隨著全球淺層油氣資源的逐漸減少，油氣資源勘探開發不斷向深地深海發展，高溫高壓油氣田和深海油田的占比不斷提高，部分井深已經超過9 km，地層壓力超過140 MPa，地層溫度超過200 ℃ [1] 。自20世紀50年代末，世界石油鉆采的井深不斷增加，目前世界上鉆采的最深井屬于阿聯酋阿布扎比國家石油公司（ADNOC）在Upper Zakum油田勘探開采出的人工島UZ-688井，其水平井完鉆井深（斜深）達15.24 km [2] 。中國2022年原油產量達2.04×10 8 t，完成了“七年行動計劃”重要節點目標，其中非常規油氣藏（如高含H2S、CO2和Cl^-）持續快速上產。中國油氣開采的探井鉆探深度不斷刷新紀錄，如2023年5月中石油在新疆塔克拉瑪干沙漠開鉆了設計井深11.1km的深地塔科1井，同年7月中石油在四川盆地劍閣縣開鉆了設計井深10.52 km的深地川科1井 [3–4] 。

在超深井的高溫高壓服役環境中，石油管材會受到多相協同沖刷腐蝕，普通碳鋼材料在沖刷腐蝕下會發生腐蝕失效甚至是斷裂，不滿足油氣行業選材要求。比如2009年投產的渤海某油田中兩個生產平臺，共85口井大部分發生出砂以及篩管被沖蝕穿孔現象，地上設備也造成不小的損失 [5] 。鎳基材料雖具有優異耐蝕性，但其成本高、難加工和低溫脆化，不利于石油能源行業的持續發展 [6–7] 。

鈦合金具有高強度、低密度、低彈性模量、優良的耐蝕性和耐熱性能，可以在降低油管自重的同時，有效防止大多數原油介質引起的腐蝕（含硫化物、氯化物、H₂S和CO₂ 等） [8–9] 。早在20世紀80年代，國外學者Hass等 [10] 就闡述了近海石油鉆井平臺的結構安全和設備保養等與腐蝕有關，為此選用鈦合金以解決這一腐蝕問題，由此開始了鈦合金在油氣行業的應用。在“十三五”期間，中國鈦合金油套管、鉆桿等特殊管的應用規模持續擴大。

雖然中國鈦產業發展相對較晚，但擁有豐富的鈦資源，抗風險能力強，目前已形成全球規模最大，產業鏈完整的鈦工業體系。隨著油氣資源勘探開發不斷向深地深海發展，鈦合金在油氣行業有更廣闊的應用前景。

本文總結了鈦合金在油氣行業的應用及研究進展，指出鈦合金在油氣行業應用的局限性及改進措施，提出中國鈦合金在油氣行業的下一步發展建議。

1、 鈦合金在油氣行業的應用優勢

鈦合金具有低密度、高比強度和優異耐蝕性等特點，在中國鈦材儲量豐富，具有極高的戰略價值。相較于普通碳鋼、鋁合金和鎳基合金等材料，鈦合金在油氣行業具有較大的應用優勢，主要體現在4方面。

（1）減輕管柱自重，降低管柱應力。鈦合金的密度（4.5 g/cm³）約為鋼（7.85 g/cm³ ）的60%，鎳合金（8 ~ 9 g/cm³）的50%，可以有效降低石油管柱自重，鈦合金的比強度約為366 (N·m)/kg，其比強度高于超硬鋁合金和高強度合金鋼等其他金屬材料，可制備出輕質、比強度高和剛性好的鈦合金鉆井平臺零部件 [11–12] 。據現場報道，元壩205-2油氣井已成功將鈦合金油管入井，經環空檢測套管和油管之間無起壓現象，此次為中國首次在超深高含硫油氣井使用鈦合金材料，證明其可取代鎳基合金管材 [13] 。

（2）耐蝕性優良，使用壽命長。鈦合金具有優異的耐蝕性能，由于其表面自然生成致密的TiO₂薄膜，普通環境下鈦合金表面氧化膜具有一定的自修復能力，其服役溫度未超過315 ℃時仍具有此特性。因此，在大多數含硫化物原油介質下鈦合金表現出極低的腐蝕速率，在一些腐蝕介質中具有較低的腐蝕速率（見表1） [14] 。表1中的數據來自于中國寶鈦集團有限公司馮秋遠在2023中國鈦谷國際產業博覽會報告《寶鈦海洋裝備產品研制及應用進展》，其中，完全耐腐蝕：腐蝕速率在0.127 mm/a；比較耐腐蝕：腐蝕速率在0.127 ~ 1.27 mm/a；不耐腐蝕：腐蝕速率在1.27 mm/a以上，認為不能使用。（3）γ射線吸收率小，提高勘探精確度。在石油勘探和開發測井中，探測地層的自然γ射線是獲得地層含油數據主要手段之一。由于鈦合金是一種非鐵磁材料（TC4鈦合金的磁化率為3.2×10 ^–6 cm³ /g），對自然γ射線吸收率小，避免了測井儀外殼磁化率過大產生的屏蔽效應，因此其探測靈敏度提高，提高越多，所獲得的數據精確度也就越高，提高了勘探精確度 [15–16] 。

（4）儲量豐富，發展潛力大。中國鈦資源儲量世界第一，鈦合金產品產量逐年增長。2022年中國生產鈦礦314.4×10⁴ t，同比增長10.1 %；海綿鈦17.5×10⁴t，同比增長25.3%；鈦錠14.5×10⁴ t，同比增長19.5%；鈦白粉386×10⁴ t，同比增長1.8%；鈦加工材15.1×10⁴t，同比增長11%，其中鈦材以板帶卷、棒材和管材為主（見表2）。

2、 鈦合金在油氣行業的應用現狀

鈦合金具有優異的綜合特性，在石油鉆采領域獲得了大量應用，如鉆桿、隔水管、油管、換熱器和連續管等，國內外研究者對鈦合金在石油鉆采領域的應用進行了適用性研究。

2.1 鉆桿

非常規油氣藏具有特殊鉆井要求，要研發出新型耐蝕鉆桿，一些國內外研究者認為鈦合金材料可以替換鋼鉆桿。1991年10月，Grant Prideco公司和RTI能源系統公司采用熱滾壓工藝制造出Ti-6Al-4V鈦合金鉆桿，具有輕質、撓性和耐蝕性好等特性，在美國Kansas州以短半徑水平井進行多次應用，并且TorchDrilling服務有限公司在其彎曲部分首次使用了鋼鈦混合鉆桿 [18–19] 。中國石油集團石油管工程技術研究院領頭研制了國產105 ksi級鈦合金鉆桿，在西部油田順利完成了井深為7.1 km的三開定向造斜側鉆任務并成功出井，側鉆施工進尺從6.638 km提升到6.753 km，實現了一次重大應用的技術突破 [20] 。以鋼鉆桿作對比組，研究鈦合金鉆桿的降摩減阻、抵抗變形和軸向力傳遞能力及其影響因素，發現鉆井液密度為1.30g/cm³ 時，鈦合金鉆桿的接觸力總值（407.4 kN）比鋼鉆桿（499.8 kN）小了34.8%，可以滿足石油天然氣工業-鈦合金鉆桿的標準（GB/T41343—2022）要求 [21] 。參照NACE MR0175 VII標準中規定的腐蝕方法，對TC4鈦合金進行腐蝕處理，并對照API-SPEC中鋼鉆桿管體力學性能的標準，對經過腐蝕處理的TC4鈦合金試件進行力學性能評價，其屈服強度、拉伸強度、伸長率、沖擊吸收功和硬度均不低于X級鋼，滿足石油鉆桿的力學性能要求 [22] 。

2.2 油套管

20世紀80年代中期，國外已經將鈦合金油井管（包括油管和套管）用于高溫高壓含H₂S、CO₂ 和Cl ^– 酸性環境中，并發現在鈦合金中添加Mo和Pd制備的Ti-6Al-4V-0.05Pd鈦合金和Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo-0.05Pd鈦合金，在高溫高壓酸性環境中具有優異的抗局部腐蝕和耐高溫性能，均高于高鎳合金（如合金C276） [23] 。中國各大鋼材公司及研究所也在致力于鈦合金油管材料的研究，如中國寶鈦集團有限公司、中國船舶集團有限公司第七二五研究所和中國有研工程技術研究院有限公司等，并參與制定了鈦合金油套管的相關技術標準，如SY/T6896.3—2016、SY/T6896.4—2018（見表3）和GB/T26057—2010等。

高文平等 [24] 研究了TC4鈦合金在不同條件的地層水CO₂ 環境中的均勻腐蝕速率，參考NACESP 0775—2013標準將TC4鈦合金判定為輕微腐蝕，并在720 h試驗后，對TC4鈦合金進行應力腐蝕開裂（SCC）性能評價，觀察其表面形貌未發現垂直于張應力方向的微觀裂紋（見圖1），說明TC4鈦合金在苛刻環境中表現出優異的耐蝕性。

圖1 720 h試驗后TC4鈦合金四點彎曲SCC試樣的腐蝕形貌[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

深海石油鉆采對設備性能要求更高，其中鉆井隔水管作為連接海上浮式鉆井平臺和海底進口的關鍵裝置，是全套鉆井設備中較為薄弱的部分，須克服低溫高壓和海水潮汐對管道的侵蝕等難題 [25–26] 。

目前，美國、俄羅斯和中國已經研發出一些適用于海洋工程的鈦合金材料，如美國北海油田在半潛式平臺使用Ti-6Al-4VELL (Gr23)隔水管，整套鉆井設備降低了約50%，其服役年限達到了25 a之久。中國深海石油鉆采進入了“深水時代”，如“深海一號”、寶島21-1和“?；惶枴钡认嗬^投產，完成了深海深層石油勘探開發的戰略性目標。中國寶鈦集團有限公司同時將不銹鋼、Cu-Ni合金、Al合金和工業純鈦在高速流動的海水（海水溫度27 ℃，流速7.93 m/s，試樣轉速為1140 r/min）中進行60d耐蝕性試驗，結果表明相比于其他3種金屬材料，鈦及鈦合金具有優異的耐孔蝕、耐間隙腐蝕、耐均勻腐蝕和耐晶間腐蝕等性能（見表4）。進一步將TA3、TA7、TC4和Ti-4Al-3Mo-1V鈦合金在海洋大氣中試驗7d，發現4種鈦合金均未發生點蝕。因此，鈦合金隔水管適用于深海石油鉆采，可以避免海水對管道的腐蝕。

2.4 連續管

因連續管裝備具有可帶壓作業、可靠性和柔韌性等特征，連續管技術成為油氣田勘探開發中必不可少的提質增效技術，也是近幾年國際石油能源工程的重要課題 [27] 。20世紀60年代，國外開始將連續管應用于油氣能源方面，美國RMI公司利用新的管材軋制技術（熱旋轉-壓力穿孔），成功研制了長度為1.83～3.05 km的鈦合金連續管（見圖2），經美國腐蝕工程師協會NACE認定它對于H₂S、CO₂ 和Cl^-的抗腐蝕能力超過C276鎳基合金 [28] 。“十四五”規劃以來，中國石油集團工程材料研究院有限公司聯合國內優秀科研院所和企業積極落實“石油開采用超長鈦合金連續管開發及產業化”項目，以高質量項目推動高質量發展，為中國苛刻環境油氣井資源開采提供強力保障。有研工程技術研究院有限公司通過搭建平臺、設備調研及關鍵工藝技術攻關，在2022年首次完成200 m鈦合金連續油管試產。河北華通線纜集團股份有限公司自主研發了一種鈦連續油管生產方法，針對世界鈦連續管日益增長的優勢，通過改革設備技術和控制工藝路線，成功系列化、自動化不間斷地制造出高品質鈦連續管產品，而且能滿足工況的強度和腐蝕要求 [29] 。

圖2 RMI公司生產的Φ25 mm鈦合金連續管[28]

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

2.5 換熱器

在油氣田勘探開采過程中，冬季外輸時因溫度低原油會在管壁上凝固結蠟，增加石油開采過程中的流阻和熱損失，降低最終的出油率和安全性 [30–31] 。

因此，溫度低或者是原油輸送距離較遠的井場，需要采用換熱器對其進行加熱。在20世紀70年代初，美國就在北海油田鉆采中使用了鈦合金列管式和板式換熱器（約100個），可以避免發生原油集輸過程中常出現原油結蠟、集輸管道阻塞和原油產生率低等問題 [32] 。為解決在中東高硫原油開采中出現的常頂系統換熱器低溫腐蝕問題，中國石油化工股份有限公司鎮海煉化分公司 [33] 分別選用了普通管殼式（U型）換熱器（板束材質為10號碳鋼）、全焊接板式換熱器（板束材質為SMO254超級奧氏體不銹鋼）和纏繞管式換熱器（板束材質為鈦材），實際應用發現與前2種換熱器相比，鈦材纏繞管式換熱器具有使用壽命長、傳熱效率高和耐蝕性能好等優點。胡文亨等 [34] 設計了一組鈦合金螺旋盤管原油換熱器，能提高鈦合金換熱器的承壓能力和傳熱性能，相應傳熱和流阻測試試驗表明，管程雷諾系數取2000 ~ 2500和流速為1.0 ~ 1.3 m/s時，換熱器的傳導系數較大，產生的流阻較小（50 ~ 75 kPa），不會對原油運輸產生影響。

2.6 油氣行業其他應用

中國寶鈦集團有限公司與鋼鐵工業綜合研究所、中國船舶工業集團公司第十一研究所已合作開展采用鈦合金替代銅合金制造海洋管路系統，運行近3年經評價檢測未發現裂紋、孔洞及腐蝕情況產生，這是中國鈦合金海水管路的首次綜合性應用，對提升材料及裝備技術具有重大意義 [35] 。此外，鈦合金在石油儲罐、鉆機和集輸管線等油氣田領域也有所應用 [36–37] 。

3、 鈦合金存在的問題及改進措施

3.1 鈦合金在油氣行業應用的局限性

鈦合金優異的耐蝕性來源于其表面氧化膜保護，但其厚度僅為幾個納米，因此，在有磨損時極易發生腐蝕，導致其耐沖蝕性能較差。Liu等 [38] 報道了鈦合金鉆桿失效案例，在腐蝕環境和應力作用的惡劣工況下，其表面存在的微裂紋向內擴展導致失效（見圖3）。張興堂等 [39] 報道了中石化西南石油局中江氣田由于壓裂砂多、地層壓力高、氣體流速大和攜砂能力強，導致設備在高速氣流攜砂的不斷沖擊下造成嚴重的沖蝕問題，嚴重影響了設備運行，對油氣田的安全生產帶來極大隱患。趙國仙等 [40]發現TC4鈦合金在苛刻油田環境中發生嚴重腐蝕，表現為溫度的升高會造成TC4鈦合金表面的鈍化膜保護能力逐漸減弱，使得TC4鈦合金在甲烷完井液中的耐蝕性能逐漸下降。

圖3 鈦合金鉆桿斷裂的掃描電鏡照片和局部放大圖[38]

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

3.2 表面處理

對于鈦合金中存在的缺陷，如耐磨性低、易氧化和抗沖蝕性能差等，利用相關的表面工程技術可以在改善表面性能的同時，保持鈦合金的整體力學性能以及低密度、高比強度的優點，如表面涂覆 [41–42] 、表面改性 [43–44] 和表面強化 [45–46] 。Yang等 [47]用激光熔覆在合金表面制備了TiCN/Ti涂層進行表面改性，結果顯示熔覆區由TiCN枝晶、TiO₂ 和Ti構成，TiCN/Ti涂層的平均硬度為基體的3 ~ 6倍，無論接觸載荷多大，與Ti基體的磨損質量損失相比，TiCN/Ti膜層的磨損重量損失都較?。ㄒ妶D4）。

圖4 磨損質量損失與接觸載荷的關系[47]

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

Zhang等 [48] 研究了添加劑次磷酸鈣對TC4表面制備陶瓷膜層的生長行為的影響，結果發現次磷酸鈣添加劑對膜層生長過程有顯著影響，在火花階段，電壓增加使膜層厚度增加。適量的次磷酸鈣可以提高孔隙率和內層的致密性，但大量次磷酸鈣會削弱內層的性能。Wang等 [49] 對鈦合金進行噴丸處理后，在500 ℃下注入氮離子5 h，發現噴丸處理后鈦合金晶粒中形成高密度位錯，降低晶粒內的應力集中，同時在TA15鈦合金中注入氮離子生成氮化鈦相使表面和內部生成較大的殘余應力，從而能有效改善TA15鈦合金的疲勞性能和熱穩定性。

3.3 新型鈦合金

現有相關研究表明，在鈦合金中添加Mo、Cr、Ta、Ni和Nb等易鈍化合金元素，可以降低鈦合金的陽極活性，并提高鈦合金的鈍化能力，滿足石油開采用鈦合金油管的選材要求。日本住友金屬工業公司研制出含有0.3 %和0.05 %鈀的的新型鈦合金，該合金在200 ℃以上和pH<2的環境中也不會產生裂隙腐蝕，同時在5%鹽水中也具有良好的耐蝕性，該合金的成本比一般鈀系鈦合金低30% ~ 40% [50] 。西北有色金屬研究院研制出一種中強、高韌、可焊、易加工耐蝕鈦合金Ti-500，發現Fe含量在0.05% ~0.20%范圍時，Ti-500合金具有較強的抗腐蝕能力，溶液中添加Ru3+ 、Cr6+ 、Ce4+ 離子能顯著提高合金的耐蝕性 [51] 。中國有研科技集團有限公司添加1%的W元素和4%的Mo元素研制出的Ti-18合金，在常溫和高溫下均具有優異力學性能，同時具有良好的熱穩定性 [52] 。

3.4 緩蝕劑

可以通過添加緩蝕劑進一步提高鈦合金的耐蝕性，以期鈦合金能在更嚴苛的石油勘探開采環境中應用。Groysman等 [53] 在模擬腐蝕液（pH=3.2）中，對6種不銹鋼、鎳鉬合金、鈦和黃銅進行新型綠色緩蝕劑測試，以減緩原油蒸餾裝置頂部的腐蝕，緩蝕劑由多酚（TA）、有機緩蝕劑（胺的混合物）和異丙醇（IPA）的混合物組成，其濃度為10×10 ^?6 ～90×10 ^?6 時達到最低緩蝕劑效率，結果表明碳鋼和黃銅的腐蝕速率較高，各合金的腐蝕測試結果見圖5，其中UNS R53400（0.3% Mo + 0.8% Ni）鈦合金空氣冷卻器和熱交換器管道已在煉油廠成功使用了18 a。李玲杰等 [54] 通過腐蝕電位與鈦合金表面成膜關聯耦合機制開發了一種鈦合金高溫酸化緩蝕劑，評價了該緩蝕劑在鹽酸溶液中的緩蝕效果，結果顯示在20%鹽酸、90 ~ 120 ℃條件下和在15%鹽酸、140～160 ℃條件下，鈦合金腐蝕速率均得到有效抑制。

圖5 各種合金在模型溶液B中的腐蝕速率[53]

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

4、 結論與展望

鈦合金在油氣行業應用優勢顯著，鈦合金鉆桿、油套管、隔水管、連續管和換熱器等裝備已在油氣行業獲得應用和適應性研究。鈦合金在油氣行業應用也存在沖蝕性能較差等局限性，可以通過對鈦合金進行表面處理、開發新型鈦合金和緩蝕劑來進一步提高鈦合金性能。隨著油氣資源勘探開發不斷向深地深海發展，鈦合金由于一系列的優良特性而在油氣行業有著更廣闊的應用前景。

綜合國內外鈦合金在油氣行業應用現狀，對于中國鈦合金在油氣行業的下一步發展提出4條建議。

（1）鈦合金在油氣行業具有較大的增長潛力，但是獲得三大石油公司、生產企業和研究院所的重視程度不夠，需要多方共同協作，對油氣行業用鈦合金進行系統性研究，制定相應的國家標準和行業標準，加大鈦合金在油氣行業的推廣應用。

（2）油氣勘探開發不斷向深地深海發展，對于鈦合金油氣裝備材料的力學性能、耐蝕性和成型工藝提出特殊要求，需要加強鈦合金在特定工況環境下材料性能評估和失效機理研究。

（3）中國國內尚無使用于深海的高端鈦合金產品，相關材料主要依賴進口，亟須自主研發。鈦合金連續油管和鉆桿生產的關鍵技術還未被突破，需要深入研究生產出綜合性能更好的連續管和鉆桿。

（4）鈦合金在油氣行業應用還有一定的局限性，需要加大鈦合金在深地深海環境下的使役行為研究，如通過成分設計研究新型鈦合金，開發適用于高溫高壓和高腐蝕環境的新型表面處理技術和緩蝕劑，提高鈦合金在油氣行業使用的安全性和可靠性。

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