钛合金在石油天然气勘探开发中的应用

钛合金钻杆

近年来，为提高原油采收率，降低油气田开采成本，延长油气田开发寿命，复杂结构井越来越多，如大位移井、短半径水平井、老井开窗侧钻水平井。常规钻杆在这些复杂结构井应用时遇到了一些难以解决的问题。如在超短半径水平井中，井眼曲率很小（<18 m），这使得常规钻杆产生很大的交变应力。交变应力引起钻杆疲劳断裂的情况时有发生，给油田带来重大的损失。为解决这些问题，国外开始从新材料上着手，研制钛合金钻杆、铝合金钻杆、复合钻杆等代替常规钻杆。 钛合金钻杆在超深井、大位移井中也有应用。由于钛合金密度低，可降低大钩载荷 30 %，降低扭矩 30 %~40 %，显著提高钻具的拉力余量与安全系数，提高处理事故复杂能力。

钛合金油套

我国的天然气资源中大部分都是含硫气田，如新疆塔里木、四川盆地都属于高含硫油气田。高腐蚀性油气田的开发已成为石油天然气工业面临的重大难题。国内外对高含 H2S、CO2 油气田的管材防腐问题开展了多年的研究，防腐措施大致有三类：加缓蚀剂、防腐涂层、耐腐蚀管材。前两者在一定程度上可以起到防腐作用，但解决不了高温高压条件下长期服役的防腐。因此，选取优质的耐腐蚀材料作管材已成为主导趋势。 耐腐蚀金属管材主要有两大类：镍基合金和钛合金。目前镍基合金使用较为广泛，但镍基合金管材也存在如加工工艺复杂、材料成本高、管材表面易损伤等缺陷。而且我国是红土镍矿资源较为缺乏的国家之一，全国红土镍矿保有量仅占全部镍矿资源的 9.6 %，且国内红土镍矿品位较低，开采成本比较高，这就意味着我国在红土镍矿方面并没有竞争力。因此，从长远来讲依赖镍基合金不利于油气战略发展。我国钛资源丰富，钛铁矿储量达 2 亿吨，占全球储量 28 %，排名全球第一。钛合金以其优异的抗腐蚀性能，近年来开始逐渐应用于高含硫环境中。特别是工况条件比较恶劣， Cl-和 H2S含量很高，一般的不锈钢，甚至是镍基合金都会发生腐蚀的情况下。通过多年的研制，目前已经形成与普通钢材对应的油套管用钛合金材料。钛合金油管力学性能与镍基合金油管力学性能相当，接头强度达到标准 ISO10400 对 P110 钢级的要求。

钛合金输送管线

由于钛合金管易于弯曲，并具有极高的抗海浪冲击和平台移动造成的动态应力腐蚀疲劳强度，钛合金管抗应力腐蚀疲劳强度比现用碳钢高 10 倍以上，同时铺设海管时钛合金管适应铺设过程中的弯曲变形工况。钛合金输送管线焊接性能良好，单面焊接双面成型技术保证焊缝均匀可靠，并且钛合金输送管线机械性能优异，通过管体拉伸力学性能测试、示波冲击试验、管体压扁试验、断裂韧度 KIC 测试。

海洋钻井平台零件、隔水管 海洋钻井平台要求高于陆地钻井平台，早在 20 世纪 90 年代，国外就已经将钛合金运用到海洋钻井平台的各个方面。北海油田挪威分部的海德威油田半潜式浮动钻井平台已使用钛合金作为隔水管，降低整个系统质量达 50 %，从而将隔水管提升力降低了 63 %，省去了巨大的柔性接头，系统成本降低了 40 %，预计服务年限可达25 年之久。 除此之外，海洋钻井平台上冷却系统中的热交换器使用了钛制管状冷却装置；各种类型的泵 （如深井泵、离心泵）均采用了铸钛泵体和钛合金叶轮；各种阀门及其他管件配件也采用了钛制品，减少了维护工作量。