国内外钛合金油井管应用现状
相比于碳钢、镍基合金等传统油井管材料， 钛的密度( 约为 4.5g/cm3 ) 约为碳钢材料的 57%、镍的 50%， 钛合金具有更为出色的力学特性，钛合金比强度约为镍基合金的 1.7 倍、普通碳钢管的 1.6 倍。钛合金有利于减轻油井管柱载荷，降低结构件重量，减小开采设备功率，从而增大深油井管柱的安全系数，提高装备的安全性。 钛合金表面形成的致密氧化薄膜会阻碍基体与外界环境的进一步反应， 在不同腐蚀介质的环境中均表现出优异的耐腐蚀性能， 几种金属材料在流动海水中的冲蚀腐蚀速率见下表，结果表明钛合金在流动海水中几乎不发生腐蚀。 钛合金具有优良的焊接性能， 目前常采用钨极氩弧焊、等离子弧焊、激光焊等焊接方法对钛合金油井管进行焊接，焊缝拉伸强度高，通常可达到管体强度的 90%。钛的线膨胀系数为 10. 2×10－6 K－1，弹性模量约比钢小 43%，钛合金油井管的热膨胀内应力更低，对高温高压油气井的适应性更强。此外，钛合金油井管材无磁性，可配套常规录井、测井工具，便于井下使用。 镍矿资源作为我国一种极为重要的军工材料，国内储量较少，过度依赖镍基合金油井管材与国防军工、油气资源战略发展相悖。我国钛矿资源丰富，一项美国地质调查局统计表明，2018 年全球钛铁矿储量约为 88000 万吨，其中中国钛铁矿储量约占全球储量的 26.14%。钛合金管材比常规碳钢管材疲劳寿命高( 腐蚀环境下其服役寿命甚至高达百倍) ，同等规格钛管材的质量比镍基合金管材轻 40%，大大降低了维护成本，因此大力发展钛合金油井管不仅符合我国油气资源战略，还具有很高的经济性。
20 世纪 80 年代中期， 国外已有钛合金油井管的应用实例。美国尤尼科石油公司在 Salton Sea 区域成功应用 Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr 合金管材，工作温度超过 300 ℃。Chevron 公司改进航空工业用高强度耐热 Ti-6264 合金，研制出 145 钢级钛合金热采井套管，并于 2003 年在 20 多口热采井( 温度为 260 ～290 ℃ ) 中使用ＲMI 公司、Chevron 公司也分别将钛合金油管、油套管应用于莫比尔湾、墨西哥湾某些特殊油气井中， 使用效果良好。 Torch 钻井技术服务公司利用钛合金钻杆和钢钻杆等钻具组合，1999 年在 Kansas 州 Greeley 县进行短半径水平井钻井作业，2000 年借助钛合金钻杆先后在 Ector 完成 3 口老井大斜度定向钻井，定向井段长8.5 m，井斜角 66. 5° ～ 89. 5°。英国 Bunting 公司在某工程用钛合金代替碳钢管道部分，成功减轻 80% 管道质量，不仅有效降低了支撑构件承载量，还提高了管道腐蚀性能。 我国钛合金油井管技术研究和应用起步与美国、俄罗斯等国家相比较晚，但经过众研究机构多年来的共同努力，也取得了一定成果。2015 年，中石化联合天钢在四川省东北元坝气田 205-2 井国内首次成功使用 634 根 Φ 88. 9 mm×7. 34 mm 钛合金油管，设定扭矩 5150 N·m，下井深度超 6200 m， 顺利上扣后经 80 MPa 氦气加压检测 20 s 未发生泄漏。 结果表明在当前开采条件下，钛合金油井管的抗腐蚀性能与镍基合金接近，符合 API Spec 5CT-2011 标准规定的 P110 钢级管体性能指标和接箍要求，填补了钛合金在世界范围内高含硫超深井的应用空白。 2020 年 3 月， 国产钛合金套管在我国海域天然气水合物试采中首次成功作业，管研院按 SY /T 6869. 4—2019 标准对该产品的实物承载性能、极限工况下的螺纹接头密封性、抗挤毁性能等特性进行评价试验，结果表明钛合金套管承压能力强，抗挤毁性能大于 42 MPa，螺纹接头的密封性优异。技术人员在关键部位使用钛合金套管，克服了传统钢套管给推度大，低温性能不足等瓶颈，保障了此次天然气水合物试采作业的安全性，为钛合金油井管材料在海洋开发中的应用奠定了基础。 2020 年 6 月，中石化西北油田首次将钛合金钻杆应用于塔河油区 TS3CX 井的现场开发，此次钻井试验起钻深度 6263.41 m，纯钻时长达 143 h，累计转数 16 万转，出井后钻具完好，应用评价结果表明钛合金钻杆的各项性能均符合行业技术规范，满足实际工况要求。2020 年 7 月，由管研院牵头研制的国产钛合金钻杆成功应用于西部油田某 7100 m 深超短半径水平井侧钻作业，本次侧钻起始井深 6638 m，累计进尺 115 m， 定向段井斜角 77 °， 造斜率 20. 58° /30 m。随后，管研院联合中世钛业研制的钛合金钻杆在大庆油田永乐油区源 29-5 井 1655 m 深成功实现了超短半径水平井钻井，打破了国内在超短半径水平井钻井领域的记录，钻井满足设计要求，为我国浅层油气井的进一步开发提供了技术支持，也为国内钛合金油井管技术积累了重要的经验。
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