高强度CT100连续管力学性能研究*

汪海涛，余 晗，常永乐，张国超，马 璇，冯 博

（1.国家石油天然气管材工程技术研究中心，陕西 宝鸡721008；2.宝鸡石油钢管有限责任公司，陕西 宝鸡721008）

高强度CT100连续管力学性能研究*

汪海涛1,2，余 晗1,2，常永乐2，张国超1,2，马 璇1,2，冯 博2

（1.国家石油天然气管材工程技术研究中心，陕西 宝鸡721008；2.宝鸡石油钢管有限责任公司，陕西 宝鸡721008）

为了满足各油田用户对连续管钻井、压裂及深井、超深井开发的需求，突破国外对高强度连续管制造技术的垄断，国家石油天然气管材工程技术研究中心成功研制出首盘国产规格为Φ50.8mm×4.44mm CT100钢级高强度连续管。通过国家石油管材质量监督检测中心的第三方检测，其各项理化性能合格，满足API SPEC 5ST标准要求。国产CT100连续管可承受高载荷，适合深井、超深井作业,尤其在页岩气开发中进行多段压裂、钻磨桥塞等作业具有显著优势。

CT100；连续管；高强度；焊管

连续管（CT，coiled tubing）是一种高强度、高塑性并具有一定抗腐蚀性能的单根长度可达近万米的新型油气管材，通过连续生产并缠绕在卷筒上交付使用。由于连续管技术具有效率高、成本低、作业范围广、占地面积小等一系列技术优点和作业优势，因此，连续管将在油气田勘探、开发、作业、增产中发挥越来越重要的作用，具有广阔的应用前景[1-4]。

经过长期的发展，国外相继开发出CT70、CT80、CT90、CT100高强度连续管甚至CT110和CT120超高强度连续管。CT100钢级连续管凭借强度高、抗压高、疲劳寿命高等优势，适合在钻井、酸化压裂等非常规作业和深井、超深井的开发中应用，在油气资源及复杂油气井开发中具有独特的优势。近年来，随着我国油气勘探开发难度的加大和非常规油气资源开发数量的增多，许多复杂油气井工程难题显现出来。水平井、多分支井等复杂结构井，以及在油气田开采中深井、超深井数量的不断增加，需要大量高强度的连续管，国产低钢级连续管已经不能满足国内市场的需要，突破国产高强度连续管的制造技术迫在眉睫[5-8]。

为了满足各油田用户对连续管钻井、压裂及深井、超深井开发的需求，突破国外对高强度连续管制造技术的垄断，国家石油天然气管材工程技术研究中心成功研制出首盘国产CT100钢级高强度连续管，各项性能指标满足API SPEC 5ST规范要求。

1 高强度CT100连续管的特点

CT100钢级连续管屈服强度大于689 MPa（100 ksi），抗拉强度大于 758 MPa（108 ksi），硬度小于28HRC(288HV)，凭借强度高、抗压高、疲劳寿命高等优势，在钻井、水平压裂等非常规作业和深井、超深井的开发中应用，比低钢级连续管具有独特的优势。

（1）与低钢级连续管相比，CT100钢级连续管具有强度高、抗压高、疲劳寿命高等优势，能够安全地实现欠平衡压力钻井作业，有利于保护油气层，提高钻速。因此，高强度CT100连续管是钻井的理想工具[9-10]。

（2）深层油气资源的勘探开发是各石油公司提高企业效益和竞争力，达到稳产、增产的关键。近年来，随着我国深井、超深井作业技术水平的不断提高，在油气田开采中深井、超深井数量不断增加，继而要求连续管下井深度增加。伴随着连续管下入深度的增加，会增大管体悬挂质量，当其大于井口连续管管体屈服载荷时将会造成管体损伤，影响作业安全性，低强度连续管已经不能满足其作业要求。凭借较高的强度，CT100连续管可承受的最大载荷也较高，可以满足在深井、超深井中使用，与低钢级连续管相比，CT100连续管在深井、超深井中作业优势明显。国产连续管理论最大下井深度见表1。

表1 国产连续管理论最大下井深度

（3）目前，市场水平井发展迅速，由于水平井具有泄油面积大、单井产量高、穿透度大、储量动用程度高、可避开障碍物和环境恶劣地带等优点，再加上压裂后形成的裂缝作为渗油通道，可以大大提高油井的产能。CT100连续管抗内压高，抗挤毁压力大，具有更大的承受应变的能力，适合进行高压作业，在管壁变薄后，仍能承受较大的工作压力。同时，CT100连续管强度高，一次下管柱逐层压裂的层数多，可以多达十几个小层，作业效率高，能有效提高油气井的产量。与低钢级连续管相比，CT100连续管用于水平井压裂作业的优势尤其明显[11]。

（4）CT100连续管几乎可以满足低钢级连续管能够进行的所有作业类型，应用范围广。同时，CT100连续管的低周疲劳寿命较高，在同样的工作环境下，具有较高的使用寿命，大大提高了作业次数[12-14]。不同钢级连续管的低周疲劳寿命对比如图1所示。

图1 不同钢级连续管的低周疲劳寿命对比

（5）随着连续管强度的增加，CT100连续管抗H2S应力腐蚀开裂的性能有所下降，其性能略低于低钢级连续管。

2 国产CT100连续管性能检测

为了满足国内市场对高钢级连续管的需求，国家石油天然气管材工程技术研究中心成功研制出首盘国产CT100钢级高强度连续管，规格为Φ50.8mm×4.44mm，长度3 500 m，通过国家石油管材质量监督检测中心第三方检测，各项理化性能合格，满足API SPEC 5ST标准要求，具体检测性能如下。

2.1 几何尺寸检测

从研制的CT100钢级高强度连续管上截取样管，分别为1#和2#试样，进行几何尺寸检测。其检测结果满足API SPEC 5ST中规定的管径±0.25mm、壁厚4.24～4.75mm的要求，样管几何尺寸检测位置如图2所示，检测结果见表2。

图2 样管几何尺寸检测位置示意图

表2 样管几何尺寸检测结果

2.2 整管拉伸性能

从整卷连续管上截取长450mm的样管进行整管拉伸试验，测得CT100连续管拉伸性能满足标准要求，具体结果见表3。

表3 样管拉伸试验结果

2.3 压扁试验

依据API SPEC 5ST标准，将连续管加工成Φ50.8mm×110mm样管，对样管焊缝位置进行0°、90°压扁试验，试验平板间距为 44.5mm（0.876×直径）。在达到规定板间距前，焊缝或母材外表面不允许有超出3.2mm的裂纹或裂缝出现。检测结果表明，国产CT100连续管均未出现裂纹，检测结果合格。

2.4 扩口试验

依据API SPEC 5ST标准，将连续管加工成Φ50.8mm×100mm样管，利用锥度为60°的顶芯对样管进行扩口，扩口率为21%，试验完成后扩口部位不允许出现裂纹。检测结果表明，国产CT100连续管扩口部位均未出现裂纹，检测结果合格。

2.5 硬度试验

随着连续管钢级的提高，其硬度也随之升高。但同时为了确保连续管具有较好的塑性，需要将其硬度相应控制在一定范围。依据API SPEC 5ST要求，CT100钢级连续管硬度≤28 HRC。试验用国产CT100连续管硬度检测结果见表4，结果符合标准要求。

表4 样管洛氏硬度试验结果

2.6 静水压与爆破试验

为了确保连续管具有一定的抗内压能力，依据标准对Φ50.8mm×4.44mm国产CT100连续管进行静水压试验，在92.1 MPa水压下保压15 min，检查管体是否失效，并进行水压爆破试验。结果显示，静水压试验保压后管体未失效，满足标准要求，静水压试压曲线如图3所示。

图3 静水压试压曲线

爆破试验失效位置为管体焊缝置为管体焊缝处，如图4所示。失效水压为168 MPa，比标准要求的132 MPa高出27%。

图4 爆破试验失效位置

2.7 挤毁试验

对Φ50.8mm×4.44mm国产CT100连续管进行抗外压挤毁性能检测，测试结果显示，挤毁压力为151.1 MPa，高于API SPEC 5ST标准要求的104.6 MPa，比标准要求抗挤毁能力高45%，试验曲线如图5所示。

图5 挤毁试验曲线

2.8 低周疲劳寿命测试

连续疲劳寿命预测是衡量其可靠性的关键指标，为了确定Φ50.8mm×4.44mm国产CT100连续管低周疲劳寿命，利用自主研发的疲劳试验机对其性能进行检测。结果显示，在内压34.47 MPa（5 000 psi）、弯曲模半径 1 828mm（72 in）的情况下，国产CT100连续管疲劳失效次数为154次。

3 结 论

（1）Φ50.8mm×4.44mm 国产 CT100连续管各项性能指标均能满足API SPEC 5ST标准要求。屈服强度745 MPa，抗拉强度799 MPa，均大于标准要求。凭借高强度，国产CT100连续管可适合深井、超深井作业。

（2）Φ50.8mm×4.44mm国产CT100连续管爆破失效水压为168 MPa，挤毁压力为151.1 MPa。具有较高的抗压能力，适合油气井高压环境作业。尤其在页岩气开发中进行多段压裂、钻磨桥塞等作业具有显著优势。

（3）Φ50.8mm×4.44mm 国产 CT100连续管具有高的疲劳寿命，更为安全可靠，是作为油田钻井的理想工具。

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Mechanical Properties Research of High Strength CT100 Coiled Tubing

WANG Haitao1,2，YU Han1,2，CHANG Yongle2，ZHANG Guochao1,2，MA Xuan1,2，FENG Bo2
（1.Chinese National Engineering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods，Baoji 721008，Shaanxi，China;2.BaoJi Petroleum Steel Pipe Co.，Ltd.，Baoji 721008，Shaanxi，China）

In order to meet the development requirements for oilfield users in some aspects，such as coiled tubing drilling，fracture，deep well and ultra-deep well，break through the foreign monopoly on high strength coiled tubing manufacturing technology，Chinese National Engineering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods successfully developed the first CT100 high strength coiled tubing with size of Φ50.8mm×4.44mm.Through the third party(State Quality Supervision and Inspection Center for Oil Tubular Goods)inspection，the various physical and chemical properties are qualified，meet the requirements of API SPEC 5ST.Domestic CT100 coiled tubing can bear high load，it is suitable for deep well and ultra-deep well operation，especially possesses significant advantages in the shale gas development，such as multistage fracture，drilling and milling bridge plug.

CT100；coiled tubing；high strength;welded pipe

TG113.2 文献标志码：A DOI：10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.04.001

国家重大科技专项项目“36－煤层气钻井工程技术及装备研制（二期）”（2011ZX05036）。

汪海涛（1984—），男，硕士研究生，工程师，主要从事连续油管新产品研发工作。

2015-06-30

罗 刚