連續管管體失效機理及預防措施研究

劉少胡，馮定，劉旭輝 （長江大學機械工程學院，湖北 荊州434023）

近年來，在海上油氣、陸上油氣等常規油氣以及頁巖氣、煤層氣等非常油氣安全高效的開采中，尤其是在頁巖氣“井工廠”高效開采中，連續管得到了廣泛的應用［1，2］。如礁石壩頁巖氣“井工廠”多口井同步連續管鉆塞作業開創了國內先河，大大提升了開采效率，縮短了試氣周期，豐富了技術系列。與傳統鉆完井方式相比，連續管使用過程不需另立井架和上卸扣，極大縮短了作業周期、減輕了勞動強度和降低了開采成本，其費用可節約25%～40%，故在油田修井、完井、測井、鉆井等作業中得到廣泛應用，在油氣行業被譽為“萬能作業設備”［3，4］。

由此可以看出，連續管在油氣高效開采過程中得到了廣泛的應用，但連續管管體出現失效的問題也越來越嚴重。現場連續管失效的主要現象有管體裂紋、砂眼、凹坑、劃痕、泄漏孔、縫隙、皺折和斷裂［5，6］。Rex Burgos等對Schlumberger公司10年間連續管失效數據進行統計，得出前5年間疲勞失效占34%，由于腐蝕、磨損等引起連續管含缺陷失效占22%；后5年間疲勞失效占25%，由于腐蝕、磨損等引起連續管含缺陷失效占30%［7］。

由于先期制造缺陷、后期誤操作、工作環境惡劣等原因，導致連續管不可避免地存在缺陷，在服役循環加載后很容易發生失效［8，9］。針對連續管失效問題，國外學者對現場失效數據、失效形貌和失效機理進行了研究，國內學者主要從理論上研究了失效機理及預防措施。基于此，筆者根據國內外研究者關于連續管管體失效數據、失效原因、現有預防連續管失效措施研究現狀，結合國內連續管使用情況，提出了預防連續管失效方法，旨在為延長連續管服役壽命和安全評定提供重要依據。

1 連續管使用情況

1962年，全球第一臺連續管作業機（Coiled Tubing Unit，CTU）問世以來，這種新型的作業設備由最初的緩慢發展，到目前數量倍增。在20世紀70年代中期，全球有200多臺CTU，1993年約有561臺，2001年2月約有850臺，2004年1月即超過1000臺。目前，連續管鉆完井已在國外油氣田開采中得到大規模應用，尤其是在頁巖氣、煤層氣等非常規天然氣開發中，小井眼連續管鉆井技術、欠平衡連續管鉆井及定向鉆井技術應用的越來越多。近年來，大口徑智能連續管技術快速發展并應用于水平井鉆井、修井作業等方面［10，11］。

到目前為止，通過我國石油科技工作者積極攻關，國產連續管作業機、連續管、連續管復合鉆機相繼問世。隨著配套技術及裝備的不斷完善，連續管作業技術在我國推廣應用的條件日趨成熟。例如，涪陵頁巖氣開采過程中，普遍采用“井工廠”模式，常規壓裂作業為10臺左右中型壓裂車對一口井進行壓裂作業，工期比單井分開壓裂平均減少30d，表明“井工廠”模式連續管應用取得了良好效果［12］。據中國石油鉆井院統計，連續管作業已從2010年前的平均30井次提高到80井次，目前單機每年可完成100井次以上常規作業或10～20井次高端復雜作業，如在青海油田等實現了常規作業的規模應用，多臺單機年作業量達到了120井次以上的國際先進水平，且帶工具作業比例由原來的不足5%提升至35%以上［10，13，14］。圖1所示為我國近年來連續管作業機數量和國產數量。由圖1可以看出，2007年～2012年，我國連續管作業機年度保有量和國產數量增加非常迅速，2013年開始，隨著頁巖氣和煤層氣的規模化開采，連續管作業機的數量增加更為迅速。

圖1 我國近年來連續管作業機數量和國產數量

2 連續管失效情況

BJ公司統計了10年間連續管失效情況，如圖2所示。其中，機械損失是引起連續管失效的主要形式，其失效率達到了35%。機械損傷很容易引起連續管發生塑性變形，當機械加載超過其承載能力時易引起連續管發生折斷、刺穿、壓扁、拉斷等破壞性失效，如圖3和4所示［5，15，16］。據現場調研發現，連續管施工7井次，累計工作300h就需報廢，這直接影響到連續管作業成本，所以非常有必要研究連續管的極限承載能力。

圖2 連續管失效形式及比例

圖3 連續管缺陷類型

圖4 連續管失效形貌

3 連續管管體失效原因

通過分析連續管的缺陷類型和缺陷形貌，以及連續管的作業環境和作業過程的受力情況，總結分析得出造成連續管管體失效的原因主要有連續管本身性能、人為誤操作、機械損失、疲勞失效、腐蝕沖蝕磨損等［17，18］。

3.1 連續管本身性能問題

連續管在生產制造過程中，工藝過程比較復雜，一般要經過多次熱處理，如軋制鋼材前的加熱、焊接、高頻感應退火、成形后的水冷與空冷、消除應力退火等。另外，由于焊接工藝和技術上的差異，往往會使焊縫質量達不到要求。焊縫失效一般表現為脆性斷裂失效，其主要原因是焊接及焊后熱處理選擇不當，焊縫處產生了未熔合或灰斑損傷，且焊縫及熱影響區強度低，沖擊韌性差。因此，任何一個工藝處理不當，都會給連續油管造成損傷［19］。

3.2 人為誤操作

連續管在使用過程中，當連續管實際彎曲半徑小于塑性彎曲半徑時，將會引起連續管的永久性彎曲，俗稱死彎。超過連續管抗拉極限的拉伸頸縮性變形、超過抗壓極限的壓癟或擠壓現象等均屬于張力過載失效的范圍。由于連續管在作業完成后很少進行防銹處理，因而腐蝕現象較為嚴重，特別是連續油管內外表面極易銹蝕，使其工作壽命大大縮短。此外，下井前對連續管檢驗不嚴、連續管作業前如果對井下情況不了解或井下有落物等，都會導致連續管作業過程出現意想不到的失效，如井下落物對連續管表面的磨損和劃痕、井下落物將連續管堵塞或卡住，都會導致連續管在作業過程中卡斷等［20］。

3.3 機械損失

引起連續管表面機械損傷的主要原因如下：①注入頭夾緊咬傷連續管。注入頭對連續管夾持不緊，會造成連續管打滑，不能順利完成注入作業，反之，如果夾持過緊，又容易造成管體表面咬傷，如作業現場發現有相當一部分連續管表面有咬傷痕跡。②連續管在運輸途中表面碰傷，在清蠟作業中受到落入井下刮蠟器的劃傷。引起機械表面損傷形式有砂眼、凹坑、劃痕或犁痕、針孔、皺折、癟脹等［21］。

3.4 疲勞失效

對于常規的連續管作業過程，連續管起出和下入井內時都包含3個拉直－彎曲－拉直變形過程：①連續管通過注入頭牽引拉離滾筒，滾筒液壓馬達施加一定的反向拉力將油管拉直，這是最基本的一次彎曲－拉直變形。②當連續管進入導向架時，連續管沿導向架圓弧發生彎曲變形。③通過導向架后進入牽引鏈條總成，連續管重新被拉直。因此，對于一次完整的起下作業，總共包含了3個拉直－彎曲－拉直變形。從起下作業過程可知，連續管每次卷繞和釋放都會產生較大的塑性變形。相關研究表明，63%的疲勞失效出現在起下作業的11～50個應變循環［22～24］。

3.5 腐蝕沖蝕磨損

連續管在高腐蝕環境中易產生全面或局部腐蝕，從而降低材料的疲勞極限。其中，點腐蝕也會導致裂紋擴展及應力集中。連續管存放在滾筒上，在循環作業中暴露在空氣和水中，及其可能與其他腐蝕性介質一起發生作用，具有產生高度局部腐蝕的可能（包括間隙腐蝕和點腐蝕）。連續管在壓裂、沖刷洗井作業過程中，由于連續管材料較軟，高壓流體攜帶固體顆粒，很容易對連續管產生沖蝕磨損［25］。

4 預防連續管失效措施

目前對預防和減少連續管失效的措施研究較少，所以非常有必要研究預防和減少連續管失效的措施，現主要從規范使用方法、防止機械損失、加大在線監測、提高連續管使用壽命和使用新工藝和新技術幾個方面提出一些預防措施［26～28］。

4.1 規范使用方法

為正確使用連續管，國外制定了相關的使用標準。我國近年來也認識到連續管規范使用方法的重要性，開展了連續管使用方法的培訓，通過考核合格者頒發上崗證，如在2015年春季中石油集團公司舉辦了連續管操作相關培訓，通過理論和實踐相結合的方法對學員進行了培訓，考核合格者頒發合格證。連續管在使用過程中，只有持操作證者才可以在現場操作連續管。此外，國內也在積極制定一些連續管正確使用的規范和標準，通過規范使用來減少連續管失效幾率。

4.2 防止機械損傷

連續管在注入頭夾持塊的作用下作業，夾持塊的夾持力大小直接關系到能否夾緊連續管或者夾傷連續管。如在礁石壩頁巖氣“井工廠”多口井同步連續管使用過程中發現，部分夾持塊對連續管夾傷嚴重，尤其是夾持塊對連續管夾不緊，連續管在夾持塊內滑移造成連續管刮傷。為減少上述機械損失的發生，非常有必要開展夾持塊與連續管損傷力學行為研究。連續管在運輸過程及井下作用過程也容易產生機械損傷，建議在使用過程盡量規范操作，減少和避免不必要的機械損傷［29］。

4.3 加大在線監測

由于制造、后期使用等原因，很容易引起連續管含缺陷，而含缺陷連續管需要正常服役，但是含缺陷連續管在極限耦合載荷作用下很容易引起連續管失效。雖然連續管在使用過程進行了在線監測，但是目前在線監測系統沒有考慮連續管含凹坑、裂紋等因素，而這些因素極易引起連續管失效。建議在后期研究缺陷參數對連續管疲勞壽命的影響，以此建立含缺陷連續管疲勞壽命模型，并在現有在線監測系統中推廣應用該模型，使得監測結果更加準確。

4.4 使用新工藝和新技術

目前，為提高連續管管體的使用壽命，提出了使用復合管、異徑管等新結構的連續管。也有相關企業和研究單位嘗試使用新材料研制連續管。為減少連續管在水平井中的使用摩阻，防止屈曲及“自鎖”，延伸連續管下入長度，在礁石壩等區塊使用水力振蕩器等新型工具，有效減少了連續管下入摩阻，防止連續管自鎖。建議在后期研究中，不斷探索和使用新技術和新工藝，進而有效提高連續管使用壽命［30］。

5 結論與認識

通過對連續管使用情況及失效情況調研，分析連續管管體失效原因，回顧國內外研究現狀，根據連續管使用工況，給出了預防連續管失效的措施。

1）根據連續管失效統計結果，得出機械損傷是引起連續管失效的主要形式，其失效率達到了35%，且機械損傷易引起連續管發生折斷、刺穿、壓扁、拉斷等破壞性失效。

2）通過分析連續管的缺陷類型和缺陷形貌，以及連續管的作業環境及作業過程的受力情況，總結分析造成連續管管體失效的原因主要包括連續管本身性能、人為誤操作、機械損失、疲勞失效、腐蝕沖蝕磨損。

3）針對目前預防和減少連續管失效措施較少的情況，提出規范使用方法、防止機械損失、加大在線監測、提高連續管使用壽命和使用新工藝和新技術等預防和減少連續管失效的措施。

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