非API油井管的發(fā)展及質量控制方式

王雙來 ，彭 娜 ，胡松超 ，劉 卜

1.西安摩爾石油工程實驗室有限公司 （陜西 西安710065）

2.西安市節(jié)能技術服務中心 （陜西 西安 710018）

3.攀成伊紅石油鋼管有限責任公司 （四川 成都 610305）

油井管主要包括油管、套管、鉆桿、鉆鋌、方鉆桿及其構件（鉆桿接頭、轉換接頭和短節(jié)等）。石油管是石油工業(yè)中用量最大、花費最多的石油物資，石油工業(yè)又是大量消耗鋼管的工業(yè)。石油管的質量、性能與油氣井的安全可靠性、使用壽命密切相關[1]。油井管服役條件比較惡劣，例如，油、套管柱通常要承受較高的軸向拉伸或壓縮載荷，以及內壓、外壓載荷，還要承受井底高溫環(huán)境及酸性腐蝕環(huán)境[2]。油套管的使用壽命直接決定油井的壽命周期，影響著油田的壽命，因此油井管的安全可靠性、使用壽命對油田影響很大，油井管是石油工業(yè)的基礎[3]。

1 油井管服役環(huán)境

根據(jù)美國能源部的相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)，近40年來，全球開采石油天然氣的井深評價約增加一倍，并且快速增長[5]。隨著鉆井深度的增加，井底的溫度、壓力載荷都相應提高很多，因此對油井管的要求更加苛刻。由于全世界石油供應形勢嚴峻，人們逐漸向更苛刻環(huán)境如腐蝕工況的油氣田進行開發(fā)，新的鉆井和完井技術、新工藝的使用導致了油井管服役條件日益復雜和嚴酷[4]。

油套管服役環(huán)境的變化為：高溫高壓超深井要求油套管材料不僅能夠承受高溫，井底的壓力也增加很多，而高溫又會降低了油套管材料的性能導致管柱的承壓能力降低。在酸性腐蝕介質環(huán)境中 （如H2S、CO2、Cl－）， 普通材質的油套管的腐蝕很嚴重不能滿足要求。鹽巖層流動易擠毀套管，對套管柱的抗外壓擠毀性提出了更高的要求。近10年來，套管鉆井技術使用套管代替鉆桿直接鉆進，鉆至目的地層后固井，因此套管需要具有較高的抗拉伸、壓縮性、抗扭性、抗彎曲性能[5]。

2 非API油井管的產生與發(fā)展

隨著油套管服役的井況越來越苛刻，API標準制造的接頭由于其密封性能和連接強度較弱已不能滿足日益苛刻的井況要求，這使得非API石油專用管材得到了迅速發(fā)展。近20年來，為了滿足某些特殊使用性能要求，油井管生產廠開發(fā)的非API的品種已達到250多種，產量約占總產量的40%左右。

目前在石油行業(yè)上，API標準在國際上應用最廣泛，起到了國際標準的作用。API油井管是根據(jù)美國石油學協(xié)會的標準生產制造的產品，其產品不僅成熟可靠而且擁有很好的互換性，可以滿足一般工況的油井；但是在苛刻工況或者高壓氣井開發(fā)中，API油井管已經不能滿足使用要求。非API油井管的品種和規(guī)格逐漸繁多，按照功能用途可分為3類：特殊鋼種系列、特殊螺紋接頭系列和特殊功能系列[3]。

2.1 特殊鋼種系列

特殊鋼種系列的油井管主要與材質有關，針對特殊井況服役環(huán)境設計，表現(xiàn)在以下幾個方面：具有抗H2S、CO2等介質的腐蝕性能；具有高抗擠、高強度、低溫高韌性等特點。這類油井管的實物性能、抗擠毀性能、耐低溫、耐腐蝕性等較API油井管有很大的提高。

國內外非API特殊鋼種的油套管種類較多，逐漸形成了不同用途的系列，差異不是很大。深井超深井用油套管不僅具有高強度而且具有較高的沖擊韌性，目前應用最多的鋼級為965.3～1 068.7MPa（140～155ksi）。低溫高韌性油套管主要用于寒冷地區(qū)石油天然氣開采，國外廠家主要鋼級為 95～110L（L）、55～125LT，國內廠家的鋼級為 80～125L、80～125LL，80～125LT。

高抗擠套管用于鹽巖層流動較大的地層中，其抗擠性能與API標準相比有較大的提高，國外廠家主要鋼級為 80～110T、95～125TT、80～140HC，國內廠家的鋼級為 80～110T、80～140TT。抗 H2S 應力腐蝕油套管適用于含H2S油氣田，國外廠家的鋼級為80～110S(SS)， 國內廠家的鋼級為 80～110S （SS）、55～110S?？笻2S腐蝕和高抗擠的油套管可同時滿足抗硫及抗擠壓性能，國外廠家的鋼級為90/95HCS、95TS、80～110HCSS,國內廠家的鋼級為 80～110（T）S、110（T）SS?？笴O2腐蝕油套管用于地層含有CO2腐蝕介質，國外廠家的鋼級為 13CRS-80～110、13CRM-80～110、HP2-13Cr95、HP2-13Cr110， 國內廠家的鋼級為13Cr-95/110/110S/110U、3Cr-80/95/110、13Cr-80/95/110。 抗 H2S、CO2及 Cl-共存環(huán)境用油套管適合3種腐蝕介質共存的油氣田，國外廠家的鋼級為 028、825、G3，國內廠家的鋼級為 G3、028。國內耐高溫稠油熱采油套管的鋼級為55H、80H、90H、100H、110H、120H， 可在 300～350℃的溫度下使用。國內非API鋼級油套管產品總體上達到或接近國外同類產品技術水平，與國外產品有明顯差距的僅有超級13Cr、雙相不銹鋼、耐蝕合金油套管[6]。

2.2 特殊螺紋接頭系列

由于API螺紋的油井管只能滿足一般工況的油井，無法滿足深井、超深井、高壓氣井、熱采井等苛刻的油氣井工況的使用要求。API螺紋接頭主要依靠錐螺紋之間的過盈配合及螺紋脂的填充實現(xiàn)封堵密封，由于偏梯形螺紋的齒側和齒頂存在螺旋形泄漏通道，螺紋脂在高溫條件下易失去密封作用，因此其液體密封能力不僅低而且很不可靠。特殊螺紋接頭以其獨特的金屬對金屬過盈配合結構實現(xiàn)可靠的密封，螺紋部分主要起連接作用，具有較好的連接性能和氣密封性能。特殊螺紋油套管的接頭種類很多，但其基本結構類似，可以分為連接螺紋、密封面、抗扭矩臺肩3部分。特殊螺紋接頭對API標準的螺紋結構形式進行了改進優(yōu)化，使得應力分布更加合理；接頭的連接強度與管體等強度相應提高，提高了接頭的抗壓縮強度；獨特的密封結構設計，使得接頭的抗內壓和外壓強度高于管體[7]。

目前，國外有30多個廠家的科研機構及制造廠已開發(fā)了上百種具有專利權的油井管特殊接頭，而目前市場應用較為廣泛的只有20多種，見表1。我國氣、油比例結構已經達到1：3，按照國外油氣開發(fā)規(guī)律，特殊螺紋接頭油套管的用量應達到油套管總量的20%以上，并且比例逐年提高[8]。

目前中國油井管的生產企業(yè)中如天鋼、寶鋼、攀成鋼、衡鋼等大型油井管制造企業(yè)已成功開發(fā)了系列特殊螺紋接頭，國內特殊螺紋接頭生產基本情況見表2。隨著我國油氣井開發(fā)井況越來越苛刻，特殊螺紋接頭的需要量逐年增加，應用更加得到重視[9]。

2.3 特殊功能系列

隨著石油工業(yè)的發(fā)展，新的鉆井和完井技術不斷出現(xiàn)，有效降低了鉆井、完井成本。新出現(xiàn)了一些特殊功能用途的油井管，目前工程應用的主要有以下幾種：

表1 國外主要的特殊螺紋油井管生產國及接頭類型

表2 國內主要的特殊螺紋油井管生產企業(yè)及接頭類型

1）膨脹套管。目前常用的膨脹套管有實體膨脹套管和割縫膨脹套管2種。實體膨脹套管主要用于封堵漏失地層和高壓水層，封隔破裂帶，修補損壞套管和封堵已射孔套管取代常規(guī)尾管懸掛器和尾管懸掛器封隔器，達到保持井眼尺寸穩(wěn)定目的，以作為常規(guī)套管的替代產品。割縫膨脹套管主要用于封隔破碎帶、膨脹防砂網，作為一種新的完井手段，提高油井產量。通常將膨脹套管柱下入井底，使用液壓和拉伸力推動膨脹錐，將膨脹管在油井中脹大產生塑性永久形變，從而實現(xiàn)脹大膨脹套管使其懸掛在外層套管內壁或裸眼井壁。膨脹套管可以應用于套管補貼、側鉆井、裸眼完井及修井等作業(yè)過程，是石油鉆采行業(yè)的核心新技術之一[10]。

2）連續(xù)油管。連續(xù)油管又稱撓性油管，是一種強度和韌性良好的鋼管，管體卷在滾筒上。連續(xù)油管作業(yè)時可以從卷筒上繞下來連續(xù)下入到井中，最大作業(yè)井深已超過9 000m。連續(xù)油管用鋼必須有良好的強韌性匹配，以保證較高的低周疲勞壽命。目前連續(xù)油管用于小井眼鉆井、欠平衡井、水平井、大斜度井鉆井，修井，壓裂酸化，洗井以及枯竭油藏的二次開發(fā)等[11]。

美國在連續(xù)油管小井眼鉆井技術和作業(yè)方面取得了突破性進展，可用于直井、定向井、叢式井、斜井、水平井等開窗側鉆、鉆水泥封堵、鉆塞、驅替鉆井液、水平井測井作業(yè)等。國內連續(xù)油管作業(yè)主要應用于以下幾個方面：拖動酸化、噴砂射孔逐層壓裂、設置橋塞、注水泥封堵井作業(yè)、測井、傳輸射孔、氣舉、注液氮、清蠟、排液等，連續(xù)油管作業(yè)在我國油田受到普遍歡迎[12]。

3）套管鉆井。套管鉆井技術是指用套管代替鉆桿向鉆頭傳遞水力和機械能量，對鉆頭施加扭矩和鉆壓，實現(xiàn)鉆頭旋轉與鉆進。在整個鉆井過程中不再使用鉆桿、鉆鋌等，鉆頭利用鋼絲繩投撈，在套管內實現(xiàn)鉆頭升降，實現(xiàn)不提鉆而更換鉆頭鉆具。該技術減少了起下鉆和井噴、卡鉆等意外事故，提高了鉆井的安全性，降低了鉆井成本。套管鉆井對套管及螺紋接頭的性能提出了更高的要求，需要具有更好的抗拉伸、壓縮、扭轉、內壓及彎曲性能。由于套管的壁厚比鉆桿小，連接螺紋是薄弱環(huán)節(jié)，因此需要設計與鉆桿螺紋強度相等的特殊螺紋接頭套管[13]。

3 非API油井管使用中存在的問題

目前，國內油田采購油井管物資除了常規(guī)的API系列外，非API標準的特殊系列產品比重也越來越大，因此對非API石油管材的使用性能也提出了更高的要求。非API油井管在油田的采購使用中也存在許多問題，如：①無統(tǒng)一的國家（或行業(yè)）產品標準和驗收規(guī)范；②無產品質量認證（如API等）；③現(xiàn)場驗收指標無統(tǒng)一規(guī)范標準要求；④實物評價試驗的規(guī)格較少；⑤適用性評價試驗不夠完整，缺乏系統(tǒng)性；⑥特殊螺紋檢測校準無統(tǒng)一的標準規(guī)范。

非API油井管使用中出現(xiàn)失效事故的主要原因是：非API油井管系列沒有統(tǒng)一的產品規(guī)范、檢測評價標準和現(xiàn)場操作規(guī)范等；產品種類多樣化給現(xiàn)場管理帶來一定難度，現(xiàn)場操作又缺少廠家的相關技術指導服務，因此在現(xiàn)場應用中出現(xiàn)的問題較多。由于非API油井管各個廠家的產品不能相互互換，給油田庫存、管理及使用帶來一定的難度，需要提前做好各類特殊附件計劃安排。新勘探開發(fā)的特殊工況的服役環(huán)境苛刻，對特殊工況管材要求更高，人們對新的地質結構及應用工況研究不足往往容易造成試用的管柱失效，從而造成巨大的經濟損失。

4 非API油井管質量控制方式

石油工業(yè)的發(fā)展及國際石油能源勘探開發(fā)節(jié)奏的加快，促進了我國油井管產業(yè)的大力發(fā)展。而新開采苛刻井況的出現(xiàn)，促進了一些特殊用途的油井管應運而生。目前，非API標準的特殊系列產品比重也越來越多，品種繁多的非API產品實際使用性能也參差不齊。在油田使用中發(fā)現(xiàn)，即使所有常規(guī)檢驗項目均符合其標準的油、套管，其實物性能卻表現(xiàn)出較大差異，有的甚至不能滿足工況使用要求。為了更好地控制油井管物資的產品質量，僅有的商檢已不能滿足要求，筆者認為從以下幾個方面開展實施質量控制會更加有效。

4.1 根據(jù)油田需求制定管材選用規(guī)范，明確質量控制程序

油井管選用的一般原則和質量控制程序，包括使用特定的油井管應滿足的技術要求和采購要求。根據(jù)油井管使用的工況，如井深、壓力、井的類別（生產、勘探）、套管用途（表層、技術、油層）以及陸上或海上使用，將油井管的質量實行分級控制，等級不同管材的質量要求也不同。將套管分成若干等級，對每種等級油套管的適用條件進行嚴格界定，如使用的環(huán)境溫度、腐蝕介質含量、壓力等級、井深等，根據(jù)不同工況選擇不同等級的管材。

油田應制定合理、完善的油井管質量控制程序，包括從最初的管柱設計，制定訂貨技術要求，進行必要的第三方監(jiān)造，產品驗收、存放，及最終產品下井使用等方面因素。程序中應明確各部分人員的職責，關鍵的訂貨技術參數(shù)應包括管柱設計、采購、檢驗、現(xiàn)場施工等各方面。

4.2 制定出科學合理的訂貨補充技術要求

API標準為油井管的基礎標準，基本上能滿足不復雜的淺井和一般工況油井。在苛刻工況的井中，如高溫、高壓、氣井、酸性、高腐蝕性等環(huán)境或特殊地質井，若依然采用API標準作為訂貨技術條件，顯然存在較大的安全隱患。

由于API標準為油井管的基本要求，對特殊工況條件考慮較少，因此特殊工況條件的油氣井在訂貨時除了遵循API標準外，還需制定特定工況條件的附加補充訂貨協(xié)議。補充協(xié)議應根據(jù)實際工況需要，提出不同于API標準的特殊要求或未明確細化內容，確保訂貨的產品質量，保證油、氣井的安全可靠運行[14]。

4.3 采用全尺寸評價試驗對油套管進行評價驗證

在油、套管產品商檢中，即使所有常規(guī)檢驗項目均符合標準要求，其實物性能如抗粘扣性能、密封性、抗滑脫強度、抗擠強度差異較大，而現(xiàn)場又無法檢驗驗證。常規(guī)的檢測方法難以評價其質量的優(yōu)劣，為此可以采用全尺寸實物評價試驗進行驗證。全尺寸實物評價試驗能夠最真實地模擬實際應用工況，所以試驗結果能更真實、更直觀地反映油、套管的實際使用性能。

全尺寸評價試驗也稱整體性能試驗或實物性能試驗，它有別于小試樣和小尺寸模擬試驗，試樣采用現(xiàn)場用的油、套管實物，在試驗室通過試驗機模擬實際工況條件對試樣施加載荷，如內壓、外壓、拉伸、壓縮、溫度、彎曲等各種載荷（單項或者復合載荷）以評價其使用性能。這些性能試驗主要用于評價接頭的抗粘扣性能、密封完整性、結構完整性，能夠測試管柱在油井中承受極限載荷，如連接強度、抗壓縮強度、內壓強度、外壓強度，在現(xiàn)場應用中有重要的價值。

目前的油、套管制造企業(yè)給出的使用性能更多只是油、套管的單軸強度，而油、套管柱在井下承受的都是復合承載能力，因此可以參考相關標準對其進行實物評價試驗。目前油、套管評價試驗主要參照的標準為：ISO 13679：2002《石油天然氣工業(yè)套管及油管螺紋連接試驗程序》、SY/T 6128《油套管螺紋連接性能評價方法》，根據(jù)不同使用工況制定相應的試驗程序，對油套管產品的實物性能進行評價驗證。

非API油套管適用性評價試驗可驗證其實物性能，對管柱設計和產品質量有重要的意義，采用全尺寸試驗可對油套管的使用性能進行全面、系統(tǒng)的評價。實物評價試驗能夠最真實地模擬油套管的現(xiàn)場應用工況，能夠模擬上卸扣、復合載荷下氣密封試驗、熱循環(huán)試驗、極限載荷試驗等。上卸扣能夠模擬現(xiàn)場上扣速度、螺紋脂類型、螺紋脂用量等條件對抗粘扣性能的影響。復合載荷氣密封試驗載荷包括：拉伸、壓縮、內壓、外壓、彎曲及溫度等條件下接頭的氣密封性能。極限載荷試驗能夠測試管柱的抗拉、抗壓縮、內壓、外壓等載荷的單一或者復合載荷下的極限失效載荷。ISO 13679：2002標準里提供了測試接頭試驗的等級，載荷包絡線主要根據(jù)管體的規(guī)格、壁厚、鋼級及螺紋性能、測試試驗等級來確定測試壓力、軸向載荷、溫度等。對非API標準的新型油套管在下井前進行模擬試驗，有極其重要的意義，能夠有效減低發(fā)生災難性失效事故的概率。

4.4 全面實施駐廠監(jiān)造和第三方檢驗

油井管的生產制造過程是一個非常復雜的特殊工序，需要經過煉鋼、軋管、熱處理、校直、螺紋加工、水壓試驗等多個關鍵工序，因此對其生產過程的監(jiān)控非常必要。嚴格按照標準的要求進行生產、制造、檢驗是保證油套管質量的前提，但落實這些要素最有效的措施是駐廠監(jiān)造。駐廠監(jiān)造是業(yè)主委托有專業(yè)資質的第三方進行跟蹤、監(jiān)督產品制造過程及最終檢驗活動。一般從產品的原材料生產開始，跟蹤監(jiān)督產品生產過程中各個環(huán)節(jié)，從根本上控制了產品的質量。這種客戶委托有資質第三方進行駐廠監(jiān)造，既能保證產品質量又體現(xiàn)了公正性[15]。

4.5 選擇合格的供貨商，對供貨商實行認可制

根據(jù)油、套管訂貨技術要求，應對制造廠的生產設備、質量管理體系、技術水平、人員資質等方面進行考核，只有同時能滿足API標準和補充訂貨技術規(guī)范的供貨商才能獲得準入認可，所有認可的供貨商均在選用規(guī)范中列出。認可僅對某個產品而言，并不意味著供貨商的其他產品自動獲得認可。認可的供貨商并不具有終身制，要定期接受審核，并要根據(jù)技術的發(fā)展而重新進行認可。

對制造企業(yè)實行入網許可，無疑是物資采購實現(xiàn)對產品質量控制的基礎，既體現(xiàn)了公平競爭原則，又可以從制度上達到規(guī)范市場，防止劣質產品進入市場，實現(xiàn)長期監(jiān)控產品質量目的。但目前入網許可審查需進一步完善，應從資質審查過渡到能力審查，不但要評價其質量體系是否滿足產品生產的要求，還應考核其產品的實物質量水平。

5 結語

為了滿足日益苛刻的油氣井勘探開發(fā)需求，國內外各個廠家已開發(fā)了品種繁多的非API系列產品，從而帶動了石油工業(yè)的快速發(fā)展，然而非API油井管給油田用戶的質量檢驗及質量控制帶來新的挑戰(zhàn)。通過對國內外非API產品進行分類統(tǒng)計分析，介紹非API產品的應用特點及使用中存在的問題，總結出質量控制方式，即通過訂貨技術標準提出質量指標要求、通過駐廠監(jiān)造落實質量指標、通過全尺寸評價試驗驗證油套管質量是否符合訂貨技術標準、通過下井應用跟蹤驗證訂貨技術標準是否合理等質量控制方式來確保油套管的產品質量。綜合各種有效措施，可以提高非API油井管產品質量，降低因油套管質量問題而導致的事故損失。

[1]李鶴林,田偉.面向“十二五”的油井管[J].鋼管,2012，41（1）：1-6.

[2]李鶴林,韓禮紅.芻議我國油井管產業(yè)的發(fā)展方向[J].焊管,2009，32（4）：5-10.

[3]李鶴林,韓禮紅，張文利.高性能油井管的需求與發(fā)展[J].鋼管，2009，38（1）：1-9.

[4]李鶴林,吉玲康,謝麗華.中國石油鋼管的發(fā)展現(xiàn)狀分析[J].河北科技大學學報，2006,27(1)：1-5.

[5]李鶴林,張亞平,韓禮紅.油井管發(fā)展動向及高性能油井管國產化(上)[J].鋼管,2007，36(6),1-6.

[6]秦長毅.非API油井管評價技術發(fā)展與標準化[J].世界金屬導報,2010(6)：1-10.

[7]高連新,史交齊.油套管特殊螺紋接頭連接技術的研究現(xiàn)狀及展望[J].石油礦場機械,2008,37(2)：15-19.

[8]蔡曉聞,高連新.我國油套管特殊螺紋接頭的發(fā)展現(xiàn)狀[J].焊管,2008,31(4)：41-43.

[9]李鶴林,吉玲康，謝麗華.中國石油鋼管的發(fā)展前景展望[J].河北科技大學學報，2006,27(2)：97-102.

[10]趙金洲.實體膨脹管補貼技術研究新進展[J].石油鉆采工藝,2006,28(4)：17-19.

[11]彭在美,竇樹柏,董帥,等.連續(xù)油管國內外應用概況及國內的研制方向[J].焊管,2008,31(4)：7-13.

[12]王少力,鄭子元.連續(xù)油管國產化技術研究新進展[J].石油礦場機械,2008,37(8)：91-93.

[13]劉宏麗.套管鉆井新技術[J].西部探礦工程,2002(5)：23-24.

[14]李平全,史交齊,趙國仙,等.油套管的服役條件及產品研制開發(fā)現(xiàn)狀[J].鋼管，2008,37(4),6-12.

[15]李記科,李昱坤,高建忠.實施駐廠監(jiān)造-貫徹油井管標準提高油井管質量[J].石油工業(yè)技術監(jiān)督,2007，23(5)：14-16.