引言

随着油气田勘探开发的不断深入，油气开发环境更加苛刻，高温高压(205~260℃、200~280MPa)以及高含H2S、CO₂、S、Cl-的环境对油井管柱的材质和损伤控制技术提出了更加严格的要求。马氏体不锈钢、超级马氏体不锈钢、双相不锈钢及镍基合金管材存在使用温度极限，而钛合金在高温下仍能保持很高的强度，除此之外，钛合金耐蚀及抗疲劳等特性使其在油气井开发中能够得到广泛的应用[1-2]。

国外钛合金油井管材的研发和使用起步较早。20世纪末，西方国家就在石油行业实现了钛合金管材的工业化应用。美国RMI公司是技术较为成熟的机构之一，该公司研发了一种强度和耐蚀性都满足油气田生产需求的α＋β型Gr.28钛合金，其在焊接性能、热处理工艺、延展性、抗疲劳裂纹扩展性能和断裂韧性方面表现优异，大幅度降低了钛合金油井管的生产成本[3]。经评定，在温度低于330℃时，RMI公司制造的钛合金油井管可以完全防止H₂S、CO₂和Cl-的腐蚀。

1985年，第一套钛合金管柱应用于SAltonSea，套管最初使用Ti-38644材料，之后又发展了ASTMGrade29材料的钛合金套管，这些套管绝大多数在SAltonSea使用时间超过15年且没有出现腐蚀或开裂的情况[4]。RMI钛业在井底温度为235℃的热酸性气井中首次应用了Ti-6Al-4V-Ru管柱，应用效果良好。在墨西哥湾一些高压高温井中，Ti-6Al-4V、Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo和Ti-6Al-4V-Ru等钛合金油井管材也得到了初步应用[5]。20世纪90年代，美国研制出了直径为244.5~406.4mm的钛合金热采井用套管，其材质为Ti-6246材料，并成功在20多口热采井中应用，效果良好。

国内钛合金油井管材的研发起步较晚，2008年国内才开始使用钛合金材料制造井下管柱。中国石油集团工程材料研究院展开了对钛合金管材的耐蚀性和适宜性的研究，认为钛合金在高温高压以及高含H₂S、CO₂、S、Cl-的井下环境中具有优异的抗缝隙腐蚀和抗孔蚀性[6]。东方钽业等企业也相继展开研究，研制出钛合金管柱的配套产品[7]。2015年，中石化在元坝气田首次应用了型号为TP-Ti-110TP-G2钛合金油管，其耐腐蚀能力与镍基合金管相近[8]。2020年，国产钛合金套管成功应用于南海水合物试采中，该钛合金套管抗挤毁性能大于42MPa，承压能力极强[9]。

钛合金管材表面损伤主要有摩擦磨损和腐蚀磨损，为了降低钛合金管材使用过程中产生的损伤，钛合金管材表面涂层技术和起下管柱过程中的损伤控制技术应运而生，其技术进展也与钛合金管材的广泛应用密切相关。

1、钛合金管材表面损伤特性研究现状

钛合金管材的摩擦磨损和腐蚀磨损是钛合金管材损伤的重要形式，近年来许多学者进行了相关研究。

1.1钛合金摩擦磨损特性研究

钛合金的“组织结构-成分组成-摩擦性能”之间有着一定的关系[10]。HaftlanG等[11]研究了Ti-29nB-14ta-4.5Zr合金组织结构与磨损机制关系，随着作用力由2n增加为10n，磨损机制由二体颗粒磨损转化为疲劳磨损，最后变为黏着磨损，且撕裂现象逐渐严重。研究表明，钛合金表层的纹理结构可以减小摩擦系数[12]，这是由于纹理结构减小了摩擦过程中的接触面积，进而减缓了基体的磨损进程。

对于钛合金在油气开采环境下的磨损，邹娇娟[13]对TC4合金在CO2饱和模拟油田采出液中的腐蚀磨损行为进行了研究，与GCr15钢球配副时，TC4合金在腐蚀溶液中的摩擦系数稳定在0.35左右，磨损机制为黏着磨损和磨粒磨损；与Si3n4陶瓷球配副时，TC4合金的摩擦系数在0.25左右，磨损机制主要为磨粒磨损和疲劳磨损。林乃明等[14]采用自制的冲蚀实验装置，研究了TC4合金在某油田模拟采出液中的冲蚀磨损行为，试验后TC4合金表面分布有大小不等的凹坑与小沟槽，这是因为在固-液两相流的冲击作用下，材料表面被持续冲蚀作用破坏。不同涂层对钛合金摩擦磨损也有影响。使用自组装技术在TC4钛合金表面制备氧化石墨烯包覆多巴胺的复合涂层，该涂层摩擦系数极低，仅为0.164，约为基体摩擦系数的32.3％，磨损率显著下降[15]。MoS2＋fe2O3氧化膜中MoS2含量对TC4合金表面摩擦性能也有影响，当氧化膜中不添加MoS2时，其摩擦系数约为0.75，随着MoS2含量的升高，平均摩擦系数降低到0.03至0.12之间，磨痕表面逐渐形成致密的摩擦膜[16]。利用电弧离子镀技术沉积TiAln涂层，涂层在650℃的空气抗氧化性极强，磨损性能有较大提高[16]。ao等[17]研究发现Tio2/HBn粒子能够有效嵌入TC4表面Mao涂层表面孔隙、裂纹中，并有高耐磨性与较低的摩擦系数。

TC4钛合金表面的Mao涂层在摩擦时会发生崩裂、脱落，而经过喷丸处理后，Mao涂层在摩擦时仅外层发生崩裂[18]。Cｕi等[19]采用直流反应磁控溅射技术在钛合金表面制备梯度纳米Tin膜层，研究结果表明梯度纳米Tin层与基体之间的结合力远高于单层Tin硬质层的结合力，梯度纳米Tin层的弹性模量以及硬度明显提高。

WilSon等[20]采用物理气相沉积技术在钛合金表面制备Tin/Ti多层涂层，结果表明纯钛层可减少膜间应力，使膜与基体结合更加紧密。tan等[21]采用离子体氮化和PVd复合技术制备纳米晶Ti/AlTin膜层，该纳米晶Ti/AlTin膜层分为AlTin膜层、纯钛过渡层以及金属间化合物层，涂层之间结合紧密，无明显微裂纹等结构缺陷的存在。Guo等[22]研究了在不同温度下，钛合金表面纳米TiAlSiCn多元涂层磨损机理的变化。

1.2钛合金腐蚀磨损特性研究

腐蚀磨损是材料表面在磨损与腐蚀介质共同作用下产生的局部性金属腐蚀。磨损和腐蚀2种作用的相互促进，加速了金属材料的破坏过程。

钛合金在纯水与海水中摩擦性能不同[23]，海水中盐在摩擦过程中会起到润滑效果，然而海水中的磨损率相较于纯水更高。干摩擦时Mao涂层崩裂产生的磨屑会填充到表面微孔之中，磨损形式为轻微的擦伤[24]。

niCoCrAlＹta涂层在naoH溶液和HCl溶液中的摩擦系数、磨损率最低，因为niCoCrAlＹta合金腐蚀后在表面形成大量Al2O3、Cr2O3和ta2o5相减小了摩擦副之间的接触面积[25]。TC4钛合金在氧化热处理和dlC膜层沉积后，dlC膜层表面形成含碳层，进而在摩擦过程中有较好的摩擦性能[26]。随碳元素的增加，TiSiCn纳米涂层在磷酸盐缓冲液(PBS)中的耐磨性逐渐增加，这主要是因为涂层中非晶态C能够在对磨过程中起到降低摩阻的作用[27]。

CoMakl等[28]对比分析了单层Tin层、TiAln层和多层结构的TiAln/Tin层在模拟体液中的磨蚀行为。沉积涂层后，磨损率降低，尤其是TiAln/Tin膜层的摩擦系数仅为0.07左右，磨损率降低到1.57×10-3mm3/(n.M)，仅为基体的10％。

ＺHao等[29]采用阴极恒电位极化技术，获得了Ti/Tin涂层在模拟体液中发生纯机械质量损失，通过电子的得失计算出发生纯腐蚀导致的质量损失以及在发生“磨损-腐蚀”交互作用而产生的质量损失。其结果表明多层Ti/Tin有效抑制了柱状晶的形成和晶间微裂纹的萌生，从而降低在模拟体液中的磨损量，其发生“腐蚀-磨损”交互作用产生的质量损失仅占总质量损失的2.3％左右。

高飞等[30]研究了Ti80钛合金在苛刻的油气井腐蚀环境下的腐蚀行为，结果表明:在200~240℃不同CO2分压的地层水和残酸环境中，Ti80钛合金均为轻度腐蚀，无点蚀现象，随温度的升高，其发生电化学腐蚀的倾向增大；在200~240℃油基泥浆、高PH值甲酸钾完井液中，Ti80钛合金的腐蚀为轻度腐蚀，无点蚀发生；在高PH值甲酸钾完井液中，Ti80钛合金的腐蚀较为严重且有点蚀发生，C环试样均发现了点蚀坑及微观裂纹，温度升高使自腐蚀电流密度增大、自腐蚀电位负移、极化电阻减小幅度很大。

2、钛合金管材抗磨损表面涂层技术研究

由于磨损会造成材料表面损伤，因此需要通过合适的表面处理技术改善钛合金的磨损性能。目前常用的方法主要是对钛合金管材表面进行改性处理或者制备具有不同功能的涂层。在钛合金管材表面制备涂层的研究主要包括以下两个方面:一是在钛合金表面制备能够降低摩阻的膜层；二是采用PVd等技术，在钛合金表面制备高硬度的耐磨涂层。

2.1表面涂层技术

为了降低钛合金表面损伤，常常需要在其表面制备一层减磨或耐磨的涂层。利用硼碳共渗工艺在TC4钛合金表面得到TiB、TiB2和TiC三相结构，可有效提高TC4钛合金的耐摩擦磨损性能[31]。双层辉光等离子渗金属技术在TC4钛合金表面制备的渗错层组织连续、均匀、致密，与基体结合良好，试验表明渗错层的摩擦系数和比磨损率约为TC4钛合金基体的45.9％和13.6％[32]。

采用等离子体基离子注入的方法在TC4合金表面分别注入n＋C、Ti＋n和Ti＋C元素，在相同注入电压下，Ti＋C注入层的硬度最高，其次是Ti＋n注入层；50kV下注入层Ti＋C具有最低的比磨损率，较未处理TC4基体下降了一个数量级[33]。WC-Ti6Al4V增强复合涂层的耐磨性较基体有明显改善，涂层中未熔化的WC颗粒充当硬质增强相，避免了涂层的严重磨损[34]。Ti＋Mao＋Ptfe涂层在开始磨损时摩擦因数很低，短距离对磨后，涂层的减摩效果逐渐消失[35]。利用微弧氧化与磁控溅射技术在氧化膜表层溅射Crn、Tin、dlC等，氧化膜作为内层起承载作用，表面硬质膜起抗磨损作用，两者结合可获得摩擦性能较好的复合涂层[36]。

李兆峰等[37]采用气相沉积技术，在TC4钛合金表面制备Crn和dlC耐磨涂层，结果表明:Crn涂层的摩擦系数与裸TC4合金基本相当，而dlC涂层的摩擦系数较小，只有0.073。

刘顺等[38]采用原子比1∶1的ni和Ti为原料，通过冷喷涂和低压等离子喷涂制备了ni-Ti复合涂层，冷喷涂涂层的显微硬度(HV0.3)值为(2192±136)MPa，而低压等离子喷涂涂层的显微硬度(HV0.3)值则达到(5763±203)MPa；摩擦磨损试验表明，冷喷涂涂层以黏着磨损为主，涂层表面摩擦损伤严重，低压等离子喷涂 涂层以磨粒磨损为主，表现出了更高的耐磨性，磨损率降低了一个数量级。

2.2复合涂层技术

表面涂层一般比较脆，涂层与钛合金之间结合不够紧密，往往很容易从基体上脱落，因此，学者建议在钛合金表层覆盖软硬交替的复合涂层。在激光熔覆钛基复合涂层组织中，ni60/H-Bn含量为25％时涂层耐磨性能与硬度有了明显提高[39]。利用激光熔覆技术在Ti6Al4V合金表层添加ni80Cr20-40Al-20Si复合涂层，涂层和基体结合紧密，其氧化膜由Al2O3、nio组成，结构致密，高温抗氧化性能优异[40]。采用激光熔覆技术在ta15钛合金表层制出TiB-TiC共同增强Tini-Ti2ni金属间化合物复合涂层，硬度与耐磨性优异的TiB-TiC陶瓷和韧性优异的Tini-Ti2ni共同配合，表现出优异的耐磨性[41]。覃鑫等[42]研究表明采用合适的激光熔覆技术参数就可以在钛合金表面制作良好的没有气孔、裂纹的熔覆层。

3、钛合金管材起下管柱技术研究

液压动力钳的使用虽然提高了工作效率，但钳牙对套管表面造成的损伤是极大的安全隐患，尤其是钛合金管柱[43]。微牙痕和无牙痕起下管柱技术在此背景下应运而出。微牙痕起下管柱技术是针对合金油、套管和类似材质设计而成，可以有效地减少施工过程中对钛合金管体的伤害。无牙痕起下管柱技术是在微牙痕液压大钳上安装特制的无牙痕钳牙来起、下管柱的技术[44]。

3.1微牙痕起下管柱技术

微牙痕管钳主要是在钳牙缝隙内添加一层橡胶填充物，分散了施加在管柱上的载荷，其在起下套管时在管柱上留下的牙痕非常细小。

美国艾克尔(eCkel)公司[44-46]设计生产的CHroMeBoSS系列管钳，如图1所示。通过管头2个滑动头来提供同向的径向载荷，管钳的金字塔细牙可以提供极好的起下耐腐蚀合金的能力。同时，浮动式背钳可以极大地降低管柱所受的剪切力和弯矩，从而更好地保护油套管。管钳采用的微牙痕钳头和牙板是针对合金管柱设计的，牙印小于0.08mm。

威德福公司设计的金刚石钳牙系统[47]，利用细密的四面体形钳牙来降低损伤。该系统在卡塔尔等地区进行了测试，结果表明该系统能显著降低管柱腐蚀。

2006年，夏祖国、孙亦蓬等人[48]介绍了高含硫气田中微牙痕起下套管技术的应用，其采用艾克尔公司生产的219mmHSHt型微牙痕液压套管钳。该技术可以有效防止H2S对管材的腐蚀，从而极大程度地降低了套管的损伤程度。

2007年，大庆油田引进艾克尔公司生产的219mmHSHt型微牙痕液压套管钳，在达深CP302井、徐深9-平1井和宋深2井等气井应用，效果良好[49]。

黄进云、舒尚文等人[50]研制的WtＱ245-n微牙痕套管钳安装了滑动槽来保证径向压紧，如图2所示，可以有效减少切向相对运动带来的套管损伤。管钳使用的微牙痕钳牙是在一个圆弧面上分布细致、紧密的细齿，增大与套管的直接接触面积。

2006年，江苏盐城特达钻采设备公司在液压动力大钳的基础上开发出智能微损伤型液压动力钳[51]，如图3所示。该装置在本体上集成了扭矩控制系统，配备的钳牙与套管的接触面积更大，且增加了调速功能阀组。

3.2无牙痕起下管柱技术

无牙痕起下管柱技术是在微牙痕大钳上安装无牙痕钳牙，钳牙全部由橡胶材料制成，利用橡胶与管柱的摩擦提供扭矩。无牙痕起下作业技术设备主要由无牙痕液压大钳和无牙痕气动卡瓦组成[44]。

美国艾克尔公司设计可以减少牙板入侵与牙痕的管具，如图4所示。该牙板使用碳化钨砂[45]，拥有更多的管具接触点，且不易脱落或剥离。

肖立虎和吴立中联合研发出一种无牙痕液压钳[52]，如图5所示，该液压钳的颚板架上的卡瓦座上安装了由耐磨材料制作的卡瓦压盖、卡瓦片等，并加大了管柱的接触面积。

2014年4月，由张秀红等人[53]研制了一种无牙痕液压动力钳，其主钳使用双刹带制动装置，制动效果良好且构造简单。背钳使用液压缸夹紧，全包围式无牙痕牙板增加了夹紧接触面积。江苏申利达机械制造有限公司研发了一种Sld型无牙痕液压动力钳，如图6所示。该动力钳是在美国艾克尔公司液压钳的基础上，重新设计改进而成。通过更换特殊钳头，采用非金属特殊牙块，实现了无牙痕操作管柱，可以广泛用于含硫油气田、海洋油田的钛合金管材起下管柱作业。

4、结束语

综上所述，钛合金管材在极端苛刻的油气田开发环境中具有广泛的应用前景，随着钛合金管材损伤控制起下管柱技术的日渐成熟，未来可成为苛刻环境能源井管材首选。目前针对钛合金管材表面损伤特性的研究已经取得了一定的成果，包括钛合金摩擦损伤特性、腐蚀磨损特性等；同时对钛合金管材抗磨损表面涂层技术的研究，提供了表面涂层技术和复合涂层技术等降低钛合金管材磨损的技术方法；在微牙痕和无牙痕技术研究和起下管柱装备配套方面也有了突出进展，但仍不能很好地指导和辅助现场应用。因此，在苛刻环境能源井中，钛合金管材损伤控制技术研究亟待突破，针对该管材的微牙痕和无牙痕起下管柱工具的研发刻不容缓，研究成果可有效保障钛合金管材应用安全性，对于延长油气田管柱使用年限具有重要意义。

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