前 言

钛是20世纪50年代发展起来的一种沉要的结构金属
，钛能够与其他金属元素形成合金
，提高和改善其力学机能与物理个性
，以适应分歧的必要 [1] 。钛及其合金拥有高强度 [2-3] 、低弹性模量 [4] 、良好的耐侵蚀性 [5-7] 、优良的生物相容性 [8-9]等个性
，在航空航天紧固件、石油工业、工程部件、医疗起搏器等领域得到了宽泛利用。

随着科学技术的飞速发展以及人们生涯质量水平的提高
，国内表对油气资源的需要日益增长。传统的油气勘探技术已无法满足石油工业向深层油气勘探开发的需要
，随着勘探地层的加深
，所遇到的开采环境也更趋复杂
，地层压力达到约150 MPa
，温度达到约300 ℃
，井深达到10 km左右
，H₂S和CO₂含量也在增长 [10-11]
，这就使得对油井管的机能和质量要求越来越严苛。

我国传统的油井管大多选取碳钢
，好比G105、L80、N80、P110等。然而
，我国油气开发环境较为恶劣
，油井管在井下服役不只有面对高温、高压的挑战
，还要经受H₂S、CO₂ 、高浓度盐水/完井液、单质硫和强酸等侵蚀环境的共同作用 [12]
，传统碳钢油井管已无法满足恶劣的服役环境。国表利用于油井管迪胙合金资料重要有UNS R56404（Ti-6Al-4V-0.08Ru）、UNS R55400（Ti -5.5 Al-4.3 Zr-5.7 V-1.3 Mo-0.10 O-0.06 Pd）、UNS R58640 （Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo）、UNSR56260 （Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo） 等
，随着技术的进取
，抗侵蚀机能好、比强度高的TC4 （Ti-6Al-4V）钛合金也逐步利用到我国油井管中。

1、钛合金组织及力学机能钻研进展

1.1　组织

钛合金室温平衡组织拥有三种典型的结构
，即六方密排结构α、体心立方结构β和α+β双结构 [13] 。依照亚不变状态组织可分为α型、近α型、α+β型、近β型、亚不变β型和β型等多个系列迪胙合金
，商标近百种 [14-15] 。在温度低于882 ℃时
，形成典型的密排六方结构α相
，当温度超过882 ℃时
，α相则转变为体心立方结构β相 [16] 。

其中α型钛合金不能进行热处置强化
，所以通常强度不超过689 MPa
，通常其重要用于低压流体输送管路
，如换热牵造、冷却管路等 [17] 。α+β型合金由于能够热处置强化而拥有较好的强度和韧性匹配
，能够用作造备较高强度要求的钻杆、油套管等 [18] 。但是若是在对强杜仔更高要求的工况下
，能够选择β型或者近β型钛合金
，这种合金通过节造β相和二次α相的描摹和尺寸
，可能获得强度高达1 140~1 242 MPa迪胙合金管材 [19]
，同时β型或者近β型钛合金还拥有更好的抗氢机能
，该特点是α型和α+β型钛合金所不具备的。

1.2　力学机能

钛合金相较于碳钢而言
，拥有较高的强度和较低的延长率
，其力学机能更优。Mou等 [20] 对钛合金油管和 G105钢进行委顿机能对比试验
，在分歧应力水平下的委顿寿命数据见表 1。由表1可知
，钛合金试样的委顿寿命约为G105钢的2倍
，且随应力水平的增长
，二者的差距略有增大。但将资料的试验了局扩大到钛合金钻杆的宏观机能时
，在一样的弯曲度和轴向载荷下
，钛合金钻杆的委顿寿命是G105钢钻杆的10~12倍。

在一样弯曲应变下
，钛合金管的应力水平是G105钢管的一半
，但钛合金在侵蚀和委顿环境下的机能优于G105钢。

不少学者以为对钛合金进行一系列的改进处置能够加强它的某些机能。Chun等 [21] 对此提供了一些证据
，他们钻研了时效处置对Ti-5Al-3V-1.5Mo-2Zr钛合金钻杆组织和力学机能的影响。

原始试样的抗拉强度（R m ） 为972 MPa
，屈服强度 （R t0.2 ） 为885 MPa
，伸长率 （A） 为15%
，硬度 （HV 0.3 ） 为 325
，经过分歧温度时效处置后
，钛合金钻杆资料的力学机能产生了显著变动
，钻研了局显示处置后Ti-5Al-3V-1.5Mo-2Zr钛合金的β晶粒尺寸增大
，晶界清澈
，α相荟萃
，晶界α相隐没。初生层片状α相尺寸增大
，次生α相体积分数逐步增大。后选取CMT5105拉伸试验机
，依照GB/T 228.1—2010进行力学机能试验
，发现强度增大
，伸长率降低。随着时效温度的升高
，硬度先升高后降低（图1（a））
，与原试样相比
，拉伸强度和屈服强度显著提高
，延长率降低（图1（b））
，而Ti-5Al3V-1.5Mo-2Zr钛合金钻杆资料的屈服景象不显著
，在应力-应变曲线上没有显著的屈服平台（图1（c））。时效后α/β界面位错堆积提高了合金的强度
，二次相析出越多、晶粒越幼
，强化成效越显著。

钛合金油管、套管在地下会接受较大的表部压力载荷
，Liu等 [22] 基于强度抗压准则模型成立了一种新迪胙合金油套管强度预测模型
，对分歧关键参数迪胙合金管和钢管的抗压强度进行推算和比力。试验了局批注
，钛合金管的抗压强度幼于一样规格的钢管。因而钛合金油管、套管的抗压强度对管柱在井下的安全至关沉要。

国表学者 Schutz 等 [23] 将 UNS R56404 钛管露出在液态汞中
，在有关油气出产前提下
，对其别离进行高应力、持续拉伸和循环加载试验
，发此刻232 ℃的液态汞中
，钛管能够齐全抵抗液态金属脆变和其他大局的环境退化。他们还对 UNSR55400钛合金在ANSI/NACE MR0175/ISO 15156尺度下的酸性使用情况进行了钻研[24] 。UNSR55400属于α+β型钛合金
，是专门为高温高压油气出产服务开发的一种新型高强度钛合金
，他们发现UNS R55400钛合金能够在高达198g/L氯化物(鼓和)的酸性盐水环境中使用
，并且能够在最大硬度41HRC、最高温度288 ℃
，含或不含单质硫环境中
，接受至少高达3.45 MPa的H₂S分压和6.9 MPa的CO₂分压的酸性前提下使用。

综上所述
，钛合金油井管的抗侵蚀机能要优于传统碳钢油井管
，其次能够通过期效处置来强化其自身的力学机能
，并且拥有抵抗液态金属脆变、抗硫抗酸的良好个性。但是在拥有较大表部压力载荷的服役环境时
，钛合金油井管的抗压强度远不如碳钢油井管。我国针对若何改善钛合金抗压、抗弯强度方面的钻研甚少
，因而
，钻研在高应力前提下维持甚至提高钛合金资料强度拥有沉要意思。

2、钛合金在石油工业中的利用

随着油气勘探向深水、高温高压、高侵蚀等极度规油气资源的不休发展 [25-28]
，现有的油井管资料已不能满足其使用前提 [29] 。钛合金油井管拥有比强度高、耐侵蚀性好、弹性模量低、易冷成型、耐海水侵蚀蹬着良个性 [30-31]
，因而被利用于深井、超深井、短半径水平井和高酸油气井傍边
，成为支持其发展的有力工具。

早在20世纪90年代
，钛合金就因其良好的综合机能被利用于石油工业。美国RMI公司 [32] 研造出机能良好、可用于油井管材的α+β型钛合金管。之后RMI公司在此基础上
，又研造了一系列合用于石油工业迪胙合金资料
，如 Ti-Bcta-C、3-2.5RU等。国产钛合金油井管是由西安罕见金属资料钻研院有限公司研造开发的
，与传统钢管相比
，拥有质量轻、强度高、耐侵蚀、抗委顿蹬着点。钛合金已成为未来盛行的油井管材
，它能有效地解决恶劣工况下油井管路的侵蚀失效问题。

2.1　钻杆

对于一些必要特殊工艺开采的油井
，选取钛合金钻杆是未来的趋向 [33] 。与常用钢造钻杆相比
，钛合金钻杆拥有矫捷、结构应力幼、耐委顿、耐侵蚀、质量轻蹬着点
，在高曲率井的钻井利用中拥有利用远景。但钛合金硬度低
，耐磨性差
，在磨损过程中容易产生咬伤和粘附
，使元件在使用初期失效。威德福的子公司Grant Prideco和RTI能源系统公司开发了一种选取热轧工艺迪胙合金钻杆
，它不仅拥有通常钢管的强度
，还拥有合成资料的柔韧性
，质量更轻
，耐侵蚀
，经久耐用 [34-36] 。

与国表相比
，我国钛合金钻杆技术起步较晚
，但发展迅速。钛合金钻杆杆体选取Ti-6Al-4V热轧无缝管造成。设计加工的Ф73.02 mm钛合金钻杆表径73.02 mm
，壁厚9.19 mm
，长9.15 m。钻杆杆体抗拉强度和委顿强度高
，弹性模量低
，耐侵蚀机能好
，造作成本低。此表
，Ti-6Al-4V资料还拥有优良的热锻、加工和焊接机能。图 2 为G105、S135、V150和钛合金钻杆试样的硬度测试了局
，从图2能够看出
，钻杆硬度散布较为均匀
，钛合金钻杆的弹性模量和密度都低于钢钻杆
，但钛合金钻杆的硬度却高于 G105和 S135
，这一机能可能会加强钛合金钻杆的耐磨性 [37] 。钛合金增厚钻杆端壁厚度的锥度转变能够显著降低钻杆头与钻杆体接头处的弯曲应力
，使钻杆接头的弯曲应力沿轴向均匀散布
，从而大大提高钛合金钻杆的抗委顿机能。钛合金钻杆更合用于短半径井、长水平井、侵蚀环境复杂的井眼轨迹井 [37] 。

2.2　油套管

油套管是用于支持油、气井井壁的管材
，以保障钻井过程和完井后整个油井的正常运行。每一口井凭据分歧的钻井深度和地质情况
，要使用几层套管。套管下井后要选取水泥固井
，它与油管、钻杆分歧
，不成以沉复使用
，属于一次性亏损资料
，其亏损量占全数油井管的70%以上
，因而油套管资料亟需改进。

美国雪佛龙公司研造了 Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo、Ti-6Al-4V、Ti-6Al-4V-Ru、Ti-3Al-8V-6Cr -4Zr-4Mo等钛合金油套管资料
，已在墨西哥湾部门高压高温、超高压高温井当选取 [38] 。其中
，热采井使用迪胙合金套管选取Ti-6246合金资料。自2003年起
，145钢级钛合金套管利用于深度1 524 m、温度260~287 ℃的热采井中
，获得了优良的成效。RMI公司选取热旋转-压力穿孔管材轧造工艺
，成功研造出钛合金套管、油管和陆续管。经美国侵蚀工程师协会NACE认定
，RMI公司出产迪胙合金油井管在330 ℃以下
，齐全可抵抗H₂S、CO₂ 和Cl_-侵蚀
，Gr29钛合金管材在酸性油气井服役实际证明
，其抗侵蚀能力超过C276镍基合金
，成本低于G3镍基合金油套管 [39-40] 。

我国宝钛集团对Ti-6Al-4V钛合金升级改型
，批量出产了Φ90~Φ120 mm挤压钛合金管材
，在埋藏深度6 800 m、H 2 S体积分数5.77%、地层温度158 ℃的元坝气田利用
，抗硫化物应力侵蚀机能与镍基合金油井管相近
，甚至更优。中国石油集团石油管工程技术钻研院等利用α+β型钛合金开发了P110钢级钛合金油井管
，并与加拿大CFer中心合作进行了油套管特殊螺纹接头气密封机理钻研
，对牙型设计、过盈量推算及密封结构两全抗黏扣机能进行钻研
，开发了气密封特殊螺纹钛合金接头
，经中国海洋石油公司下井试验
，证明其机能超过 API SPEC 5CT—2011尺度对P110钢级钛合金的要求 [41] 。

3、钛合金油井管抗侵蚀机能钻研进展

钛合金抗侵蚀的性质是由于钛是一种热力学不不变的元素
，尺度电极电位只有-1.63 V (尺度氢电极HSE)
，因而使得钛脊合金在空气甚至水中极易形成一种陆续、致密同时又极度薄的表表氧化膜
，由内层的 Ti₂O₃ 和表层的 TiO₂组成
，并且随着氧化还原反映的进行而不休增厚。氧化膜覆盖在钛合金的表表故障了反映电荷传输而削减或抑造了钛合金在侵蚀介质中的溶化
，出现钝化景象。然而
，钛合金拥有比其他合金更高的正电位
，当与分歧的合金耦应时
，钛合金作为阴极被
；
，加快了耦合金属的侵蚀
，可导致结构粉碎 [42] 。因而
，国内表学者对钛合金在钻杆和油套管中的抗侵蚀机能也进行了肯定的钻研。

3.1　钛合金钻杆抗侵蚀机能钻研进展

Peng 等 [37] 对钛合金钻杆的委顿机能进行了评价
，了局批注
，在空气中随着钢种等级的提高
，钻杆的委顿寿命会耽搁
，而在钻井泥浆中
，钛合金钻杆的委顿机能最好。图3 （a） 显示了分歧钻杆试样在室温 H₂S 泥浆下的委顿曲线
，H₂S泥浆的存在会大大降低每个钻杆试样的委顿寿命
，注明钻杆对H₂S泥浆拥有较高的敏感性。

在H₂S泥浆环境下
，钛合金钻杆的委顿寿命显著高于 G105、S135 和 V150 等钢钻杆。图 3 （b）绘造了100 ℃、H 2 S泥浆中分歧钻杆的S-N曲线
，与室温空气相比
，G105、S135、V150和Ti试样的委顿寿命显著降低。H 2 S泥浆与温度的耦合成分比单一成分对钻杆委顿寿命的影响更大。在这种耦合前提下
，钛钻杆的委顿寿命仍比其他钻杆拥有较大的优势。

Chen等 [43] 选取新型表表处置微弧氧化技术
，在氧化溶液中参与分歧浓度的钨酸钠
，对TC4钛合金钻杆表表进行微弧氧化处置。钻研批注
，钨掺杂能有效提高TC4钛合金钻杆的硬度和抗侵蚀机能。并且当钨酸钠浓度为3g/L时
，钛合金钻杆上微弧氧化层的综合机能最佳。

综上钻研
，钛合金钻杆在高温高硫环境下的侵蚀委顿寿命优于钢钻杆
，并且TC4钛合金表表经过处置可能有效提高钻杆的硬度和抗侵蚀机能。但是目前对于通过表表处置的步骤来提高钛合金钻杆的抗侵蚀机能的钻研还很少
，这也为今后的钻研提供了方向。

3.2　钛合金油套管抗侵蚀机能钻研进展

Wang等 [44] 对能够用作油套管迪胙合金资料TC4进行了钻研
，他们发此刻酸性侵蚀环境下
，TC4合金表表部门存在电化学侵蚀景象
，以点侵蚀为主。在含CO₂的完井液中
，TC4合金的侵蚀水平较严沉
，但在含CO₂的地层水中耐侵蚀机能较好。在上述两种含CO₂ 的侵蚀介质中
，TC4合金拥有优异的抗应力侵蚀开裂机能。与陆地环境相比
，TC4合金在深
；肪持卸杂αη质纯迅舾。同时
，Wang等 [45] 还钻研了分歧应力加载前提下TC4钛合金的耐蚀机理
，发现加载弹性应力的试样表表出现凹坑
，但孔蚀水平较轻
，表表膜层阐发出n型半导体性质
，拥有阳离子选择透过性。当接受塑性应力的试样表表凹坑更深、尺寸更宽
，表表膜层的半导体型转变为p型时
，Cl - 、CO₃^2- 等阴离子更容易吸附、粉碎
；つ
，并通过
；つび牖褰哟
，导致TC4钛合金耐侵蚀机能降落。

目前
，非传统油气田工作前提恶劣。高温会降低油管和套管的屈服强度和弹性模量
，高压会增长油管和套管的压力。在H₂S、CO₂和Cl - 的单独或共同作用下
，油套管的侵蚀越来越严沉。钛合金油管、套管能够有效解决井下侵蚀失效问题
，但目前对钛合金油管、套管耐侵蚀机能的钻研还不美满
，必要进一步钻研。

3.3　钛合金油井管抗侵蚀机能影响成分

Schutz 等 [46] 比力了 UNS R55400 合金管柱与其 他 油 田 钛 合 金 管 柱 的 耐 腐 蚀 性 能
， UNSR55400 管路开发的尝试室侵蚀测试数据显示
，在油田工业有关的高酸性、非酸性富含氯化物的水环境中
，钛合金抗SSC和部门点蚀及缝隙侵蚀能力有所提高。表2展示了在分歧油田环境中分歧类型钛合金的近似环境服役极限值。从表2能够看出
，UNS R55400和UNS R56404钛合金在酸性和非酸性富氯化物水环境中机能最好
，强度最高的是UNS R58640 beta钛合金。

Wei等 [47] 钻研了退火温度对Ti-Mo钛合金在盐酸中的组织演变及侵蚀行为的影响
，他们发现退火温度超过850 ℃后
，钛合金表表形成的MoO₃和TiO₂钝化膜加快溶化
，侵蚀速度增长
，形成α相和β相微原电池。此表
，该钝化膜显示出与退火温度无关的n型半导体机能。

通过以上钻研成就发现
，退火温度、高酸、非酸性富氯化物水环境城市影响钛合金的抗侵蚀机能
，这一结论对今后优化钛合金资料拥有领导意思。

4、钛合金资料造备与优化

为相识决短半径水平井中钢造钻杆早期委顿的问题
，Grant prideco与RTI能源公司结合开发了一种钛合金钻杆 [48] 。该钛合金钻杆强度高、质量轻、耐侵蚀。Schutz和 Watkins [49] 在合金元素的基础上选取传统的α+β钛合金TC4钻杆
，通过限度合金中最大的合金元素含量 （ 即ELI的最高评级为0.13%O）
，以最大限度提高抗断裂机能。

在合金中参与0.1%Ru
，研造出Ti-6Al-4V-Ru和Ti-3Al-2.5V-Ru 是两种成本较低的耐侵蚀高强度钛合金钻杆
，并已成功利用于地热卤水井、海上立管锥形应力接头和深海海上钻井平台。微合金元素Ru的参与使合金拥有耐应力侵蚀的机能
，在使用温度高达330 ℃、pH值低至2.3时
，耐侵蚀机能仍较好 [50-51] 。优化后迪胙合金钻杆拥有优良的耐侵蚀机能、低成本、高强度的个性。Zhang等 [52] 以增材加工TC4合金为基础
，优化两步化学抛光工艺
，获得了较好的表表质量。抛光后TC4合金的失沉率仅为2.51%
；TC4表表粗糙度降低了71.86%
，表表质量得到了显著改善
，在合金表表形成了均匀不变的TiO₂钝化膜。与未抛光的TC4相比
，抛光后试样表表钝化膜的厚度减幼
，钝化膜的电阻增大
，拥有较高的耐蚀性。Zhang等 [53] 提出了一种新型激光加工的试验设计
，利用沉积Ti-Al-V-xC合金来说明基体中C、Al和V之间的固溶关系以及C对TiC沉淀行为的影响
，钻研了局批注
，C的固溶强化和TiC的陆续析出提高了钛基合金的压痕硬度、弹性模量和屈服强度
，这项工作将为设计用于激光增材造作和其他激光加工技术的优化钛基复合伙料奠定基础。Zhao等 [54] 在硅对高温钛合金机能和强化机理的影响钻研中提出
，硅的参与有利于提高高温环境下钛合金的强度、抗蠕变性和抗氧化性
，但是这也存在着降低钛合金塑性的短处。这项钻研为造备高温环境下服役的油井管提供了新的钻研方向。

5、实现语

固然目前对于钛合金在油井管的利用已经有了较多的钻研成就
，但依然存在一些亟待解决的问题
，例如抗氧化性差、硬度低、可焊机能差
，出格是表表硬度较低
，导热性和耐磨性差
，钛合金管材螺纹粘扣问题
，利用优化的资料造备的油井管能否长功夫服役于高CO₂和高H₂S环境
，以及凭据现实使用需要可能必要思考资料的焊接机能问题
，这些问题的进一步突破将对钛合金利用领域的拓展钻研拥有沉要意思。

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作者简介：奚运涛（1978—）
， 山东巨野人
，工学博士
，教授
，硕士生导师。重要钻研方向为油气田侵蚀和结垢机理及防治措施钻延注资料表表处置技术以及油气田新资料和新工具研发与利用。

通讯作者： 王 雷 （1988—）
，陕西西安人
，工学博士
，教授
，硕士生导师。重要钻研方向为石油管材力学机能分析、石油设备侵蚀与防护。

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