединения.

Геотермальные колодцы в Исландии и Кении

Геотермальные скважины вырабатывают пар и рассол при температурах до 600°F (316°C) с высоким содержанием кремнезема и экстремальными значениями pH. В этих условиях корпус из углеродистой стали испытывает сильную коррозию и масштабирование. Операторы протестировали облицованный корпус с внутренним слоем нержавеющей стали 316L и полноствольной трубой GRE для верхних секций. В кенийском поле Олкария трубы GRE с фенольной смолой показали незначительные коррозии после трех лет работы со рассола при 350°F (177°C). Легкий композиционный материал также уменьшил нагрузки на установку и устранил необходимость в установке тяжелой подъемной установки на некоторых скважинах.

Будущие направления исследований и новые технологии

Следующее поколение обсадных и трубочных материалов, вероятно, будет включать в себя наноматериалы, интеллектуальные структуры и возможности самовосстановления.

Наноструктурированные стали и сплавы

Утончение зерна до нанокристаллического режима (размеры зерна ниже 100 нм) может производить сверхвысокую прочность (прочность урожаев > 300 кси) при сохранении пластичности. Такие методы, как тяжелая пластическая деформация (например, кручение под высоким давлением и угловое прессование с равными каналами), продемонстрировали осуществимость в лабораторных масштабах, но еще не масштабируемы для трубчатых продуктов. Однако контролируемое прокатка и быстрое охлаждение в сочетании с микролегированием могут достигать размеров зерна 1-2 микрон, значительно улучшая как прочность, так и прочность. Окислая дисперсионно-укрепленная (ODS) сталь с частицами наноразмерной итрии предлагает потенциал для очень высокой термостойкости к ползучести и исследуется для сверхкритических геотермальных скважин.

Самоисцеляющие материалы

Самозаживляющиеся полимеры и композиты, которые могут самостоятельно восстанавливать микротрещины через встроенные микрокапсулы или обратимые химические связи (например, реакции Дилса-Альдера), разрабатываются для применения в забойных уплотнениях. Самозаживляющееся покрытие на корпусе может продлить жизнь в коррозионных средах путем автоматического уплотнения дефектов. Исследования на ранней стадии сосредоточены на термопластичном полиуретане с инкапсулированными ингибиторами коррозии, которые высвобождаются при растрескивании. Хотя коммерческое применение в трубчатых струнах еще много лет, эта концепция может трансформировать надежность будущих скважин.

Интегрированные датчики и умные трубки

Встраивание волоконно-оптических датчиков или тонкопленочных тензодатчиков в стенку корпуса или трубы во время производства позволит в режиме реального времени контролировать напряжение, температуру, скорость коррозии и давление вдоль струны. Такие «умные» трубки могут обеспечить раннее предупреждение о потере стенки, усталости или перегрузке, что позволяет проводить упреждающее вмешательство. Компании уже тестируют корпусные соединения с волоконно-оптическими кабелями, встроенными в аннулус или вдоль внешнего диаметра. Интеграция этих кабелей в сам материал - посредством 3D-печати или совместной экструзии - является ключевой целью исследования. Данные от этих датчиков могут передаваться с использованием существующих телеметрических систем для оптимизации работы скважин и предотвращения сбоев.

Заключение

Неустанное продвижение в более жесткие резервуары - HPHT, сверхглубокие, кислые и геотермальные - требует обшивки и трубчатых материалов, которые выходят далеко за рамки обычных марок API. Никелевые суперсплавы, высокопроизводительные нержавеющие стали и титановые сплавы доказали свою способность в самых требовательных приложениях, в то время как композиционные материалы предлагают целевые решения для коррозии и снижения веса. Передовые технологии производства, такие как аддитивное производство и оптимизированная термообработка, улучшают производительность материала и снижают стоимость. Поверхностная инженерия, включая керамические покрытия и нитридинг, обеспечивает практический путь к обновлению существующих сталей для более длительного срока службы. Опыт полевых применений подтверждает, что эти новые технологии работают.

Будущие инновации в наноматериалах, самоисцеляющихся материалах и интеллектуальных трубках обещают еще больше повысить надежность и эффективность строительства скважин. Совместные усилия между учеными-материаловедами, инженерами-бурильщиками и операторами будут иметь важное значение для дальнейшего продвижения этих технологий и расширения границ извлечения энергии.

Для дальнейшего чтения см. соответствующие статьи SPE по выбору материалов для скважин HPHT (например, SPE 190032), отраслевые стандарты от NACE International (MR0175/ISO 15156) и недавние обзоры в Журнале нефтяных технологий по передовым материалам JPT . Дополнительные ресурсы включают отчет IOGP по передовым материалам и DOE по геотермальным технологиям офисные публикации по материалам облицовки .