海上油气开采设备的工作环境相当恶劣，设备首先要与海水和原油、天然气接触，要经受高温氯化物、硫化物、氨等多种介质的腐蚀，最高腐蚀温度可达300℃。其次，设备要承受系统内部的工作载荷和海上风浪产生的冲击载荷。再次，深海油气勘探与开采设备的尺寸都很大，如提升管长达几百米，设备自重很大，对材料的强度、韧性、抗疲劳性能等均有很高的要求。所涉及的用钛装置主要有钻井立管、锥形应力接头、井下作业流送管、增压管道、钻具提升装置、海水管路系统、冷却系统、灭火系统等。所使用的材料有工业纯钛(Grade l、Grade 2) 、Ti-6Al-4V合金(Grade 5、Grade23、Grade28) 、Ti-0.15Pd(Grade7) 、Ti-3A-2.5V(Grade9、Grade 18) 及Ti-38644合金等， 许多钛部件是用大规格或超大规格管材制备的。

图1是Ti-6A-4V基合金添加不同合金元素及在不同锻造工艺条件下的平面断裂韧性及应力腐蚀断裂韧性的比较。可以看出， 添加了Ru的Ti-6A1-4V ELI合金采用β锻造后，其应力腐蚀断裂韧性最好。采用β锻造技术锻造的Ti-6Al-4ⅤELI合金的平面应变断裂韧性(K_IC) 和应力腐蚀断裂韧性(K_ISCC) 也远高于普通Ti-6A1-4V合金的性能。因此， Ti-6A1-4V ELl合金及添加Ru的T-6A1-4V 在海上石油开采上得到了较为广泛的应用。

图1 Ti-6A-4V基合金在不同锻造工艺下断裂韧性的比较

海上石油、天然气开采用钛主要有四大部件：隔水管、钻管、锥形应力接头和井下作业流送管（盘管）。

1、隔水管

英国北海油田上应用的钛合金隔水管是用Ti-6Al-4VELI(Grade23) 钛合金制成的超大型高压管，由30根Φ599mm(内径)×25mm(壁厚)X14.6m(长)巨型钛合金管连接而成， 总长438m， 其产品实物照片见图2， 该隔水管由美国RMI公司制造。用钛管代替钢管，可降低提升力63%，降低制造成本40%，它适用于350m水深油田的采油。

图2 Grade23钛合金隔水立管

2、钻管

钛合金在小曲率半径的采钻设备上已取得了成功的应用， 它是用Grade5(Ti-6Al-4V)钛合金制成的超深井钻管，垂直深度可达9200m。它用Φ93~168mm管制造。用它代替钢制钻管，钻具的起吊力可减小30%，扭矩可降低30%~40%。另外，由于钛合金无磁性，它不会干扰油井探测仪的探测信号。图3为小曲率半径采油井上钛合金的应用部位示意图。表1给出了在曲率半径小于20m石油钻井设备上应用钛和钢的效果比较。可以看出，使用钛金属后，其设备循环破坏寿命大大提高，约为钢的50~100倍。目前钛钻管的钻井数量也远远超过了钢钻管的钻井数量。

表1不同曲率半径的钛、钢钻井设备服役情况比较

图3 钛合金超深井钻管在小曲率半径钻井上应用示意图

3、锥形应力接头

钛制锥形应力接头是用Grade23(Ti-6A-4V ELI) 和Grade29(Ti-6A-4V-Ru) 钛合金制造的巨型钛管，图4给出了这种钛合金锥形应力接头应用示意图及产品实物照片。该应力接头目前已应用于墨西哥湾油田， 其长度只有钢制接头的1/3， 规格为Φ(80~559) mm×(6.4~15.2)m，二者成本相当。

4、井下作业流送管

井下作业流送管通常采用Grade2、Grade7、Grade9、Grade12、Grade18、Grade28等六种钛及钛合金焊接盘管制造，目前的最大外径为63.5mm，最小壁厚为3.2mm，盘管长度可达1630~3050m。据报道，未来盘管的目标外径希望达到152mm。使用钛盘管代替钢制盘管后，其盘管的疲劳寿命是钢制盘管的5~10倍。同时，其在含酸或含硫井中的腐蚀疲劳寿命也得到了较大提高。图5为钛合金盘管的产品实物照片及其应用示意图。

图4 钛合金锥形应力接头应用示意图及产品实物照片

图5 井下作业流送管产品实物照片及其应用示意图

目前，我国钛制油气开采和开发设备尚处于研发阶段，除钛制输油管道外，尚无钛制设备应用的报道，与国外差距较为明显。

欧美国家对于海洋油气资源的开采，已逐步向深海迈进，目前开采深度已达3000m，而我国仍处于300m海深的近海开采阶段。要进一步开发海洋油气资源，特别是南海油气资源，就必须发展钛制油气开采设备，这对于开发海洋资源，发展海洋经济意义巨大。

相关链接