連續(xù)油管疲勞壽命模型與試驗(yàn)機(jī)的發(fā)展概述

周兆明，譚金松，張 健，王 哲，鄒先雄

(1.西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，成都 610500；2.川慶鉆探工程有限公司 安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)研究院，四川 廣漢 618300；3.川慶鉆探工程有限公司 井下作業(yè)公司，成都 610052)

連續(xù)油管(Coiled tubing, CT)是石油領(lǐng)域一項(xiàng)革命性技術(shù)，連續(xù)管作業(yè)基本涵蓋了油氣田各個(gè)作業(yè)領(lǐng)域[1]，它是連續(xù)管技術(shù)中核心關(guān)鍵部件，是一種新型油氣管，其強(qiáng)度高，可塑性高，耐腐蝕性強(qiáng)，且單根長度可達(dá)近萬米，在長距離生產(chǎn)線上連續(xù)生產(chǎn)并纏繞在卷筒上交付使用。連續(xù)油管制造業(yè)主要集中在美國，國內(nèi)有寶雞鋼管廠、JASON油氣公司等，目前已經(jīng)逐漸使用大型和更高鋼種的連續(xù)油管。由于制造廠不斷提供新的材料，使得新材料的疲勞壽命、直徑、橢圓度的預(yù)測(cè)都存在變化，故制造廠應(yīng)及時(shí)更新新材料的疲勞測(cè)試結(jié)果，輸入到疲勞預(yù)測(cè)模型當(dāng)中[2]，其中應(yīng)有疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)和直徑增長模型。

連續(xù)油管操作是高風(fēng)險(xiǎn)操作，具有多種工藝，特別是對(duì)于“三高”井。近年來，在水平井分段壓裂的施工中應(yīng)用增多[3]，加上不確定的井況和施工條件差，使連續(xù)油管的失效加劇。在常規(guī)修井作業(yè)中，它還受彎曲、拉伸和內(nèi)部壓力3種交變載荷的影響。彎曲和內(nèi)壓作用是引起的疲勞損傷的主要原因[4]。

根據(jù)連續(xù)管作業(yè)過程，連續(xù)管柱起出或下入井內(nèi)時(shí)包含3個(gè)彎曲動(dòng)作，在每次起下作業(yè)過程中，連續(xù)管經(jīng)歷6次彎曲塑性變形，如圖1所示，1、2、3是入井的彎曲，4、5、6是起出井的彎曲。從圖1中可以看出，2、3的彎曲循環(huán)是發(fā)生在鵝頸管處的彎曲，但不是2、3的疲勞損傷發(fā)生在鵝頸管。值得注意的是疲勞損傷全部都是在井口上面的設(shè)備上發(fā)生的，不是發(fā)生在井內(nèi)，井內(nèi)連續(xù)油管處于彈性范圍內(nèi)，理論疲勞損傷可忽略。

影響疲勞模型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性的參數(shù)有很多：疲勞模型本身的準(zhǔn)確性、輸入?yún)?shù)的準(zhǔn)確性、連續(xù)油管作業(yè)耗時(shí)記錄的完整性，以及作用于疲勞模型所使用跟蹤方法。連續(xù)油管疲勞壽命主要輸入?yún)?shù)有強(qiáng)度等級(jí)、直徑、鵝頸管彎曲半徑、內(nèi)壓、自身內(nèi)外表面的光潔度、疲勞損壞歷史狀態(tài)等。

理論上可以通過輸入連續(xù)油管最小和名義壁厚來計(jì)算疲勞，但實(shí)際上連續(xù)油管在現(xiàn)場作業(yè)種類較多，壁厚變化存在較大不確定性，直徑存在同樣的問題[5]。故疲勞模型的改進(jìn)和優(yōu)化需要持續(xù)進(jìn)行，但疲勞模型主要基礎(chǔ)理論仍采用經(jīng)典理論。自20世紀(jì)90年代開始研究連續(xù)油管低周疲勞壽命，推導(dǎo)了一些低周疲勞壽命模型，但疲勞壽命預(yù)測(cè)模型還并未發(fā)揮其應(yīng)有的作用。

圖1 連續(xù)油管在地面起下井彎曲示意

1 連續(xù)油管低周疲勞壽命預(yù)測(cè)模型的現(xiàn)狀

等效應(yīng)變法、能量法和臨界面法[6]是損傷積累和壽命估算的3種主要方法。連續(xù)油管疲勞壽命可用Manson-Coffin方程應(yīng)變-疲勞壽命曲線進(jìn)行預(yù)測(cè)。這種疲勞損傷累計(jì)方法被稱為Miner 線性累積理論，每個(gè)載荷循環(huán)在恒定的操作環(huán)境下消耗同樣的疲勞壽命[7]。這個(gè)模型有2個(gè)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)做壽命預(yù)測(cè)，一是通過軸向試樣獲得應(yīng)變壽命和應(yīng)力應(yīng)變循環(huán)曲線，二是獲得恒壓情況下的疲勞數(shù)據(jù)[8]。

1.1 國外連續(xù)油管疲勞模型的發(fā)展

1993年，Avakov等人在不同內(nèi)壓水平下對(duì)3種材料的連續(xù)油管試樣開展了疲勞試驗(yàn)，提出將等效應(yīng)變作為主應(yīng)變的失效準(zhǔn)則，并考慮應(yīng)力集中系數(shù)和腐蝕系數(shù)等修正參數(shù)，搭建了連續(xù)油管疲勞壽命預(yù)測(cè)模型[9-10]。

Yong Y S通過試驗(yàn)分析了連續(xù)油管材料屈服強(qiáng)度和抗拉伸強(qiáng)度在循環(huán)彎曲過程中的變化，試驗(yàn)結(jié)果表明，在循環(huán)彎曲過程中，連續(xù)油管的抗拉強(qiáng)度基本維持初值；另外，基于彈塑性變形假設(shè)，他認(rèn)為連續(xù)油管的彎曲變形是一個(gè)完全塑性變形的問題[11]。Tipton，Newman等[12-13]最早開展連續(xù)油管低周疲勞壽命研究，各自開發(fā)的連續(xù)油管低周疲勞壽命數(shù)學(xué)模型，都是基于Manson-Coffin方程及線性累積法則的低周疲勞壽命預(yù)測(cè)。Tipton S M[14]從表面缺陷入手，對(duì)其進(jìn)行數(shù)值和試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)外表面的體積型缺陷嚴(yán)重影響著連續(xù)油管疲勞壽命；通過疲勞試驗(yàn)分析含體積型缺陷對(duì)連續(xù)油管疲勞壽命的影響，得到了缺陷嚴(yán)重性參數(shù)與連續(xù)油管疲勞壽命的關(guān)系曲線。

連續(xù)油管疲勞壽命模型經(jīng)過多年的發(fā)展，現(xiàn)在主要有3種疲勞計(jì)算的模型[15]：S.Tipton-Tulsa大學(xué)開發(fā)的Tipton模型、V.Avakov-哈里伯頓公司開發(fā)的Avakov模型和BJ/Nowsco公司開發(fā)的CIRCA模型。3種疲勞模型均應(yīng)用于連續(xù)油管現(xiàn)場作業(yè)的壽命預(yù)測(cè)，前面2種作為商業(yè)軟件在國內(nèi)應(yīng)用較為廣泛，一定程度上減少了疲勞失效。但是連續(xù)油管在其使用壽命的50 %時(shí)報(bào)廢情況較多，對(duì)于疲勞壽命模型的預(yù)測(cè)并未達(dá)到用戶所要求的精確性和有效性。疲勞模型中疲勞壽命直徑增長預(yù)測(cè)模型和壁厚減薄預(yù)測(cè)模型都只是單調(diào)的線性預(yù)測(cè)，這3種計(jì)算由于過于保守和經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的使用過多，使得疲勞模型不能滿足客戶的預(yù)期要求，壽命預(yù)測(cè)不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)何時(shí)失效，故疲勞壽命預(yù)測(cè)模型需進(jìn)一步完善和改進(jìn)。

1.2 國內(nèi)連續(xù)油管疲勞模型的發(fā)展

20世紀(jì)90年代初，中石油科學(xué)技術(shù)研究院江漢機(jī)械研究所開始承擔(dān)連續(xù)油管裝備及技術(shù)研究，同時(shí)也開展疲勞模型的研究[16]。通過疲勞循環(huán)屈服強(qiáng)度衰減模型和彈塑性變形理論，鐘守炎等對(duì)連續(xù)油管在內(nèi)壓作用下直徑增長的理論模型進(jìn)行了推導(dǎo)[17]。

2001年，王優(yōu)強(qiáng)和張嗣偉通過分析連續(xù)油管的危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)力，最終得到了一個(gè)半經(jīng)驗(yàn)的疲勞壽命公式，據(jù)此預(yù)測(cè)連續(xù)油管的疲勞壽命[18]。通過對(duì)實(shí)際作業(yè)狀況的綜合考慮，他們對(duì)連續(xù)油管疲勞壽命預(yù)測(cè)模型做了模糊處理，采用模糊貝葉斯理論方法來確定連續(xù)油管疲勞壽命的概率分布模型[19]。2008年，王海濤與李相方根據(jù)連續(xù)油管的承載狀態(tài)，以及三參數(shù)冪函數(shù)能量法和梁彎曲理論，計(jì)算其低周疲勞壽命，并分析其影響因素[20]。國內(nèi)對(duì)連續(xù)油管低周疲勞模型進(jìn)行了一些研究[21]，但未見有在現(xiàn)場成熟應(yīng)用的模型，且對(duì)連續(xù)油管疲勞基礎(chǔ)試驗(yàn)也很少，不具有系統(tǒng)性。

目前，很多疲勞壽命預(yù)測(cè)模型都忽略了連續(xù)油管表面缺陷對(duì)其疲勞壽命的影響，例如裂紋、溝槽、劃痕、切口、腐蝕坑等。由于表面缺陷在現(xiàn)場存在大量不同尺寸和形狀的缺陷，還沒有綜合有效的方法來真正分析這些缺陷對(duì)疲勞壽命的影響。若油管表面存在缺陷損傷，通過局部應(yīng)變方法可以預(yù)測(cè)其疲勞壽命。Tulsa 大學(xué)開始研究這個(gè)領(lǐng)域，發(fā)展一些機(jī)械損傷對(duì)疲勞壽命損傷的定量模型，該模型評(píng)估的疲勞壽命基于缺陷的幾何尺寸，研究重新定義缺陷敏感性系數(shù)與疲勞壽命存在的關(guān)系[22-23]。

2 連續(xù)油管疲勞試驗(yàn)裝置的發(fā)展

連續(xù)油管低周疲勞模型利用低周應(yīng)變疲勞壽命理論，依靠于試驗(yàn)疲勞數(shù)據(jù)，通過曲線擬合獲得整個(gè)曲線數(shù)據(jù)，疲勞模型的準(zhǔn)確性依靠基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和數(shù)據(jù)擬合度。國外應(yīng)用最廣的疲勞數(shù)學(xué)模型Achilles、CoilLIFE和Avakov都是建立在連續(xù)油管整管疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上。

連續(xù)油管疲勞試驗(yàn)機(jī)測(cè)試方法是國內(nèi)外常用的方法，依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立理論模型預(yù)測(cè)各種油管及各種工況下的疲勞壽命。國內(nèi)外通過疲勞試驗(yàn)裝置對(duì)連續(xù)油管的疲勞壽命進(jìn)行整管試驗(yàn)。目前，國外設(shè)計(jì)并建成的連續(xù)油管疲勞試驗(yàn)裝置主要分布在連續(xù)油管制造廠泰納瑞斯(Tenaris，如圖2)、優(yōu)質(zhì)油管公司(Quality Tubing Inc)、Global Tubing、Tulsa大學(xué)連續(xù)油管試驗(yàn)室、Stewart和Stevenson公司設(shè)計(jì)并建成的試驗(yàn)裝置[24]。國內(nèi)只有2臺(tái)疲勞試驗(yàn)機(jī)，分別在中石油寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司焊管研究院[8]及煙臺(tái)Jason oil and gas裝備公司。

圖2 Tenaris工廠的疲勞試驗(yàn)機(jī)

2.1 國外疲勞試樣裝置

1993年，美國石油工業(yè)聯(lián)合項(xiàng)目研制了第1臺(tái)連續(xù)油管疲勞試驗(yàn)裝置，如圖3所示。該裝置滿足單一彎曲和內(nèi)壓作用及組合作用下疲勞試驗(yàn)的條件，可追蹤測(cè)量連續(xù)油管直徑、橢圓度以及壁厚。且可使用曲率不同的模具，實(shí)現(xiàn)在不同彎曲半徑下對(duì)連續(xù)管試樣進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。

圖3 第1臺(tái)連續(xù)油管疲勞試驗(yàn)裝置示意

圖4是美國Tulsa大學(xué)聯(lián)合項(xiàng)目開發(fā)的連續(xù)管臥式低周疲勞試驗(yàn)裝置。要實(shí)現(xiàn)連續(xù)管試樣的彎曲、矯直運(yùn)動(dòng)，只需通過推動(dòng)裝置中的矯直模板和彎曲模板。通過油缸對(duì)連續(xù)油管試樣加壓，同時(shí)試樣兩端油缸可以進(jìn)行拉伸作用。通過該試驗(yàn)裝置，可執(zhí)行單一作用力或組合拉伸、彎曲與內(nèi)壓等作用力。

圖5設(shè)計(jì)的疲勞試樣裝置與圖4類似，只是立式的，該裝置中連續(xù)管試樣兩端連接軸向載荷油缸，試樣連續(xù)管的彎曲和矯直可以通過兩個(gè)油缸獨(dú)自或共同作用來實(shí)現(xiàn)，也可以在完全循環(huán)中旋轉(zhuǎn)連續(xù)油管。

圖4 美國Tulsa大學(xué)連續(xù)油管疲勞試驗(yàn)裝置

圖5 立式連續(xù)油管疲勞試驗(yàn)裝置

克勞斯塔爾工業(yè)大學(xué)研制了一種新型連續(xù)油管疲勞試驗(yàn)機(jī)[25]，可以評(píng)估測(cè)試連續(xù)油管深井鉆井時(shí)的狀況以及連續(xù)油管受力狀況，可以對(duì)連續(xù)油管施加轉(zhuǎn)矩，這對(duì)標(biāo)準(zhǔn)彎曲測(cè)試裝置來說是一種新方法。該裝置可以對(duì)連續(xù)油管施加軸向載荷、轉(zhuǎn)矩和內(nèi)壓，通過3個(gè)液壓缸來施加軸向、扭轉(zhuǎn)和彎曲載荷，利用液體加載內(nèi)壓，如圖6所示。

圖6 新型連續(xù)油管疲勞試驗(yàn)裝置

2.2 國內(nèi)的疲勞試驗(yàn)裝置

國內(nèi)目前有2臺(tái)連續(xù)油管整管疲勞試驗(yàn)裝置，其中1臺(tái)在寶雞鋼管研究院，如圖7所示。該試驗(yàn)裝置所采用的是標(biāo)準(zhǔn)疲勞試驗(yàn)?zāi)Ｐ停ㄟ^改變彎曲模板的的尺寸，來適應(yīng)不同的連續(xù)油管試樣。借助彎曲次數(shù)和施加的壓力，以及反復(fù)彎曲和矯直連續(xù)油管直到疲勞失效，來獲得其疲勞壽命。

圖7 寶雞鋼管研究院的疲勞試驗(yàn)裝置

圖8為國內(nèi)第2臺(tái)連續(xù)油管整管疲勞試驗(yàn)裝置，在煙臺(tái)Jason oil and gas裝備公司。該裝置采用的是標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)?zāi)Ｐ停ㄟ^更換彎曲模板的尺寸與管內(nèi)壓力大小，適應(yīng)不同直徑的連續(xù)油管，可模擬連續(xù)油管起下的反復(fù)塑性彎曲變形。該臺(tái)試樣裝置適應(yīng)試樣的樣管尺寸外徑19.05～88.9 mm(0.75～3.5英寸)，測(cè)試壓力3.4～103.0 MPa，彎曲半徑模板有812.8、1 066.8、1 219.2、1 524.0、1 828.8、2 438.4、2 590.8 mm(32、42、48、60、72、96、102英寸)。通過計(jì)算機(jī)控制和采集數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)記錄管內(nèi)壓，方便測(cè)量連續(xù)油管外徑。

3 結(jié)論

1) 連續(xù)油管低周疲勞壽命主要由連續(xù)油管在地面結(jié)構(gòu)的彎曲造成的，對(duì)其壽命的主要影響因素是內(nèi)壓、直徑及其表面的缺陷。連續(xù)油管疲勞壽命模型經(jīng)過多年的發(fā)展， 現(xiàn)在主要有3種疲勞計(jì)算的模型：Tipton模型、Avakov模型和CIRCA模型。3種疲勞模型都應(yīng)用于連續(xù)油管現(xiàn)場作業(yè)的壽命預(yù)測(cè)，前面2種作為商業(yè)軟件在國內(nèi)外應(yīng)用較為廣泛，一定程度上減少了疲勞失效。疲勞壽命模型計(jì)算需要輸入的典型參數(shù)有初始累積的疲勞損傷、連續(xù)油管直徑、焊縫位置(對(duì)焊和斜焊縫)、內(nèi)壓、材料參數(shù)、彎曲次數(shù)等。疲勞壽命模型在目前的商業(yè)軟件中得到廣泛的應(yīng)用，但是近年來隨著對(duì)連續(xù)油管服務(wù)安全和價(jià)值要求提高，要達(dá)到準(zhǔn)確預(yù)測(cè)現(xiàn)場剩余壽命，故仍需要不斷改進(jìn)，考慮更多的影響因素。

圖8 Jason的連續(xù)油管整管彎曲疲勞試驗(yàn)裝置

2) 隨著連續(xù)油管疲勞試驗(yàn)機(jī)的日趨成熟，能實(shí)現(xiàn)對(duì)連續(xù)油管修井和鉆井現(xiàn)場工況載荷的完全模擬試驗(yàn)。但是近幾年隨著材料及加工技術(shù)的更新，很多疲勞模型并沒有根據(jù)近幾年的高強(qiáng)度鋼和新制造加工技術(shù)的發(fā)展而更新試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫，加上連續(xù)油管的疲勞試驗(yàn)樣本數(shù)量巨大，很多試驗(yàn)只進(jìn)行了部分樣品試驗(yàn)。所以在試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫和疲勞試驗(yàn)方面還需要進(jìn)一步的完善，例如進(jìn)行全范圍的疲勞試驗(yàn)，增大應(yīng)力應(yīng)變范圍的疲勞試驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)。