天管页岩气套管破“深层”之困
2022-04-18 来源:安钢股份、方大钢铁、中国冶金报等
摘要
【突破“卡脖子”技术你最牛】天管页岩气套管破“深层”之困

小编引言:1988年12月18日,被列为国家“八五”重点工程的天津无缝钢管项目在渤海之滨打下了第一根桩。1992年12月4日,代表20世纪90年代世界先进水平的MPM限动芯棒连轧管机组热负荷试车一次成功,掀开了我国无缝钢管行业崭新的一页。   

 

经过多年的发展,天津钢管制造有限公司(以下简称天管)的无缝钢管在生产规模、工艺技术、科技研发、品种规格等方面均具备了行业竞争优势,拥有年产350万吨无缝钢管的生产能力,累计为用户供应优质无缝钢管4800余万吨,其中石油套管2100余万吨。  

 

如今,从荒芜的沙漠到浩瀚的海洋,从高耸的井架到输送天然气的管网,从电站锅炉到深海管线,从三峡大坝到“鸟巢”(国家体育场),从“华龙一号”核电站到海上钻井平台……印有“TPCO”天管标识的无缝钢管已经遍布世界各地。 图为整装待发的天管页岩气套管  

 

从国产化到本土化,实现页岩气套管研发突破   

 

1993年11月2日,天管第一支石油套管顺利下线,我国从此结束了石油套管依赖进口的历史,甩掉了用“洋管”的帽子。10多年后,我国能源套管发展遇到了新的瓶颈。随着常规天然气资源的减少及开发技术的进步,页岩气开发越来越成为我国能源结构乃至经济结构优化发展的战略性需求。据了解,我国目前已经颁发页岩气探矿权54个,已探明地质储量达到1635.31亿立方米,储量较为丰富。   

 

这种蕴藏在页岩层的天然气资源迎来了广阔的发展前景。然而,我国页岩气开发用套管(简称页岩气套管)难以适配国内页岩气开采难度较大的要求。   

 

“与美国页岩气开发历史相比,我国尚处在初级阶段。况且,我国页岩气储层具有地质条件复杂、页岩层埋藏深、地层压力系数高、断层天然裂缝发育明显、层理性明显等特点。”天管总工程师刘金海直截了当地说,“我国页岩气开采难度远比国外大。”   

 

“首先必须明确的是,深层页岩气开发用高性能套管产品的研发,不是别人卡我们的脖子,而是我国深层页岩气的复杂地质条件卡了我们的脖子。”刘金海说,“并不是这类产品国外能生产而我国不能生产,而是要研发出更适合我国地质条件的页岩气开发专用套管。这对天管来说责无旁贷!”   

 

承担这项重任,天管的底气是什么?刘金海告诉《中国冶金报》记者,作为中国石油套管生产基地,天管在生产制造无缝钢管,特别是高强度、高抗挤毁套管方面具有明显优势。首先,制造设备先进。天管引进了一大批先进的无缝钢管制造设备和检测手段,尤其是最早从德国引进的PQF高精度三辊连轧机组,轧制尺寸精度较高。其次,研发实力雄厚。天管拥有国际先进的整管力学评价设备,以及经验丰富的螺纹研究专家和套管研究专家。最后,应用业绩丰富。无论是从产品应用范围的广度,还是从应用时间的长度来看,天管的产品都经过了时间、环境的考验,获得了用户和市场的信赖。   

 

“我国油田里最难打、最深的井,用的基本都是天管的产品,甚至用户还用天管为其提供的设计方案。原因何在?因为用户往往在最初设计井身结构时,就会先跟天管沟通这口井怎么打、用什么扣型、用什么钢级。从设计的初级阶段就与天管进行深入的技术交流。”天管销售总公司国内贸易部部长助理杨健坦言,“尽管有时候用户嘴上没说,但能感受到他们对天管的期待和信任。”   

 

为加快国内深层页岩气开发进程、助力我国能源行业发展提速,自2010年开始,天管展开了页岩气套损机理分析、套管受非均匀载荷及弯曲下外压载荷发生变形的有限元分析和评价、页岩气特殊管柱技术及配套套管开发、套管使用环境的优化等一系列研究工作。 

 

直到2016年,天管正式开始页岩气套管的下井压裂试验。经过试验,套管压裂后依然完好,实现了套损率“0”的突破,而采用常规套管的套损率接近50%。 图为石油套管产品进行理化检测   

 

一如建厂时所秉承的初心,从最初肩负套管国产化的重任到攻克深层页岩气套管“卡脖子”难题,天管始终坚定行进在钢铁报国的道路上。    

 

从50%到小于10%,取得套损率大幅降低的成果   

 

“实际上,我们最初对深层页岩气套管研发的困难和认识并不充分,仅仅认为它是用来开采页岩气的普通抗挤毁套管。”回忆起研发初期对套管使用工况的认知,天管技术中心副主任张哲平仍深有感触。   

 

“美国页岩气井基本都是浅层井,地层压力、打井密度、压裂压力都没有我国苛刻。”她进一步介绍,“美国页岩气井使用110钢级套管即可,但在我国不行。”   

 

随着应用的深入推进,天管研发团队发现页岩气套管的使用环境和受力状况非常复杂且苛刻,也意识到了在北美页岩气市场应用广泛的套管并不能直接应用到我国页岩气片区,否则会在压裂过程中出现不同程度的套损。   

 

“我国页岩气井的特殊性让我们不得不重新找出套损的主要原因,找到降低套损的方法,并重新设计新的套管。”张哲平说。   

 

为此,天管研发团队深入国内页岩气开发现场,长期在四川页岩气井现场跟踪页岩气井的压裂过程,通过与用户的密切合作,找到了套损的主要原因。同时,天管研发团队密切与国内科研机构和高校展开合作,探索降低套损的有效方法。   

 

经过一段时间的研究,天管提出了压裂导致地应力变化是造成套损的主要原因这一结论,并明确套管在此过程中主要承受非均匀载荷。   

 

造成套损的主要原因找到了,如何提高套管承受非均匀载荷能力又成了新的难题。“非均匀载荷是新指标,之前没有相关标准,也没有评价试验方法。”张哲平坦言。   

 

通过与国内研究机构紧密合作,天管研发团队开展了大量摸索性试验,建立了一套完善的试验检测系统,完成了第一根页岩气套管的全尺寸剪切试验,制订了第一个页岩气套管剪切试验有限元计算方法,并且进行了大量材料的常规性能检测及整管评价试验,最终确定了新的页岩气套管的研发方向。 图为天管石油套管产品展示   

 

为了最大限度降低套损率,天管严控生产指标,设计开发了新钢种,形成了新的SG系列产品。更加严格的尺寸公差及螺纹参数设计,对天管的各个生产环节提出了新的挑战。为了提高产品合格率,天管各工序技术人员展开技术攻关,形成了一套SG系列产品生产控制技术要点。   

 

常规页岩气套管因压裂施工作业引起套损的情况非常普遍,每口井的单段套损率普遍接近50%,相当于每开发三四口井就有一口井因为套损而损失掉,严重影响我国页岩气井的建设。而天管生产的深层页岩气开发用高性能套管大大降低了套损率,成功将压裂施工引起的单段套损率降低到10%以下,进而大幅提高了油田开采的成功率,其性能全面超过同类型套管。   

 

据介绍,在接头抗压缩强度、接头抗拉伸强度和管体强韧性能等方面,天管研发的套管与国际知名企业同类型产品性能相同,达到国际先进水平;在抗弯曲、抗挤毁强度和抗内压强度方面,天管研发的套管性能更优,达到国际领先水平;在管体抵御非均匀载荷能力方面,天管研发的套管具有明显优势,可以有效降低我国页岩气井在压裂施工过程中套管局部变形的概率。   

 

3月11日,《中国冶金报》记者来到天管管加工厂4号套管线,只见一支支经过“雕琢”的钢管整齐地排列在料架上,管端的螺纹在灯光的映射下熠熠生辉。这里正在生产供中石化某页岩气项目使用的TP125SG TP-G2 HC气密封特殊扣套管。   

 

“天管生产的深层页岩气开发用高性能套管下井后套损率低,意味着安全性强;可以根据需求进行10多种套管组合,做到‘适合的才是最好的’,意味着经济性强;还可以提供在油田设计开发过程中全过程的技术服务,意味着配套服务好。”张哲平自豪地向《中国冶金报》记者介绍,“天管研发的套管更适用于我国页岩气井的开发。从这个角度来说,我国使用的页岩气套管优于国外同类产品。”    

 

从现场到市场,坚守“一项目一产品”的赤诚   

 

自2011年成功研发、2014年大批量应用以来,天管深层页岩气开发用高性能套管在国内的市场占有率最高达到50%。据不完全统计,近3年来,天管生产的套管在国内两个大型页岩气片区有超过500口井的应用。   

 

2021年,来自石油行业的4位院士牵头,对天管深层页岩气开发用高性能套管进行了鉴定,认为“该成果总体达到国际先进水平,其中页岩气水平井专用套管及压裂井筒完整性控制技术达到了国际领先水平”。

 

在EVI(供应商先期介入)服务模式愈发普遍的今天,天管在研发页岩气专用套管过程中最让天管人感动的,是用户对天管极大的信任。   

 

“突破页岩气专用套管‘卡脖子’技术,更要感谢用户给予我们的大力支持,甚至容错机制。在研发过程中,我们要反复更改设计方案、钢级强度、螺纹扣型、规格尺寸等,但用户非常信任、包容、支持我们。”杨健欣慰地说,“只要我们说得有理,技术上也可行,用户大多都会采纳我们的方案,这给我们不断开发产品、提升质量、扩大应用带来了巨大的勇气。”   

 

一直以来,天管极其注重深挖用户潜力,以市场需求为中心,深入用户一线,寻找用户生产中遇到的难点,并要求销售部门与技术中心紧密围绕这些难点成立攻关组,并以天管先进的设备和长期的钢种储备为载体,为用户定制开发产品。   

 

这与天管的企业文化不无关系。“无论是天管的质量文化、服务文化,还是创新文化,无一不与用户息息相关。”刘金海介绍,“天管始终坚持以用户为中心,以‘精品+服务’为市场理念,建立市场驱动的生产和研发体系,完善快速响应用户需求的组织形式,规范以用户为核心的质量管控流程,始终致力于为用户提供卓越产品、整体解决方案、优质服务并创造价值。”   

 

例如,在我国首个百亿立方米大型页岩气田——中石化涪陵页岩气田使用的气密封套管产品中,天管产品占有率达到70%以上。该气田的页岩气井呈“L”型,不仅套管要承受外部压力和内部压力的反复交变载荷,大角度的弯曲对钢管的材质和扣型也提出了更高的要求。针对这一项目,天管自主研发了抗挤毁性能更强的管材,并在连接处应用了第二代气密封扣,还开发了整套计算和评价实验方法,形成了具有中国特色的页岩气管串结构体系。   

 

毫不夸张地说,天管在保供用户的过程中达到了“一项目一产品”的精细程度。在已销售的页岩气专用套管中,具有自主知识产权的产品达到85%以上。   

 

“为客户创造价值,与客户实现共赢。”这是天管的营销理念,也是天管国内国外市场齐头并进、逐渐构建起完善的营销服务保障体系、市场影响力不断提升的精神内核。不仅如此,天管不断加大国际市场开拓力度,形成了覆盖全球的营销贸易网络,成为世界主要石油公司、工程公司的重要供应商,国际影响力与日俱增。   

 

天管是国内同行业中少数几个通过壳牌、雪佛龙、道达尔、沙特阿美等国际大型石油公司特殊扣油套管认证的无缝钢管制造商之一,以及取得道达尔社会责任(SA8000)认证的企业。在全球前50强石油公司中,有八成以上公司对天管的产品给予合格认证。天管还被多家公司列为指定供货商。 图为天管荣誉展示台   

 

数十年来,追求卓越的天管人为石油管材国产化率由20世纪90年代初的不足10%提升到目前的95%以上做出了突出贡献,实现了“以产顶进”的建厂初心,以智慧汗水为民族工业发展增添了亮丽的光彩。如今的天管,在打造以能源用管为代表的技术含量高、规格品种全、具有竞争力的钢管企业上迈出了更加坚定的步伐。   

 

“天管将继续以振兴民族工业、服务能源行业为己任,坚持知难而进、追求卓越,以打造无缝钢管领域专业化引领型企业为目标,与国内外合作伙伴携手一起向未来。”天管总经理丁华说道。  

 

技术档案 天管深层页岩气开发用高性能套管研发与应用   

 

品种:ф139.7毫米×12.7毫米、ф127毫米×13毫米、ф144.7毫米×15.2毫米等规格,TP125SG、TP140SG、TP125V、TP140V、TP155V等钢级,TP-G2、TP-CQ等系列扣型,组合的系列化页岩气用管产品。    

 

攻关梗概:由于我国页岩气储层地质条件复杂、页岩层埋藏深、地层压力系数高、断层天然裂缝发育明显、层理性明显,国内页岩气开采难度远比国外大。满足国外页岩气开采条件的套管并不适用于国内,我国复杂的地质条件卡了我们自己的脖子。作为中国石油套管生产基地的天津钢管制造有限公司勇挑重担,通过开展页岩气套损机理分析等一系列研究工作,最终成功研发出适用于我国页岩气开采的高性能套管,为加快国内深层页岩气开发进程、助力我国能源行业发展提速贡献了钢铁力量。

 

关键词:浇铸,机加工,天管页岩气套管

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