鈦合金在油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域的應(yīng)用前景
分類：行業(yè)資訊 發(fā)布時(shí)間：2023-02-22 瀏覽量：1139
石油天然氣勘探開發(fā)不斷向深井、超深井、惡劣腐蝕環(huán)境和深海發(fā)展，特別是南海可燃冰開發(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，雙相不銹鋼無法滿足酸化要求，滿足“三 高”要求的鎳基合金價(jià)格很高。國內(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 7 ML（約為 2.347 8 mm 厚）石墨烯薄膜可滿足油氣勘探開發(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 ISO13679Ⅱ級(jí)評(píng)價(jià)試驗(yàn)，在中國海洋石油進(jìn)行了下井試驗(yàn)［4］ 。類似 ASTM B337、 SY/T 6896.3 等國內(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發(fā)領(lǐng)域新材料 已成必然。
陜西華辰鈦業(yè)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(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］ 。
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 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(chǎn)生，對(duì) 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(fā)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(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)，延長服役年限，經(jīng)濟(jì)性大幅 度提高。
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 0.63，且無脆性轉(zhuǎn)變點(diǎn)；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(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 中國是鈦資源大國，而鎳礦資源貧乏，主要還依 靠進(jìn)口。從長遠(yuǎn)來講，大力發(fā)展鈦合金油管代替鎳 基合金管有利于進(jìn)一步降低油田開發(fā)成本。2000 年 以后，國內(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。
2 在油氣勘探開發(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 油氣勘探開發(fā)過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 在油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域應(yīng)用前景 Application prospect in the field of petroleum exploration and development
國內(nèi)外學(xué)者認(rèn)為，未來 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 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(shè)計(jì)、開采工藝、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海上進(jìn)行了初步應(yīng) 用。比如：Unocal 石油公司在溫度超過 300 ℃的美 國 Salton Sea 區(qū)域油氣開采中應(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。國內(nèi)外 Chevron，國內(nèi)寶鋼、天鋼、華菱鋼管、中國石油 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發(fā)、鈦合 金酸化緩蝕劑開發(fā)、鈦合金管 ISO13679 評(píng)價(jià)試驗(yàn)、 鈦合金專用螺紋脂開發(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，開發(fā)的產(chǎn)品已順利通過 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，測點(diǎn)滯后，井眼不規(guī)則，易發(fā)生鉆柱“自鎖”［14］ ； 老井開窗側(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。目前開發(fā)出的 Ti–6AI–4V 鈦合 金鉆桿本體尺寸、長度滿足 API 規(guī)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(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(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(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(jìn)口，增加了油氣開采 成本。而中國鈦資源占全球儲(chǔ)量的 28%，排名第一。 近年來，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 油田開發(fā)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(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(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。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)性能測試、示波沖擊試驗(yàn)、 管體壓扁試驗(yàn)、斷裂韌度 KIC 測試表明其滿足海洋 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 有腐蝕性油氣田開發(fā)提質(zhì)增效的要求，也為在石油 勘探開發(fā)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用提供了可能。
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