鈦合金油井管的特點及應用評價

在油氣開采領域，鈦合金首先被成功應用于海上，如鉆井立管和鉆桿，海洋平臺上的熱交換器、泵、閥門及其他輔助裝置等，目的是減小質量、降低成本和避免破壞。對于陸上油氣開采工業，隨著油氣井的開采環境愈加惡劣，未來的石油專用管材應具有更高強度、耐高壓高溫、高抗腐蝕等性能；因此，國內外目前正在考慮以鈦合金材料替代鎳基合金用于高溫高壓井的井下管柱。

鈦合金油井管具有以下特點：①強度高，屈服強度在 758 MPa （110 kpsi ） 以上；②質量輕，同規格管材的質量約是鎳基合金管的 60%，產生 60%的軸向負荷；③耐腐蝕、無鐵污染，抗腐蝕性能優異，耐 H 2 S、CO 2 腐蝕性能優于鎳基合金 （如 G3、C276 等 ），且耐磨損腐蝕；④抗疲勞強度高，與鋼管相比具有更優異的抗疲勞特性；⑤各向同性，管材橫向與縱向的機械性能較一致；⑥無磁性，便于井下使用；⑦熱膨脹系數是鎳基合金管的 2/3；⑧生產的鈦合金油井管的長度達 12 m、規格可達Ф340 mm 以上；⑨其他性能優異 （斷裂韌性高、低溫性能良好、楊氏模量約為鎳基合金管的 1/2 ）。總之，由于鈦合金密度 （4.5 g/cm 3 ） 較低，鈦合金油井管每米質量相當于同規格鎳基合金管的60%，因此其在應用成本方面有優勢。

鈦合金油井管的應用評價。美國雪佛龍公司對 Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo 在深層含酸氣氣井中的使用進行了全面的評估，包括耐腐蝕性能、機械性能和螺紋連接性能，以確認 Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo 在高溫高壓氣井中的井下適用性。測試的材料為 Ф114 mm （4.5 in ） 鈦合金油井管短節，其最小屈服強度達到 930 MPa （135 kpsi ）。文獻也特別指出：不能將破壞性試驗值用于鈦合金油井管，因為這些值通常用于計算碳鋼的楊氏模量，但不適用于鈦合金。結果表明：該 Φ90~120 mm 鈦合金擠壓管材能夠滿足 API Spec 5CT—2011 （第 9 版） 《套管和油管規范》 對 110 鋼級的性能要求。中石化四川元壩氣田是迄今世界上埋藏最深的酸性氣田之一，埋藏深度達到 6 800 m，H 2 S 平均含量為 5.77%，地層溫度達到 158 ℃，開采時需考慮硫元素的影響，管材的服役條件非常惡劣。開采前期采用鎳基合金油井管，其單井費用達到 2 600萬元人民幣。為了在有效防腐的基礎上，盡可能地降低成本，需要找到一種更加經濟實用的材料來替代鎳基合金。中石化聯合天津鋼管集團有限公司，在 Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo 的基礎上調整化學成分含量，獲得了一種新的 α+β 型鈦合金；開發出 110鋼級、Φ88.9 mm×7.34 mm 鈦合金油井管，并針對該油井管開展了抗腐蝕性能、機械性能、整管性能等評價試驗。

根據四川元壩氣田長興組氣藏開采條件，需考慮鈦合金油井管以下幾方面的腐蝕問題：①采輸過程中的腐蝕速率；②SSCC （四點彎曲和 A 法試驗 ）；③酸化過程中，殘酸返排對管柱的電化學腐蝕；④鈦合金油井管和鎳基合金井下工具連接處的電偶腐蝕；⑤鈦合金油井管發生彎曲并貼合 110SS 材質高抗硫套管時，鈦合金油井管與套管的電偶腐蝕。評價結果表明：開發的鈦合金油井管在各種模擬工況條件下的腐蝕速率均較低 （模擬生產環境中的平均腐蝕速率為 0.003 6 mm/a ），抗 SSCC 性能良好；與鎳基合金油井管相比，鈦合金油井管的抗腐蝕性能與其接近，甚至更優。評價 Φ88.9 mm×7.34 mm 鈦合金油井管的機械性能時，主要分析其屈服強度、抗拉強度、伸長率、沖擊功和硬度。目前還沒有關于鈦合金油井管的技術標準，因此評價的指標均參照 API Spec5CT—2011 標準中關于碳鋼機械性能指標的有關規定。評價結果表明：Φ88.9 mm×7.34 mm 鈦合金油井管的機械性能達到 API Spec 5CT—2011 標準對110 鋼級碳鋼管體和接箍的要求。在對 Φ88.9 mm×7.34 mm 鈦合金油井管進行整管性能評價時發現，該油井管通過了第三方監制下的 ISO 13679 ∶ 2002 《石油和天然氣工業 管道連接試驗程序》 Ⅱ級 B 系和 C 系試驗，以及螺紋連接強度、帶接頭抗擠毀性能及管體爆破性能試驗。評價結果表明：該鈦合金油井管的抗拉伸、抗內壓和抗外擠性能均超過 API Spec 5CT—2011 標準對 110鋼級的要求；在內壓、軸向拉伸、壓縮、彎曲及溫度變化條件下，常溫加載 85%等效應力、高溫加載 80%等效應力循環載荷時，螺紋連接接頭密封性能優異，均未出現泄漏失效現象。