油气行业用钛合金油井管生产与研究应用进展

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杨彪王平龚云柏段艳菲兰欣悦杨钊熊丹刘济威西南石油大学新能源与材料学院四川钒钛产业发展研究中心

摘要:钛合金油井管具有碳钢油井管所不具备的诸多优势，钛合金油井管材已经成为替代传统油井管材的首选。本文总结了钛合金油井管的特点及优势，概述了国内外钛合金油井管生产研发历程、钛合金油井管材料的适应性研究现状及近年来的现场应用情况，最后展望了我国石油天然气用钛合金油井管的应用前景与发展方向。

关键词:石油天然气;钛合金;油井管;适应性。

随着世界能源需求持续增加，全球油气资源持续勘探开发导致浅层油气资源逐渐枯竭，油气资源开采重心已由浅层油气井向深井、超深井发展。随着井深的不断增加，开采井的环境也愈加恶劣，高温、高压等问题对油井管的耐腐蚀性能提出了更为苛刻的要求，而传统铁基油井管材难以满足深井、超深井油气资源开采需求，研发新型油井管材成为迫切需要解决的难题。目前我国普通油井管以碳钢和低碳钢为主，在高浓度H2S、CO2及Cl－存在的恶劣腐蚀环境中常选用镍基合金管，但镍基合金管成本高、成型工艺繁杂、高温强度衰减严重，并且我国镍资源储量小，镍基合金管主要依赖进口，大规模应用将严重影响我国油气资源战略安全。国内外研究发现钛合金在高含CO2、H2S、Cl－等腐蚀介质的环境中具有极强的耐腐蚀性能，力学性能良好，抗疲劳和蠕变性能优异，在恶劣腐蚀环境中有巨大应用潜力。同时我国钒钛资源丰富，钛合金加工工艺成熟，因此钛合金油井管的研发和生产在我国石油天然气行业蕴藏着极大的市场价值，能够保障我国油气资源战略安全。

1)大幅度减轻油井管总质量，降低开采机构负荷。相比于碳钢、镍基合金等传统油井管材料，钛的密度(约为4.5g/cm3)约为碳钢材料的57%、镍的50%，钛合金具有更为出色的力学特性，钛合金比强度约为镍基合金的1.7倍、普通碳钢管的1.6倍。钛合金有利于减轻油井管柱载荷，降低结构件重量，减小开采设备功率，从而增大深油井管柱的安全系数，提高装备的安全性。

2)优良的耐腐蚀性能钛合金表面形成的致密氧化薄膜会阻碍基体与外界环境的进一步反应，在不同腐蚀介质的环境中均表现出优异的耐腐蚀性能，几种金属材料在流动海水中的冲蚀腐蚀速率见表1，结果表明钛合金在流动海水中几乎不发生腐蚀。

表1几种金属材料在流动海水中的腐蚀速率(mm/a)

3)焊接性能优异、高温高压环境下适应性好钛合金具有优良的焊接性能，目前常采用钨极氩弧焊、等离子弧焊、激光焊等焊接方法对钛合金油井管进行焊接，焊缝拉伸强度高，通常可达到管体强度的90%。钛的线膨胀系数为10.2×10－6K－1，弹性模量约比钢小43%，钛合金油井管的热膨胀内应力更低，对高温高压油气井的适应性更强。此外，钛合金油井管材无磁性，可配套常规录井、测井工具，便于井下使用。

4)资源丰富，综合经济性好镍矿资源作为我国一种极为重要的军工材料，国内储量较少，过度依赖镍基合金油井管材与国防军工、油气资源战略发展相悖。我国钛矿资源丰富，一项美国地质调查局统计表明，年全球钛铁矿储量约为万吨，其中中国钛铁矿储量约占全球储量的26.14%。钛合金管材比常规碳钢管材疲劳寿命高(腐蚀环境下其服役寿命甚至高达百倍)，同等规格钛管材的质量比镍基合金管材轻40%，大大降低了维护成本，因此大力发展钛合金油井管不仅符合我国油气资源战略，还具有很高的经济性。

2.1国外生产研发现状

早在20世纪80年代初期，国际上就开始对钛合金在油气开采领域应用的可行性进行了研究，美国尤尼科石油公司在开发地热井时对钛合金等20多种金属进行经济性对比和试验，结果表明钛合金在各种工况环境下几乎未发生腐蚀，同时具有较好的经济性，这一结果推动了钛合金在油气勘探开发领域的应用。经过近40年的研究，国际上涌现出一大批公司开展钛合金油井管的研发和应用。

年起，美国ＲMI钛材公司借助实验的方法研究了不同种类钛合金在“三高”(高温、高压、高腐蚀)环境下的服役行为，明确了钛合金材料的应用可行性与局限性，并通过添加贵金属铂族元素来提高其耐蚀性能。在此基础上，ＲMI公司采用了热旋转-压力穿孔管材轧制工艺研发出了钢级大于MPa的钛合金连续管、油套管等多种钛合金油井管产品。

21世纪初，两家隶属于Weatherford国际有限公司和ＲTI能源系统公司的子公司使用Ti6Al4V钛合金研制出了屈服强度高达MPa，耐腐蚀性能、挠度等性能均满足油气田使用要求的轻质钛合金钻杆，并在美国堪萨斯州下井作业，取得了良好效果。

Chevron公司针对墨西哥湾一些高温高压、超高温高压油气井，研发了Ti-6Al-4V-Ｒu、Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo、Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo等油套管用钛合金。近20多年来，俄罗斯开发了如Ti-5.3Al-2Mo-0.6Zr、Ti-5.5-Al-1.5V-1.4Mo等几种α和近α钛合金，研制了钛合金钻杆、油管、换热器等部件，并成功应用于北海石油平台。

新西兰QuestIntegrityLtd．公司针对钛合金在地热资源开发中的腐蚀情况进行研究，发现钛在25℃至℃高温的地热流体中均表现出良好的稳定性。通过模拟实际生产环境，日本住友金属等公司研究了钛合金管材的腐蚀行为，结果表明钛合金管材在石油天然气开发领域具有明显优势，潜力巨大。

2.2国内生产研发现状

相较于国外，我国在石油天然气勘探开发领域使用钛合金油井管起步较晚，钛合金油井管的研发和应用仍处于初期，与美国、俄罗斯等国家还有较大差距。结合我国钛产业发展进程及钛管材加工历程，国内钛合金油井管生产研发大致经历了以下3个阶段。

2.2.1引进起步阶段

我国钛工业于年开始兴起，年全国钛应用推广小组成立，促进了钛的进一步发展与应用。历经近70年的发展，我国建立了较完善的钛产业体系，成为了世界第二大钛产品生产国与钛材消耗国。

钛管材依据成型方式不同一般分为无缝管和焊接管两类。钛无缝管在我国起步较早，加工工艺较为成熟，主要产出中低强度钛管材，产品供货稳定。与钛合金无缝管相比，钛焊接管具备生产周期短、材料利用率高、成本低、污染小等优点，因此国内企业纷纷将目光转向薄壁钛焊接管的生产研发。20世纪80年代中期，宝鸡有色金属加工厂从美国引进焊管生产线，结束了我国不能生产钛焊管的历史。20世纪90年代中期，中法合资企业法立诺长城焊管公司从国外引进了3条焊管生产线，可以生产钛、不锈钢和铬镍合金焊管。

林永新指出，虽然从国外引进的生产线填补了我国钛焊管生产的空白，但其发展并不顺利，首当其冲的问题就是我国不能生产焊管所需的钛带。湖南湘投金天钛金属有限公司于年研制出国内首卷宽幅热轧钛带卷，年又研制出了第一卷冷轧钛带卷，成功打破了美国和日本在钛带卷领域的垄断，为我国钛焊管的蓬勃发展提供了原材料保障，也为钛管材在石油化工行业的研究应用提供了基础。

2.2.2全面发展阶段

年开始，中国石油天然气集团石油管工程技术研究院(简称管研院)就开始跟踪研究钛合金油井管，并对钛合金管材进行了多方面的评价研究，开发了P级α+β型钛合金油井管。通过与加拿大某研究中心合作，对油套管特殊螺纹接头进行研究，开发了气密封钛合金特殊螺纹接头。管研院还通过试验的方法系统评价了钛合金油井管的应用可行性及耐蚀性能，结果表明钛合金在硫化氢氛围下具有良好的耐腐蚀性能，在多种腐蚀介质共存的高温严苛环境中，能有效预防点蚀，具备一定的抗缝隙腐蚀和应力腐蚀开裂的能力。

宝鸡钛业股份有限公司(简称宝钛)和西部钛业有限责任公司于年开始研发生产Ti6Al4V石油用管，批量生产了直径为90～mm的挤压钛管材，并对其力学性能进行测试，结果(见表2)表明该钛合金挤压管材能够满足API5CT-对钢级的性能要求。

表2宝钛研发的Ti6Al4V挤压管材力学性能

东方钽业股份有限公司采用“两辊冷轧-热矫直”方法试制了TA18钛合金厚壁管材，该工艺缩短了生产周期，提高了成品率，管材室温力学性能满足生产订单要求。鑫鹏源智能装配集团开发出钛管材热轧制成型新工艺，在国内率先生产厚度6～20mm，长达12m的大型钛合金管，克服了钛管材加工过程中变形抗力大等难题，使国产大口径钛合金管的生产成为可能。攀钢集团采用热轧制工艺研制了钛合金油井管材，开发出新的钛合金油井管加工工艺与抗螺纹粘接表面处理技术，经四川省科技厅鉴定该项目技术处于国内领先水平。

西安石油管材院联合忠世高新材料股份有限公司已开发出P钢级的钛合金油管，规格为88.9mm×7.34mm，产品已顺利通过ISII级评价试验。国内七二五所、天津钢管与中石化合作试制出规格为88.9mm×7.34mm的P级钛合金油管，经一系列考核试验，表明该产品不但满足相关设计技术要求，还具有良好的断裂韧性和抗应力腐蚀性能。

中国石油天然气集团有限公司最新研发出MPa级超高强度Ti-Al-V-Zr-Mo钛合金钻杆用管材，经测试，室温下该合金屈服强度大于MPa，抗拉强度大于MPa，伸长率大于10%，冲击功超过60J，在降低生产成本的基础上提高了管材的屈服强度和抗拉强度，满足API-5DP中Ksi强度级别钻杆力学性能标准要求。

在钛合金油井管行业标准方面，由管研院牵头联合其他单位分别于年、年先后起草了SY/T.3—《钛合金油管》标准、SY/T.4—《钛合金套管》标准并发布。上述行业标准的发布对规范相关技术，推动我国钛合金油井管的进一步应用将起到促进作用。

2.2.3自主创新阶段

随着越来越多国内企业近年来的积极研究与推广，国内钛合金油井管的研究开发进入了全新阶段，更多的企业、高校和研究所开始针对我国不同区域油气田特殊的开发需求，有针对地进行了创新研发。

针对我国西南地区普遍为酸性油气田，富含腐蚀介质的特殊工况，七二五所开发出一种高抗硫低成本钛合金，该产品力学性能优良，易焊接成型，钢级达X52级别，可替代双金属复合管材用作石油、天然气集输管线。

渤海能克钻杆有限公司成功研制出全球首批摩擦焊全钛合金钻杆，标志着我国打破国外垄断，成为高品质全钛合金钻杆研制生产国之一。年6月，渤海能克联合管研院共同研制开发，成功下线3.5英寸钛合金钻杆，与传统钻杆相比，该批钻杆质量小，柔性大，具有优良的抗疲劳、耐腐蚀性能，对我国西北区域超深井短半径侧钻工程等施工有更好的适应性。

年9月，宝鸡市怡鑫金属加工厂凭借着自主研发的钛合金核心产品“深海石油钻采用密封环”，历时五年审批，拿到国际专利授权，该产品在深海石油钻采等高尖端行业具有巨大应用潜力。

年10月，由东海石化重型装备有限公司牵头研制的钛合金缠绕管式换热器在武汉通过验收。该设备是国内海洋平台装置中应用的首台钛合金缠绕管式换热器，整体达到国内领先技术水平，适用于海洋石油平台大部分换热器应用场景，具有很强的经济性和技术性，值得推广应用。

2.3钛合金油井管的适应性研究

目前，为了钛合金材料在石油天然气勘探开发领域的进一步应用，国内外机构和研究者针对钛合金油井管选材、理化性能、耐腐蚀性能等诸多方面开展了研究分析。

2.3.1管材性能评价

忠世高新材料股份有限公司对其研制的钛合金油管进行了爆破试验，其爆破形貌为纵向开裂(见图1)，符合行业使用要求。史雪枝等对钛合金油管开展了螺纹连接强度、抗挤毁性能、管体爆破性能等一系列评价试验，结果显示在内压、轴向拉伸、压缩、弯曲等条件变化时，常温与高温条件下分别加载85%、80%等效应力循环载荷，螺纹接头密封性能优异，未出现泄露失效现象。

图1忠世股份钛管材爆破形貌

钛合金散热系数小且表面易磨损，在实际应用中常出现螺纹接头咬合、粘扣等问题，目前常通过等离子喷涂、激光表面强化、微弧氧化(见图2)等表面强化技术改善其磨损性能从而缓解粘扣。申昭熙等发明了一种微弧氧化结合后处理的抗螺纹表面粘扣的处理方法。刘强等采用无氰镀铜的方法在钛合金表面制备了致密、高结合强度的镀铜层来缓解钛合金螺纹粘扣问题。

图2TC4钛合金表面微弧氧化膜层显微形貌

Kane等在前期研究的基础上做了进一步探究，发现钛合金的夏比冲击能量非常低，无适宜的韧-脆性转变温度。刘强等依据相应标准在钛合金油井管体取样进行拉伸、夏比冲击试验等测试，结果表明钛合金管材的强度、冲击吸收能量、硬度等性能均满足APISPEC5CT中P钢级力学要求，与Q钢管材性能相近。李睿哲等研究了固溶处理对石油钻杆用TA15X钛合金材料的组织(见图3)与性能的影响，发现当固溶温度为℃时，TA15X合金的强度提高了MPa，空冷后伸长率达到13%，综合性能良好，满足油气行业性能要求。

图3TA15X钛合金℃固溶处理后的显微组织形貌与拉伸断口形貌(a)显微组织形貌;(b)拉伸断口形貌

祝效华等基于Hamilton原理建立模型，借助HHT-α法对钛合金钻杆在页岩气长水平段的延伸钻进能力进行了研究，分析指出钛合金钻杆能有效减少钻柱摩阻，轻量化的钛合金钻杆的降摩减阻能力高于相同规格钢制钻杆。康红兵等研究了钛合金钻杆在特深井修井作业中的适应性，研究结果显示钛合金钻杆材料的力学性能良好，其旋转弯曲寿命超过S钻杆钢1～2个数量级，可达到次。

2.3.2耐腐蚀性能研究

Schmitt等通过试验对镍基合金和钛合金的耐电化学腐蚀特性进行分析，结果表明在高酸性环境中，镍基合金和钛合金的腐蚀速率受温度、S元素含量、H2S分压等影响，钛合金Ｒ和Ｒ的耐电化学腐蚀性能比镍基合金更好，其中Ｒ最优。Schutz等对Ｒ、Ｒ、Ｒ等几种钛合金在高温封隔液环境中的耐腐蚀性能进行了一系列测试，试验研究结果(见图4)表明钛合金在模拟高温封隔液工况中可抵御电化学腐蚀和缝隙腐蚀，但在某些封隔液组合中则有发生SCC的倾向。

图4几种钛合金在不同环境中的腐蚀速率与断裂韧性［41-42］(a)钛合金在2mass%HCl(煮沸)溶液中的腐蚀速率(自然充气，暴露24h);(b)钛合金的室温空气断裂韧性(Kair)和室温海水断裂韧性(Kscc)

史雪枝等分析了pH值、温度等因素对钛合金耐腐蚀性能的影响，指出在pH小于4的环境中钛进入活化，表面氧化膜开始溶解;当温度升至70℃、pH值超过12时，钛合金表面氧化膜发生溶解，其活性状态下的腐蚀速率随温度上升而增大。

吕祥鸿等先后探讨了TC4钛合金管材在不同含CO2的环境和高pH值完井液中的腐蚀行为。刘强等研究了5种油气开发常用钛材的抗均匀腐蚀、局部腐蚀、点蚀、SCC等腐蚀性能，发现五种钛材的耐腐蚀性能均良好，年平均腐蚀速率不超过0.mm/a。

熊茂县等研究了Ti80钛合金在甲酸钾完井液环境中抗均匀腐蚀、局部腐蚀和SCC的性能，发现随温度升高，Ti80在甲酸钾完井液腐蚀环境下的腐蚀速率先减小后增大，在、和℃时均腐蚀严重且伴有点蚀;SCC试验结果显示Ti80具有应力腐蚀开裂倾向。

虽然钛合金油井管材具有优良的耐蚀性能，然而钛合金油井管耐磨损和耐冲刷腐蚀性能差，表面自然氧化生成的氧化薄膜仅为纳米级，在服役过程中容易被颗粒冲蚀剥落，使钛合金基体暴露在各种腐蚀介质、固体颗粒中而受到冲刷腐蚀，严重时将会导致油管断落掉入井内，造成油气井无法正常生产，并给修井作业带来困难。因此需要通过渗氮、激光表面强化、微弧氧化等适当的表面强化处理来提高钛合金油井管材的耐冲刷腐蚀性能。

20世纪80年代中期，国外已有钛合金油井管的应用实例。美国尤尼科石油公司在SaltonSea区域成功应用Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr合金管材，工作温度超过℃。Chevron公司改进航空工业用高强度耐热Ti-合金，研制出钢级钛合金热采井套管，并于3年在20多口热采井(温度为～℃)中使用。ＲMI公司、Chevron公司也分别将钛合金油管、油套管应用于莫比尔湾、墨西哥湾某些特殊油气井中，使用效果良好。

Torch钻井技术服务公司利用钛合金钻杆和钢钻杆等钻具组合，年在Kansas州Greeley县进行短半径水平井钻井作业，0年借助钛合金钻杆先后在Ector完成3口老井大斜度定向钻井，定向井段长8.5m，井斜角66.5°～89.5°。英国Bunting公司在某工程用钛合金代替碳钢管道部分，成功减轻80%管道质量，不仅有效降低了支撑构件承载量，还提高了管道腐蚀性能。

我国钛合金油井管技术研究和应用起步与美国、俄罗斯等国家相比较晚，但经过众研究机构多年来的共同努力，也取得了一定成果。年，中石化联合天钢在四川省东北元坝气田-2井国内首次成功使用根Φ88.9mm×7.34mm钛合金油管，设定扭矩N·m，下井深度超6m，顺利上扣后经80MPa氦气加压检测20s未发生泄漏。结果表明在当前开采条件下，钛合金油井管的抗腐蚀性能与镍基合金接近，符合APISpec5CT-标准规定的P钢级管体性能指标和接箍要求，填补了钛合金在世界范围内高含硫超深井的应用空白。

年3月，国产钛合金套管在我国海域天然气水合物试采中首次成功作业，管研院按SY/T.4—标准对该产品的实物承载性能、极限工况下的螺纹接头密封性、抗挤毁性能等特性进行评价试验，结果表明钛合金套管承压能力强，抗挤毁性能大于42MPa，螺纹接头的密封性优异。技术人员在关键部位使用钛合金套管，克服了传统钢套管狗腿度大，低温性能不足等瓶颈，保障了此次天然气水合物试采作业的安全性，为钛合金油井管材料在海洋开发中的应用奠定了基础。

年6月，中石化西北油田首次将钛合金钻杆应用于塔河油区TS3CX井的现场开发，此次钻井试验起钻深度.41m，纯钻时长达h，累计转数16万转，出井后钻具完好，应用评价结果表明钛合金钻杆的各项性能均符合行业技术规范，满足实际工况要求。

年7月，由管研院牵头研制的国产钛合金钻杆成功应用于西部油田某7m深超短半径水平井侧钻作业，本次侧钻起始井深m，累计进尺m，定向段井斜角77°，造斜率20.58°/30m。随后，管研院联合中世钛业研制的钛合金钻杆在大庆油田永乐油区源29-5井5m深成功实现了超短半径水平井钻井，打破了国内在超短半径水平井钻井领域的记录，钻井满足设计要求，为我国浅层油气井的进一步开发提供了技术支持，也为国内钛合金油井管技术积累了重要的经验。

钛金油井管在耐腐蚀性能、构件质量、力学性能和综合经济性能等方面都比传统碳钢管材有更大优势，已成为油气行业重要的替代材料。国际上美国、俄罗斯等发达国家在钛合金油井管方面的技术已经趋于成熟，我国钛合金油井管的研发生产经历了3个阶段，也逐渐探索到了符合我国油气战略的发展方向，有待进一步深入研究。虽然我国钛合金油井管总体与国际先进水平存在一定差距，但国产钛合金油管、套管、钻杆等油井管构件均实现了成功应用，这意味着我国钛合金油井管的研发应用进入了一个新时代。分析认为，钛合金油井管产业在我国石油天然气勘探开发领域的发展主要有以下几点思考和建议:

1)积极探索，加大钛合金油井管在深层油气藏、页岩气、海洋石油等领域的进一步应用;

2)针对目前钛合金种类多、牌号不规范、基础研究较少、表面易冲蚀磨损等问题，建议发展石油天然气领域的专用钛合金，独立创新钛材牌号并开发寻找合适的钛合金表面强化处理技术;

3)开展钛合金油井管技术联合攻关，加大国产钛合金管材的基础数据研究、可靠性研究与前瞻性的规划研究，为钛合金油井管的进一步应用提供技术支持，同时完善钛合金油井管性能指标评价，制定行业标准，填补空白。

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