深层页岩气开发中井下作业管柱失效机理及防治技术研究

引言

深层页岩气是非常规天然气的重要组成部分，在保障国家能源安全与推动能源结构调整方面具有重要意义。随着勘探开发的不断深入，深层页岩气井的井深普遍超过 3500 米，部分井深度甚至突破 5000 米，这种特殊的地质环境对井下作业设备提出了更高要求。管柱作为井下作业的重要承载与传递工具，其性能直接关系到施工安全与生产效率。然而，深层环境下复杂的地应力场、高温高压条件以及页岩储层的特殊物理化学性质，导致管柱在作业过程中容易发生弯曲、扭曲、腐蚀、磨损甚至断裂等失效问题。频繁的管柱失效不仅增加了维修成本和作业风险，还严重制约了深层页岩气开发的效率。

深层页岩气开发工况复杂，井下作业环境与浅层井存在显著差异。首先是高温高压环境。深层井通常处于超过 120 摄氏度的高温环境中，同时承受数十兆帕以上的压力，这对管柱的耐热性与强度提出严苛要求。其次是强烈的地应力作用。深层页岩储层的地应力差异大，往往表现为横向挤压与纵向拉伸的叠加作用，导致管柱在井壁约束下易发生屈曲与局部屈服。再次是复杂的流体环境。井下作业过程中管柱长期接触钻井液、压裂液及含硫化氢、二氧化碳等腐蚀性气体，这些介质会加速管材的腐蚀损伤。

二、井下作业管柱失效的主要类型与机理

深层页岩气开发中，井下作业管柱的失效类型主要包括以下几类。第一，疲劳破坏。在循环载荷作用下，管柱局部应力集中，裂纹逐渐扩展，最终导致断裂。这类失效常发生在管柱的接头与弯曲部位。第二，腐蚀损伤。由于井下介质中含有 CO₂ ₂、 H₂ ₂S 及高矿化度水溶液，管材极易发生应力腐蚀开裂、点蚀与均匀腐蚀，降低了承载能力。第三，磨损与侵蚀。管柱在作业过程中与井壁反复摩擦，尤其在井斜段和水平井段，长期作用下导致管壁减薄，承压能力下降。此外，高速流体携带固体颗粒对内壁产生冲蚀，加剧磨损速率。

三、管柱失效的影响因素分析

管柱失效的形成机制受多重因素影响。首先是材料因素。传统钢材在高温高压和腐蚀性环境下易发生性能退化，抗拉强度、屈服强度及韧性不足，难以满足深层井需求。其次是结构设计因素。管柱结构不合理，如壁厚不足、连接螺纹强度偏低，容易诱发早期失效。再次是工况条件因素。高温高压、强地应力差和腐蚀性流体共同作用，加速了疲劳与腐蚀的耦合作用。第四是作业操作因素。不合理的井下作业参数，例如超限拉力、过快提放速度或过度旋转，都会增加管柱失效的风险。第五是监测与维护不足。缺乏实时监测手段和定期检测制度，导致潜在缺陷未能及时发现并处理，增加了失效概率。综合来看，深层页岩气管柱失效是材料、设计、工况与操作等多因素交织的结果，需要系统性防控。

四、井下作业管柱失效的防治技术路径

针对深层页岩气开发中管柱失效的突出问题，可以从以下几个方面进行防治。第一，材料改进。采用高强度、耐腐蚀的新型合金钢或复合材料，提高管材的抗疲劳与抗腐蚀能力。同时，表面涂层技术如镍基涂层、陶瓷涂层能够有效隔绝腐蚀介质，延长管柱寿命。第二，结构优化。通过优化管柱壁厚、改善螺纹结构和接头设计，提高整体承载能力与抗弯性能。第三，力学模拟。利用有限元分析与井下工况模拟，对管柱在不同条件下的应力分布进行精确计算，提前预测薄弱环节，指导设计与施工。第四，工艺控制。通过合理控制下放速度、旋转扭矩及起下钻参数，减少额外载荷与冲击，提高作业安全性。第五，监测与预警。采用智能化传感器与井下监测系统，实时采集温度、压力、应力等参数，结合大数据分析实现失效预警。

五、未来发展方向与技术展望

深层页岩气开发中井下作业管柱的防护技术正在逐步向智能化、绿色化与高效化方向发展。未来，智能监测与大数据分析将成为关键，通过布设井下传感网络，实现对管柱状态的实时监控和失效预警，从而实现“未病先治”。其次，材料技术的发展将推动高性能管材的广泛应用，如超高强度钢、复合材料管柱，将显著提升耐疲劳与抗腐蚀能力。同时，绿色防护理念逐渐兴起，通过环保型防腐涂层与清洁防护液替代传统化学药剂，减少环境污染。此外，数字孪生与人工智能的结合将为管柱失效机理研究与防治技术提供新手段。通过构建虚拟管柱运行模型，模拟其在不同工况下的表现，并结合 AI 算法优化设计与作业参数，可以大幅提升防治技术的科学性与精准性。这些发展方向不仅符合深层页岩气高质量开发的需求，也契合能源行业智能化与可持续发展的趋势。

结论

深层页岩气开发中井下作业管柱的失效问题是制约开发效率与安全的重要瓶颈。通过对失效类型与机理的系统研究，可以发现疲劳破坏、腐蚀损伤、磨损与连接失效是主要模式，其成因涉及材料、设计、工况与操作等多方面因素。本文提出的防治技术路径，包括新型材料应用、结构优化、工艺控制、智能监测与预警等，能够有效降低失效风险，延长管柱服役寿命。未来，随着智能监测、先进材料与数字孪生等新技术的应用，深层页岩气管柱防护技术将更加高效、绿色与智能，为我国非常规天然气的开发利用提供坚实保障。

参考文献

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[2] 王伟. 页岩气井管柱失效机理及防治技术探析[J]. 天然气工业，2022(7)：102-109.

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