发布日期：2025-3-30 20:02:41
石油钻杆是油气勘探开发中不可或缺的关键部件。这种装置尾部带有螺纹，可将地面设备和深层钻探设备相连。使用过程中，必须承受来自井下巨大的负荷，包括扭曲、弯曲、内外压力、磨损和振动等因素，因此钻杆的质量好坏直接影响钻井质量。如今，油气勘探不断向超深井、超短半径水平井、大位移井和高腐蚀井等复杂井况发展。例如，顺北油气田84斜井深度可达9000m，有些油气井还存在着“三高”（高温、高压、高腐蚀）的井里环境，这种环境会严重缩短钻杆的使用寿命，甚至失效，给油田带来重大损失，严重制约了中国油气资源的开发［1‒2]。为满足现今的开采需求，对管材材料，新技术开发提出了更高的要求，目前应用较广的碳钢钻杆在高浓度的H2S，CO2，Cl−的恶劣的腐蚀环境中存在着易腐蚀的问题，而耐蚀性好的镍基合金价格高，并且加工繁琐，镍储量低［3‒7]。国内外学者发现被誉为“未来金属”的钛合金具有良好的力学性能、优异的耐腐蚀性能以及抗疲劳等特点，在高温高压的腐蚀环境下有着巨大的应用潜力，于是便将其引入到油气勘探领域。中国为钛资源大国，在钛合金加工方面技术成熟。因此，研发钛合金钻杆应用在油气勘探领域具有良好的开发和应用前景，同时也蕴藏着巨大的市场价值，能够保障中国能源安全［8‒11]。
1、钛合金钻杆的优势
1.1 低密度、高比强度
相比现有的钢、镍基合金钻杆，钛合金的密度（约为4.5g.cm-3）仅为钢密度的0.57倍，镍的0.51倍。在-253~600℃时，比强度是钢的1.6倍，是镍基合金的1.7倍，钛是比强度最高的金属之一［12]。在油气勘探领域应用钛合金有利于减轻钻杆载荷，降低结构质量，使设备设计更加紧凑，同时可提高设备整体的技术水平和安全性［13]。Ti-6Al-4V钛合金钻杆的屈服强度为827MPa，其比强度（强度/密度）相较于s-135钢钻杆提高了37%（表1）［14]。
1.2 优异的耐腐蚀性能
钛和钛合金优异的耐腐蚀性能得益于其表面形成的氧化膜，可阻止对基体进行腐蚀［15‒17]。钛合金优异的耐蚀性，可减少钻杆在腐蚀余量上的设计，大幅提高服役年限和经济性。安晨等［18]在NaCl，H2S，CO2，205℃条件下，对TC4钻杆进行了腐蚀处理，在表面没有发现明显的腐蚀痕迹。腐蚀后拉伸性能下降不到10%，冲击性能变化仅为0.33%，硬度仅下降3.21%，经腐蚀后仍具有良好的力学性能。Qiao等［19]对Ti-6Al-4V和Ti-4Al-2V-1Mo-1Fe合金在3.5%NaCl（质量分数）溶液中进行了长达180d的腐蚀试验，结果发现，两种合金均表现出优异的耐腐蚀性，表面未观察到明显的腐蚀痕迹。高文平等［20]在高温高压有CO2腐蚀介质的条件下对TC4钛合金进行性能评价实验，结果表明：TC4钛合金在此环境下，仍然还具有抗均匀腐蚀、局部腐蚀和抗应力腐蚀开裂（SCC）的能力；当温度上升至220℃时，均匀腐蚀速率仅为0.0012mm.a−1，仍然具有良好抗CO2腐蚀能力。
1.3 耐疲劳、韧性好和低摩阻
钻杆在深入短半径井和水平井时，会受到极大的拉伸、扭转和弯曲应力，通常会出现早期疲劳、磨损等降低使用寿命的问题。钛的弹性模量为1.17×105MPa，仅为钢的57%，其高的比强度、低弹性模量等特点，使其能够轻易地通过井里的偏斜段和水平段，同时也可大幅减轻地面设备载荷、降低接头的水力损失和提高钻杆的使用寿命。宋文文［21]在空气和模拟钻井液的环境中对Ti-Al-V-No-Zr钛合金钻杆进行了疲劳寿命研究，发现经过固溶时效处理后的钻杆材料的疲劳寿命随应力的降低而增大，在模拟井液下的疲劳寿命比在空气中降低的更为显著。在相同的钻井环境里，钛合金钻杆材料的疲劳寿命明显高于S135钢钻杆材料。胡辛禾［22]提到在采用短半径工艺钻通曲率半径≤15m井段时，要求钛合金的服役寿命在50万周次以上。事实上，钛合金的疲劳寿命高出钢的10倍，完全满足此项要求。陈培亮等［23]分别在320，420和480MPa的低应力水平下对钛合金钻杆在空气和钻井液中进行了疲劳寿命研究，循环次数均达到1×107次以上。此外还发现钛合金钻杆的侧向力、扭矩和摩擦阻力均小于钢钻杆，其中作业摩擦阻力仅为钢钻杆的60%。祝效华等［24]以Hamilton原理为基础，建立了钛合金钻杆整体尺寸的动力学模型，并采用HHT-α法对模型进行了求解。选用钢钻杆作为比较对象，针对钛合金钻杆的摩擦阻力、抗变形和轴向力传递能力等影响因素进行了分析。研究认为，钛合金钻杆的摩擦阻力小于钢钻杆，可解决水平井水平段延伸钻进困难等问题。Wu等［25]对钛合金钻杆材料进行综合性能研究，发现其强度和钢钻杆材质相当，具有良好的塑性，在钻井过程中更容易通过小曲率半径的井段。Peng等［26]对Ti105钛合金钻杆试样进行了空气和泥浆环境下的疲劳试验，钛合金试件钻杆在低应力下的疲劳寿命在泥浆和空气中均达到1×107周次。并根据疲劳试验数据，对3种钻杆的最小允许曲率半径和最大允许造斜率进行了计算和分析。结果表明：在相同外径条件下，与G105和S135钢钻杆相比，钛合金钻杆可用于较小的井眼曲率半径和较大的造斜率，如图1所示。同时对钛合金钻杆和钢钻杆的力学性能进行了分析。得出在相同的井况下，钛合金钻杆的摩擦阻力约为钢钻杆的60%。Yang等［27]发现在相同的钻杆外径条件下，钛合金钻杆可用于较小的曲率半径，更适用于短半径和超短半径井。
最后，以某页岩气水平井为例，对钛合金钻杆与钢钻杆的应用进行对比研究。结果表明，钛合金钻杆在现场应用范围较广，适用于各种复杂工况下的作业。
1.4 钛资源丰富
中国为钛资源大国，据美国地质调查局统计，2021年全球钛储备资源为82700万t，其中中国钛铁矿储量约为28500万t，约占全球储量的34.54%，钛储量仅次于澳大利亚，位居世界第二位。同时，中国海绵钛产量也达到了13万t，产量位居世界第一［28]。钛合金钻杆相比同等规格的钢钻杆、镍基合金钻杆，在质量、耐蚀性、性价比和疲劳寿命上（腐蚀介质条件下是钢钻杆的100倍）都占据着明显的优势，可以节省大量的维护成本。因此，在石油工业中大力发展钛合金的应用，既符合中国的油气资源战略，同时又具有很高的经济性。
2、钛合金钻杆研究进展
2.1 国外研究进展
20世纪80年代，美国Unocal石油公司在开发地热井时，为应对H2S和CO2所带起的腐蚀问题，对多种合金经过测试，最终发现钛合金在各种严苛的工况下几乎不发生腐蚀，便使得钛合金在油气勘探开发领域得到快速发展和应用［29]。20世纪末，在美国科罗拉多州，为满足曲率半径小于18.3mm油井侧钻作业需求，从而研制出综合性能好、使用寿命长的Ti-6Al-4V钛合金钻杆，其接头为钢材制造，表面采用喷丸强化工艺处理，并成功应用于小曲率油井中［30‒31]。1999年，Torch钻井公司利用钛合金钻杆钻成一口短半径水平井的弯曲段。钻具组合是由配有一台旋转可导向水平钻井系统的4节Φ73mm钛合金加厚杆组成的，这种钻杆特别适用于短半径井、延伸井和超深井，其质量仅为钢钻杆的一半而挠性比钢钻杆大一倍［32]。RMI公司采用热旋转压力穿孔轧制工艺研发出直径为48~610mm的钛合金管材（图2），最大厚度为26mm，经美国腐蚀协会认定，该管材在330℃高温下，完全可抗H2S，CO2和Cl‒的腐蚀［33]。21世纪初，Weatherford公司和RTI公司研发出了屈服强度高、疲劳寿命高、耐蚀性强和韧性好的钛合金钻杆，钻杆材质选取Ti-6Al-4V合金，其屈服强度为840MPa，比强度为S-135钢钻杆的1.54倍。于2000年在堪萨斯州完成了多口大坡度定向井的钻探，取得了良好的效果［34]。Chevron公司为应对高压高温井，研发了Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo钛合金，其最小屈服强度可达930MPa，此合金在超高温高压井内环境下表现出优异的抗腐蚀性能，在复杂井况下应用具有很大的优势［35]。如表2所示［12]，截至目前，国外已有数百口油井采用了钛合金钻杆。
2.2 国内研究进展
中国对钛合金的使用主要集中在航空航天和军事领域，而在航空航天上钛材的使用约占总产量的70%。而在石油领域的研究还只是处于起步阶段，只有极少数研究机构和管材企业参与其研究［36]。截至目前，国内有中国船舶集团有限公司七二五研究所、中国石油天然气集团有限公司、渤海能克钻杆有限公司、西安管材院等数家单位及企业对钛合金钻杆进行研究推广。2014年，中国船舶集团有限公司七二五所和天津钢管集团有限公司攻克了钛合金钻杆接头连接等诸多关键技术，制备出符合标准的样品接头，其性能满足美国石油学会（AmericanPetroleumInstitute，API）规定的105钢级钻杆规定［29]。2018年1月，中国石油集团渤海石油装备制造有限公司研究院研发出高柔韧性、高抗腐蚀、高强重比的钛合金钻杆，解决了钛合金流动性差、磨擦焊接难度大，螺纹易粘扣等问题。此钻杆在腐蚀环境下进行弯曲疲劳测试，比API标准下的G105钢的疲劳寿命高~100倍，截止目前此产品实现创收679.6万元，创效146.2万元［37]。2020年4月，由中国石油天然气集团有限公司研发出超高强度Ti-Al-V-Zr-Mo系钛合金钻杆，经测试，室温下该钻杆的屈服强度高于930MPa，抗拉强度达到1050MPa以上，伸长率大于10%，冲击功大于60J，符合《SpecificationforDrillPipeANSI/APISpec5DP-2020》（API-5DP）石油钻杆规范中135Ksi强度等级钻杆的力学性能标准的要求［38]。2020年6月，渤海能克钻杆有限公司与中国石油集团石油管工程技术研究院联合研发出质量小、韧性高、抗疲劳和耐腐蚀的钛合金钻杆，对中国西北地区超深井短半径侧钻等项目有着更好的适应性。同月，由中国石油集团石油管工程技术研究院牵头研发的高强度钛合金钻杆在西北油田塔河油田的TS3CX井完成首次现场试验。该钛合金钻杆的各项指标完全符合技术规范和实际工况的要求，总体性能高于同级别钢钻杆的水平［39]。2020年7月，由中国石油集团石油管工程技术研究院牵头研制出的国产724MPa级钛合金钻杆，在西北某油田成功完成了一口井深为7100m的超短半径水平井的三开定向造斜侧钻任务，并顺利出钻，实现了国内首次完成6400m超深井钻探之后的又一次应用技术上的重大突破［36]。2021年7月，渤海装备能克钻杆有限公司研发生产的Φ73mm摩擦焊式全钛合金钻杆，在TH12423CX井完成了的钻探，标志着该钻杆已通过了工业化测试。能够满足多种复合载荷的钻井要求，特适宜于超深井、超长水平井的勘探应用［40]。2022年8月，宝钛集团有限公司负责的国家重点研发计划子课题“高强韧抗疲劳钛合金钻杆工业化制造成套技术研发”首批样管研制完成，其力学性能、冲击功、超声波探伤等各项主要指标均达到研制要求。目前已完成3个牌号、3种规格石油钻杆用高强高韧厚壁钛合金管材研制。
2.2.1 钛合金钻杆的力学性能研究
热处理是提高钛合金力学性能的主要手段，选择合适热处理工艺控制显微组织的形貌、尺寸和含量，可提高钛合金钻杆的强度、耐磨性、抗蠕变性能和抗疲劳强度［41‒43]。常见的方法有退火和固溶时效处理。退火的主要目的是获取最佳的力学性能，消除应力、改善塑性和平衡组织。固溶时效处理是使亚稳相发生分解，获得更高的强度和硬度。此外，加热时间、冷却速率以及合金成分也会对力学性能产生影响［44‒45]。热处理可根据具体需求进行选择和组合使用，以提高钛合金钻杆的性能。李睿哲等［46]对TA15X钛合金钻杆进行固溶处理，发现屈服强度和抗拉强度均随着固溶温度的升高增大，延伸率则逐渐下降。水冷处理与空冷处理相比具有更高的强度，但是延伸率变低，这主要是水冷时β相转变为针状马氏体α'相，起到了强化作用。采用900℃/空冷（AC）的固溶处理方法后，其强度相比未热处理时高出100MPa以上，延伸率也达到了13%，综合性能良好，符合G105钢级钻杆力学性能的要求。冯春等［47]研究了固溶时效对Ti-5Al-3V-1Mo-1Zr钛合金钻杆组织演变及力学性能的影响。发现通过相变点之上的两阶段固溶时效，组织全转变为片层组织，经时效处理后，片层α相尺寸变大，形成的片层组织，增加了裂纹的扩展路径长度与裂纹偏转角度，进而提高了材料的强度和断裂韧性。Feng等［48]研究了时效温度对Ti-5Al-3V-1.5Mo-2Zr钻杆的组织演变及性能。结果发现，随时效温度的升高，固溶后的层片α相含量增加，亚稳定β相分解的针状马氏体α'相体积分数也相应增加，有效地阻碍了位错的扩展，起到了强化的作用，如图3所示。经930℃/1h/水冷（WQ）+500℃/6h/AC热处理后，抗拉强度高达1236MPa，屈服强度高达1146MPa，伸长率为9.5%，表现出良好的力学性能平衡。刘乐［49]对Ti-Al-V-Mo-Zr钛合金钻杆进行多种热处理，并研究其对组织与性能的影响。结果发现，1000℃/1h/炉冷（FC）→600℃/1h/AC+550℃/6h/AC工艺的强度最高，抗拉强度为974MPa，屈服强度为934MPa，韧性也比较好，延伸率为14.48%，冲击功最高，达到45J，其力学性能达到S135钢级钻杆要求。本课题组对TC4钛合金钻杆进行多种不同的热处理工艺，结果发现经950℃/AC，1020℃/AC+950℃/AC+580℃/AC和950℃/AC+580℃/AC热处理后的力学性能，分别满足钛合金钻杆标准中的TD95，TD105和TD120级别要求。Mou等［50]对摩擦焊接的钛合金钻杆焊区的力学性能和腐蚀疲劳性能与基体进行了对比，发现经摩擦焊接后地焊接区组织由原来的等轴α相变为针状α相，获得了更高的强度，但塑性大幅降低材料。在钻井液中的疲劳性能和耐腐蚀性能下降。
2.2.2 钛合金钻杆的表面改性处理
钛合金钻杆在实际下井使用过程中发现钛合金钻杆的磨损量大于钢钻杆，存在着硬度较低、耐磨损性差问题［51‒52]。在使用过程中容易发生失效，对钛合金钻杆表面进行强化处理，是改善该问题的关键。钛合金表面强化技术包括表面涂覆、表面改性和复合表面处理技术，其中包括气相沉积、等离子喷涂、喷丸强化、渗碳处理、渗氮处理和化学镀等［53‒58]。同时，还需要根据具体工艺和要求进行适当的参数控制和测试，以确保表面改性的效果达到预期。Liu等［59]在添加和不添加石墨烯纳米片的硅酸盐电解液中，采用等离子体电解氧化技术在Ti-6Al-4V合金钻杆表面形成陶瓷涂层。结果发现含有石墨烯纳米微片的涂层具有更加平整和更少孔隙的形貌和结构，并且含有石墨烯纳米片的涂层的显微硬度高达HV1250，石墨烯纳米片涂层表现出极其显著的耐磨性。Chen等［60]为改善钛合金钻杆的耐磨性能，向电解液中添加了钨酸钠，在TC4钛合金表面制备了不同钨含量的微弧氧化膜层。当钨酸钠添加浓度在3g.L−1的条件下，磨痕无明显的铧犁沟，如图4所示。相对TC4钛合金基体而言，经过微弧氧化处理，耐磨性明显提高。陈孝文等［61]采用脉冲直流微弧氧化方法在钛合金钻杆表面制备了不同氧化时间下的TiO2陶瓷膜层。当氧化时间为40min时，膜层硬度达到HV1103.2，磨损失重为0.2mg，综合性能较好。并提到厚度增大、孔隙率减小和耐蚀相的生成都有利于提升膜层的耐蚀性、耐磨性。邱敬文等［62]对Ti-Al-Fe-Mo钛合金进行表面机械强化＋固相渗碳相结合的方法来提高表面的耐磨性，发现经表面机械强化可大幅提高表面渗碳的均匀性和渗透深度，相比单一渗碳强化的磨损量降低了接近58%，硬度相比原始样，提高了5倍。She等［63]对钛合金钻杆表面进行了不同温度下渗氮处理，发现随着温度的升高，氮化层的粗糙度、厚度以及硬度随之增加，耐磨性得到了改善，但当温度超过850℃时，磨损量开始上升。Cao等［64]对TC4钛合金表面进行了Ni-P超声波化学镀并进行了热处理，发现经500℃热处理后，表面生成的Ni3P的第二相颗粒均匀的分布在基体中，大幅提高了显微硬度和耐磨性。
3、钛合金钻杆应用瓶颈
3.1 耐腐蚀的局限性
钛合金具有良好的化学反应性，易与氧、氮等元素反应，形成氧化物和氮化物。这可能导致钻杆表面的氧化、腐蚀或者与其他材料的反应，限制了其在特定环境中的使用。钛合金在还原性酸中也存在着腐蚀问题。另外，钛合金本身的自腐蚀电位较高，与其他金属接触易造成电偶腐蚀，自身也将会发生氢吸附，在高温环境下易发生氢脆，导致开裂。在不同材质钻杆组合时，为避免电偶腐蚀的发生应当合理选择连接材料和增加相应防护措施。吕祥鸿等［65]在高pH磷酸盐完井液中发现TC4钛合金腐蚀现象严重，且腐蚀电位、腐蚀膜层膜阻及极化电阻随着温度升高而降低，腐蚀反应的热力学驱动越大，自腐蚀电流密度越高。随着温度升高，其均匀腐蚀速率最高可达0.4429mm.a-1。因此，在生产中要合理选择完井液。何石磊等［66]对钛合金油管在高温还原性酸中的适应性进行了研究。结果表明：在温度为160℃的盐酸溶液、不同温度的盐酸+有机酸溶液及酸化用胶凝酸的条件下，随着盐酸浓度的增大，温度的升高，腐蚀速率不断增大，甚至出现了管体溶解现象；在120℃下，适当添加Na2MoO4类缓蚀剂可以使腐蚀速率下降98%以上，但是当温度低于160℃时效果并不明显。解辉等［67]对钛合金与不同金属在海洋环境下形成电偶对发生腐蚀破坏的问题进行了研究，发现钛合金与铜合金发生连接时，电偶腐蚀效应并无明显的线性规律，原因是在铜合金和钛合金表面都形成了钝化膜，阻碍电子的流通；与钢连接时，出现了严重的电偶腐蚀，且阳极的腐蚀速率会随着电位差及接触面积的增加而加快；与铝合金构成电偶对过程中，两者之间存在着巨大的电位差，甚至在铝表面上生成的钝化膜都不能阻碍两者之间发生严重的电偶腐蚀。
3.2 成本评价
同尺寸的钛合金钻杆价格是钢钻杆的12~15倍。但从使用结果来看，钛合金钻杆可大幅减少施工能耗，在高腐蚀的井环境里使用可减少设备故障。此外，特别适应短半径井等复杂井况下的钻井作业，对薄油层的开发有着明显的优势。从长远看，钛合金钻杆可节省人力消耗，减少维护成本，以及设备故障和更换带来的经济损失。从大规模推广应用角度来看，研发符合油气井使用的新型低成本钛合金是必经之路。此外，Peng等［68]分别对G105，S135，V150和钛钻杆进行了经济比较，如图5所示。发现在短期内（<43d），使用传统的S135或G105钢钻杆划算；而从长远期来看（>163d），使用钛合金钻杆可减少钻机规格和施工能耗，从而降低总成本支出。
3.3 质量检测待完善
钻杆质量检测手段的完善是确保钻井安全与效率的关键环节，而国内钛合金钻杆质量检测标准的缺失亟待解决。Liu等［69]针对国内某超短半径水平井钻井过程中发生的首例钛合金钻杆失效事故进行了分析。发现失效钻杆的理化性能符合相关标准的要求，但钛合金钻杆在出厂时表面的微小裂纹未能检测出来，导致钛合金钻杆在超短半径钻井过程中发生断裂失效。并提出现行钛合金钻杆标准的检验方法存在漏洞。龚丹梅等［70]对煤矿用钛合金钻杆螺纹断裂的原因进行了分析。结果表明：该钻杆的螺纹加工精度差，牙底存在小台阶，引发了严重的应力集中。同时，从微观组织上分析，端口存在着大量的长条状α相，如图6所示，并且取向明显，与端口裂纹方向一致，说明裂纹是从长条状组织开始起裂的。
目前，针对国内钛合金钻杆的失效的案例进行分析，发现主要集中在管体出厂检测、加工精度和热处理不完善等问题。建议在现行标准中增加对钛合金钻杆的无损检测方法，例如超声波无损检测、涡流无损检测和渗透探伤等，同时提高加工精度和完善热处理工艺。此外，应对每批次出厂的成品钻杆进行抽检，设立抽检标准。
3.4 加工难度大
钛合金钻杆由于硬度高、塑性低，加工起来比较困难。使用传统钻杆加工方法进行加工时，容易造成刀具磨损和工具的热失效。钛合金具有较低的热导率和导热性，只有钢的1/7，铝的1/16。容易在加工过程中产生高温，导致在加工中散热不能及时传递，聚集在加工位置，容易损坏刀具。而且钛合金钻杆具有良好的自润滑性，不需要使用高温润滑剂，这就要求加工过程中必须要有有效的冷却措施和合适的工艺参数，以防止管体在加工中过热，从而降低工件质量和寿命。
4、总结与展望
钛合金钻杆具有许多优势，包括高强度、轻质量和抗腐蚀等特性，因此在石油、天然气和地质勘探等领域具有广泛的应用前景。未来可从以下几个方面开展工作：
1）拓宽应用领域：钛合金钻杆目前主要应用于海底或高温高压环境下的钻井作业，未来可以探索更多领域的应用，如地下采矿、深海勘探等，拓宽市场空间。
2）提高生产工艺：进一步研究和改进钛合金钻杆的制造工艺，降低生产成本，提高生产效率，使其更具竞争力。
3）加强技术研发：针对钛合金钻杆的特点，加强材料研究和工艺改进，提高钻杆的性能和使用寿命。同时，在高温、高压等极端环境下的性能测试和改进也是重要的研发方向。
4）降低成本：钛合金钻杆的生产成本相对较高，需要寻找更加经济高效的生产工艺，以降低成本。此外，与传统材料的比较和经济效益分析也是必要的。
5）加强标准制定和监管：为了确保钛合金钻杆的质量和安全性，制定行业标准并进行监管是必要的，这有助于维护行业的良好发展和可持续性。总体而言，钛合金钻杆在油气勘探领域有着广阔的发展前景。通过持续的技术改进和市场推广，钛合金钻杆有望在未来得到更广泛的应用。
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