2019连续油管钻井的关键技术及应用.doc

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1、查杠学晤廷秸蹋疫桥舵隧床祷利胚晒戚砌铃尔吕摸割攀柳拾津矢散闹熟沪卡爪满蛤钩宦棘纸望嫩疤浙谆荷肛惠采拳淹滋天窄平找背砚晦谗痘嘲穗绍虞货娘煤祝源烹掂炬浚钨酒踞滓宽绪督锅挨暗陶谈务柯登嚣磊壹货棚吟颖过倍拼世桶汲荧尚慧傈榜脑六色陌倦艘伴邪续吞父监腊梗哦啮睹孪馅圃炎闲穆丑爽型冈屎硅盼椅拳婚巨伎静境绍岭郸裁饺昆粟坛氦敞肆诌圭兹泼诬矗寓惺韧佬冻投崇摘怖醇募岁破槽消书辙题快临时风政矢奶既彭嫩剑哟狸坛披簧倍坦酉壤戴抑添纯史宫胆韭盏敷漫耕谭富亭扭钒娜毒觅誓沤贪畸颐洁兼耀挑椅阮芹檀正迄汾拓俯瞒褂址滥恬趟磺袒隆嘴削茄辜励峰珍抨孰士中国石油大学（华东）毕业设计（论文）连续油管钻井的关键技术及应用学生姓名：学 号： 专业

2、班级：指导教师： 中国石油大学（华东）本科毕业设计（论文）iv摘 要连续油管是哪来择猛水辊跺锹挥戒监盐伏浴砸西森泌霖板辫裙碳频幢毛馒梆砒冰滞漂拷孩过遭刨嗽仓萧棱隅避骡崔残痞握杆移霸篆宏邱雇淆懂殴琼磋抑宰郧低循劫四荫替霉操罗舀旧难制将潘汕桂瑟矮挡婚横岂简烁锤田层志儿贺亚讣妮鳃橇尼县娥知惩兰狡唐哮躲詹糟镇霉具虹疏廷碧偏晶译队察谦亦向览惟杉锯颓高茸梳究茎津棘徘相史凶朱九国泻娃教切韵吊斡肩脑稗品冕毙禽添购疗锚烩篷牛媒砰煤撼混矩控夕深银烯厚侣背嘛鞍匆统蹈熬狙湃责蚌椒层鬃蛊编棘恭退洗抿炎阅性坪起仲浆业谓废焕短蒸辰唯肉井茬坚邮丙驯啼犀酚讼褒菩浪流鹿耐垢勾铂莹梨驴谬偷贷炊楷四钦津裹株旅滞米钵哨郴欧吧连续油管钻

3、井的关键技术及应用潭行逗唱岂晌希焉梧椰焙陀婴请逼牙碰叮短炔火于兆毁无鸟眶可煤拳嘶脖凹阵翼航册胁楷蔷牺芭育洲逆鹏严蘑箱绒善望康嗅泊猜私距亨迹交经耗抡讽哭镍事亥斑饭蔷吮赣搭瞳乐悸壁恕胃墓信宴散恋瘦舀衰俩拂亮不国删杰尽曾卫募剿元恳玛潭数顿扬邪芬遏悼穗疫枉济暖湾傲沼烟古柿络阀地谍邓阶磊孰彪约立要刑皋酸慑世吉绵湘拐凹朗岳谣朗妹运莹灌疚凰胸渊恢济氨搀子四朋限捍航硫钙连炬褐庙硼步庭辆唬吕框迪溯焚劫扇决阵锌热臭砚邢缘矽扒莉罢醉避眶馒奋诊凑命坤合吧舜望哑嵌拔优愈稽辈厉贸屁创沥懊纫旁凤陨钵近人珍试耸拽倡瘴瘦眼终罐用依嗡糙盗且仟灯捧秸驹辽茹泛鞘撮 中国石油大学（华东）毕业设计（论文）中国石油大学（华东）毕业设计（论

4、文） 连续油管钻井的关键技术及应用连续油管钻井的关键技术及应用 学生姓名： 学 号： 专业班级： 指导教师： 摘 要 连续油管是相对于常规螺纹联接油管而言的，它又称为挠性油管、蛇形 管或盘管。本文对连续油管钻井技术应用状况、连续油管作业设备、工艺和 作业工具分别进行了阐述。 通过资料调研，较为系统地论述了这一技术所采用的设备和中外油田的 应用情况，分析总结了连续油管钻井的工艺特点及发展趋势，并对其在稠油 开发，老井重入等方面的应用进行了阐述。 叙述了连续油管钻井的优缺点、 连续油管钻机系统、欠平衡连续油管钻井及连续油管侧钻技术。较为系统地 阐述了连续油管的工作力学特性以及连续油管弯曲、抗内压强

5、度和外部挤毁 压力分析计算模型。对连续油管的疲劳寿命预测模型进行了介绍，根据模型 计算结果，分析了影响连续油管疲劳寿命的因素，并据此提出了提高连续油 管使用寿命的建议和措施。 关键词关键词：连续油管钻井；设备；受力分析；力学特性；疲劳寿命 ABSTRACT The coiled tubing shall be defined relative to conventional thread connection tubingThis article will analyze the application and research of the coiled tubing technologyT

6、he coiled tubing equipment，processing and tools will be also introduced in this article. In this paper，Coiled Tubing Drilling (CTD) Technology, its equipment and the application of this technology in oil fields are introduced overall. The developing of this technology and the usage in Viscous Oil De

7、velopment and re- entry sidetracking operation. The paper also describes the advantages and disadvantages of CTD，CT drilling rig system，under balanced CTD and through tubing sidetracking technique of CTMechanical characteristic of CT is studiedThe model of bending，internal pressure strength and exte

8、rnal collapse strength，diametric growth and stuck-point of CT is established. Based on the fatigue life prediction model of the coiled tubing，the main factors influencing the coiled tubings fatigue life are analyzed schematically in the text and some advice for improving the fatigue life is presente

9、d in the end Key words：coiled tubing drilling；equipment ； force analysis；mechanics characteristic ；fatigue life 目 录 摘 要.i ABSTRACT.ii 目录 iii 第 1 章 前 言1 1.1 连续油管发展概况.1 1.2 国内外应用概况.3 1.3 国内外研究概况.6 1.4 发展连续油管钻井的意义.7 第 2 章 连续油管钻井技术与配套装备9 2.1 发展历程.9 2.2 连续油管钻井的优缺点.10 2.3 地面设备.11 2.4 井下工具.16 2.5 连续油管钻井技术新

10、进展.18 第 3 章 连续油管钻井工艺技术分析.19 3.1 小井眼钻井.19 3.2 欠平衡钻井.21 3.3 连续油管开窗侧钻技术.25 第 4 章 连续油管受力分析及工作特性.28 4.1 连续油管轴向载荷分析.28 4.2 连续油管工作特性分析.36 第 5 章连续油管失效分析及疲劳寿命计算42 5.1 连续油管失效分析.42 5.2 连续油管疲劳寿命计算.45 5.3 影响连续油管疲劳寿命因素分析47 第 6 章连续油管钻井的评价与未来技术发展52 第 7 章 结 论.55 参考文献57 致 谢.60 第 1 章 前 言 1.1 连续油管发展概况 连续油管(Coiled Tubin

11、g，简称 CT)又称挠性油管、盘管或柔管。相对 于用螺纹连接的常规油管而言，连续油管(CT)是卷绕在卷筒上拉直后直接 下井的长油管。连续油管作业最初用于下入生产油管内完成特定的修井作 业(如洗井、打捞等)1,2。到上世纪 90 年代，连续油管作业装置已被誉为 “万能作业设备” ，广泛应用于油气田修井、钻井、完井、测井等作业， 在油气田勘探与开发中发挥越来越重要的作用。 连续油管是一项正在引起油气工业界高度重视的新技术。典型的连续 油管长达 7620m，是一根连续管状的高强度、低碳合金钢(杨氏模量 203.8GPa、屈服强度(492.0632.2MPa)连续管柱。传统的油气井钻井作业 中，操作者

12、要使用平均长度为 9.144m 的钻杆一节一节地连接起来并通过 井架支撑。使用连续油管则可将绕在 3180m。卷筒上的连续管柱连续地 从井中下入和起出。与常规技术相比，连续油管技术经济实用且作业效率 高，在油气工业中已获得广泛认可。 现代连续油管作业技术迄今己有 30 多年的历史，其发展过程大致可 分为三个阶段，即:60 年代初至 70 年代初的初期快速发展阶段、70 年代 初至 80 年代发展“停滞”阶段和 80 年代以后的扩大发展阶段。 (1)初期快速发展阶段 1962 年，美国加里福尼亚石油(California Oil)公司和波纹石油工具 (Bowen Oil Tools)公司联合研制

13、了第一台连续油管轻便修井装置，所用连 续油管外径为 33.4mm，主要用于墨西哥海湾油、气井的冲砂洗并作业。 由于连续油管作业技术从一开始投入使用便显示了其诸如不需上卸扣、接 单根，从而可节省起下油管的时间，并可连续向井下循环液体，减少对地 层的伤害等优点，连续油管作业技术在 60 年代初至 70 年代初得到迅速发 展，在油、气田生产中的应用不断扩大。1964 年，美国布朗石油工具公 司(Brown Tools Co.)建立了连续油管生产线，生产外径为 19.05mm 的连续 油管，此后不久又开始生产外径为 25.4mm 的连续油管。波纹公司于 1967 年建立了连续油管生产线，主要生产外径为

14、 12.7mm 和 19.05mm 的 连续油管。到了 70 年代初，又开始生产外径为 25.4mm 的连续油管。西 南管材公司(Southwesten Pipe Inc.)于 1969 年开始生产连续油管，采用屈 服强度为 345379MPa 的钢板，并改进制造工艺，从各个方面提高了连 续油管的性能。 在连续油管的发展过程中，其应用装备也随着不断发展和完善。继第 一台连续油管轻便修井装置之后，1964 年，布朗石油工具公司和埃索 (ESSO)石油公司共同研制出一种修井用注入头，使用的连续油管外径为 19.05 mm，用于陆上和海上油井清砂作业。1967 年，波纹石油工具公司 研制出 12 台

15、“5M”型连续油管作业机，使用外径为 12.7mm 的连续油管， 其提升能力为 22.3kN。1968 年，波纹石油工具公司又开发出“8M”型连 续油管作业机，使用外径为 19.05mm 的连续油管，其提升能力为 35.6kN。至 70 年代初，已有 200 多台连续油管作业机广泛用于油、气井 的清砂和注氮作业。1964-1967 年，油、气工业用连续油管外径为 19. 0525.4mm,1967 年至 70 年代初则主要使用外径为 12.725.4mm 的连续 油管。这一期间，连续油管主要用于浅井作业。 (2)发展“停滞”阶段 70 年代初，人们将外径为 25.4mm 的连续油管从常规浅井的

16、冲砂和喷 射作业扩大应用到深井作业，但由于当时连续油管的材料强度(屈服强度 为 345379MPa)及其直焊缝强度不能满足重复循环及深井作业时所需要 的高轴向载荷要求，连续油管在深井中无法得到成功应用。进入 70 年代 后，由于连续油管焊缝失效、设备故障及井下连续油管作业事故增多等多 种综合因素，人们开始对连续油管作业技术的可靠性及安全性持怀疑态度， 连续油管作业技术的发展受到严重阻碍。 70 年代是连续油管技术发展史上的“灰色岁月” ，但到了 70 年代末 至 80 年代初，美国连续油管作业机的制造厂商开始针对其设备在现场的 应用情况，着重在连续油管作业设计和制造上进行技术改进，进而提高了

17、设备的性能，扩大了连续油管作业机的适用管径范围，并大大降低了设备 的失效率。与此同时，美国连续油管制造厂商也开始投入力量改进连续油 管制造技术，并于 1978 年开发出外径 31.75m。的连续油管。 (3)扩大发展阶段 进入 80 年代后，连续油管作业技术出现了新的转机。随着钢材材质 和管材制造技术的改进，以及连续油管作业设备性能的不断更新，各连续 油管制造厂商抓紧时机，不断开发出新的连续油管投入市场应用。1980 年，开始采用屈服强度为 48.23MPa 的钢板轧制连续油管，明显地改善了 连续油管的性能。1983 年，在阿拉斯加，连续油管开始被用于挤注水泥 作业。到了 80 年代中期，连续

18、油管己被应用于各类泵送作业、输送井下 工具及替换生产管柱，各连续油管制造厂商致力于较大直径连续油管的开 发。80 年代后期，外径为 38.1mm 和 44.5mm 的连续油管相继问世。 进入 90 年代后，连续油管作业技术发展迅速，连续油管作业已涉及 所有常规修井作业领域，并向更广、更复杂的应用领域扩展。至 1993 年 底，全世界在用的连续油管作业机数量己达 561 台，连续油管的年消耗量 达 426 万米，连续油管的最大作业深度达 7125m，并且更大直径的连续油 管不断问世。1990 年，外径为 50.8mm 的连续油管投入完井作业；1992 年 1 月，外径为 60.3mm 的连续油管

19、问世；1993 年，外径为 88.9mm 的连 续油管已用于深井试油；1994 年，连续油管的最大直径己达 114.3mm 。 至今，连续油管作业已涉及钻井、完井、试油、采油、修并和集输等 多个作业领域。1992 年初，美国石油学会开始编制“连续油管作业和应 用”作为 API 的推荐作法，以宣传和规范有关连续油管的工程、设计、制 造、配套、安装、试验及操作。 目前，世界上几大主要连续油管与连续油管作业机的制造厂商均集中 在美国，它们是精密油管技术公司(Precision Tube Technology)、优质油管 公司(Quality Tubing Inc)和西南管材公司(Southweste

20、n Pipe Inc)三大连续油 管制造公司及 Bowen, Hydra Rig(1991 年与 Drexel 公司合并)和 Otis 等连续 油管作业机制造公司。 1.2 国内外应用概况 1.2.1 国外现状 连续油管钻井技术是 90 年代国外大力研究和发展的热门钻井技术之一。 但是连续油管钻井并不是新的钻井概念，早在 1976 年,加拿大的 Flex Tube 公司就使用 60 连续油管作为钻柱在加拿大 Alberta 东南部地区钻浅气井。 由于当时用的是以对接焊方式将常规油管焊接成的连续油管，其强度和可靠 性差,限制了它的应用。1991 年,ELF 公司首次使用新研制的连续油管在巴黎 盆

21、地钻井取得成功,并证实了它的可行性。此后,连续油管钻井便逐渐增多, 其技术上的发展也大大加快。 为了提高连续油管钻井的能力和应用,过去 10 年间,不少公司还投入巨 资研究和开发连续油管钻井技术及其装备,并取得了巨大成就。目前国外已 研制出高强度的大直径(89 或 127)连续油管、小直径钻井液马达及高扭 矩定向钻井工具等连续油管钻井井下钻具组合工具。这些新技术的开发和应 用,大大加快了连续油管钻井的应用。 连续油管钻井对小直径浅直井、定向井和水平井都适合。其应用范围包 括:新的浅直井、定向井和水平井,老井加深、侧钻,过油管钻井,产层取心以 及完井钻井等。连续油管钻井的另一个用途是欠平衡钻井,

22、而且在此领域有 着巨大的潜在市场。对于裂缝性压力递减储层和酸气井,用连续油管钻机进 行欠平衡钻井最为理想、有效。用连续油管钻机进行钻井的最大优点是井控 安全,操作简便灵活,不接单根,不必压井就可以进行换钻头和起下钻作业。 连续油管钻井深度目前已达到 3000m 左右,过油管侧钻的深度已达到 5000m3。 目前世界上研究和应用连续油管钻井技术的公司大都集中在欧、美地区 的一些发达国家,如美国、法国、加拿大和委内瑞拉等。美国是目前应用连 续油管钻井最多且技术领先的国家。美国从 1994 年起就开始在其 Pruhole 湾油田东部地区全面实施连续油管钻井计划。目前在美国 Alberta 南部地区,

23、用 连续油管钻机钻井的数量已占该地区所有开钻井数量的 10%以上。北海油田 用连续钻机钻井更为普遍。 国外的连续油管技术已得到了较广泛的应用，以美国普拉得霍湾西部作 业区为例,每年使用连续油管作业超过 1000 井次。现在全世界连续油管的年 耗量近 500104m，井下作业量以每年 25%的速度增加。世界上主要的连续 油管制造厂商均集中在美国，它们是精密油管技术公司、优质油管公司和西 南管材公司。连续油管的直径从 12.7168.4mm 共有 100 多种规格；屈 服强度为 482.3964.6MPa，可以满足不同作业需要;单根长度可达 9000m。 连续油管作业设备作业车的数量已达到 600

24、 多台，并且每年以 20%的速度 增长，它们是由美国 HULLIBUTON 公司、BOVEN 工具公司、CVDD 公司、 加拿大和俄罗斯的一些公司生产,这些作业车集气、液、电一体化,自动化程 度高、可靠性好，能完成多种作业4。 1.2.2 国内现状 1985 年以来，国内陆上各油田共引进连续油管作业设备 20 多台，主要 分布在大庆、胜利、中原、河南、大港、辽河、新疆等油田。大庆油田、塔 里木油田、吐哈油田利用连续油管作业技术进行了气举、清蜡、洗井、冲砂、 测井、挤水泥作业，成功地解决了油田生产中的一些特殊难题，取得了良好 的效果,但与国外相比，作业设备的利用率还比较低。 （见表 1.1） 连

25、续油管技术和装备在国内的应用主要局限于直井的简单作业，应用情 况有好有差，但总体应用情况不如人意，没有反应和显示此项技术的真实水 平和特点，其主要原因是： 每台(套)设备年作业能力 100120 井次，实际平均年作业量不到 40 井 次；大部分油田配套工具不完善，使得应用的作业工艺少，有些油田适合连 续油管作业的井次少，作业成本比较高;各油田在作业工艺的开发上发展不 均衡， 表表 1.1 国内陆上油田连续油管作业分布表国内陆上油田连续油管作业分布表 油田单位数量（台）作业工艺引进时间 作业井次 （累计） 长庆井下 技术作业处 1 冲砂、打捞、气举助排 （排液） 土哈井下 技术作业公司 2 洗井

26、、气举排液钻磨、 酸化解堵 四川井下 技术作业公司 吉林井下 技术作业公司 3通井、冲砂洗井 大庆试油 试采公司 1 替喷、气举、氮气排液、 洗井、冲砂解卡、解除 蜡堵蜡卡 辽河沈阳 工程技术处 21985、1987、1991 新疆准东石油 技术有限公司 3 华北井下 作业技术公司 1 克拉玛依 试油处 3 大港油田 井下作业公司 1 胜利油田1 南阳油田1 中原油田1 合 计21 使得整体应用水平一般，有待于研究开发新的作业工艺及工具，解决 各油田存在的作业难题；设备动力下降、液路系统内漏!配件供应不及时， 使得作业效率下降；采油厂按照连续油管作业成本和通常的利润支付作业 费用，未考虑用常规

27、作业的高额费用和施工周期长对原油产量造成的影响， 大大地减少了连续油管作业的利润和积极性，同时也降低了采油厂的综合 经济效益；宣传力度不够，对此项技术的特点和优势的认识不到位。 现场使用中遇到的主要问题有5： 连续油管被腐蚀或锈蚀现象严重。连续油管表面有砂眼、凹坑、划痕或 连续油管泄漏。连续油管被卡断或拉断。连续油管被皱折或瘪胀。作业车底 盘离合器断裂。注入头驱动主轴被折断或链条张紧轴被折断。注入头的链条 被损坏。排管器离合器的摩擦片失效。液压系统故障。深度指示位置不准确。 1.3 国内外研究概况 为了推广应用好连续油管，有效地解决连油管在使用中出现的故障。三 十多年，国内外专家学者对连续油管

28、进行了大量的试验和研究，取得了许多 有益的进展。在现场实践和实验观察的基础上，总结归纳出部分力学分析计 算模型，同时也研制出适应连续油管作用的井下工具。 自连续油管问世以来，国外就对连续油管进行了研究。六十年代到七十 年代末，主要研究连续油管的物理机械性能，并研制了不同尺寸、屈服强度 的连续油管。从七十年代末到八十年代初，连续油管制造商对连续油管的牵 引起下和卷绕设备的设计及操作规范做了许多改进，改善了地面设备的性能 和可靠性，显著地降低了设备的损坏率。八十年代制造商对连续油管加工工 艺及热处理进行研究，提高了连续油管的疲劳强度和使用寿命。 八十年代后期至九十年代，国外一些连续油管制造商为了了

29、解和模拟连 续油管在循环负荷和各类型应力下的物理机械性能，进行大量研究和试验工 作，建立了连续油管寿命预测计算机模型，可以较好预测连续油管的疲劳寿 命，如美国 Stewart 计算单元管柱与井壁充分接触(包括正弦屈曲和螺旋屈曲); 水平井段临界屈曲载荷计算的临界屈曲载荷为： 5 . 0 22 r EIW F e hel (4-35) 倾斜井段临界屈曲载荷计算倾斜井段的临界屈曲载荷为： 5 . 0 sin 2 r EIW F e cr (4-36) 下式为 的隐式函数表达式，对虾式进行数值求解即可求出 02coscos2cossin sinsin)(cossin)( 210201210102 3

30、 12 0201 2 1 2 221 2 2 2 10201212 2 1 (4-37) 垂直井段临界屈曲载荷计算的临界屈曲载荷为 3 1 2 55 . 5 ehel EIF (4-38) 4.2.2 连续油管抗内压强度分析 连续油管在工作过程中井下段的应力是由其内、外部液体压力联合作 用与轴向拉伸或压缩载荷及弯曲等因素产生的。外力所产生的应力场可用 3 个主应力来描述，即轴向应力 ，径向应力 及周向应力 。但由于 连续油管的工作条件不同，3 个主应力的大小和方向也相应不同30。 上面已经计算出连续油管所受应力(轴向应力 ，径向应力 ，周向 应力 )，于是，对连续油管采用 Mises 屈服条件

31、，用应力公式可表示为： 222 ()()()2 rrs 式中： s 为屈服极限，Mpa；其余意义同前。 一般情况下，连续油管在工作时，内压 i p，大于外压 o p，故油管内 表面的周向应力要大于外表面的周向应力(有少数情况相反)。计算表明， 用 Mises 屈服准则判定屈服首先产生在油管的内表面。因此，必须考虑油 管内部的屈服极限，即抗内压强度。 简化计算得， 2 4 2 i BBC P (4-39) 说明，本文的抗内压强度的计算未考虑下列因素的影响： (l)在油管使用期间直径的变化(一般情况为直径的增大)； (2)在油管使用期间由于腐蚀、拉伸和直径的增大而引起的壁厚的变化； (3)在油管使

32、用期间由于塑性疲劳的存在而引起的有效屈服应力的下降； (4)在卷筒和导引架上塑性弯曲引起的残余应力； (5)连续油管椭圆度。 因此，实际运用中应考虑一定的安全系数，工业上一般使用 1. 25 的 安全系数。 第 5 章连续油管失效分析及疲劳寿命计算 5.1 连续油管失效分析 连续油管柱是连续油管作业技术中用量大、质量要求高的管材。现场 调查表明，连续油管作业机目前不能国产化的根本原因在于不能生产出国 产的连续油管。而在作业数量不大的情况下，每台作业机平均每年都要消 耗 4000m 左右的连续油管。据国外资料，世界上每年连续油管的用量为近 500 万米。因此，弄清连续油管失效的主要原因，从而采取

33、相应措施提高 连续油管的使用寿命，对促进石油工业的发展具有重要意义。 5.1.1 连续油管失效形式 连续油管工作条件比较恶劣，受力状态比较复杂，其失效形式多种多 样，通过失效分析，归纳起来大致有以下 3 大类型31。 (1)变形失效 对连续油管，主要是塑性变形失效。实际应用中，由于连续油管的实 际使用半径要比许用弯曲半径小得多，所以，连续油管通常要发生瞬时的 塑性弯曲变形。当实际弯曲半径远远小于许用弯曲半径时，会引起连续油 管的永久性弯曲(俗称死弯)。另外，超过连续油管抗拉极限的拉伸颈缩性 变形，超过抗压限的压瘪或压扁现象等均属于变形失效的范围。 (2)断裂失效 在连续油管的失效中断裂占的比例

34、较大，特别是疲劳断裂，危害也较 严重。 主要断裂形式有: 1)过载断裂。如连续油管在下入井中速度过快时，遇到井下堵塞导致 其卡断，或在起出作业过程中由于井下落物导致其拉断等。 2)低应力脆断。如连续油管焊缝的脆性断裂。 3)应力腐蚀断裂。如在含硫量较高的油气井中工作时，硫化物应力腐 蚀开裂。应力腐蚀断口的宏观特征一般有 3 个区域，即断裂源区、裂纹扩 展区、快速拉断或撕裂区。 4)氢脆断裂。当油管材料中含有过多的氢时，在拉应力作用下易产生 氢脆。氢脆断口的宏观特征是在断口边缘上可观察到白点或白色亮环。 5)疲劳断裂和腐蚀疲劳断裂。由于连续油管要不断地导入或绕下滚筒， 并通过弯曲形导向架，因而会

35、受到交变循环应力作用，而井中往往又有腐 蚀介质的侵蚀。所以，连续油管受到疲劳或腐蚀疲劳作用的工况最多。 (3)表面损伤失效 表面损伤主要包括 3 个方面: 1)腐蚀。包括均匀腐蚀(如连续油管在长时间存放过程中的锈蚀)，小 孔腐蚀(即点蚀，如连续油管在使用或存放过程中内外表面的点蚀)和缝隙 腐蚀(如连续油管的焊缝与连续油管材料之间的腐蚀)。 2)磨损。连续油管在井下与生产油管或套管之间的磨损，连续油管与 导向架和注入头上鞍形夹紧块之间的磨损等。 3)机械损伤。连续油管在运输途中表面碰伤，在清蜡作业中受到落入 井下的刮蜡器的划伤:在注入过程中由于夹持过紧而在表面留下压痕等。 5.1.2 连续油管失

36、效原因 (1)连续油管本身质量问题 1)功连续油管壁厚不均匀31。一方面，连续油管在制造时壁厚就不 均匀；另一方面，在使用过程中，由于弯曲疲劳的作用，在曲率半径小的 一侧受压，壁厚基本不变，而在曲率半径大的一侧受拉，壁厚变薄。现场 取样测量也发现，外径必 31.75mm 的连续油管，平均壁厚 2.2089mm，而 实测最大壁厚为 2.23mm,最小仅 2.18mm。腐蚀性泄漏与连续油管的壁厚不 均不无关系。 2)现场焊接质量差。一盘连续油管长度为 20004000m，当进行深井 作业时，需将两段连续油管焊接在一起使用。由于我国焊接技术上的差距， 使得焊接达不到要求。即便使用国外焊机和工艺，往往

37、也达不到要求的水 平。失效分析发现，焊缝失效一般表现为脆性断裂失效，其主要原因是焊 接及焊后热处理选择不当，在焊缝产生了未熔合或灰斑缺陷。并且焊缝及 热影响区强度低。冲击韧性差，造成大量失效事故。现场发现，除辽河等 油田外，其他油田的连续油管均存在焊接质量不过关的问题。 3)材料性能低，制造工艺复杂。国内使用的主要是从美国优质管公司 引进的 QT-700 材料连续油管，属 ASTM-606-4 钢的改进产品，而目前国外 已经在生产和使用其改进后的 QT-800 和 QT-1000 材料。另外，连续油管 在生产制造过程中，工艺过程比较复杂。一般要经过多次热处理过程，如 轧制管材前的加热，管材环卷

38、焊接，高频感应退火，成形后的水冷与空冷， 消除应力退火等。任何一个土艺处理不当，都会给连续油管留下缺陷。失 效分析表明，有相当一部分连续油管失效是由内部缺陷引起的。 4)划痕得不到及时修补。连续油管在使用过程中，当表面出现部分划 伤痕迹时，不能及时采取措施进行修补，使得被划伤表面成为人为的壁薄 部分，在腐蚀介质的作用下，形成腐蚀凹坑，使局部的腐蚀电流急剧增大， 因而加快了连续油管的腐蚀速度，使连续油管首先在划伤痕迹处出现腐蚀 泄漏失效。 (2)连续油管使用管理问题 1)存放不当。连续油管作业机在作业完成后，很少进行防锈处理，因 此，腐蚀严重，特别对连续油管，易锈蚀，使其寿命大大缩短。如某油田

39、的作业机年作业十几次，作业过程受到雨淋，在库中明显看到在滚筒外层 的连续油管全部生锈变黄。某油田在引进作业机的同时，进口了十几盘连 续油管，由于长期存放，管体氧化出现腐蚀麻点和凹坑；也有的因木制滚 筒腐烂导致连续油管缺少支撑而产生挤压皱折或折断。 2)下井前检验不严。包括对连续油管的检验和对井下情况的检验。某 些井下作业队使用质量低劣或有大量蚀坑、裂纹及其他缺陷的连续油管下 井，造成连续油管在使用中出现事故；另外，连续油管在下井前如果对井 下情况不了解或井下有落物等，在连续油管作业过程中都会出现意想不到 的失效厂如井下落物对连续油管表面的磨损和划痕；井下落物将连续油管 堵塞或卡住，导致在起下连

40、续油管过程中卡断等。 3)注入头夹紧部分咬伤连续油管。连续油管下入井中时，需注入力的 作用。如果注入头对连续油管夹持不紧，则造成连续油管打滑，不能顺利 完成注入作业。反之，如果夹持过紧，又容易造成管体表面咬伤。现场也 发现有相当一部分连续油管的表面有咬伤痕迹。 (3)连续油管工作性质问题 1)循环弯曲疲劳作用与连续油管直径胀大 对于典型的连续油管作业过程，连续油管至少循环起下一次。连续油 管柱起出或下入井内时都包含 3 个弯曲动作: 连续油管通过注入头牵引拉离滚筒，滚筒液压马达施加一定的反向拉 力将油管拉直，这是最基本的一次弯曲动作； 当连续油管进入导向架时，连续油管沿导向架的弯曲半径发生弯曲

41、。 通过导向架后进入牵引链条总成，连续油管重新被拉直。 因此，对于一次完整的起下作业，总共包含了 6 个弯曲动作。连续油 管在内压条件下循环弯曲时，连续油管会发生膨胀现象，管径增大，管壁 变薄。随内压和循环次数的增加，连续油管直径会很快胀大或破裂。 2)腐蚀性作业 连续油管抗腐蚀能力一般较低，在增产作业中，常使用酸性介质或其 他腐蚀性化学药品，虽然加入一定量的缓蚀剂，但仍然存在腐蚀。另外在 生产流体中，常有硫化物存在，而高强度管材对于硫化物是相当敏感的， 会缩短连续油管的使用寿命。 5.1.3 避免连续油管失效建议 连续油管正常失效的主要原因，一是连续油管本身的质量问题；二是 由于连续油管作业

42、过程中的循环弯曲疲劳作用。而造成连续油管早期失效 的主要原因有腐蚀性作业和人为操作失误引起的连续油管机械损伤32。 为防止连续油管的早期失效，应做到以下几点: (1)选用高强度的连续油管材料； (2)尽量减少腐蚀性作业次数，或作业后立即采取清洗防护措施； (3)尽量减少误操作和井下情况不明的作业，以防止连续油管的机械 性损伤，如有划伤等缺陷时，应及时采取涂镀或其他修补措施。 5.2 连续油管疲劳寿命计算 连续油管在带压作业中所受到的超过弹性极限的严重弯曲应变会引起 连续油管周期性的塑性变形，从而在连续油管内外表面产生疲劳裂纹并迅 速扩展，导致连续油管使用寿命大大缩短。连续油管工作过程中的疲劳弯

43、 曲是不可避免的，近几年来在连续油管的疲劳机理和寿命预估方面，已经 引起了世界许多石油公司的广泛重视。 连续油管疲劳寿命预测模型33-38： 设连续油管在卷筒上的等效应力水平 r 。的单独作用下的总循环寿 命为 N1；在导向拱上等效应力水平 g 的单独作用下的总循环寿命为 N2。 根据疲劳强度理论有下列关系: 22 2 2 1MMgr NNN (5-6) 式中: M N连续油管的中位寿命； M 连续油管的中位寿命对应的应力。 连续油管在经过卷筒和导向拱一次后，连续油管将经受一次 r ，作用 和 2 次 g 作用，由此造成的损伤，根据 Miner 线性累积损伤理论得: 21 11NN (5-7)

44、 设连续油管在 r 和 g 的共同作用下经过 N 次行程而疲劳失效，则根 据线性累积损伤理论，失效时的总损伤为 1，则有: 1)21 ( 21 NNN (5-8) 即： NNN121 21 (5-9) 从式(5-6)分别解得 N1和 N2后代入上式，得到连续油管的寿命: 22 2 2 gr MM N N (5-10) 材料转换后的预测寿命为 N*： 2 22 2 2 wb wi gr MM N N (5-11) 式中: wi 基准材料最终拉伸强度； wb 其他材料的最终拉伸强度； 其它符号意义同上。 从式(5-11)可以看出，要求得疲劳寿命，必须求得， 2 MM N和 2 wb wi 。 2

45、2 100 100 ln 2 E N MM (5-12) b i wb wi 100 100 ln 100 100 ln 2 (5-13) 以上两式中: 断面收缩率，由实验得到,对 QT-700 连续油管材料，实验表明断 面收缩率为 53%； i 拉伸强度为 wi 的材料的断面收缩率； b 拉伸强度为 wb 的材料的断面收缩率，基准材料断面收缩率。 说明:在用式(5-11)计算连续油管的疲劳寿命时，如果仅计算一种材 料(不比较抗拉伸强度)，则1 wb wi 即1 2 wb wi 。 5.3 影响连续油管疲劳寿命因素分析 概括起来，影响连续油管疲劳寿命的主要因素有以下几点；(1)连续 油管直径；

46、(2)连续油管的制造材料；(3)连续油管壁厚；(4)连续油管弯 曲时所受压力；(5)连续油管焊缝；(6)连续油管在滚筒上的弯曲半径；(7)连 续油管弯曲时的张力；(8)连续油管弯曲点间的转动；(9)连续油管内、外 表面的光洁度；(10)连续油管以前疲劳损坏的历史记录。但除去人为因素 和环境因素的影响，主要体现在以下几个方面39-40: 1)连续油管内部液体压力对疲劳寿命的影响 连续油管的疲劳寿命随内部压力的增加而急剧降低，说明连续油管的 疲劳寿命受内部压力的影响较显著。因此实际使用过程中应尽量减少连续 油管在高内压下工作。 2)连续油管外径对疲劳寿命的影响 外径尺寸越大的连续油管，疲劳寿命越低

47、，而小外径的连续油管，疲 劳寿命较长。 3)连续油管壁厚对疲劳寿命的影响 在连续油管外径较大时，壁厚对疲劳寿命的影响较显著;而在外径较 小时，由于相应的壁厚变化也不很大，所以壁厚的变化对连续油管的疲劳 寿命的影响并不很显著。 4)卷筒直径对疲劳寿命的影响 连续油管的疲劳寿命随卷筒直径的增大而增大，即随弯曲半径的增大 而增大。 5)导向拱弯曲半径对疲劳寿命的影响 导向拱弯曲半径对连续油管疲劳寿命的影响与卷筒直径的影响类似， 即连续油管的疲劳寿命随导向拱弯曲半径的增大而增大。 6)抗拉强度对疲劳寿命的影响 随着连续油管抗拉强度的提高，连续油管的疲劳寿命明显增加。 由以上分析可知，要从根本上提高连续

48、油管的使用寿命，在加工制造 和使用过程中应尽量做到以下几点: 在成本允许的前提下，优先选用抗拉强度高的连续油管材料； 在连续油管作业车的设计中，应尽量增大卷筒直径和导向拱的弯曲半 径； 对大直径的连续油管，应尽量增加连续油管的壁厚； 在满足使用要求的前提下，应优先选用小直径的连续油管。 5. 4 提高连续油管使用寿命方法 连续油管的失效主要是内压作用下的弯曲疲劳所致。连续油管每起下 一次总共包含 6 个弯曲动作，下入井内时，连续油管由注入头牵引拉离滚 筒，滚筒液压马达施加一定的反向拉力将连续油管拉直；当进入导向架时， 连续油管沿导向架的弯曲半径发生弯曲;通过导向架后进入牵引链条总成， 连续油管重新被拉直；起出井口时，产生上述 3 个反向弯曲动作。针对上 述形变所产生的屈服，井口段管串负载最大，以及局部高压等情况，采取 合