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、鈦合金管在石油工業(yè)應(yīng)用案例
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 4.5 g /cm3，同樣壁厚與長(zhǎng)度的鉆桿在常規(guī)密度為 1.25 g /cm3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) 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 Φ 127mm S135 鉆 桿 時(shí)，接 頭 內(nèi) 徑 就 由 G105 鉆 桿 的Φ 82. 55 mm 減少到 Φ 69.85 mm，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 Φ 88. 9 mm。接頭內(nèi)徑增大可以顯著降低循環(huán)壓耗。
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 1。
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。
二、鈦合金管在石油工業(yè)的應(yīng)用前景
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，可以減少這類井的成本投入。
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