連續油管發展現狀與趨勢

0 前 言

連續油管又稱撓性油管或盤管， 是通過連續成型焊接工藝制成的無螺紋接頭管， 常規外徑為25.4～88.9 mm， 單根長度可達幾千至上萬米， 屈服強度可達1 000 MPa。 連續油管具有帶壓作業、 連續起下的特點， 作業周期短、 成本低， 適用范圍廣。 近年來， 隨著邊際油氣田的開采， 連續油管已廣泛應用于修井、 鉆井、 完井、 測井等油氣開采的各個環節。 由于需要應對的井況日益復雜， 也相應促進了連續油管的材料及制造技術的快速發展， 使得近年來連續油管在規格、強度等級、 抗疲勞性以及耐蝕性等方面都有很大程度的提高。 隨著頁巖氣等非常規油氣、 深層和海上油氣等資源的進一步開發， 連續油管具有很大的發展空間。 本研究回顧了連續油管的發展過程， 重點分析了其未來產品的技術發展趨勢。

1 連續油管發展現狀

1.1 連續油管的發展及應用

連續油管的最初應用可追溯到二戰期間軍方的“海底管線” 項目， 其后逐漸向民用過渡。 20世紀50 年代， 連續油管作業的發明專利獲批，1962 年連續油管開始應用于石油工業

。 與普通油井管相比， 連續油管無螺紋連接、 安全性高、操作靈活便捷且成本低， 在油氣作業領域的優勢顯著。 進入21 世紀以來， 連續油管產品及配套技術得到了快速發展， 已被廣泛應用于油氣田的修井、 鉆井、 完井、 洗井等一系列作業， 貫穿油氣開采的全過程。

連續油管作業機 （coiled tubing unit, CTU）是連續油管作業的主要設備

， CTU 數量在很大程度上反映了連續油管的市場需求狀況，1999—2018 年期間全球CTU 數量的變化如圖1所示

， 通過圖1 可以看到在1999—2010 年期間CTU 數量呈快速上升趨勢， 2010 年之后增速相對放緩， 并有一定波動， 但整體仍呈上升的趨勢。 預計從2020—2027 年， 全球連續油管市場規模將保持穩定增長趨勢， 復合年均增長率可達到4.8%

， 未來連續油管仍有較大的市場空間。

從應用領域來看， 當前連續油管以陸上應用為主， 2019 年陸上作業的連續油管占據62%的市場份額。 當前全球油氣產業中深層油氣資源和頁巖氣等非常規油氣資源所占比重日益增大， 以頁巖氣為代表， 2015 年全球頁巖氣產量為0.4 萬億m

， 2040 年預計將增長到1.7 萬億m

。與此相關的大位移水平井、 深井、 超深井等復雜井況的射孔、 鉆井等， 以及頁巖氣井高壓壓裂、鉆磨橋塞等高難度作業場景中， 連續油管的應用更具有不可替代性。 另一方面， 陸上油氣儲量的成熟也促使運營商對海洋油氣資源的進一步探索， 擴大深海和超深海海底的油氣生產， 預計從2020 年到2027 年， 全球海上連續油管應用的年均復合增長率最高可達5.6%

。 此外， 隨著油氣資源的深入開發， 低滲透老油田增產改造、 煤層地下氣化等新的應用場景也不斷出現， 包括頁巖氣等非常規油氣、 深層油氣、 海上油氣等的開發， 以及油田老井改造等應用都將進一步推動全球連續油管市場的發展。

1.2 連續油管材料及其制造

連續油管的材料經過了多年的發展， 20 世紀60 年代采用的是普通碳鋼， 隨著80 年代鋼材材質及管材制造技術的進步， 逐漸發展到低碳合金鋼、 高耐蝕合金和鈦合金鋼等合金材料， 并進一步拓展至玻璃纖維、 碳纖維等復合材料。 高耐蝕合金材質的連續油管主要應用于高腐蝕性、 高溫高壓等特殊作業領域， 但成本高昂。 高強度鈦合金鋼連續油管、 玻璃纖維和碳纖維復合連續油管雖具有耐疲勞、 耐蝕、 質量輕等特點， 但存在制造難度高、 成本高、 維護保養難等問題

， 難以獲得廣泛應用。 目前使用最廣泛的是高強度低合金鋼材質的連續油管， 兼顧了成本及可制造性， 能夠滿足大部分常規作業需求。

隨著油氣的進一步開采， 為滿足更深、 更長、 更嚴苛的井下作業環境以及井下作業效率提升的需求， 連續油管的制造工藝逐漸成熟， 相應的規格和強度等級也在不斷發展。 在20 世紀60年代初期， 連續油管采用的是管段對焊工藝， 先由鋼帶輥軋直焊縫的管段， 再將這些管段對焊至所需長度， 原料鋼帶長度也較短， 對焊焊縫數量多， 導致使用壽命低， 井下失效頻發。 到了20 世紀70 年代末， 連續油管制造工藝得到改進， 原料鋼帶長度從76 m 延長到457 m， 有效減少了對接焊縫數量， 20 世紀80 年代， 原料鋼帶長度進一步延長至914 m， 對焊焊縫數量減少了近一半， 同時淘汰了管段對焊工序， 轉而采用斜焊工藝， 有效提升了連續油管的使用壽命， 制造技術邁入一個新的臺階

。 21 世紀以來， 連續油管的制造工藝已經相對成熟， 現階段的制造工藝是將鋼帶按寬度要求裁剪成分條， 采用斜焊工藝將鋼帶分條對接， 通過擠壓輥配合高頻感應焊或激光焊的方式進行連續成型焊接， 最后再對焊縫和整管進行熱處理。 在現有制造工藝基礎上， 連續油管的直徑、長度也一直在向著更大尺寸方向發展， 以連續油管應用最為成熟的北美市場為例， 2013 年以來，50 mm 以上較大直徑的連續油管應用比例顯著上升， 某油服公司對不同時期應用的連續油管直徑統計結果如圖2 所示

。 從2009 年到2017 年， 北美市場的連續油管最大長度也從約5 800 m 增長至8 500 m， 其發展歷程如圖3 所示

， 增幅達50%。圖4 為連續油管強度等級的發展過程

， 20 世紀60 年代早期， 連續油管強度等級僅345 MPa（50 ksi）， 90 年代中期發展到620 MPa （90 ksi）和690 MPa（100 ksi）， 到2000 年左右的758 MPa（110 ksi）， 連續油管的強度等級不斷上升， 2017年已有958 MPa （140 ksi） 強度級別的連續油管，且690 MPa （100 ksi） 以上強度級別的連續油管使用量已接近總使用量的90%。

多媒體教學已經走進了課堂，但是老師所制作的教學課件還是書上的知識點，都是文字，這樣跟看書沒有任何區別。老師應該合理的運用多媒體進行教學，例如把一個知識點拍成一個小動畫，或者講述成一個小故事，這樣來提升學生的學習興趣。

隨著油氣田的不斷開發， 含高腐蝕性介質（CO

、 Cl

、 H

S）、 高含水率、 高溫、 高壓的油氣井越來越多， 煤層地下氣化、 深水天然氣水合物、 腐蝕氣井完井以及海上油氣開采等要求高耐蝕性的應用場景逐漸增多。 圖6 為某油服公司對2006 年—2017 年期間連續油管的失效原因進行的統計結果

， 可以看到因腐蝕產生的失效占比較高， 連續油管的失效會增加油田作業的安全隱患以及作業成本， 因此提升連續油管的耐蝕性具有重要意義。

并且可以借用多媒體，讓學生明白網絡是一個神奇的工具，培養學生利用信息的意識和能力，讓學生遇到問題可以自己借助網絡的工具去解決問題。

2 連續油管技術發展趨勢

隨著油氣作業的發展及鉆井完井等技術的進步， 對深井、 高壓井、 水平井的開采力度不斷加大， 目前已有深度超過7 000 m 的直井以及長度超過3 000 m 的水平井， 在這種作業環境下常規CT70～CT110 等級的連續油管難以滿足服役要求， 并且連續油管的使用壽命和油井作業效率的提高也依賴其強度的進一步提升， 所以更高強度是當前連續油管重要的產品發展方向。 但強度的進一步提升凸顯了焊縫的性能瓶頸以及可制造性差等一系列問題， 為應對這些問題， 采用調質工藝生產的連續油管成為一種新的趨勢， 相對同鋼級的TMCP （thermo mechanical control process）態連續油管具有更優的性能均勻性及抗疲勞性。除此之外， 高腐蝕性、 高溫高壓等特殊井況也日益增多， 因此對連續油管的耐蝕性要求也在不斷提高。

民勤縣：石羊河流域重點治理 助推綠洲生態顯生機……………………………………………………… 王江文(5.67)

2.1 TMCP 態超高強度連續油管

TMCP 態低合金鋼連續油管是當前應用最廣泛的產品類型， 其在制管后一般進行簡單消應力退火， 因此仍保留鋼帶的TMCP 態組織。 國內生產應用的TMCP 態連續油管目前以CT70～CT110為主， CT70～CT90 鋼級的組織主要為鐵素體、珠光體和貝氏體， CT110 以上鋼級的組織則以貝氏體為主， 其顯微組織形貌如圖5 所示。 而對于CT130 等更高強度級別的TMCP 態連續油管， 不僅需要添加更多的合金元素， 原料鋼帶的穩定制造難度提升， 并且對制管設備工藝以及配套使用設備都提出了更高要求。 國內寶雞石油鋼管有限責任公司已完成國產CT130 連續管產品的下井應用， CT130 變壁厚連續管已實現產品銷售。 同時， 該公司已開發出CT140 連續管及CT150 連續管產品， 并通過第三方性能檢測， 最高抗拉強度超過1 100 MPa， 目前正在積極開展產品推廣應用。 CT150 連續管是當前全球最高鋼級的連續油管產品， 該產品的成功開發， 為我國非常規油氣資源開發提供了裝備保障。

2) 計算b= mbr，a= mar，c= mcr。以φ為自變量，按式(6)和式(7)計算D、E、F、ψ，按式(5)計算x、y，按式(9)和式(10)計算ψ9、ψ、ψ、ψ、μ、μ9，按式(11)計算δ、α，按節6末尾所述方法計算Γm、Λm、Σ m、Tm等。

2.2 調質型連續油管

Tenaris、 NOV Quality Tubing 和 Global Tubing 是北美主要的連續油管制造商。 2015 年Tenaris 率先開發出調質型連續油管產品Blue-Coil

， 目前該系列產品包括HT-95、 HT-110 和HT-125。 Global Tubing 隨后在2017 年也推出了調質型連續油管DURACOIL 110 和DURACOIL 130。 NOV Quality Tubing 目前也已有調質型連續油管產品ATP-110、 ATP-120 和ATP-130。國內的連續油管制造商近年來也相繼推出了調質型產品， 如杰森能源技術有限公司的RC-110 連續油管， 以及信達科創（唐山） 石油設備有限公司的ST-125T 連續油管。

國外在TMCP 態超高強度連續油管的生產制造以及應用方面較為成熟， 其中北美的連續油管制造商NOV Quality Tubing 在該領域的研發工作處于前列。 2011 年NOV Quality Tubing在常規材料基礎上進一步添加Mo 和微合金元素Nb、 V， 使得試制管體的屈服強度達到889 MPa（130 ksi）， 疲勞壽命較常規材料有明顯提升，但最初試制管存在斜焊縫軟化現象， 屈服強度僅達到855 MPa （125 ksi）， 后通過焊接工藝改進解決了斜焊縫軟化問題

， 將熱影響區的有害影響大幅降低， 保證斜焊縫的抗疲勞性能。2016 年， NOV Quality Tubing 與ArcelorMittal 合作， 成功試制出強度等級更高的QT-1400 連續油管， 產品屈服強度達到958 MPa （140 ksi），且斜焊縫的疲勞壽命相比模型預測結果高出近50%， 管體疲勞壽命也高出近40%

， 產品已實現規模化的商業應用。

TMCP 態超高強度連續油管的合金成本較高， 從原料鋼帶生產到制管成型過程的難度均較高， 且制管后一般僅進行簡單的消應力退火， 因此焊縫組織與管體存在較大差異， 斜焊縫的疲勞壽命和耐蝕性能相對管體較差， 成為制約連續油管整體性能的關鍵因素， 現場失效也多發生于此。 因此， 近年來出現了采用調質工藝生產的連續油管產品， 即在常規的制管工藝后通過整管的淬火和回火處理， 大幅改善了組織均勻性， 提高了連續油管的整體耐蝕性能及疲勞壽命。

因此，這種“漸悟”思維形式，主要指的是人們在勞動活動中所積累的經驗不同，人們勞動活動領域不同，人們先天遺傳稟賦的智力水平不同，人們記憶水平不同，人們領會方式不同，人們思維角度不同，人們反應的速度不同等等，導致人們“悟性”的時間長短亦不同。所謂“漸悟”，就是人們在認識過程或者在溝通、交流、領會過程中，時間長些的“悟性”，也就是在思維過程中，經歷了若干環節的長時期的“悟性”。“漸悟”這種思維形式情況，是人類原始祖先們在生存勞動和氏族群體生活中，對“本悟”“體悟”“感悟”“領悟”等思維形式的內容進行的“有效”把握進程。在我們現代日常生活中的表現，應該是常人都經歷過的思維形式。

根據實驗室測試結果及現場服役表現， 同樣鋼級的調質型連續油管性能與常規TMCP 態連續油管相比具有明顯優勢。 在常規測試環境下， 調質型Blue Coil HT-110 連續油管較常規材料連續油管的疲勞壽命延長約30%， 而在酸性高壓環境下調質型連續油管的疲勞壽命更是延長近一倍

。在SSC 腐蝕試驗中， 常規連續油管的斜焊縫相對管體較早發生失效， 而Blue Coil 調質型連續油管的斜焊縫則表現出與管體相近的抗SSC 性能。 現場實際應用方面， 調質型連續油管在Texas 的Eagle Ford 等頁巖油氣田成功應用， 實際使用壽命高于常規的連續油管， 最長使用進尺達到670 km， 并且在達到規定使用次數后在實驗室繼續測試剩余疲勞壽命， 結果顯示， 剩余疲勞壽命大幅超過已使用次數

。

美國石油2010 年發布的API SPEC 5ST 《連續油管規范》

是國際首個公開發行的連續油管產品制造標準， 該標準對當前應用最廣泛的70～110 ksi 鋼級的低合金鋼連續油管的主要成分及性能要求分別見表1、 表2

。 國內由寶雞石油鋼管有限責任公司牽頭起草的國家標準GB/T 34204 《連續油管》 已由國家標準化管理委員會在2017 年正式發布， 這是我國首個關于連續油管產品的國家標準， 其中增加了CT55、 CT60 兩個較低鋼級， 并對合金元素范圍等內容進一步細化。 但該標準均未涉及更高強度級別以及高耐蝕合金等其他材質或特殊工藝制造的連續油管， 相對于當前連續油管的生產應用已經有所滯后。

2.3 耐腐蝕連續油管

國外大型的連續油管制造商多集中在北美，主要有Tenaris、 NOV Quality Tubing 和Global Tubing， 國內主要的連續油管制造商有寶雞石油鋼管有限責任公司、 杰森能源技術有限公司、 信達科創（唐山） 石油設備有限公司。 當前生產的連續油管材質主要為低合金鋼和高耐蝕合金兩大類， 強度等級主要集中在752 MPa （110 ksi） 及以下。

連續油管的腐蝕形式有多種， 非酸性環境下主要為電化學腐蝕， 而酸性環境下還存在硫化氫腐蝕

。 常規低合金鋼質連續油管合金元素含量低， 耐蝕性能較差， 且隨著連續油管強度等級提升， 一般抗疲勞性能上升， 但耐腐蝕性降低。對于CT100 及以上等級的連續油管， 其硬度已經超出了NACE MR0175 標準

規定的抗硫化氫要求 （硬度≤22HRC）， 因而耐蝕性較差， 不能用于含硫化氫環境。 因此， 常規的耐蝕系列的連續油管產品強度等級主要在CT90 及以下， 材質則以高耐蝕合金為主。 與普通低合金鋼相比， 高耐蝕合金連續油管添加了較多Cr、 Ni 等易鈍化合金元素， 大幅提高了基體的耐蝕性， 具有耐腐蝕、 耐高溫、 疲勞壽命長等優勢。

高耐蝕合金連續油管的技術難點在于制造工藝復雜， 常規低合金鋼連續油管多采用高頻感應焊接工藝， 而高耐蝕合金的連續油管通常采用激光焊接。 國外主要的連續油管制造商Tenaris 和Quality Tubing 均已生產出高耐蝕合金系列的連續油管產品， 如HS-80 CRA、 QT16-Cr 等， 其中QT-16Cr 不僅耐腐蝕性能優于同鋼級的常規QT-900 連續油管， 疲勞壽命也接近QT-900 的3 倍， 如圖7 所示

。

國內寶雞石油鋼管有限責任公司建成高合金連續管生產線， 采用激光焊接， 已開發出2205 雙相不銹鋼連續管產品和18Cr 不銹鋼連續管產品。 不銹鋼連續管憑借其良好的塑性、較高的強度、 優異的耐蝕性能以及高疲勞壽命， 應用前景廣闊， 其中2205 雙相不銹鋼連續管已在油田推廣應用。

高耐蝕合金系列的連續油管雖具有較好的耐腐蝕性能， 但整體合金及制造成本較高， 一般為碳鋼連續油管的3～8 倍

。 因此， 近年來也在研究復合材質的連續油管， 其結構設計一般包括基層和復合層， 具有耐蝕、 質量輕等特點， 適用于低抗疲勞和耐腐蝕的井下環境， 其成本可控制在碳鋼連續油管的1.5 倍

， 但制造工藝相對復雜， 生產難度較大。 目前， 寶雞石油鋼管有限責任公司已成功開發出油田地面集輸水及集輸油用的非金屬復合連續管產品，已在油田得到推廣應用。

3 結 論

（1） 隨著頁巖氣等非常規油氣、 深層和海上油氣資源的深入開采， 鋼制連續油管的市場前景良好， 并且市場對連續油管的尺寸及性能的要求也在不斷提高。

對于電氣自動化控制設備，在設計時我們要充分的研究和分析電氣自動化控制設備各部件的技術要求、數據參數等信息，確保其設計科學合理性；對于市場上多種多樣的元器件，要對其質量的穩定性以及可靠性進行對比，選擇質量優、價格合理的零件。

（2） 當前連續油管以TMCP 態高強度低合金鋼材質為主， 并有高耐蝕合金、 復合以及調質型等系列產品。 其中高耐蝕合金連續油管特別適用于高腐蝕性井況， 但制造成本高； 對于低抗疲勞要求的高腐蝕性井況， 復合連續油管有望成為更低成本的選擇； 調質型連續油管相對常規TMCP態連續油管， 具有更優的抗疲勞性和耐蝕性， 以及很好的發展前景。

（3） 對于連續油管產品未來的技術發展趨勢， 尺寸方面將向更大外徑和長度的方向發展，性能方面向更高強度、 更優抗疲勞性及耐蝕性方向發展， 并更加關注產品的經濟性及可制造性。

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