非API石油專用管標準體系構(gòu)建及展望*

徐 婷，丁 飛，張 華，吳 浩，方 偉，李 茹，呂 華

( 1.中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077； 2. 中國石油勘探開發(fā)研究院 北京 100083； 3.西安石油大學(xué) 陜西 西安 710065)

0 引 言

油氣開發(fā)是國家能源戰(zhàn)略命脈。21世紀以來，我國油氣田在深層超深層、低壓低滲低產(chǎn)、海洋油氣、頁巖油氣及致密油氣等非常規(guī)四大方向分化顯著，工況需求差異巨大[1]。

石油專用管包括鉆桿、套管和油管等，通過螺紋連接形成的鉆柱和油/套管柱是獲得油氣資源的唯一通道，是保障油氣井安全，支撐能源戰(zhàn)略的“生命線”。我國每年新增2萬口井，年均消耗石油專用管3.5×106t，價值300億元，占油田裝備資產(chǎn)60%，對國民經(jīng)濟影響重大。20世紀90年代以前，因制造能力和技術(shù)水平所限，我國引入美國石油學(xué)會(API)標準體系，解決了石油專用管產(chǎn)品互換性和最基本的性能要求，卻難以滿足復(fù)雜服役條件對石油專用管的性能和安全要求，導(dǎo)致石油專用管大量失效，年均損失數(shù)百億元，嚴重制約油氣田安全與高效開發(fā)，成為我國石油工業(yè)發(fā)展的重大瓶頸和亟待破解的重大技術(shù)難題。本文通過對目前非API石油專用管產(chǎn)品現(xiàn)狀及石油專用管標準體系的研究， 構(gòu)建了非API 石油專用管標準體系，為非API石油專用管核心標準制定提供了指導(dǎo)，并為提高非API石油專用管質(zhì)量提供了技術(shù)支撐。

1 非API石油專用管產(chǎn)品現(xiàn)狀

國際上常規(guī)的石油專用管普遍采用美國石油學(xué)會(API)標準進行生產(chǎn)，這些產(chǎn)品稱為API石油專用管。由于近年來油氣勘探開發(fā)力度的加大，按API標準供應(yīng)的石油專用管已經(jīng)不能滿足深井、超深井、高壓氣井、鹽膏層、腐蝕介質(zhì)井的勘探開發(fā)。為了滿足以上復(fù)雜工況，石油專用管制造行業(yè)研發(fā)了大量特殊的石油專用管，這部分產(chǎn)品的技術(shù)要求高出了API標準，不能完全按照API標準生產(chǎn)、檢驗，因此又稱非API石油專用管。

自20世紀80年代初開始，國外先進制造商開始對非API石油專用管進行規(guī)?；_發(fā)，經(jīng)過多年發(fā)展，阿根廷泰納瑞斯(Tenaris)集團、法國瓦盧瑞克·曼內(nèi)斯曼 (Vallourec & Mannesmann)集團、俄羅斯鋼管冶金集團、日本新日鐵和JFE鋼鐵株式會社、美國美鋼聯(lián)集團現(xiàn)已形成系列化非API標準石油專用管產(chǎn)品，長期高價壟斷世界高端石油專用管市場。我國的非API石油專用管開發(fā)起步較晚，經(jīng)過近20年的奮起直追，已形成10多種非API產(chǎn)品系列，占石油專用管總量的2/3，價值約260億元，系列產(chǎn)品見表1。

表1 非API鋼級石油專用管系列產(chǎn)品

2 石油專用管標準化現(xiàn)狀

API系列標準是國際上公認的先進標準，在石油工業(yè)領(lǐng)域影響大、應(yīng)用廣、專業(yè)性強，同樣也在中國石油行業(yè)廣泛應(yīng)用[2]。我國從20世紀80年代開始，通過直接采用或增加補充技術(shù)條件方式，開始使用API標準進行石油專用管的訂貨、生產(chǎn)、檢驗和使用，并延續(xù)發(fā)展。為確保石油專用管的使用性能，API圍繞產(chǎn)品規(guī)范建立的系列標準也得到了廣泛應(yīng)用，如圖1所示。API系列石油專用管標準對我國的石油管材質(zhì)量提升以及國產(chǎn)化起到了重要的幫助和推動作用[3]。

圖1 API石油專用管標準體系

隨著中國油田油氣資源勘探開發(fā)難度的增加，如井深增加，井內(nèi)溫度、壓力相應(yīng)提高，地層應(yīng)力大，大多含有腐蝕介質(zhì)等，石油專用管服役條件日益復(fù)雜和嚴酷。API標準主要解決石油專用管產(chǎn)品互換性和最基本性能指標，難以滿足我國復(fù)雜油氣井對石油專用管的使用安全需求。目前我國石油專用管建立了8項國家標準，7項等同采用API標準，均為產(chǎn)品導(dǎo)向型，僅1項自主研發(fā)的非API標準，屬于工況導(dǎo)向型。其他相應(yīng)的技術(shù)標準尚處于分散或缺失狀態(tài)，缺乏國家層面的產(chǎn)品質(zhì)量管控體系。39項石油專用管行業(yè)標準中，包括API /非API 套管、油管、鉆桿、方鉆桿、鉆鋌等及其連接件的產(chǎn)品標準，配套的試驗檢驗、評價、使用與維護標準; 鉆柱、管柱的選用、設(shè)計、評價標準等。從中較難看出哪些標準缺失，哪些標準存在重復(fù)交叉，因此對標準制修訂工作的指導(dǎo)性不是很強[4]。

因此，需要對石油專用管標準進行梳理，研究構(gòu)建非API石油專用管標準體系，指導(dǎo)相關(guān)國家標準、行業(yè)標準和團體標準的制修訂，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)石油管材標準化工作，為我國油氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供管材質(zhì)量管控，提供重要的技術(shù)支撐。

3 非API石油專用管標準體系構(gòu)建研究

3.1 構(gòu)建原則

非API 石油專用管標準體系建立的原則：以油田用戶為目標導(dǎo)向，適用性要強，要能夠滿足石油工業(yè)深入發(fā)展的需要；集中優(yōu)勢技術(shù)，要能夠集中優(yōu)勢技術(shù)和產(chǎn)品，能夠代表先進技術(shù)和產(chǎn)品的發(fā)展；制定適用、先進、經(jīng)濟、可靠的標準，標準要簡化集約，統(tǒng)一協(xié)調(diào)。

3.2 非API石油專用管標準體系構(gòu)建

在非API 石油專用管標準體系建立原則的基礎(chǔ)上，針對非API 石油專用管標準體系結(jié)構(gòu)設(shè)計“不完善不系統(tǒng)”問題，采用需求導(dǎo)向構(gòu)建方法、PDCA 循環(huán)方法，對非API 石油專用管產(chǎn)品發(fā)展現(xiàn)狀、關(guān)鍵技術(shù)及標準化需求進行分析，對非API 石油專用管的材料、結(jié)構(gòu)、性能、規(guī)格、計量和認證的標準現(xiàn)狀及需求進行梳理，建立了涵蓋設(shè)計與選材、產(chǎn)品制造、檢測與檢驗、使用維護、失效與完整性管理的石油專用管全壽命周期標準體系，涵蓋典型工況的10大類產(chǎn)品共91項標準。其中，國家標準16項，行業(yè)標準46項，企業(yè)標準30項。非API石油專用管標準體系包括油套管和鉆柱構(gòu)件2大類標準，如圖2所示。其中，設(shè)計選用標準7項，產(chǎn)品制造標準42項，檢驗與試驗標準19項，運輸與儲存標準2項，使用與維護標準12項，失效分析與完整性標準12項。

圖2 非API石油專用管標準體系

3.3 非API石油專用管標準發(fā)展方向

面對煤氣化、天然氣水合物、干熱巖新能源開發(fā)以及“深水、深層和非常規(guī)”特殊工況的不斷涌現(xiàn)，今后非API石油專用管標準化也面臨新的挑戰(zhàn)，發(fā)展方向集中在以下4個方面。

1) 新能源開發(fā)用油套管標準化 干熱巖和地下煤炭氣化等新能源開采中，油套管除承受著復(fù)雜載荷、腐蝕外，還承受著超高溫載荷；在天然氣水合物開采中，井下低溫高壓以及高低溫共存突變等對管柱性能影響均未明確。亟需開展“超高溫環(huán)境、高壓低溫環(huán)境中管柱選用、設(shè)計與評價”技術(shù)研究及標準化，為新能源清潔高效開發(fā)提供技術(shù)支撐。

2)非常規(guī)油氣田開發(fā)用石油專用管標準化 隨著非常規(guī)油氣資源加大勘探開發(fā)力度，復(fù)雜壓裂工況下高鋼級、大壁厚套管變形明顯，嚴重影響產(chǎn)能建設(shè)，急需轉(zhuǎn)變套損治理思路，開展大型體積壓裂管柱應(yīng)變設(shè)計技術(shù)研究，采用位移轉(zhuǎn)移技術(shù)，研究制定石油專用管產(chǎn)品制造、檢驗、評價和管柱設(shè)計新標準，保證非常規(guī)工況服役需求性能指標，提高體積壓裂油氣井筒完整性。

3)油套管柱完整性標準化 在低品位油氣、深層油氣以及海洋油氣等高效開發(fā)中，因鉆井前期對管柱設(shè)計與選材的合理性和風險評估尤其是量化評估技術(shù)不足，油套管進入生產(chǎn)服役階段之后，因井下溫度、壓力、腐蝕、地應(yīng)力以及載荷交變(如開關(guān)井、多級壓裂、儲氣庫強注強采)等影響，油套管柱服役安全風險顯著，亟需開展油套管柱設(shè)計、檢測評價、維護使用和廢棄等全壽命周期的完整性標準研究，為油氣井安全運營、維修和廢棄處置提供技術(shù)支撐。

4)特殊材質(zhì)石油專用管標準化 隨著今后管材的輕量化、智能化和功能化發(fā)展趨勢，標準化也向抗腐蝕、低溫高溫、智能等方向發(fā)展，如鈦合金系列石油專用管、特殊材料內(nèi)襯石油專用管、碳纖維復(fù)合鉆桿、智能鉆桿、非金屬智能連續(xù)管等。

4 結(jié) 論

1)由于近年來油氣勘探開發(fā)力度的加大，按API標準供應(yīng)的石油專用管已經(jīng)不能滿足深井、超深井、高壓氣井、鹽膏層、腐蝕介質(zhì)井的勘探開發(fā)。國內(nèi)外石油專用管主要生產(chǎn)企業(yè)已形成系列化涵蓋典型工況的10余類高性能非API標準石油專用管產(chǎn)品。

2)建立非API石油專用管標準體系，采用需求導(dǎo)向構(gòu)建方法、PDCA 循環(huán)方法，對非API 石油專用管產(chǎn)品發(fā)展現(xiàn)狀、關(guān)鍵技術(shù)及標準化需求進行分析，建立了涵蓋設(shè)計與選材、產(chǎn)品制造、檢測與檢驗、使用維護、失效與完整性管理的石油專用管全壽命周期標準體系。

3)面對新挑戰(zhàn)，非API石油專用管標準發(fā)展方向集中在新能源開發(fā)用油套管標準化、非常規(guī)油氣田開發(fā)用石油專用管標準化、油套管柱完整性標準化和特殊材質(zhì)石油專用管標準化四大方向。