连续管在井下作业中的力学特性及安全应用研究

引言

连续管（Coiled Tubing）技术自 20 世纪 80 年代以来在全球油气开发中迅速发展，其无需起下钻即可实现多种井下作业的优势，使其在修井、酸化、压裂、清砂等工序中发挥着不可替代的作用。然而，连续管作为一种长距离缠绕的钢制薄壁管材，在实际使用中需要频繁绕过井口防喷器及井下弯曲段，这使其在循环载荷作用下的疲劳损伤成为必须关注的重要课题。随着油气开发进入深层化、复杂化阶段，井下温度与压力显著升高，地层条件日益复杂，连续管的受力模式更加多变，涉及轴向拉压、内外压差、弯曲应力、扭转应力及温度应力等多种耦合效应。传统的静态设计方法在应对复杂工况时已难以满足安全与经济性的双重要求。因此，必须在理论分析、材料优化、实时监测与作业管理等方面进行系统研究，以提升连续管作业的安全性与可靠性。本文旨在对连续管的力学特性进行深入剖析，并提出适用于现代油气开发的安全应用策略，以期为工程实践提供可操作的技术支持与理论指导。

一、连续管在井下作业中的力学特性分析

连续管的力学特性主要受管材结构参数、作业工况及井下环境三大因素制约。在轴向受力方面，连续管在下入过程中承受重力与井下摩擦力的共同作用，在起出过程中则需要克服流体阻力与管体惯性力。弯曲应力是影响连续管疲劳寿命的关键因素，当连续管绕过井口导向弯管和井下曲率段时，弯曲半径直接决定了管体应变幅度，曲率半径越小，循环应变越大，疲劳损伤积累速度越快。在内外压差作用下，连续管壁承受的环向应力与轴向应力会发生变化，高压环境中易引发屈曲失稳与局部变形。此外，温度变化会引起热应力，尤其在深井与高温气井中，连续管进出井口时温度骤变，易导致材料性能劣化与结构变形。井下扭转应力主要出现在定向井与水平井中，连续管在长距离弯曲段运行时，螺旋摩擦效应会造成附加扭转力矩，对材料的韧性与强度提出更高要求。因此，在井下作业前需要建立多因素耦合的受力分析模型，通过有限元仿真和物理试验相结合的方式，准确预测连续管在整个作业周期内的应力分布与应变累积，从而为施工方案制定提供科学依据。

二、材料性能与疲劳寿命控制

连续管的疲劳寿命直接取决于其材料性能与受力环境的匹配程度。常用连续管材料为低合金高强度钢，其屈服强度、延伸率、冲击韧性和耐腐蚀性能均影响作业安全性。在高压酸性气井中，硫化氢与二氧化碳的存在会引发应力腐蚀开裂与氢脆现象，大幅降低材料的疲劳寿命。因此，需要采用具有优异耐蚀性能的合金钢或在管体表面进行复合涂层处理，以减缓腐蚀速率。疲劳寿命控制不仅依赖材料本身，还与作业参数密切相关。频繁的上入下出作业会加速循环疲劳损伤，尤其在曲率较小的井口导向弯管处应力集中显著。通过优化井口设备结构、增大弯曲半径、降低作业速度，可以有效延缓疲劳裂纹的萌生与扩展。此外，采用在线检测技术监控连续管的应力应变状态，结合疲劳损伤累积理论进行寿命预测，可在临近失效前及时更换或修复管段，从而降低事故风险。

三、井下作业安全风险与控制策略

连续管井下作业面临的安全风险包括屈曲失稳、疲劳断裂、腐蚀穿孔、卡管以及井喷等。屈曲失稳多发生在深井与水平井作业中，当轴向压缩应力超过临界值时，连续管可能发生螺旋屈曲甚至局部塌陷。疲劳断裂是由长期循环弯曲应力导致的裂纹扩展最终导致的结构失效。腐蚀穿孔则与井下流体介质的化学成分密切相关，酸化作业与高含硫气井环境中尤为严重。卡管事故通常发生在井下复杂结构段或因沉积物堵塞引起，既可能损坏连续管，也可能造成井下作业中断。井喷风险虽相对较低，但在高压气井与高产油井中仍需高度警惕。为控制上述风险，需要建立涵盖设计、施工、监测与应急的全生命周期安全管理体系。在设计阶段进行全井深应力分析，预测潜在失稳点与疲劳寿命；在施工阶段控制作业速度与井下压力，避免超限运行；在监测阶段采用光纤传感与无线传输技术实现连续管受力与温度的实时监控；在应急阶段制定详细的事故处理预案，确保在设备或井况异常时能够迅速采取有效措施，降低损失与风险。

四、智能化与信息化技术的融合应用

随着数字化油田与智能化作业的发展，信息化技术在连续管作业中的应用日益普及。BIM和数字孪生技术可实现连续管作业全过程的虚拟仿真与优化，提前预判井下受力情况与可能出现的风险点。物联网传感器与边缘计算技术可实现连续管实时状态监测，包括应力分布、温度变化、腐蚀速率等关键参数，并将数据即时传输至地面控制中心。人工智能算法可基于历史作业数据与实时监测信息进行风险预测与决策优化，例如通过机器学习模型预测疲劳寿命剩余值，动态调整作业策略以延长连续管使用周期。此外，大数据分析可挖掘不同井型与作业参数之间的关联性，为施工方案优化与设备改进提供量化依据。

五、未来发展趋势与技术优化方向

未来连续管技术的发展将主要集中在高性能材料研发、精确力学建模、全寿命监测系统以及智能化控制平台建设等方面。在材料方面，超高强度耐腐蚀合金钢与复合材料连续管有望显著提高疲劳寿命与耐蚀性。在建模方面，多物理场耦合仿真技术可更精确地反映井下真实工况，从而为作业决策提供更可靠的依据。在监测系统方面，嵌入式光纤传感器与无线传输网络将使连续管状态监测更全面、更实时。在控制平台方面，集成AI决策、自动化操控与虚拟仿真功能的智能作业系统有望实现无人值守的井下连续管作业，大幅降低人力成本与安全风险。

结论

连续管在井下作业中的力学特性复杂多变，其安全应用离不开对受力机理的深入研究与对施工全过程的科学管理。通过高精度受力分析、优质材料选用、作业参数优化、实时监测系统构建以及智能化技术引入，可以显著提高连续管作业的安全性与经济性。未来，随着数字化与智能化技术的不断发展，连续管作业将向更加高效、精准与安全的方向演进，为油气开发特别是深层与复杂井况的作业提供有力支持。

参考文献

[1] 赵立新, 陈明, 王国辉. 连续管作业技术及其发展趋势[J]. 石油钻采工艺, 2021, 43(5): 45-52.

[2] 张凯, 刘志强. 连续管疲劳寿命预测方法研究[J]. 石油机械, 2020,48(2): 63-70.

[3] 李鹏飞, 朱建军. 油气田连续管作业安全技术研究[J]. 油气田地面工程, 2019, 38(4): 54-59.