鈦及鈦合金在油氣開采中的應用研究

游偉 靳文

摘 要：鈦合金具有優(yōu)異的性能，并且已廣泛運用于航天、化學化工、醫(yī)療、石油石化和海洋工程等諸多領域，引起世界上眾多研究者的關注和研發(fā)，并不斷擴展鈦合金的應用領域。當前石油天然氣的開發(fā)成為鈦合金新近涉及的一個領域，盡管鈦合金尤其在勘探開發(fā)領域中存在耐腐蝕不高、腐蝕電位高等局限性問題，但其在開采的鉆桿、輸送管和油套管等重要組建已進入研發(fā)及試驗的階段，在油氣開采中的運用將會愈發(fā)廣泛。

關鍵詞：鈦合金；勘探開發(fā)；石油管材；應用

隨著全球科學技術的快速發(fā)展，石油天然氣的勘探開發(fā)也在不斷的由淺井向深井及超深井發(fā)展，同時還需要應對較強腐蝕性和深海等不同惡劣的勘探開發(fā)環(huán)境，特別是在南海的可燃冰開發(fā)成為世界人們的關注點，是由天然氣對管材新材料、新技術的需求也更加迫切。這種新采用的材料在滿足低端石油管材經(jīng)濟性要求的同時，能夠良好的適應高溫、高壓、高腐蝕等嚴苛條件的勘探開發(fā)環(huán)境，所以需要具有高耐腐蝕的優(yōu)質(zhì)鈦合金石油管材。

1 鈦合金的特性

鈦合金的密度方面金屬鈦20℃的環(huán)境中，密度要比鋁高一些，大約在4.506～4.516g/cm3，比金屬鐵、銅、鎳等常用金屬略低。鈦在882℃以上呈體心立方的β鈦，在882℃以下呈密排六方結(jié)構α鈦。其中，1250MPa抗拉伸強度的高強度鈦合金是現(xiàn)階段重點研發(fā)和應用對象。在-253～600℃規(guī)定溫度范圍內(nèi)，鈦合金抗拉強度及密度是所有金屬中最高的一種。抗拉強度高可以縮小勘探開發(fā)設備的結(jié)構質(zhì)量，還能提升設備功能性，提高設備的技術層次，進一步增加油氣勘探開發(fā)設備的安全性。

鈦金屬具有較高的活性，但鈦表片形成密度極高且鈦氧化層穩(wěn)定，使鈦及鈦合金擁有優(yōu)異的耐腐蝕性能。不同的金屬在海水中腐蝕速率不同，鈦的耐腐蝕方面表現(xiàn)得相對更出色，鈦在海水中幾乎沒有出現(xiàn)被腐蝕的現(xiàn)象，并且鈦合金在腐蝕性更強的高含硫環(huán)境中，腐蝕速率也很低，耐腐蝕性能遠遠高于其他金屬。具有優(yōu)異耐腐蝕性能的鈦合金可以在更多樣、更惡劣的環(huán)境中工作，可以與整體結(jié)構和壽命進行設計，在降低日常維護成本提高勘探開發(fā)設備的服役能力的同時，由于鈦表面具有密度極高的氧化層，鈦合金的勘探開發(fā)設備不需要對其進行涂層保護，減少了制造設備的成本。

鈦合金具有較強的耐沖擊性能，常溫-60～20℃之間，與常用金屬所研發(fā)的銅合金和鎳合金相比，是鎳合金的2.5倍，是銅合金的4倍，鈦合金的抗沖擊系數(shù)已經(jīng)超過0.63，并且沒有出現(xiàn)脆性轉(zhuǎn)變點，鈦合金的斷裂韌性為每80到110MPa，已經(jīng)遠遠超過合金鋼及鋁合金。鈦合金較強的耐沖擊性提高了設備的安全性，也使得鈦合金的應用領域可以變得更加廣泛，為更多嚴苛環(huán)境要求的領域提供更好的支持。

2 鈦合金在油氣開采中的應用

2.1 海上鉆井平臺零件及隔水管采用鈦合金

相對陸地鉆井平臺，海洋鉆井平臺的要求更高一些，國外在20世紀90年代便開始對鈦合金在海洋鉆井平臺的應用進行研究。其中，在北海油田中的海德威油田半潛式浮動平臺已經(jīng)采用鈦合金隔水管，使得隔水管的提升力降低63%，大大降低對巨大柔性接頭的需求，進而使系統(tǒng)成本降低40%，服役期限也提高到25年。同時，將鈦合金使用在各種閥門和其他配件上，對維護的工作量和成本實現(xiàn)進一步減少。

2.2 鈦合金鉆桿

近年國際市場不斷發(fā)展，市場對石油天然氣的需求不斷提高，油氣田的開發(fā)同時面臨進一步提高采收率和提升質(zhì)量的多方面的需求，對油氣勘探開發(fā)提出新挑戰(zhàn)。為提高原油的采收率，降低油氣田勘探開發(fā)成本并延長使用期限，使得大位移井和老井等復雜結(jié)構井越來越多。往常使用的常規(guī)鉆桿已很難滿足這些復雜結(jié)構井的開采需求，使用常規(guī)鉆桿對這些復雜結(jié)構經(jīng)進行開采工作時出現(xiàn)諸多問題，很難通過常規(guī)鉆桿實現(xiàn)解決。比如，超短半徑水平井中的井眼曲率很小，已經(jīng)<18m，使得常規(guī)鉆桿產(chǎn)生較大交變應力。交變應力容易使鉆桿產(chǎn)生疲勞，導致鉆桿斷裂情況發(fā)生，對油田造成重大損失。為避免這些問題，確保油田平穩(wěn)運行，鈦合金鉆桿是現(xiàn)階段較好的選擇。鈦合金具有優(yōu)異特性能有效提升鉆具拉力和安全性增強對復雜事故的處理能力，已被各類結(jié)構井運用，取得良好效果。

2.3 鈦合金輸送管線

鈦合金輸送管具有優(yōu)異的耐沖擊能力和耐腐蝕能力，易于彎曲。通過對鈦合金管線多方面測試數(shù)據(jù)觀察和探究，表明鈦合金管線具有良好機械性能和拉伸能力等特征。同時，鈦合金管的抗應力腐蝕疲勞強度遠超于碳鋼，在對海管鋪設時，鈦合金管可更好的適應鋪設過程中出現(xiàn)的彎曲狀況。此外。鈦合金輸送管在管線焊接方便也有良好的表現(xiàn)，使單面焊接內(nèi)外兩面成型的焊接技術可以得到很好的適用，確保了焊接有效性和穩(wěn)定性。

綜上所述，鈦及鈦合金具有低密度、耐腐蝕等特性，在油氣勘探開發(fā)過程中具有良好的應用前景，國內(nèi)外已對以鈦合金為制造材料的油管、鉆桿等設備進一步應用和研發(fā)，因鈦合金出色耐腐蝕性能和較低成本，使油氣開采所用的管材呈現(xiàn)逐步取代鎳基合金管材的趨勢。同時，鈦合金設備出現(xiàn)，對目前遇到的問題進行改善，還擴大了鉆井平臺開發(fā)范圍、增加平臺的服役期限。

參考文獻：

[1]李獻軍，王鎬，羊玉蘭，馮軍寧，楊蓉.鈦及鈦合金在海洋和大陸油氣開采工業(yè)中的開發(fā)和應用[J].中國鈦業(yè)，2011（02）：18-21.

作者簡介：

游偉（1989- ）女，漢族，陜西安康人，主要從事企業(yè)工會及共青團工作。