用于深水石油勘探的高级弹性体的测试和认证

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，这样的存款正变得越来越少。近年来，大型油田的发现，例如巴西海岸的发现，证明了气候变冷、变深、变恶劣的趋势。可以说，油气行业现在正高度关注深水勘探。2013年Douglas-Westwood的一份报告指出，从那时到2020年，深水项目将花费2320亿美元。如此高的投资水平表明，勘探开发公司预计在海平面以下3公里深处开采石油将面临挑战。

虽然预测数据显示，最明显的挑战是成本(深水项目当然比陆上或固定的海上作业成本更高)，但石油巨头预计，他们没有多少替代方案。印度和中国等快速发展的经济体正在推动全球能源需求，而这一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、昂贵的尝试在经济上是可行的，生产商必须面对的是深水开采的技术挑战，而不是金融挑战。

深度2公里以上的油田显示出一套独特的特性，这使得标准设备的部署不可行。一个特别的技术问题是生产流程中二氧化碳含量异常高。在超过31°C和74bar的压力下，这些气体以超临界状态从油藏中释放出来。在这种状态下，CO2以稠密相流体的形式存在，并表现出液体和气体的特性。当从井中部署到地面时，这将带来严峻的技术挑战。像阀门和防喷器这样的部件不仅受到超临界二氧化碳的侵蚀，还受到深水环境中具有高危害性的腐蚀性HS2的侵蚀。如果将CO2注入油藏，降低原油粘度，并帮助其回流到井中，那么CO2的使用效果会更好。

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公爱游戏全站客户端司参与了下一代材料的研究、开发和鉴定工作，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，由于其柔韧的性质，是用于密封组件的理想材料。在最近的一个项目中，一个客户希望在巴西海岸附近开发一个2公里深的油田。爱游戏全站客户端Element被用来描述一系列先进的、专有的、商业可用的弹性体。

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。

在许多可用的弹性体中，选择了7种特征良好的初级产品进行鉴定。它们被选中以提供最佳性能，并代表弹性体的三个核心品种:

• 氢化丁腈橡胶
• Fluoro-elastomer (FKM)和
• Perfluoro-elastomer (FFKM)。

每一种弹性体都有其独特的强度。FFKM非常适合高温和化学侵蚀环境，而HNBR被认为具有广泛的积极性能，在较低的温度下表现良好。FKM在其他两种方法之间找到了中间路线，提供了良好的抗热、化学环境以及气体减压事件的能力。

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。爱游戏全站客户端如果发生快速减压，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F爱游戏全站客户端FKM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

视察队对这七种产品进行了各种测试，以便使它们合格，并提供全面的统计数据，以便进行准确的评估。测试是在特定的温度范围、压力和流体比下进行的，以模拟井中现有的环境条件和组件所需的寿命。测试集中在三个主要的兴趣领域——长期老化、机械性能和气体快速减压性能。

该项目进行了一年多，以执行一个广泛的测试矩阵。其中6个月专门用于对所有7种产品的性能测试，以确保所有产品都能够承受长期接触各种流体化学元素的能力。爱游戏全站客户端这需要进行7次高达626 bar和100°C的高压暴露测试，测试对象包括水、油、CO2、HS2和甲烷的多种组合。为了实现这些高压暴露，定制的不锈钢压力容器在室内设计和使用。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能在将近1000磅psi的要求压力下进行测试。这些暴露测试监测了一、三和六个月后的膨胀、硬度变化、压缩变形和拉伸性能的变化。

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还设计爱游戏全站客户端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。

这种独特的方法论不仅允许记录气体减压下的不同膨胀率不同的弹性体产品当他们暴露于超临界二氧化碳,而且允许精确的图表点材料发生变化,额外的数据以前无法获得的生产商。

结果和结论

该计划的结果提供了一个最终列表，对7种弹性体产品进行了排名，并确定了哪些产品最适合模拟的特定深水环境。其中两种测试结果在整个测试范围内具有显著的优越性能，推荐用于操作使用。一种特殊的hbbr在快速减压下表现出了令人印象深刻的抗损伤能力——当以一种类似的产品作为基准时，它在几年前测试过，在测试样本的横截面上出现了明显的裂缝。在相同的条件下，并通过蓝宝石基窗口原位观察，表现最好的hbbr具有均匀电阻的特点。

该HNBR的操作完整性也不受超临界CO2的影响——在对超临界CO2和HS2浓度都很高的条件下的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。尽管HS2与超临界二氧化碳一起在6个月内具有高度破坏性，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。

如果没有像这些弹性体这样的先进材料，部件设计师将不得不依赖金属对金属密封。这些材料不具备新型弹性体的性能阈值，并将带来重大的工程挑战。Elastomers优越的性能证明了该材料的多功能性——它固有的灵活性使其非常适合各种海上技术，如粘合软管从船到船运输石油。它还能够在一定的温度和压力下工作，更坚固的例子可以形成更大直径的产品，当部署在沉重的、滚动的海洋时，不太可能破裂。

在这些基本上未被探索的深度，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，需要充分发挥功能，以保持其完整性长达30年。得益于其最小组件的性能，先进的材料使大型油气公司能够在深水层进行数十亿美元的作业。只有通过严格的测试和认证过程，才能产生对先进材料的信心，这些材料被选用来支持生产，并使在更深、更冷和更极端的环境中进行勘探开发的技术挑战变得不那么具有挑战性。