頁巖氣開發中連續油管管體失效的原因分析及對策

方福君，蔣濤，王國峰，田軍，張曉亮，譚文波，鄒先雄

1.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司 井下作業公司（四川 成都 610213）；

2.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司 長慶井下技術作業公司（陜西 咸陽 712000）

3.中國石油集團西部鉆探工程有限公司 試油公司（新疆 克拉瑪依 834000）

4.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司 井下作業公司（四川 成都 610052）

0 引言

連續油管具有帶壓作業、連續起下、設備靈活和作業周期短的特點，故在油氣開發中具有顯著的優越性和多功能性。但因服役環境惡劣，受力條件苛刻，產生了復雜、多樣的連續油管失效問題[1]。因此，針對連續油管管體失效的研究一直是行業內學者研究的重點和熱點。以往的研究主要集中于連續油管低周疲勞方面，但在實際中因工況惡劣或新出現的因素導致連續油管管體失效的事故不斷增加，而國內對此缺乏相關的研究和報道，故針對這些因素的研究顯得十分重要和迫切。

目前我國頁巖氣的開發技術雖主要借鑒于美國，但仍具有自身特點。我國頁巖氣開發主要集中在川渝地區，故將主要探討在川渝頁巖氣開發中服務的連續油管管體失效原因并提出相應對策，以期提高連續油管在我國頁巖氣開發的效率和安全性。

近年來隨著技術的發展和研究的深入，國產連續油管設備有了很大進步,具有質量好、性價比高、個性化、操作培訓服務和售后服務好等優點，在國內市場占絕對優勢。現川渝頁巖氣區塊85%以上使用的是國產連續油管設備，但川渝地區地形多屬于丘陵山地，所開發的頁巖氣井普遍較深，需管徑更大、長度更長的連續油管配置。但受現有川渝地區道路條件制約，此類型連續油管配置無法常規運用。

1 頁巖氣連續油管施工數據分析

1.1 連續油管報廢的主要原因

對近3年服務于川渝地區的頁巖氣連續油管使用情況進行跟蹤統計，結果顯示：80%以上為國產CT110 變壁厚連續油管。報廢的主要原因為：疲勞過高（82.9%）、劃痕（2.45%）、表面凹坑（2.45%）、連續油管突然失效斷裂（7.31%）和穿孔（4.89%）。另外，因疲勞過高而主動停用報廢的連續油管按起下井次數平均為45次，說明連續油管整體使用效率不高。因此，積極尋找過早疲勞或損傷原因對制定管體失效對策具有重要作用。

1.2 連續油管分工藝入井頻率

現階段我國頁巖氣開發中連續油管主要開展的工藝包括鉆磨橋塞、傳輸射孔、通掛洗井、打撈、下橋塞和測井等。對連續油管按照起入井次數統計后發現，鉆磨工藝和傳輸射孔2 項共占總起入井次數的54%。因此，研究這2 種工藝施工對連續油管不利的影響以及分析連續油管在頁巖氣開發中管體失效的原因具有代表意義。

2 連續油管管體失效的原因分析

分析現階段川渝頁巖氣開發中服務連續油管失效的原因，發現主要有以下幾方面：

1）頻繁短距離起下。在連續油管鉆磨工藝中，探塞、螺桿馬達失速停轉等都需上提鉆具重新開始鉆磨，遇卡時則需下壓或上提來活動管柱，或連續油管螺旋鎖定時需短距離上提。以上情況均可導致連續油管頻繁短距離起下，在注入頭與滾筒之間進行反復彎曲和整直，從而造成連續油管局部低周疲勞過高，最終降低連續油管整體的使用壽命。

2）高內壓。連續油管在鉆磨橋塞的施工中井口壓力普遍較高，可相應地導致連續油管內的泵注壓力升高，明顯降低其疲勞壽命。在此高內壓下，連續油管在注入頭與滾筒之間反復彎曲整直，其直徑增長速率加快、橢圓逐漸增加、壁厚減薄[2]，從而導致連續油管失效加速，同時疲勞壽命也會隨著內壓的增大而減小[3]。此外，Richard Hampson 等人發現連續油管在50 MPa 及以上的泵注壓力鉆磨21個橋塞，連續油管的疲勞壽命降低54%[4]。

3) 連續油管前端受到沖擊載荷。由于運輸條件的限制，連續油管在選擇更大管徑時受到約束，導致連續油管下入長水平段時頻繁出現螺旋鎖定。目前解決此問題最常用的方式是使用降助工作液加水力振蕩器[5]，但此方式會使連續油管前端受到較為強烈的沖擊載荷。近期，采用連續油管在線檢測裝置對一卷接連執行多次傳輸射孔作業的連續油管進行了缺陷檢測，發現此卷連續油管前端出現多處嚴重缺陷，損傷明顯高于其他部位，再次驗證了沖擊載荷會對連續油管產生較大的損傷。

4）共振造成機械損傷。學者Padron 和Craig 發現犁構形損傷缺陷占所有機械損傷缺陷的46%[6]。施工過程中即使注入頭對連續油管的夾持正常，如出現連續油管共振，夾持塊與連續油管也極有可能會出現相對的滑動位移，此時顆粒狀異物就會刮傷連續油管表面，留下塑性瘤，隨著滑動位移的持續，塑性瘤也隨之長大形成犁構形損傷導致嚴重的應力集中，進一步加劇連續油管的疲勞，造成管體突然失效[7-8]。

5）沖蝕。連續油管因為含砂流體的沖蝕造成管體局部的損傷和穿孔現象在施工中常常出現(圖1)，研究顯示造成此損傷的程度和流體的速度、方向以及含砂量有關[9]。近年來沖蝕造成連續油管管體失效的情況呈現上升趨勢，故應加強對其磨損原因及預防機制的研究。

圖1 連續油管受沖蝕造成的損傷缺陷圖

6）微生物腐蝕。2013 年加拿大一家公司連續出現多次使用時間較短的連續油管發生突然失效的情況，且均發生在同一地理區域。經檢查發現連續油管焊縫填充材料首先受到腐蝕，本體材料內部也受到腐蝕，同時壓裂返排液存在有害的產酸菌和硫酸鹽還原菌，提示存在MIC。經對壓裂返排液進行殺菌處理后，該區域連續油管突然失效的情況得到了抑制[10]，說明MIC 會導致連續油管管體失效。近年來國外學者對連續油管MIC問題進行了深入探討[11-12]，但國內尚未見有關報道。因此需進一步探討我國頁巖氣開發中連續油管存在的MIC 問題，以避免管體突然失效的發生。

7）過早疲勞失效。國外研究顯示[13]，CT100 等級及以上的連續油管相對于連續油管本體的疲勞壽命而言，其斜焊縫的疲勞壽命受應變程度影響更大。一般在高應變條件下，斜焊縫處的疲勞壽命約為本體部分疲勞壽命的60%，而在低應變調節下，斜焊縫處的疲勞性能又接近于本體部分。但現階段對國產高強度連續油管在高應變條件下斜焊縫處疲勞壽命的降低程度還缺乏實驗數據支撐。

3 解決方案

3.1 改進連續油管施工工藝和設備

事實上，在連續油管施工中不可能完全避免短距離反復起下問題，但通過以下方法可減少連續油管在某一區域出現過高的彎曲次數：①改進連續油管施工工藝，提高作業效率，盡量減少不必要的短距離起下；②加強連續油管的疲勞管理，有計劃地避免在同一區域多次反復起下，尤其要注意避免在連續油管斜焊縫部位出現反復起下；③作為遠景應對措施，需對連續油管設備作出較大改進。例如Wei Zhou 等人設計出一種連續油管短程控制裝置[14]。此裝置（圖2）可使連續油管疲勞損傷減小50%。雖然目前此方法未在實際施工中推廣使用，但為解決連續油管短距離反復起下問題提供了一種新思路。

圖2 Wei Zhou等人設計的連續油管短程控制裝置示意圖

3.2 優化工作液的性能，減少高內壓條件下反復彎曲

針對高壓力施工在尚不能提高連續油管管徑的情況下，現階段最佳對策是優化連續油管工作液的性能，減低摩阻壓力，從而降低泵注壓力。此外，目前常規采用的高強度連續油管雖具有較高的抗內外壓能力，但在高內壓下連續油管反復彎曲極易出現疲勞與變形，因此在高內壓下施工時一定要注意避免連續油管無效的反復彎曲。如四川威遠頁巖氣區塊一口井連續油管鉆磨橋塞施工的循環。連續油管在入井4 000 m 進尺非常緩慢，最高循環壓力已經超過47 MPa，通過及時優化調整工作液性能，有效降低摩阻壓力，循環壓力控制到37 MPa 左右，對連續油管的損傷有較大幅度的減輕。

3.3 加強連續油管的損傷管理

水力振蕩器的震動是解決連續油管螺旋鎖定最有效的方式，而連續油管傳輸射孔技術具有井況適應性強的優勢。此2種工況形成的沖擊載荷對于管體的損傷主要集中在連續油管前端，因此應加強連續油管前端的損傷管理。而對于連續油管因震動出現的疲勞損傷，最佳控制手段是對前端受到損傷的連續油管進行有計劃的切除。通過以上措施，輔以頻繁對連續油管傳輸射孔和水力振蕩器進行連續在線檢測，使其缺陷峰值點明顯減低和分散，目前連續油管前端失效的案例已少有發生。

此外，針對管體共振造成機械損傷，一方面可限制連續油管的起下速度，并在起下時避免恒定速度以減少共振的發生概率；另一方面可加強對注入頭夾持塊的檢查，避免因硬度較高的顆粒狀異物在夾持塊上附著造成連續油管的損傷。統計發現犁構形損傷缺陷占機械損傷缺陷由原來的42%減少到17%，效果顯著。

3.4 努力減少沖蝕磨損

含砂流體對于連續油管形成沖蝕損傷與流體的速度、方向和含砂量均有關。因連續油管油套環空橫截面積與沖蝕速率呈負相關，故可增大環空橫截面積以減小沖蝕磨損，還可根據施工需要選擇合適的連續油管管徑,從而得到合適的油套環空橫截面積。同時，選擇合理的施工參數(流量、含砂量)也可有效地減小對連續油管外壁的沖蝕磨損[10]。

3.5 預防MIC

雖然國內針對頁巖氣開發中連續油管是否存在MIC 問題還缺乏相關研究和報道，但國外的相關經驗卻具有重要借鑒意義。因此有必要對頁巖氣區域內連續油管工作液進行產酸菌和硫酸鹽還原菌篩查，并對添加了壓裂反排液的連續油管工作液進行預防性添加殺菌劑處理，以避免連續油管受到MIC而導致管體突然失效帶來的重大安全風險。

3.6 加強連續油管斜焊縫的疲勞管理

現階段對國產高強度連續油管在高應變條件下斜焊縫處的疲勞壽命降低程度還缺乏實驗數據支撐，應加強連續油管斜焊縫的疲勞管理，在施工中尤其是在高壓情況下盡量回避在連續油管斜焊縫位置頻繁起下；同時在連續油管疲勞監測時對處于高應變條件的高強度連續油管斜焊縫處的疲勞壽命取值須相對保守，以避免在斜焊縫處管體突然失效。

采用以上解決方案后，對最近半年連續油管使用數據進行統計，結果顯示：連續油管突然失效的案例呈明顯下降趨勢，尤其是連續油管前端突然失效的案例再未發生；而主動停用報廢的連續油管起下井平均次數由45次上升到51次，增加了13%[16]。

4 結論及建議

引起連續油管在頁巖氣開發中管體失效的原因較多，其中最主要的原因是高內壓條件下頻繁短距離起下造成連續油管的局部疲勞過高，從而導致整盤連續油管使用壽命降低。為此，提出以下幾點建議：

1）大力發展連續油管在線檢測技術在現場的應用。連續油管在線檢測技術在施工現場能對連續油管的缺陷、壁厚、直徑以及橢圓度進行實時檢測，若利用此技術對缺陷進行跟蹤對比分析，將對研究連續油管缺陷及疲勞壽命影響因素具有積極意義和推動作用。

2）持續改進連續油管設備。頻繁的短距離起下對連續油管的壽命影響較大，若在此基礎上進行持續改進，將有助于提高連續油管使用壽命。

3) 提高連續油管修復技術以及現場應用水平。連續油管在使用過程中由于作業環境惡劣極易出現各種損傷，但大部分損傷可以被修復，故及時發現連續油管的損傷并積極采取有效的修復措施顯得十分重要。