摘　要：在回顧油氣井管柱完整性概念的提出與發展歷程的基礎上，介紹了我國在鉆柱構件適用性評價“三超”(超深、超高溫、超高壓)氣井油套管柱可靠性設計與完整性評價、“三超”氣井油管腐蝕行為與評價、熱采井基于應變設計與選材評價技術等方面的最新研究進展及其應用情況。指出現有油氣井管材與管柱技術仍不能滿足“三超”、嚴重腐蝕、非常規、特殊工藝和峙殊結構井等服役環境，進而提出了進一步加強油氣井管柱完整性技術研究與科技攻關的建議：①持續完善和發展中國西部深層油氣勘探開發套管柱優化設計與管材選用及完整性評價技術；②急需建立有針對性的非常規頁巖氣開發套管柱優化設計、選材及完整性評價技術；⑧建立“三超”高含CO2氣井環境及壓裂酸化工況復雜油管優化設計、選材選型、完整性評價技術；④深入研究含缺陷油氣井管柱缺陷檢測、安全評價、風險評估、壽命預測、維修補強等關鍵技術；⑤建立油氣井管柱完整性管理體系和配套的支撐技術體系。

關鍵詞：油井管??油氣井管柱??完整性技術??可靠性設計??腐蝕行為??應變設計??安全評價??中國

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70年代末到80年代初，隨著斷裂力學的發展，國際上提出結構完整性的概念，形成了基于斷裂力學和結構極限承載能力的含缺陷結構能否繼續使用的定量工程評價方法，隨后形成了相應的標準并不斷發展和完善，并在核工業、煉化管道和壓力容器、大型焊接結構、油氣輸送管道等工業領域得到成功應用^[1-14]。80年代初，國內相關單位在開展大量研究工作的基礎上，形成了含缺陷壓力容器的安全評價方法標準，隨后不斷發展完善至90年代中期形成了新的標準，并在壓力容器、管道和焊接結構等領域得到應用^[15-17]。

從20世紀80年代末90年代初開始，國際上提出了基于油氣井管柱的風險評價和可靠性技術的管柱設計和安全系數確定方法^[18-22]。隨后，美國石油學會和國際標準化組織發布了針對新生產的油套管性能計算方法及螺紋連接強度和密封性的實物實驗評價標準^[23-14]。90年代初，李鶴林院士主持引進國際上油套管螺紋連接和密封性評價的實物實驗裝備，建立了國內第一個油套管實物性能評價實驗室，提出并開展了油套管結構完整性和密封完整性的試驗評價和研究^[25]。“九五”期間，石油管工程技術研究院張平生教授主持開展了含缺陷鉆桿的適用性評價方法研究，形成了鉆桿安全可靠性評價技術^[26]。近年來，石油管工程重點實驗室在中國石油天然氣集團公司科技管理部的支持下，持續開展了油氣井管柱完整性技術研究，取得了多項重要研究成果^[27]。

2010年以來，筆者在相關的國際會議和學術技術研討會上先后作了“油井管柱的完整性與完整性管理”、“石油管失效分析預測預防與完整性管理”“三超”(超深、超高溫、超高壓)氣井油套管柱的完整性”“對塔里木‘三超’氣井管柱完整性的認識與建議”等報告或發表相關文章^[28-32]。2013年以來，李鶴林院士以“油套管柱的失效控制與完整性管理技術”為題在院內外作了多次學術報告。

近20年來，石油天然氣井深平均增加了一倍以上，井內溫度、壓力相應提高；一些地質和環境條件十分苛刻的油氣田，包括嚴酷腐蝕環境油氣出相繼投入開發；鉆井提速、鉆井和完井新技術、新工藝陸續投入使用。油氣井管材及管柱的失效模式發生了重要變化，失效事故頻發對油氣田生產和安全造成嚴重影響，而失效事故頻發的根本原因是對油氣井管材及管柱系統的完整性和可靠性缺乏系統全面的考慮和管理，其中的某一個或多個環節成為薄弱環節。所以提出要進一步發展油氣井管材及管柱完整性技術和實行完整性管理，從而大大降低油氣井管材及管柱失效發生率，獲得巨大的經濟效益和社會效益。完整性技；忙和完整性管理是預防油氣井管材及管柱失效、確保長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所有影響油氣井管材及管柱完整性的因素進行綜合的、一體化的管理。完整性是一種綜合技術、經濟和管理的理念，它貫穿于油氣井管材及管柱整個壽命周期的全過程。油氣井管材及管柱完整性的本質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濟性。油氣井管材及管柱完整性與管柱設計、管材制造、質量評價與控制、現場使用、維護、檢修和管理等過程密切相關。油氣井管材及管柱完整性的主要內容包括：特定工況條件分析(力學條件、環境條件等)，數據采集、匯總及分析，風險因素識別、分類、失效分析、風險評估，管柱設計、管材選用、適用性評價，目標可靠度確芙三及可靠性設計、壽命預測，完整性評價(適用性評價、安全可靠性評估、壽命預測)，完整性評價結果的決策、響應及反饋(修改設計、重新選材、強化管材制造質量控制、加強現場使用／維護／檢修等過程管理)、風險控制(失效控制)，完整性管理體系、標準及作業文件。而基于可靠性的管柱設計、基于應變的管柱(管線)設計、適用性評價、安全可靠性評價技術是油氣井管材及管柱完整性技術發展的重要方向。

“九五”期間，中國石油天然氣集團公司石油管工程技術研究院(以下簡稱管研院)與相關單位合作，研究建立了鉆桿安全可靠性評價技術及軟件(圖1)，隨后義上升為行業標準，在石油鉆桿失效分析和安全評價中得到應用^[26，33]。主要功能包括：損傷鉆桿的安全性評價(FAD評價與極限缺陷尺寸曲線)；韋與桿疲勞壽命預測；鉆桿安全可靠性及風險性評價；鉆桿的操作極限(包括API RP 7G的內容)；鉆桿斷裂事故原因的定量分析。主要技術創新成果包括：

1)研究解決了鉆桿裂紋型缺陷失效評價圖關鍵技術，包括韌性比(Kr)和載荷比(Lr)的計算方法；采用有限元方法對鉆桿進行了系統的應力計算分析，并求得鉆桿裂紋型缺陷的應力強度因子解。

2)采用強度和韌性雙判據進行鉆桿疲勞壽命預測；以可靠性理論為基礎，系統解決了FAD中處理不確定性問題的4種方法：①敏感性分析。完成了7參數(一次應力、屈服強度、斷裂韌性、裂紋深度、裂紋長度、外徑、壁厚)敏感性分析。②安全系數(裕度)。完成了4參數(載荷、韌性、裂紋深度、裂紋長度)安全裕度計算。③分安全系數(PSF)：將3種風險等級的應力、缺陷尺度、斷裂韌性的分安全系數引入評價軟件。④失效概率的MONTE-CARLO模擬。完成了5參數(一次應力、屈服強度、斷裂韌性、裂紋深度、裂紋長度)快速Monte Cario模擬。

3)在國內外首次將含有缺陷結構的適用性評價技術及《鉆柱設計和操作極限》(API RP 7G)聯合用于鉆桿評價；自主開發了功能齊全、使用方便的鉆桿適用性評價軟件。

軟件主要功能包括：計算鉆桿操作極限；損傷鉆桿的FAD評價；鉆桿疲勞壽命預測；定量失效分析；安全可靠性及風險評價。軟件內置有關鉆桿材料性能數據；提供功能強大的鉆井力學計算工具。

“十五”以來，在前期關于鉆柱構件安全韌性判據研究的基礎上，針對API高鋼級鉆桿和酸性環境用鉆桿，系統研究建立了鉆桿安全使用的韌性判據和指標^[34-35；同時，基于累積損傷理論建立了鉆鋌螺紋疲勞壽命計算模型和方法，以及含裂紋鉆鋌安全可靠性評價與壽命預測方法^[35]。

在中國石油集團公司“十二五”應用基礎研究項日“油井管柱完整性技術研究”的支持下，管研院聯合中國石油大學(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算方法^[27]，基于響應面的隨機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模型，提出了基于可靠性的油套管柱密封極限狀態設計與計算程序。制定了“油氣井管柱完整性管理”石油天然氣行業標準見圖2。開發了“油套管柱可靠性設計與完整性評價系統”軟件。主要技術創新成果包括：

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2．2．1確立了“三超”氣井套管柱失效模式與失效概率計算方法

“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、管柱失穩等8種。套管各失效模式對應的失效概率為：

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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應的狀態值，Z>0說明套管沒有發生對應形式的失效，Z<0說明套管發生對應形式的失效，Z＝0時即為套管不發生對應形式失效的極限狀態。L泛指套管載荷；RS泛指套管強度；f(·)、g(·)分別為套管載荷和套管強度的概率密度函數。

2．2．2采用故障樹分析方法，構建了“三超”氣井套管柱失效故障樹，形成了套管柱系統可靠性設計基本流程

系統研究了套管材料強度特性、載荷特性、設計安全系數對套管柱可靠性的影響規律。結果表明，在套管強度隨機分布參數確定的情況下，套管的可靠性主要取決于套管載荷的隨機性。當載荷變差系數較小時，在較小范圍內提高安全系數，可以使套管具有很高的可靠度，當載荷變差系數較大時，必須較大幅度提高套管的安全系數，可使套管具有更高的可靠度。研究發現，套管的抗內壓可靠度、抗拉可靠度與安全系數之間具有相同的規律。

2．2．3初步建立了基于可靠性的油氣井管柱強度和密封性計算模型、計算方法和判據，形成了“三超”氣井油套管柱結構強度和密封性評價方法

初步建立了強度失效準則：用危險部位的等效塑性應變來評估接頭的結構承載能力，推薦10％的塑性應變值作為評估閾值。

初步建立了特殊螺紋接頭密封失效準則：特殊螺紋接頭密封性用密封接觸強度fs來表示，由密封接觸應力sc在有效密封寬度x上積分來定義：fc＝òscdx。

接頭密封性能所需的密封接觸強度最小值為250N／mm。

2．2．4采用基于響應面方法的隨機有限元方法，建立了“三超”氣井套管密封可靠性設計的極限狀態方程和計算程序

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標準《油氣井管柱完整性管理》，為解決目標區塊高溫高壓氣井井筒完整性問題提供了參考

2．2．6開發形成《套管柱可靠性設計與完整性評價系統》工程應用軟件，可應用于“三超”氣井套管柱的可靠性分析評價

系統研究獲得了“三超”氣井油管腐蝕失效特征及影響因素，揭示了超級13Cr油管的耐蝕性隨溫度、CO2分壓、Cl^-濃度和流速以及酸化環境、完井液、加載應力的變化規律、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價技術^[27]，并聯合開發了用于模擬油套管井下服役工況的實物拉伸應力腐蝕試驗系統，為塔里木“三超”氣田油管選材提供決策依據。

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超級13Cr油管材料的影響規律

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時腐蝕速率最大，當流速達到某一臨界值時，腐蝕速率不受流速影響。

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2．3．2碳鋼、13Cr、15Cr油套管材料在“三超”氣井中均會產生腐蝕問題

鮮酸酸化是造成油套管腐蝕的主要因素，超級13Cr油套管基本可以滿足庫車山前工況要求，不同生產廠家的超級l3Cr其耐蝕性存在較大的差異性。①油套管在170℃的超高溫工況下發生了不同程度的局部腐蝕，可見微觀點蝕坑。②超級13Cr管材的力學性能和耐蝕性能滿足庫車山前地區的“三超”氣井工況，但經過酸化壓裂后油管出現腐蝕失效。③超級13Cr油管材質的耐蝕性基本能夠滿足酸化壓裂和生產要求。其腐蝕(點蝕)主要發生在鮮酸酸化階段，單獨殘酸返排過程和地層水生產工況對超級13Cr腐蝕較輕。④超級13Cr油管在鮮酸腐蝕的基礎上，鮮酸腐蝕與殘酸返排過程和生產工況之間存在協同腐蝕效應(全程酸化過程中油管總體腐蝕遠大于獨立鮮酸酸化過程和殘酸返排過程腐蝕之和)。⑤不同廠家超級13Cr管材在同樣的腐蝕環境中腐蝕速率差別較大，因此需根據訂貨技術條件進行嚴格產品質量檢驗，并進行實驗室和現場適應性評價。

2．3．3研究揭示了“三超”氣井油管管體和接箍在有機鹽環空保護液中的外壁發生沿晶應力腐蝕開裂的機理

2．3．4研究建立了基于氣井全壽命周期的油管選材與評價方法

包含酸化壓裂、完井生產2個作業過程，鮮酸酸化、殘酸返排、凝析水、地層水、完井液5個工況環境+恒定載荷、交變載荷、管柱震顫3個力學因素，斷裂、腐蝕、泄漏3種主要失效模式。

2．3．5聯合研發了可模擬油套管井下服役工況的實物拉伸應力腐蝕試驗系統，形成了相應的實驗方法

該裝置研究了酸化壓裂過程中酸液腐蝕因素和內壓+拉伸力學因素協同作用造成的實物油管發生點蝕應力腐蝕失效。

可用于模擬油氣田井下高溫、高壓、高流速及腐蝕和受力環境以及井下酸化作業環境石油專用管管材的耐蝕性能評價、油套管密封結構的可靠性檢測和評估、材料的耐蝕性及密封可靠性的影響因素及其作用規律研究。