【突破“卡脖子”技術(shù)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(wǎng)

記者何惠平王起津實習(xí)記者賈林海報道

實習(xí)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(jì)90年代世界先進(jìn)水平的MPM限動芯棒連軋管機組熱負(fù)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(jīng)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(chǎn)規(guī)模、工藝技術(shù)、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(chǎn)350萬噸無縫鋼管的生產(chǎn)能力，累計為用戶供應(yīng)優(yōu)質(zhì)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(wǎng)，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(biāo)識的無縫鋼管已經(jīng)遍布世界各地。

圖為整裝待發(fā)的天管頁巖氣套管

　　從國產(chǎn)化到本土化，實現(xiàn)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(jié)束了石油套管依賴進(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。隨著常規(guī)天然氣資源的減少及開發(fā)技術(shù)的進(jìn)步，頁巖氣開發(fā)越來越成為我國能源結(jié)構(gòu)乃至經(jīng)濟結(jié)構(gòu)優(yōu)化發(fā)展的戰(zhàn)略性需求。據(jù)了解，我國目前已經(jīng)頒發(fā)頁巖氣探礦權(quán)54個，已探明地質(zhì)儲量達(dá)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(nèi)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(zhì)條件復(fù)雜、頁巖層埋藏深、地層壓力系數(shù)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?dāng)?shù)卣f，“我國頁巖氣開采難度遠(yuǎn)比國外大?！?/div>

　　“首先必須明確的是，深層頁巖氣開發(fā)用高性能套管產(chǎn)品的研發(fā)，不是別人卡我們的脖子，而是我國深層頁巖氣的復(fù)雜地質(zhì)條件卡了我們的脖子?！眲⒔鸷Ｕf，“并不是這類產(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)條件的頁巖氣開發(fā)專用套管。這對天管來說責(zé)無旁貸！”

　　承擔(dān)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(shè)備先進(jìn)。天管引進(jìn)了一大批先進(jìn)的無縫鋼管制造設(shè)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)實力雄厚。天管擁有國際先進(jìn)的整管力學(xué)評價設(shè)備，以及經(jīng)驗豐富的螺紋研究專家和套管研究專家。最后，應(yīng)用業(yè)績豐富。無論是從產(chǎn)品應(yīng)用范圍的廣度，還是從應(yīng)用時間的長度來看，天管的產(chǎn)品都經(jīng)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(chǎn)品，甚至用戶還用天管為其提供的設(shè)計方案。原因何在？因為用戶往往在最初設(shè)計井身結(jié)構(gòu)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(shè)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售總公司國內(nèi)貿(mào)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。”

　　為加快國內(nèi)深層頁巖氣開發(fā)進(jìn)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(shù)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(nèi)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(jīng)過試驗，套管壓裂后依然完好，實現(xiàn)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(chǎn)品進(jìn)行理化檢測

　　一如建廠時所秉承的初心，從最初肩負(fù)套管國產(chǎn)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(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

　　“實際上，我們最初對深層頁巖氣套管研發(fā)的困難和認(rèn)識并不充分，僅僅認(rèn)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(rèn)知，天管技術(shù)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(jìn)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(yīng)用的深入推進(jìn)，天管研發(fā)團隊發(fā)現(xiàn)頁巖氣套管的使用環(huán)境和受力狀況非常復(fù)雜且苛刻，也意識到了在北美頁巖氣市場應(yīng)用廣泛的套管并不能直接應(yīng)用到我國頁巖氣片區(qū)，否則會在壓裂過程中出現(xiàn)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(shè)計新的套管?！睆堈芷秸f。

　　為此，天管研發(fā)團隊深入國內(nèi)頁巖氣開發(fā)現(xiàn)場，長期在四川頁巖氣井現(xiàn)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(nèi)科研機構(gòu)和高校展開合作，探索降低套損的有效方法。

　　經(jīng)過一段時間的研究，天管提出了壓裂導(dǎo)致地應(yīng)力變化是造成套損的主要原因這一結(jié)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(biāo)，之前沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，也沒有評價試驗方法?！睆堈芷教寡浴?/div>

　　通過與國內(nèi)研究機構(gòu)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(tǒng)，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(jìn)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(chǎn)品展示

　　為了最大限度降低套損率，天管嚴(yán)控生產(chǎn)指標(biāo)，設(shè)計開發(fā)了新鋼種，形成了新的SG系列產(chǎn)品。更加嚴(yán)格的尺寸公差及螺紋參數(shù)設(shè)計，對天管的各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)提出了新的挑戰(zhàn)。為了提高產(chǎn)品合格率，天管各工序技術(shù)人員展開技術(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。

　　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(dāng)于每開發(fā)三四口井就有一口井因為套損而損失掉，嚴(yán)重影響我國頁巖氣井的建設(shè)。而天管生產(chǎn)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(jìn)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(jù)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(chǎn)品性能相同，達(dá)到國際先進(jìn)水平；在抗彎曲、抗擠毀強度和抗內(nèi)壓強度方面，天管研發(fā)的套管性能更優(yōu)，達(dá)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(jīng)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(chǎn)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(chǎn)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(jù)需求進(jìn)行10多種套管組合，做到‘適合的才是最好的’，意味著經(jīng)濟性強；還可以提供在油田設(shè)計開發(fā)過程中全過程的技術(shù)服務(wù)，意味著配套服務(wù)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(chǎn)品?！?/div>

　　從現(xiàn)場到市場，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(yīng)用以來，天管深層頁巖氣開發(fā)用高性能套管在國內(nèi)的市場占有率最高達(dá)到50%。據(jù)不完全統(tǒng)計，近3年來，天管生產(chǎn)的套管在國內(nèi)兩個大型頁巖氣片區(qū)有超過500口井的應(yīng)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(jìn)行了鑒定，認(rèn)為“該成果總體達(dá)到國際先進(jìn)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(shù)達(dá)到了國際領(lǐng)先水平”。

圖為石油套管產(chǎn)品展示

　　在EVI（供應(yīng)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(shù)，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(fù)更改設(shè)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?！睏罱⌒牢康卣f，“只要我們說得有理，技術(shù)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(chǎn)品、提升質(zhì)量、擴大應(yīng)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(chǎn)中遇到的難點，并要求銷售部門與技術(shù)中心緊密圍繞這些難點成立攻關(guān)組，并以天管先進(jìn)的設(shè)備和長期的鋼種儲備為載體，為用戶定制開發(fā)產(chǎn)品。

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

　　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(chǎn)品中，天管產(chǎn)品占有率達(dá)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(nèi)部壓力的反復(fù)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(yīng)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(jié)構(gòu)體系。

　　毫不夸張地說，天管在保供用戶的過程中達(dá)到了“一項目一產(chǎn)品”的精細(xì)程度。在已銷售的頁巖氣專用套管中，具有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品達(dá)到85%以上。

　　“為客戶創(chuàng)造價值，與客戶實現(xiàn)共贏?！边@是天管的營銷理念，也是天管國內(nèi)國外市場齊頭并進(jìn)、逐漸構(gòu)建起完善的營銷服務(wù)保障體系、市場影響力不斷提升的精神內(nèi)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(mào)易網(wǎng)絡(luò)，成為世界主要石油公司、工程公司的重要供應(yīng)商，國際影響力與日俱增。

　　天管是國內(nèi)同行業(yè)中少數(shù)幾個通過殼牌、雪佛龍、道達(dá)爾、沙特阿美等國際大型石油公司特殊扣油套管認(rèn)證的無縫鋼管制造商之一，以及取得道達(dá)爾社會責(zé)任（SA8000）認(rèn)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(rèn)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(shù)十年來，追求卓越的天管人為石油管材國產(chǎn)化率由20世紀(jì)90年代初的不足10%提升到目前的95%以上做出了突出貢獻(xiàn)，實現(xiàn)了“以產(chǎn)頂進(jìn)”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(shù)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(wù)能源行業(yè)為己任，堅持知難而進(jìn)、追求卓越，以打造無縫鋼管領(lǐng)域?qū)I(yè)化引領(lǐng)型企業(yè)為目標(biāo)，與國內(nèi)外合作伙伴攜手一起向未來?！碧旃芸偨?jīng)理丁華說道。

技術(shù)檔案

天管深層頁巖氣開發(fā)用高性能套管研發(fā)與應(yīng)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(chǎn)品。

　　攻關(guān)梗概：由于我國頁巖氣儲層地質(zhì)條件復(fù)雜、頁巖層埋藏深、地層壓力系數(shù)高、斷層天然裂縫發(fā)育明顯、層理性明顯，國內(nèi)頁巖氣開采難度遠(yuǎn)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(nèi)，我國復(fù)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?fù)?dān)，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(nèi)深層頁巖氣開發(fā)進(jìn)程、助力我國能源行業(yè)發(fā)展提速貢獻(xiàn)了鋼鐵力量。

來源：中國冶金報-中國鋼鐵新聞網(wǎng)

編輯：張雨恬

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