深水石油勘探用先进弹性体的测试和鉴定

几十年来，深水石油开采面临着各种各样的挑战，这意味着油气行业一直在识别和开采“容易”的天然油气储量。

然而，这样的矿床正变得越来越稀少。近年来，大型油田的发现，如巴西海岸的大型油田，证明了向更冷、更深和更恶劣的环境发展的趋势。可以说，该行业现在非常专注于深水勘探。道格拉斯-韦斯特伍德公司2013年的一份报告指出，从那时到2020年，将有超过2320亿美元用于深水项目。如此高的投资水平表明，勘探开发公司在开采海平面以下3公里深的石油时所面临的挑战。

虽然预测数字强调了最明显的挑战是成本(深水项目当然比陆上或固定海上作业成本更高)，但巨头们预计他们几乎没有其他选择。印度和中国等快速崛起的经济体正在推动全球能源需求，而且这种需求没有减弱的迹象，在不久的将来，石油仍将是最主要的能源来源。正是这种需求确保了这种复杂、昂贵的努力在经济上是可行的，也是深水开采的技术挑战，而不是生产商必须面对的财务挑战。

2公里及以上深度的油田显示出一组独特的特性，这使得部署标准设备变得不可行。一个特别的技术问题是生产流程中二氧化碳含量异常高。在超临界状态下——温度超过31°C，压力为74巴——从储层中冒出来。在这种状态下，CO2以密集相流体的形式存在，并同时表现出液体和气体的特征。当它从井中部署到地面时，这就带来了严峻的技术挑战。阀门和防喷器等部件不仅受到超临界CO2的攻击，还受到深水环境中具有破坏性的高腐蚀性HS2的攻击。如果将二氧化碳注入储层，可以降低原油的粘度，并帮助其回流到井中，则可以有效地利用二氧化碳。

随着挪威国家石油公司在北海Tordis油田的成功，这种全油田海底分离、增压和注入系统现在已经广泛应用。2007年，Tordis公司将采收率增加了3500万桶，并将该油田的使用寿命延长了两年，达到17年。由于在更深的水中会遇到更高的压力和温度，持续的腐蚀、压力和温度问题都开始给技术带来问题。例如，所使用的压缩机必须能够承受有害气体造成的任何损坏，以避免发生临界故障。

弹性体的选择和鉴定

目前，Element正在参与下一代材料的研究、开发和认证，这些材料旨在解决深水开采过程中遇到的问题。yabo娱乐vip其中一种材料是弹性体，由于其柔韧、灵活的性质，非常适合用于密封部件。在最近的一个项目中，客户希望在巴西海岸附近开采一个最近发现的2公里深的油田。Element对一系列先进的、专有的、商用的弹性体进行了表征。

在这种深度，极端的操作条件会使弹性体更容易受到化学物质的影响，化学物质会改变弹性体的结构。阀门及其组成部件在120°C的温度下与油气接触，必须应对快速气体减压和高压事件。因此，在这种环境下，对最佳材料的鉴定和选择是至关重要的。yabo娱乐vip

在众多可用的弹性体中，选择了7种特征良好的初级产品进行鉴定。他们的选择是为了提供最佳性能，并代表三个核心弹性体品种:

• 氢化丁腈橡胶(HNBR)
• 氟弹性体(FKM)和
• Perfluoro-elastomer (FFKM)。

每种类型的弹性体都有其特定的强度。FFKM非常适合高温和化学腐蚀性环境，而HNBR被认为具有广泛的积极性质，在较低温度下表现良好。FKM介于其他两者之间，具有良好的耐热性和耐化学环境以及气体减压事件。

工程师在为这些部件选择弹性体时，主要考虑的是气体的快速减压和抗压性。无论材料多么先进，随着时间的推移和压力的影响，有害的化学元素，如超临界CO2和HS2，将渗透到聚合物中。如果发生快速减压，压力变化意味着气体被挤出材料，当它们逸出时可能会起泡或破裂。在恒定压力下，扩散到其中的流体会导致材料膨胀和变弱，潜在地导致泄漏和完整性丧失。

为了克服这一问题，弹性体生产商一直在开发新的等级，这些等级在分子水平上设计得比以前的品种更可靠和坚固。Element认证的产品相对较新，最近的产品仅在18个月前开发出来，特别是FFKM，专门设计用于抗气体减压，这是这种弹性体类型的主要历史弱点。材料科学家还扩展了HBNR的极限，一个测试实例显示出前所未有的高压抵抗能力。

耐压弹性体

小组对七种产品进行了各种测试，以确定它们是否合格，并提供全面的统计数据，以便进行准确评估。在特定的温度范围、压力和流体比例下进行了测试，以模拟井中现有的环境条件，并在组件所需的生命周期内进行测试。测试主要集中在三个主要领域:长期老化、机械性能和快速气体减压性能。

该项目进行了一年多，以执行广泛的测试矩阵。其中6个月的时间专门用于对所有7种产品进行性能测试，以确保所有产品都能够承受长期暴露在各种流体化学元素中。这需要7次高达626 bar和100°C的高压暴露测试，涉及水、油、CO2、HS2和甲烷的多种组合。为了进行这些高压曝光，定制的不锈钢压力容器被设计并在内部使用。每个弹性体的壁厚为5厘米，容量约为3升，这使得每个弹性体都可以在所需压力近1000磅/平方英尺(psi)的条件下进行测试。这些暴露试验在1、3和6个月后监测溶胀、硬度变化、压缩固结变化和拉伸性能。

为了验证减压和材料性能的影响，这些产品还进行了三个单独的快速减压测试场景，同样是在626 bar和100°C的条件下，以模拟深水环境。此外，Element还设计了一个创新的压力系统，带有定制的蓝宝石观察窗口。标准压力容器两端都密封有蓝宝石窗，允许观察者查看和记录压力环境内的过程。可以将各种流体泵入安装样品的容器中，这允许在广泛的模拟条件下对材料(如密封件)进行物理观察，直到它停止工作或产生物理损坏。

这种独特的方法不仅可以记录不同弹性体产品在超临界CO2环境下气体减压时的不同膨胀率，还可以记录材料发生变化的确切时间点，这是以前生产商无法获得的额外数据。

结果与结论

该项目的结果提供了一个确定的列表，对7种弹性体产品进行了排名，并确定了最适合特定深水模拟环境的产品。测试中出现了两个在一系列测试中具有显著优异性能的测试结果，正是这些测试建议用于实际使用。一种特殊的HBNR在快速减压下表现出令人印象深刻的抗损伤能力——作为基准，几年前测试的一种类似产品在测试样品的横截面上出现了明显的裂缝。在相同的条件下，通过蓝宝石基窗口原位观察，性能最佳的HBNR具有均匀电阻的特征。

这种HNBR的运行完整性也不受超临界CO2的影响——在对超临界CO2和HS2高浓度条件下的性能水平进行基准测试后，可以在没有硫化氢存在的情况下重复测试，以显示CO2是否产生任何负面反应。虽然HS2与超临界二氧化碳一起在六个月内具有高度破坏性的影响，但正如预期的那样，仅超临界二氧化碳产生的性能波动可以忽略不计。

如果没有这些弹性体等先进材料，部件设计人员将不得不依赖金yabo娱乐vip属对金属密封。这些材料不具备新型弹性体的性能门槛，并将带来重大的工程挑战。弹性体的优异性能证明了材料的多功能性——它具有固有的灵活性，这使得它非常适合各种海上技术，例如在船与船之间运输石油的保税软管。它还能够在一定的温度和压力范围内工作，其更坚固的样品可以形成更大直径的产品，在汹涌的大海中部署时不太可能断裂。

在这些基本上未被探索的深度，即使是一个阀门这样微小的东西也起着至关重要的作用，需要充分发挥作用才能保持长达30年的完整性。先进的材料使大型石yabo娱乐vip油公司能够在深水层进行数十亿美元的作业，这要归功于它们最小组件的性能。只有通过严格的测试和认证过程，才能对先进的材料产生信心，这些材料被选择来支持生产，并使在更深、更冷和更极端的环境中勘探开发的技术挑战变得不那么具有挑战性。yabo娱乐vip