石油天然气勘探开发不休向深井、超深井、恶劣侵蚀环境和深海发展，出格是南？扇急⒊晌蛉鹊愫，石油天然气行业对管材新资料、新技术的需要日渐火急，既必要满足经济性要求的低端石油管材，又必要满足“三高”（高温、高压、高侵蚀）刻薄前提的高端高耐蚀合金特殊石油管材。碳钢耐侵蚀能力差，双相不锈钢无法满足酸化要求，满足“三高”要求的镍基合金价值很高。国内学者龚佑宁［1］、付亚荣［2］等提出在石油管材上沉积成长7 ML（约为2.347 8 mm 厚）石墨烯薄膜可满足油气勘探开发刻薄工况要求，但该领域的钻研刚刚起步。被业界誉为“太空”金属、“海洋”金属和第四代金属迪胙合金，已宽泛利用于航天、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钻研院宋生印团队已成功开发出110 钢级?88.9 mm×7.34mm 油管、?177.9 mm×9.19 mm 套管和?73 mm 钛合金钻杆，已通过ISO 13679Ⅱ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 等国内表石油行业钛合金有关尺度已颁布执行［5］，钛合金成为石油勘探开发领域新资料已成必然。

1、钛合金的个性

1.1　低密度、高比强度

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；钛元素中参与铝、碳、氧和氮形成α 钛合金，可提高合金的常和善高温强度、降低密度、增长弹性模量；参与钼、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 的高强度钛合金是利用和钻研的沉点［6］。常用的几种金属资料机能见表1。在–253~600 ℃划定的温度领域内，钛合金的比强度（抗拉强度/ 密度）最高［7］。

1.2　优异的耐侵蚀性

钛合金表表致密而不变的氧化钛膜使其耐蚀性优于镍基合金028、825、728［8］。钻研批注［4］：钛合金本体90% 屈服强度载荷下不会产生应力侵蚀开裂；室温前提下，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 的工况前提下险些不产生侵蚀；盐雾侵蚀速度是碳钢的万分之一、不锈钢的千分之一；静态海水侵蚀速度为0，10~40 m/s 海水冲蚀侵蚀速度也为0（如图1）。

钛合金拥有优异的耐蚀性，可削减设备侵蚀余量设计，免去设备涂层；，耽搁服役年限，经济性大幅度提高。

1.3　优异的抗冲击机能

原始钛合金金相呈粗壮的魏氏组织，室温夏比冲击功仅为 20 J［ 9］，热处置后，钛合金在–60~20 ℃前提下，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粉碎应力循环低于105，而钛合金可达107 以上。

1.4　较高的经济性

中国是钛资源大国，而镍矿资源贫乏，重要还依附进口。从长远来讲，大力发展钛合金油管包办镍基合金管有利于进一步降低油田开发成本。2000 年以来，国内的海绵钛脊合金的产量增幅显著，同时2005 年以来，海绵钛的价值急剧降落，2016 年海绵钛价值不到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。油井管管柱的载荷重要来自管柱自沉［10］，钛合金油套管可选择更幼的壁厚，拥有更大的成本优势。

2、在油气勘探开发领域利用瓶颈

2.1　耐侵蚀局限性

钛晶体拥有密排六方α 结构和体心立方β 结构［11］，钛合金中的杂质重要有氧、氮、碳和氢。氢在α 相中溶化度很幼，氢含量节造在 0.015% 以内。钛合金中溶化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侵蚀问题。但氢在钛中的溶化是可逆的，能够用真空退火除去。

2.2　侵蚀电位高

钛合金自侵蚀电位较高，与其他金属接触时，易造成低电位资料严沉的电偶侵蚀，自身也将产生氢吸附，高温环境下产生氢脆和氢致开裂。但合理选材或适当的防护措施根基可预防电偶侵蚀的产生。

2.3　加工造备难度大

油气勘探开发过程中常用密排六方密结构迪胙合金，加工造备时易黏刀，加工效能低；钛合金传热系数低，在上扣过程中导热难题，热量传导缓慢，易产生黏扣；表表钝化膜致密牢固，表表处置、表表改性难题。

3、在油气勘探开发领域利用远景

国内表学者以为，未来3 年内，油气勘探朝着高温、高压、深水领域发展，武威、墨西哥湾等地域大部门井垂深已超过9 000 m，井底压力超过140 MPa，井底温度超过200 ℃［12］。中国的大败、龙岗、龙门山、徐深、长岭等气田和莺琼盆地存在分歧水平的高温、高压井，油气井的钻完井设计、开采工艺、井下工具、设备、井控、储层刷新、安全措施、环保等，均需思考管材成分。高温高压油气井常伴生CO2、H2S，钻完井管柱材质必要满足强度高、耐侵蚀能力强的要求。

钛合金管材已在墨西哥湾和中国海上进行了初步利用。好比：Unocal 石油公司在温度超过300 ℃的美国Salton Sea 区域油气开采中利用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 的热酸性气井利用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 等钛合金油套管资料。国内表Chevron，国内宝钢、天钢、华菱钢管、中国石油石油管工程技术钻研院、西北有色金属钻研院和宝 钛实业等都在积极研发钛合金石油管材。

3.1　钛合金石油管钻研及评价内容

以宋生印为代表的学者，为研发经济合用迪胙合金石油管材，在钛合金选材领导与评价、钛合金管材关键指标钻延注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ISO 13679 评价试验、钛合金专用螺纹脂开发、钛合金抗黏扣表表处置技术、钛合金螺纹加工及检测技术、工况全出产周期钛合金资料合用性评价、钛合金尺度系统的成立等方 面进行了大量的工作，开发的产品已顺利通过ISO13679Ⅱ级评价试验。

3.2　钛合金钻杆

油气田开发面对提高采收率和提质增效的双沉压力，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、钻杆的偏疼率等成分造成井眼轨迹复杂，摩阻、扭矩散布法规掌控、旋转导向钻井稳斜节造难度大［13］；高温、高压对钻具、井下工具、仪器要求刻薄；短半径水平井造斜井段短，造斜率高，测点滞后，井眼不规定，易产生钻柱“自锁”［14］；老井开窗侧钻水平井钻井泵压高、摩阻大、托压景象凸起、钻压传递难题。面对以上问题，通常钻杆施工产生的交变应力很大，时时引起钻杆委顿断裂。因 此，国内表学者尝试研造钛合金钻杆代替通常钻杆。吴欣袁等［5］以为，利用于高曲率井段迪胙合金钻杆，周期应力为206.95~275.8 MPa 时，其委顿寿命为通常钻杆的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 划定要求；利用微弧和阳极氧化处置提高钛合金钻杆丝扣表表强度、钛合金钻杆丝扣表表镀铜镀钨提高热传导能力、抗黏扣自光滑涂层改善丝扣表表光滑前提等解决了钛合金钻杆黏扣问题［4］。宝鸡钛业用EBCHM+VAR熔炼钛合金锭铸造的直径90~120 mm 棒材出产的钻杆，其沉量是镍基合金不锈钢的二分之一，操作矫捷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。国表幼曲率井钻井中利用钛合金钻杆已达数百口，中国南海钻井中也使用过?73 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

中国的高含硫油气田开发对油套管提出了更刻薄的要求，宽泛利用的镍基合金管材存在加工工艺复杂、资料成本高、管材表表易危险等缺点：慰鲋泄推肺缓焱聊蟊Ｓ辛拷稣既笞试吹9.6%，镍基合金重要依赖进口，增长了油气开采成本。而中国钛资源占全球储量的28%，排名第一。

近年来，诸多科研机构与出产厂家结合研造，已形成迪胙合金油套管的力学机能与镍基合金油套管相当，接头也达到了ISO 10400 对P110 钢级尺度要求，用配沉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，满足抗拉机能要求；用扭矩3 900~4 600 N·m、上扣速度15~25 r/min，上卸扣3 次无黏扣景象产生；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 试样管体无分裂产生，满足API Spec 5CT 尺度要求；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 年颁布。

3.4　钛合金封隔器

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，其坐封地位、坐封压力、密封水平关系施工的成败［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，电偶侵蚀效应易造成套管侵蚀加剧，即便使用价值昂贵的镍基合金封隔器，也易产生阴极析氢致脆开裂，措施有效期变短。参与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侵蚀。

3.5　钛合金海洋输油气管线和平台设备

深水、超深水油气开采已经成为海洋油气勘探的重要方向。复杂的海洋环境要求输油气管线抗侵蚀和高不变。目前使用的不锈钢和碳钢管线守护频仍，难度大；铜镍合金管线价值较高，采办周期较长。而钛合金管易于弯曲，拥有极高的委顿强度，可能预防波浪冲击和平台移动造成的动态应力侵蚀，适应铺设过程中的弯曲变形工况。钛合金输送管线焊接机能优良，单面焊接双面成型技术保障焊缝均匀靠得住，管体拉伸力学机能测试、示波冲击试验、管体压扁试验、断裂韧度 KIC 测试批注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，这在武威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互换可使用钛合金管状冷却装置，削减设备侵蚀穿孔的产生。潜油电泵、潜油螺杆泵、潜水离心泵选取铸钛泵体和钛合金螺杆及叶轮，可耽搁设备使用寿命，削减守护工作量。

4、结论

（1）凭据钛合金低密度、高比强度、良好的耐蚀性、抗冲击性和抗委顿个性研造的钻杆、油套管等管材，切合高温、高压和拥有侵蚀性油气田开发的必要。

（2）钛合金较高的经济机能满足高温、高压和拥有侵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宽泛利用提供了可能。

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（ 批改稿收到日期　2017-08-12）