頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)中連續(xù)油管管體失效的原因分析及對(duì)策

方福君，蔣濤，王國(guó)峰，田軍，張曉亮，譚文波，鄒先雄

1.中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司 井下作業(yè)公司（四川 成都 610213）；

2.中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司 長(zhǎng)慶井下技術(shù)作業(yè)公司（陜西 咸陽(yáng) 712000）

3.中國(guó)石油集團(tuán)西部鉆探工程有限公司 試油公司（新疆 克拉瑪依 834000）

4.中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司 井下作業(yè)公司（四川 成都 610052）

0 引言

連續(xù)油管具有帶壓作業(yè)、連續(xù)起下、設(shè)備靈活和作業(yè)周期短的特點(diǎn)，故在油氣開(kāi)發(fā)中具有顯著的優(yōu)越性和多功能性。但因服役環(huán)境惡劣，受力條件苛刻，產(chǎn)生了復(fù)雜、多樣的連續(xù)油管失效問(wèn)題[1]。因此，針對(duì)連續(xù)油管管體失效的研究一直是行業(yè)內(nèi)學(xué)者研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。以往的研究主要集中于連續(xù)油管低周疲勞方面，但在實(shí)際中因工況惡劣或新出現(xiàn)的因素導(dǎo)致連續(xù)油管管體失效的事故不斷增加，而國(guó)內(nèi)對(duì)此缺乏相關(guān)的研究和報(bào)道，故針對(duì)這些因素的研究顯得十分重要和迫切。

目前我國(guó)頁(yè)巖氣的開(kāi)發(fā)技術(shù)雖主要借鑒于美國(guó)，但仍具有自身特點(diǎn)。我國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)主要集中在川渝地區(qū)，故將主要探討在川渝頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)中服務(wù)的連續(xù)油管管體失效原因并提出相應(yīng)對(duì)策，以期提高連續(xù)油管在我國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的效率和安全性。

近年來(lái)隨著技術(shù)的發(fā)展和研究的深入，國(guó)產(chǎn)連續(xù)油管設(shè)備有了很大進(jìn)步,具有質(zhì)量好、性?xún)r(jià)比高、個(gè)性化、操作培訓(xùn)服務(wù)和售后服務(wù)好等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。現(xiàn)川渝頁(yè)巖氣區(qū)塊85%以上使用的是國(guó)產(chǎn)連續(xù)油管設(shè)備，但川渝地區(qū)地形多屬于丘陵山地，所開(kāi)發(fā)的頁(yè)巖氣井普遍較深，需管徑更大、長(zhǎng)度更長(zhǎng)的連續(xù)油管配置。但受現(xiàn)有川渝地區(qū)道路條件制約，此類(lèi)型連續(xù)油管配置無(wú)法常規(guī)運(yùn)用。

1 頁(yè)巖氣連續(xù)油管施工數(shù)據(jù)分析

1.1 連續(xù)油管報(bào)廢的主要原因

對(duì)近3年服務(wù)于川渝地區(qū)的頁(yè)巖氣連續(xù)油管使用情況進(jìn)行跟蹤統(tǒng)計(jì)，結(jié)果顯示：80%以上為國(guó)產(chǎn)CT110 變壁厚連續(xù)油管。報(bào)廢的主要原因?yàn)椋浩谶^(guò)高（82.9%）、劃痕（2.45%）、表面凹坑（2.45%）、連續(xù)油管突然失效斷裂（7.31%）和穿孔（4.89%）。另外，因疲勞過(guò)高而主動(dòng)停用報(bào)廢的連續(xù)油管按起下井次數(shù)平均為45次，說(shuō)明連續(xù)油管整體使用效率不高。因此，積極尋找過(guò)早疲勞或損傷原因?qū)χ贫ü荏w失效對(duì)策具有重要作用。

1.2 連續(xù)油管分工藝入井頻率

現(xiàn)階段我國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)中連續(xù)油管主要開(kāi)展的工藝包括鉆磨橋塞、傳輸射孔、通掛洗井、打撈、下橋塞和測(cè)井等。對(duì)連續(xù)油管按照起入井次數(shù)統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn)，鉆磨工藝和傳輸射孔2 項(xiàng)共占總起入井次數(shù)的54%。因此，研究這2 種工藝施工對(duì)連續(xù)油管不利的影響以及分析連續(xù)油管在頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)中管體失效的原因具有代表意義。

2 連續(xù)油管管體失效的原因分析

分析現(xiàn)階段川渝頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)中服務(wù)連續(xù)油管失效的原因，發(fā)現(xiàn)主要有以下幾方面：

1）頻繁短距離起下。在連續(xù)油管鉆磨工藝中，探塞、螺桿馬達(dá)失速停轉(zhuǎn)等都需上提鉆具重新開(kāi)始鉆磨，遇卡時(shí)則需下壓或上提來(lái)活動(dòng)管柱，或連續(xù)油管螺旋鎖定時(shí)需短距離上提。以上情況均可導(dǎo)致連續(xù)油管頻繁短距離起下，在注入頭與滾筒之間進(jìn)行反復(fù)彎曲和整直，從而造成連續(xù)油管局部低周疲勞過(guò)高，最終降低連續(xù)油管整體的使用壽命。

2）高內(nèi)壓。連續(xù)油管在鉆磨橋塞的施工中井口壓力普遍較高，可相應(yīng)地導(dǎo)致連續(xù)油管內(nèi)的泵注壓力升高，明顯降低其疲勞壽命。在此高內(nèi)壓下，連續(xù)油管在注入頭與滾筒之間反復(fù)彎曲整直，其直徑增長(zhǎng)速率加快、橢圓逐漸增加、壁厚減薄[2]，從而導(dǎo)致連續(xù)油管失效加速，同時(shí)疲勞壽命也會(huì)隨著內(nèi)壓的增大而減小[3]。此外，Richard Hampson 等人發(fā)現(xiàn)連續(xù)油管在50 MPa 及以上的泵注壓力鉆磨21個(gè)橋塞，連續(xù)油管的疲勞壽命降低54%[4]。

3) 連續(xù)油管前端受到?jīng)_擊載荷。由于運(yùn)輸條件的限制，連續(xù)油管在選擇更大管徑時(shí)受到約束，導(dǎo)致連續(xù)油管下入長(zhǎng)水平段時(shí)頻繁出現(xiàn)螺旋鎖定。目前解決此問(wèn)題最常用的方式是使用降助工作液加水力振蕩器[5]，但此方式會(huì)使連續(xù)油管前端受到較為強(qiáng)烈的沖擊載荷。近期，采用連續(xù)油管在線(xiàn)檢測(cè)裝置對(duì)一卷接連執(zhí)行多次傳輸射孔作業(yè)的連續(xù)油管進(jìn)行了缺陷檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)此卷連續(xù)油管前端出現(xiàn)多處嚴(yán)重缺陷，損傷明顯高于其他部位，再次驗(yàn)證了沖擊載荷會(huì)對(duì)連續(xù)油管產(chǎn)生較大的損傷。

4）共振造成機(jī)械損傷。學(xué)者Padron 和Craig 發(fā)現(xiàn)犁構(gòu)形損傷缺陷占所有機(jī)械損傷缺陷的46%[6]。施工過(guò)程中即使注入頭對(duì)連續(xù)油管的夾持正常，如出現(xiàn)連續(xù)油管共振，夾持塊與連續(xù)油管也極有可能會(huì)出現(xiàn)相對(duì)的滑動(dòng)位移，此時(shí)顆粒狀異物就會(huì)刮傷連續(xù)油管表面，留下塑性瘤，隨著滑動(dòng)位移的持續(xù)，塑性瘤也隨之長(zhǎng)大形成犁構(gòu)形損傷導(dǎo)致嚴(yán)重的應(yīng)力集中，進(jìn)一步加劇連續(xù)油管的疲勞，造成管體突然失效[7-8]。

5）沖蝕。連續(xù)油管因?yàn)楹傲黧w的沖蝕造成管體局部的損傷和穿孔現(xiàn)象在施工中常常出現(xiàn)(圖1)，研究顯示造成此損傷的程度和流體的速度、方向以及含砂量有關(guān)[9]。近年來(lái)沖蝕造成連續(xù)油管管體失效的情況呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，故應(yīng)加強(qiáng)對(duì)其磨損原因及預(yù)防機(jī)制的研究。

圖1 連續(xù)油管受沖蝕造成的損傷缺陷圖

6）微生物腐蝕。2013 年加拿大一家公司連續(xù)出現(xiàn)多次使用時(shí)間較短的連續(xù)油管發(fā)生突然失效的情況，且均發(fā)生在同一地理區(qū)域。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)連續(xù)油管焊縫填充材料首先受到腐蝕，本體材料內(nèi)部也受到腐蝕，同時(shí)壓裂返排液存在有害的產(chǎn)酸菌和硫酸鹽還原菌，提示存在MIC。經(jīng)對(duì)壓裂返排液進(jìn)行殺菌處理后，該區(qū)域連續(xù)油管突然失效的情況得到了抑制[10]，說(shuō)明MIC 會(huì)導(dǎo)致連續(xù)油管管體失效。近年來(lái)國(guó)外學(xué)者對(duì)連續(xù)油管MIC問(wèn)題進(jìn)行了深入探討[11-12]，但國(guó)內(nèi)尚未見(jiàn)有關(guān)報(bào)道。因此需進(jìn)一步探討我國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)中連續(xù)油管存在的MIC 問(wèn)題，以避免管體突然失效的發(fā)生。

7）過(guò)早疲勞失效。國(guó)外研究顯示[13]，CT100 等級(jí)及以上的連續(xù)油管相對(duì)于連續(xù)油管本體的疲勞壽命而言，其斜焊縫的疲勞壽命受應(yīng)變程度影響更大。一般在高應(yīng)變條件下，斜焊縫處的疲勞壽命約為本體部分疲勞壽命的60%，而在低應(yīng)變調(diào)節(jié)下，斜焊縫處的疲勞性能又接近于本體部分。但現(xiàn)階段對(duì)國(guó)產(chǎn)高強(qiáng)度連續(xù)油管在高應(yīng)變條件下斜焊縫處疲勞壽命的降低程度還缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。

3 解決方案

3.1 改進(jìn)連續(xù)油管施工工藝和設(shè)備

事實(shí)上，在連續(xù)油管施工中不可能完全避免短距離反復(fù)起下問(wèn)題，但通過(guò)以下方法可減少連續(xù)油管在某一區(qū)域出現(xiàn)過(guò)高的彎曲次數(shù)：①改進(jìn)連續(xù)油管施工工藝，提高作業(yè)效率，盡量減少不必要的短距離起下；②加強(qiáng)連續(xù)油管的疲勞管理，有計(jì)劃地避免在同一區(qū)域多次反復(fù)起下，尤其要注意避免在連續(xù)油管斜焊縫部位出現(xiàn)反復(fù)起下；③作為遠(yuǎn)景應(yīng)對(duì)措施，需對(duì)連續(xù)油管設(shè)備作出較大改進(jìn)。例如Wei Zhou 等人設(shè)計(jì)出一種連續(xù)油管短程控制裝置[14]。此裝置（圖2）可使連續(xù)油管疲勞損傷減小50%。雖然目前此方法未在實(shí)際施工中推廣使用，但為解決連續(xù)油管短距離反復(fù)起下問(wèn)題提供了一種新思路。

圖2 Wei Zhou等人設(shè)計(jì)的連續(xù)油管短程控制裝置示意圖

3.2 優(yōu)化工作液的性能，減少高內(nèi)壓條件下反復(fù)彎曲

針對(duì)高壓力施工在尚不能提高連續(xù)油管管徑的情況下，現(xiàn)階段最佳對(duì)策是優(yōu)化連續(xù)油管工作液的性能，減低摩阻壓力，從而降低泵注壓力。此外，目前常規(guī)采用的高強(qiáng)度連續(xù)油管雖具有較高的抗內(nèi)外壓能力，但在高內(nèi)壓下連續(xù)油管反復(fù)彎曲極易出現(xiàn)疲勞與變形，因此在高內(nèi)壓下施工時(shí)一定要注意避免連續(xù)油管無(wú)效的反復(fù)彎曲。如四川威遠(yuǎn)頁(yè)巖氣區(qū)塊一口井連續(xù)油管鉆磨橋塞施工的循環(huán)。連續(xù)油管在入井4 000 m 進(jìn)尺非常緩慢，最高循環(huán)壓力已經(jīng)超過(guò)47 MPa，通過(guò)及時(shí)優(yōu)化調(diào)整工作液性能，有效降低摩阻壓力，循環(huán)壓力控制到37 MPa 左右，對(duì)連續(xù)油管的損傷有較大幅度的減輕。

3.3 加強(qiáng)連續(xù)油管的損傷管理

水力振蕩器的震動(dòng)是解決連續(xù)油管螺旋鎖定最有效的方式，而連續(xù)油管傳輸射孔技術(shù)具有井況適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。此2種工況形成的沖擊載荷對(duì)于管體的損傷主要集中在連續(xù)油管前端，因此應(yīng)加強(qiáng)連續(xù)油管前端的損傷管理。而對(duì)于連續(xù)油管因震動(dòng)出現(xiàn)的疲勞損傷，最佳控制手段是對(duì)前端受到損傷的連續(xù)油管進(jìn)行有計(jì)劃的切除。通過(guò)以上措施，輔以頻繁對(duì)連續(xù)油管傳輸射孔和水力振蕩器進(jìn)行連續(xù)在線(xiàn)檢測(cè)，使其缺陷峰值點(diǎn)明顯減低和分散，目前連續(xù)油管前端失效的案例已少有發(fā)生。

此外，針對(duì)管體共振造成機(jī)械損傷，一方面可限制連續(xù)油管的起下速度，并在起下時(shí)避免恒定速度以減少共振的發(fā)生概率；另一方面可加強(qiáng)對(duì)注入頭夾持塊的檢查，避免因硬度較高的顆粒狀異物在夾持塊上附著造成連續(xù)油管的損傷。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)犁構(gòu)形損傷缺陷占機(jī)械損傷缺陷由原來(lái)的42%減少到17%，效果顯著。

3.4 努力減少?zèng)_蝕磨損

含砂流體對(duì)于連續(xù)油管形成沖蝕損傷與流體的速度、方向和含砂量均有關(guān)。因連續(xù)油管油套環(huán)空橫截面積與沖蝕速率呈負(fù)相關(guān)，故可增大環(huán)空橫截面積以減小沖蝕磨損，還可根據(jù)施工需要選擇合適的連續(xù)油管管徑,從而得到合適的油套環(huán)空橫截面積。同時(shí)，選擇合理的施工參數(shù)(流量、含砂量)也可有效地減小對(duì)連續(xù)油管外壁的沖蝕磨損[10]。

3.5 預(yù)防MIC

雖然國(guó)內(nèi)針對(duì)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)中連續(xù)油管是否存在MIC 問(wèn)題還缺乏相關(guān)研究和報(bào)道，但國(guó)外的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)卻具有重要借鑒意義。因此有必要對(duì)頁(yè)巖氣區(qū)域內(nèi)連續(xù)油管工作液進(jìn)行產(chǎn)酸菌和硫酸鹽還原菌篩查，并對(duì)添加了壓裂反排液的連續(xù)油管工作液進(jìn)行預(yù)防性添加殺菌劑處理，以避免連續(xù)油管受到MIC而導(dǎo)致管體突然失效帶來(lái)的重大安全風(fēng)險(xiǎn)。

3.6 加強(qiáng)連續(xù)油管斜焊縫的疲勞管理

現(xiàn)階段對(duì)國(guó)產(chǎn)高強(qiáng)度連續(xù)油管在高應(yīng)變條件下斜焊縫處的疲勞壽命降低程度還缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，應(yīng)加強(qiáng)連續(xù)油管斜焊縫的疲勞管理，在施工中尤其是在高壓情況下盡量回避在連續(xù)油管斜焊縫位置頻繁起下；同時(shí)在連續(xù)油管疲勞監(jiān)測(cè)時(shí)對(duì)處于高應(yīng)變條件的高強(qiáng)度連續(xù)油管斜焊縫處的疲勞壽命取值須相對(duì)保守，以避免在斜焊縫處管體突然失效。

采用以上解決方案后，對(duì)最近半年連續(xù)油管使用數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果顯示：連續(xù)油管突然失效的案例呈明顯下降趨勢(shì)，尤其是連續(xù)油管前端突然失效的案例再未發(fā)生；而主動(dòng)停用報(bào)廢的連續(xù)油管起下井平均次數(shù)由45次上升到51次，增加了13%[16]。

4 結(jié)論及建議

引起連續(xù)油管在頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)中管體失效的原因較多，其中最主要的原因是高內(nèi)壓條件下頻繁短距離起下造成連續(xù)油管的局部疲勞過(guò)高，從而導(dǎo)致整盤(pán)連續(xù)油管使用壽命降低。為此，提出以下幾點(diǎn)建議：

1）大力發(fā)展連續(xù)油管在線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用。連續(xù)油管在線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)在施工現(xiàn)場(chǎng)能對(duì)連續(xù)油管的缺陷、壁厚、直徑以及橢圓度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，若利用此技術(shù)對(duì)缺陷進(jìn)行跟蹤對(duì)比分析，將對(duì)研究連續(xù)油管缺陷及疲勞壽命影響因素具有積極意義和推動(dòng)作用。

2）持續(xù)改進(jìn)連續(xù)油管設(shè)備。頻繁的短距離起下對(duì)連續(xù)油管的壽命影響較大，若在此基礎(chǔ)上進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)，將有助于提高連續(xù)油管使用壽命。

3) 提高連續(xù)油管修復(fù)技術(shù)以及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用水平。連續(xù)油管在使用過(guò)程中由于作業(yè)環(huán)境惡劣極易出現(xiàn)各種損傷，但大部分損傷可以被修復(fù)，故及時(shí)發(fā)現(xiàn)連續(xù)油管的損傷并積極采取有效的修復(fù)措施顯得十分重要。