[发明专利]用于油气开发的高强度高韧性钛合金管材及其制备方法

说明书

本发明涉及一种用于油气开发的高强度高韧性钛合金管材及其制备方法，以保证油气井安全有效开采，主要解决现有钛合金管的强度和韧性难以满足油气田井超深、高压等环境特点的问题。该钛合金管材除Ti以外，主要由以下成分按质量百分比组成，Al：3.8～5.0％，V：2.4～3.3％，Fe：1.3～1.8％，Nb：0.4～0.8％，Ni：0.3～1.0％，O≤0.2％，C≤0.04％，N≤0.04％，H≤0.0135％，还添加以下一种或两种合金元素，Cr：0.15～0.35％，Mo：0.05～1.0％。同时，本发明还提供了一种上述钛合金管的制备方法。

技术领域

本发明涉及石油天然气工业油气开发用管材领域，具体涉及一种在深井、超深井油气开发中使用的高强度高韧性钛合金管材及其制备方法，以保证油气井安全有效开采。

背景技术

随着石油天然气开发的进一步深入，中国许多西部和西南油气田开发具有高温(大于140℃)、高压(大于100MPa)、井深(大于5000m)、含高腐蚀介质(CO₂、H₂S、CL^－)等苛刻环境；为了满足油气田开发对油套管耐腐蚀性的要求，考虑到钛合金材料具有强度高、耐蚀性优异、弹性模量低、易于冷成型、耐海水冲刷等优良特性，故其已被用于制造油套管且具有非常优异的性能表现。

由于中国的油气开发工况和其他国家有较大区别，很多油气田井的总压力、CO₂分压和H₂S分压等腐蚀条件都远超过其他国家，特别是西部地区的油气田井一般具有超深、高压等特点，因此在钻探这类油气井时，对钻具的强度和韧性都提出了更高要求。目前，并不是所有钛合金材料都适用于中国的严酷油气开发工况，常规钛合金如TA18、TC4等材料制成的管材，在韧性方面通常达不到油气开发行业所要求的“先漏后破”要求，从而制约了钛合金材料在石油开发钻探领域中的使用，因此需要在保持一定强度和耐蚀性的条件下，开发出满足工况要求的高强度、高韧性钛合金管材料及其制备加工工艺，实现钛合金油井管产品在油气开采领域的工业化应用。

发明内容

本发明的目的是解决现有钛合金管的强度和韧性存在难以满足油气田井超深、高压等环境要求的问题，提供一种高强度高韧性钛合金管材及其制备方法，该钛合金材料制备的石油管材具有高强度高韧性的性能和良好的疲劳性能，可以满足油气开采领域的使用需要。

本发明解决上述问题的技术方案是：

一种用于油气开发的高强度高韧性钛合金管材，除Ti以外，主要由以下成分按质量百分比组成，Al：3.8～5.0％，V：2.4～3.3％，Fe：1.3～1.8％，Nb：0.4～0.8％，Ni：0.3～1.0％，O≤0.2％，C≤0.04％，N≤0.04％，H≤0.0135％；还添加有以下一种或两种合金元素，Cr：0.15～0.35％，Mo：0.05～1.0％。

进一步地，上述用于油气开发的高强度高韧性钛合金管材由以下成分按质量百分比组成，Al：4.53％，V：3.11％，Fe：1.69％，Ni：0.33％，Nb：0.77％，O：0.12％，C：0.035％，N：0.007％，H：0.0131％，Mo：0.09％，余量为Ti。

进一步地，上述用于油气开发的高强度高韧性钛合金管材由以下成分按质量百分比组成，Al：4.92％，V：2.56％，Fe：1.41％，Ni：0.89％，Nb：0.51％，O：0.13％，C：0.028％，N：0.016％，H：0.0134％，Mo：0.88％，Cr：0.19％，余量为Ti。

进一步地，上述用于油气开发的高强度高韧性钛合金管材由以下成分按质量百分比组成，Al：3.92％，V：2.82％，Fe：1.74％，Ni：0.37％，Nb：0.63％，O：0.16％，C：0.030％，N：0.010％，H：0.0129％，Mo：0.91％，Cr：0.31％，余量为Ti。

同时，本发明还提供一种用于油气开发的高强度高韧性钛合金管材的制备方法，包括以下步骤：