深水石油勘探用高级弹性体的测试与鉴定

深海石油开采面临的各种各样的挑战意味着，几十年来，油气行业一直在寻找和开采“容易”的天然油气储量。

然而，这类存款正变得越来越少。近年来，在巴西沿海发现了巨型油田，证明了向更冷、更深和更恶劣环境发展的趋势。这个行业现在可以说是非常专注于深水勘探。道格拉斯·韦斯特伍德（Douglas Westwood）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。这些投资水平表明了勘探与生产公司在获取海平面以下3公里深处的石油方面所面临的挑战。

虽然预计的数字突出表明，最明显的挑战之一是成本（当然，深水项目的成本高于陆上或固定海上作业），但各大巨头预计，他们几乎没有其他选择。快速发展的新兴经济体，如印度和中国，正在推动全球能源需求，而全球能源需求没有减少的迹象，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，而且生产者必须面对的是深水开采的技术挑战，而不是金融挑战。

深度超过2公里的油田显示出一系列独特的特性，使得部署标准设备变得不可行。一个特别的技术问题是在生产流中出现异常高水平的二氧化碳。在温度超过31°C、压力为74 bar的超临界状态下，从储液罐中溢出。在这种状态下，二氧化碳以密相流体的形式存在，同时表现出液体和气体的特性。当它从油井部署到地面时，这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二氧化碳的攻击，而且还受到深水环境中存在的高浓度腐蚀性HS2的破坏。如果将二氧化碳注入储层以降低石油的粘度并帮助其流回油井，则可以有利地利用二氧化碳。

继挪威国家石油公司（Statoil）在北海的Tordis油田取得成功之后，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将采收率增加了3500万桶，并将油田寿命延长了两年，达到17年。由于在深水中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，以避免严重故障。

弹性体选择和鉴定

目前，Element参与了下一代材料的研究、开发和鉴定工作，这些材料旨在弥补深水开采过程中遇到的问题。一种这样的材料是弹性体，由于其柔韧，灵活的性质，是理想的密封组件使用。在最近的一个项目中，一乐动娱乐官网位客户希望在巴西海岸附近发现一个2公里深的油田。元素被用来描述一系列先进的，专有的，商业上可买到的弹性体。

在这个深度，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。形成阀门的阀门和部件在120°C时与油气接触，必须应对快速气体减压和高压事件。因此，鉴定和选择适合这种环境的最佳材料至关重要。乐动娱乐官网

在许多可用的弹性体中，选择了七种特性良好的初级产品进行鉴定。选择它们是为了提供最佳性能，并代表弹性体的三个核心品种：

• 氢化丁腈橡胶
• 氟橡胶（FKM）和
• 全氟弹性体（FFKM）。

每种弹性体都有其独特的强度。FFKM非常适合高温和化学侵蚀性环境，而HNBR被认为具有广泛的正特性，在低温下表现良好。FKM在其他两种方法之间找到了一条中间道路，提供了良好的耐热性和耐化学环境以及气体减压事件。

在为这些部件选择弹性体时，工程师最关心的是快速气体减压和耐压。无论这种材料多么先进，随着时间的推移，在压力下，破坏性的化学元素，如超临界CO2和HS2，都会渗透到聚合物中。如果发生快速减压，压力变化意味着气体被迫从材料中排出，在逸出时可能会起泡或开裂。在恒定压力下，扩散到其中的流体会导致材料膨胀和减弱，从而可能导致泄漏和失去完整性。

为了克服这一点，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被设计成比以前的品种更可靠和坚固。按元素选择的鉴定产品相对较新，最近的一种是18个月前开发的，特别是一种专门设计用于承受气体减压的FFKM，这是这种弹性体类型的主要历史弱点。材料科学家们还扩展了HBNR的极限，其中一个测试实例显示了前所未有的耐高压性。

压力测试弹性体

该小组对这七种产品进行了各种测试，以便对其进行鉴定，并提供全面的统计数据，以便进行准确的评估。在特定的温度范围、压力和流体比下进行试验，以模拟油井和组件所需寿命期间的现有环境条件。这些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。

该计划进行了一年多，以执行广泛的测试矩阵。这六个月的时间专门用于对所有七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于各种流体化学元素的影响。这需要进行七次高达626巴和100°C的高压暴露试验，并使用水、油、CO2、HS2和甲烷的多种组合。为了进行这些高压暴露，定制的不锈钢压力容器被设计并在室内使用。每个弹性体的壁厚为5 cm，容量约为3升，这使得每个弹性体能够在所需压力（约1000磅/平方英寸）下进行测试。这些暴露试验监测了一个月、三个月和六个月后的膨胀、硬度变化、压缩永久变形变化和拉伸性能。

为了验证减压效果和材料性能，还对产品进行了三种单独的快速减压试验方案，同样是在626 bar和100°C下，以模拟深水作业环境。此外，元素设计了一个创新的压力系统与定制蓝宝石为基础的观察窗口。标准的压力容器两端都用蓝宝石窗密封，允许观察者在加压环境中查看和记录过程。可以将各种液体泵入样品安装的容器中，这样就可以在各种模拟条件下对材料（如密封件）进行物理观察，直到材料停止工作或发生物理损坏。

这种独特的方法不仅可以记录不同弹性体产品在暴露于超临界CO2时在气体减压下的不同膨胀率，还可以绘制材料变化发生的确切点——生产商以前无法获得的额外数据。

结果和结论

该计划的结果提供了一个确定的列表，其中列出了七种弹性体产品，并确定了最适合特定深水环境的产品。其中两个测试在整个测试范围内的性能结果显著优于其他测试，正是这些测试被推荐用于操作。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——当作为基准时，几年前测试过的一种类似产品在测试样品的横截面上出现了明显的裂纹。在相同条件下，通过蓝宝石基窗口原位观察，表现最佳的HBNR具有均匀的电阻特性。

HNBR的操作完整性也不受超临界CO2的影响–在超临界CO2和高铁2浓度条件下对性能水平进行基准测试后，可以在不存在硫化氢的情况下重复测试，以显示CO2是否产生任何负面反应。虽然高铁2号与超临界二氧化碳一起，在六个月内具有高度破坏性影响，但正如预期的那样，仅超临界二氧化碳就产生了微不足道的性能波动。

如果没有像这些弹性体这样的先进材料，部件设计师将不得不依乐动娱乐官网赖金属对金属的密封。这些不具备新弹性体的性能阈值，将带来重大的工程挑战。弹性体的优异性能证明了该材料的多功能性——它具有固有的灵活性，因此非常适合各种海上技术，如从船到船运输石油的胶管。它还能够在不同的温度和压力下工作，其更坚固的示例可以形成更大直径的产品，当部署在汹涌起伏的海洋中时，这些产品不太可能断裂。

在这些基本上未经勘探的深度，即使是像单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其完整性长达30年。先进的材料使这些巨头能够在深水水平上进行数十亿次的努力，这得益于它们最小部件的性能。只有通过严格的测试和鉴定过程，才能对选择支持生产的先进材料产生信心，并使勘探与生产在更深、更冷和更极端环境中的技术挑战变得不那么具有挑战性。乐动娱乐官网