高性能油井管支撑新能源开采

　当前，美国页岩气产量在快速持续增长。早在2008年，该国包括页岩气在内的非常规天然气产量就已超过全部天然气总产量的50%。页岩气等非常规天然气的开采使美国的天然气产量超过俄国而居世界第一。从美国开始的页岩气革命逐渐波及加拿大、欧洲和中国，各国都在进行页岩气的地质评价和勘探开发。对于日本来说，核电占其电力总量的20%，但核泄漏事件后能否复产尚在探讨中，因此也希望利用页岩气改变其能源形势。

　　对于常规天然气，一旦钻孔到地下矿藏处即可自然喷出。而以非常规天然气为代表的页岩气则在地下100米~2000米的固体页岩的微细裂纹中“休眠”，即使钻孔至该处也难以自然喷出。微细裂纹的宽度为10－9米的纳米级，其空隙的断面积为10－18平方米，即相当于10个甲烷分子的大小。将如此狭窄空隙中封闭的页岩气取出需要扩大通道。

　　将间隙扩大到1万倍的10－14平方米时，气体自然会变为流动状态而被取出。进一步研究得出，尽管气压很低，但在窄缝中存在分子反复跳动的“克努森扩散”现象。由于克努森扩散的理论解释和开发技术的进步，页岩气的回采率达到25%以上。如今，美国的页岩气开采已经商业化。

　　页岩气开采三大技术

　　页岩气开采的主要技术有水平坑井、水压致裂和微地震。

　　水平坑井是上世纪80年代后期开始在世界上为扩大油田产量而采用的技术，其目的是增加接触面积。页岩气的开采井是向地下垂直钻成的，到达页岩层后则沿地层缓慢横向挖掘，在垂直井中插入钢管，在钢管的下端则斜向连接工具，然后横向掘进。在横向掘进中，让横向洞孔像网眼一样遍布在页岩层中。由于接触面积增加，开采量可增至之前的3倍~5倍。

　　水压致裂用于制造阶段性裂口。即使通过水平坑井到达地下页岩层，也难以将封闭在微细裂缝中的页岩气取出，于是采取了使页岩气自然流出的扩大通道的水压致裂技术。该技术是指用500个大气压~1000个大气压的高气压流体冲击页岩，以便生成断面积为10－14平方米以上的大开裂，并将混入的砂粒子流体压入裂纹内，保持一定时间，当压力除去后开裂不会闭合。

　　页岩气开裂的间隔为50米~100米，过去在无间隔下制造开裂，现在又开发成功在一定间隔下制造开裂的多阶段水压致裂技术，从而提高了页岩气的回采率。

　　微地震可用来测示开裂的程度，它是一种模拟技术，能使页岩气的采掘量可计。过去是从地上压力和流量推断地下的状态，因而精度难以把握。微地震技术的原理是：当生产井由水压破碎形成开裂时，对产生的微地震波进行检测和观察，对到达观察井的时间差进行解析以评价开裂广度，从而使气体回采所必要的开裂描绘成为可能。

　　解析页岩气开采用油井管

　　页岩气开采中使用各种钢铁产品，如钻井用钻井管、从地下页岩层开采页岩气的油井管和开采轨道气体的管线管等，其中具有代表性的是油井管。

　　油井管指从地下的页岩层将页岩气运输到地上的轨道用细管，但一口井使用的钢管并非一层，而是由三层套管和一层内管重合的结构。油井管从外侧起分别为靠近井壁的表面套管、中间套管、实施水压致裂的套管和将气体从井中运出的生产内管，分别为直径245毫米~直径273毫米的焊管、直径178毫米~直径194毫米的高强度无缝管或焊管、直径140毫米的高强度无缝管和直径60毫米的一般无缝管。

　　钻井时，油井管通过附在钻井管头端的钻井工具回转而转入地层，钻成后将钻井拔出而将外侧套管连上接头后送入。然后再用钻井管在套管内部钻井，并将中间套管插入，钻到规定深度后再在钻井管尖端装上附有底部封隔器电机的钻头，以挖掘页岩层的水平坑井，并将用于水压致裂的套管插入。该套管插入较困难，因而采取边回转边插入的方式。此时套管将产生回转扭矩，因此要求该套管的接头具有耐扭矩的性能。通过该套管的水压致裂作用，从页岩层产生的页岩气便可聚集在该套管内，最后通过生产内管运出井外。

　　页岩气井使用的钢管为HC P110钢管，110指该钢管的屈服强度为110ksi（758MPa）级，HC表示耐压溃强度高，实际使用的屈服强度多限定在125ksi~140ksi之间。

　　P110钢管作为标准的油井管在世界上具有多年的使用历史，但在页岩气开采中用于水压致裂套管时，除附加耐压溃强度的性能外，屈服强度也能达到要求，因而得到了标准化使用。因为该套管用于水压致裂时，使用管内侧压力高达500个大气压~1000个大气压的流体对页岩冲击以使之开裂，其使用条件是油井管中最苛刻的。当页岩气开始生产后，页岩气从该套管的外侧向内侧流动，内外侧都需要耐高压，因此一般多用高强无缝管。中间套管的作用是补充该套管的强度，因此使用同样的钢管。因为当该套管破损后，页岩气即从该处外漏，中间套管也将承受巨大内压，所以必须使用耐压的高强度钢管。内侧的生产用钢管因为内侧受压较小，所以可以采用一般无缝管。

　　页岩气的开发使非常规天然气的资源大幅度增加，因而受到各方关注。未来，世界许多国家都将从事页岩气的开发和开采，但由于地形和环境等条件不同，特别是井深将由3000米扩大到4500米~10000米的形势下，还将面临不少技术难题，其中必然涉及到油井管的技术开发。

　　新型天然气开采用油井管

　　高强度低合金耐硫蚀油井管。一般在H2S压力高的环境下，钢管表面的粗大夹杂物作为腐蚀的起点易产生硫化物反应而引发开裂。对此，国外开发出的125ksi级（屈服强度为862MPa级）高强度低合金油井管，通过异种夹杂物复合化而生成新的夹杂物，并由此使非金属夹杂物微细分散化，对防止孔蚀、SSC（硫化物应力腐蚀）起到了良好的效果。该油井管已经在欧洲北海和挪威海的4000米~6000米级天然气井中得到应用。

　　高强度高合金油井管。在含有高压CO2和H2S的环境下，过去曾使用高合金钢（双相不锈钢、析出强化型不锈钢等）管，但在高温下的应力腐蚀开裂和氢脆开裂仍然发生。对此，日本开发出140ksi级（屈服强度为1000MPa级）高强度高合金油井管。该钢管的研发着力于Ni的固溶强化，在保证材料的常温延性和耐蚀性的同时实现了高强度化。另外，为了防止加入Ni元素产生的高温延性下降，该钢管通过加入稀土元素而实现了耐应力腐蚀开裂性的增强，并获得了日本2012年大河内纪念生产奖。

　　我国目前也正在积极致力于页岩气的开采研究，这对我国代替石油进口和减排二氧化碳意义重大，而油井管的研发与稳定使用是其中重要的一个课题。