【突破“卡脖子”技術你最?！刻旃茼搸r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

記者何惠平王起津實習記者賈林海報道

實習記者朱亞明攝影

　　1988年12月18日，被列為國家“八五”重點工程的天津無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年代世界先進水平的MPM限動芯棒連軋管機組熱負荷試車一次成功，掀開了我國無縫鋼管行業(yè)嶄新的一頁。

　　經過多年的發(fā)展，天津鋼管制造有限公司（以下簡稱天管）的無縫鋼管在生產規(guī)模、工藝技術、科技研發(fā)、品種規(guī)格等方面均具備了行業(yè)競爭優(yōu)勢，擁有年產350萬噸無縫鋼管的生產能力，累計為用戶供應優(yōu)質無縫鋼管4800余萬噸，其中石油套管2100余萬噸。

　　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，從電站鍋爐到深海管線，從三峽大壩到“鳥巢”（國家體育場），從“華龍一號”核電站到海上鉆井平臺……印有“TPCO”天管標識的無縫鋼管已經遍布世界各地。

圖為整裝待發(fā)的天管頁巖氣套管

　　從國產化到本土化，實現頁巖氣套管研發(fā)突破

　　1993年11月2日，天管第一支石油套管順利下線，我國從此結束了石油套管依賴進口的歷史，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。隨著常規(guī)天然氣資源的減少及開發(fā)技術的進步，頁巖氣開發(fā)越來越成為我國能源結構乃至經濟結構優(yōu)化發(fā)展的戰(zhàn)略性需求。據了解，我國目前已經頒發(fā)頁巖氣探礦權54個，已探明地質儲量達到1635.31億立方米，儲量較為豐富。

　　這種蘊藏在頁巖層的天然氣資源迎來了廣闊的發(fā)展前景。然而，我國頁巖氣開發(fā)用套管（簡稱頁巖氣套管）難以適配國內頁巖氣開采難度較大的要求。

　　“與美國頁巖氣開發(fā)歷史相比，我國尚處在初級階段。況且，我國頁巖氣儲層具有地質條件復雜、頁巖層埋藏深、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?！碧旃芸偣こ處焺⒔鸷Ｖ苯亓水數卣f，“我國頁巖氣開采難度遠比國外大。”

　　“首先必須明確的是，深層頁巖氣開發(fā)用高性能套管產品的研發(fā)，不是別人卡我們的脖子，而是我國深層頁巖氣的復雜地質條件卡了我們的脖子?！眲⒔鸷Ｕf，“并不是這類產品國外能生產而我國不能生產，而是要研發(fā)出更適合我國地質條件的頁巖氣開發(fā)專用套管。這對天管來說責無旁貸！”

　　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基地，天管在生產制造無縫鋼管，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。天管引進了一大批先進的無縫鋼管制造設備和檢測手段，尤其是最早從德國引進的PQF高精度三輥連軋機組，軋制尺寸精度較高。其次，研發(fā)實力雄厚。天管擁有國際先進的整管力學評價設備，以及經驗豐富的螺紋研究專家和套管研究專家。最后，應用業(yè)績豐富。無論是從產品應用范圍的廣度，還是從應用時間的長度來看，天管的產品都經過了時間、環(huán)境的考驗，獲得了用戶和市場的信賴。

　　“我國油田里最難打、最深的井，用的基本都是天管的產品，甚至用戶還用天管為其提供的設計方案。原因何在？因為用戶往往在最初設計井身結構時，就會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行深入的技術交流?！碧旃茕N售總公司國內貿易部部長助理楊健坦言，“盡管有時候用戶嘴上沒說，但能感受到他們對天管的期待和信任?！?/div>

　　為加快國內深層頁巖氣開發(fā)進程、助力我國能源行業(yè)發(fā)展提速，自2010年開始，天管展開了頁巖氣套損機理分析、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、頁巖氣特殊管柱技術及配套套管開發(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，天管正式開始頁巖氣套管的下井壓裂試驗。經過試驗，套管壓裂后依然完好，實現了套損率“0”的突破，而采用常規(guī)套管的套損率接近50%。

圖為石油套管產品進行理化檢測

　　一如建廠時所秉承的初心，從最初肩負套管國產化的重任到攻克深層頁巖氣套管“卡脖子”難題，天管始終堅定行進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

　　“實際上，我們最初對深層頁巖氣套管研發(fā)的困難和認識并不充分，僅僅認為它是用來開采頁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，天管技術中心副主任張哲平仍深有感觸。

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

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

　　“我國頁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。”張哲平說。

　　為此，天管研發(fā)團隊深入國內頁巖氣開發(fā)現場，長期在四川頁巖氣井現場跟蹤頁巖氣井的壓裂過程，通過與用戶的密切合作，找到了套損的主要原因。同時，天管研發(fā)團隊密切與國內科研機構和高校展開合作，探索降低套損的有效方法。

　　經過一段時間的研究，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，之前沒有相關標準，也沒有評價試驗方法?！睆堈芷教寡?。

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

圖為天管石油套管產品展示

　　為了最大限度降低套損率，天管嚴控生產指標，設計開發(fā)了新鋼種，形成了新的SG系列產品。更加嚴格的尺寸公差及螺紋參數設計，對天管的各個生產環(huán)節(jié)提出了新的挑戰(zhàn)。為了提高產品合格率，天管各工序技術人員展開技術攻關，形成了一套SG系列產品生產控制技術要點。

　　常規(guī)頁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，嚴重影響我國頁巖氣井的建設。而天管生產的深層頁巖氣開發(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，進而大幅提高了油田開采的成功率，其性能全面超過同類型套管。

　　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)同類型產品性能相同，達到國際先進水平；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巖氣井在壓裂施工過程中套管局部變形的概率。

　　3月11日，《中國冶金報》記者來到天管管加工廠4號套管線，只見一支支經過“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。這里正在生產供中石化某頁巖氣項目使用的TP125SG TP-G2 HC氣密封特殊扣套管。

　　“天管生產的深層頁巖氣開發(fā)用高性能套管下井后套損率低，意味著安全性強；可以根據需求進行10多種套管組合，做到‘適合的才是最好的’，意味著經濟性強；還可以提供在油田設計開發(fā)過程中全過程的技術服務，意味著配套服務好。”張哲平自豪地向《中國冶金報》記者介紹，“天管研發(fā)的套管更適用于我國頁巖氣井的開發(fā)。從這個角度來說，我國使用的頁巖氣套管優(yōu)于國外同類產品?！?/div>

　　從現場到市場，堅守“一項目一產品”的赤誠

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

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

圖為石油套管產品展示

　　在EVI（供應商先期介入）服務模式愈發(fā)普遍的今天，天管在研發(fā)頁巖氣專用套管過程中最讓天管人感動的，是用戶對天管極大的信任。

　　“突破頁巖氣專用套管‘卡脖子’技術，更要感謝用戶給予我們的大力支持，甚至容錯機制。在研發(fā)過程中，我們要反復更改設計方案、鋼級強度、螺紋扣型、規(guī)格尺寸等，但用戶非常信任、包容、支持我們。”楊健欣慰地說，“只要我們說得有理，技術上也可行，用戶大多都會采納我們的方案，這給我們不斷開發(fā)產品、提升質量、擴大應用帶來了巨大的勇氣?！?/div>

　　一直以來，天管極其注重深挖用戶潛力，以市場需求為中心，深入用戶一線，尋找用戶生產中遇到的難點，并要求銷售部門與技術中心緊密圍繞這些難點成立攻關組，并以天管先進的設備和長期的鋼種儲備為載體，為用戶定制開發(fā)產品。

　　這與天管的企業(yè)文化不無關系?！盁o論是天管的質量文化、服務文化，還是創(chuàng)新文化，無一不與用戶息息相關?！眲⒔鸷＝榻B，“天管始終堅持以用戶為中心，以‘精品+服務’為市場理念，建立市場驅動的生產和研發(fā)體系，完善快速響應用戶需求的組織形式，規(guī)范以用戶為核心的質量管控流程，始終致力于為用戶提供卓越產品、整體解決方案、優(yōu)質服務并創(chuàng)造價值?！?/div>

　　例如，在我國首個百億立方米大型頁巖氣田——中石化涪陵頁巖氣田使用的氣密封套管產品中，天管產品占有率達到70%以上。該氣田的頁巖氣井呈“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，還開發(fā)了整套計算和評價實驗方法，形成了具有中國特色的頁巖氣管串結構體系。

　　毫不夸張地說，天管在保供用戶的過程中達到了“一項目一產品”的精細程度。在已銷售的頁巖氣專用套管中，具有自主知識產權的產品達到85%以上。

　　“為客戶創(chuàng)造價值，與客戶實現共贏?！边@是天管的營銷理念，也是天管國內國外市場齊頭并進、逐漸構建起完善的營銷服務保障體系、市場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開拓力度，形成了覆蓋全球的營銷貿易網絡，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)中少數幾個通過殼牌、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縫鋼管制造商之一，以及取得道達爾社會責任（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。

圖為天管榮譽展示臺

　　數十年來，追求卓越的天管人為石油管材國產化率由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，實現了“以產頂進”的建廠初心，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含量高、規(guī)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(xù)以振興民族工業(yè)、服務能源行業(yè)為己任，堅持知難而進、追求卓越，以打造無縫鋼管領域專業(yè)化引領型企業(yè)為目標，與國內外合作伙伴攜手一起向未來?！碧旃芸偨浝矶∪A說道。

技術檔案

天管深層頁巖氣開發(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(guī)格，TP125SG、TP140SG、TP125V、TP140V、TP155V等鋼級，TP-G2、TP-CQ等系列扣型，組合的系列化頁巖氣用管產品。

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

來源：中國冶金報-中國鋼鐵新聞網

編輯：張雨恬

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