連續(xù)管技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)*

畢宗岳，余 晗，鮮林云，王維東，趙 博

（1.中油國(guó)家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心有限公司，西安 710018；2.中國(guó)石油寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721008）

1 概 述

隨著世界油氣工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，連續(xù)管及其作業(yè)裝備已成為油氣開發(fā)降本增效的技術(shù)利器。與傳統(tǒng)作業(yè)相比，連續(xù)管技術(shù)具有作業(yè)效率高、安全性好、成本低、占地小等諸多優(yōu)點(diǎn)，特別是在水平井帶壓作業(yè)方面，具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。目前，連續(xù)管及其作業(yè)裝備已廣泛應(yīng)用于修井、測(cè)井、鉆井、完井、油氣集輸?shù)阮I(lǐng)域，被稱作“萬(wàn)能作業(yè)機(jī)”[1-3]。

2009年以前，連續(xù)管制造技術(shù)長(zhǎng)期被國(guó)外壟斷，產(chǎn)品進(jìn)口價(jià)格高、周期長(zhǎng)，嚴(yán)重制約了我國(guó)連續(xù)管作業(yè)技術(shù)的發(fā)展。2007年，在國(guó)家“863計(jì)劃”項(xiàng)目和中石油重大科技專項(xiàng)的推動(dòng)下，寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司聯(lián)合國(guó)內(nèi)科研院所、鋼廠等單位，開發(fā)出了國(guó)產(chǎn)連續(xù)管原料，同時(shí)攻克了連續(xù)管制造過程中焊接、成型、熱處理、板材對(duì)接、性能評(píng)價(jià)等五大核心技術(shù)，2009年生產(chǎn)出我國(guó)首盤CT80鋼級(jí)連續(xù)管產(chǎn)品，并在西南油氣田成功應(yīng)用，如圖1所示。近年來(lái)，我國(guó)連續(xù)管制造技術(shù)得到快速發(fā)展，年產(chǎn)量由2009年的不足200 t發(fā)展到目前超過20 000 t，價(jià)格較國(guó)外進(jìn)口降低了60%，供貨周期縮短到3個(gè)月，有效推動(dòng)了我國(guó)連續(xù)管作業(yè)技術(shù)的跨越式發(fā)展[4-5]。2017年，由寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司制定的連續(xù)管國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 34204—2017也正式發(fā)布[6]。

圖1 我國(guó)首盤CT80連續(xù)管及井下應(yīng)用

近年來(lái)，國(guó)外連續(xù)管制造技術(shù)也得到了快速發(fā)展。連續(xù)管制造企業(yè)由2 個(gè)增加到3 個(gè)，產(chǎn)能由2007 年的40 000 t 增加到目前的100 000 t 以上。2021年，全球連續(xù)管市場(chǎng)規(guī)模為34億美元，未來(lái)幾年將進(jìn)一步擴(kuò)大，預(yù)計(jì)到2027 年，連續(xù)管市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到60 億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率將達(dá)到9.76%。同時(shí)，連續(xù)管作業(yè)裝置也得到快速發(fā)展，圖2 為ICOTA 統(tǒng)計(jì)的1999 年—2020 年全球連續(xù)管作業(yè)車變化趨勢(shì)。隨著油氣資源勘探開發(fā)和增儲(chǔ)上產(chǎn)力度的不斷加大，以及連續(xù)管作業(yè)技術(shù)和裝備的快速發(fā)展，連續(xù)管的市場(chǎng)需求將不斷增長(zhǎng)，本研究總結(jié)了連續(xù)管制造技術(shù)的研究現(xiàn)狀，并提出了下一步發(fā)展方向，為推動(dòng)我國(guó)連續(xù)管技術(shù)發(fā)展提供參考。

圖2 1999年—2020年全球連續(xù)管作業(yè)車變化趨勢(shì)（來(lái)自ICOTA）

2 低碳微合金連續(xù)管

1962年，美國(guó)加里福尼亞石油公司和波溫石油工具公司聯(lián)合研制了世界第一臺(tái)連續(xù)管修井機(jī)，所用連續(xù)管材料為低碳鋼，管材外徑為33.4 mm。由于材料及連續(xù)管制造技術(shù)存在問題，在應(yīng)用過程中連續(xù)管經(jīng)常出現(xiàn)斷裂掉井事故，制約了連續(xù)管及作業(yè)技術(shù)的發(fā)展。1977 年，四川油田從美國(guó)波溫石油工具公司引進(jìn)了我國(guó)第一臺(tái)連續(xù)管作業(yè)車及連續(xù)管產(chǎn)品，截至2008 年，我國(guó)累計(jì)引進(jìn)了29 套連續(xù)管作業(yè)設(shè)備，由于當(dāng)時(shí)連續(xù)管全部依賴進(jìn)口、價(jià)格高，訂貨周期一般在18 個(gè)月以上，不能滿足我國(guó)連續(xù)管作業(yè)需求，導(dǎo)致引進(jìn)的作業(yè)裝備基本處于閑置狀態(tài)，未能發(fā)揮連續(xù)管作業(yè)技術(shù)應(yīng)有的作用[7]。

從2007年開始，國(guó)內(nèi)在連續(xù)管材料成分體系、組織結(jié)構(gòu)、焊接、成型、熱處理等關(guān)鍵制造工藝方面開始進(jìn)行全面研究，2009 年實(shí)現(xiàn)突破，經(jīng)過10多年的持續(xù)創(chuàng)新，形成了以低碳微合金鋼為主要材料的連續(xù)管系列化產(chǎn)品。管材強(qiáng)度等級(jí)從CT55（最小屈服強(qiáng)度379 MPa）到CT150（最小屈服強(qiáng)度1 034 MPa）、外徑范圍25.4～88.9 mm、壁厚范圍2.77～6.4 mm。同時(shí)研制出了變壁厚連續(xù)管、CT80S抗硫連續(xù)管、X52C連續(xù)管線管等產(chǎn)品，涵蓋了API SPEC 5ST標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的所有鋼級(jí)和規(guī)格[8-9]，建立了較為完備的國(guó)產(chǎn)連續(xù)管產(chǎn)品體系和檢測(cè)評(píng)價(jià)體系。連續(xù)管產(chǎn)品在滿足國(guó)內(nèi)需求的同時(shí)，還出口到俄羅斯、中東、南美等幾十個(gè)國(guó)家和地區(qū)。

2.1 高強(qiáng)度連續(xù)管

CT80～CT110高強(qiáng)度連續(xù)管是目前連續(xù)管作業(yè)中用量最大的產(chǎn)品，占市場(chǎng)需求量的80%左右。根據(jù)連續(xù)管服役環(huán)境和作業(yè)要求，為了提高連續(xù)管強(qiáng)塑性和耐蝕性，采用低碳微合金成分設(shè)計(jì)，在C-Si-Mn的基礎(chǔ)上，添加Cr、Ni、Mo等合金元素和Nb、V、Ti等微合金元素，采用全流程潔凈化冶煉技術(shù)和控軋控冷技術(shù)，充分降低S、P含量以及夾雜物的尺寸和含量，加大精軋壓下量，進(jìn)一步細(xì)化晶粒，形成了以鐵素體+貝氏體為主的組織（見圖3（a））。通過管材熱處理工藝，最終形成以M/A、球化珠光體為主的硬相組織，以及針狀鐵素體+多邊形鐵素體為主的軟相組織（見圖3（b）），在提高管材強(qiáng)度的同時(shí)確保良好的塑性和韌性。

圖3 連續(xù)管鋼帶和管體母材的顯微組織形貌

2016 年，對(duì)連續(xù)管材料進(jìn)一步優(yōu)化，通過控制C、Mn 含量，添加Nb、V 等微合金元素，添加Cr、Ni、Mo、Cu 等合金元素，開發(fā)出CT110超高強(qiáng)度連續(xù)管，該管材組織以針狀鐵素體+粒狀貝氏體為主，平均晶粒尺寸為5 μm，組織分布均勻，鐵素體含量50%左右，軟相與硬相匹配合理。CT110 連續(xù)管屈服強(qiáng)度大于758 MPa，延伸率在21% 以上，強(qiáng)塑積達(dá)到180GPa%，強(qiáng)度和塑性匹配優(yōu)異[10]。CT110 連續(xù)管具有爆破壓力和擠潰壓力高、抗扭能力強(qiáng)、疲勞壽命高等優(yōu)點(diǎn)，可有效提高連續(xù)管作業(yè)載荷，主要用于超深井、大位移水平井、超高壓井中開展鉆磨橋塞、多段壓裂、射孔、酸化、沖洗砂堵等作業(yè)。特別是用于鉆磨橋塞時(shí)，比CT80 連續(xù)管壽命提高30%以上，鉆塞數(shù)量大幅提高。CT110 連續(xù)管是目前用量最大的高強(qiáng)度連續(xù)管產(chǎn)品。CT80～CT110 連續(xù)管的化學(xué)成分見表1，力學(xué)性能見表2。

表1 不同鋼級(jí)低碳微合金連續(xù)管的化學(xué)成分

表2 不同鋼級(jí)低碳微合金連續(xù)管的力學(xué)性能

2.2 變壁厚連續(xù)管

變壁厚連續(xù)管是一種外徑不變、壁厚沿長(zhǎng)度方向變化的連續(xù)管。相對(duì)于同規(guī)格等壁厚連續(xù)管，變壁厚連續(xù)管可降低管柱自重，有效載荷增加1 倍以上，下入深度最大提高80%。同時(shí)，變壁厚連續(xù)管可有效解決高鋼級(jí)連續(xù)管在酸性環(huán)境中的抗應(yīng)力腐蝕性能差、作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)高的問題。

變壁厚連續(xù)管分為直接變壁厚連續(xù)管和漸變壁厚連續(xù)管。直接變壁厚連續(xù)管是由不同壁厚鋼帶采用斜焊縫對(duì)接制成，但壁厚突變易造成應(yīng)力集中，疲勞壽命較低，如圖4（a）所示；漸變壁厚連續(xù)管是不同壁厚間連續(xù)平滑過渡，全管柱等壁厚鋼帶對(duì)接，優(yōu)化了對(duì)接接頭的應(yīng)力分布，疲勞壽命高，減重效果更明顯，如圖4（b）所示。CT90～CT130 連續(xù)管通過變壁厚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，壁厚可在2.77～5.7 mm 范圍內(nèi)漸變，管柱下井深度可達(dá)到8 000 m 以上。目前，國(guó)內(nèi)應(yīng)用的變壁厚連續(xù)管主要以漸變壁厚為主[11-13]。

2.3 超高強(qiáng)度連續(xù)管

隨著深層油氣勘探力度不斷加大，超深井、超長(zhǎng)水平井、超高壓作業(yè)對(duì)連續(xù)管強(qiáng)度提出了更高要求。通過提高C、Mn含量，添加Nb、V、Ti等微量元素，細(xì)化晶粒，加入Si、Mo、V等元素提高管材的回火穩(wěn)定性，有效防止熱處理后管材強(qiáng)度下降；同時(shí)進(jìn)一步優(yōu)化熱處理工藝，降低回火溫度，開發(fā)出了以細(xì)板條鐵素體+粒狀貝氏體為主要組織的CT130超高強(qiáng)度連續(xù)管。CT130連續(xù)管屈服強(qiáng)度達(dá)928 MPa，晶粒度12級(jí)，帶狀組織1.0級(jí)，組織結(jié)構(gòu)如圖5 所示。經(jīng)測(cè)試，CT130 鋼級(jí)Φ50.8 mm×4.44 mm連續(xù)管爆破壓力達(dá)200.2 MPa，擠毀壓力172.2 MPa，疲勞壽命較CT110連續(xù)管提高38%[14]。

圖5 CT130連續(xù)管微觀組織及能譜分析結(jié)果

2022 年以來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)萬(wàn)米深井勘探開發(fā)工作的陸續(xù)開展，連續(xù)管的強(qiáng)塑性還需要進(jìn)一步提高。在前期研究的基礎(chǔ)上，寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司開發(fā)了以“鐵素體+馬氏體”為主要組織的世界最高強(qiáng)度的CT150 連續(xù)管。該材料組織均勻、細(xì)小，晶粒度小于14級(jí)，鐵素體比例62.7%～67.6%，馬氏體比例32.4%～37.3%，如圖6 所示。CT150 連續(xù)管通過形變強(qiáng)化和回火熱處理，實(shí)現(xiàn)了較好的強(qiáng)塑性匹配。

圖6 CT150連續(xù)管顯微組織形貌

對(duì)CT150 連續(xù)管進(jìn)行EBSD 分析，如圖7 所示，可以看出組織由若干大角度晶界組成，而大角度晶界內(nèi)以小角度晶界為鄰。大角度晶界所占比例為46.4%，平均有效晶粒尺寸為1.89 μm。

圖7 CT150連續(xù)管晶粒取向與晶界

2022 年，CT150 鋼級(jí)Φ50.8 mm×4.0 mm 連續(xù)管在新疆油田下井應(yīng)用，實(shí)物檢測(cè)結(jié)果表明，CT150 連續(xù)管抗拉強(qiáng)度達(dá)到1 141 MPa，可承受的拉伸載荷達(dá)到60.8 t，下入深度可達(dá)萬(wàn)米，管材內(nèi)爆破壓力196.2 MPa，管材外擠毀壓力161.4 MPa，延伸率達(dá)到20%，疲勞壽命較CT110 連續(xù)管提高93.1%（彎曲半徑1 219 mm、內(nèi)壓34.47 MPa），較CT130 連續(xù)管提升41%，疲勞壽命對(duì)比如圖8 所示。

圖8 不同鋼級(jí)連續(xù)管疲勞壽命對(duì)比

2.4 存在的問題及發(fā)展方向

2.4.1 超高強(qiáng)度管材的強(qiáng)塑性問題

隨著高壓井、超深井的不斷增加，超高強(qiáng)度連續(xù)管無(wú)疑是最佳選擇。但是，隨著強(qiáng)度的進(jìn)一步提升，管材塑性和韌性的同步提升遇到了技術(shù)瓶頸。由于管材強(qiáng)度和塑性通常呈負(fù)相關(guān)性，強(qiáng)度越高，塑性和韌性會(huì)越低，這也是低碳微合金鋼目前存在的共性技術(shù)難題，會(huì)導(dǎo)致超高強(qiáng)度連續(xù)管易發(fā)生脆性斷裂。因此，一是需要進(jìn)一步研究超高強(qiáng)度管柱應(yīng)用過程中需要多大的塑性和韌性，怎樣的強(qiáng)塑性匹配才可以滿足作業(yè)的要求；二是研究材料的成分設(shè)計(jì)、組織調(diào)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)超高強(qiáng)度下的強(qiáng)塑性匹配；三是在制造工藝方面研究熱處理技術(shù)對(duì)管材強(qiáng)塑性的影響規(guī)律，如采用調(diào)質(zhì)工藝可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)塑性的提高和改善，這也是近年來(lái)的一大研究熱點(diǎn)。通過調(diào)質(zhì)獲得均勻的回火索氏體組織，使管體強(qiáng)塑性同步提高的同時(shí)，焊縫、熱影響區(qū)及母材組織更趨于一致。目前，國(guó)外連續(xù)管生產(chǎn)廠家Tenaris、NOV、Global和國(guó)內(nèi)的寶雞鋼管、杰森能源等已開展了連續(xù)管調(diào)質(zhì)工藝研究，最高強(qiáng)度級(jí)別可達(dá)到140ksi。與常規(guī)軋制態(tài)連續(xù)管相比，調(diào)質(zhì)連續(xù)管的疲勞性能得到顯著提高[15-16]。

2.4.2 鉆井用大直徑連續(xù)管開發(fā)

近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)各油田進(jìn)入開發(fā)中后期，大量廢棄井出現(xiàn)，僅中石油礦權(quán)區(qū)內(nèi)老舊井?dāng)?shù)量已經(jīng)突破10 萬(wàn)口，而且呈逐年增加的趨勢(shì)。國(guó)外應(yīng)用表明，連續(xù)管鉆井技術(shù)已成為石油鉆井的主要技術(shù)之一，特別是在老井加深鉆、側(cè)鉆，以及小井眼鉆井等方面，可實(shí)現(xiàn)高效率、低成本、安全可靠作業(yè)，可通過連續(xù)管鉆井實(shí)現(xiàn)二次采油采氣。因此，亟需開發(fā)高強(qiáng)度、大扭矩、大直徑、厚壁鉆井用連續(xù)管，同步開展大直徑連續(xù)管對(duì)接技術(shù)以及連續(xù)管內(nèi)置大尺寸動(dòng)力電纜技術(shù)，以滿足連續(xù)管常規(guī)鉆井和電驅(qū)鉆井作業(yè)的需求。

2.4.3 連續(xù)管內(nèi)表面減阻問題

低碳微合金鋼連續(xù)管的內(nèi)表面較為粗糙（粗糙度20 μm左右），在深井、超深井、大位移水平井作業(yè)時(shí)，沿程壓耗較大，導(dǎo)致泵壓高、排量提高困難，使得井場(chǎng)能耗較大。目前，作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)通常采用添加減阻劑的方式降低摩阻，單井作業(yè)每天消耗減阻劑約2萬(wàn)元，增加了作業(yè)成本。為此，管材內(nèi)表面減阻問題可通過材料表面技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，如非金屬材料涂敷、金屬材料表面噴涂、化學(xué)沉積、物理濺射等，也可通過管-管復(fù)合技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這些都需要研究?jī)煞N材料的協(xié)同變形問題。

2.4.4 海洋流體輸送用連續(xù)管開發(fā)

連續(xù)管長(zhǎng)度達(dá)數(shù)千米，中間無(wú)連接接頭，具有敷設(shè)快捷高效、服役安全性高的特點(diǎn)，是海洋領(lǐng)域流體輸送、信號(hào)和動(dòng)力電纜安全敷設(shè)的有效手段。國(guó)外連續(xù)管在海洋領(lǐng)域的應(yīng)用占到很大一部分，我國(guó)在此方面還未起步。隨著我國(guó)海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的逐步深化，海洋油氣田勘探開發(fā)、海水淡化、人工島礁建設(shè)等重大工程投資規(guī)模日益增大，需要開發(fā)大直徑、耐海水腐蝕、穿電纜的低碳微合金連續(xù)管。

2.4.5 低溫環(huán)境下的脆化問題

隨著油氣資源勘探開發(fā)、地質(zhì)調(diào)查等向著極地、凍土、極寒等地區(qū)拓展，連續(xù)管面臨著低溫、超低溫的挑戰(zhàn)。低碳微合金鋼材料在超低溫下易出現(xiàn)脆化問題，如在北極寒冷氣候下連續(xù)管下井作業(yè)時(shí)，在地面井場(chǎng)就需要經(jīng)過從卷筒到鵝頸、再到井筒這一過程中“彎—直—彎—直”3次塑性變形，管材脆化問題需要高度重視，特別是高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度連續(xù)管。因此，需要從材料成分、組織性能等方面開展系統(tǒng)研究，開發(fā)具有優(yōu)異低溫韌性的耐低溫連續(xù)管。

2.4.6 開展連續(xù)管選材研究

連續(xù)管作業(yè)環(huán)境復(fù)雜多變，不同區(qū)塊、不同井況下的作業(yè)壓力、腐蝕介質(zhì)以及作業(yè)種類不同，對(duì)連續(xù)管壽命會(huì)產(chǎn)生極大的影響。開展選材研究，根據(jù)作業(yè)類型和工況，選擇性能不同的連續(xù)管產(chǎn)品。如酸化壓裂作業(yè)，宜選用耐酸性好的連續(xù)管；鉆磨橋塞作業(yè)，可選用強(qiáng)度較高、力學(xué)性能優(yōu)異的連續(xù)管等。這些需要連續(xù)管制造企業(yè)深入研究連續(xù)管在不同環(huán)境下的性能及疲勞壽命，開發(fā)工程化預(yù)測(cè)軟件，提供選材指南或手冊(cè)，以滿足連續(xù)管全生命周期管理，為連續(xù)管作業(yè)設(shè)計(jì)和故障處理提供依據(jù)。

2.4.7 配套工具的開發(fā)

連續(xù)管及其作業(yè)裝備之所以被稱為“萬(wàn)能作業(yè)機(jī)”，主要是千變?nèi)f化的作業(yè)工具。不同的作業(yè)工具可以實(shí)現(xiàn)不同的用途，如氣舉排液、鉆磨、水力切割、鉆井、測(cè)井等，這也是實(shí)現(xiàn)“連續(xù)管+”的有效途徑。因此，需要緊跟連續(xù)管作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，加大與作業(yè)公司的合作研發(fā)，為實(shí)現(xiàn)連續(xù)管的廣泛應(yīng)用開發(fā)出配套的工裝和工具。

3 耐蝕合金連續(xù)管

近年來(lái)，隨著含有H2S、CO2、SRB等腐蝕介質(zhì)的油氣井大量開發(fā)，普通碳鋼連續(xù)管在服役中因腐蝕而產(chǎn)生減薄、穿孔、斷裂等問題，給連續(xù)管作業(yè)帶來(lái)了嚴(yán)重的安全風(fēng)險(xiǎn)，也制約了連續(xù)管作業(yè)技術(shù)的發(fā)展。因此，需要研究開發(fā)耐蝕合金連續(xù)管。耐蝕合金連續(xù)管采用不銹鋼、鎳基合金、鈦及鈦合金等材料，具有較好的耐蝕性，主要用于含H2S、CO2等腐蝕介質(zhì)的油氣資源開發(fā)、海洋油氣開發(fā)、CO2驅(qū)油、減氧空氣驅(qū)等領(lǐng)域[4]，可有效解決常規(guī)低碳微合金連續(xù)管易出現(xiàn)穿孔、脆裂、點(diǎn)蝕、均勻腐蝕等問題，在油氣開發(fā)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

2000 年左右，美國(guó)QT 公司開展了耐蝕合金連續(xù)管的研究開發(fā)工作[17]，試制出了可用于濕CO2環(huán)境下的QT-16Cr80 耐蝕合金連續(xù)管產(chǎn)品。該管材組織為奧氏體不銹鋼，主要化學(xué)成分為：w（C）=0.02%、w（Mn）=8.5%、w（Cr）=16.0%、w（Ni）=2.5%、w（N）=0.17%，強(qiáng)度等級(jí)為CT80（最小屈服強(qiáng)度556 MPa）。模擬井下工況腐蝕試驗(yàn)，在121 ℃、5%氯化鈉溶液、3.47 MPa CO2壓力下，試驗(yàn)296 h，QT-16Cr80連續(xù)管的腐蝕速率為0.038 mm/a，優(yōu)于13Cr 連續(xù)管（0.62 mm/a）。在內(nèi)壓20.68 MPa、彎曲半徑1 828.8 mm條件下，對(duì)不同規(guī)格QT-16Cr80 與QT-900 連續(xù)管的疲勞性能進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果如圖9所示，可以看出，與低碳微合金連續(xù)管相比，耐蝕連續(xù)管具有優(yōu)異的疲勞性能，這主要得益于奧氏體不銹鋼良好的塑性。

圖9 QT-16Cr80與QT-900連續(xù)管疲勞性能對(duì)比

與此同時(shí)，Tenaris 公司也開發(fā)出了2205雙相不銹鋼連續(xù)管HS-80CRA，其化學(xué)成分見表3，力學(xué)性能見表4。HS-80CRA 連續(xù)管腐蝕試驗(yàn)結(jié)果表明，2205 雙相不銹鋼連續(xù)管具有出色的抗CO2和抗H2S 腐蝕能力，耐蝕性能優(yōu)于16Cr 連續(xù)油管。因此，2205 雙相不銹鋼連續(xù)管可適用于絕大多數(shù)含有腐蝕介質(zhì)的復(fù)雜井況。

表3 HS-80CRA連續(xù)管化學(xué)成分 %

表4 HS-80CRA連續(xù)管力學(xué)性能

在鈦合金連續(xù)管方面，20 世紀(jì)80 年代，國(guó)外已經(jīng)將鈦合金用于一些高溫高壓、超高壓、高溫?zé)崴嵝杂蜌饩奶坠堋⒂凸芗耙恍┚鹿ぞ叩闹圃臁Ｍ瑫r(shí)，采用TIG 鎢極電弧惰性氣體保護(hù)焊試制出了首批鈦合金連續(xù)管。鈦合金連續(xù)管成分主要有2種：Ti6Al4V（6%Al、4%V、90%Ti）和Ti3Al2.5V （3%Al、2.5%V、94.5%Ti），Ti3Al2.5V 是相對(duì)理想的高強(qiáng)度鈦合金連續(xù)管管材。目前，已有外徑12.7～76.2 mm、壁厚3 mm 及以下多種規(guī)格鈦合金連續(xù)管，主要用于特殊環(huán)境下的修井、出油管、控制管纜、速度管柱、油層連續(xù)套管以及水平鉆井等[18]。

國(guó)內(nèi)耐蝕合金連續(xù)管研發(fā)和應(yīng)用都比較晚，起步于2016 年，主要以2205 雙相不銹鋼和18Cr 奧氏體不銹鋼連續(xù)管為主，強(qiáng)度級(jí)別主要為80ksi，主要用途是速度管柱、CCUSEOR 中CO2注入管柱。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)鈦合金連續(xù)管也在研發(fā)之中。

3.1 2205雙相不銹鋼連續(xù)管

2205 雙相不銹鋼連續(xù)管組織為奧氏體+鐵素體雙相組織，如圖10 所示，奧氏體和鐵素體含量各占50%左右，化學(xué)成分見表5。為了實(shí)現(xiàn)2205 雙相不銹鋼穩(wěn)定連續(xù)焊接，國(guó)內(nèi)主要采用大功率激光焊接，需要研究焊接功率、離焦量、焊接速度等參數(shù)對(duì)激光焊縫性能的影響規(guī)律，形成最佳焊接工藝。王維東等[19]對(duì)2205 雙相不銹鋼激光焊接工藝進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，隨著激光功率的增加，焊縫熔寬增大；隨著離焦量增大，焊縫熔寬先減小，后平緩增大；隨著焊接速度增大，焊縫熔寬快速減小，如圖11 所示。同時(shí)，為了使最終管材組織中奧氏體相和鐵素體相比例平衡，降低成型焊接應(yīng)力，需要對(duì)管材進(jìn)行固溶處理，處理前后焊縫組織如圖12 所示，可以看出，通過固溶處理，有效改善了焊縫組織結(jié)構(gòu)。

表5 2205雙相不銹鋼連續(xù)管主要化學(xué)成分

圖10 2205雙相不銹鋼微觀組織

圖11 不同焊接參數(shù)對(duì)2205雙相不銹鋼焊縫熔寬的影響

圖12 固溶處理前后2205雙相不銹鋼連續(xù)管焊縫組織

寶雞鋼管公司研制的Φ32 mm×3 mm 規(guī)格2205 雙相不銹鋼連續(xù)管的力學(xué)性能見表6，焊縫中奧氏體與鐵素體比例為56∶44，焊縫組織如圖13 所示。

表6 寶雞鋼管公司2205雙相不銹鋼連續(xù)管力學(xué)性能

圖13 2205雙相不銹鋼連續(xù)管焊縫組織

在某油田井下開展了2205雙相不銹鋼連續(xù)管的腐蝕試驗(yàn)，井下介質(zhì)中CO2含量為2.282%，H2S含量為4 091.6 mg/m3，試驗(yàn)結(jié)果如圖14所示。可以看出，連續(xù)管腐蝕速率只有0.004 2 mm/a，耐蝕性與同強(qiáng)度級(jí)別耐蝕碳鋼連續(xù)管相比提高了10倍以上；與BN4、S320433等奧氏體不銹鋼連續(xù)管相比，耐蝕性能提高了30%左右。疲勞性能試驗(yàn)結(jié)果如圖15 所示，與同強(qiáng)度級(jí)別的CT80 連續(xù)管相比，疲勞壽命提高了30%。目前，2205雙相不銹鋼連續(xù)管以優(yōu)異的耐蝕性能和抗疲勞性能，在吉林油田CCUS-EOR 的CO2注入、塔里木油田氣舉作業(yè)、長(zhǎng)慶油田排水采氣中均取得了較好的效果。

圖14 不同材質(zhì)連續(xù)管腐蝕性能對(duì)比

圖15 不同材質(zhì)連續(xù)管疲勞性能對(duì)比

3.2 18Cr奧氏體不銹鋼連續(xù)管

2021 年，針對(duì)井下以CO2為主的腐蝕介質(zhì)，國(guó)內(nèi)開發(fā)了一種經(jīng)濟(jì)型BSG-18Cr 連續(xù)管，該管材w（Cr）=18%、w（C）=0.03%，適當(dāng)提高N、Mn、Cu 含量，并降低Ni 含量，通過N 實(shí)現(xiàn)材料強(qiáng)度的進(jìn)一步提升，降低C以提高抗硫化物應(yīng)力腐蝕能力。18Cr奧氏體不銹鋼連續(xù)管的組織形貌如圖16所示，力學(xué)性能見表7。可以看出，該管材以?shī)W氏體組織為主，并含有極少量的鐵素體及化合物，強(qiáng)度等級(jí)在CT70～CT80 之間，同時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)異的塑性，斷后伸長(zhǎng)率達(dá)到50%左右，與同鋼級(jí)的CT80 低碳微合金連續(xù)管相比，疲勞壽命高出2倍左右（見圖17）。

表7 18Cr連續(xù)管力學(xué)性能

圖16 18Cr連續(xù)管微觀組織形貌

圖17 18Cr連續(xù)管疲勞性能

在耐蝕性能方面，BSG-18Cr 連續(xù)管與國(guó)外QT-16Cr 和QT900 連 續(xù) 管 在121 ℃、CO2壓 力3.45 MPa、5%NaCl 溶液環(huán)境中進(jìn)行了96 h 的模擬工況腐蝕試驗(yàn)，結(jié)果如圖18所示。可以看出，國(guó)產(chǎn)BSG-18Cr 連續(xù)管腐蝕速率為0.042 mm/a，略優(yōu)于國(guó)外QT-16Cr連續(xù)管。耐蝕性的提高主要是由于18Cr連續(xù)管材料中Cr、Cu含量的增加。

圖18 BSG-18Cr連續(xù)管與國(guó)外連續(xù)管耐蝕性能對(duì)比

18Cr奧氏體不銹鋼連續(xù)管可適應(yīng)于CO2和少量其他腐蝕介質(zhì)的油田工況，與2205雙相不銹鋼連續(xù)管相比，雖然耐蝕性有所降低，但具有明顯的經(jīng)濟(jì)性，對(duì)國(guó)內(nèi)大部分腐蝕工況不太嚴(yán)重的油田是一種較好的選擇。如在CCUS-EOR 用作CO2注入管柱，既能滿足工程需要，又可以大幅降低成本，目前已在100多口井作業(yè)應(yīng)用。同時(shí)，18Cr奧氏體不銹鋼連續(xù)管也可用于含有CO2氣井的排水采氣管柱，以及井場(chǎng)地面有腐蝕介質(zhì)的集輸管線，基本適用于所有含CO2的油田工況[20-21]。

3.3 下一步研發(fā)方向

3.3.1 開展管材制造工藝研究

由于材料中添加了大量的耐蝕合金，如Cr、Mo、Cu、Ni等，對(duì)耐蝕合金連續(xù)管的制造工藝提出了更高的要求，需要開展深入研究。一是要進(jìn)一步細(xì)化焊接工藝，針對(duì)不同材料采用不同的焊接方法或工藝，如2205雙相不銹鋼、18Cr奧氏體不銹鋼等宜采用惰性氣體保護(hù)焊；低碳微合金抗硫連續(xù)管可采用HFW制造工藝。二是要研究熱處理工藝技術(shù)，由于耐蝕合金連續(xù)管長(zhǎng)期在含有CO2、H2S等介質(zhì)中服役，必須通過適當(dāng)?shù)臒崽幚肀M可能消除或減少管材因成型、焊接等因素存在的殘余應(yīng)力，通過熱處理進(jìn)一步調(diào)控組織，保證管材中組織和性能的一致性。

3.3.2 開發(fā)不同耐蝕合金連續(xù)管產(chǎn)品

目前國(guó)內(nèi)耐蝕合金連續(xù)管的種類相對(duì)單一，材料主要選用標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)不銹鋼或其他耐蝕合金鋼，產(chǎn)品不能完全解決油田面臨的腐蝕問題。在實(shí)際應(yīng)用中，各油田、各區(qū)塊的腐蝕工況差異較大，有些是單一的H2S或CO2腐蝕，有些是H2S和CO2共存，有些含有較高的SRB，有些是高礦化度、高Cl-等，同時(shí)還有外部載荷的作用。另外，還需要根據(jù)井況的油氣產(chǎn)量，考慮管材的經(jīng)濟(jì)性和作業(yè)成本。因此，需要根據(jù)油田服役工況，研究開發(fā)不同類型的耐蝕合金連續(xù)管產(chǎn)品。重點(diǎn)研究方向?yàn)椋孩匍_發(fā)系列化的高強(qiáng)度、低密度、輕量化的鈦合金連續(xù)管。鈦合金具有很好的抗海洋環(huán)境下的腐蝕性能，同時(shí)質(zhì)量輕，適宜于海洋平臺(tái)吊裝，并滿足海洋油氣體積壓裂、側(cè)鉆井等作業(yè)需求；在超深井作業(yè)方面，可滿足深度 8 000 m以上的絕大部分高溫、高壓、高含CO2和H2S等腐蝕介質(zhì)的井況[22]。②開發(fā)酸化作業(yè)用抗硫酸、鹽酸、草酸等腐蝕環(huán)境的連續(xù)管。③開發(fā)用于煤炭地下氣化、頁(yè)巖油原位加熱用耐高溫氧化和SRB腐蝕的連續(xù)管。目前，寶雞鋼管公司采用Cu合金化技術(shù)，開發(fā)出了抗SRB輸送管，此技術(shù)已經(jīng)用于連續(xù)管開發(fā)，并試制出了相關(guān)產(chǎn)品。

3.3.3 開展耐蝕合金連續(xù)管選材研究

由于耐蝕合金連續(xù)管作業(yè)工藝和服役環(huán)境不同，選材有很大差異。一般情況下，耐蝕合金連續(xù)管強(qiáng)度相對(duì)低碳微合金連續(xù)管要低一些，但疲勞性能相對(duì)較好，因此在工藝設(shè)計(jì)中，要根據(jù)作業(yè)井深、壓力、載荷大小、溫度、流速、腐蝕介質(zhì)等因素，開展實(shí)物腐蝕評(píng)價(jià)試驗(yàn)，為耐蝕合金連續(xù)管的選材提供依據(jù)。

4 多通道連續(xù)管

多通道連續(xù)管是一種多層、多個(gè)通道的新型連續(xù)管，管柱內(nèi)包含多個(gè)流體通道，也可包含電力、信息、加熱通道等。在結(jié)構(gòu)上有多個(gè)單元，在功能上可提供多個(gè)獨(dú)立的通道，同時(shí)保留了作業(yè)快速、安全、高效等特點(diǎn)。多通道連續(xù)管可廣泛應(yīng)用于分層注采、負(fù)壓沖砂、松軟地層鉆井、煤炭地下氣化、稠油加熱、頁(yè)巖油原位加熱轉(zhuǎn)化等，其設(shè)計(jì)性較強(qiáng)，常見的多通道連續(xù)管是采用“大管套小管”的結(jié)構(gòu)[23-25]，如圖19所示。

圖19 多通道連續(xù)管

4.1 注測(cè)一體化多通道連續(xù)管

針對(duì)煤炭地下氣化特殊的作業(yè)工藝，寶雞鋼管公司開發(fā)了一種耐高溫、耐腐蝕、集兩種流體同步注入與溫度測(cè)量為一體的多通道連續(xù)管，如圖20 所示。該管材外管和內(nèi)管均為2205 雙相不銹鋼，外管直徑73 mm，內(nèi)管直徑25.4 mm，并在內(nèi)管中內(nèi)置熱電偶。應(yīng)用時(shí)，外管與內(nèi)管之間通入氧氣，內(nèi)管注入點(diǎn)火劑，外管與套管環(huán)空注入水，熱電偶用于氣化腔溫度監(jiān)測(cè)。

圖20 注測(cè)一體化多通道連續(xù)管

4.2 井下大功率電加熱管纜

井下大功率電加熱技術(shù)可解決傳統(tǒng)稠油熱采技術(shù)存在的污染大、熱能損耗高等問題，是實(shí)現(xiàn)中低熟度頁(yè)巖油原位轉(zhuǎn)化、煤炭地下干餾、富油煤等資源開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)[26]。加熱管纜是一種集成單根或多根電熱合金絲，以氧化鎂、云母粉等作為導(dǎo)熱材料和絕緣材料的特殊連續(xù)管纜，加熱功率可達(dá)2 000 W/m，全長(zhǎng)加熱功率可達(dá)到400～800 kW。

4.3 下一步發(fā)展方向

多通道連續(xù)管的應(yīng)用場(chǎng)景很多，但是制造工藝復(fù)雜，目前尚沒有高效、可靠的生產(chǎn)工藝。特別是管材熱處理、內(nèi)置電纜等工藝實(shí)施難度較大，對(duì)生產(chǎn)效率和生產(chǎn)裝備提出了更高的要求，也是未來(lái)制造技術(shù)研究的重點(diǎn)。

井下大功率電加熱管纜在服役中需要長(zhǎng)期承受井下高溫高壓環(huán)境下Cl-、H2S 等介質(zhì)的腐蝕，對(duì)其可靠性有較高的要求，因此，需要開展?jié)崈舳取⒘６取⒚軐?shí)度等對(duì)氧化鎂絕緣、導(dǎo)熱的影響研究，大尺寸管纜注入和協(xié)同變形研究，以及超長(zhǎng)電加熱管纜及其異質(zhì)材料焊接接頭在高溫環(huán)境下的高穩(wěn)定性研究。針對(duì)常規(guī)油井結(jié)蠟、稠油加熱等應(yīng)用領(lǐng)域，連續(xù)管與電纜結(jié)合，開發(fā)基于集膚效應(yīng)或電阻加熱的管纜，也是連續(xù)管電加熱技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。

5 非金屬?gòu)?fù)合連續(xù)管

5.1 非金屬?gòu)?fù)合連續(xù)管的材料和結(jié)構(gòu)

非金屬?gòu)?fù)合連續(xù)管主要由熱塑性樹脂和增強(qiáng)材料復(fù)合而成，一般具有三層結(jié)構(gòu)，即內(nèi)襯層、增強(qiáng)層和外護(hù)套。內(nèi)襯層能有效防止介質(zhì)腐蝕并具有良好的密封性，一般采用高密度聚乙烯（HDPE）、尼龍（PA）、交聯(lián)聚乙烯（PEX）、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚酮（POK）、聚醚醚酮（PEEK）等材料，通過連續(xù)擠出成型為數(shù)百米或數(shù)千米的連續(xù)內(nèi)管；然后根據(jù)強(qiáng)度要求和服役溫度要求，采用不同的增強(qiáng)材料（如碳纖維、芳綸、玻璃絲帶、尼龍絲帶、鋼絲帶等）和纏繞工藝，在內(nèi)管外層進(jìn)行不同纏繞層數(shù)、不同纏繞方向的增強(qiáng)，形成增強(qiáng)層，同時(shí)還可以敷設(shè)通訊電纜和電力電纜；最后再通過連續(xù)擠出成型，在外面包覆一層外管，形成外護(hù)套，外護(hù)套材料通常為高密度聚乙烯、聚丙烯、耐高溫聚乙烯等。非金屬?gòu)?fù)合連續(xù)管結(jié)構(gòu)如圖21 所示。

圖21 非金屬?gòu)?fù)合連續(xù)管結(jié)構(gòu)示意圖

5.2 非金屬?gòu)?fù)合連續(xù)管性能與發(fā)展

相比金屬連續(xù)管，非金屬?gòu)?fù)合連續(xù)管具有柔韌性好、耐腐蝕性強(qiáng)、管內(nèi)摩阻小、不易結(jié)垢與結(jié)蠟、導(dǎo)熱系數(shù)低、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，在油田地面集輸、井下采油采氣等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。國(guó)外非金屬?gòu)?fù)合連續(xù)管技術(shù)發(fā)展較早，采用“HDPE 內(nèi)襯+環(huán)氧樹脂預(yù)浸玻璃纖維/芳綸纖維增強(qiáng)+HDPE 外護(hù)套”三層復(fù)合結(jié)構(gòu)，在地面注水、井下采油、深海輸油、天然氣集輸、CO2輸送等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，適用溫度范圍為-50～120 ℃，承壓最高可達(dá)107 MPa[27]。

根據(jù)國(guó)外Purapipe 公司報(bào)道，與鋼管相比，采用大直徑非金屬?gòu)?fù)合管建設(shè)輸送管道，建設(shè)時(shí)間減少50%～80%，建設(shè)成本節(jié)約40%，管線維護(hù)成本降低90%。圖22 為Purapipe 統(tǒng)計(jì)的建設(shè)1 000 km 直徑610 mm 管線采用鋼管與非金屬?gòu)?fù)合管的費(fèi)用對(duì)比。

圖22 采用鋼管與非金屬?gòu)?fù)合管建設(shè)管線的費(fèi)用對(duì)比

我國(guó)非金屬?gòu)?fù)合連續(xù)管技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)品研發(fā)起步較晚，發(fā)展相對(duì)緩慢。目前用于地面輸水或注水的低端產(chǎn)品生產(chǎn)廠家較多，用于井下采油高強(qiáng)度敷纜管、地?zé)衢_采隔熱管、耐油品溶脹性好的集輸油管、防止氣體泄露的帶阻隔性能的輸氣管等高端非金屬?gòu)?fù)合連續(xù)管還處于研發(fā)階段，缺乏工程化應(yīng)用。國(guó)內(nèi)成功研制了以玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性聚合物為主要材料的海洋深水非金屬?gòu)?fù)合管，該管材抗拉載荷20 t，工作壓力20 MPa，并在黃海海域成功完成海試；同時(shí)，針對(duì)含H2S酸性腐蝕介質(zhì)的油氣田，也相繼開發(fā)出抗硫高分子聚乙烯和玻璃鋼非金屬輸送管，并在塔里木油田成功試用投產(chǎn)。南京晨光集團(tuán)有限責(zé)任公司開發(fā)的非金屬連續(xù)管在長(zhǎng)慶、勝利等油田成功應(yīng)用，并取得了良好的效果[28-29]。2021年，寶雞鋼管公司研發(fā)的集輸油用耐油品溶脹性高的非金屬?gòu)?fù)合連續(xù)管，已在長(zhǎng)慶等油田得到規(guī)模化應(yīng)用；2022年開發(fā)的國(guó)內(nèi)首次地?zé)衢_采用隔熱型非金屬?gòu)?fù)合連續(xù)管也得到了工程應(yīng)用。

集輸油用非金屬?gòu)?fù)合連續(xù)管具有較好的耐油溶脹性能和抗老化性能，內(nèi)襯管采用改性聚乙烯材料100GW，在高溫高壓油介質(zhì)中浸泡后，力學(xué)性能、抗氧化性能、熔融溫度的穩(wěn)定性均優(yōu)于輸水用聚乙烯PE100，表現(xiàn)出良好的耐高溫、耐油溶脹性能。集輸油用非金屬?gòu)?fù)合連續(xù)管性能檢測(cè)結(jié)果如圖23所示。

圖23 集輸油用非金屬?gòu)?fù)合連續(xù)管性能檢測(cè)結(jié)果

下一步需要結(jié)合不同的應(yīng)用場(chǎng)景，開發(fā)高端非金屬?gòu)?fù)合連續(xù)管。一是通過復(fù)合材料共混改性技術(shù)、分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，研究開發(fā)不同性能的內(nèi)襯管材料，如耐磨型、耐高溫型、耐腐蝕型、減阻型、耐老化型等；二是研究復(fù)合管增強(qiáng)材料和增強(qiáng)工藝，以及塑料管擠出成型工藝，如多層共擠工藝技術(shù)；三是研究非金屬材料、氣體阻隔材料的抗氣體滲透和抗溶脹性能，以及阻隔層制備工藝技術(shù)；四是研究非金屬智能化連續(xù)管。智能化連續(xù)管是基于大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)，將電纜、信號(hào)線、光纖、控制線集成在連續(xù)管中，使連續(xù)管具備信號(hào)傳輸、流體傳輸、動(dòng)力傳輸、液壓控制等功能，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)傳輸、遠(yuǎn)程診斷、遠(yuǎn)程指揮決策、遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程處理等作業(yè)，可用于智能化鉆井、采油采氣、集輸?shù)阮I(lǐng)域。隨著智慧油田建設(shè)的推進(jìn)，智能連續(xù)管的應(yīng)用也將進(jìn)一步拓展。

6 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過十余年的發(fā)展，我國(guó)連續(xù)管在材料、制造、應(yīng)用等技術(shù)方面均取得了跨越式發(fā)展，連續(xù)管產(chǎn)品種類、規(guī)格序列逐步齊全。低碳微合金連續(xù)管實(shí)現(xiàn)了CT70～CT150 全系列化和規(guī)模化應(yīng)用，且CT150連續(xù)管達(dá)到世界最高強(qiáng)度級(jí)別；耐蝕合金連續(xù)管的研發(fā)和應(yīng)用初具規(guī)模；多通道、多結(jié)構(gòu)連續(xù)管制造技術(shù)不斷攻克；非金屬?gòu)?fù)合連續(xù)管得到快速發(fā)展，在輸油、輸水方面得到廣泛應(yīng)用。但是，耐蝕合金連續(xù)管、多通道連續(xù)管、非金屬?gòu)?fù)合連續(xù)管與國(guó)外技術(shù)相比仍有一定的差距。我國(guó)連續(xù)管雖然在井下作業(yè)中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，但在油氣集輸和海洋應(yīng)用方面，與國(guó)外相比仍然存在較大發(fā)展空間。隨著我國(guó)油氣資源開發(fā)向“深、低、海、非”方向發(fā)展，以及傳統(tǒng)化石能源向新能源的轉(zhuǎn)變，連續(xù)管應(yīng)用空間將會(huì)更加廣闊，大直徑、高強(qiáng)度、高塑性、高耐蝕、非金屬、多通道、智能化等都是未來(lái)連續(xù)管制造技術(shù)的發(fā)展方向。