【突破“卡脖子”技術(shù)你最?！刻旃茼?yè)巖氣套管破“深層”之困

2022-03-29 10:12:00

中國冶金報中國鋼鐵新聞網(wǎng)

記者何惠平王起津實(shí)習記者賈林海報道

實(shí)習記者朱亞明攝影

　　1988年12月18日，被列為國家“八五”重點(diǎn)工程的天津無(wú)縫鋼管項目在渤海之濱打下了第一根樁。1992年12月4日，代表20世紀90年代世界先進(jìn)水平的MPM限動(dòng)芯棒連軋管機組熱負荷試車(chē)一次成功，掀開(kāi)了我國無(wú)縫鋼管行業(yè)嶄新的一頁(yè)。

　　經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，天津鋼管制造有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)天管）的無(wú)縫鋼管在生產(chǎn)規模、工藝技術(shù)、科技研發(fā)、品種規格等方面均具備了行業(yè)競爭優(yōu)勢，擁有年產(chǎn)350萬(wàn)噸無(wú)縫鋼管的生產(chǎn)能力，累計為用戶(hù)供應優(yōu)質(zhì)無(wú)縫鋼管4800余萬(wàn)噸，其中石油套管2100余萬(wàn)噸。

　　如今，從荒蕪的沙漠到浩瀚的海洋，從高聳的井架到輸送天然氣的管網(wǎng)，從電站鍋爐到深海管線(xiàn)，從三峽大壩到“鳥(niǎo)巢”（國家體育場(chǎng)），從“華龍一號”核電站到海上鉆井平臺……印有“TPCO”天管標識的無(wú)縫鋼管已經(jīng)遍布世界各地。

圖為整裝待發(fā)的天管頁(yè)巖氣套管

　　從國產(chǎn)化到本土化，實(shí)現頁(yè)巖氣套管研發(fā)突破

　　1993年11月2日，天管第一支石油套管順利下線(xiàn)，我國從此結束了石油套管依賴(lài)進(jìn)口的歷史，甩掉了用“洋管”的帽子。10多年后，我國能源套管發(fā)展遇到了新的瓶頸。隨著(zhù)常規天然氣資源的減少及開(kāi)發(fā)技術(shù)的進(jìn)步，頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)越來(lái)越成為我國能源結構乃至經(jīng)濟結構優(yōu)化發(fā)展的戰略性需求。據了解，我國目前已經(jīng)頒發(fā)頁(yè)巖氣探礦權54個(gè)，已探明地質(zhì)儲量達到1635.31億立方米，儲量較為豐富。

　　這種蘊藏在頁(yè)巖層的天然氣資源迎來(lái)了廣闊的發(fā)展前景。然而，我國頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)用套管（簡(jiǎn)稱(chēng)頁(yè)巖氣套管）難以適配國內頁(yè)巖氣開(kāi)采難度較大的要求。

　　“與美國頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)歷史相比，我國尚處在初級階段。況且，我國頁(yè)巖氣儲層具有地質(zhì)條件復雜、頁(yè)巖層埋藏深、地層壓力系數高、斷層天然裂縫發(fā)育明顯、層理性明顯等特點(diǎn)?！碧旃芸偣こ處焺⒔鸷Ｖ苯亓水數卣f(shuō)，“我國頁(yè)巖氣開(kāi)采難度遠比國外大?！?/div>

　　“首先必須明確的是，深層頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)用高性能套管產(chǎn)品的研發(fā)，不是別人卡我們的脖子，而是我國深層頁(yè)巖氣的復雜地質(zhì)條件卡了我們的脖子?！眲⒔鸷Ｕf(shuō)，“并不是這類(lèi)產(chǎn)品國外能生產(chǎn)而我國不能生產(chǎn)，而是要研發(fā)出更適合我國地質(zhì)條件的頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)專(zhuān)用套管。這對天管來(lái)說(shuō)責無(wú)旁貸！”

　　承擔這項重任，天管的底氣是什么？劉金海告訴《中國冶金報》記者，作為中國石油套管生產(chǎn)基地，天管在生產(chǎn)制造無(wú)縫鋼管，特別是高強度、高抗擠毀套管方面具有明顯優(yōu)勢。首先，制造設備先進(jìn)。天管引進(jìn)了一大批先進(jìn)的無(wú)縫鋼管制造設備和檢測手段，尤其是最早從德國引進(jìn)的PQF高精度三輥連軋機組，軋制尺寸精度較高。其次，研發(fā)實(shí)力雄厚。天管擁有國際先進(jìn)的整管力學(xué)評價(jià)設備，以及經(jīng)驗豐富的螺紋研究專(zhuān)家和套管研究專(zhuān)家。最后，應用業(yè)績(jì)豐富。無(wú)論是從產(chǎn)品應用范圍的廣度，還是從應用時(shí)間的長(cháng)度來(lái)看，天管的產(chǎn)品都經(jīng)過(guò)了時(shí)間、環(huán)境的考驗，獲得了用戶(hù)和市場(chǎng)的信賴(lài)。

　　“我國油田里最難打、最深的井，用的基本都是天管的產(chǎn)品，甚至用戶(hù)還用天管為其提供的設計方案。原因何在？因為用戶(hù)往往在最初設計井身結構時(shí)，就會(huì )先跟天管溝通這口井怎么打、用什么扣型、用什么鋼級。從設計的初級階段就與天管進(jìn)行深入的技術(shù)交流?！碧旃茕N(xiāo)售總公司國內貿易部部長(cháng)助理楊健坦言，“盡管有時(shí)候用戶(hù)嘴上沒(méi)說(shuō)，但能感受到他們對天管的期待和信任?！?/div>

　　為加快國內深層頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)進(jìn)程、助力我國能源行業(yè)發(fā)展提速，自2010年開(kāi)始，天管展開(kāi)了頁(yè)巖氣套損機理分析、套管受非均勻載荷及彎曲下外壓載荷發(fā)生變形的有限元分析和評價(jià)、頁(yè)巖氣特殊管柱技術(shù)及配套套管開(kāi)發(fā)、套管使用環(huán)境的優(yōu)化等一系列研究工作。

圖為工作人員正在對石油套管內部螺紋檢測

　　直到2016年，天管正式開(kāi)始頁(yè)巖氣套管的下井壓裂試驗。經(jīng)過(guò)試驗，套管壓裂后依然完好，實(shí)現了套損率“0”的突破，而采用常規套管的套損率接近50%。

圖為石油套管產(chǎn)品進(jìn)行理化檢測

　　一如建廠(chǎng)時(shí)所秉承的初心，從最初肩負套管?chē)a(chǎn)化的重任到攻克深層頁(yè)巖氣套管“卡脖子”難題，天管始終堅定行進(jìn)在鋼鐵報國的道路上。

　　從50%到小于10%，取得套損率大幅降低的成果

　　“實(shí)際上，我們最初對深層頁(yè)巖氣套管研發(fā)的困難和認識并不充分，僅僅認為它是用來(lái)開(kāi)采頁(yè)巖氣的普通抗擠毀套管?！被貞浧鹧邪l(fā)初期對套管使用工況的認知，天管技術(shù)中心副主任張哲平仍深有感觸。

　　“美國頁(yè)巖氣井基本都是淺層井，地層壓力、打井密度、壓裂壓力都沒(méi)有我國苛刻?！彼M(jìn)一步介紹，“美國頁(yè)巖氣井使用110鋼級套管即可，但在我國不行?！?/div>

　　隨著(zhù)應用的深入推進(jìn)，天管研發(fā)團隊發(fā)現頁(yè)巖氣套管的使用環(huán)境和受力狀況非常復雜且苛刻，也意識到了在北美頁(yè)巖氣市場(chǎng)應用廣泛的套管并不能直接應用到我國頁(yè)巖氣片區，否則會(huì )在壓裂過(guò)程中出現不同程度的套損。

　　“我國頁(yè)巖氣井的特殊性讓我們不得不重新找出套損的主要原因，找到降低套損的方法，并重新設計新的套管?！睆堈芷秸f(shuō)。

　　為此，天管研發(fā)團隊深入國內頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)現場(chǎng)，長(cháng)期在四川頁(yè)巖氣井現場(chǎng)跟蹤頁(yè)巖氣井的壓裂過(guò)程，通過(guò)與用戶(hù)的密切合作，找到了套損的主要原因。同時(shí)，天管研發(fā)團隊密切與國內科研機構和高校展開(kāi)合作，探索降低套損的有效方法。

　　經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的研究，天管提出了壓裂導致地應力變化是造成套損的主要原因這一結論，并明確套管在此過(guò)程中主要承受非均勻載荷。

　　造成套損的主要原因找到了，如何提高套管承受非均勻載荷能力又成了新的難題?！胺蔷鶆蜉d荷是新指標，之前沒(méi)有相關(guān)標準，也沒(méi)有評價(jià)試驗方法?！睆堈芷教寡?。

　　通過(guò)與國內研究機構緊密合作，天管研發(fā)團隊開(kāi)展了大量摸索性試驗，建立了一套完善的試驗檢測系統，完成了第一根頁(yè)巖氣套管的全尺寸剪切試驗，制訂了第一個(gè)頁(yè)巖氣套管剪切試驗有限元計算方法，并且進(jìn)行了大量材料的常規性能檢測及整管評價(jià)試驗，最終確定了新的頁(yè)巖氣套管的研發(fā)方向。

圖為天管石油套管產(chǎn)品展示

　　為了最大限度降低套損率，天管?chē)揽厣a(chǎn)指標，設計開(kāi)發(fā)了新鋼種，形成了新的SG系列產(chǎn)品。更加嚴格的尺寸公差及螺紋參數設計，對天管的各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節提出了新的挑戰。為了提高產(chǎn)品合格率，天管各工序技術(shù)人員展開(kāi)技術(shù)攻關(guān)，形成了一套SG系列產(chǎn)品生產(chǎn)控制技術(shù)要點(diǎn)。

　　常規頁(yè)巖氣套管因壓裂施工作業(yè)引起套損的情況非常普遍，每口井的單段套損率普遍接近50%，相當于每開(kāi)發(fā)三四口井就有一口井因為套損而損失掉，嚴重影響我國頁(yè)巖氣井的建設。而天管生產(chǎn)的深層頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)用高性能套管大大降低了套損率，成功將壓裂施工引起的單段套損率降低到10%以下，進(jìn)而大幅提高了油田開(kāi)采的成功率，其性能全面超過(guò)同類(lèi)型套管。

　　據介紹，在接頭抗壓縮強度、接頭抗拉伸強度和管體強韌性能等方面，天管研發(fā)的套管與國際知名企業(yè)同類(lèi)型產(chǎn)品性能相同，達到國際先進(jìn)水平；在抗彎曲、抗擠毀強度和抗內壓強度方面，天管研發(fā)的套管性能更優(yōu)，達到國際領(lǐng)先水平；在管體抵御非均勻載荷能力方面，天管研發(fā)的套管具有明顯優(yōu)勢，可以有效降低我國頁(yè)巖氣井在壓裂施工過(guò)程中套管局部變形的概率。

　　3月11日，《中國冶金報》記者來(lái)到天管管加工廠(chǎng)4號套管線(xiàn)，只見(jiàn)一支支經(jīng)過(guò)“雕琢”的鋼管整齊地排列在料架上，管端的螺紋在燈光的映射下熠熠生輝。這里正在生產(chǎn)供中石化某頁(yè)巖氣項目使用的TP125SG TP-G2 HC氣密封特殊扣套管。

　　“天管生產(chǎn)的深層頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)用高性能套管下井后套損率低，意味著(zhù)安全性強；可以根據需求進(jìn)行10多種套管組合，做到‘適合的才是最好的’，意味著(zhù)經(jīng)濟性強；還可以提供在油田設計開(kāi)發(fā)過(guò)程中全過(guò)程的技術(shù)服務(wù)，意味著(zhù)配套服務(wù)好?！睆堈芷阶院赖叵颉吨袊苯饒蟆酚浾呓榻B，“天管研發(fā)的套管更適用于我國頁(yè)巖氣井的開(kāi)發(fā)。從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，我國使用的頁(yè)巖氣套管優(yōu)于國外同類(lèi)產(chǎn)品?！?/div>

　　從現場(chǎng)到市場(chǎng)，堅守“一項目一產(chǎn)品”的赤誠

　　自2011年成功研發(fā)、2014年大批量應用以來(lái)，天管深層頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)用高性能套管在國內的市場(chǎng)占有率最高達到50%。據不完全統計，近3年來(lái)，天管生產(chǎn)的套管在國內兩個(gè)大型頁(yè)巖氣片區有超過(guò)500口井的應用。

　　2021年，來(lái)自石油行業(yè)的4位院士牽頭，對天管深層頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)用高性能套管進(jìn)行了鑒定，認為“該成果總體達到國際先進(jìn)水平，其中頁(yè)巖氣水平井專(zhuān)用套管及壓裂井筒完整性控制技術(shù)達到了國際領(lǐng)先水平”。

圖為石油套管產(chǎn)品展示

　　在EVI（供應商先期介入）服務(wù)模式愈發(fā)普遍的今天，天管在研發(fā)頁(yè)巖氣專(zhuān)用套管過(guò)程中最讓天管人感動(dòng)的，是用戶(hù)對天管極大的信任。

　　“突破頁(yè)巖氣專(zhuān)用套管‘卡脖子’技術(shù)，更要感謝用戶(hù)給予我們的大力支持，甚至容錯機制。在研發(fā)過(guò)程中，我們要反復更改設計方案、鋼級強度、螺紋扣型、規格尺寸等，但用戶(hù)非常信任、包容、支持我們?！睏罱⌒牢康卣f(shuō)，“只要我們說(shuō)得有理，技術(shù)上也可行，用戶(hù)大多都會(huì )采納我們的方案，這給我們不斷開(kāi)發(fā)產(chǎn)品、提升質(zhì)量、擴大應用帶來(lái)了巨大的勇氣?！?/div>

　　一直以來(lái)，天管極其注重深挖用戶(hù)潛力，以市場(chǎng)需求為中心，深入用戶(hù)一線(xiàn)，尋找用戶(hù)生產(chǎn)中遇到的難點(diǎn)，并要求銷(xiāo)售部門(mén)與技術(shù)中心緊密?chē)@這些難點(diǎn)成立攻關(guān)組，并以天管先進(jìn)的設備和長(cháng)期的鋼種儲備為載體，為用戶(hù)定制開(kāi)發(fā)產(chǎn)品。

　　這與天管的企業(yè)文化不無(wú)關(guān)系?！盁o(wú)論是天管的質(zhì)量文化、服務(wù)文化，還是創(chuàng )新文化，無(wú)一不與用戶(hù)息息相關(guān)?！眲⒔鸷＝榻B，“天管始終堅持以用戶(hù)為中心，以‘精品+服務(wù)’為市場(chǎng)理念，建立市場(chǎng)驅動(dòng)的生產(chǎn)和研發(fā)體系，完善快速響應用戶(hù)需求的組織形式，規范以用戶(hù)為核心的質(zhì)量管控流程，始終致力于為用戶(hù)提供卓越產(chǎn)品、整體解決方案、優(yōu)質(zhì)服務(wù)并創(chuàng )造價(jià)值?！?/div>

　　例如，在我國首個(gè)百億立方米大型頁(yè)巖氣田——中石化涪陵頁(yè)巖氣田使用的氣密封套管產(chǎn)品中，天管產(chǎn)品占有率達到70%以上。該氣田的頁(yè)巖氣井呈“L”型，不僅套管要承受外部壓力和內部壓力的反復交變載荷，大角度的彎曲對鋼管的材質(zhì)和扣型也提出了更高的要求。針對這一項目，天管自主研發(fā)了抗擠毀性能更強的管材，并在連接處應用了第二代氣密封扣，還開(kāi)發(fā)了整套計算和評價(jià)實(shí)驗方法，形成了具有中國特色的頁(yè)巖氣管串結構體系。

　　毫不夸張地說(shuō)，天管在保供用戶(hù)的過(guò)程中達到了“一項目一產(chǎn)品”的精細程度。在已銷(xiāo)售的頁(yè)巖氣專(zhuān)用套管中，具有自主知識產(chǎn)權的產(chǎn)品達到85%以上。

　　“為客戶(hù)創(chuàng )造價(jià)值，與客戶(hù)實(shí)現共贏(yíng)?！边@是天管的營(yíng)銷(xiāo)理念，也是天管?chē)鴥葒馐袌?chǎng)齊頭并進(jìn)、逐漸構建起完善的營(yíng)銷(xiāo)服務(wù)保障體系、市場(chǎng)影響力不斷提升的精神內核。不僅如此，天管不斷加大國際市場(chǎng)開(kāi)拓力度，形成了覆蓋全球的營(yíng)銷(xiāo)貿易網(wǎng)絡(luò )，成為世界主要石油公司、工程公司的重要供應商，國際影響力與日俱增。

　　天管是國內同行業(yè)中少數幾個(gè)通過(guò)殼牌、雪佛龍、道達爾、沙特阿美等國際大型石油公司特殊扣油套管認證的無(wú)縫鋼管制造商之一，以及取得道達爾社會(huì )責任（SA8000）認證的企業(yè)。在全球前50強石油公司中，有八成以上公司對天管的產(chǎn)品給予合格認證。天管還被多家公司列為指定供貨商。

圖為天管榮譽(yù)展示臺

　　數十年來(lái)，追求卓越的天管人為石油管材國產(chǎn)化率由20世紀90年代初的不足10%提升到目前的95%以上做出了突出貢獻，實(shí)現了“以產(chǎn)頂進(jìn)”的建廠(chǎng)初心，以智慧汗水為民族工業(yè)發(fā)展增添了亮麗的光彩。如今的天管，在打造以能源用管為代表的技術(shù)含量高、規格品種全、具有競爭力的鋼管企業(yè)上邁出了更加堅定的步伐。

　　“天管將繼續以振興民族工業(yè)、服務(wù)能源行業(yè)為己任，堅持知難而進(jìn)、追求卓越，以打造無(wú)縫鋼管領(lǐng)域專(zhuān)業(yè)化引領(lǐng)型企業(yè)為目標，與國內外合作伙伴攜手一起向未來(lái)?！碧旃芸偨?jīng)理丁華說(shuō)道。

技術(shù)檔案

天管深層頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)用高性能套管研發(fā)與應用

　　品種：ф139.7毫米×12.7毫米、ф127毫米×13毫米、ф144.7毫米×15.2毫米等規格，TP125SG、TP140SG、TP125V、TP140V、TP155V等鋼級，TP-G2、TP-CQ等系列扣型，組合的系列化頁(yè)巖氣用管產(chǎn)品。

　　攻關(guān)梗概：由于我國頁(yè)巖氣儲層地質(zhì)條件復雜、頁(yè)巖層埋藏深、地層壓力系數高、斷層天然裂縫發(fā)育明顯、層理性明顯，國內頁(yè)巖氣開(kāi)采難度遠比國外大。滿(mǎn)足國外頁(yè)巖氣開(kāi)采條件的套管并不適用于國內，我國復雜的地質(zhì)條件卡了我們自己的脖子。作為中國石油套管生產(chǎn)基地的天津鋼管制造有限公司勇挑重擔，通過(guò)開(kāi)展頁(yè)巖氣套損機理分析等一系列研究工作，最終成功研發(fā)出適用于我國頁(yè)巖氣開(kāi)采的高性能套管，為加快國內深層頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)進(jìn)程、助力我國能源行業(yè)發(fā)展提速貢獻了鋼鐵力量。

來(lái)源：中國冶金報-中國鋼鐵新聞網(wǎng)

編輯：張雨恬

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