高強(qiáng)度CT100連續(xù)管力學(xué)性能研究*

汪海濤，余 晗，常永樂(lè)，張國(guó)超，馬 璇，馮 博

（1.國(guó)家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西 寶雞721008）

高強(qiáng)度CT100連續(xù)管力學(xué)性能研究*

汪海濤1,2，余 晗1,2，常永樂(lè)2，張國(guó)超1,2，馬 璇1,2，馮 博2

（1.國(guó)家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西 寶雞721008）

為了滿足各油田用戶對(duì)連續(xù)管鉆井、壓裂及深井、超深井開(kāi)發(fā)的需求，突破國(guó)外對(duì)高強(qiáng)度連續(xù)管制造技術(shù)的壟斷，國(guó)家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心成功研制出首盤國(guó)產(chǎn)規(guī)格為Φ50.8mm×4.44mm CT100鋼級(jí)高強(qiáng)度連續(xù)管。通過(guò)國(guó)家石油管材質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心的第三方檢測(cè)，其各項(xiàng)理化性能合格，滿足API SPEC 5ST標(biāo)準(zhǔn)要求。國(guó)產(chǎn)CT100連續(xù)管可承受高載荷，適合深井、超深井作業(yè),尤其在頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)中進(jìn)行多段壓裂、鉆磨橋塞等作業(yè)具有顯著優(yōu)勢(shì)。

CT100；連續(xù)管；高強(qiáng)度；焊管

連續(xù)管（CT，coiled tubing）是一種高強(qiáng)度、高塑性并具有一定抗腐蝕性能的單根長(zhǎng)度可達(dá)近萬(wàn)米的新型油氣管材，通過(guò)連續(xù)生產(chǎn)并纏繞在卷筒上交付使用。由于連續(xù)管技術(shù)具有效率高、成本低、作業(yè)范圍廣、占地面積小等一系列技術(shù)優(yōu)點(diǎn)和作業(yè)優(yōu)勢(shì)，因此，連續(xù)管將在油氣田勘探、開(kāi)發(fā)、作業(yè)、增產(chǎn)中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，具有廣闊的應(yīng)用前景[1-4]。

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的發(fā)展，國(guó)外相繼開(kāi)發(fā)出CT70、CT80、CT90、CT100高強(qiáng)度連續(xù)管甚至CT110和CT120超高強(qiáng)度連續(xù)管。CT100鋼級(jí)連續(xù)管憑借強(qiáng)度高、抗壓高、疲勞壽命高等優(yōu)勢(shì)，適合在鉆井、酸化壓裂等非常規(guī)作業(yè)和深井、超深井的開(kāi)發(fā)中應(yīng)用，在油氣資源及復(fù)雜油氣井開(kāi)發(fā)中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)，隨著我國(guó)油氣勘探開(kāi)發(fā)難度的加大和非常規(guī)油氣資源開(kāi)發(fā)數(shù)量的增多，許多復(fù)雜油氣井工程難題顯現(xiàn)出來(lái)。水平井、多分支井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井，以及在油氣田開(kāi)采中深井、超深井?dāng)?shù)量的不斷增加，需要大量高強(qiáng)度的連續(xù)管，國(guó)產(chǎn)低鋼級(jí)連續(xù)管已經(jīng)不能滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的需要，突破國(guó)產(chǎn)高強(qiáng)度連續(xù)管的制造技術(shù)迫在眉睫[5-8]。

為了滿足各油田用戶對(duì)連續(xù)管鉆井、壓裂及深井、超深井開(kāi)發(fā)的需求，突破國(guó)外對(duì)高強(qiáng)度連續(xù)管制造技術(shù)的壟斷，國(guó)家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心成功研制出首盤國(guó)產(chǎn)CT100鋼級(jí)高強(qiáng)度連續(xù)管，各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足API SPEC 5ST規(guī)范要求。

1 高強(qiáng)度CT100連續(xù)管的特點(diǎn)

CT100鋼級(jí)連續(xù)管屈服強(qiáng)度大于689 MPa（100 ksi），抗拉強(qiáng)度大于 758 MPa（108 ksi），硬度小于28HRC(288HV)，憑借強(qiáng)度高、抗壓高、疲勞壽命高等優(yōu)勢(shì)，在鉆井、水平壓裂等非常規(guī)作業(yè)和深井、超深井的開(kāi)發(fā)中應(yīng)用，比低鋼級(jí)連續(xù)管具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

（1）與低鋼級(jí)連續(xù)管相比，CT100鋼級(jí)連續(xù)管具有強(qiáng)度高、抗壓高、疲勞壽命高等優(yōu)勢(shì)，能夠安全地實(shí)現(xiàn)欠平衡壓力鉆井作業(yè)，有利于保護(hù)油氣層，提高鉆速。因此，高強(qiáng)度CT100連續(xù)管是鉆井的理想工具[9-10]。

（2）深層油氣資源的勘探開(kāi)發(fā)是各石油公司提高企業(yè)效益和競(jìng)爭(zhēng)力，達(dá)到穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)的關(guān)鍵。近年來(lái)，隨著我國(guó)深井、超深井作業(yè)技術(shù)水平的不斷提高，在油氣田開(kāi)采中深井、超深井?dāng)?shù)量不斷增加，繼而要求連續(xù)管下井深度增加。伴隨著連續(xù)管下入深度的增加，會(huì)增大管體懸掛質(zhì)量，當(dāng)其大于井口連續(xù)管管體屈服載荷時(shí)將會(huì)造成管體損傷，影響作業(yè)安全性，低強(qiáng)度連續(xù)管已經(jīng)不能滿足其作業(yè)要求。憑借較高的強(qiáng)度，CT100連續(xù)管可承受的最大載荷也較高，可以滿足在深井、超深井中使用，與低鋼級(jí)連續(xù)管相比，CT100連續(xù)管在深井、超深井中作業(yè)優(yōu)勢(shì)明顯。國(guó)產(chǎn)連續(xù)管理論最大下井深度見(jiàn)表1。

表1 國(guó)產(chǎn)連續(xù)管理論最大下井深度

（3）目前，市場(chǎng)水平井發(fā)展迅速，由于水平井具有泄油面積大、單井產(chǎn)量高、穿透度大、儲(chǔ)量動(dòng)用程度高、可避開(kāi)障礙物和環(huán)境惡劣地帶等優(yōu)點(diǎn)，再加上壓裂后形成的裂縫作為滲油通道，可以大大提高油井的產(chǎn)能。CT100連續(xù)管抗內(nèi)壓高，抗擠毀壓力大，具有更大的承受應(yīng)變的能力，適合進(jìn)行高壓作業(yè)，在管壁變薄后，仍能承受較大的工作壓力。同時(shí)，CT100連續(xù)管強(qiáng)度高，一次下管柱逐層壓裂的層數(shù)多，可以多達(dá)十幾個(gè)小層，作業(yè)效率高，能有效提高油氣井的產(chǎn)量。與低鋼級(jí)連續(xù)管相比，CT100連續(xù)管用于水平井壓裂作業(yè)的優(yōu)勢(shì)尤其明顯[11]。

（4）CT100連續(xù)管幾乎可以滿足低鋼級(jí)連續(xù)管能夠進(jìn)行的所有作業(yè)類型，應(yīng)用范圍廣。同時(shí)，CT100連續(xù)管的低周疲勞壽命較高，在同樣的工作環(huán)境下，具有較高的使用壽命，大大提高了作業(yè)次數(shù)[12-14]。不同鋼級(jí)連續(xù)管的低周疲勞壽命對(duì)比如圖1所示。

圖1 不同鋼級(jí)連續(xù)管的低周疲勞壽命對(duì)比

（5）隨著連續(xù)管強(qiáng)度的增加，CT100連續(xù)管抗H2S應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的性能有所下降，其性能略低于低鋼級(jí)連續(xù)管。

2 國(guó)產(chǎn)CT100連續(xù)管性能檢測(cè)

為了滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)高鋼級(jí)連續(xù)管的需求，國(guó)家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心成功研制出首盤國(guó)產(chǎn)CT100鋼級(jí)高強(qiáng)度連續(xù)管，規(guī)格為Φ50.8mm×4.44mm，長(zhǎng)度3 500 m，通過(guò)國(guó)家石油管材質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心第三方檢測(cè)，各項(xiàng)理化性能合格，滿足API SPEC 5ST標(biāo)準(zhǔn)要求，具體檢測(cè)性能如下。

2.1 幾何尺寸檢測(cè)

從研制的CT100鋼級(jí)高強(qiáng)度連續(xù)管上截取樣管，分別為1#和2#試樣，進(jìn)行幾何尺寸檢測(cè)。其檢測(cè)結(jié)果滿足API SPEC 5ST中規(guī)定的管徑±0.25mm、壁厚4.24～4.75mm的要求，樣管幾何尺寸檢測(cè)位置如圖2所示，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

圖2 樣管幾何尺寸檢測(cè)位置示意圖

表2 樣管幾何尺寸檢測(cè)結(jié)果

2.2 整管拉伸性能

從整卷連續(xù)管上截取長(zhǎng)450mm的樣管進(jìn)行整管拉伸試驗(yàn)，測(cè)得CT100連續(xù)管拉伸性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，具體結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 樣管拉伸試驗(yàn)結(jié)果

2.3 壓扁試驗(yàn)

依據(jù)API SPEC 5ST標(biāo)準(zhǔn)，將連續(xù)管加工成Φ50.8mm×110mm樣管，對(duì)樣管焊縫位置進(jìn)行0°、90°壓扁試驗(yàn)，試驗(yàn)平板間距為 44.5mm（0.876×直徑）。在達(dá)到規(guī)定板間距前，焊縫或母材外表面不允許有超出3.2mm的裂紋或裂縫出現(xiàn)。檢測(cè)結(jié)果表明，國(guó)產(chǎn)CT100連續(xù)管均未出現(xiàn)裂紋，檢測(cè)結(jié)果合格。

2.4 擴(kuò)口試驗(yàn)

依據(jù)API SPEC 5ST標(biāo)準(zhǔn)，將連續(xù)管加工成Φ50.8mm×100mm樣管，利用錐度為60°的頂芯對(duì)樣管進(jìn)行擴(kuò)口，擴(kuò)口率為21%，試驗(yàn)完成后擴(kuò)口部位不允許出現(xiàn)裂紋。檢測(cè)結(jié)果表明，國(guó)產(chǎn)CT100連續(xù)管擴(kuò)口部位均未出現(xiàn)裂紋，檢測(cè)結(jié)果合格。

2.5 硬度試驗(yàn)

隨著連續(xù)管鋼級(jí)的提高，其硬度也隨之升高。但同時(shí)為了確保連續(xù)管具有較好的塑性，需要將其硬度相應(yīng)控制在一定范圍。依據(jù)API SPEC 5ST要求，CT100鋼級(jí)連續(xù)管硬度≤28 HRC。試驗(yàn)用國(guó)產(chǎn)CT100連續(xù)管硬度檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4，結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表4 樣管洛氏硬度試驗(yàn)結(jié)果

2.6 靜水壓與爆破試驗(yàn)

為了確保連續(xù)管具有一定的抗內(nèi)壓能力，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)Φ50.8mm×4.44mm國(guó)產(chǎn)CT100連續(xù)管進(jìn)行靜水壓試驗(yàn)，在92.1 MPa水壓下保壓15 min，檢查管體是否失效，并進(jìn)行水壓爆破試驗(yàn)。結(jié)果顯示，靜水壓試驗(yàn)保壓后管體未失效，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，靜水壓試壓曲線如圖3所示。

圖3 靜水壓試壓曲線

爆破試驗(yàn)失效位置為管體焊縫置為管體焊縫處，如圖4所示。失效水壓為168 MPa，比標(biāo)準(zhǔn)要求的132 MPa高出27%。

圖4 爆破試驗(yàn)失效位置

2.7 擠毀試驗(yàn)

對(duì)Φ50.8mm×4.44mm國(guó)產(chǎn)CT100連續(xù)管進(jìn)行抗外壓擠毀性能檢測(cè)，測(cè)試結(jié)果顯示，擠毀壓力為151.1 MPa，高于API SPEC 5ST標(biāo)準(zhǔn)要求的104.6 MPa，比標(biāo)準(zhǔn)要求抗擠毀能力高45%，試驗(yàn)曲線如圖5所示。

圖5 擠毀試驗(yàn)曲線

2.8 低周疲勞壽命測(cè)試

連續(xù)疲勞壽命預(yù)測(cè)是衡量其可靠性的關(guān)鍵指標(biāo)，為了確定Φ50.8mm×4.44mm國(guó)產(chǎn)CT100連續(xù)管低周疲勞壽命，利用自主研發(fā)的疲勞試驗(yàn)機(jī)對(duì)其性能進(jìn)行檢測(cè)。結(jié)果顯示，在內(nèi)壓34.47 MPa（5 000 psi）、彎曲模半徑 1 828mm（72 in）的情況下，國(guó)產(chǎn)CT100連續(xù)管疲勞失效次數(shù)為154次。

3 結(jié) 論

（1）Φ50.8mm×4.44mm 國(guó)產(chǎn) CT100連續(xù)管各項(xiàng)性能指標(biāo)均能滿足API SPEC 5ST標(biāo)準(zhǔn)要求。屈服強(qiáng)度745 MPa，抗拉強(qiáng)度799 MPa，均大于標(biāo)準(zhǔn)要求。憑借高強(qiáng)度，國(guó)產(chǎn)CT100連續(xù)管可適合深井、超深井作業(yè)。

（2）Φ50.8mm×4.44mm國(guó)產(chǎn)CT100連續(xù)管爆破失效水壓為168 MPa，擠毀壓力為151.1 MPa。具有較高的抗壓能力，適合油氣井高壓環(huán)境作業(yè)。尤其在頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)中進(jìn)行多段壓裂、鉆磨橋塞等作業(yè)具有顯著優(yōu)勢(shì)。

（3）Φ50.8mm×4.44mm 國(guó)產(chǎn) CT100連續(xù)管具有高的疲勞壽命，更為安全可靠，是作為油田鉆井的理想工具。

[1]尹方雷，崔凱，張德旺，等.連續(xù)管技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及展望[J].內(nèi)蒙古石油化工，2013（13）：95-97.

[2]劉壽軍，李根生.我國(guó)連續(xù)管技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展建議[J].石油機(jī)械，2013，41（11）：1-5.

[3]李斌.連續(xù)油管失效的機(jī)理與原因分析[J].石油機(jī)械，2007，35（12）：73-76.

[4]余晗，張錦剛，鮮林云，等.國(guó)產(chǎn)CT80鋼級(jí)連續(xù)管[J].石油科技論壇，2013（4）：49-52.

[5]劉金川.國(guó)內(nèi)外水平井主流分段壓裂技術(shù)現(xiàn)狀[J].工業(yè)工程與技術(shù)，2013（12）：23.

[6]凌歷.淺談現(xiàn)代水平井鉆井技術(shù)[J].中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2013（6）：92.

[7]蘇義腦，孫寧.我國(guó)水平井鉆井技術(shù)的現(xiàn)狀與展望[J].中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，1996，18（6）：14-20.

[8]吳月先，鐘水清，徐永高，等.中國(guó)水平井技術(shù)實(shí)力現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2008，37（3）：33-36.

[9]尹方雷，余雷，夏炎，等.連續(xù)管鉆井工具現(xiàn)狀及趨勢(shì)[J].遼寧化工，2013，42（9）：1068-1074.

[10]汪海閣，王靈碧，紀(jì)國(guó)棟，等.國(guó)內(nèi)外鉆完井技術(shù)新進(jìn)展[J].石油鉆采工藝，2013，35（5）：1-12.

[11]章傳國(guó)，鄭磊，李冰.CT100高強(qiáng)度連續(xù)油管用鋼卷的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[J].寶鋼技術(shù)，2011（2）：74-77.

[12]王龍庭，徐興平.連續(xù)管工作壽命預(yù)分析[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2007，36（12）：55-58.

[13]高霞，上官豐收，宋生印.連續(xù)管低周疲勞試驗(yàn)裝置方案分析[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2007，36（11）：65-69.

[14]李小影，石凱.連續(xù)管失效及疲勞壽命的研究現(xiàn)狀[J].內(nèi)蒙古石油化工，2008（20）：7-10.

Mechanical Properties Research of High Strength CT100 Coiled Tubing

WANG Haitao1,2，YU Han1,2，CHANG Yongle2，ZHANG Guochao1,2，MA Xuan1,2，F(xiàn)ENG Bo2
（1.Chinese National Engineering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods，Baoji 721008，Shaanxi，China;2.BaoJi Petroleum Steel Pipe Co.，Ltd.，Baoji 721008，Shaanxi，China）

In order to meet the development requirements for oilfield users in some aspects，such as coiled tubing drilling，fracture，deep well and ultra-deep well，break through the foreign monopoly on high strength coiled tubing manufacturing technology，Chinese National Engineering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods successfully developed the first CT100 high strength coiled tubing with size of Φ50.8mm×4.44mm.Through the third party(State Quality Supervision and Inspection Center for Oil Tubular Goods)inspection，the various physical and chemical properties are qualified，meet the requirements of API SPEC 5ST.Domestic CT100 coiled tubing can bear high load，it is suitable for deep well and ultra-deep well operation，especially possesses significant advantages in the shale gas development，such as multistage fracture，drilling and milling bridge plug.

CT100；coiled tubing；high strength;welded pipe

TG113.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.04.001

國(guó)家重大科技專項(xiàng)項(xiàng)目“36－煤層氣鉆井工程技術(shù)及裝備研制（二期）”（2011ZX05036）。

汪海濤（1984—），男，碩士研究生，工程師，主要從事連續(xù)油管新產(chǎn)品研發(fā)工作。

2015-06-30

羅 剛