钛合金油井管的特点及应用评价

在油气开采领域，钛合金首先被成功应用于海上，如钻井立管和钻杆，海洋平台上的热交换器、泵、阀门及其他辅助装置等，目的是减小质量、降低成本和避免破坏。对于陆上油气开采工业，随着油气井的开采环境愈加恶劣，未来的石油专用管材应具有更高强度、耐高压高温、高抗腐蚀等性能；因此，国内外目前正在考虑以钛合金材料替代镍基合金用于高温高压井的井下管柱。

钛合金油井管具有以下特点：①强度高，屈服强度在 758 MPa （110 kpsi ） 以上；②质量轻，同规格管材的质量约是镍基合金管的 60%，产生 60%的轴向负荷；③耐腐蚀、无铁污染，抗腐蚀性能优异，耐 H 2 S、CO 2 腐蚀性能优于镍基合金 （如 G3、C276 等 ），且耐磨损腐蚀；④抗疲劳强度高，与钢管相比具有更优异的抗疲劳特性；⑤各向同性，管材横向与纵向的机械性能较一致；⑥无磁性，便于井下使用；⑦热膨胀系数是镍基合金管的 2/3；⑧生产的钛合金油井管的长度达 12 m、规格可达Ф340 mm 以上；⑨其他性能优异 （断裂韧性高、低温性能良好、杨氏模量约为镍基合金管的 1/2 ）。总之，由于钛合金密度 （4.5 g/cm 3 ） 较低，钛合金油井管每米质量相当于同规格镍基合金管的60%，因此其在应用成本方面有优势。

钛合金油井管的应用评价。美国雪佛龙公司对 Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo 在深层含酸气气井中的使用进行了全面的评估，包括耐腐蚀性能、机械性能和螺纹连接性能，以确认 Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo 在高温高压气井中的井下适用性。测试的材料为 Ф114 mm （4.5 in ） 钛合金油井管短节，其最小屈服强度达到 930 MPa （135 kpsi ）。文献也特别指出：不能将破坏性试验值用于钛合金油井管，因为这些值通常用于计算碳钢的杨氏模量，但不适用于钛合金。结果表明：该 Φ90~120 mm 钛合金挤压管材能够满足 API Spec 5CT—2011 （第 9 版） 《套管和油管规范》 对 110 钢级的性能要求。中石化四川元坝气田是迄今世界上埋藏最深的酸性气田之一，埋藏深度达到 6 800 m，H 2 S 平均含量为 5.77%，地层温度达到 158 ℃，开采时需考虑硫元素的影响，管材的服役条件非常恶劣。开采前期采用镍基合金油井管，其单井费用达到 2 600万元人民币。为了在有效防腐的基础上，尽可能地降低成本，需要找到一种更加经济实用的材料来替代镍基合金。中石化联合天津钢管集团有限公司，在 Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo 的基础上调整化学成分含量，获得了一种新的 α+β 型钛合金；开发出 110钢级、Φ88.9 mm×7.34 mm 钛合金油井管，并针对该油井管开展了抗腐蚀性能、机械性能、整管性能等评价试验。

根据四川元坝气田长兴组气藏开采条件，需考虑钛合金油井管以下几方面的腐蚀问题：①采输过程中的腐蚀速率；②SSCC （四点弯曲和 A 法试验 ）；③酸化过程中，残酸返排对管柱的电化学腐蚀；④钛合金油井管和镍基合金井下工具连接处的电偶腐蚀；⑤钛合金油井管发生弯曲并贴合 110SS 材质高抗硫套管时，钛合金油井管与套管的电偶腐蚀。评价结果表明：开发的钛合金油井管在各种模拟工况条件下的腐蚀速率均较低 （模拟生产环境中的平均腐蚀速率为 0.003 6 mm/a ），抗 SSCC 性能良好；与镍基合金油井管相比，钛合金油井管的抗腐蚀性能与其接近，甚至更优。评价 Φ88.9 mm×7.34 mm 钛合金油井管的机械性能时，主要分析其屈服强度、抗拉强度、伸长率、冲击功和硬度。目前还没有关于钛合金油井管的技术标准，因此评价的指标均参照 API Spec5CT—2011 标准中关于碳钢机械性能指标的有关规定。评价结果表明：Φ88.9 mm×7.34 mm 钛合金油井管的机械性能达到 API Spec 5CT—2011 标准对110 钢级碳钢管体和接箍的要求。在对 Φ88.9 mm×7.34 mm 钛合金油井管进行整管性能评价时发现，该油井管通过了第三方监制下的 ISO 13679 ∶ 2002 《石油和天然气工业 管道连接试验程序》 Ⅱ级 B 系和 C 系试验，以及螺纹连接强度、带接头抗挤毁性能及管体爆破性能试验。评价结果表明：该钛合金油井管的抗拉伸、抗内压和抗外挤性能均超过 API Spec 5CT—2011 标准对 110钢级的要求；在内压、轴向拉伸、压缩、弯曲及温度变化条件下，常温加载 85%等效应力、高温加载 80%等效应力循环载荷时，螺纹连接接头密封性能优异，均未出现泄漏失效现象。