随着全球浅层油气资源的逐步削减，油气资源勘探开发不休向深地深海发展，高温高压油气田和深海油田的占比不休提高，部门井深已经超过9 km，地层压力超过140 MPa，地层温度超过200 ℃ [1] 。自20世纪50年代末，世界石油钻采的井深不休增长，目前世界上钻采的最深井属于阿联酋阿布扎比国度石油公司（ADNOC）在Upper Zakum油田勘探开采出的人为岛UZ-688井，其水平井完钻井深（斜深）达15.24 km [2] 。中国2022年原油产量达2.04×10 8 t，实现了“七年行动打算”重要节点指标，其中极度规油气藏（如高含H2S、CO2和Cl^-）持续急剧上产。中国油气开采的探井钻探深度不休刷新纪录，如2023年5月中石油在新疆塔克拉玛干戈壁开钻了设计井深11.1km的深地塔科1井，同年7月中石油在四川盆地剑阁县开钻了设计井深10.52 km的深地川科1井 [3–4] 。

在超深井的高温高压倒役环境中，石油管材会受到多相协同冲刷侵蚀，通常碳钢资料在冲刷侵蚀下会产生侵蚀失效甚至是断裂，不满足油气行业选材要求。好比2009年投产的渤海某油田中两个出产平台，共85口井大部门产生出砂以及筛管被冲蚀穿孔景象，地上设备也造成不小的损失 [5] 。镍基资料虽拥有优异耐蚀性，但其成本高、难加工和低温脆化，不利于石油能源行业的持续发展 [6–7] 。

钛合金拥有高强度、低密度、低弹性模量、良好的耐蚀性和耐热机能，能够在降低油管自重的同时，有效预防大无数原油介质引起的侵蚀（含硫化物、氯化物、H₂S和CO₂ 等） [8–9] 。早在20世纪80年代，国外学者Hass等 [10] 就论述了近海石油钻井平台的结构安全和设备保养等与侵蚀有关，为此选用钛合金以解决这一侵蚀问题，由此起头了钛合金在油气行业的利用。在“十三五”期间，中国钛合金油套管、钻杆等特殊管的利用规模持续扩大。

固然中国钛产业发展相对较晚，但占有丰硕的钛资源，抗风险能力强，目前已形玉成球规模最大，产业链齐全的钛工业系统。随着油气资源勘探开发不休向深地深海发展，钛合金在油气行业有更辽阔的利用远景。

本文总结了钛合金在油气行业的利用及钻研进展，指出钛合金在油气行业利用的局限性及改进措施，提出中国钛合金在油气行业的下一步发展建议。

1、 钛合金在油气行业的利用优势

钛合金拥有低密度、高比强度和优异耐蚀性等特点，在中国钛材储量丰硕，拥有极高的战术价值。相较于通常碳钢、铝合金和镍基合金等资料，钛合金在油气行业拥有较大的利用优势，重要体此刻4方面。

（1）减轻管柱自重，降低管柱应力。钛合金的密度（4.5 g/cm³）约为钢（7.85 g/cm³ ）的60%，镍合金（8 ~ 9 g/cm³）的50%，能够有效降低石油管柱自重，钛合金的比强度约为366 (N·m)/kg，其比强度高于超硬铝合金和高强度合金钢等其他金属资料，可制备出轻质、比强度高和刚性好的钛合金钻井平台零部件 [11–12] 。据现场报道，元坝205-2油气井已成功将钛合金油管入井，经环空检测套管和油管之间无起压景象，这次为中国初次在超深高含硫油气井使用钛合金资料，证明其可取代镍基合金管材 [13] 。

（2）耐蚀性良好，使用寿命长。钛合金拥有优异的耐蚀机能，由于其理论天然天生致密的TiO₂薄膜，通常环境下钛合金理论氧化膜拥有肯定的自修复能力，其服役温度未超过315 ℃时仍拥有此个性。因而，在大无数含硫化物原油介质下钛合金阐发出极低的侵蚀速度，在一些侵蚀介质中拥有较低的侵蚀速度（见表1） [14] 。表1中的数据来自于中国宝钛集团有限公司冯秋远在2023中国钛谷国际产业展览会汇报《宝钛海洋设备产品研制及利用进展》，其中，齐全耐侵蚀：侵蚀速度在0.127 mm/a；比力耐侵蚀：侵蚀速度在0.127 ~ 1.27 mm/a；不耐侵蚀：侵蚀速度在1.27 mm/a以上，以为不能使用。（3）γ射线吸收率小，提高勘探精确度。在石油勘探和开发测井中，探测地层的天然γ射线是获得地层含油数据重要伎俩之一。由于钛合金是一种非铁磁资料（TC4钛合金的磁化率为3.2×10 ^–6 cm³ /g），对天然γ射线吸收率小，预防了测井仪外壳磁化率过大产生的屏蔽效应，因而其探测活络度提高，提高越多，所获得的数据精确度也就越高，提高了勘探精确度 [15–16] 。

（4）储量丰硕，发展潜力大。中国钛资源储量世界第一，钛合金产品产量逐年增长。2022年中国出产钛矿314.4×10⁴ t，同比增长10.1 %；海绵钛17.5×10⁴t，同比增长25.3%；钛锭14.5×10⁴ t，同比增长19.5%；钛白粉386×10⁴ t，同比增长1.8%；钛加工材15.1×10⁴t，同比增长11%，其中钛材以板带卷、棒材和管材为主（见表2）。

2、 钛合金在油气行业的利用近况

钛合金拥有优异的综合个性，在石油钻采领域获得了大量利用，如钻杆、隔水管、油管、换热器和陆续管等，国内外钻研者对钛合金在石油钻采领域的利用进行了合用性钻研。

2.1 钻杆

极度规油气藏拥有特殊钻井要求，要研发出新型耐蚀钻杆，一些国内外钻研者以为钛合金资料能够代替钢钻杆。1991年10月，Grant Prideco公司和RTI能源系统公司选取热滚压工艺制作出Ti-6Al-4V钛合金钻杆，拥有轻质、挠性和耐蚀性好等个性，在美国Kansas州以短半径水平井进行屡次利用，并且TorchDrilling服务有限公司在其弯曲部门初次使用了钢钛混合钻杆 [18–19] 。中国石油集团石油管工程技术钻研院领头研制了国产105 ksi级钛合金钻杆，在西部油田顺利实现了井深为7.1 km的三开定向造斜侧钻工作并成功出井，侧钻施工进尺从6.638 km提升到6.753 km，实现了一次重大利用的技术突破 [20] 。以钢钻杆作对比组，钻研钛合金钻杆的降摩减阻、抵抗变形和轴向力传递能力及其影响成分，发现钻井液密度为1.30g/cm³ 时，钛合金钻杆的接触力总值（407.4 kN）比钢钻杆（499.8 kN）小了34.8%，能够满足石油天然气工业-钛合金钻杆的尺度（GB/T41343—2022）要求 [21] 。参照NACE MR0175 VII尺度中划定的侵蚀步骤，对TC4钛合金进行侵蚀处置，并对照API-SPEC中钢钻杆管体力学机能的尺度，对经过侵蚀处置的TC4钛合金试件进行力学机能评价，其屈服强度、拉伸强度、伸长率、冲击吸收功和硬度均不低于X级钢，满足石油钻杆的力学机能要求 [22] 。

2.2 油套管

20世纪80年代中期，国外已经将钛合金油井管（蕴含油管和套管）用于高温高压含H₂S、CO₂ 和Cl ^– 酸性环境中，并发此刻钛合金中增长Mo和Pd制备的Ti-6Al-4V-0.05Pd钛合金和Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo-0.05Pd钛合金，在高温高压酸性环境中拥有优异的抗部门侵蚀和耐高温机能，均高于高镍合金（如合金C276） [23] 。中国各大钢材公司及钻研所也在致力于钛合金油管资料的钻研，如中国宝钛集团有限公司、中国船舶集团有限公司第七二五钻研所和中国有研工程技术钻研院有限公司等，并参加制订了钛合金油套管的有关技术尺度，如SY/T6896.3—2016、SY/T6896.4—2018（见表3）和GB/T26057—2010等。

高文平等 [24] 钻研了TC4钛合金在分歧前提的地层水CO₂ 环境中的均匀侵蚀速度，参考NACESP 0775—2013尺度将TC4钛合金判定为轻微侵蚀，并在720 h试验后，对TC4钛合金进行应力侵蚀开裂（SCC）机能评价，观察其理论描摹未发现垂直于张应力方向的微观裂纹（见图1），注明TC4钛合金在刻薄环境中阐发出优异的耐蚀性。

图1 720 h试验后TC4钛合金四点弯曲SCC试样的侵蚀描摹[24]

Fig.1 Corrosion morphology of four-point bending SCC specimens of TC4 titanium alloy after 720 h test [24]

2.3 隔水管

深海石油钻采对设备机能要求更高，其中钻井隔水管作为衔接海上浮式钻井平台和海底进口的关键装置，是全套钻井设备中较为幽微的部门，须克服低温高压和海水潮汐对管道的侵蚀等难题 [25–26] 。

目前，美国、俄罗斯和中国已经研发出一些合用于海洋工程的钛合金资料，如美国武威油田在半潜式平台使用Ti-6Al-4VELL (Gr23)隔水管，整套钻井设备降低了约50%，其服役年限达到了25 a之久。中国深海石油钻采进入了“深水时期”，如“深海一号”、宝岛21-1和“；缓拧钡认嗉掏恫，实现了深海深层石油勘探开发的战术性指标。中国宝钛集团有限公司同时将不锈钢、Cu-Ni合金、Al合金和工业纯钛在高速流动的海水（海水温度27 ℃，流速7.93 m/s，试样转速为1140 r/min）中进行60d耐蚀性试验，了局批注相比于其他3种金属资料，钛及钛合金拥有优异的耐孔蚀、耐间隙侵蚀、耐均匀侵蚀和耐晶间侵蚀等机能（见表4）。进一步将TA3、TA7、TC4和Ti-4Al-3Mo-1V钛合金在海洋大气中试验7d，发现4种钛合金均未产生点蚀。因而，钛合金隔水管合用于深海石油钻采，能够预防海水对管道的侵蚀。

2.4 陆续管

因陆续管设备拥有可带压作业、靠得住性和柔韧性等特点，陆续管技术成为油气田勘探开发中必不成少的提质增效技术，也是近几年国际石油能源工程的重要课题 [27] 。20世纪60年代，国外起头将陆续管利用于油气能源方面，美国RMI公司利用新的管材轧制技术（热旋转-压力穿孔），成功研制了长度为1.83～3.05 km的钛合金陆续管（见图2），经美国侵蚀工程师协会NACE认定它对于H₂S、CO₂ 和Cl^-的抗侵蚀能力超过C276镍基合金 [28] ！！！笆奈濉惫婊岳，中国石油集团工程资料钻研院有限公司结合国内优良科研院所和企业积极落实“石油开选取超长钛合金陆续管开发及产业化”项目，以高质量项目推动高质量发展，为中国刻薄环境油气井资源开采提供强力保险。有研工程技术钻研院有限公司通过搭建平台、设备调研及关键工艺技术攻关，在2022年初次实现200 m钛合金陆续油管试产。河北华通线缆集团股份有限公司自主研发了一种钛陆续油管出产步骤，针对世界钛陆续管日益增长的优势，通过鼎新设备技术和节制工艺路线，成功系列化、自动化不间断地制作出高品质钛陆续管产品，并且能满足工况的强度和侵蚀要求 [29] 。

图2 RMI公司出产的Φ25 mm钛合金陆续管[28]

Fig.2 Titanium alloy continuous tube with Φ25 mm from RMI [28]

2.5 换热器

在油气田勘探开采过程中，冬季外输时因温度低原油会在管壁上凝固结蜡，增长石油开采过程中的流阻和热损失，降低最终的出油率和安全性 [30–31] 。

因而，温度低或者是原油输送距离较远的井场，必要选取换热器对其进行加热。在20世纪70年代初，美国就在武威油田钻采中使用了钛合金列管式和板式换热器（约100个），能够预防产生原油集输过程中常出现原油结蜡、集输管道阻塞和原油产生率低等问题 [32] 。为解决在中东高硫原油开采中出现的常顶系统换热器低温侵蚀问题，中国石油化工股份有限公司镇海炼化分公司 [33] 别离选用了通常管壳式（U型）换热器（板束材质为10号碳钢）、全焊接板式换热器（板束材质为SMO254超等奥氏体不锈钢）和缠绕管式换热器（板束材质为钛材），现实利用发现与前2种换热器相比，钛材缠绕管式换热器拥有使用寿命长、传热效能高和耐蚀机能好等利益。胡文亨等 [34] 设计了一组钛合金螺旋盘管原油换热器，能提高钛合金换热器的承压能力和传热机能，相应传热和流阻测试试验批注，管程雷诺系数取2000 ~ 2500和流速为1.0 ~ 1.3 m/s时，换热器的传导系数较大，产生的流阻较。50 ~ 75 kPa），不会对原油运输产生影响。

2.6 油气行业其他利用

中国宝钛集团有限公司与钢铁工业综合钻研所、中国船舶工业集团公司第十一钻研所已合作发展选取钛合金代替铜合金制作海洋管路系统，运行近3年经评价检测未发现裂纹、孔洞及侵蚀情况产生，这是中国钛合金海水管路的初次综合性利用，对提升资料及设备技术拥有重大意思 [35] 。此外，钛合金在石油储罐、钻机和集输管线等油气田领域也有所利用 [36–37] 。

3、 钛合金存在的问题及改进措施

3.1 钛合金在油气行业利用的局限性

钛合金优异的耐蚀性起源于其理论氧化膜；，但其厚度仅为几个纳米，因而，在有磨损时极易产生侵蚀，导致其耐冲蚀机能较差。Liu等 [38] 报道了钛合金钻杆失效案例，在侵蚀环境和应力作用的恶劣工况下，其理论存在的微裂纹向内扩大导致失效（见图3）。张兴堂等 [39] 报道了中石化西南石油局中江气田由于压裂砂多、地层压力高、气体流速大和携砂能力强，导致设备在高速气流携砂的不休冲击下造成严重的冲蚀问题，严重影响了设备运行，对油气田的安全出产带来极大隐患。赵国仙等 [40]发现TC4钛合金在刻薄油田环境中产生严重侵蚀，阐发为温度的升高会造成TC4钛合金理论的钝化膜；つ芰χ鸩郊跞，使得TC4钛合金在甲烷完井液中的耐蚀机能逐步降落。

图3 钛合金钻杆断裂的扫描电镜照片和部门放大图[38]

Fig.3 SEM and localized enlargements of fractured titanium alloy drill pipe [38]

3.2 理论处置

对于钛合金中存在的缺点，如耐磨性低、易氧化和抗冲蚀机能差等，利用有关的理论工程技术能够在改善理论机能的同时，维持钛合金的整体力学机能以及低密度、高比强度的利益，如理论涂覆 [41–42] 、理论改性 [43–44] 和理论强化 [45–46] 。Yang等 [47]用激光熔覆在合金理论制备了TiCN/Ti涂层进行理论改性，了局显示熔覆区由TiCN枝晶、TiO₂ 和Ti组成，TiCN/Ti涂层的均匀硬度为基体的3 ~ 6倍，无论接触载荷多大，与Ti基体的磨损质量损失相比，TiCN/Ti膜层的磨损重量损失都较。4）。

图4 磨损质量损失与接触载荷的关系[47]

Fig.4 Wear mass loss as a function of contact load [47]

Zhang等 [48] 钻研了增长剂次磷酸钙对TC4理论制备陶瓷膜层的成长行为的影响，了局发现次磷酸钙增长剂对膜层成长过程有显著影响，在火花阶段，电压增长使膜层厚度增长。适量的次磷酸钙能够提高孔隙率和内层的致密性，但大量次磷酸钙会减弱内层的机能。Wang等 [49] 对钛合金进行喷丸处置后，在500 ℃下注入氮离子5 h，发现喷丸处置后钛合金晶粒中形成高密度位错，降低晶粒内的应力集中，同时在TA15钛合金中注入氮离子天生氮化钛相使理论和内部天生较大的残存应力，从而能有效改善TA15钛合金的委顿机能和热不变性。

3.3 新型钛合金

现有有关钻研批注，在钛合金中增长Mo、Cr、Ta、Ni和Nb等易钝化合金元素，能够降低钛合金的阳极活性，并提高钛合金的钝化能力，满足石油开选取钛合金油管的选材要求。日本住友金属工业公司研制出含有0.3 %和0.05 %钯的的新型钛合金，该合金在200 ℃以上和pH<2的环境中也不会产生裂隙侵蚀，同时在5%盐水中也拥有优良的耐蚀性，该合金的成本比通常钯系钛合金低30% ~ 40% [50] 。西北有色金属钻研院研制出一种中强、高韧、可焊、易加工耐蚀钛合金Ti-500，发现Fe含量在0.05% ~0.20%领域时，Ti-500合金拥有较强的抗侵蚀能力，溶液中增长Ru3+ 、Cr6+ 、Ce4+ 离子能显著提高合金的耐蚀性 [51] 。中国有研科技集团有限公司增长1%的W元素和4%的Mo元素研制出的Ti-18合金，在常和善高温下均拥有优异力学机能，同时拥有优良的热不变性 [52] 。

3.4 缓蚀剂

能够通过增长缓蚀剂进一步提高钛合金的耐蚀性，以期钛合金能在更严苛的石油勘探开采环境中利用。Groysman等 [53] 在仿照侵蚀液（pH=3.2）中，对6种不锈钢、镍钼合金、钛和黄铜进行新型绿色缓蚀剂测试，以减缓原油蒸馏装置顶部的侵蚀，缓蚀剂由多酚（TA）、有机缓蚀剂（胺的混合物）和异丙醇（IPA）的混合物组成，其浓度为10×10 ^?6 ～90×10 ^?6 时达到最低缓蚀剂效能，了局批注碳钢和黄铜的侵蚀速度较高，各合金的侵蚀测试了局见图5，其中UNS R53400（0.3% Mo + 0.8% Ni）钛合金空气冷却器和热互换器管道已在炼油厂成功使用了18 a。李玲杰等 [54] 通过侵蚀电位与钛合金理论成膜关联耦合机制开发了一种钛合金高温酸化缓蚀剂，评价了该缓蚀剂在盐酸溶液中的缓蚀成效，了局显示在20%盐酸、90 ~ 120 ℃前提下和在15%盐酸、140～160 ℃前提下，钛合金侵蚀速度均得到有效克制。

图5 各类合金在模型溶液B中的侵蚀速度[53]

Fig.5 Corrosion rates of various alloys in model solution B [53]

4、 结论与瞻望

钛合金在油气行业利用优势显著，钛合金钻杆、油套管、隔水管、陆续管和换热器等设备已在油气行业获得利用和适应性钻研。钛合金在油气行业利用也存在冲蚀机能较差等局限性，能够通过对钛合金进行理论处置、开发新型钛合金缓和蚀剂来进一步提高钛合金机能。随着油气资源勘探开发不休向深地深海发展，钛合金由于一系列的良好个性而在油气行业有着更辽阔的利用远景。

综合国内外钛合金在油气行业利用近况，对于中国钛合金在油气行业的下一步发展提出4条建议。

（1）钛合金在油气行业拥有较大的增长潜力，但是获得三大石油公司、出产企业和钻研院所的器重水平不够，必要多方共同合作，对油气行业用钛合金进行系统性钻研，制订相应的国度尺度和行业尺度，加大钛合金在油气行业的推广利用。

（2）油气勘探开发不休向深地深海发展，对于钛合金油气设备资料的力学机能、耐蚀性和成型工艺提出特殊要求，必要加强钛合金在特定工况环境下资料机能评估和失效机理钻研。

（3）中国国内尚无使用于深海的高端钛合金产品，有关资料重要依赖进口，亟须自主研发。钛合金陆续油管和钻杆出产的关键技术还未被突破，必要深刻钻研出产出综合机能更好的陆续管和钻杆。

（4）钛合金在油气行业利用还有肯定的局限性，必要加大钛合金在深地深；肪诚碌氖挂坌形暄，如通过成分设计钻研新型钛合金，开发合用于高温高压和高侵蚀环境的新型理论处置技术缓和蚀剂，提高钛合金在油气行业使用的安全性和靠得住性。

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