Tutte le-aste di perforazione in lega di titanio: design delle corde Ti-6Al-4V e Ti-3Al-2.5V

Un'asta di perforazione interamente-in titanio sostituisce ogni-elemento portante di un componente convenzionale di una batteria di perforazione in acciaio con una lega di titanio: il corpo del tubo, le estremità ribaltate e il giunto dell'utensile. Il titanio pesa circa il 43% in meno dell’acciaio a parità di volume, quindi il cambiamento non è estetico. Riduce il carico e la coppia sul gancio, riduce i danni da fatica accumulati per giro ed estende la portata di pozzi orizzontali e ultra-profondi dove le corde di acciaio si avvicinano ai limiti operativi.

Cosa contiene realmente una corda di perforazione tutta-in titanio

Un'asta di perforazione è un sistema di tre parti: il corpo del tubo, le estremità ribaltate che ispessiscono la parete dove si concentrano i carichi e i giunti dell'utensile che trasmettono la coppia e trasportano le filettature. In una corda d'acciaio questi sono saldati e trattati termicamente come un unico elemento. In una corda in titanio ogni parte è progettata separatamente, perché le leghe di titanio rispondono in modo diverso alla saldatura, alla ricalcatura e al taglio del filo.

Corpo del tubo- tubo in titanio senza saldatura conforme a ASTM B338 o ASTM B861, solitamente Ti-6Al-4V (grado 5, UNS R56400) dove prevale la resistenza, o Ti-3Al-2,5V (grado 9, UNS R56320) dove la formabilità a freddo e la tenacità contano di più.

Finisce sconvolto- spessore della parete aumentato mediante ricalcatura a caldo o a caldo in modo che la saldatura e le radici del filetto lavorino con una sollecitazione inferiore.

Giunti e connessioni di utensili- corpi in titanio con filettature tagliate su torni CNC; un'interfaccia tra acciaio-e-titanio necessita di una barriera isolante poiché la coppia forma una coppia galvanica nel fango di cloruro.

Perché il titanio cambia l'equazione della corda di perforazione

Due costanti materiali dominano la progettazione della batteria di perforazione: il rapporto tra carico di snervamento e densità e il modulo elastico. Il titanio guida il primo e trascina il secondo, ed entrambi gli effetti sono utili nella buca.

La resistenza specifica del Ti-6Al-4V è superiore di circa il 57% rispetto a quella di un acciaio di grado 135 ksi, che si converte direttamente in una corda più leggera con lo stesso valore di trazione. Il modulo più basso è il secondo vantaggio: un tubo in titanio è più flessibile, quindi supera i dogleg con uno stress di flessione inferiore e crea meno momento flettente contro la parete in una sezione orizzontale.

Percorso di produzione: saldatura ad attrito e assemblaggio a freddo

La saldatura ad attrito rotante è il modo consolidato per unire un tubo in titanio al materiale di giunzione dell'utensile in titanio. Il processo genera una temperatura e una pressione dell'interfaccia sufficientemente elevate da garantire un legame allo stato solido-senza fondere il metallo di base, il che è importante perché il titanio fuso assorbe facilmente ossigeno e azoto. Ne conseguono due conseguenze. Innanzitutto, la saldatura viene eseguita sotto gas di protezione con tempi di ciclo brevi in ​​modo che il giunto non mantenga mai la temperatura alla quale si forma una custodia alfa arricchita di ossigeno-. In secondo luogo, la zona di saldatura viene sottoposta a distensione e quindi ispezionata mediante metodi radiografici o ultrasonici prima che il tubo venga rilasciato per il servizio.

Laddove si preferisce un giunto meccanico, viene utilizzato l'assemblaggio a freddo: il foro del giunto dell'utensile è dimensionato per un accoppiamento con interferenza controllata sull'estremità del tubo e le due parti vengono pressate insieme. Il risultato è una connessione senza microstruttura influenzata termicamente nel percorso di carico. Entrambi i percorsi si basano sul previo ribaltamento delle estremità, poiché una parete più spessa in corrispondenza della giunzione è ciò che impedisce alla saldatura o alla zona di interferenza di diventare l'anello più debole della corda.

Dove l'asta di perforazione in titanio guadagna i suoi costi

Pozzi verticali ultra-profondi dove il carico del gancio e la capacità della torre sono i fattori limitanti.

Sezioni orizzontali di lungo-sbraccio in cui la resistenza e l'instabilità determinano quanto lontano può essere spinta la punta.

Ambienti ad alto contenuto di cloruri o leggermente acidi in cui una tolleranza alla corrosione dell'acciaio consumerebbe lo spessore della parete dopo una valutazione specifica del progetto del rischio di infragilimento da idrogeno.

Pozzi offshore a portata estesa-dove la resistenza alla fatica tra un viaggio e l'altro domina il costo operativo.

Punti di selezione, movimentazione e ispezione

Non qualificare i tubi in titanio solo rispetto alle tabelle dei gradi API SPEC 5DP: tale standard è scritto per tubi in acciaio. Il tubo in titanio è conforme a ASTM B338 o ASTM B861, con in più un programma di qualificazione congiunta specifico per il progetto-.

L'ispezione con particelle magnetiche è inutile sul titanio. Utilizzare liquidi penetranti per difetti superficiali, test ad ultrasuoni per difetti interni e radiografia per saldature ad attrito.

I fili di titanio si irritano facilmente. Forme di filettatura dedicate, trattamenti superficiali e composti anti-grippaggio sono pratiche normali e i valori di coppia di compensazione devono essere presi dal fornitore del giunto anziché dalle tabelle in acciaio.

Isolare elettricamente le interfacce acciaio-e-titanio nel servizio del cloruro e controllare il contenuto di ossigeno del fango; la coppia galvanica accelera l'attacco dal lato acciaio, non dal lato titanio.

Tieni traccia della fatica in base alle ore di rotazione cumulative e alla gravità del dogleg come per l'acciaio, ma inizia dai dati S-N del titanio. Le curve di fatica dell'acciaio non vengono trasferite.

Idee sbagliate comuni

Il titanio è infrangibile.È sensibile al notch. Radici affilate delle filettature, sgorbie e difetti di saldatura concentrano lo stress in modo più grave che nell'acciaio, quindi la disciplina nella gestione è più importante, non meno.

Il titanio è immune alla corrosione.Il film passivo si guasta o viene bypassato nel metanolo anidro, nel cloro secco e in alcuni ambienti con idrogeno ad alta-temperatura. È necessario specificare il contenuto di acqua e la temperatura.

Il titanio è più rigido dell'acciaio.Non lo è; il suo modulo è circa la metà. Il vantaggio è la flessibilità più resistenza specifica, non la rigidità.

Le procedure di ispezione dell'acciaio esistenti vengono trasferite invariate.Non - i metodi a base magnetica devono essere sostituiti.

Domande frequenti

D: Quale lega viene utilizzata per il corpo del tubo di un'asta di perforazione interamente-in titanio?
La maggior parte dei progetti utilizza tubi Ti-6Al-4V (grado 5) poiché il suo carico di snervamento minimo di 828 MPa secondo ASTM B348 fornisce la resistenza specifica più elevata. Ti-3Al-2.5V (grado 9) viene scelto quando la formabilità a freddo, la saldabilità e la tenacità sono più importanti della resistenza massima.

D: Perché la saldatura ad attrito è preferita rispetto alla saldatura per fusione per aste di perforazione in titanio?
La saldatura per attrito è un processo-allo stato solido, pertanto il metallo non si scioglie mai. Ciò evita l'assorbimento di ossigeno e azoto e la struttura di fusione grossolana che la saldatura per fusione produce nel titanio e fornisce un legame stretto, simile a una forgia- che può essere ispezionato mediante radiografia.

D: Cosa significa assemblaggio a freddo in un giunto per utensile in titanio?
Significa che il giunto viene realizzato premendo un foro di accoppiamento- con interferenza sull'estremità del tubo a carico controllato, in modo che nessun ciclo termico alteri la microstruttura del giunto. Lo spessore della parete in corrispondenza della connessione viene aumentato mediante ricalcatura preventiva per mantenere le sollecitazioni entro i limiti di progetto.

D: L'asta di perforazione in titanio elimina i problemi di corrosione?
Elimina lo spreco generale che l'acciaio subisce nel fango aerato di cloruro, ma non elimina la corrosione galvanica delle parti in acciaio adiacenti o il rischio di infragilimento da idrogeno e di fessurazioni legate al metanolo-. Entrambi devono essere valutati per il pozzo specifico.

D: Come viene ispezionata sul campo un'asta di perforazione in titanio?
Liquidi penetranti per difetti superficiali, controlli ultrasonici per discontinuità interne e spessori di parete, radiografia di saldature per attrito e controlli dimensionali di filetti e geometria rovesciata. I metodi magnetici non possono essere utilizzati perché il titanio non è ferromagnetico.

D: È possibile utilizzare l'asta di perforazione in titanio nello stesso pozzo dell'asta di perforazione in acciaio?
Sì, ma il punto di commutazione deve essere predisposto per la coppia galvanica. Vengono utilizzati substrati di isolamento elettrico o rivestimenti isolanti sulle interfacce tra acciaio-e-titanio e il sistema di fango viene monitorato in modo che il lato in acciaio mantenga la sua protezione dalla corrosione.