超高強度CT120 連續管研制及性能研究*

李鴻斌， 畢宗岳， 劉 云， 鮮林云， 余 晗， 汪海濤

（1. 國家石油天然氣管材工程技術研究中心， 陜西 寶雞721008；2. 寶雞石油鋼管有限責任公司 鋼管研究院， 陜西 寶雞721008）

0 前 言

連續管 （Coiled Tubing， 簡稱CT） 是一種纏繞在卷筒上、 可從油井中連續下入或起出的長度達數千米的油氣管材， 可以代替常規螺紋連接油管， 用于油田修井、 鉆井、 完井、 測井、 采油采氣等領域。 因其作業技術具有可帶壓作業、 連續起下、 作業快捷、 應用范圍廣等獨特優勢， 連續油管及其作業裝備被稱作“萬能作業機”[1-3]。

2007 年以來， 我國建成了國內首條連續管生產線， 并成功開發了國產CT80 連續管產品，隨后實現了連續管鋼級和品種的產業化， 產品覆蓋API SPEC 5ST 標準， 有力推動了國內連續管技術的發展與應用。 隨著我國深層油氣資源開發力度不斷加大， 新疆、 塔里木、 西南等油田的超深井 （6 000～9 000 m） 數量快速增長， 現有鋼級的連續管已經不能完全滿足超深井對下入深度、 承載等方面的作業需求。 同時， 連續管是頁巖氣開發的關鍵工具， 隨著我國頁巖氣井增產技術的突飛猛進， 頁巖氣井水平段長度大幅增加，最大水平段長度已達4 000 m， 現有鋼級的連續管已經不能完全滿足高壓、 水平井下入深度等方面的作業需求[4-9]， 超高強度連續管的需求與日俱增。

本研究對超高強度、 非標連續管的制造技術及難點進行了分析， 并對開發的CT120 鋼級連續管進行了組織及力學性能分析， 為推動國產超高強度連續管產品的工業化生產、 促進其在油田的推廣應用及作業工藝制定提供數據支撐。

1 超高強度連續管制造難點

1.1 性能指標

API SPEC 5ST 《連續油管規范》 中， 連續管的最高鋼級為CT110。 對于非標準的CT120、CT130、 CT140 超高強度連續管， 參考API SPEC 5ST 《連續油管規范》 中的方法， 計算出超高強度連續管主要力學性能指標， 見表1。

連續管制造技術采用直縫焊接， 主要生產工藝包括： 鋼板開卷、 矯平、 鋼板切鋼帶、 鋼帶焊接形成連續帶鋼、 焊縫探傷、 鋼帶繞在滾筒上、成型、 焊接、 直焊縫探傷、 清除外毛刺、 焊縫熱處理、 定徑、 切斷、 纏繞在滾筒上、 整體試壓[10]。 連續管制造難度大， 單根管柱長度達幾千米， 任何一處質量缺陷都有可能造成管柱失效，其制造過程涉及到材料的冷變形、 熱變形、 焊接、 熱處理等制造工藝， 是一個復雜的、 系統的金屬材料加工過程。 對于非標的CT120、 CT130、CT140 等超高強度連續管， 由于其強度更高、 單根長度更長 （管材下井深度一般超過5 000 m）、管體承壓要求高， 因此， 超高強度連續管制造難度更大， 從以下幾個方面進行分析。

表1 超高強度連續管主要力學性能指標

1.2 原材料選擇

制造超高強度連續管一般要求原材料具有超高的強度。 單純提高原材料強度， 相對簡單， 一些微合金高強鋼、 超細晶粒鋼的抗拉強度能夠達到1 000 MPa 以上。 然而， 提高強度會導致塑、韌性降低， 同時增大環境裂紋的敏感性， 圖1 為高強度卷板試驗彎曲開裂照片。 由于連續管在使用過程中要受到拉、 壓、 扭、 彎、 脹、 擠等復合載荷， 對原材料材質提出了更高要求[11-13]。 高強度連續管專用原材料除了要求材料的強度高以外，還需要考慮原料潔凈度、 塑韌性、 硬度、 顯微組織、 焊接性能以及低周疲勞壽命等。 因此， 兼顧高強度與高塑性的原料對于高強度連續管性能起到了決定性作用， 開發系列化的超高強度連續管專用原材料， 將是一次突破材料性能極限的挑戰。

圖1 高強度卷板試樣彎曲開裂照片

1.3 焊接工藝

鋼帶與鋼帶的對接焊以及制管后的直縫焊，其焊縫質量的穩定可靠是超高強度連續管制造必須面對的難題。

（1） 鋼帶對接

鋼帶對接接頭是實現連續管長達近萬米的關鍵， 也是確保連續管管柱壽命連續性的關鍵。 針對高強度的鋼帶對接， 要保證對接接頭的強度及接頭位置的抗彎曲疲勞性能， 同時鋼帶強度越高，焊接的敏感性也會顯著增加， 焊接接頭軟化問題在高強度管材表現明顯。 超高強度鋼帶的對接需要從焊接材料和焊接工藝方面開展大量研究。

（2） 直縫管焊接

提高原料強度的主要方式有細晶強化、 固溶強化和形變強化， 超高強度原料多采用高碳、 高錳、 合金化設計， 導致原料碳當量增大， 可焊性降低， 如何保證焊縫質量， 連續、 高效開展直縫管焊接是必須面對的難題。

無論采用高頻焊、 激光焊或是其他焊接方式，直焊縫的組織與性能與管體差異較大， 特別是組織強化型的鋼， 導致直焊縫位置的彎曲疲勞壽命遠低于管體母材， 如何優化直焊縫的組織與性能，是決定超高強度整體彎曲疲勞壽命的關鍵。

1.4 裝備要求

對于鋼材制造企業， 超高強度原料的軋制、卷取、 酸洗等流程， 對相關設備的制造能力提出了更高的要求。

對于制管企業， 對超高強度卷板的開卷、矯平、 縱剪分條、 原料成型、 管材定徑、 管材卷取等相關生產設備能力要求較高， 現有部分設備存在能力不足。 如對厚度6 mm、 抗拉強度達1 100 MPa 的卷板的縱剪分條及成型制管裝備， 現有縱剪剪刃、 成型軋輥的強度無法滿足要求， 需要一定的研究開發， 圖2 所示為剪刃強度不足導致原料縱剪后邊部質量較差的照片。

圖2 高強度原料縱剪后邊部毛刺照片

2 CT120 連續管性能分析

通過對超高強度、 非標連續管制造的分析，完成了超高強度原料開發及相關制管工藝研究，實現了CT120 連續管的工業化生產。 以生產的Φ50.8 mm×4.44 mm CT120 連續管為例， 對其力學性能、 顯微組織、 焊接性能、 低周疲勞壽命以及承壓性能等進行分析。 CT120 連續管的檢測內容及相關標準見表2。

表2 CT120 連續管檢測內容及相關標準

2.1 微觀組織

CT120 連續管樣品的母材及焊縫金相組織形貌如圖3 所示。 由圖3 可知CT120 連續管組織以多邊形鐵素體和粒狀貝氏體為主， 組織均勻，母材晶粒度均為12 級， 帶狀組織小于1.5 級，非金屬夾雜物最大為D 類1.0 級。

圖3 CT120 連續管母材及焊縫微觀組織形貌

2.2 管材強度

表3 為CT120 連續管試樣拉伸性能試驗結果。由表3 可知， CT120 連續管屈服強度為880 MPa，抗拉強度為955 MPa， 斷后伸長率為19.9%， 試樣拉伸性能滿足設計要求。 CT120 連續管強度的提升， 其承載能力、 解卡能力和下入深度（尤其水平段） 也將大幅增加。

2.3 硬度

表4 為Φ50.8 mm×4.44 mm CT120 連續管試樣焊縫、 熱影響區和母材的截面硬度檢測結果。由表4 可知， 焊縫、 熱影響區和母材硬度控制在286HV～328HV， 滿足設計的要求 （≤355HV），且硬度控制合理， 波動較小， 表明管體母材及焊縫的組織均勻， 性能一致。

表4 Φ50.8 mm×4.44 mm CT120 連續管試樣硬度試驗結果 HV

2.4 塑性

圖4 Φ50.8 mm×4.44 mm CT120 連續管拉伸曲線

表5 為Φ50.8 mm×4.44 mm CT120 連續管試樣壓扁試驗結果， 表6 為擴口試驗結果。 由表5、表6 可知， 試驗后試樣焊縫、 母材均未出現裂紋，表明CT120 連續管樣品焊接質量較好， 且管材沿周向具有良好的塑性， 可滿足大應變彎曲變形和苛刻的塑性變形。

表5 Φ50.8 mm×4.44 mm CT120 連續管壓扁試驗結果

表6 Φ50.8 mm×4.44 mm CT120 連續管擴口試驗結果

2.5 抗內、 外壓性能

為了評價CT120 連續管抗內壓性能， 對樣管先進行靜水壓試驗， 試驗壓力103.4 MPa，保壓15 min， 無泄漏， 無壓降； 隨后繼續升壓至200.2 MPa， 樣管HFW （高頻感應焊） 焊縫位置發生失效， 較理論計算壓力156.6 MPa 提高27.8%， 試驗結果表明CT120 連續管具有良好的焊接質量及優異的抗內壓爆破性能。

為了檢測CT120 連續管抗外壓性能， 對樣管進行外壓擠毀試驗， 擠毀壓力達172.2 MPa時管材失效， 較理論計算值135.1 MPa 提高了27.5%， 表明CT120 連續管具有優異的抗外壓擠毀性能。

圖5 所示為Φ50.8 mm×4.44 mm CT120 連續管樣管水壓爆破試驗曲線和爆破后實物形貌， 圖6 所示為CT120 連續管樣管外壓擠毀試驗曲線和擠毀后實物形貌。 表7 為CT120 連續管樣管水壓爆破試驗和外壓擠毀試驗結果及分析。 試驗結果表明， CT120 連續管抗內壓和外壓能力高， 為管材高壓射孔、 多段壓裂等復雜作業提供了可靠保障。

圖5 Φ50.8 mm×4.44 mm CT120 連續管水壓爆破試驗曲線及實物照片

圖6 Φ50.8 mm×4.44 mm CT120 連續管外壓擠毀試驗曲線及實物照片

表7 Φ50.8 mm×4.44 mm CT120 抗內、 外壓試驗結果及分析

2.6 低周疲勞性能

連續管在起、 下的作業過程中， 作業卷筒和導向拱上的連續管會在內壓條件下發生周期性的大應變彎曲變形， 因此， 低周疲勞性能是檢驗連續管性能的重要指標， 同時， 連續管疲勞壽命與其規格、 強度等級、 作業壓力等有關[14-15]。 對Φ50.8 mm×4.44 mm×1 524 mm CT120 連續管樣管在內壓34.47 MPa、 彎曲半徑1 828 mm （該規格連續管最小導向拱半徑） 條件下進行實物彎曲疲勞試驗。 結果表明， CT120 連續管樣品疲勞壽命均值為192 次， 相比相同規格CT110 連續管，疲勞壽命提高了21%。 CT120 連續管在帶壓條件下， 表現出較好的抗低周疲勞性能， 能夠增加管材現場作業過程中的起下次數， 提高作業的安全性及經濟性。

3 結 論

（1） 通過對CT120 連續管樣品性能檢測分析， CT120 連續管的強度、 硬度、 組織、 焊接質量、 塑性等綜合性能良好， 具有較高的抗內、 外壓能力和彎曲疲勞壽命， 能夠滿足連續管復雜作業的要求， 提高作業的安全性及經濟性。

（2） CT120 連續管產品的成功開發， 為我國復雜油氣藏的勘探開發提供了有利的裝備保障，也為后續國產高端連續油管制造奠定了良好基礎。