鈦合金在油氣勘探開發領域的應用前景
分類：行業資訊 發布時間：2023-02-22 瀏覽量：3694
石油天然氣勘探開發不斷向深井、超深井、惡劣腐蝕環境和深海發展，特別是南?？扇急_發成為全球熱點后，石油天然氣行業對管材新材料、新技術 的需求日漸迫切，既需要滿足經濟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，雙相不銹鋼無法滿足酸化要求，滿足“三 高”要求的鎳基合金價格很高。國內學者龔佑寧［1］ 、 付亞榮［2］ 等提出在石油管材上沉積生長 7 ML（約為 2.347 8 mm 厚）石墨烯薄膜可滿足油氣勘探開發苛刻工況要求，但該領域的研究剛剛起步。被業界譽 為“太空”金屬、“海洋”金屬和第四代金屬的鈦合金， 已廣泛應用于航天、船舶、航空、化工、醫療和海洋工 程等領域［3］ 。中國石油集團石油管工程技術研究院宋生印團隊已成功開發出 110 鋼級 ?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 ISO13679Ⅱ級評價試驗，在中國海洋石油進行了下井試驗［4］ 。類似 ASTM B337、 SY/T 6896.3 等國內外石油行業鈦合金相關標準已 頒布實施［5］，鈦合金成為石油勘探開發領域新材料 已成必然。
陜西華辰鈦業有限公司提供石油勘探鉆井用鈦合金管材
1 鈦合金的特性 Characteristics of titanium alloy
1.1 低密度、高比強度 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 構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；抗拉強度 1 250 MPa 的高強度鈦合金是應 用和研究的重點［6］ 。常用的幾種金屬材料性能見表 1。在 –253~600 ℃規定的溫度范圍內，鈦合金的比 強度（抗拉強度 / 密度）最高［7］ 。
1.2 優異的耐腐蝕性 Excellent corrosion resistance 鈦合金表面致密而穩定的氧化鈦膜使其耐蝕性 優于鎳基合金 028、825、728［8］ 。研究表明［4］ ：鈦合 金本體 90% 屈服強度載荷下不會發生應力腐蝕開 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 無任何裂紋產生，對 HIC（氫致開 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 12×104 mg/L 的 工況條件下幾乎不發生腐蝕；鹽霧腐蝕速率是碳鋼 的萬分之一、不銹鋼的千分之一；靜態海水腐蝕速 率為 0，10~40 m/s 海水沖蝕腐蝕速率也為 0（如圖 1）。 鈦合金具有優異的耐蝕性，可減少設備腐蝕余量設 計，免除設備涂層保護，延長服役年限，經濟性大幅 度提高。
1.3 優異的抗沖擊性能 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 60 J，抗沖擊系數超過 0.63，且無脆性轉變點；為鎳合金的 2.5 倍以上，銅 合金 B30 的 4 倍以上；斷裂韌性 80~110 MPa·m0.5， 遠高于合金鋼和鋁合金［5］ 。大型焊接結構和殼體， 合金鋼的高應力低周數破壞應力循環低于 105 ，而鈦 合金可達 107 以上。 1.4 較高的經濟性 Higher economy 中國是鈦資源大國，而鎳礦資源貧乏，主要還依 靠進口。從長遠來講，大力發展鈦合金油管代替鎳 基合金管有利于進一步降低油田開發成本。2000 年 以后，國內的海綿鈦及鈦合金的產量增幅明顯，同時 2005 年以后，海綿鈦的價格急劇下降，2016 年海綿 鈦價格不到 2005 年的四分之一［4］ 。鈦合金產品的 全壽命周期經濟性評價如表 2。油井管管柱的載荷 主要來自管柱自重［10］ ，鈦合金油套管可選擇更小的 壁厚，具有更大的成本優勢。
2 在油氣勘探開發領域應用瓶頸 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 結構和體心立方 β 結 構［11］，鈦合金中的雜質主要有氧、氮、碳和氫。氫在 α 相中溶解度很小，氫含量控制在 0.015% 以內。鈦合金中溶解過多的氫會產生氫化物，使合金變脆，在還原性酸和干甲醇中存在腐蝕問題。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，易造成低電位材料嚴重的電偶腐蝕，自身也將發生氫 吸附，高溫環境下發生氫脆和氫致開裂。但合理選 材或適當的防護措施基本可避免電偶腐蝕的發生。 2.3 加工制備難度大 Difficult to process 油氣勘探開發過程中常用密排六方密結構的鈦合金，加工制備時易黏刀，加工效率低；鈦合金傳熱 系數低，在上扣過程中導熱困難，熱量傳導緩慢，易 發生黏扣；表面鈍化膜致密牢固，表面處理、表面改性困難。
3 在油氣勘探開發領域應用前景 Application prospect in the field of petroleum exploration and development
國內外學者認為，未來 3 年內，油氣勘探朝著高 溫、高壓、深水領域發展，北海、墨西哥灣等地區大部 分井垂深已超過 9000 m，井底壓力超過140MPa，井底溫度超過200 ℃［12］ 。中國的大北、龍崗、龍門山、 徐深、長嶺等氣田和鶯瓊盆地存在不同程度的高溫、 高壓井，油氣井的鉆完井設計、開采工藝、井下工具、 設備、井控、儲層改造、安全措施、環保等，均需考慮 管材因素。高溫高壓油氣井常伴生 CO2、H2S，鉆完 井管柱材質需要滿足強度高、耐腐蝕能力強的要求。 鈦合金管材已在墨西哥灣和中國海上進行了初步應 用。比如：Unocal 石油公司在溫度超過 300 ℃的美 國 Salton Sea 區域油氣開采中應用 Ti–3Al–8V–6Cr– 4Mo–4Zr 合金管材；RMI 鈦業在井底溫度 235 ℃、 NaCl 水溶液濃度達 36.5%、H2S 分壓 0.7 MPa、CO2 分 壓 3.5 MPa 的熱酸性氣井應用 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。國內外 Chevron，國內寶鋼、天鋼、華菱鋼管、中國石油 石油管工程技術研究院、西北有色金屬研究院和寶 鈦實業等都在積極研發鈦合金石油管材。
3.1 鈦合金石油管研究及評價內容 Research and evaluation contents of titanium alloy petroleum pipe 以宋生印為代表的學者，為研發經濟適用的鈦合金石油管材，在鈦合金選材指導與評價、鈦合金管材關鍵指標研究、鈦合金氣密封特殊螺紋開發、鈦合 金酸化緩蝕劑開發、鈦合金管 ISO13679 評價試驗、 鈦合金專用螺紋脂開發、鈦合金抗黏扣表面處理技術、鈦合金螺紋加工及檢測技術、工況全生產周期鈦合金材料適用性評價、鈦合金標準體系的建立等方 面進行了大量的工作，開發的產品已順利通過 ISO 13679Ⅱ級評價試驗。
3.2 鈦合金鉆桿 Titanium alloy drill rod 油氣田開發面臨提高采收率和提質增效的雙重壓力，井況復雜的井越來越多。大位移井井筒的傾 斜角、環空和鉆柱的尺寸、鉆桿的偏心率等因素造成 井眼軌跡復雜，摩阻、扭矩分布規律掌控、旋轉導向 鉆井穩斜控制難度大［13］ ；高溫、高壓對鉆具、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，測點滯后，井眼不規則，易發生鉆柱“自鎖”［14］ ； 老井開窗側鉆水平井鉆井泵壓高、摩阻大、托壓現象 突出、鉆壓傳遞困難。面對以上問題，普通鉆桿施工 產生的交變應力很大，常常引起鉆桿疲勞斷裂。因 此，國內外學者嘗試研制鈦合金鉆桿替代普通鉆桿。 吳欣袁等［5］ 認為，應用于高曲率井段的鈦合金鉆 桿，周期應力為 206.95~275.8 MPa 時，其疲勞壽命為 普通鉆桿的 10 倍。目前開發出的 Ti–6AI–4V 鈦合 金鉆桿本體尺寸、長度滿足 API 規定要求；利用微 弧和陽極氧化處理提高鈦合金鉆桿絲扣表面強度、 鈦合金鉆桿絲扣表面鍍銅鍍鎢提高熱傳導能力、抗 黏扣自潤滑涂層改善絲扣表面潤滑條件等解決了鈦 合金鉆桿黏扣問題［4］ 。寶雞鈦業用 EBCHM+VAR 熔煉鈦合金錠鍛造的直徑 90~120 mm 棒材生產的 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。國外小曲率井鉆井中應用鈦合 金鉆桿已達數百口，中國南海鉆井中也使用過 ?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 中國的高含硫油氣田開發對油套管提出了更 苛刻的要求，廣泛應用的鎳基合金管材存在加工工 藝復雜、材料成本高、管材表面易損傷等缺陷。況 且中國低品位紅土鎳礦保有量僅占全部鎳礦資源 的 9.6%，鎳基合金主要依賴進口，增加了油氣開采 成本。而中國鈦資源占全球儲量的 28%，排名第一。 近年來，諸多科研機構與生產廠家聯合研制，已形成 的鈦合金油套管的力學性能與鎳基合金油套管相 當，接頭也達到了 ISO 10400 對 P110 鋼級標準要求， 用配重 60 t（相當于井深 8 000 m）、扭矩 4 250 N·m 進行上卸扣（C90 鋼級最佳扭矩 2 130 N·m）試驗， 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 次無黏扣現象發生；水 壓試驗在 27 MPa 下穩壓 30 min 壓力不降；實物全 尺寸爆破內壓至 142 MPa 試樣管體無破裂發生，滿 足 API Spec 5CT 標準要求；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，SY/T 6896.3—2015《鈦合金油管》已于 2015 年發布。
3.4 鈦合金封隔器 Titanium alloy packer 油田開發過程中分層注水、分層采油等是提高 采收率的措施之一。封隔器作為多層細分井下工具， 其坐封位置、坐封壓力、密封程度關系施工的成敗［15］ 。 注入水和采出液直接與封隔器接觸。封隔器與套管 材質有區別，電偶腐蝕效應易造成套管腐蝕加劇，即 使使用價格昂貴的鎳基合金封隔器，也易發生陰極 析氫致脆開裂，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油 套管組成電偶對時，鈦合金封隔器不會析氫腐蝕。
3.5 鈦合金海洋輸油氣管線和平臺設備 Titanium alloy offshore oil pipeline and platform equipment 深水、超深水油氣開采已經成為海洋油氣勘探 的主要方向。復雜的海洋環境要求輸油氣管線抗腐 蝕和高穩定。目前使用的不銹鋼和碳鋼管線維護頻 繁，難度大；銅鎳合金管線價格較高，采辦周期較 長。而鈦合金管易于彎曲，具有極高的疲勞強度，能 夠防止海浪沖擊和平臺移動造成的動態應力腐蝕， 適應鋪設過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保證焊縫 均勻可靠，管體拉伸力學性能測試、示波沖擊試驗、 管體壓扁試驗、斷裂韌度 KIC 測試表明其滿足海洋 輸油氣要求。鈦合金質輕，可降低整個系統質量約 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鉆井平臺已得到 驗證。海洋油氣開采使用熱交換可使用鈦合金管狀 冷卻裝置，減少設備腐蝕穿孔的發生。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，可延長設備使用壽命，減少維護工作量。
4 結論 Conclusions
（1）依據鈦合金低密度、高比強度、優良的耐蝕 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發的需要。 （2）鈦合金較高的經濟性能滿足高溫、高壓和具 有腐蝕性油氣田開發提質增效的要求，也為在石油 勘探開發領域廣泛應用提供了可能。
參考文獻 References:
［1］ 龔佑寧，賈昆鵬，潘春旭 . 石墨烯及其在金屬防腐中應用在研究進展［J］. 中國艦船研究，2016，11（1）：80-88. GONG Youning, YU Lianjiang, PAN Chunxu. Graphene and its applications in metal corrosion resistance: a review ［J］. Chinese Journal of Ship Research, 2016, 11（1）: 80- 88.
［2］ 付亞榮 . 石墨烯在油氣開發工程領域應用前景［J］. 工程研究 - 跨學科視野中的工程，2017，9（2）：199-204. FU Yarong. Application prospect of graphene in oil and gas field development engineering［J］. Journal of Engineering Studies, 2017, 9（2）: 199-204.
［3］ 金和喜，魏克湘，李建明，周建宇，彭文靜 . 航空用鈦 合金研究進展［J］. 中國有色金屬學報，2015，25（2）： 280-292. JIN Hexi, WEI Kexiang, LI Jianming, ZHOU Jianyu, PENG Wenjing. Research development of titanium alloy in aerospace industry［J］. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2015, 25（2）: 280-292.
［4］ 劉強，宋生印，李德君，白強 . 鈦合金油井管的耐腐蝕性 能及應用研究進展［J］. 石油礦場機械，2014，43（12）： 88-94. LIU qiang, SONG Shengyin, LI Dejun, BAI Qiang. Research and development of titanium alloy OCTG application in energy industry［J］. Oil Field Equipment, 2014, 43（12）: 88-94.
［5］ 吳欣袁，張恒，徐學軍，張忠世，郭淑君 . 鈦合金在石油 天然氣勘探開發中的應用［J］. 石油化工應用，2016， 35（11）：105-108. WU Xinyuan, ZHANG Heng, XU Xuejun, ZHANG Zhongshi, GUO Shujun. Application of titanium alloy in oil & gas exploration and development［J］. Petrochemical Industry Application, 2016, 35（11）: 105- 108.
［6］ 商國強，朱知壽，常輝，王新南，寇宏超，李金山 . 超高強 度鈦合金研究進展［J］. 稀有金屬，2011，35（2）：286- 291. SHANG Guoqiang, ZHU Zhishou, CHANG Hui, WANG Xinnan, KOU Hongchao, LI Jinshan. Development of uitra-high strength titanium alloy［J］. Chinese Journal of Rare Metals, 2011, 35（2）: 286-291.
［7］ 陳振華．鈦與鈦合金［M］. 北京：化學工業出版社， 2006：258-260． CHEN Zhenhua. Titanium and titanium alloy ［M］. Beijing: Chemical industry press, 2006: 258-260．
［8］ 史雪枝，周小虎 . 鈦合金油井管性能研究及應用評價現狀［J］. 鋼管，2015，44（1）：10-14. SHI Xuezhi, ZHOU Xiaohu. Status quo of research on properties of titanium alloy OCTG and relevant application evaluation［J］. Steel Pipe, 2015, 44（1）: 10- 14.
［9］ 劉建強 . TC4 鈦合金的顯微組織及其抗沖擊韌性［J］. 熱加工工藝，2013，42（12）：63-66. LIU Jianqiang. Microstructure and impact toughness resistance of tc4 titanium alloy［J］. Hot Working Technology, 2013, 42（12）: 63-66.
［10］ 付亞榮 . 納米發電機在油氣田開發工程領域應用前景 ［J］. 石油鉆采工藝，2016，38（4）：531-535. FU Yarong Application prospect of nanogenerator in oil and gas fidld development［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2016, 38（4）: 531-535.
［11］ 張睿，張慧霞，賈瑞靈，郭為民 . 鈦及其合金的腐蝕［J］. 材料開發與應用，2013（8）：96-103. ZHANG Rui, ZHANG Huixia, JIA Ruiling, GUO Weimin. The corrosion resistance of titanium and its alloy［J］. Material development and Applicati, 2013（8）: 96-103.
［12］ SHADRAVAN A, AMANI M. Energy science and technology［J］. 2012, 4（2）: 36.
［13］ 高德利，覃成錦，代偉鋒，唐海雄，魏宏安 . 南海流花超 大位移井摩阻 / 扭矩及導向鉆井分析［J］. 石油鉆采 工藝，2006，28（1）：9-12. GAO Deli, TAN Chengjin, DAI Weifeng, TANG Haixiong, WEI Hongan. Numerical analysis of downhole drag torque and rotary steering system for Liuhua mega-extended-reach wells in South China sea［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2006, 28（1）: 9-12.
［14］ 吳玉祿，劉躍俊 . UAQ 海上氣田鉆井實踐［J］. 石油 鉆采工藝，2011，33（6）：23-28. WU Yulu, LIU Yuejun. Drilling practice in UAQ offshore gas field［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2011, 33（6）: 23-28.
［15］ 付亞榮 . 分層采油多級封隔器坐封模型［J］. 石油機 械，2016，44（10）：90-92. FU Yarong. Setting model of multiple packer for separate layer production［J］. China Petroleum Machinery, 2016, 44（10）: 90-92.
