高強度CT100連續管力學性能研究*

汪海濤，余 晗，常永樂，張國超，馬 璇，馮 博

（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，陜西 寶雞721008）

高強度CT100連續管力學性能研究*

汪海濤1,2，余 晗1,2，常永樂2，張國超1,2，馬 璇1,2，馮 博2

（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，陜西 寶雞721008）

為了滿足各油田用戶對連續管鉆井、壓裂及深井、超深井開發的需求，突破國外對高強度連續管制造技術的壟斷，國家石油天然氣管材工程技術研究中心成功研制出首盤國產規格為Φ50.8mm×4.44mm CT100鋼級高強度連續管。通過國家石油管材質量監督檢測中心的第三方檢測，其各項理化性能合格，滿足API SPEC 5ST標準要求。國產CT100連續管可承受高載荷，適合深井、超深井作業,尤其在頁巖氣開發中進行多段壓裂、鉆磨橋塞等作業具有顯著優勢。

CT100；連續管；高強度；焊管

連續管（CT，coiled tubing）是一種高強度、高塑性并具有一定抗腐蝕性能的單根長度可達近萬米的新型油氣管材，通過連續生產并纏繞在卷筒上交付使用。由于連續管技術具有效率高、成本低、作業范圍廣、占地面積小等一系列技術優點和作業優勢，因此，連續管將在油氣田勘探、開發、作業、增產中發揮越來越重要的作用，具有廣闊的應用前景[1-4]。

經過長期的發展，國外相繼開發出CT70、CT80、CT90、CT100高強度連續管甚至CT110和CT120超高強度連續管。CT100鋼級連續管憑借強度高、抗壓高、疲勞壽命高等優勢，適合在鉆井、酸化壓裂等非常規作業和深井、超深井的開發中應用，在油氣資源及復雜油氣井開發中具有獨特的優勢。近年來，隨著我國油氣勘探開發難度的加大和非常規油氣資源開發數量的增多，許多復雜油氣井工程難題顯現出來。水平井、多分支井等復雜結構井，以及在油氣田開采中深井、超深井數量的不斷增加，需要大量高強度的連續管，國產低鋼級連續管已經不能滿足國內市場的需要，突破國產高強度連續管的制造技術迫在眉睫[5-8]。

為了滿足各油田用戶對連續管鉆井、壓裂及深井、超深井開發的需求，突破國外對高強度連續管制造技術的壟斷，國家石油天然氣管材工程技術研究中心成功研制出首盤國產CT100鋼級高強度連續管，各項性能指標滿足API SPEC 5ST規范要求。

1 高強度CT100連續管的特點

CT100鋼級連續管屈服強度大于689 MPa（100 ksi），抗拉強度大于 758 MPa（108 ksi），硬度小于28HRC(288HV)，憑借強度高、抗壓高、疲勞壽命高等優勢，在鉆井、水平壓裂等非常規作業和深井、超深井的開發中應用，比低鋼級連續管具有獨特的優勢。

（1）與低鋼級連續管相比，CT100鋼級連續管具有強度高、抗壓高、疲勞壽命高等優勢，能夠安全地實現欠平衡壓力鉆井作業，有利于保護油氣層，提高鉆速。因此，高強度CT100連續管是鉆井的理想工具[9-10]。

（2）深層油氣資源的勘探開發是各石油公司提高企業效益和競爭力，達到穩產、增產的關鍵。近年來，隨著我國深井、超深井作業技術水平的不斷提高，在油氣田開采中深井、超深井數量不斷增加，繼而要求連續管下井深度增加。伴隨著連續管下入深度的增加，會增大管體懸掛質量，當其大于井口連續管管體屈服載荷時將會造成管體損傷，影響作業安全性，低強度連續管已經不能滿足其作業要求。憑借較高的強度，CT100連續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，與低鋼級連續管相比，CT100連續管在深井、超深井中作業優勢明顯。國產連續管理論最大下井深度見表1。

表1 國產連續管理論最大下井深度

（3）目前，市場水平井發展迅速，由于水平井具有泄油面積大、單井產量高、穿透度大、儲量動用程度高、可避開障礙物和環境惡劣地帶等優點，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能。CT100連續管抗內壓高，抗擠毀壓力大，具有更大的承受應變的能力，適合進行高壓作業，在管壁變薄后，仍能承受較大的工作壓力。同時，CT100連續管強度高，一次下管柱逐層壓裂的層數多，可以多達十幾個小層，作業效率高，能有效提高油氣井的產量。與低鋼級連續管相比，CT100連續管用于水平井壓裂作業的優勢尤其明顯[11]。

（4）CT100連續管幾乎可以滿足低鋼級連續管能夠進行的所有作業類型，應用范圍廣。同時，CT100連續管的低周疲勞壽命較高，在同樣的工作環境下，具有較高的使用壽命，大大提高了作業次數[12-14]。不同鋼級連續管的低周疲勞壽命對比如圖1所示。

圖1 不同鋼級連續管的低周疲勞壽命對比

（5）隨著連續管強度的增加，CT100連續管抗H2S應力腐蝕開裂的性能有所下降，其性能略低于低鋼級連續管。

2 國產CT100連續管性能檢測

為了滿足國內市場對高鋼級連續管的需求，國家石油天然氣管材工程技術研究中心成功研制出首盤國產CT100鋼級高強度連續管，規格為Φ50.8mm×4.44mm，長度3 500 m，通過國家石油管材質量監督檢測中心第三方檢測，各項理化性能合格，滿足API SPEC 5ST標準要求，具體檢測性能如下。

2.1 幾何尺寸檢測

從研制的CT100鋼級高強度連續管上截取樣管，分別為1#和2#試樣，進行幾何尺寸檢測。其檢測結果滿足API SPEC 5ST中規定的管徑±0.25mm、壁厚4.24～4.75mm的要求，樣管幾何尺寸檢測位置如圖2所示，檢測結果見表2。

圖2 樣管幾何尺寸檢測位置示意圖

表2 樣管幾何尺寸檢測結果

2.2 整管拉伸性能

從整卷連續管上截取長450mm的樣管進行整管拉伸試驗，測得CT100連續管拉伸性能滿足標準要求，具體結果見表3。

表3 樣管拉伸試驗結果

2.3 壓扁試驗

依據API SPEC 5ST標準，將連續管加工成Φ50.8mm×110mm樣管，對樣管焊縫位置進行0°、90°壓扁試驗，試驗平板間距為 44.5mm（0.876×直徑）。在達到規定板間距前，焊縫或母材外表面不允許有超出3.2mm的裂紋或裂縫出現。檢測結果表明，國產CT100連續管均未出現裂紋，檢測結果合格。

2.4 擴口試驗

依據API SPEC 5ST標準，將連續管加工成Φ50.8mm×100mm樣管，利用錐度為60°的頂芯對樣管進行擴口，擴口率為21%，試驗完成后擴口部位不允許出現裂紋。檢測結果表明，國產CT100連續管擴口部位均未出現裂紋，檢測結果合格。

2.5 硬度試驗

隨著連續管鋼級的提高，其硬度也隨之升高。但同時為了確保連續管具有較好的塑性，需要將其硬度相應控制在一定范圍。依據API SPEC 5ST要求，CT100鋼級連續管硬度≤28 HRC。試驗用國產CT100連續管硬度檢測結果見表4，結果符合標準要求。

表4 樣管洛氏硬度試驗結果

2.6 靜水壓與爆破試驗

為了確保連續管具有一定的抗內壓能力，依據標準對Φ50.8mm×4.44mm國產CT100連續管進行靜水壓試驗，在92.1 MPa水壓下保壓15 min，檢查管體是否失效，并進行水壓爆破試驗。結果顯示，靜水壓試驗保壓后管體未失效，滿足標準要求，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，比標準要求的132 MPa高出27%。

圖4 爆破試驗失效位置

2.7 擠毀試驗

對Φ50.8mm×4.44mm國產CT100連續管進行抗外壓擠毀性能檢測，測試結果顯示，擠毀壓力為151.1 MPa，高于API SPEC 5ST標準要求的104.6 MPa，比標準要求抗擠毀能力高45%，試驗曲線如圖5所示。

圖5 擠毀試驗曲線

2.8 低周疲勞壽命測試

連續疲勞壽命預測是衡量其可靠性的關鍵指標，為了確定Φ50.8mm×4.44mm國產CT100連續管低周疲勞壽命，利用自主研發的疲勞試驗機對其性能進行檢測。結果顯示，在內壓34.47 MPa（5 000 psi）、彎曲模半徑 1 828mm（72 in）的情況下，國產CT100連續管疲勞失效次數為154次。

3 結 論

（1）Φ50.8mm×4.44mm 國產 CT100連續管各項性能指標均能滿足API SPEC 5ST標準要求。屈服強度745 MPa，抗拉強度799 MPa，均大于標準要求。憑借高強度，國產CT100連續管可適合深井、超深井作業。

（2）Φ50.8mm×4.44mm國產CT100連續管爆破失效水壓為168 MPa，擠毀壓力為151.1 MPa。具有較高的抗壓能力，適合油氣井高壓環境作業。尤其在頁巖氣開發中進行多段壓裂、鉆磨橋塞等作業具有顯著優勢。

（3）Φ50.8mm×4.44mm 國產 CT100連續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。

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Mechanical Properties Research of High Strength CT100 Coiled Tubing

WANG Haitao1,2，YU Han1,2，CHANG Yongle2，ZHANG Guochao1,2，MA Xuan1,2，FENG 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 文獻標志碼：A DOI：10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.04.001

國家重大科技專項項目“36－煤層氣鉆井工程技術及裝備研制（二期）”（2011ZX05036）。

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

2015-06-30

羅 剛