深層頁巖氣開發環境下連續油管焊縫疲勞計算方法探討

方福君，李庚，蔣濤，孫兆巖，劉志堯，盧秀德

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 地質勘探開發研究院（四川 成都610213）

0 引言

連續油管施工環境較為惡劣、受力狀態復雜，易受多種因素影響導致失效。若連續油管的失效主因是循環彎曲造成的管體疲勞失效，稱之為“純疲勞”引發的失效。隨著頁巖氣開發的不斷深入，施工中出現因“純疲勞”而引發的連續油管失效案例逐漸增多，且多數失效發生在連續油管鋼帶對接焊縫相鄰位置，造成很大危害。為此，一些國內外學者對原連續油管疲勞模型中焊縫位置的疲勞修正系數取值是否合適產生懷疑[1-4]，Padron T等人進行了針對此類問題的大量相關性實驗研究，證實采用斜口焊接方式的高強度連續油管，焊縫位置的疲勞壽命受應變量的影響嚴重[5]。

我國頁巖氣的開發重點現已逐漸轉向深層頁巖氣[6-8]，大井深、高壓力、超長水平段的作業環境將導致連續油管的選型只能向更高強度、更大管徑方向發展。但受運輸條件制約，為保證能裝載足夠長度的連續油管，繼續采用較小芯軸的滾筒是唯一選擇。由于以上原因疊加，造成在深層頁巖氣開發環境下的連續油管將會比以往工況承受更高水平的應變，若此問題不加以重視，將會給安全生產帶來極大隱患。

通過篩選出一起較為典型的國產連續油管因“純疲勞”引發焊縫位置失效案例，應用Padron T等人提出的連續油管焊縫疲勞計算方法，對發生斷裂的焊縫進行疲勞壽命消耗計算，探討此方法是否適合國產連續油管焊縫的疲勞壽命計算，以期為國產連續油管在深層頁巖氣應用中的管柱安全提供一定的參考依據。

1 連續油管失效案例的確定

按照Padron T等人對于因“純疲勞”而引發的連續油管失效案例統計，典型失效案例應包括以下4項因素：①高強度（鋼級CT100及以上）、大管徑（直徑50.8 mm及以上）的連續油管；②斜口焊縫出現“純疲勞”失效；③連續油管在高壓（41～48 MPa）環境下工作；④連續油管失效的焊縫位置承受了較高水平的彎曲應變（1.7%～2.1%）。

根據以上因素，篩選出的一起典型案例如下：某國產鋼級CT110、外徑50.8 mm、長度5 500 m的連續油管，在服役的第86天突然發生斷裂，作業類型主要為頁巖氣井的鉆磨橋塞、通井和射孔作業，作業深度3 006～5 372 m，最高施工壓力62 MPa，斷裂位置3 275 m處，如圖1所示。

圖1 連續油管3 275 m斷口處外形圖

1.1 確定失效類型

在對斷口區域外觀檢查未發現明顯的機械損傷和腐蝕性損傷，經斷口宏觀形貌、掃描電鏡觀察，發現斷口HFW焊縫位置存在由內壁內向外擴展的疲勞貝紋線，斷面其他位置斷口類似于拉伸斷口形貌，由此確定此失效的主要原因為“純疲勞”引發，如圖2所示。

圖2 連續油管3 275 m斷口處掃描電鏡

1.2 確定失效處是否為焊縫位置

取距離斷口10 mm位置環狀管樣進行金相檢測，結果顯示HFW焊縫及母材組織均正常，而環切面斷面發現距離HFW焊縫90°位置處顯示為鋼帶對接焊縫熱處理組織，因此可判定失效位置位于鋼帶對接的焊縫區域，如圖3所示。

圖3 連續油管3 275 m斷口處金相檢測圖

對照此卷連續油管的出廠技術文件（表1），發現第6段與第7段鋼帶的焊縫位置在3 280 m處，同時通過查閱使用記錄，發現此卷連續油管斷裂前入井的22次記錄中前端均未進行較大長度的切割，僅在每次制作接頭時有所消耗，共計切割5 m，因此，確定斷裂位置3 275 m為第6段鋼帶與第7段鋼帶的焊縫位置，焊縫類型為斜口焊縫。

表1 連續油管基本參數

1.3 斷裂點3 275 m處每次彎曲時施工壓力統計

提取原始施工數據發現，斷裂點3 275 m位置處共有88次彎曲記錄，最后斷裂發生在第44次出井方向滾筒處的彎曲點，如圖4所示。

圖4 3 275 m位置處彎曲記錄圖

在斷裂前3 275 m處彎曲時的施工壓力主要集中在40～50 MPa這一區間，占總彎曲次數的55%，超過50 MPa以上的彎曲占總彎曲次數的26%。

1.4 失效焊縫位置承受的彎曲形變量計算

基于梁彎曲原理，連續油管彎曲變形示意圖如圖5所示。

圖5 連續油管彎曲變形示意圖

在彎矩載荷下發生彎曲時產生的應變：

連續油管一個起下工作過程中需進行3次彎曲和3次整直，整個工作過程中連續油管在滾筒位置彎曲一次，導向器位置彎曲兩次（圖6）。連續油管各段在導向器的彎曲半徑不會發生變化，本案例采用的導向器半徑為2 540 mm，按式（1）計算斷裂點3 275 m經過導向器時的彎曲應變為0.99%。連續油管各段因在滾筒的纏繞層數不同其彎曲半徑也會不同[9]，其彎曲半徑的計算方法如圖7所示。

圖6 連續油管彎曲過程圖

圖7 連續油管在滾筒處彎曲半徑變化

當連續油管纏繞到滾筒的n層時，其彎曲半徑如下。

式中：R'為連續油管的彎曲半徑，mm；Rg為滾筒芯軸半徑，mm；R為連續油管半徑，mm。

滾筒第n層能容納的連續油管長度，M為對取整，則：式中：Ln為滾筒第n層能容納的連續油管長度，mm；B為滾筒內側寬度，mm；D為連續油管直徑，mm。

當獲取到連續油管以及滾筒的幾何尺寸后，通過式（2）和式（3）即可計算滾筒裝載參數表。案例連續油管直徑為50.8 mm，使用的滾筒幾何尺寸內側寬度2 200 mm，芯軸直徑2 030 mm，其計算結果見表2。根據表2本案例斷裂點3 275 m纏繞在滾筒時位于第8層，彎曲半徑1 348 mm，由式（1）可得斷裂點3 275 m在滾筒彎曲時的應變為1.85%。

表2 連續油管滾筒裝載參數

因此，根據以上幾點可確定篩選出的國產連續油管焊縫失效案例符合Padron T等人提出的高應變條件下焊縫失效典型案例的4項因素。

2 焊縫疲勞壽命修正系數的確定

2.1 傳統焊縫疲勞壽命修正系數取值方法

目前國際上常規的連續油管焊接方式分6種，按其性能由高到低排序分別為斜口焊接、錐度斜口焊接、軌道對接焊接、手動對接焊接、軌道錐度對接焊接和手動錐度對接焊接，隨著國產連續油管制造工藝的進步，現以斜口焊接為主。傳統的焊縫疲勞壽命修正系數對于同一類型的對接焊縫，無論其受到的應變水平如何，采用統一降級的方式，降級的程度與焊接方式有關，焊接的方式不同其焊縫疲勞壽命修正系數也不相同。目前國內外連續油管焊縫處的疲勞壽命主要采用與母材疲勞壽命的比值來計算，對于斜口焊縫的疲勞壽命修正系數通常取值為80%[10]。篩選出的失效案例按傳統方法對焊縫疲勞壽命修正系數均按80%取值，修正后本案例連續油管疲勞消耗的分布如圖8所示。

圖8 采用傳統方法對焊縫疲勞壽命修正系數取值得到的連續油管疲勞消耗分布

2.2 按彎曲應變對焊縫疲勞壽命修正系數取值方法

根據Padron T等人提出的修正系數取值方法，導向器和滾筒兩處因彎曲應變不同應分別取值，案例連續油管各焊縫點疲勞壽命修正系數取值見表3。同時，根據表3各焊縫點在導向器和滾筒兩個位置分別取值后，案例修正后的連續油管疲勞消耗的分布如圖9所示。

圖9 按彎曲應變對焊縫點疲勞壽命修正系數取值得到的連續油管疲勞消耗分布

表3 按彎曲應變對焊縫點疲勞壽命修正系數取值

3 討論

2016年，Padron T等人提出了根據彎曲應變對焊縫疲勞壽命修正系數進行取值的方法，經研究驗證其方法內容中修正后斷裂點3 275 m處的疲勞消耗進入80%～90%現場應用時的失效警戒區域，對于現場應用具有一定指導價值。然而，此方法仍存在不足，在案例統計和試驗中，Padron T等人明確了此類失效還與連續油管承受了高內壓有關，但在取值時它又只考慮了彎矩載荷下連續油管焊縫部位發生彎曲時產生的應變，忽視了實際工作中連續油管的應變主要由內壓和彎矩載荷耦合協作產生[11]，所以采用彎曲應變進行取值的方法，其結果是相對于母材，每個焊縫點的降級程度均在原80%的基礎上進一步降低。因此，考慮內壓對焊縫疲勞壽命的影響，引入連續油管彎矩載荷和內壓耦合作用下等效應力的軸向應變（后簡稱等效應變）作為焊縫疲勞壽命修正系數取值依據，然后觀察其結果。

Tomas Padron等人在實驗中對樣本施加的內壓為41.37 MPa，故其鋼級CT110、外徑50.8 mm、壁厚4.8mm的連續油管彎曲應變為1.40%對應的等效應變為2.56%，焊縫疲勞壽命修正系數取值為80%，同時彎曲應變2.5%對應的等效應變為4.53%，焊縫疲勞壽命修正系數取值為60%。按此標準建立等效應變與焊縫疲勞壽命修正系數取值的對應關系，見表4。

表4 等效應變與焊縫疲勞壽命修正系數對應

根據表4的對應關系，對本案例各焊縫點每次彎曲時的焊縫疲勞壽命修正系數分別取值，其修正后的連續油管疲勞消耗的分布如圖10所示。

圖10 采用等效應變對焊縫疲勞壽命修正系數進行取值得到的連續油管疲勞消耗分布

最后，研究結果顯示，采用等效應變對焊縫疲勞壽命修正系數進行取值，其3 275 m焊縫點的疲勞消耗達到97.1%，最接近理想值。分析原因，考慮與3 275 m焊縫點有26%的彎曲記錄壓力超過50 MPa有關，因為這樣可導致3 275 m處的焊縫疲勞壽命修正系數取值不到60%，而其他焊縫點的疲勞壽命修正系數也呈現出受彎曲半徑和內壓的雙重影響，所以更加符合焊縫失效與彎曲半徑和內壓兩者皆存在相關性的特征。采用3種取值方法對本案例國產連續油管9個焊縫點的焊縫疲勞壽命修正系數的取值情況如圖11所示。

圖11 3種焊縫疲勞壽命修正系數取值方法各焊點的取值對比

并對其他類似的連續油管失效案例進行了研究，結果類似，但由于現階段我國深層頁巖氣的開發尚處于起步階段，相關案例較少且國內還缺乏專門針對高強度、大管徑連續油管在高內壓、大應變的焊縫疲勞試驗報道，所以該研究結論尚缺乏足夠的數據支撐，未來需要更多的研究探討來進一步驗證。