國產CT150連續管性能研究及應用*

李鴻斌，張滿年，畢宗岳，張錦剛，趙 簽，鮮林云，劉 云，王曉波

（1.中油國家石油天然氣管材工程技術研究中心有限公司，西安 710018；2.中國石油寶雞石油鋼管有限責任公司，陜西 寶雞 721008；3.陜西省高性能連續管重點實驗室，陜西 寶雞 721008；4.新疆油田公司應急搶險救援中心，新疆 克拉瑪依 834000）

0 前 言

連續管（Coiled Tubing，CT）具有作業范圍廣、速度快、效率高、縮短修井時間等諸多方面的優點，已廣泛應用于油田修井、鉆井、完井、測井等油氣開采的各個環節[1-7]。2017年美國開發出屈服強度達到140ksi強度級別的連續管，2019年我國開發出屈服強度達到130ksi強度級別的連續管，實現了CT130連續管國產化[8-14]。

近年來，我國油氣資源開采逐步由常規地區向非常規地區轉移，油氣勘探開發向“低、深、海、非”方向發展，其中深層、超深層及非常規油氣開發將成為我國中長期勘探開發的主戰場，是我國油氣增儲上產的重要支撐力量。隨著我國石油天然氣工業發展的不斷深入，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，深井（4 500～6 000 m）、超深井（6 000～9 000 m）的數量快速增長，特別是超過7 000 m 的超深井不斷增加。新疆南緣相繼完成2 口井的井深超過了7 900 m，塔里木地區平均井深在6 600 m，寒武系吾松格爾組區塊井深8 203～8 260 m，同時，萬米深井油氣開發已列入油田單位重點攻關項目[15-18]。在頁巖氣領域，大位移水平井數量和水平井的長度日益增加，其中瀘州深層頁巖氣平均井深在5 800 m以上，應用連續管開展水平井壓裂、高壓射孔、鉆磨橋塞等復雜作業的需求越來越高。上述超深井、超長水平井對連續管的下入深度、承受內壓能力、管體強度等提出了更高的要求，現有CT110 及CT130鋼級連續管已經不能滿足深井、超深井油氣開發對下入深度、承壓等性能的要求，對連續管裝備升級提出了迫切要求。2022 年，寶雞石油鋼管有限責任公司研發出世界最高強度級別CT150 連續管，并實現工業化生產及下井應用，填補了國際空白。

本研究對CT150連續管的性能及應用進行了全面的研究分析，以便用戶能夠更好地了解管材性能，為CT150連續管在超深井、超長水平井的推廣應用提供參考，助力油田提質增效。

1 試驗材料與方法

試驗材料是規格為Φ50.8 mm×4.0 mm 的CT150 連續管。在CT150 連續管焊縫處取樣，加工成18 mm×9 mm 的金相試樣，打磨、拋光后用4%硝酸酒精腐蝕，采用Olympus GX71 型光學顯微鏡及日立S-3700N 型掃描電鏡，依據ASTM E3-11(2017)、ASTM E112-13、ASTM E45-18a 標準進行金相組織分析。采用ZIWCK1200 拉伸試驗機，依據ASTM 370《鋼制品力學性能試驗的方法和定義》進行整管拉伸試驗，試樣長度500 mm。采用Durascan-70 全自動顯微/維氏硬度試驗機，依據ASTM E92《金屬材料維氏及努氏硬度標準試驗方法》進行硬度檢測。采用WE-30B 型液壓式萬能試驗機，依據ASTM A450《碳素鋼、鐵素體和奧氏體合金鋼鋼管的一般要求》進行擴口和壓扁試驗，試樣長度102 mm。采用SWCPT-300 管材水壓/擠毀試驗系統，依據SY 5992《輸送鋼管靜水壓爆破試驗方法》及SY/T 6238.1 《油井管全尺寸試驗方法 套管擠毀試驗》進行水壓爆破及外壓擠毀試驗，試樣長度2 500 mm。采用PLW-100 型疲勞試驗機進行低周疲勞試驗，試樣長度1 524 mm，管端密封，管內注水增壓，壓力34.47 MPa，彎曲模半徑1 219 mm。

2 試驗結果與分析

2.1 微觀組織

圖1 所示為CT150 連續管焊縫金相組織。通過圖1可以看出，焊縫在擠壓力作用下，金屬流線與母材呈現約70°夾角，且晶粒細小、組織均勻，表明材料焊接性良好，焊縫質量穩定。

圖1 焊縫微觀組織形貌

2.2 管體強度

采用全管體拉伸方法對管材強度進行測試，結果見表1。從表1可以看出，CT150連續管具有較高的強度和塑性，屈服強度為1 078 MPa，抗拉強度為1 141 MPa，斷后伸長率為21%，屈強比0.94，管材拉伸性能滿足設計要求。CT150連續管為管材服役過程中承載能力、解卡能力和下入深度（尤其水平段）提供了可靠保障。相比同規格CT110 連續管，相同條件下下入深度可提高36.4%，或者在相同承載承壓能力下可減小管材壁厚，從而減輕管材質量，降低地面作業設備承受的管重載荷，提高了作業安全性。

表1 CT150連續管管體拉伸試驗結果

2.3 顯微硬度

圖2 和表2 分別為CT150 連續管焊縫、熱影響區和母材的全截面硬度檢測位置及檢測結果。由表2 可知，管體硬度控制在326HV1.0～363HV1.0，滿足硬度≤ 412HV1.0（42HRC）的設計要求。焊縫硬度均值345HV1.0，熱影響區硬度均值346HV1.0，母材硬度均值355HV1.0，硬度波動較小，表明管體母材及焊縫的組織均勻、性能一致。

表2 維氏硬度試驗結果

2.4 塑性

圖3為CT150連續管拉伸曲線，從圖3可以看出，連續管斷后伸長率為21%，高于理論計算值13%，均勻延伸率為6.0%（試樣標距為50.8 mm），管材在具備高強度的同時，仍具有較好的塑性，此性能為管材的反復彎曲變形提供了支撐。

圖3 CT150連續管拉伸曲線

表3、表4 分別為CT150 連續管壓扁及擴口試驗結果。可以看出，在管材試樣周向承受更大的拉應力和塑性變形的情況下，其焊縫、母材均未出現裂紋，一是表明CT150 連續管焊接質量好，焊縫無夾雜物等缺陷；二是表明管材塑性好，在管材強度達到CT110 強度的1.4 倍下，管材壓扁變形時仍未出現裂紋，并達到了API SPEC 5ST 標準對CT110 連續管的壓扁要求。

表3 CT150連續管壓扁試驗結果

表4 CT150連續管擴口試驗結果

2.5 抗內、外壓性能

為了評價CT150 連續管抗內壓和抗外壓性能，對樣管進行水壓爆破試驗和外壓擠毀試驗。圖4 所示為CT150 連續管水壓爆破試驗曲線和爆破后實物形貌，圖5 所示為CT150 連續管外壓擠毀試驗曲線和擠毀后實物形貌，表5 為CT150 連續管水壓爆破試驗和外壓擠毀試驗結果。水壓爆破試驗升壓至196.2 MPa 時，樣管高頻感應焊（HFW）焊縫位置發生失效，較理論計算壓力168.2 MPa 提高16.6%，試驗結果表明CT150 連續管具有良好的焊接質量及優異的抗內壓爆破性能。外壓擠毀試驗升壓至161.4 MPa 時管材擠毀失效，較理論計算值138.1 MPa 提高了16.9%，表明CT150連續管抗外壓擠毀性能優異。

表5 CT150連續管抗內、外壓試驗結果

圖4 CT150連續管水壓爆破試驗曲線及實物照片

圖5 CT150連續管外壓擠毀試驗曲線及實物照片

試驗結果表明，隨著CT150連續管強度的提升，管材抗內壓和外壓能力大幅提升，為超深井、超長水平井修井作業、高壓射孔、多段壓裂等作業提供了可靠保障。

2.6 低周疲勞性能

連續管作業過程中，會在內壓條件下遭受反復多次的“彎—直—彎”塑性變形，彎曲疲勞是導致連續管失效的主要因素之一。雖然API SPEC 5ST《連續油管規范》中未規定連續管疲勞性能，但國際上通常采用低周彎曲疲勞試驗機開展連續管疲勞壽命預測。研究表明，連續管疲勞壽命與其規格、強度等級、作業壓力等有關[19-22]。

采用PLW-100彎曲疲勞試驗機對Φ50.8 mm×4.0 mm規格CT150連續管在內壓34.47 MPa、彎曲半徑1 219 mm（該規格連續管最小導向拱半徑）條件下進行實物彎曲低周疲勞試驗，試驗結果如圖6 所示。結果顯示，CT150 連續管疲勞壽命均值為248 次，相比同規格CT110 連續管，疲勞壽命提高了1 倍（同規格CT110 平均疲勞壽命為121 次）。試驗結果表明，隨著CT150 連續管強度的提升，管材表現出優異的抗低周疲勞性能。

圖6 CT150連續管低周疲勞性能

3 CT150連續管現場應用概況

CT150 鋼級Φ50.8 mm×4.0 mm 連續管在新疆油田完成了28 口井的應用，下井作業51 次，連續管起下過程累計彎曲306次，開展了通井、射孔、鉆磨橋塞、打撈、壓裂（連續管拖動噴砂射孔分段壓裂、填砂壓裂）等技術服務，作業最高壓力95 MPa，最大井深6 669.65 m，最大水平段長度2 642 m，作業過程中CT150 連續管整體狀況良好，各項性能指標均達到了施工設計和作業要求，取得了良好的效果。

3.1 6 669.65 m超深井長水平段首段射孔作業

連續管射孔作業是利用連續管將噴砂射孔工具下井，地面設備泵注的攜砂液從噴槍的噴嘴噴出形成高速射流，對套管、水泥環及部分地層巖石進行沖蝕，形成井筒與地層連通的通道。油田某經濟評價井，井深6 669.65 m，A 點4 058 m，井斜80.41°，B 點6 700 m，井斜87.50°，水平段長度2 642 m，開展連續管通井及射孔作業。根據以往作業經驗，采用CT110連續管在未實施輔助措施條件下，連續管易發生螺旋屈曲最終導致螺旋“自鎖”，無法下入目標深度，需采用水力振蕩器、金屬降阻劑等輔助措施來提高下入深度。本次采用CT150連續管，在未實施輔助措施條件下開展了通井及首段射孔作業，2 次入井均非常順利，在長達2 642m 的水平段未出現螺旋鎖死現象，直接到達人工井底6 669.65 m 位置，如圖7中墨綠色曲線所示。

圖7 CT150連續管通井及射孔作業記錄曲線

截至2023年3月，CT150連續管在超深井長水平段施工13井次，僅發生螺旋自鎖2次，采取輔助措施后，均達到了施工設計要求，較CT110連續管大幅降低了螺旋自鎖幾率，顯著提高整體作業效率。

3.2 底封拖動水力噴射環空加砂壓裂作業

連續管底封拖動水力噴射環空加砂壓裂工藝是集射孔、壓裂、封隔于一體的新型增產改造技術，一趟管柱可實現射孔和多層壓裂作業，提高作業效率，節約成本。

油田某井深3 259.23 m，A 點2 138 m，井斜85.65°，B 點3 282 m，井斜84.5°，水平段長度1 144 m，采用CT150連續管開展水平井連續管底封拖動水力噴射環空加砂壓裂作業。在水力噴砂射孔、泵注頂替液以及壓裂過程中連續管持續承載高壓達8 h，作業壓力70～87 MPa，如圖8中淡綠色曲線所示。此次作業，CT150連續管表現出優異的承壓性能，大幅提高了現場作業的安全性。

圖8 CT150連續管底封拖動水力噴射環空加砂壓裂作業記錄曲線

CT150連續管的成功開發和應用，將為我國非常規油氣資源的開發提供重要的技術裝備。隨著連續管作業技術的快速發展，以及深層油氣資源和頁巖油氣勘探開發力度的不斷加大，CT150連續管將有廣闊的應用前景和市場潛力。

4 結 論

（1）CT150 連續管屈服強度1 078 MPa，抗拉強度1 141 MPa，硬度<363HV1.0，斷后伸長率為21%，在高強度的同時具有較高的塑性。

（2）CT150連續管具有較高的抗內、外壓能力和彎曲疲勞壽命，Φ50.8 mm×4.0 mm規格實物管材爆破壓力達196.2 MPa，擠毀壓力達161.4 MPa，疲勞壽命相比同規格CT110連續管提高了50%以上，相同條件下下入深度可提高36.4%。

（3）通過油田現場應用，CT150連續管體現出優異的強度、塑性和低周疲勞性能，適用于超深井、超長水平井以及高壓井等復雜工況作業，為非常規油氣資源開發提供了強有力的裝備利器。