石油天然气勘探开发不断向深井、超深井、恶劣腐蚀环境和深海发展，特别是南海可燃冰开发成为全球热点后，石油天然气行业对管材新材料、新技术 的需求日渐迫切，既需要满足经济性要求的低端石油管材，又需要满足“三高”（高温、高压、高腐蚀）苛刻条件的高端高耐蚀合金特殊石油管材。碳钢耐腐蚀能力差，双相不锈钢无法满足酸化要求，满足“三 高”要求的镍基合金价格很高。国内学者龚佑宁［1］ 、 付亚荣［2］ 等提出在石油管材上沉积生长 7 ML（约为 2.347 8 mm 厚）石墨烯薄膜可满足油气勘探开发苛刻工况要求，但该领域的研究刚刚起步。被业界誉 为“太空”金属、“海洋”金属和第四代金属的钛合金， 已广泛应用于航天、船舶、航空、化工、医疗和海洋工 程等领域［3］ 。中国石油集团石油管工程技术研究院宋生印团队已成功开发出 110 钢级 Ø88.9 mm×7.34  mm 油管、Ø177.9 mm×9.19 mm 套管和 Ø73 mm 钛合金钻杆，已通过 ISO13679Ⅱ级评价试验，在中国海洋石油进行了下井试验［4］ 。类似 ASTM B337、 SY/T 6896.3 等国内外石油行业钛合金相关标准已 颁布实施［5］，钛合金成为石油勘探开发领域新材料 已成必然。

陕西华辰钛业有限公司提供石油勘探钻井用钛合金管材

1　钛合金的特性 Characteristics of titanium alloy 

1.1　低密度、高比强度 Low density and high specific strength 金属钛 20 ℃密度 4.506~4.516 g/cm3 ，比铝高， 比金属铁、铜、镍低；钛在 882 ℃以下呈密排六方结 构α 钛，882 ℃以上呈体心立方的 β 钛；钛元素中 加入铝、碳、氧和氮形成α 钛合金，可提高合金的常 温和高温强度、降低密度、增加弹性模量；加入钼、 铌、钒、铬、锰、铜、铁、硅形成 β 相钛合金，可降低相 变温度；抗拉强度 1 250 MPa 的高强度钛合金是应 用和研究的重点［6］ 。常用的几种金属材料性能见表 1。在 –253~600 ℃规定的温度范围内，钛合金的比 强度（抗拉强度 / 密度）最高［7］ 。

1.2  优异的耐腐蚀性 Excellent corrosion resistance 钛合金表面致密而稳定的氧化钛膜使其耐蚀性 优于镍基合金 028、825、728［8］ 。研究表明［4］ ：钛合 金本体 90% 屈服强度载荷下不会发生应力腐蚀开 裂；室温条件下，钛合金在硫化氢、醋酸和 NaCl 混 合溶液侵泡 96 h 无任何裂纹产生，对 HIC（氢致开 裂）不敏感；在温度 160 ℃、总压 30 MPa、H2S 分压 4 MPa、CO2 分压 4.5 MPa、Cl– 含量 12×104  mg/L 的 工况条件下几乎不发生腐蚀；盐雾腐蚀速率是碳钢 的万分之一、不锈钢的千分之一；静态海水腐蚀速 率为 0，10~40 m/s 海水冲蚀腐蚀速率也为 0（如图 1）。 钛合金具有优异的耐蚀性，可减少设备腐蚀余量设 计，免除设备涂层保护，延长服役年限，经济性大幅 度提高。

1.3　优异的抗冲击性能 Excellent impact resistance 原始钛合金金相呈粗大的魏氏组织，室温夏比 冲击功仅为 20 J［9］ ，热处理后，钛合金在 –60~20 ℃ 条件下，室温夏比冲击功可达 60 J，抗冲击系数超过 0.63，且无脆性转变点；为镍合金的 2.5 倍以上，铜 合金 B30 的 4 倍以上；断裂韧性 80~110 MPa·m0.5， 远高于合金钢和铝合金［5］ 。大型焊接结构和壳体， 合金钢的高应力低周数破坏应力循环低于 105 ，而钛 合金可达 107 以上。 1.4　较高的经济性 Higher economy 中国是钛资源大国，而镍矿资源贫乏，主要还依 靠进口。从长远来讲，大力发展钛合金油管代替镍 基合金管有利于进一步降低油田开发成本。2000 年 以后，国内的海绵钛及钛合金的产量增幅明显，同时 2005 年以后，海绵钛的价格急剧下降，2016 年海绵 钛价格不到 2005 年的四分之一［4］ 。钛合金产品的 全寿命周期经济性评价如表 2。油井管管柱的载荷 主要来自管柱自重［10］ ，钛合金油套管可选择更小的 壁厚，具有更大的成本优势。

2　在油气勘探开发领域应用瓶颈 Problems of application using in petroleum  exploration and development 

2.1　耐腐蚀局限性 Corrosion resistance limitation 

钛晶体具有密排六方 α 结构和体心立方 β 结 构［11］，钛合金中的杂质主要有氧、氮、碳和氢。氢在 α 相中溶解度很小，氢含量控制在 0.015% 以内。钛合金中溶解过多的氢会产生氢化物，使合金变脆，在还原性酸和干甲醇中存在腐蚀问题。但氢在钛中的 溶解是可逆的，可以用真空退火除去。

2.2　腐蚀电位高 High corrosion potential 

钛合金自腐蚀电位较高，与其他金属接触时，易造成低电位材料严重的电偶腐蚀，自身也将发生氢 吸附，高温环境下发生氢脆和氢致开裂。但合理选 材或适当的防护措施基本可避免电偶腐蚀的发生。 2.3　加工制备难度大 Difficult to process 油气勘探开发过程中常用密排六方密结构的钛合金，加工制备时易黏刀，加工效率低；钛合金传热 系数低，在上扣过程中导热困难，热量传导缓慢，易 发生黏扣；表面钝化膜致密牢固，表面处理、表面改性困难。 

3　在油气勘探开发领域应用前景 Application prospect in the field of petroleum  exploration and development 

国内外学者认为，未来 3 年内，油气勘探朝着高 温、高压、深水领域发展，北海、墨西哥湾等地区大部 分井垂深已超过 9000 m，井底压力超过140MPa，井底温度超过200 ℃［12］ 。中国的大北、龙岗、龙门山、 徐深、长岭等气田和莺琼盆地存在不同程度的高温、 高压井，油气井的钻完井设计、开采工艺、井下工具、 设备、井控、储层改造、安全措施、环保等，均需考虑 管材因素。高温高压油气井常伴生 CO2、H2S，钻完 井管柱材质需要满足强度高、耐腐蚀能力强的要求。 钛合金管材已在墨西哥湾和中国海上进行了初步应 用。比如：Unocal 石油公司在温度超过 300 ℃的美 国 Salton Sea 区域油气开采中应用 Ti–3Al–8V–6Cr– 4Mo–4Zr 合金管材；RMI 钛业在井底温度 235 ℃、 NaCl 水溶液浓度达 36.5%、H2S 分压 0.7 MPa、CO2 分 压 3.5 MPa 的热酸性气井应用 Ti–6AI–4V–Ru 油管， Ti–6Al–2Sn–4Zr–6Mo、Ti–6Al–4V、Ti–6Al–4V–Ru 和 Ti–3Al–8V–6Cr–4Zr–4Mo 等钛合金油套管材料。国内外 Chevron，国内宝钢、天钢、华菱钢管、中国石油 石油管工程技术研究院、西北有色金属研究院和宝 钛实业等都在积极研发钛合金石油管材。 

3.1　钛合金石油管研究及评价内容 Research and evaluation contents of titanium  alloy petroleum pipe 以宋生印为代表的学者，为研发经济适用的钛合金石油管材，在钛合金选材指导与评价、钛合金管材关键指标研究、钛合金气密封特殊螺纹开发、钛合 金酸化缓蚀剂开发、钛合金管 ISO13679 评价试验、 钛合金专用螺纹脂开发、钛合金抗黏扣表面处理技术、钛合金螺纹加工及检测技术、工况全生产周期钛合金材料适用性评价、钛合金标准体系的建立等方 面进行了大量的工作，开发的产品已顺利通过 ISO  13679Ⅱ级评价试验。

3.2　钛合金钻杆 Titanium alloy drill rod 油气田开发面临提高采收率和提质增效的双重压力，井况复杂的井越来越多。大位移井井筒的倾 斜角、环空和钻柱的尺寸、钻杆的偏心率等因素造成 井眼轨迹复杂，摩阻、扭矩分布规律掌控、旋转导向 钻井稳斜控制难度大［13］ ；高温、高压对钻具、井下 工具、仪器要求苛刻；短半径水平井造斜井段短，造斜 率高，测点滞后，井眼不规则，易发生钻柱“自锁”［14］ ； 老井开窗侧钻水平井钻井泵压高、摩阻大、托压现象 突出、钻压传递困难。面对以上问题，普通钻杆施工 产生的交变应力很大，常常引起钻杆疲劳断裂。因 此，国内外学者尝试研制钛合金钻杆替代普通钻杆。 吴欣袁等［5］ 认为，应用于高曲率井段的钛合金钻 杆，周期应力为 206.95~275.8 MPa 时，其疲劳寿命为 普通钻杆的 10 倍。目前开发出的 Ti–6AI–4V 钛合 金钻杆本体尺寸、长度满足 API 规定要求；利用微 弧和阳极氧化处理提高钛合金钻杆丝扣表面强度、 钛合金钻杆丝扣表面镀铜镀钨提高热传导能力、抗 黏扣自润滑涂层改善丝扣表面润滑条件等解决了钛 合金钻杆黏扣问题［4］ 。宝鸡钛业用 EBCHM+VAR 熔炼钛合金锭锻造的直径 90~120 mm 棒材生产的 钻杆，其重量是镍基合金不锈钢的二分之一，操作灵 活性是镍基合金不锈钢的 2 倍，使用寿命是镍基合 金不锈钢的 10 倍。国外小曲率井钻井中应用钛合 金钻杆已达数百口，中国南海钻井中也使用过 Ø73  mm 钛合金钻杆，钻井载荷降低约 30%，钻杆扭矩降 低 30%~40%。

3.3　钛合金油套管 Titanium alloy casing 中国的高含硫油气田开发对油套管提出了更 苛刻的要求，广泛应用的镍基合金管材存在加工工 艺复杂、材料成本高、管材表面易损伤等缺陷。况 且中国低品位红土镍矿保有量仅占全部镍矿资源 的 9.6%，镍基合金主要依赖进口，增加了油气开采 成本。而中国钛资源占全球储量的 28%，排名第一。 近年来，诸多科研机构与生产厂家联合研制，已形成 的钛合金油套管的力学性能与镍基合金油套管相 当，接头也达到了 ISO 10400 对 P110 钢级标准要求， 用配重 60 t（相当于井深 8 000 m）、扭矩 4 250 N·m 进行上卸扣（C90 钢级最佳扭矩 2 130 N·m）试验， 满足抗拉性能要求；用扭矩 3 900~4 600 N·m、上扣 速度 15~25 r/min，上卸扣 3 次无黏扣现象发生；水 压试验在 27 MPa 下稳压 30 min 压力不降；实物全 尺寸爆破内压至 142 MPa 试样管体无破裂发生，满 足 API Spec 5CT 标准要求；钛合金油管接头拉伸 至失效载荷 1 105.7 kN 不变形，满足 ISO/TR 10400： 2007要求［4］ 。同时，SY/T 6896.3—2015《钛合金油管》已于 2015 年发布。 

3.4　钛合金封隔器 Titanium alloy packer 油田开发过程中分层注水、分层采油等是提高 采收率的措施之一。封隔器作为多层细分井下工具， 其坐封位置、坐封压力、密封程度关系施工的成败［15］ 。 注入水和采出液直接与封隔器接触。封隔器与套管 材质有区别，电偶腐蚀效应易造成套管腐蚀加剧，即 使使用价格昂贵的镍基合金封隔器，也易发生阴极 析氢致脆开裂，措施有效期变短。加入 V、Al、Pd、Ru 形成的 α/β 钛合金用于封隔器的刚体部件与钢质油 套管组成电偶对时，钛合金封隔器不会析氢腐蚀。

3.5　钛合金海洋输油气管线和平台设备 Titanium alloy offshore oil pipeline and platform  equipment 深水、超深水油气开采已经成为海洋油气勘探 的主要方向。复杂的海洋环境要求输油气管线抗腐 蚀和高稳定。目前使用的不锈钢和碳钢管线维护频 繁，难度大；铜镍合金管线价格较高，采办周期较 长。而钛合金管易于弯曲，具有极高的疲劳强度，能 够防止海浪冲击和平台移动造成的动态应力腐蚀， 适应铺设过程中的弯曲变形工况。钛合金输送管 线焊接性能良好，单面焊接双面成型技术保证焊缝 均匀可靠，管体拉伸力学性能测试、示波冲击试验、 管体压扁试验、断裂韧度 KIC 测试表明其满足海洋 输油气要求。钛合金质轻，可降低整个系统质量约 50%，隔水管提升力可降低 63% 左右，这在北海油田 挪威分部的海德威油田半潜式浮动钻井平台已得到 验证。海洋油气开采使用热交换可使用钛合金管状 冷却装置，减少设备腐蚀穿孔的发生。潜油电泵、潜 油螺杆泵、潜水离心泵采用铸钛泵体和钛合金螺杆 及叶轮，可延长设备使用寿命，减少维护工作量。

4　结论 Conclusions 

（1）依据钛合金低密度、高比强度、优良的耐蚀 性、抗冲击性和抗疲劳特性研制的钻杆、油套管等管 材，符合高温、高压和具有腐蚀性油气田开发的需要。 （2）钛合金较高的经济性能满足高温、高压和具 有腐蚀性油气田开发提质增效的要求，也为在石油 勘探开发领域广泛应用提供了可能。

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