连续油管发展现状与趋势

0 前 言

连续油管又称挠性油管或盘管， 是通过连续成型焊接工艺制成的无螺纹接头管， 常规外径为25.4～88.9 mm， 单根长度可达几千至上万米， 屈服强度可达1 000 MPa。 连续油管具有带压作业、 连续起下的特点， 作业周期短、 成本低， 适用范围广。 近年来， 随着边际油气田的开采， 连续油管已广泛应用于修井、 钻井、 完井、 测井等油气开采的各个环节。 由于需要应对的井况日益复杂， 也相应促进了连续油管的材料及制造技术的快速发展， 使得近年来连续油管在规格、强度等级、 抗疲劳性以及耐蚀性等方面都有很大程度的提高。 随着页岩气等非常规油气、 深层和海上油气等资源的进一步开发， 连续油管具有很大的发展空间。 本研究回顾了连续油管的发展过程， 重点分析了其未来产品的技术发展趋势。

1 连续油管发展现状

1.1 连续油管的发展及应用

连续油管的最初应用可追溯到二战期间军方的“海底管线” 项目， 其后逐渐向民用过渡。 20世纪50 年代， 连续油管作业的发明专利获批，1962 年连续油管开始应用于石油工业

。 与普通油井管相比， 连续油管无螺纹连接、 安全性高、操作灵活便捷且成本低， 在油气作业领域的优势显著。 进入21 世纪以来， 连续油管产品及配套技术得到了快速发展， 已被广泛应用于油气田的修井、 钻井、 完井、 洗井等一系列作业， 贯穿油气开采的全过程。

连续油管作业机 （coiled tubing unit, CTU）是连续油管作业的主要设备

， CTU 数量在很大程度上反映了连续油管的市场需求状况，1999—2018 年期间全球CTU 数量的变化如图1所示

， 通过图1 可以看到在1999—2010 年期间CTU 数量呈快速上升趋势， 2010 年之后增速相对放缓， 并有一定波动， 但整体仍呈上升的趋势。 预计从2020—2027 年， 全球连续油管市场规模将保持稳定增长趋势， 复合年均增长率可达到4.8%

， 未来连续油管仍有较大的市场空间。

从应用领域来看， 当前连续油管以陆上应用为主， 2019 年陆上作业的连续油管占据62%的市场份额。 当前全球油气产业中深层油气资源和页岩气等非常规油气资源所占比重日益增大， 以页岩气为代表， 2015 年全球页岩气产量为0.4 万亿m

， 2040 年预计将增长到1.7 万亿m

。与此相关的大位移水平井、 深井、 超深井等复杂井况的射孔、 钻井等， 以及页岩气井高压压裂、钻磨桥塞等高难度作业场景中， 连续油管的应用更具有不可替代性。 另一方面， 陆上油气储量的成熟也促使运营商对海洋油气资源的进一步探索， 扩大深海和超深海海底的油气生产， 预计从2020 年到2027 年， 全球海上连续油管应用的年均复合增长率最高可达5.6%

。 此外， 随着油气资源的深入开发， 低渗透老油田增产改造、 煤层地下气化等新的应用场景也不断出现， 包括页岩气等非常规油气、 深层油气、 海上油气等的开发， 以及油田老井改造等应用都将进一步推动全球连续油管市场的发展。

1.2 连续油管材料及其制造

连续油管的材料经过了多年的发展， 20 世纪60 年代采用的是普通碳钢， 随着80 年代钢材材质及管材制造技术的进步， 逐渐发展到低碳合金钢、 高耐蚀合金和钛合金钢等合金材料， 并进一步拓展至玻璃纤维、 碳纤维等复合材料。 高耐蚀合金材质的连续油管主要应用于高腐蚀性、 高温高压等特殊作业领域， 但成本高昂。 高强度钛合金钢连续油管、 玻璃纤维和碳纤维复合连续油管虽具有耐疲劳、 耐蚀、 质量轻等特点， 但存在制造难度高、 成本高、 维护保养难等问题

， 难以获得广泛应用。 目前使用最广泛的是高强度低合金钢材质的连续油管， 兼顾了成本及可制造性， 能够满足大部分常规作业需求。

随着油气的进一步开采， 为满足更深、 更长、 更严苛的井下作业环境以及井下作业效率提升的需求， 连续油管的制造工艺逐渐成熟， 相应的规格和强度等级也在不断发展。 在20 世纪60年代初期， 连续油管采用的是管段对焊工艺， 先由钢带辊轧直焊缝的管段， 再将这些管段对焊至所需长度， 原料钢带长度也较短， 对焊焊缝数量多， 导致使用寿命低， 井下失效频发。 到了20 世纪70 年代末， 连续油管制造工艺得到改进， 原料钢带长度从76 m 延长到457 m， 有效减少了对接焊缝数量， 20 世纪80 年代， 原料钢带长度进一步延长至914 m， 对焊焊缝数量减少了近一半， 同时淘汰了管段对焊工序， 转而采用斜焊工艺， 有效提升了连续油管的使用寿命， 制造技术迈入一个新的台阶

。 21 世纪以来， 连续油管的制造工艺已经相对成熟， 现阶段的制造工艺是将钢带按宽度要求裁剪成分条， 采用斜焊工艺将钢带分条对接， 通过挤压辊配合高频感应焊或激光焊的方式进行连续成型焊接， 最后再对焊缝和整管进行热处理。 在现有制造工艺基础上， 连续油管的直径、长度也一直在向着更大尺寸方向发展， 以连续油管应用最为成熟的北美市场为例， 2013 年以来，50 mm 以上较大直径的连续油管应用比例显著上升， 某油服公司对不同时期应用的连续油管直径统计结果如图2 所示

。 从2009 年到2017 年， 北美市场的连续油管最大长度也从约5 800 m 增长至8 500 m， 其发展历程如图3 所示

， 增幅达50%。图4 为连续油管强度等级的发展过程

， 20 世纪60 年代早期， 连续油管强度等级仅345 MPa（50 ksi）， 90 年代中期发展到620 MPa （90 ksi）和690 MPa（100 ksi）， 到2000 年左右的758 MPa（110 ksi）， 连续油管的强度等级不断上升， 2017年已有958 MPa （140 ksi） 强度级别的连续油管，且690 MPa （100 ksi） 以上强度级别的连续油管使用量已接近总使用量的90%。

多媒体教学已经走进了课堂，但是老师所制作的教学课件还是书上的知识点，都是文字，这样跟看书没有任何区别。老师应该合理的运用多媒体进行教学，例如把一个知识点拍成一个小动画，或者讲述成一个小故事，这样来提升学生的学习兴趣。

随着油气田的不断开发， 含高腐蚀性介质（CO

、 Cl

、 H

S）、 高含水率、 高温、 高压的油气井越来越多， 煤层地下气化、 深水天然气水合物、 腐蚀气井完井以及海上油气开采等要求高耐蚀性的应用场景逐渐增多。 图6 为某油服公司对2006 年—2017 年期间连续油管的失效原因进行的统计结果

， 可以看到因腐蚀产生的失效占比较高， 连续油管的失效会增加油田作业的安全隐患以及作业成本， 因此提升连续油管的耐蚀性具有重要意义。

并且可以借用多媒体，让学生明白网络是一个神奇的工具，培养学生利用信息的意识和能力，让学生遇到问题可以自己借助网络的工具去解决问题。

2 连续油管技术发展趋势

随着油气作业的发展及钻井完井等技术的进步， 对深井、 高压井、 水平井的开采力度不断加大， 目前已有深度超过7 000 m 的直井以及长度超过3 000 m 的水平井， 在这种作业环境下常规CT70～CT110 等级的连续油管难以满足服役要求， 并且连续油管的使用寿命和油井作业效率的提高也依赖其强度的进一步提升， 所以更高强度是当前连续油管重要的产品发展方向。 但强度的进一步提升凸显了焊缝的性能瓶颈以及可制造性差等一系列问题， 为应对这些问题， 采用调质工艺生产的连续油管成为一种新的趋势， 相对同钢级的TMCP （thermo mechanical control process）态连续油管具有更优的性能均匀性及抗疲劳性。除此之外， 高腐蚀性、 高温高压等特殊井况也日益增多， 因此对连续油管的耐蚀性要求也在不断提高。

民勤县：石羊河流域重点治理 助推绿洲生态显生机……………………………………………………… 王江文(5.67)

2.1 TMCP 态超高强度连续油管

TMCP 态低合金钢连续油管是当前应用最广泛的产品类型， 其在制管后一般进行简单消应力退火， 因此仍保留钢带的TMCP 态组织。 国内生产应用的TMCP 态连续油管目前以CT70～CT110为主， CT70～CT90 钢级的组织主要为铁素体、珠光体和贝氏体， CT110 以上钢级的组织则以贝氏体为主， 其显微组织形貌如图5 所示。 而对于CT130 等更高强度级别的TMCP 态连续油管， 不仅需要添加更多的合金元素， 原料钢带的稳定制造难度提升， 并且对制管设备工艺以及配套使用设备都提出了更高要求。 国内宝鸡石油钢管有限责任公司已完成国产CT130 连续管产品的下井应用， CT130 变壁厚连续管已实现产品销售。 同时， 该公司已开发出CT140 连续管及CT150 连续管产品， 并通过第三方性能检测， 最高抗拉强度超过1 100 MPa， 目前正在积极开展产品推广应用。 CT150 连续管是当前全球最高钢级的连续油管产品， 该产品的成功开发， 为我国非常规油气资源开发提供了装备保障。

2) 计算b= mbr，a= mar，c= mcr。以φ为自变量，按式(6)和式(7)计算D、E、F、ψ，按式(5)计算x、y，按式(9)和式(10)计算ψ9、ψ、ψ、ψ、μ、μ9，按式(11)计算δ、α，按节6末尾所述方法计算Γm、Λm、Σ m、Tm等。

2.2 调质型连续油管

Tenaris、 NOV Quality Tubing 和 Global Tubing 是北美主要的连续油管制造商。 2015 年Tenaris 率先开发出调质型连续油管产品Blue-Coil

， 目前该系列产品包括HT-95、 HT-110 和HT-125。 Global Tubing 随后在2017 年也推出了调质型连续油管DURACOIL 110 和DURACOIL 130。 NOV Quality Tubing 目前也已有调质型连续油管产品ATP-110、 ATP-120 和ATP-130。国内的连续油管制造商近年来也相继推出了调质型产品， 如杰森能源技术有限公司的RC-110 连续油管， 以及信达科创（唐山） 石油设备有限公司的ST-125T 连续油管。

国外在TMCP 态超高强度连续油管的生产制造以及应用方面较为成熟， 其中北美的连续油管制造商NOV Quality Tubing 在该领域的研发工作处于前列。 2011 年NOV Quality Tubing在常规材料基础上进一步添加Mo 和微合金元素Nb、 V， 使得试制管体的屈服强度达到889 MPa（130 ksi）， 疲劳寿命较常规材料有明显提升，但最初试制管存在斜焊缝软化现象， 屈服强度仅达到855 MPa （125 ksi）， 后通过焊接工艺改进解决了斜焊缝软化问题

， 将热影响区的有害影响大幅降低， 保证斜焊缝的抗疲劳性能。2016 年， NOV Quality Tubing 与ArcelorMittal 合作， 成功试制出强度等级更高的QT-1400 连续油管， 产品屈服强度达到958 MPa （140 ksi），且斜焊缝的疲劳寿命相比模型预测结果高出近50%， 管体疲劳寿命也高出近40%

， 产品已实现规模化的商业应用。

TMCP 态超高强度连续油管的合金成本较高， 从原料钢带生产到制管成型过程的难度均较高， 且制管后一般仅进行简单的消应力退火， 因此焊缝组织与管体存在较大差异， 斜焊缝的疲劳寿命和耐蚀性能相对管体较差， 成为制约连续油管整体性能的关键因素， 现场失效也多发生于此。 因此， 近年来出现了采用调质工艺生产的连续油管产品， 即在常规的制管工艺后通过整管的淬火和回火处理， 大幅改善了组织均匀性， 提高了连续油管的整体耐蚀性能及疲劳寿命。

因此，这种“渐悟”思维形式，主要指的是人们在劳动活动中所积累的经验不同，人们劳动活动领域不同，人们先天遗传禀赋的智力水平不同，人们记忆水平不同，人们领会方式不同，人们思维角度不同，人们反应的速度不同等等，导致人们“悟性”的时间长短亦不同。所谓“渐悟”，就是人们在认识过程或者在沟通、交流、领会过程中，时间长些的“悟性”，也就是在思维过程中，经历了若干环节的长时期的“悟性”。“渐悟”这种思维形式情况，是人类原始祖先们在生存劳动和氏族群体生活中，对“本悟”“体悟”“感悟”“领悟”等思维形式的内容进行的“有效”把握进程。在我们现代日常生活中的表现，应该是常人都经历过的思维形式。

根据实验室测试结果及现场服役表现， 同样钢级的调质型连续油管性能与常规TMCP 态连续油管相比具有明显优势。 在常规测试环境下， 调质型Blue Coil HT-110 连续油管较常规材料连续油管的疲劳寿命延长约30%， 而在酸性高压环境下调质型连续油管的疲劳寿命更是延长近一倍

。在SSC 腐蚀试验中， 常规连续油管的斜焊缝相对管体较早发生失效， 而Blue Coil 调质型连续油管的斜焊缝则表现出与管体相近的抗SSC 性能。 现场实际应用方面， 调质型连续油管在Texas 的Eagle Ford 等页岩油气田成功应用， 实际使用寿命高于常规的连续油管， 最长使用进尺达到670 km， 并且在达到规定使用次数后在实验室继续测试剩余疲劳寿命， 结果显示， 剩余疲劳寿命大幅超过已使用次数

。

美国石油2010 年发布的API SPEC 5ST 《连续油管规范》

是国际首个公开发行的连续油管产品制造标准， 该标准对当前应用最广泛的70～110 ksi 钢级的低合金钢连续油管的主要成分及性能要求分别见表1、 表2

。 国内由宝鸡石油钢管有限责任公司牵头起草的国家标准GB/T 34204 《连续油管》 已由国家标准化管理委员会在2017 年正式发布， 这是我国首个关于连续油管产品的国家标准， 其中增加了CT55、 CT60 两个较低钢级， 并对合金元素范围等内容进一步细化。 但该标准均未涉及更高强度级别以及高耐蚀合金等其他材质或特殊工艺制造的连续油管， 相对于当前连续油管的生产应用已经有所滞后。

2.3 耐腐蚀连续油管

国外大型的连续油管制造商多集中在北美，主要有Tenaris、 NOV Quality Tubing 和Global Tubing， 国内主要的连续油管制造商有宝鸡石油钢管有限责任公司、 杰森能源技术有限公司、 信达科创（唐山） 石油设备有限公司。 当前生产的连续油管材质主要为低合金钢和高耐蚀合金两大类， 强度等级主要集中在752 MPa （110 ksi） 及以下。

连续油管的腐蚀形式有多种， 非酸性环境下主要为电化学腐蚀， 而酸性环境下还存在硫化氢腐蚀

。 常规低合金钢质连续油管合金元素含量低， 耐蚀性能较差， 且随着连续油管强度等级提升， 一般抗疲劳性能上升， 但耐腐蚀性降低。对于CT100 及以上等级的连续油管， 其硬度已经超出了NACE MR0175 标准

规定的抗硫化氢要求 （硬度≤22HRC）， 因而耐蚀性较差， 不能用于含硫化氢环境。 因此， 常规的耐蚀系列的连续油管产品强度等级主要在CT90 及以下， 材质则以高耐蚀合金为主。 与普通低合金钢相比， 高耐蚀合金连续油管添加了较多Cr、 Ni 等易钝化合金元素， 大幅提高了基体的耐蚀性， 具有耐腐蚀、 耐高温、 疲劳寿命长等优势。

高耐蚀合金连续油管的技术难点在于制造工艺复杂， 常规低合金钢连续油管多采用高频感应焊接工艺， 而高耐蚀合金的连续油管通常采用激光焊接。 国外主要的连续油管制造商Tenaris 和Quality Tubing 均已生产出高耐蚀合金系列的连续油管产品， 如HS-80 CRA、 QT16-Cr 等， 其中QT-16Cr 不仅耐腐蚀性能优于同钢级的常规QT-900 连续油管， 疲劳寿命也接近QT-900 的3 倍， 如图7 所示

。

国内宝鸡石油钢管有限责任公司建成高合金连续管生产线， 采用激光焊接， 已开发出2205 双相不锈钢连续管产品和18Cr 不锈钢连续管产品。 不锈钢连续管凭借其良好的塑性、较高的强度、 优异的耐蚀性能以及高疲劳寿命， 应用前景广阔， 其中2205 双相不锈钢连续管已在油田推广应用。

高耐蚀合金系列的连续油管虽具有较好的耐腐蚀性能， 但整体合金及制造成本较高， 一般为碳钢连续油管的3～8 倍

。 因此， 近年来也在研究复合材质的连续油管， 其结构设计一般包括基层和复合层， 具有耐蚀、 质量轻等特点， 适用于低抗疲劳和耐腐蚀的井下环境， 其成本可控制在碳钢连续油管的1.5 倍

， 但制造工艺相对复杂， 生产难度较大。 目前， 宝鸡石油钢管有限责任公司已成功开发出油田地面集输水及集输油用的非金属复合连续管产品，已在油田得到推广应用。

3 结 论

（1） 随着页岩气等非常规油气、 深层和海上油气资源的深入开采， 钢制连续油管的市场前景良好， 并且市场对连续油管的尺寸及性能的要求也在不断提高。

对于电气自动化控制设备，在设计时我们要充分的研究和分析电气自动化控制设备各部件的技术要求、数据参数等信息，确保其设计科学合理性；对于市场上多种多样的元器件，要对其质量的稳定性以及可靠性进行对比，选择质量优、价格合理的零件。

（2） 当前连续油管以TMCP 态高强度低合金钢材质为主， 并有高耐蚀合金、 复合以及调质型等系列产品。 其中高耐蚀合金连续油管特别适用于高腐蚀性井况， 但制造成本高； 对于低抗疲劳要求的高腐蚀性井况， 复合连续油管有望成为更低成本的选择； 调质型连续油管相对常规TMCP态连续油管， 具有更优的抗疲劳性和耐蚀性， 以及很好的发展前景。

（3） 对于连续油管产品未来的技术发展趋势， 尺寸方面将向更大外径和长度的方向发展，性能方面向更高强度、 更优抗疲劳性及耐蚀性方向发展， 并更加关注产品的经济性及可制造性。

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