鈦合金是以鈦為基體，加入其他元素組成的合金，鈦合金的性能與所含碳、氮、氫、氧等雜質(zhì)含量有關(guān)，其特點(diǎn)是比強(qiáng)度高、熱強(qiáng)度高、抗蝕性好、低溫性能好、化學(xué)活性大、導(dǎo)熱系數(shù)小、彈性模量小、無(wú)磁。

世界上許多國(guó)家都認(rèn)識(shí)到鈦合金材料的重要性，相繼對(duì)其進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)，并得到了實(shí)際應(yīng)用。目前鈦合金主要用于制作飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)部件，其次為火箭、導(dǎo)彈和高速飛機(jī)的結(jié)構(gòu)件。

鈦合金管是一種高強(qiáng)度耐腐蝕性金屬材料，在我國(guó)資源極其豐富。鈦合金的性能特點(diǎn)為：優(yōu)異的耐酸性氣體與海水耐蝕性能、極高的比強(qiáng)度，這些特點(diǎn)決定了在石油鉆井行業(yè)的廣泛應(yīng)用前景。鈦合金在鉆井中應(yīng)用領(lǐng)域包括鉆桿、油套管、連續(xù)管、隔水管，鈦合金鉆桿以其重量輕，比強(qiáng)度高可取代鋼鉆桿延伸三維水平井與大位移井的延伸能力，減少鉆桿與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的故障；鈦合金油套管性價(jià)比可取代鎳基合金管；鈦合金連續(xù)管可以大幅度提升連續(xù)管作業(yè)適用的井深范圍，使我國(guó)所有井都可以應(yīng)用連續(xù)管進(jìn)行作業(yè)；鈦合金隔水管可以提升平臺(tái)適用水深，避免海水對(duì)隔水管腐蝕。

一、鈦合金的性能

１、優(yōu)異的耐酸性氣體腐蝕性能

鈦合金具有優(yōu)異的抗硫化物應(yīng)力腐蝕性能，抗點(diǎn)腐蝕性能，對(duì)氫致開(kāi)裂不敏感，可在含H₂S、CI-和CO₂共存條件下服役。

１.1 氫致開(kāi)裂（HIC）試驗(yàn)

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)NACE TM 0284-2000，采用A溶液，試驗(yàn)后未發(fā)現(xiàn)表面氫鼓泡現(xiàn)象，證明鈦合金具有良好的氣致開(kāi)裂性能。

1.2 抗硫化物應(yīng)力開(kāi)裂（SSC）試驗(yàn)

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)NACE TM 0177=7-2000A法A溶液進(jìn)行試驗(yàn)，在拉伸應(yīng)力80%σy、85%σy和90%σy載荷下720h實(shí)驗(yàn)后均未發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象。

1.3 點(diǎn)蝕腐試驗(yàn)

依據(jù)ASTM G48試驗(yàn)方法對(duì)鈦合金油管進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果未發(fā)現(xiàn)點(diǎn)腐蝕現(xiàn)象。

1.4 高溫高壓含H₂S/CO₂試驗(yàn)

試驗(yàn)總壓：25MPa；溫度：60℃；試驗(yàn)時(shí)間：720h；H₂S分壓：2.0MPa；CO₂分壓：3.5MPa。

試樣腐蝕前后質(zhì)量沒(méi)有發(fā)生變化，試樣表面也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)腐蝕或點(diǎn)蝕現(xiàn)象，具有優(yōu)異的耐H₂S/CO₂腐蝕性能。

2、優(yōu)異的海水耐蝕性能

幾種海洋工程用金屬材料在流動(dòng)海水中腐蝕速率的比較如表1。

表１　鈦合金與其它常用金屬在海水中腐蝕對(duì)比（mm/a）

從表１可以看出，鈦合金在海水中沒(méi)有腐蝕，而與之對(duì)比的不銹鋼達(dá)到每年腐蝕0.029~0.07mm之間。

３、極高的比強(qiáng)度

幾種艦船用金屬材料的屈強(qiáng)比和比強(qiáng)度的對(duì)比如表２。從表２中可以看出，鈦合金具有強(qiáng)度高、變形能力強(qiáng)的特點(diǎn)，特別是其密度低，考慮構(gòu)件本身重量因素優(yōu)勢(shì)更顯著。

表２　鈦合金與其它艦船用金屬材料強(qiáng)度對(duì)比

4、焊接性能好

鈦及鈦合金的焊接性能非常優(yōu)越，焊接方式通常采用等離子或鎢極氬弧焊，焊接過(guò)程應(yīng)在惰性氣體保護(hù)下或真空狀態(tài)下進(jìn)行，這較容易做到，而鈦合金焊縫拉伸強(qiáng)度可達(dá)到管體強(qiáng)度的90%以上。

二、鈦合金管在石油工業(yè)應(yīng)用前景

鈦合金管在石油中應(yīng)用范圍非常廣泛，就目前的經(jīng)濟(jì)可替代性而言主要有以下方面。

1、鈦合金鉆桿

目前國(guó)內(nèi)已生產(chǎn)出P110鋼級(jí)的鈦合金鉆桿，與常規(guī)普通鋼S135鉆桿相比，其優(yōu)勢(shì)有：

1.1 可以使大位移井與水平井位移延伸更遠(yuǎn)

鈦合金密度僅4.5g/cm3，同樣壁厚與長(zhǎng)度的鉆桿在常規(guī)密度為1.25gcm3的水平段鉆井液中其浮重僅為鋼質(zhì)鉆桿的49%。這種情況下，摩阻力也僅為普通鉆桿的50%左右，而管柱的摩阻扭矩問(wèn)題是大位移井技術(shù)的核心問(wèn)題之一，它決定水平位移的最大延伸，因此鈦合金鉆桿可以更有利于大位移井與三維叢式水平井。在國(guó)內(nèi)目前工廠化鉆井越來(lái)越多情況下，鈦合金鉆桿使用范圍更大。

1.2 減少地面設(shè)備負(fù)荷

鈦合金鉆桿由于重量輕，導(dǎo)致扭矩減少近50％，有效減少了地面頂驅(qū)（轉(zhuǎn)盤(pán)）負(fù)荷，使這種損壞發(fā)生幾率大大降低，而負(fù)荷減少還會(huì)帶來(lái)柴油消耗的減少。

1.3 減少接頭的水力損失

鈦合金鉆桿重量輕，扭矩低，加工的鉆桿接頭可以不必如鋼鉆桿同樣的強(qiáng)化，通常水平井使用φ127mmS135鉆桿時(shí)，接頭內(nèi)徑就由G105鉆桿的φ82.55ｍｍ減少到φ69.85ｍｍ，鈦合金鉆桿由于所受扭矩的減少，80鋼級(jí)的鉆桿可以在同樣位移時(shí)達(dá)到S135鋼級(jí)的強(qiáng)度效果（由于浮重減少51％，扭矩也會(huì)下降51％）。而X95鋼級(jí)的鉆桿接頭內(nèi)徑則達(dá)到φ88.9mm。接頭內(nèi)徑增大可以顯著降低循環(huán)壓耗。

鈦合金鉆桿與鋁合金鉆桿相比，優(yōu)勢(shì)也非常突出，鈦合金與鋼鉆桿接頭性能非常接近，因此可以使接頭與本體為同一材質(zhì)。而通常鋁合金鉆桿雖然也具有重量輕的特點(diǎn)，但由于鋁合金不耐磨損、強(qiáng)度較低，因此需要對(duì)接頭進(jìn)行強(qiáng)化，接頭通常采用鋼質(zhì)材料，這樣導(dǎo)致鉆桿重量降低有限。而且鋁合金強(qiáng)度與高強(qiáng)度鋼相比，還有一定差距，僅能達(dá)到鈦全套鉆桿的2/3左右。此外鋁合金鉆桿的材質(zhì)硬度較低，導(dǎo)致鉆桿與井壁碰撞時(shí)發(fā)生較嚴(yán)重的本體劃痕磨損，因此難以使用。而鈦合金鉆桿則由于本體硬度可以接近于鋼質(zhì)鉆桿，因此可以有效避免這一問(wèn)題。

鈦合金與常規(guī)鉆桿接頭材料性能對(duì)比如表３。

表３　鈦合金與常規(guī)鉆桿接頭材料性能對(duì)比

注：鈦合金數(shù)據(jù)來(lái)自于忠世高新材料股份有限公司。

2、抗腐蝕油套管

對(duì)于同時(shí)含高濃度CO₂與H₂S的氣藏，普通的不銹鋼管和超級(jí)13Cr管材的耐腐性能已經(jīng)滿足不了如此苛刻的腐蝕環(huán)境，需要采用鎳基油管（套管），這類(lèi)套管價(jià)格高達(dá)30萬(wàn)元/t以上，如果使用單位重量?jī)r(jià)格與之類(lèi)似的鈦合金管代替，則可以達(dá)到相似的抗腐蝕性能。而由于鈦合金的密度低，使其與單位長(zhǎng)度、強(qiáng)度相同的鎳基管相比價(jià)格更低。

鈦合金無(wú)縫管通過(guò)第三方試驗(yàn)檢測(cè)：

1）試驗(yàn)用鈦合金油管具有優(yōu)異的抗硫化氫應(yīng)力腐蝕性能、抗點(diǎn)腐蝕和抗全面腐蝕性能，對(duì)氫致開(kāi)裂不敏感，在本實(shí)驗(yàn)高溫高壓條件下耐H₂S/CO₂腐蝕性能良好，具有和鎳基G3合金相當(dāng)?shù)哪透g性能。

2）試驗(yàn)用鈦合金油管的力學(xué)性能均達(dá)到APISpec 5CT中對(duì)P110鋼級(jí)的力學(xué)性能要求，與P110鋼級(jí)的G3鎳合金油管力學(xué)性能相當(dāng)，接頭連接強(qiáng)度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)ISO 10400對(duì)P110鋼級(jí)的要求。

3、鈦合金連續(xù)管

采用鈦合金生產(chǎn)連續(xù)管則由于其重量輕，可以在同樣軸向力情況下，使井深增加近１倍（井筒工作液為清水）。此時(shí)連續(xù)管則適用于深井乃至超深井，鈦合金的良好的可焊接性能使這種應(yīng)用可以不受運(yùn)輸尺寸影響。

對(duì)于常規(guī)中深井來(lái)說(shuō)，鈦合金連續(xù)管可以提高疲勞壽命，也有一定的意義，特別是對(duì)于高腐蝕環(huán)境更有效益。

4、鈦合金隔水管

海上鉆井中隔水管長(zhǎng)期與海水接觸經(jīng)受海水與海洋生物腐蝕，使用鈦合金可以有效解決這類(lèi)腐蝕問(wèn)題，而且鈦合金密度低，重量輕的特點(diǎn)可以使海上平臺(tái)適應(yīng)鉆更深的水深。雖然深水隔水管可以采用浮力塊減少輕平臺(tái)負(fù)荷，但重量越大，浮力塊體積就相應(yīng)增大，這在如中國(guó)南海等洋流速度較快地區(qū)，則增大了隔水管的側(cè)向力，這又帶來(lái)隔水管強(qiáng)度與平臺(tái)拖拽力。在海上鉆井平臺(tái)級(jí)別每增加一級(jí)，日費(fèi)上漲以10萬(wàn)元計(jì)，即使不考慮鈦合金沒(méi)有腐蝕、強(qiáng)度高等其它因素，僅平臺(tái)日費(fèi)節(jié)省就可以在２~３年收回鈦合金隔水管投資。

三、推廣建議

1、發(fā)展鈦合金在石油鉆井行業(yè)的應(yīng)用，不僅可以節(jié)省成本投入，更能提高應(yīng)對(duì)復(fù)雜條件的能力，特別是對(duì)于三維叢式水平井與大位移井、連續(xù)管作業(yè)等，鈦合金鉆桿更能提升作業(yè)能力，對(duì)于石油鉆井行業(yè)具有重要的意義。

2、鈦合金鉆桿與連續(xù)管可盡快進(jìn)行試驗(yàn)性應(yīng)用，如先裝備一支隊(duì)伍，取得應(yīng)用效果后可規(guī)模推廣。

3、鈦合金可以取代鎳基合金作為極端腐蝕環(huán)境下的油套管，可以減少這類(lèi)井的成本投入。

相關(guān)鏈接