鈦合金在油氣勘探開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的應(yīng)用前景

付毓偉 趙立平 趙亞兵 趙海英 崔建 陳明君

1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油天然氣工程學(xué)院；2.中國(guó)石油華北油田分公司

鈦合金在油氣勘探開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的應(yīng)用前景

付毓偉1趙立平2趙亞兵2趙海英2崔建2陳明君2

1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油天然氣工程學(xué)院；2.中國(guó)石油華北油田分公司

鈦合金以其優(yōu)異性能，已廣泛應(yīng)用于航空、航天、船舶、化學(xué)化工、醫(yī)療、海洋工程和石油石化等各個(gè)領(lǐng)域，引起了全球研究者拓展鈦合金應(yīng)用領(lǐng)域的研發(fā)熱潮。鈦合金具有低密度（20 ℃密度4.506～4.516 g/cm3）、高比強(qiáng)度、優(yōu)異的耐蝕性及抗沖擊性能、較高的經(jīng)濟(jì)性等特征，與其他金屬材料相比具有明顯優(yōu)勢(shì)。盡管應(yīng)用于油氣勘探開(kāi)發(fā)領(lǐng)域時(shí)存在耐蝕局限性、腐蝕電位高等方面的問(wèn)題，但鈦合金鉆桿、油套管、輸送管線等已在積極研發(fā)并投入試驗(yàn)。隨著鈦合金成本的不斷降低以及加工制造技術(shù)的發(fā)展，其在石油天然氣勘探開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣闊。

石油管材；鈦合金；特性；勘探開(kāi)發(fā)；應(yīng)用難點(diǎn)；發(fā)展前景

石油天然氣勘探開(kāi)發(fā)不斷向深井、超深井、惡劣腐蝕環(huán)境和深海發(fā)展，特別是南?？扇急_(kāi)發(fā)成為全球熱點(diǎn)后，石油天然氣行業(yè)對(duì)管材新材料、新技術(shù)的需求日漸迫切，既需要滿足經(jīng)濟(jì)性要求的低端石油管材，又需要滿足“三高”（高溫、高壓、高腐蝕）苛刻條件的高端高耐蝕合金特殊石油管材。碳鋼耐腐蝕能力差，雙相不銹鋼無(wú)法滿足酸化要求，滿足“三高”要求的鎳基合金價(jià)格很高。國(guó)內(nèi)學(xué)者龔佑寧［1］、付亞榮［2］等提出在石油管材上沉積生長(zhǎng)7 ML（約為2.347 8 mm厚）石墨烯薄膜可滿足油氣勘探開(kāi)發(fā)苛刻工況要求，但該領(lǐng)域的研究剛剛起步。被業(yè)界譽(yù)為“太空”金屬、“海洋”金屬和第四代金屬的鈦合金，已廣泛應(yīng)用于航天、船舶、航空、化工、醫(yī)療和海洋工程等領(lǐng)域［3］。中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院宋生印團(tuán)隊(duì)已成功開(kāi)發(fā)出110鋼級(jí)?88.9 mm×7.34 mm油管、?177.9 mm×9.19 mm套管和?73 mm鈦合金鉆桿，已通過(guò)ISO 13679Ⅱ級(jí)評(píng)價(jià)試驗(yàn)，在中國(guó)海洋石油進(jìn)行了下井試驗(yàn)［4］。類似ASTM B337、SY/T 6896.3等國(guó)內(nèi)外石油行業(yè)鈦合金相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)已頒布實(shí)施［5］，鈦合金成為石油勘探開(kāi)發(fā)領(lǐng)域新材料已成必然。

1 鈦合金的特性

Characteristics of titanium alloy

1.1 低密度、高比強(qiáng)度

Low density and high specific strength

金屬鈦 20 ℃密度 4.506～4.516 g/cm3，比鋁高，比金屬鐵、銅、鎳低；鈦在882 ℃以下呈密排六方結(jié)構(gòu)α鈦，882 ℃以上呈體心立方的β鈦；鈦元素中加入鋁、碳、氧和氮形成α鈦合金，可提高合金的常溫和高溫強(qiáng)度、降低密度、增加彈性模量；加入鉬、鈮、釩、鉻、錳、銅、鐵、硅形成β相鈦合金，可降低相變溫度；抗拉強(qiáng)度 1 250 MPa的高強(qiáng)度鈦合金是應(yīng)用和研究的重點(diǎn)［6］。常用的幾種金屬材料性能見(jiàn)表1。在–253～600 ℃規(guī)定的溫度范圍內(nèi)，鈦合金的比強(qiáng)度（抗拉強(qiáng)度/密度）最高［7］。

表1 幾種金屬材料性能Table 1 Properties of several metal materials

1.2 優(yōu)異的耐腐蝕性

Excellent corrosion resistance

鈦合金表面致密而穩(wěn)定的氧化鈦膜使其耐蝕性優(yōu)于鎳基合金 028、825、728［8］。研究表明［4］：鈦合金本體90%屈服強(qiáng)度載荷下不會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂；室溫條件下，鈦合金在硫化氫、醋酸和NaCl混合溶液侵泡96 h無(wú)任何裂紋產(chǎn)生，對(duì)HIC（氫致開(kāi)裂）不敏感；在溫度160 ℃、總壓30 MPa、H2S分壓4 MPa、CO2分壓 4.5 MPa、Cl–含量 12×104mg/L 的工況條件下幾乎不發(fā)生腐蝕；鹽霧腐蝕速率是碳鋼的萬(wàn)分之一、不銹鋼的千分之一；靜態(tài)海水腐蝕速率為0，10～40 m/s海水沖蝕腐蝕速率也為0（如圖1）。鈦合金具有優(yōu)異的耐蝕性，可減少設(shè)備腐蝕余量設(shè)計(jì)，免除設(shè)備涂層保護(hù)，延長(zhǎng)服役年限，經(jīng)濟(jì)性大幅度提高。

圖1 海水沖蝕腐蝕速率Fig. 1 Dynamic corrosion rate of sca erosion

1.3 優(yōu)異的抗沖擊性能

Excellent impact resistance

原始鈦合金金相呈粗大的魏氏組織，室溫夏比沖擊功僅為20 J［9］，熱處理后，鈦合金在 –60～20 ℃條件下，室溫夏比沖擊功可達(dá)60 J，抗沖擊系數(shù)超過(guò)0.63，且無(wú)脆性轉(zhuǎn)變點(diǎn)；為鎳合金的2.5倍以上，銅合金B(yǎng)30的4倍以上；斷裂韌性80～110 MPa·m0.5，遠(yuǎn)高于合金鋼和鋁合金［5］。大型焊接結(jié)構(gòu)和殼體，合金鋼的高應(yīng)力低周數(shù)破壞應(yīng)力循環(huán)低于105，而鈦合金可達(dá)107以上。

1.4 較高的經(jīng)濟(jì)性

Higher economy

中國(guó)是鈦資源大國(guó)，而鎳礦資源貧乏，主要還依靠進(jìn)口。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)講，大力發(fā)展鈦合金油管代替鎳基合金管有利于進(jìn)一步降低油田開(kāi)發(fā)成本。2000年以后，國(guó)內(nèi)的海綿鈦及鈦合金的產(chǎn)量增幅明顯，同時(shí)2005年以后，海綿鈦的價(jià)格急劇下降，2016年海綿鈦價(jià)格不到2005年的四分之一［4］。鈦合金產(chǎn)品的全壽命周期經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)如表2。油井管管柱的載荷主要來(lái)自管柱自重［10］，鈦合金油套管可選擇更小的壁厚，具有更大的成本優(yōu)勢(shì)。

表2 鈦合金管材料全生命周期經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)Table 2 Economic evaluation of life cycle of titanium alloy tube materials

2 在油氣勘探開(kāi)發(fā)領(lǐng)域應(yīng)用瓶頸

Problems of application using in petroleum exploration and development

2.1 耐腐蝕局限性

Corrosion resistance limitation

鈦晶體具有密排六方α結(jié)構(gòu)和體心立方β結(jié)構(gòu)［11］，鈦合金中的雜質(zhì)主要有氧、氮、碳和氫。氫在α相中溶解度很小，氫含量控制在 0.015%以內(nèi)。鈦合金中溶解過(guò)多的氫會(huì)產(chǎn)生氫化物，使合金變脆，在還原性酸和干甲醇中存在腐蝕問(wèn)題。但氫在鈦中的溶解是可逆的，可以用真空退火除去。

2.2 腐蝕電位高

High corrosion potential

鈦合金自腐蝕電位較高，與其他金屬接觸時(shí)，易造成低電位材料嚴(yán)重的電偶腐蝕，自身也將發(fā)生氫吸附，高溫環(huán)境下發(fā)生氫脆和氫致開(kāi)裂。但合理選材或適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施基本可避免電偶腐蝕的發(fā)生。

2.3 加工制備難度大

Difficult to process

油氣勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中常用密排六方密結(jié)構(gòu)的鈦合金，加工制備時(shí)易黏刀，加工效率低；鈦合金傳熱系數(shù)低，在上扣過(guò)程中導(dǎo)熱困難，熱量傳導(dǎo)緩慢，易發(fā)生黏扣；表面鈍化膜致密牢固，表面處理、表面改性困難。

3 在油氣勘探開(kāi)發(fā)領(lǐng)域應(yīng)用前景

Application prospect in the field of petroleum exploration and development

國(guó)內(nèi)外學(xué)者認(rèn)為，未來(lái)3年內(nèi)，油氣勘探朝著高溫、高壓、深水領(lǐng)域發(fā)展，北海、墨西哥灣等地區(qū)大部分井垂深已超過(guò)9 000 m，井底壓力超過(guò)140 MPa，井底溫度超過(guò)200 ℃［12］。中國(guó)的大北、龍崗、龍門(mén)山、徐深、長(zhǎng)嶺等氣田和鶯瓊盆地存在不同程度的高溫、高壓井，油氣井的鉆完井設(shè)計(jì)、開(kāi)采工藝、井下工具、設(shè)備、井控、儲(chǔ)層改造、安全措施、環(huán)保等，均需考慮管材因素。高溫高壓油氣井常伴生CO2、H2S，鉆完井管柱材質(zhì)需要滿足強(qiáng)度高、耐腐蝕能力強(qiáng)的要求。鈦合金管材已在墨西哥灣和中國(guó)海上進(jìn)行了初步應(yīng)用。比如：Unocal石油公司在溫度超過(guò)300 ℃的美國(guó) Salton Sea 區(qū)域油氣開(kāi)采中應(yīng)用 Ti–3Al–8V–6Cr–4Mo–4Zr合金管材；RMI鈦業(yè)在井底溫度235 ℃、NaCl水溶液濃度達(dá)36.5%、H2S分壓0.7 MPa、CO2分壓 3.5 MPa的熱酸性氣井應(yīng)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 等鈦合金油套管材料。國(guó)內(nèi)外Chevron，國(guó)內(nèi)寶鋼、天鋼、華菱鋼管、中國(guó)石油石油管工程技術(shù)研究院、西北有色金屬研究院和寶鈦實(shí)業(yè)等都在積極研發(fā)鈦合金石油管材。

3.1 鈦合金石油管研究及評(píng)價(jià)內(nèi)容

Research and evaluation contents of titanium alloy petroleum pipe

以宋生印為代表的學(xué)者，為研發(fā)經(jīng)濟(jì)適用的鈦合金石油管材，在鈦合金選材指導(dǎo)與評(píng)價(jià)、鈦合金管材關(guān)鍵指標(biāo)研究、鈦合金氣密封特殊螺紋開(kāi)發(fā)、鈦合金酸化緩蝕劑開(kāi)發(fā)、鈦合金管ISO 13679評(píng)價(jià)試驗(yàn)、鈦合金專用螺紋脂開(kāi)發(fā)、鈦合金抗黏扣表面處理技術(shù)、鈦合金螺紋加工及檢測(cè)技術(shù)、工況全生產(chǎn)周期鈦合金材料適用性評(píng)價(jià)、鈦合金標(biāo)準(zhǔn)體系的建立等方面進(jìn)行了大量的工作，開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品已順利通過(guò)ISO 13679Ⅱ級(jí)評(píng)價(jià)試驗(yàn)。

3.2 鈦合金鉆桿

Titanium alloy drill rod

油氣田開(kāi)發(fā)面臨提高采收率和提質(zhì)增效的雙重壓力，井況復(fù)雜的井越來(lái)越多。大位移井井筒的傾斜角、環(huán)空和鉆柱的尺寸、鉆桿的偏心率等因素造成井眼軌跡復(fù)雜，摩阻、扭矩分布規(guī)律掌控、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井穩(wěn)斜控制難度大［13］；高溫、高壓對(duì)鉆具、井下工具、儀器要求苛刻；短半徑水平井造斜井段短，造斜率高，測(cè)點(diǎn)滯后，井眼不規(guī)則，易發(fā)生鉆柱“自鎖”［14］；老井開(kāi)窗側(cè)鉆水平井鉆井泵壓高、摩阻大、托壓現(xiàn)象突出、鉆壓傳遞困難。面對(duì)以上問(wèn)題，普通鉆桿施工產(chǎn)生的交變應(yīng)力很大，常常引起鉆桿疲勞斷裂。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者嘗試研制鈦合金鉆桿替代普通鉆桿。

吳欣袁等［5］認(rèn)為，應(yīng)用于高曲率井段的鈦合金鉆桿，周期應(yīng)力為206.95～275.8 MPa時(shí)，其疲勞壽命為普通鉆桿的10倍。目前開(kāi)發(fā)出的Ti–6AI–4V鈦合金鉆桿本體尺寸、長(zhǎng)度滿足API規(guī)定要求；利用微弧和陽(yáng)極氧化處理提高鈦合金鉆桿絲扣表面強(qiáng)度、鈦合金鉆桿絲扣表面鍍銅鍍鎢提高熱傳導(dǎo)能力、抗黏扣自潤(rùn)滑涂層改善絲扣表面潤(rùn)滑條件等解決了鈦合金鉆桿黏扣問(wèn)題［4］。寶雞鈦業(yè)用EBCHM+VAR熔煉鈦合金錠鍛造的直徑90～120 mm棒材生產(chǎn)的鉆桿，其重量是鎳基合金不銹鋼的二分之一，操作靈活性是鎳基合金不銹鋼的2倍，使用壽命是鎳基合金不銹鋼的10倍。國(guó)外小曲率井鉆井中應(yīng)用鈦合金鉆桿已達(dá)數(shù)百口，中國(guó)南海鉆井中也使用過(guò)?73 mm鈦合金鉆桿，鉆井載荷降低約30%，鉆桿扭矩降低30%～40%。

3.3 鈦合金油套管

Titanium alloy casing

中國(guó)的高含硫油氣田開(kāi)發(fā)對(duì)油套管提出了更苛刻的要求，廣泛應(yīng)用的鎳基合金管材存在加工工藝復(fù)雜、材料成本高、管材表面易損傷等缺陷。況且中國(guó)低品位紅土鎳礦保有量?jī)H占全部鎳礦資源的9.6%，鎳基合金主要依賴進(jìn)口，增加了油氣開(kāi)采成本。而中國(guó)鈦資源占全球儲(chǔ)量的28%，排名第一。近年來(lái)，諸多科研機(jī)構(gòu)與生產(chǎn)廠家聯(lián)合研制，已形成的鈦合金油套管的力學(xué)性能與鎳基合金油套管相當(dāng)，接頭也達(dá)到了ISO 10400對(duì)P110鋼級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求，用配重60 t（相當(dāng)于井深8 000 m）、扭矩4 250 N·m進(jìn)行上卸扣（C90鋼級(jí)最佳扭矩2 130 N·m）試驗(yàn)，滿足抗拉性能要求；用扭矩3 900～4 600 N·m、上扣速度15～25 r/min，上卸扣3次無(wú)黏扣現(xiàn)象發(fā)生；水壓試驗(yàn)在27 MPa下穩(wěn)壓30 min壓力不降；實(shí)物全尺寸爆破內(nèi)壓至142 MPa試樣管體無(wú)破裂發(fā)生，滿足API Spec 5CT標(biāo)準(zhǔn)要求；鈦合金油管接頭拉伸至失效載荷1 105.7 kN 不變形，滿足ISO/TR 10400：2007要求［4］。同時(shí)，SY/T 6896.3—2015《鈦合金油管》已于2015年發(fā)布。

3.4 鈦合金封隔器

Titanium alloy packer

油田開(kāi)發(fā)過(guò)程中分層注水、分層采油等是提高采收率的措施之一。封隔器作為多層細(xì)分井下工具，其坐封位置、坐封壓力、密封程度關(guān)系施工的成?。?5］。注入水和采出液直接與封隔器接觸。封隔器與套管材質(zhì)有區(qū)別，電偶腐蝕效應(yīng)易造成套管腐蝕加劇，即使使用價(jià)格昂貴的鎳基合金封隔器，也易發(fā)生陰極析氫致脆開(kāi)裂，措施有效期變短。加入V、Al、Pd、Ru形成的α/β鈦合金用于封隔器的剛體部件與鋼質(zhì)油套管組成電偶對(duì)時(shí)，鈦合金封隔器不會(huì)析氫腐蝕。

3.5 鈦合金海洋輸油氣管線和平臺(tái)設(shè)備

Titanium alloy offshore oil pipeline and platform equipment

深水、超深水油氣開(kāi)采已經(jīng)成為海洋油氣勘探的主要方向。復(fù)雜的海洋環(huán)境要求輸油氣管線抗腐蝕和高穩(wěn)定。目前使用的不銹鋼和碳鋼管線維護(hù)頻繁，難度大；銅鎳合金管線價(jià)格較高，采辦周期較長(zhǎng)。而鈦合金管易于彎曲，具有極高的疲勞強(qiáng)度，能夠防止海浪沖擊和平臺(tái)移動(dòng)造成的動(dòng)態(tài)應(yīng)力腐蝕，適應(yīng)鋪設(shè)過(guò)程中的彎曲變形工況。鈦合金輸送管線焊接性能良好，單面焊接雙面成型技術(shù)保證焊縫均勻可靠，管體拉伸力學(xué)性能測(cè)試、示波沖擊試驗(yàn)、管體壓扁試驗(yàn)、斷裂韌度 KIC 測(cè)試表明其滿足海洋輸油氣要求。鈦合金質(zhì)輕，可降低整個(gè)系統(tǒng)質(zhì)量約50%，隔水管提升力可降低63%左右，這在北海油田挪威分部的海德威油田半潛式浮動(dòng)鉆井平臺(tái)已得到驗(yàn)證。海洋油氣開(kāi)采使用熱交換可使用鈦合金管狀冷卻裝置，減少設(shè)備腐蝕穿孔的發(fā)生。潛油電泵、潛油螺桿泵、潛水離心泵采用鑄鈦泵體和鈦合金螺桿及葉輪，可延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，減少維護(hù)工作量。

4 結(jié)論

Conclusions

（1）依據(jù)鈦合金低密度、高比強(qiáng)度、優(yōu)良的耐蝕性、抗沖擊性和抗疲勞特性研制的鉆桿、油套管等管材，符合高溫、高壓和具有腐蝕性油氣田開(kāi)發(fā)的需要。

（2）鈦合金較高的經(jīng)濟(jì)性能滿足高溫、高壓和具有腐蝕性油氣田開(kāi)發(fā)提質(zhì)增效的要求，也為在石油勘探開(kāi)發(fā)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用提供了可能。

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（修改稿收到日期 2017-08-12）

〔編輯 付麗霞〕

Application foreground of titanium alloy in petroleum exploration and development

FU Yuwei1, ZHAO Liping2, ZHAO Yabing2, ZHAO Haiying2, CUI Jian2, CHEN Mingjun2

1. College of petroleum and natural gas engineering,China University of Petroleum,Beijing, 102249,China;
2. CNPC Huabei Oil field Company,Xinji052360,Hebei,China

Titanium alloys have been widely used in aviation, aerospace, shipping, chemical, medical, marine engineering, petroleum and petrochemical industries because of their excellent properties, causing the global researchers expand its application development upsurge.Titanium alloy has the advantages of low density(20 ℃, 4.506～4.516 g/cm3), high specific strength, excellent corrosion resistance and impact resistance, high economy compared with other metal materials. Although the titanium alloy pipe has some disadvantages, such as corrosion resistance, corrosion potential when it was used in the field of petroleum exploration and development,titanium alloy drilling rod, oil casing pipe and transmission pipeline have been actively developed and put into trial. With the continuous reduction of the cost of titanium alloy and the development of processing technology, its application in petroleum and natural gas exploration will be more and more extensive.

petroleum pipes; titanium alloys; characteristics; petroleum exploration and development; application difficulties;development prospects

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付毓偉，趙立平，趙亞兵，趙海英，崔建，陳明君.鈦合金在油氣勘探開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的應(yīng)用前景［J］.石油鉆采工藝，2017，39（5）：662-666.

TE95

A

1000 – 7393（ 2017 ）05 – 0662 – 05 DOI∶10.13639/j.odpt.2017.05.023

付毓偉（1992-），中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油天然氣工程學(xué)院在讀碩士研究生。通訊地址：（102249）北京市昌平區(qū)府學(xué)路18號(hào)。E-mail：1017856276@qq.com

: FU Yuwei, ZHAO Liping, ZHAO Yabing, ZHAO Haiying, CUI Jian, CHEN Mingjun. Application foreground of titanium alloy in petroleum exploration and development［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2017, 39(5)∶ 662-666.