使用鎳基合金管是解決高H2S/CO2油氣田腐蝕問題安全且相對經濟的方法。根據楊 明《H2S/CO2條件下油井管選材研究》,鎳基合金油井管主要應用于地質結構復雜、 高溫高壓高腐蝕性的特大型海相天然氣田等富含CO2、H2S等強腐蝕環境的高酸性油 氣資源。因其服役條件惡劣、制造工序復雜、生產難度大、產品質量要求苛刻等,被 譽為技術含量最高的鋼鐵產品之一。
相比普通不銹鋼,鎳基合金抗環境腐蝕性存在顯著優勢。在地質結構復雜、高溫高 壓高腐蝕性的特大型海相天然氣田等富含CO2、H2S等強腐蝕環境中,普通的傳統管 材難以滿足耐腐蝕、耐應力需求。根據R.B.Rebak《Stress corrosion cracking (SCC) of nickel-based alloys》,隨著腐蝕環境逐漸惡劣,當H2S分壓、氯化物濃度上升至 1 bar、1000ppm時,傳統奧/馬氏體不銹鋼、PH不銹鋼已不能滿足使用需求;當H2S分壓、氯化物濃度上升至10 bar、1萬ppm時,強馬氏體不銹鋼已不能滿足使用的需 求;而當H2S分壓、氯化物濃度上升至接近100 bar、10萬ppm時超奧氏體不銹鋼也 不再滿足抗腐蝕需求,此時僅鎳基合金滿足使用需求。
此外,鎳基(ji)合(he)(he)金(jin)在腐(fu)蝕(shi)環境(jing)中的(de)(de)腐(fu)蝕(shi)速(su)率顯(xian)著(zhu)低于其(qi)他合(he)(he)金(jin),根據V. A. Maslyuk 2015年(nian)發表的(de)(de)《Production and Industrial Testing of Valves for Oil Well Pumps from these Materials》,以(yi)10%的(de)(de)酸性腐(fu)蝕(shi)液為例(li),傳統不銹鋼、司太立(li)(鈷基(ji)合(he)(he)金(jin))、 VK8硬質合(he)(he)金(jin)腐(fu)蝕(shi)速(su)率均邊際上升,腐(fu)蝕(shi)程度隨時(shi)間指(zhi)數(shu)型增長;鎳基(ji)合(he)(he)金(jin)的(de)(de)腐(fu)蝕(shi)速(su) 率顯(xian)著(zhu)低于其(qi)他合(he)(he)金(jin),且穩(wen)定保持低位。上述優(you)異性能為鎳基(ji)合(he)(he)金(jin)在高腐(fu)蝕(shi)性油氣 田(tian)環境(jing)下的(de)(de)有效工作,形成顯(xian)著(zhu)優(you)勢
雖然抗(kang)(kang)腐蝕(shi)能(neng)力強,但鎳(nie)基合(he)金油井管生產難度明顯大于常(chang)規油井管,根據楊(yang)軍《鎳(nie) 基合(he)金耐蝕(shi)井管可加工性評述》,鎳(nie)基合(he)金含有許多(duo)高熔點金屬元(yuan)素(su),原子結構穩 定,抗(kang)(kang)拉強度約為(wei)(wei) 896MPa,切削(xue)力為(wei)(wei)普(pu)通鋼(gang)材(cai)的 2-4 倍,即使溫(wen)度達(da)到1050-1150 ℃,抗(kang)(kang) 拉 強 度 仍 然 很 高 (100-200MPa) 。鎳(nie)基合(he)金有4項物理性能(neng)參(can)數均 達(da)到難加工材(cai)料的要(yao)求(qiu),其(qi)可加工性僅為(wei)(wei)45鋼(gang)(普(pu)通碳素(su)結構鋼(gang))的5%-15%。
熱(re)擠(ji)壓等(deng)工(gong)(gong)(gong)(gong)藝是生(sheng)(sheng)產鎳(nie)基(ji)合金(jin)油(you)(you)井(jing)管(guan)(guan)的(de)必備工(gong)(gong)(gong)(gong)藝。根據肖(xiao)國章《高酸性氣田用(yong)(yong)鎳(nie)基(ji) 耐蝕(shi)合金(jin)油(you)(you)套(tao)管(guan)(guan)的(de)生(sheng)(sheng)產工(gong)(gong)(gong)(gong)藝》,鎳(nie)基(ji)合金(jin)油(you)(you)井(jing)管(guan)(guan)生(sheng)(sheng)產難度明顯大于常規耐蝕(shi)油(you)(you)井(jing)管(guan)(guan), 在化(hua)學成(cheng)分(fen)、生(sheng)(sheng)產工(gong)(gong)(gong)(gong)藝、外觀質(zhi)量、力學性能及(ji)無(wu)(wu)損(sun)探傷(shang)等(deng)方(fang)面較(jiao)為復雜和苛刻。鎳(nie) 基(ji)耐蝕(shi)合金(jin)油(you)(you)套(tao)管(guan)(guan)的(de)生(sheng)(sheng)產及(ji)加工(gong)(gong)(gong)(gong)關鍵工(gong)(gong)(gong)(gong)藝:合金(jin)冶煉—(鍛造(zao))—熱(re)擠(ji)壓—中間熱(re) 處理(li)(固(gu)溶處理(li))—冷軋—螺紋(wen)加工(gong)(gong)(gong)(gong)等(deng)。制(zhi)造(zao)工(gong)(gong)(gong)(gong)序較(jiao)復雜,生(sheng)(sheng)產難度較(jiao)大且(qie)質(zhi)量要 求嚴格。由于鎳(nie)基(ji)耐蝕(shi)合金(jin)高溫(wen)塑性極差,熱(re)成(cheng)型(xing)溫(wen)度范圍窄,變形(xing)抗(kang)力較(jiao)大,所以 無(wu)(wu)法采(cai)用(yong)(yong)傳統(tong)的(de)穿孔(kong)(kong)軋制(zhi)工(gong)(gong)(gong)(gong)藝制(zhi)造(zao),必須通過(guo)高溫(wen)下的(de)高速率大應變的(de)擠(ji)壓工(gong)(gong)(gong)(gong)藝完 成(cheng),將金(jin)屬加熱(re)到在再結晶溫(wen)度以上(shang)進行擠(ji)壓,使管(guan)(guan)坯從模孔(kong)(kong)中擠(ji)出,從而(er)得到與 模孔(kong)(kong)斷面形(xing)狀相符的(de)管(guan)(guan)材。