劉少胡，馮定，劉旭輝 （長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州434023）

近年來(lái)，在海上油氣、陸上油氣等常規(guī)油氣以及頁(yè)巖氣、煤層氣等非常油氣安全高效的開采中，尤其是在頁(yè)巖氣“井工廠”高效開采中，連續(xù)管得到了廣泛的應(yīng)用［1，2］。如礁石壩頁(yè)巖氣“井工廠”多口井同步連續(xù)管鉆塞作業(yè)開創(chuàng)了國(guó)內(nèi)先河，大大提升了開采效率，縮短了試氣周期，豐富了技術(shù)系列。與傳統(tǒng)鉆完井方式相比，連續(xù)管使用過程不需另立井架和上卸扣，極大縮短了作業(yè)周期、減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度和降低了開采成本，其費(fèi)用可節(jié)約25%～40%，故在油田修井、完井、測(cè)井、鉆井等作業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，在油氣行業(yè)被譽(yù)為“萬(wàn)能作業(yè)設(shè)備”［3，4］。

由此可以看出，連續(xù)管在油氣高效開采過程中得到了廣泛的應(yīng)用，但連續(xù)管管體出現(xiàn)失效的問題也越來(lái)越嚴(yán)重?，F(xiàn)場(chǎng)連續(xù)管失效的主要現(xiàn)象有管體裂紋、砂眼、凹坑、劃痕、泄漏孔、縫隙、皺折和斷裂［5，6］。Rex Burgos等對(duì)Schlumberger公司10年間連續(xù)管失效數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出前5年間疲勞失效占34%，由于腐蝕、磨損等引起連續(xù)管含缺陷失效占22%；后5年間疲勞失效占25%，由于腐蝕、磨損等引起連續(xù)管含缺陷失效占30%［7］。

由于先期制造缺陷、后期誤操作、工作環(huán)境惡劣等原因，導(dǎo)致連續(xù)管不可避免地存在缺陷，在服役循環(huán)加載后很容易發(fā)生失效［8，9］。針對(duì)連續(xù)管失效問題，國(guó)外學(xué)者對(duì)現(xiàn)場(chǎng)失效數(shù)據(jù)、失效形貌和失效機(jī)理進(jìn)行了研究，國(guó)內(nèi)學(xué)者主要從理論上研究了失效機(jī)理及預(yù)防措施?；诖?，筆者根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究者關(guān)于連續(xù)管管體失效數(shù)據(jù)、失效原因、現(xiàn)有預(yù)防連續(xù)管失效措施研究現(xiàn)狀，結(jié)合國(guó)內(nèi)連續(xù)管使用情況，提出了預(yù)防連續(xù)管失效方法，旨在為延長(zhǎng)連續(xù)管服役壽命和安全評(píng)定提供重要依據(jù)。

1 連續(xù)管使用情況

1962年，全球第一臺(tái)連續(xù)管作業(yè)機(jī)（Coiled Tubing Unit，CTU）問世以來(lái)，這種新型的作業(yè)設(shè)備由最初的緩慢發(fā)展，到目前數(shù)量倍增。在20世紀(jì)70年代中期，全球有200多臺(tái)CTU，1993年約有561臺(tái)，2001年2月約有850臺(tái)，2004年1月即超過1000臺(tái)。目前，連續(xù)管鉆完井已在國(guó)外油氣田開采中得到大規(guī)模應(yīng)用，尤其是在頁(yè)巖氣、煤層氣等非常規(guī)天然氣開發(fā)中，小井眼連續(xù)管鉆井技術(shù)、欠平衡連續(xù)管鉆井及定向鉆井技術(shù)應(yīng)用的越來(lái)越多。近年來(lái)，大口徑智能連續(xù)管技術(shù)快速發(fā)展并應(yīng)用于水平井鉆井、修井作業(yè)等方面［10，11］。

到目前為止，通過我國(guó)石油科技工作者積極攻關(guān)，國(guó)產(chǎn)連續(xù)管作業(yè)機(jī)、連續(xù)管、連續(xù)管復(fù)合鉆機(jī)相繼問世。隨著配套技術(shù)及裝備的不斷完善，連續(xù)管作業(yè)技術(shù)在我國(guó)推廣應(yīng)用的條件日趨成熟。例如，涪陵頁(yè)巖氣開采過程中，普遍采用“井工廠”模式，常規(guī)壓裂作業(yè)為10臺(tái)左右中型壓裂車對(duì)一口井進(jìn)行壓裂作業(yè)，工期比單井分開壓裂平均減少30d，表明“井工廠”模式連續(xù)管應(yīng)用取得了良好效果［12］。據(jù)中國(guó)石油鉆井院統(tǒng)計(jì)，連續(xù)管作業(yè)已從2010年前的平均30井次提高到80井次，目前單機(jī)每年可完成100井次以上常規(guī)作業(yè)或10～20井次高端復(fù)雜作業(yè)，如在青海油田等實(shí)現(xiàn)了常規(guī)作業(yè)的規(guī)模應(yīng)用，多臺(tái)單機(jī)年作業(yè)量達(dá)到了120井次以上的國(guó)際先進(jìn)水平，且?guī)Чぞ咦鳂I(yè)比例由原來(lái)的不足5%提升至35%以上［10，13，14］。圖1所示為我國(guó)近年來(lái)連續(xù)管作業(yè)機(jī)數(shù)量和國(guó)產(chǎn)數(shù)量。由圖1可以看出，2007年～2012年，我國(guó)連續(xù)管作業(yè)機(jī)年度保有量和國(guó)產(chǎn)數(shù)量增加非常迅速，2013年開始，隨著頁(yè)巖氣和煤層氣的規(guī)模化開采，連續(xù)管作業(yè)機(jī)的數(shù)量增加更為迅速。

圖1 我國(guó)近年來(lái)連續(xù)管作業(yè)機(jī)數(shù)量和國(guó)產(chǎn)數(shù)量

2 連續(xù)管失效情況

BJ公司統(tǒng)計(jì)了10年間連續(xù)管失效情況，如圖2所示。其中，機(jī)械損失是引起連續(xù)管失效的主要形式，其失效率達(dá)到了35%。機(jī)械損傷很容易引起連續(xù)管發(fā)生塑性變形，當(dāng)機(jī)械加載超過其承載能力時(shí)易引起連續(xù)管發(fā)生折斷、刺穿、壓扁、拉斷等破壞性失效，如圖3和4所示［5，15，16］。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，連續(xù)管施工7井次，累計(jì)工作300h就需報(bào)廢，這直接影響到連續(xù)管作業(yè)成本，所以非常有必要研究連續(xù)管的極限承載能力。

圖2 連續(xù)管失效形式及比例

圖3 連續(xù)管缺陷類型

圖4 連續(xù)管失效形貌

3 連續(xù)管管體失效原因

通過分析連續(xù)管的缺陷類型和缺陷形貌，以及連續(xù)管的作業(yè)環(huán)境和作業(yè)過程的受力情況，總結(jié)分析得出造成連續(xù)管管體失效的原因主要有連續(xù)管本身性能、人為誤操作、機(jī)械損失、疲勞失效、腐蝕沖蝕磨損等［17，18］。

3.1 連續(xù)管本身性能問題

連續(xù)管在生產(chǎn)制造過程中，工藝過程比較復(fù)雜，一般要經(jīng)過多次熱處理，如軋制鋼材前的加熱、焊接、高頻感應(yīng)退火、成形后的水冷與空冷、消除應(yīng)力退火等。另外，由于焊接工藝和技術(shù)上的差異，往往會(huì)使焊縫質(zhì)量達(dá)不到要求。焊縫失效一般表現(xiàn)為脆性斷裂失效，其主要原因是焊接及焊后熱處理選擇不當(dāng)，焊縫處產(chǎn)生了未熔合或灰斑損傷，且焊縫及熱影響區(qū)強(qiáng)度低，沖擊韌性差。因此，任何一個(gè)工藝處理不當(dāng)，都會(huì)給連續(xù)油管造成損傷［19］。

3.2 人為誤操作

連續(xù)管在使用過程中，當(dāng)連續(xù)管實(shí)際彎曲半徑小于塑性彎曲半徑時(shí)，將會(huì)引起連續(xù)管的永久性彎曲，俗稱死彎。超過連續(xù)管抗拉極限的拉伸頸縮性變形、超過抗壓極限的壓癟或擠壓現(xiàn)象等均屬于張力過載失效的范圍。由于連續(xù)管在作業(yè)完成后很少進(jìn)行防銹處理，因而腐蝕現(xiàn)象較為嚴(yán)重，特別是連續(xù)油管內(nèi)外表面極易銹蝕，使其工作壽命大大縮短。此外，下井前對(duì)連續(xù)管檢驗(yàn)不嚴(yán)、連續(xù)管作業(yè)前如果對(duì)井下情況不了解或井下有落物等，都會(huì)導(dǎo)致連續(xù)管作業(yè)過程出現(xiàn)意想不到的失效，如井下落物對(duì)連續(xù)管表面的磨損和劃痕、井下落物將連續(xù)管堵塞或卡住，都會(huì)導(dǎo)致連續(xù)管在作業(yè)過程中卡斷等［20］。

3.3 機(jī)械損失

引起連續(xù)管表面機(jī)械損傷的主要原因如下：①注入頭夾緊咬傷連續(xù)管。注入頭對(duì)連續(xù)管夾持不緊，會(huì)造成連續(xù)管打滑，不能順利完成注入作業(yè)，反之，如果夾持過緊，又容易造成管體表面咬傷，如作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)有相當(dāng)一部分連續(xù)管表面有咬傷痕跡。②連續(xù)管在運(yùn)輸途中表面碰傷，在清蠟作業(yè)中受到落入井下刮蠟器的劃傷。引起機(jī)械表面損傷形式有砂眼、凹坑、劃痕或犁痕、針孔、皺折、癟脹等［21］。

3.4 疲勞失效

對(duì)于常規(guī)的連續(xù)管作業(yè)過程，連續(xù)管起出和下入井內(nèi)時(shí)都包含3個(gè)拉直－彎曲－拉直變形過程：①連續(xù)管通過注入頭牽引拉離滾筒，滾筒液壓馬達(dá)施加一定的反向拉力將油管拉直，這是最基本的一次彎曲－拉直變形。②當(dāng)連續(xù)管進(jìn)入導(dǎo)向架時(shí)，連續(xù)管沿導(dǎo)向架圓弧發(fā)生彎曲變形。③通過導(dǎo)向架后進(jìn)入牽引鏈條總成，連續(xù)管重新被拉直。因此，對(duì)于一次完整的起下作業(yè)，總共包含了3個(gè)拉直－彎曲－拉直變形。從起下作業(yè)過程可知，連續(xù)管每次卷繞和釋放都會(huì)產(chǎn)生較大的塑性變形。相關(guān)研究表明，63%的疲勞失效出現(xiàn)在起下作業(yè)的11～50個(gè)應(yīng)變循環(huán)［22～24］。

3.5 腐蝕沖蝕磨損

連續(xù)管在高腐蝕環(huán)境中易產(chǎn)生全面或局部腐蝕，從而降低材料的疲勞極限。其中，點(diǎn)腐蝕也會(huì)導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展及應(yīng)力集中。連續(xù)管存放在滾筒上，在循環(huán)作業(yè)中暴露在空氣和水中，及其可能與其他腐蝕性介質(zhì)一起發(fā)生作用，具有產(chǎn)生高度局部腐蝕的可能（包括間隙腐蝕和點(diǎn)腐蝕）。連續(xù)管在壓裂、沖刷洗井作業(yè)過程中，由于連續(xù)管材料較軟，高壓流體攜帶固體顆粒，很容易對(duì)連續(xù)管產(chǎn)生沖蝕磨損［25］。

4 預(yù)防連續(xù)管失效措施

目前對(duì)預(yù)防和減少連續(xù)管失效的措施研究較少，所以非常有必要研究預(yù)防和減少連續(xù)管失效的措施，現(xiàn)主要從規(guī)范使用方法、防止機(jī)械損失、加大在線監(jiān)測(cè)、提高連續(xù)管使用壽命和使用新工藝和新技術(shù)幾個(gè)方面提出一些預(yù)防措施［26～28］。

4.1 規(guī)范使用方法

為正確使用連續(xù)管，國(guó)外制定了相關(guān)的使用標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)近年來(lái)也認(rèn)識(shí)到連續(xù)管規(guī)范使用方法的重要性，開展了連續(xù)管使用方法的培訓(xùn)，通過考核合格者頒發(fā)上崗證，如在2015年春季中石油集團(tuán)公司舉辦了連續(xù)管操作相關(guān)培訓(xùn)，通過理論和實(shí)踐相結(jié)合的方法對(duì)學(xué)員進(jìn)行了培訓(xùn)，考核合格者頒發(fā)合格證。連續(xù)管在使用過程中，只有持操作證者才可以在現(xiàn)場(chǎng)操作連續(xù)管。此外，國(guó)內(nèi)也在積極制定一些連續(xù)管正確使用的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，通過規(guī)范使用來(lái)減少連續(xù)管失效幾率。

4.2 防止機(jī)械損傷

連續(xù)管在注入頭夾持塊的作用下作業(yè)，夾持塊的夾持力大小直接關(guān)系到能否夾緊連續(xù)管或者夾傷連續(xù)管。如在礁石壩頁(yè)巖氣“井工廠”多口井同步連續(xù)管使用過程中發(fā)現(xiàn)，部分夾持塊對(duì)連續(xù)管夾傷嚴(yán)重，尤其是夾持塊對(duì)連續(xù)管夾不緊，連續(xù)管在夾持塊內(nèi)滑移造成連續(xù)管刮傷。為減少上述機(jī)械損失的發(fā)生，非常有必要開展夾持塊與連續(xù)管損傷力學(xué)行為研究。連續(xù)管在運(yùn)輸過程及井下作用過程也容易產(chǎn)生機(jī)械損傷，建議在使用過程盡量規(guī)范操作，減少和避免不必要的機(jī)械損傷［29］。

4.3 加大在線監(jiān)測(cè)

由于制造、后期使用等原因，很容易引起連續(xù)管含缺陷，而含缺陷連續(xù)管需要正常服役，但是含缺陷連續(xù)管在極限耦合載荷作用下很容易引起連續(xù)管失效。雖然連續(xù)管在使用過程進(jìn)行了在線監(jiān)測(cè)，但是目前在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)沒有考慮連續(xù)管含凹坑、裂紋等因素，而這些因素極易引起連續(xù)管失效。建議在后期研究缺陷參數(shù)對(duì)連續(xù)管疲勞壽命的影響，以此建立含缺陷連續(xù)管疲勞壽命模型，并在現(xiàn)有在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中推廣應(yīng)用該模型，使得監(jiān)測(cè)結(jié)果更加準(zhǔn)確。

4.4 使用新工藝和新技術(shù)

目前，為提高連續(xù)管管體的使用壽命，提出了使用復(fù)合管、異徑管等新結(jié)構(gòu)的連續(xù)管。也有相關(guān)企業(yè)和研究單位嘗試使用新材料研制連續(xù)管。為減少連續(xù)管在水平井中的使用摩阻，防止屈曲及“自鎖”，延伸連續(xù)管下入長(zhǎng)度，在礁石壩等區(qū)塊使用水力振蕩器等新型工具，有效減少了連續(xù)管下入摩阻，防止連續(xù)管自鎖。建議在后期研究中，不斷探索和使用新技術(shù)和新工藝，進(jìn)而有效提高連續(xù)管使用壽命［30］。

5 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

通過對(duì)連續(xù)管使用情況及失效情況調(diào)研，分析連續(xù)管管體失效原因，回顧國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，根據(jù)連續(xù)管使用工況，給出了預(yù)防連續(xù)管失效的措施。

1）根據(jù)連續(xù)管失效統(tǒng)計(jì)結(jié)果，得出機(jī)械損傷是引起連續(xù)管失效的主要形式，其失效率達(dá)到了35%，且機(jī)械損傷易引起連續(xù)管發(fā)生折斷、刺穿、壓扁、拉斷等破壞性失效。

2）通過分析連續(xù)管的缺陷類型和缺陷形貌，以及連續(xù)管的作業(yè)環(huán)境及作業(yè)過程的受力情況，總結(jié)分析造成連續(xù)管管體失效的原因主要包括連續(xù)管本身性能、人為誤操作、機(jī)械損失、疲勞失效、腐蝕沖蝕磨損。

3）針對(duì)目前預(yù)防和減少連續(xù)管失效措施較少的情況，提出規(guī)范使用方法、防止機(jī)械損失、加大在線監(jiān)測(cè)、提高連續(xù)管使用壽命和使用新工藝和新技術(shù)等預(yù)防和減少連續(xù)管失效的措施。

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