页岩气开发中连续油管管体失效的原因分析及对策

方福君，蒋涛，王国峰，田军，张晓亮，谭文波，邹先雄

1.中国石油集团川庆钻探工程有限公司 井下作业公司（四川 成都 610213）；

2.中国石油集团川庆钻探工程有限公司 长庆井下技术作业公司（陕西 咸阳 712000）

3.中国石油集团西部钻探工程有限公司 试油公司（新疆 克拉玛依 834000）

4.中国石油集团川庆钻探工程有限公司 井下作业公司（四川 成都 610052）

0 引言

连续油管具有带压作业、连续起下、设备灵活和作业周期短的特点，故在油气开发中具有显著的优越性和多功能性。但因服役环境恶劣，受力条件苛刻，产生了复杂、多样的连续油管失效问题[1]。因此，针对连续油管管体失效的研究一直是行业内学者研究的重点和热点。以往的研究主要集中于连续油管低周疲劳方面，但在实际中因工况恶劣或新出现的因素导致连续油管管体失效的事故不断增加，而国内对此缺乏相关的研究和报道，故针对这些因素的研究显得十分重要和迫切。

目前我国页岩气的开发技术虽主要借鉴于美国，但仍具有自身特点。我国页岩气开发主要集中在川渝地区，故将主要探讨在川渝页岩气开发中服务的连续油管管体失效原因并提出相应对策，以期提高连续油管在我国页岩气开发的效率和安全性。

近年来随着技术的发展和研究的深入，国产连续油管设备有了很大进步,具有质量好、性价比高、个性化、操作培训服务和售后服务好等优点，在国内市场占绝对优势。现川渝页岩气区块85%以上使用的是国产连续油管设备，但川渝地区地形多属于丘陵山地，所开发的页岩气井普遍较深，需管径更大、长度更长的连续油管配置。但受现有川渝地区道路条件制约，此类型连续油管配置无法常规运用。

1 页岩气连续油管施工数据分析

1.1 连续油管报废的主要原因

对近3年服务于川渝地区的页岩气连续油管使用情况进行跟踪统计，结果显示：80%以上为国产CT110 变壁厚连续油管。报废的主要原因为：疲劳过高（82.9%）、划痕（2.45%）、表面凹坑（2.45%）、连续油管突然失效断裂（7.31%）和穿孔（4.89%）。另外，因疲劳过高而主动停用报废的连续油管按起下井次数平均为45次，说明连续油管整体使用效率不高。因此，积极寻找过早疲劳或损伤原因对制定管体失效对策具有重要作用。

1.2 连续油管分工艺入井频率

现阶段我国页岩气开发中连续油管主要开展的工艺包括钻磨桥塞、传输射孔、通挂洗井、打捞、下桥塞和测井等。对连续油管按照起入井次数统计后发现，钻磨工艺和传输射孔2 项共占总起入井次数的54%。因此，研究这2 种工艺施工对连续油管不利的影响以及分析连续油管在页岩气开发中管体失效的原因具有代表意义。

2 连续油管管体失效的原因分析

分析现阶段川渝页岩气开发中服务连续油管失效的原因，发现主要有以下几方面：

1）频繁短距离起下。在连续油管钻磨工艺中，探塞、螺杆马达失速停转等都需上提钻具重新开始钻磨，遇卡时则需下压或上提来活动管柱，或连续油管螺旋锁定时需短距离上提。以上情况均可导致连续油管频繁短距离起下，在注入头与滚筒之间进行反复弯曲和整直，从而造成连续油管局部低周疲劳过高，最终降低连续油管整体的使用寿命。

2）高内压。连续油管在钻磨桥塞的施工中井口压力普遍较高，可相应地导致连续油管内的泵注压力升高，明显降低其疲劳寿命。在此高内压下，连续油管在注入头与滚筒之间反复弯曲整直，其直径增长速率加快、椭圆逐渐增加、壁厚减薄[2]，从而导致连续油管失效加速，同时疲劳寿命也会随着内压的增大而减小[3]。此外，Richard Hampson 等人发现连续油管在50 MPa 及以上的泵注压力钻磨21个桥塞，连续油管的疲劳寿命降低54%[4]。

3) 连续油管前端受到冲击载荷。由于运输条件的限制，连续油管在选择更大管径时受到约束，导致连续油管下入长水平段时频繁出现螺旋锁定。目前解决此问题最常用的方式是使用降助工作液加水力振荡器[5]，但此方式会使连续油管前端受到较为强烈的冲击载荷。近期，采用连续油管在线检测装置对一卷接连执行多次传输射孔作业的连续油管进行了缺陷检测，发现此卷连续油管前端出现多处严重缺陷，损伤明显高于其他部位，再次验证了冲击载荷会对连续油管产生较大的损伤。

4）共振造成机械损伤。学者Padron 和Craig 发现犁构形损伤缺陷占所有机械损伤缺陷的46%[6]。施工过程中即使注入头对连续油管的夹持正常，如出现连续油管共振，夹持块与连续油管也极有可能会出现相对的滑动位移，此时颗粒状异物就会刮伤连续油管表面，留下塑性瘤，随着滑动位移的持续，塑性瘤也随之长大形成犁构形损伤导致严重的应力集中，进一步加剧连续油管的疲劳，造成管体突然失效[7-8]。

5）冲蚀。连续油管因为含砂流体的冲蚀造成管体局部的损伤和穿孔现象在施工中常常出现(图1)，研究显示造成此损伤的程度和流体的速度、方向以及含砂量有关[9]。近年来冲蚀造成连续油管管体失效的情况呈现上升趋势，故应加强对其磨损原因及预防机制的研究。

图1 连续油管受冲蚀造成的损伤缺陷图

6）微生物腐蚀。2013 年加拿大一家公司连续出现多次使用时间较短的连续油管发生突然失效的情况，且均发生在同一地理区域。经检查发现连续油管焊缝填充材料首先受到腐蚀，本体材料内部也受到腐蚀，同时压裂返排液存在有害的产酸菌和硫酸盐还原菌，提示存在MIC。经对压裂返排液进行杀菌处理后，该区域连续油管突然失效的情况得到了抑制[10]，说明MIC 会导致连续油管管体失效。近年来国外学者对连续油管MIC问题进行了深入探讨[11-12]，但国内尚未见有关报道。因此需进一步探讨我国页岩气开发中连续油管存在的MIC 问题，以避免管体突然失效的发生。

7）过早疲劳失效。国外研究显示[13]，CT100 等级及以上的连续油管相对于连续油管本体的疲劳寿命而言，其斜焊缝的疲劳寿命受应变程度影响更大。一般在高应变条件下，斜焊缝处的疲劳寿命约为本体部分疲劳寿命的60%，而在低应变调节下，斜焊缝处的疲劳性能又接近于本体部分。但现阶段对国产高强度连续油管在高应变条件下斜焊缝处疲劳寿命的降低程度还缺乏实验数据支撑。

3 解决方案

3.1 改进连续油管施工工艺和设备

事实上，在连续油管施工中不可能完全避免短距离反复起下问题，但通过以下方法可减少连续油管在某一区域出现过高的弯曲次数：①改进连续油管施工工艺，提高作业效率，尽量减少不必要的短距离起下；②加强连续油管的疲劳管理，有计划地避免在同一区域多次反复起下，尤其要注意避免在连续油管斜焊缝部位出现反复起下；③作为远景应对措施，需对连续油管设备作出较大改进。例如Wei Zhou 等人设计出一种连续油管短程控制装置[14]。此装置（图2）可使连续油管疲劳损伤减小50%。虽然目前此方法未在实际施工中推广使用，但为解决连续油管短距离反复起下问题提供了一种新思路。

图2 Wei Zhou等人设计的连续油管短程控制装置示意图

3.2 优化工作液的性能，减少高内压条件下反复弯曲

针对高压力施工在尚不能提高连续油管管径的情况下，现阶段最佳对策是优化连续油管工作液的性能，减低摩阻压力，从而降低泵注压力。此外，目前常规采用的高强度连续油管虽具有较高的抗内外压能力，但在高内压下连续油管反复弯曲极易出现疲劳与变形，因此在高内压下施工时一定要注意避免连续油管无效的反复弯曲。如四川威远页岩气区块一口井连续油管钻磨桥塞施工的循环。连续油管在入井4 000 m 进尺非常缓慢，最高循环压力已经超过47 MPa，通过及时优化调整工作液性能，有效降低摩阻压力，循环压力控制到37 MPa 左右，对连续油管的损伤有较大幅度的减轻。

3.3 加强连续油管的损伤管理

水力振荡器的震动是解决连续油管螺旋锁定最有效的方式，而连续油管传输射孔技术具有井况适应性强的优势。此2种工况形成的冲击载荷对于管体的损伤主要集中在连续油管前端，因此应加强连续油管前端的损伤管理。而对于连续油管因震动出现的疲劳损伤，最佳控制手段是对前端受到损伤的连续油管进行有计划的切除。通过以上措施，辅以频繁对连续油管传输射孔和水力振荡器进行连续在线检测，使其缺陷峰值点明显减低和分散，目前连续油管前端失效的案例已少有发生。

此外，针对管体共振造成机械损伤，一方面可限制连续油管的起下速度，并在起下时避免恒定速度以减少共振的发生概率；另一方面可加强对注入头夹持块的检查，避免因硬度较高的颗粒状异物在夹持块上附着造成连续油管的损伤。统计发现犁构形损伤缺陷占机械损伤缺陷由原来的42%减少到17%，效果显著。

3.4 努力减少冲蚀磨损

含砂流体对于连续油管形成冲蚀损伤与流体的速度、方向和含砂量均有关。因连续油管油套环空横截面积与冲蚀速率呈负相关，故可增大环空横截面积以减小冲蚀磨损，还可根据施工需要选择合适的连续油管管径,从而得到合适的油套环空横截面积。同时，选择合理的施工参数(流量、含砂量)也可有效地减小对连续油管外壁的冲蚀磨损[10]。

3.5 预防MIC

虽然国内针对页岩气开发中连续油管是否存在MIC 问题还缺乏相关研究和报道，但国外的相关经验却具有重要借鉴意义。因此有必要对页岩气区域内连续油管工作液进行产酸菌和硫酸盐还原菌筛查，并对添加了压裂反排液的连续油管工作液进行预防性添加杀菌剂处理，以避免连续油管受到MIC而导致管体突然失效带来的重大安全风险。

3.6 加强连续油管斜焊缝的疲劳管理

现阶段对国产高强度连续油管在高应变条件下斜焊缝处的疲劳寿命降低程度还缺乏实验数据支撑，应加强连续油管斜焊缝的疲劳管理，在施工中尤其是在高压情况下尽量回避在连续油管斜焊缝位置频繁起下；同时在连续油管疲劳监测时对处于高应变条件的高强度连续油管斜焊缝处的疲劳寿命取值须相对保守，以避免在斜焊缝处管体突然失效。

采用以上解决方案后，对最近半年连续油管使用数据进行统计，结果显示：连续油管突然失效的案例呈明显下降趋势，尤其是连续油管前端突然失效的案例再未发生；而主动停用报废的连续油管起下井平均次数由45次上升到51次，增加了13%[16]。

4 结论及建议

引起连续油管在页岩气开发中管体失效的原因较多，其中最主要的原因是高内压条件下频繁短距离起下造成连续油管的局部疲劳过高，从而导致整盘连续油管使用寿命降低。为此，提出以下几点建议：

1）大力发展连续油管在线检测技术在现场的应用。连续油管在线检测技术在施工现场能对连续油管的缺陷、壁厚、直径以及椭圆度进行实时检测，若利用此技术对缺陷进行跟踪对比分析，将对研究连续油管缺陷及疲劳寿命影响因素具有积极意义和推动作用。

2）持续改进连续油管设备。频繁的短距离起下对连续油管的寿命影响较大，若在此基础上进行持续改进，将有助于提高连续油管使用寿命。

3) 提高连续油管修复技术以及现场应用水平。连续油管在使用过程中由于作业环境恶劣极易出现各种损伤，但大部分损伤可以被修复，故及时发现连续油管的损伤并积极采取有效的修复措施显得十分重要。