编者按 | 以“高效推动中国页岩气开发”为主题的第九届中国页岩气发展大会，于2019年12月28日成都胜利闭幕。本届大会由中国石油天然气集团公司、中国石油化工集团有限公司、中海油研究总院有限责任公司、中国石油化工集团工程技术顾问有限公司，中国海洋石油研究院，以及中国石油大学、中国石油工程学院非常规科学技术研究院、四川省人民政府、成都市博览局、北京振威展览有限公司、《石油与装备》共同组织召开。

中石油石油管工程技术研究院教授 宋生印

第九届中国页岩气发展大会围绕页岩气开发产业的产业发展、高效开发、技术创新管理等层面的热点话题，进行广泛深入的探讨。石油管工程技术研究院教授宋生印认为，水平井加分段压裂是页岩气的核心技术，当井深达到一定程度，因技术装备受限，因碳钢材料强度不够，很有可能会因此带来一系列的复杂事故。钛合金管材或许可以迎刃而解。

以下为中石油石油管工程技术研究院教授宋生印现场发言实录节选：

我主要分这四个方面讲。现在无论是陆地还是海上，水平井、大位移井、深井超深井等越来越多，我们今天开这个会议是讲页岩气，页岩气的核心技术大家都知道是水平井加分段压裂，这是页岩气最核心的。但是这么深的井，存在一个最大的问题就是我们的局限问题，我们设备装备局限问题，有的井深到一定程度，我们碳钢强度不够，一旦有什么事故，这样会带来一系列的复杂事故，确实很麻烦。

另外一个我们水平段延伸到一定程度以后钻井脱压，如何施压？钻头不往前走了，怎么办？我们曾经模拟计算相关的井，不管地面给它的造压再大，根本无法往前延伸，这是这个井位垂比的数据，摩阻到一定程度，地面给压，它在底下是个负数，没办法往里面延伸，带来了一系列施工困难。

另外就是如何高效提速？钻机复合也不一定够，管柱复合也不一定够，就会带来一系列问题，需要有一些新材料、新利器解决这些问题，钛合金钻杆确实就是比较好的一个利器。半径比较小的情况下碳钢钻杆寿命比较短，一套新的钻具可能打一部分都打不完就失效了，怎么办呢？我们肯定要想办法解决这些问题，所以就指向了钛合金这个材料。

钛合金管材性能优良

下面介绍一下这个材料的一些优势，作为石油管材，重点是两大优势：一个是非常好的耐腐蚀性，当然我们做钻井的对腐蚀要求不是非常高，但是作为油套管，特别是油管，肯定就需要；另外就是良好的机械性能。从耐腐蚀来说有这么九大性能，我不详细展开介绍了，时间关系。

这是我们实验室自己做的一些相关试验，包括材料腐蚀等等方面的一些试验，还有耐腐蚀的一些试验。钛合金在腐蚀环境，不管硫化氢、二氧化碳含量，基本上不存在腐蚀，这是说的缝隙腐蚀。钛合金的缝隙腐蚀甚至比825合金还要好很多，几乎不存在腐蚀。

另外就是耐海水，我们知道钛合金本身就是海洋技术，50年免维护，这是美国公开杂志的定义。耐盐物腐蚀的速率是碳钢的万分之一，是不锈钢的千分之一，确实效果非常好。

再就是非常好的耐冲蚀性，我们做过试验，垂直充蚀，每秒40米的速度，冲蚀前后基本上不存在任何问题，确实非常好。另外，它的机械性能也非常好，强度高。钛合金密度只有4.5，碳钢7.8，它的比强度是镍基G3合金管的1.7倍，是普通P110钢管的1.66倍。耐用性/抗断裂性好，飞机对抗断裂性要求就非常高，但是钛合金不存在断裂问题。

另外低的热传导系数非常低，是钢的四分之一，优点也好，缺点也好，看用在什么地方，比方说螺纹接头，上扣就要发热，一发热就要膨胀，一膨胀就要粘住，这是带来负面的问题。

深井长时间的载荷就是来自于自重，不是来自于地层，这个时候它的密度低，显然大钩载荷就会降低很多，美国实践表明大钩载荷降低30%以上，当然它是用的钢接头的钛合金，不是用的全钛合金的钛合金钻杆，效果还是非常明显。另外就是无磁性，不影响测井、录井。

这个是屈服强度强度可调范围宽非常广，根据配方设计都可以满足要求，没有问题。

弹性模量低，只有碳钢的一半，钛合金只有108GPa，钢碳约为201GPa，在转弯半径很小的情况下不会出现任何问题。热膨胀系数低造成热效应很低，对深井应用也非常好。

钛合金的疲劳寿命比碳钢高10倍以上，我们曾经做过一套新钻具的旋转疲劳试验，大概700万周次，一套新的钻具就断掉，就在实验室里面做这个旋转疲劳。但是钛合金我们没有做试验，因为7000万周次都断不了，非常耗时，所以说就没有做，但是确实在材料试验上做过。甚至在腐蚀环境中可能是碳钢的几十倍，上百倍。应该说搞一个数量级到两个数量级。

这个是管柱力学模型，我是模拟了一口6800m的井，算了一下油管的管柱力学，不详细介绍了，但是不管是从管柱的静力学或者是动力学分析，钛合金都非常好的改善了管柱力学性能，效果非常好。这口井是6800m，上面是用的壁厚大一点，底下用的壁厚薄一点的，原来全是用碳钢，后面4800m全用成钛合金，两种情况跟碳钢做对比，确确实实也是效果非常好，静力学来说要低很多，位移了很多，这样对油管各方面的性能非常好，应力也显著降低，确确实实改善非常好。

另外一个就是屈曲，这是油管柱，大家知道下完之后分割机地面要给一个拉力，我们希望油管柱是不要处于屈曲状态。当然钻柱，弹性能量低，钻柱肯定会出现，屈曲肯定要比碳钢要裂开，但是相对来说，因为它的重量低，所以说钻压物，在关柱上面不需要那么大的力量，所以说相对来说屈曲也会有一些改善。这就是载荷相关的一些情况，不管是动力学、静力学都非常好。

钛合金研究应用

简单汇报一下国内外研究应用的进展情况。美国现在已经有产品，并且已经用得非常好的是钛合金管体加上钢接头，比较成熟。并且接头的形态，包括钢跟台怎么样隔开，不让它出现电网腐蚀，用铜环等等一系列美国的专利，并且接头也是用的美国自己专利的接头，不是我们常用的NC接头，效果非常好。这是另外一种全部用钛合金的，接头也是用，原来摩擦碳确实有一些问题，全部做成钛合金也没有问题，但是全部做成钛合金到现在还没有评价完，一方面没有应用先例；另外一方面系统评价还没有结束。当然耐磨性，因为这个很难再复焊耐磨带，但是总体来说它耐磨性能肯定是没有钢接头的耐磨性能好。美国专门利用传统钻杆垂直深度，比方说一套钻具只能打6100米，但是用同样规模的钛合金可以打9200米，显著降低了提拉力，扭矩肯定也是小了，扭矩降低30%-40%，效果非常好，这是他们施工的一系列应用。包括扭矩屈曲、摩阻等等都降低很多，提拉力降低等等一系列问题都改善得非常好。

再一个就是超短半径水平井，这是美国利用钛合金钻杆已经实践了285口井的情况，最小曲率半径曾经施工到了12.2米，这个曲率半径非常非常小。后面的两列数据什么概念呢？光曲率半径这一段每一口井大概需要15000周次能够把这一段钻完，但是我们碳钢寿命是什么呢，这么小的半径，半径那么小，碳钢的寿命只有500周次就断掉。这是美国公开文章写的，但是我们钛合金可以到23000多次，像18.3m的曲率半径的这口井，我们一套新的钛合金钻杆可以施工150口以上次，但是用钢，最多只施工10口井或者15口井，最少差10倍，一套新的钻具，需要旋转周次是22600多次，但是钢的寿命只有27万，不到28万，钛合金达到300万周次。将来小型井根本不会用碳钢来施工，也施工不了，全是用钛合金，效果显著。

因为美国技术在我们大庆油田也施工了几口井，效果非常好，下一步不一定非要用美国的装备了。另外刚才说到超短半径水平井的疲劳寿命，美国这套技术专门研制了螺纹接头，这个接头跟原来NC接头确实改善非常好，疲劳寿命提高了很多。再一个用了135的钻杆跟钛合金钻杆，转弯半径做了一个曲线，我们看钛合金基本上呈数量级或者呈好几个数量级的提高，确实疲劳寿命非常好。

美国设计的一口真实井，有置井段，中间就是转弯这一段，下面斜置井段，中间这段是没办法用碳钢解决的，转弯半径太小，中间这段设计不长，一设计钻柱就失效了，确确实实需要用钛合金，并且很多参数都优化得非常好，看底下的很多参数，扭矩各方面都降低得非常多，钻速各方面也提高很多。

另外，钻杆减少40%的扭矩，侧向力减少了44%，可以使用水基泥桨代替油基泥浆，油基泥浆摩阻小，水基泥桨模组小，用钛合金的就直接能送下去，没有问题，确确实实用得非常好。

他们用钛合金钻杆在墨西哥湾打了一口9100m的长水平段，用钛合金施工成功了，做得应该说是非常好，也公开报道了。

刚才说钛合金的密度低，大家要说了，铝合金肯定更低，是不是更好？我专门列了一张表，钛合金跟铝合金做了一个对比，一方面从抗拉强度、密度等等做了一个对比，大家比较一下可以看出来，铝合金的强度毕竟有点低，铝合金现在达到500Mpa强度是很难的，航空航天可以达到，但是钻井基本上420Mpa-450Mpa，尽管它只有2.7的比重，但是它的强度余量，特别是深井、超深井确实还是有点让人担心的。铝合金的耐磨性就更差了，有一点钻屑就很容易磨损掉，一磨损以后，很快就会失效，所以这个也存在一些问题。当然我在这里不是说打击铝合金，简单做了一个对比。甚至用70钻机打90钻机干的活，这是另外的优势了，刚才都介绍了这些东西。钛合金钻杆现场肯定是需要有一些配套的东西，比如说牙钳，不能用有牙痕的牙钳，肯定要用无牙痕牙钳，相关配套的东西都需要做这方面的工作。

简单介绍这么多，无论是从材料特性，还是管柱力学方面，钛合金是解决深井、超深井，大位水平井，以及3超气井技术难题的新利器，并且管材及装备的轻量化应该是突破钻井极限的有效手段。

谢谢！