深水石油勘探用高级弹性体的测试和鉴定

深水石油开采面临的各种挑战意味着，几十年来，油气行业一直在识别和开采“容易”的天然气储量。

然而，这类存款正变得越来越少。近年来，在巴西海岸附近发现了巨型油田，这证明了向更冷、更深和更恶劣环境发展的趋势。现在可以说，该行业正高度关注深水勘探。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，将在深水项目上花费超过2320亿美元。这些投资水平表明勘探与生产公司在获取海平面以下3公里深度的石油方面所面临的挑战。

虽然预计的数字突出表明，最明显的挑战是成本问题（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。印度和中国等快速崛起的经济体正在推动全球能源需求，而全球能源需求没有减少的迹象，石油在不久的将来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，生产者必须面对的是深水开采的技术挑战，而不是财务挑战。

2公里及以上深度的油田显示出一系列独特的特点，使得标准设备的部署变得不可行。一个特殊的技术问题是生产流中CO2含量异常高。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，CO2以密相流体的形式存在，并显示出液体和气体的特征。当从油井部署到地面时，这将带来严重的技术挑战。阀门和防喷器等部件不仅受到超临界CO2的攻击，还受到深水环境中存在的高腐蚀性HS2的破坏。如果将CO2注入储层以降低原油粘度并帮助其流回油井，则CO2可被有利地利用。

随着挪威国家石油公司在北海Tordis油田的成功，这种全油田水下分离、增压和注入系统现在已经广泛应用。2007年，Tordis将采收率提高了3500万桶，并将油田的使用寿命延长了2年，至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，以避免发生严重故障。

弹性体的选择和鉴定

目前，Element参与了下一代材料的研究、开发和鉴定，旨在解决深水开采过程中遇到的问题。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，一位客户希望在巴乐动娱乐官网西海岸附近运营一个最近发现的2公里深的油田。元素被用于表征一系列先进、专有、商用弹性体。

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破坏，这些化学物质会在结构上改变弹性体。阀门及其组成部件在120°C时与油气接触，必须应对气体快速减压和高压事件。因此，为这种环境选择最好的材料是至关重要的。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）。

每种类型的弹性体都有其特定的强度。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性能，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。

工程师在为这些部件选择弹性体时，首要考虑的是快速气体减压和耐压。无论这种材料多么先进，随着时间的推移和压力的增加，具有破坏性的化学元素，如超临界二氧化碳和HS2，都会渗透到聚合物中。如果发生快速减压，压力的变化意味着气体被挤出材料，可能会使材料起泡或破裂。在恒定的压力下，扩散到其中的流体会导致材料膨胀和变弱，可能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牌号，这些牌号在分子水平上进行了工程设计，比以前的品种更可靠、更结实。Element选择的产品相对较新，最近的开发时间只有18个月，其中一款特别设计的FFKM能够承受气体减压，这是这种弹性体的主要弱点。材料科学家还扩展了hbbr的极限，一个测试示例显示了前所未有的高压阻力。

压力检测弹性体

该小组对这七种产品进行了各种测试，以使其合格，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、压力和流体比率下进行试验，以模拟油井和组件所需寿命期间的现有环境条件。测试集中在三个主要关注领域——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。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长期暴露在各种流体化学元素中。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，从而能够在几乎1000磅/平方英寸的所需压力下对每个弹性体进行测试。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，为了模拟深水作业环境，还在626 bar和100℃条件下对产品进行了三次快速减压测试。此外，Element还设计了一个创新的压力系统，配有定制的蓝宝石查看窗口。标准压力容器的两端都密封了蓝宝石窗口，便于观察人员查看和记录受压环境中的过程。可以将各种流体泵入安装样品的容器中，从而在各种模拟条件下对材料(如密封)进行物理观察，直到其停止工作或产生物理损伤。

这种独特的方法不仅允许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，而且还允许绘制材料变化发生的确切点的图表——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份确定的列表，对七种弹性体产品进行了排名，并确定了最适合特定深水环境的产品。其中两项测试在一系列测试中表现出显著优越的性能结果，建议用于操作。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，性能最佳的HBNR具有均匀的电阻。

该HNBR的操作完整性也不受超临界CO2的影响–在超临界CO2和HS2浓度较高的条件下，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HS2与超临界CO2一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CO2就产生了可忽略不计的性能波动。

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靠金属对金属的密封。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粘结软管。它还能够在一系列温度和压力下运行，其更坚固的示例可以形成更大直径的产品，当部署在汹涌的海洋中时，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。由于其最小部件的性能，先进材料使各大公司能够在深水水平面上进行数十亿次的努力。只有通过严格的测试和鉴定过程，才能对选择用于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