摘　要：在回顧油氣井管柱完整性概念的提出與發(fā)展歷程的基礎(chǔ)上，介紹了我國(guó)在鉆柱構(gòu)件適用性評(píng)價(jià)“三超”(超深、超高溫、超高壓)氣井油套管柱可靠性設(shè)計(jì)與完整性評(píng)價(jià)、“三超”氣井油管腐蝕行為與評(píng)價(jià)、熱采井基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)與選材評(píng)價(jià)技術(shù)等方面的最新研究進(jìn)展及其應(yīng)用情況。指出現(xiàn)有油氣井管材與管柱技術(shù)仍不能滿足“三超”、嚴(yán)重腐蝕、非常規(guī)、特殊工藝和峙殊結(jié)構(gòu)井等服役環(huán)境，進(jìn)而提出了進(jìn)一步加強(qiáng)油氣井管柱完整性技術(shù)研究與科技攻關(guān)的建議：①持續(xù)完善和發(fā)展中國(guó)西部深層油氣勘探開發(fā)套管柱優(yōu)化設(shè)計(jì)與管材選用及完整性評(píng)價(jià)技術(shù)；②急需建立有針對(duì)性的非常規(guī)頁(yè)巖氣開發(fā)套管柱優(yōu)化設(shè)計(jì)、選材及完整性評(píng)價(jià)技術(shù)；⑧建立“三超”高含CO2氣井環(huán)境及壓裂酸化工況復(fù)雜油管優(yōu)化設(shè)計(jì)、選材選型、完整性評(píng)價(jià)技術(shù)；④深入研究含缺陷油氣井管柱缺陷檢測(cè)、安全評(píng)價(jià)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、壽命預(yù)測(cè)、維修補(bǔ)強(qiáng)等關(guān)鍵技術(shù)；⑤建立油氣井管柱完整性管理體系和配套的支撐技術(shù)體系。

關(guān)鍵詞：油井管??油氣井管柱??完整性技術(shù)??可靠性設(shè)計(jì)??腐蝕行為??應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)??安全評(píng)價(jià)??中國(guó)

Abstraet：This paper first reviewed the raising and development of oil&gas well tubular string inte grity，and then introduced the?new achleVements in China in the fitness for-service assessment of drill string components，the reliability-based design and the anticorrosion?behavlor and Integrlty assessment of casing and tubing strings for uhra-deep／high temperature／high Pressure gas wells．the strain based design and casing materials selection of thermal wells．On this basis，the following proposals for strengthening the?integrity?technology research of oil&gas well tubing strings were put forward based on the analysis of the new technical demands of?and chalIenges to petroleum tubing engineering for those wells with ultra-deep／high temperature／high pressureor high risks?of corrosion?,unconventional wells，or the wells with other special technological and structure requirements：(1)to continuousiv improve the?casing string?optimal deslgn and complete the optimal selection and integrity assessment technologies for the ultra-deep?oil＆gas?wells in West China；(2)to speed up the founding of the above-said technologies for shalc(unconventional)gas development wells?and especially for those ultra-deep／high temperature／high-pressure wells with high CO2?content，or the wells requiring complex acidizing?and iractunng treatments；(3)to intensively investigate the core technologies in defect inspection，safety assessment，risk analysis,service life predlction,maintenance and repairing for oil＆?gas well tubing strings；and(4)to establish an integrity management system and corresponding supporting technical systems for oil and gas well tubing strings．

Keywords：Oil Country Tubular Goods，oil&gas well tubular string，integrity technology，reliability based design，corrosion behavior，strain-based design．safety assessment

20世紀(jì)70年代末到80年代初，隨著斷裂力學(xué)的發(fā)展，國(guó)際上提出結(jié)構(gòu)完整性的概念，形成了基于斷裂力學(xué)和結(jié)構(gòu)極限承載能力的含缺陷結(jié)構(gòu)能否繼續(xù)使用的定量工程評(píng)價(jià)方法，隨后形成了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)并不斷發(fā)展和完善，并在核工業(yè)、煉化管道和壓力容器、大型焊接結(jié)構(gòu)、油氣輸送管道等工業(yè)領(lǐng)域得到成功應(yīng)用^[1-14]。80年代初，國(guó)內(nèi)相關(guān)單位在開展大量研究工作的基礎(chǔ)上，形成了含缺陷壓力容器的安全評(píng)價(jià)方法標(biāo)準(zhǔn)，隨后不斷發(fā)展完善至90年代中期形成了新的標(biāo)準(zhǔn)，并在壓力容器、管道和焊接結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域得到應(yīng)用^[15-17]。

從20世紀(jì)80年代末90年代初開始，國(guó)際上提出了基于油氣井管柱的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和可靠性技術(shù)的管柱設(shè)計(jì)和安全系數(shù)確定方法^[18-22]。隨后，美國(guó)石油學(xué)會(huì)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織發(fā)布了針對(duì)新生產(chǎn)的油套管性能計(jì)算方法及螺紋連接強(qiáng)度和密封性的實(shí)物實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)^[23-14]。90年代初，李鶴林院士主持引進(jìn)國(guó)際上油套管螺紋連接和密封性評(píng)價(jià)的實(shí)物實(shí)驗(yàn)裝備，建立了國(guó)內(nèi)第一個(gè)油套管實(shí)物性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)室，提出并開展了油套管結(jié)構(gòu)完整性和密封完整性的試驗(yàn)評(píng)價(jià)和研究^[25]。“九五”期間，石油管工程技術(shù)研究院張平生教授主持開展了含缺陷鉆桿的適用性評(píng)價(jià)方法研究，形成了鉆桿安全可靠性評(píng)價(jià)技術(shù)^[26]。近年來(lái)，石油管工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司科技管理部的支持下，持續(xù)開展了油氣井管柱完整性技術(shù)研究，取得了多項(xiàng)重要研究成果^[27]。

2010年以來(lái)，筆者在相關(guān)的國(guó)際會(huì)議和學(xué)術(shù)技術(shù)研討會(huì)上先后作了“油井管柱的完整性與完整性管理”、“石油管失效分析預(yù)測(cè)預(yù)防與完整性管理”“三超”(超深、超高溫、超高壓)氣井油套管柱的完整性”“對(duì)塔里木‘三超’氣井管柱完整性的認(rèn)識(shí)與建議”等報(bào)告或發(fā)表相關(guān)文章^[28-32]。2013年以來(lái)，李鶴林院士以“油套管柱的失效控制與完整性管理技術(shù)”為題在院內(nèi)外作了多次學(xué)術(shù)報(bào)告。

近20年來(lái)，石油天然氣井深平均增加了一倍以上，井內(nèi)溫度、壓力相應(yīng)提高；一些地質(zhì)和環(huán)境條件十分苛刻的油氣田，包括嚴(yán)酷腐蝕環(huán)境油氣出相繼投入開發(fā)；鉆井提速、鉆井和完井新技術(shù)、新工藝陸續(xù)投入使用。油氣井管材及管柱的失效模式發(fā)生了重要變化，失效事故頻發(fā)對(duì)油氣田生產(chǎn)和安全造成嚴(yán)重影響，而失效事故頻發(fā)的根本原因是對(duì)油氣井管材及管柱系統(tǒng)的完整性和可靠性缺乏系統(tǒng)全面的考慮和管理，其中的某一個(gè)或多個(gè)環(huán)節(jié)成為薄弱環(huán)節(jié)。所以提出要進(jìn)一步發(fā)展油氣井管材及管柱完整性技術(shù)和實(shí)行完整性管理，從而大大降低油氣井管材及管柱失效發(fā)生率，獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。完整性技；忙和完整性管理是預(yù)防油氣井管材及管柱失效、確保長(zhǎng)期安全服役的重要措施。

油氣井管材及管柱的完整性管理指對(duì)所有影響油氣井管材及管柱完整性的因素進(jìn)行綜合的、一體化的管理。完整性是一種綜合技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和管理的理念，它貫穿于油氣井管材及管柱整個(gè)壽命周期的全過(guò)程。油氣井管材及管柱完整性的本質(zhì)和核心是油氣井管材及管柱全壽命周期的安全可靠性和經(jīng)濟(jì)性。油氣井管材及管柱完整性與管柱設(shè)計(jì)、管材制造、質(zhì)量評(píng)價(jià)與控制、現(xiàn)場(chǎng)使用、維護(hù)、檢修和管理等過(guò)程密切相關(guān)。油氣井管材及管柱完整性的主要內(nèi)容包括：特定工況條件分析(力學(xué)條件、環(huán)境條件等)，數(shù)據(jù)采集、匯總及分析，風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別、分類、失效分析、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，管柱設(shè)計(jì)、管材選用、適用性評(píng)價(jià)，目標(biāo)可靠度確芙三及可靠性設(shè)計(jì)、壽命預(yù)測(cè)，完整性評(píng)價(jià)(適用性評(píng)價(jià)、安全可靠性評(píng)估、壽命預(yù)測(cè))，完整性評(píng)價(jià)結(jié)果的決策、響應(yīng)及反饋(修改設(shè)計(jì)、重新選材、強(qiáng)化管材制造質(zhì)量控制、加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)使用／維護(hù)／檢修等過(guò)程管理)、風(fēng)險(xiǎn)控制(失效控制)，完整性管理體系、標(biāo)準(zhǔn)及作業(yè)文件。而基于可靠性的管柱設(shè)計(jì)、基于應(yīng)變的管柱(管線)設(shè)計(jì)、適用性評(píng)價(jià)、安全可靠性評(píng)價(jià)技術(shù)是油氣井管材及管柱完整性技術(shù)發(fā)展的重要方向。

“九五”期間，中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司石油管工程技術(shù)研究院(以下簡(jiǎn)稱管研院)與相關(guān)單位合作，研究建立了鉆桿安全可靠性評(píng)價(jià)技術(shù)及軟件(圖1)，隨后義上升為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在石油鉆桿失效分析和安全評(píng)價(jià)中得到應(yīng)用^[26，33]。主要功能包括：損傷鉆桿的安全性評(píng)價(jià)(FAD評(píng)價(jià)與極限缺陷尺寸曲線)；韋與桿疲勞壽命預(yù)測(cè)；鉆桿安全可靠性及風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)；鉆桿的操作極限(包括API RP 7G的內(nèi)容)；鉆桿斷裂事故原因的定量分析。主要技術(shù)創(chuàng)新成果包括：

1)研究解決了鉆桿裂紋型缺陷失效評(píng)價(jià)圖關(guān)鍵技術(shù)，包括韌性比(Kr)和載荷比(Lr)的計(jì)算方法；采用有限元方法對(duì)鉆桿進(jìn)行了系統(tǒng)的應(yīng)力計(jì)算分析，并求得鉆桿裂紋型缺陷的應(yīng)力強(qiáng)度因子解。

2)采用強(qiáng)度和韌性雙判據(jù)進(jìn)行鉆桿疲勞壽命預(yù)測(cè)；以可靠性理論為基礎(chǔ)，系統(tǒng)解決了FAD中處理不確定性問(wèn)題的4種方法：①敏感性分析。完成了7參數(shù)(一次應(yīng)力、屈服強(qiáng)度、斷裂韌性、裂紋深度、裂紋長(zhǎng)度、外徑、壁厚)敏感性分析。②安全系數(shù)(裕度)。完成了4參數(shù)(載荷、韌性、裂紋深度、裂紋長(zhǎng)度)安全裕度計(jì)算。③分安全系數(shù)(PSF)：將3種風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的應(yīng)力、缺陷尺度、斷裂韌性的分安全系數(shù)引入評(píng)價(jià)軟件。④失效概率的MONTE-CARLO模擬。完成了5參數(shù)(一次應(yīng)力、屈服強(qiáng)度、斷裂韌性、裂紋深度、裂紋長(zhǎng)度)快速M(fèi)onte Cario模擬。

3)在國(guó)內(nèi)外首次將含有缺陷結(jié)構(gòu)的適用性評(píng)價(jià)技術(shù)及《鉆柱設(shè)計(jì)和操作極限》(API RP 7G)聯(lián)合用于鉆桿評(píng)價(jià)；自主開發(fā)了功能齊全、使用方便的鉆桿適用性評(píng)價(jià)軟件。

軟件主要功能包括：計(jì)算鉆桿操作極限；損傷鉆桿的FAD評(píng)價(jià)；鉆桿疲勞壽命預(yù)測(cè)；定量失效分析；安全可靠性及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。軟件內(nèi)置有關(guān)鉆桿材料性能數(shù)據(jù)；提供功能強(qiáng)大的鉆井力學(xué)計(jì)算工具。

“十五”以來(lái)，在前期關(guān)于鉆柱構(gòu)件安全韌性判據(jù)研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)API高鋼級(jí)鉆桿和酸性環(huán)境用鉆桿，系統(tǒng)研究建立了鉆桿安全使用的韌性判據(jù)和指標(biāo)^[34-35；同時(shí)，基于累積損傷理論建立了鉆鋌螺紋疲勞壽命計(jì)算模型和方法，以及含裂紋鉆鋌安全可靠性評(píng)價(jià)與壽命預(yù)測(cè)方法^[35]。

在中國(guó)石油集團(tuán)公司“十二五”應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)日“油井管柱完整性技術(shù)研究”的支持下，管研院聯(lián)合中國(guó)石油大學(xué)(華東)，并與加拿大C-FER公司、塔里木油田、新疆油田合作，研究提出了“三超”氣井套管失效概率和可靠性計(jì)算方法^[27]，基于響應(yīng)面的隨機(jī)有限元方法建立了基于可靠性的“三超”氣井特殊螺紋接頭密封極限狀態(tài)模型，提出了基于可靠性的油套管柱密封極限狀態(tài)設(shè)計(jì)與計(jì)算程序。制定了“油氣井管柱完整性管理”石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)圖2。開發(fā)了“油套管柱可靠性設(shè)計(jì)與完整性評(píng)價(jià)系統(tǒng)”軟件。主要技術(shù)創(chuàng)新成果包括：

?

2．2．1確立了“三超”氣井套管柱失效模式與失效概率計(jì)算方法

“三超”氣井套管失效的主要模式分為管體破裂、橫向斷裂、擠毀、螺紋泄漏、滑脫、螺紋斷裂、接箍縱裂、管柱失穩(wěn)等8種。套管各失效模式對(duì)應(yīng)的失效概率為：

?

式中pf泛指套管各種失效形式的失效概率；p(·)為事件概率；Z泛指套管各種失效形式所對(duì)應(yīng)的狀態(tài)值，Z>0說(shuō)明套管沒(méi)有發(fā)生對(duì)應(yīng)形式的失效，Z<0說(shuō)明套管發(fā)生對(duì)應(yīng)形式的失效，Z＝0時(shí)即為套管不發(fā)生對(duì)應(yīng)形式失效的極限狀態(tài)。L泛指套管載荷；RS泛指套管強(qiáng)度；f(·)、g(·)分別為套管載荷和套管強(qiáng)度的概率密度函數(shù)。

2．2．2采用故障樹分析方法，構(gòu)建了“三超”氣井套管柱失效故障樹，形成了套管柱系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)基本流程

系統(tǒng)研究了套管材料強(qiáng)度特性、載荷特性、設(shè)計(jì)安全系數(shù)對(duì)套管柱可靠性的影響規(guī)律。結(jié)果表明，在套管強(qiáng)度隨機(jī)分布參數(shù)確定的情況下，套管的可靠性主要取決于套管載荷的隨機(jī)性。當(dāng)載荷變差系數(shù)較小時(shí)，在較小范圍內(nèi)提高安全系數(shù)，可以使套管具有很高的可靠度，當(dāng)載荷變差系數(shù)較大時(shí)，必須較大幅度提高套管的安全系數(shù)，可使套管具有更高的可靠度。研究發(fā)現(xiàn)，套管的抗內(nèi)壓可靠度、抗拉可靠度與安全系數(shù)之間具有相同的規(guī)律。

2．2．3初步建立了基于可靠性的油氣井管柱強(qiáng)度和密封性計(jì)算模型、計(jì)算方法和判據(jù)，形成了“三超”氣井油套管柱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和密封性評(píng)價(jià)方法

初步建立了強(qiáng)度失效準(zhǔn)則：用危險(xiǎn)部位的等效塑性應(yīng)變來(lái)評(píng)估接頭的結(jié)構(gòu)承載能力，推薦10％的塑性應(yīng)變值作為評(píng)估閾值。

初步建立了特殊螺紋接頭密封失效準(zhǔn)則：特殊螺紋接頭密封性用密封接觸強(qiáng)度f(wàn)s來(lái)表示，由密封接觸應(yīng)力sc在有效密封寬度x上積分來(lái)定義：fc＝òscdx。

接頭密封性能所需的密封接觸強(qiáng)度最小值為250N／mm。

2．2．4采用基于響應(yīng)面方法的隨機(jī)有限元方法，建立了“三超”氣井套管密封可靠性設(shè)計(jì)的極限狀態(tài)方程和計(jì)算程序

2．2．5初步建立了油氣井管柱完整性管理流程，形成石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《油氣井管柱完整性管理》，為解決目標(biāo)區(qū)塊高溫高壓氣井井筒完整性問(wèn)題提供了參考

2．2．6開發(fā)形成《套管柱可靠性設(shè)計(jì)與完整性評(píng)價(jià)系統(tǒng)》工程應(yīng)用軟件，可應(yīng)用于“三超”氣井套管柱的可靠性分析評(píng)價(jià)

系統(tǒng)研究獲得了“三超”氣井油管腐蝕失效特征及影響因素，揭示了超級(jí)13Cr油管的耐蝕性隨溫度、CO2分壓、Cl^-濃度和流速以及酸化環(huán)境、完井液、加載應(yīng)力的變化規(guī)律、腐蝕行為和特征，形成了一套基于井筒全壽命周期的腐蝕完整性選材評(píng)價(jià)技術(shù)^[27]，并聯(lián)合開發(fā)了用于模擬油套管井下服役工況的實(shí)物拉伸應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)系統(tǒng)，為塔里木“三超”氣田油管選材提供決策依據(jù)。

2．3．1研究揭示了溫度、CO2分壓、流速和Cl^-濃度等主要腐蝕因素對(duì)超級(jí)13Cr油管材料的影響規(guī)律

圖3反映出腐蝕速率隨溫度增加而增大，在CO2分壓3MPa、Cl^-濃度為50mg／L時(shí)腐蝕速率最大，當(dāng)流速達(dá)到某一臨界值時(shí)，腐蝕速率不受流速影響。

?

2．3．2碳鋼、13Cr、15Cr油套管材料在“三超”氣井中均會(huì)產(chǎn)生腐蝕問(wèn)題

鮮酸酸化是造成油套管腐蝕的主要因素，超級(jí)13Cr油套管基本可以滿足庫(kù)車山前工況要求，不同生產(chǎn)廠家的超級(jí)l3Cr其耐蝕性存在較大的差異性。①油套管在170℃的超高溫工況下發(fā)生了不同程度的局部腐蝕，可見(jiàn)微觀點(diǎn)蝕坑。②超級(jí)13Cr管材的力學(xué)性能和耐蝕性能滿足庫(kù)車山前地區(qū)的“三超”氣井工況，但經(jīng)過(guò)酸化壓裂后油管出現(xiàn)腐蝕失效。③超級(jí)13Cr油管材質(zhì)的耐蝕性基本能夠滿足酸化壓裂和生產(chǎn)要求。其腐蝕(點(diǎn)蝕)主要發(fā)生在鮮酸酸化階段，單獨(dú)殘酸返排過(guò)程和地層水生產(chǎn)工況對(duì)超級(jí)13Cr腐蝕較輕。④超級(jí)13Cr油管在鮮酸腐蝕的基礎(chǔ)上，鮮酸腐蝕與殘酸返排過(guò)程和生產(chǎn)工況之間存在協(xié)同腐蝕效應(yīng)(全程酸化過(guò)程中油管總體腐蝕遠(yuǎn)大于獨(dú)立鮮酸酸化過(guò)程和殘酸返排過(guò)程腐蝕之和)。⑤不同廠家超級(jí)13Cr管材在同樣的腐蝕環(huán)境中腐蝕速率差別較大，因此需根據(jù)訂貨技術(shù)條件進(jìn)行嚴(yán)格產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性評(píng)價(jià)。

2．3．3研究揭示了“三超”氣井油管管體和接箍在有機(jī)鹽環(huán)空保護(hù)液中的外壁發(fā)生沿晶應(yīng)力腐蝕開裂的機(jī)理

2．3．4研究建立了基于氣井全壽命周期的油管選材與評(píng)價(jià)方法

包含酸化壓裂、完井生產(chǎn)2個(gè)作業(yè)過(guò)程，鮮酸酸化、殘酸返排、凝析水、地層水、完井液5個(gè)工況環(huán)境+恒定載荷、交變載荷、管柱震顫3個(gè)力學(xué)因素，斷裂、腐蝕、泄漏3種主要失效模式。

2．3．5聯(lián)合研發(fā)了可模擬油套管井下服役工況的實(shí)物拉伸應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)系統(tǒng)，形成了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方法

該裝置研究了酸化壓裂過(guò)程中酸液腐蝕因素和內(nèi)壓+拉伸力學(xué)因素協(xié)同作用造成的實(shí)物油管發(fā)生點(diǎn)蝕應(yīng)力腐蝕失效。

可用于模擬油氣田井下高溫、高壓、高流速及腐蝕和受力環(huán)境以及井下酸化作業(yè)環(huán)境石油專用管管材的耐蝕性能評(píng)價(jià)、油套管密封結(jié)構(gòu)的可靠性檢測(cè)和評(píng)估、材料的耐蝕性及密封可靠性的影響因素及其作用規(guī)律研究。