我國高抗擠套管研究和生產(chǎn)現(xiàn)狀

高 霞， 肖國章， 關(guān)尚虎， 王 軍

（1.國家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721008；

3.天水天力特種管有限公司，甘肅 天水741020）

我國高抗擠套管研究和生產(chǎn)現(xiàn)狀

高 霞1,2， 肖國章2， 關(guān)尚虎3， 王 軍1,2

（1.國家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721008；

3.天水天力特種管有限公司，甘肅 天水741020）

隨著油氣井開采難度的不斷加大和井下環(huán)境的日趨惡劣，普通套管已難以滿足高抗擠井況的需求，國內(nèi)企業(yè)相繼開發(fā)出系列高抗擠套管產(chǎn)品。介紹了國內(nèi)對(duì)套管破壞機(jī)理、制造工藝、力學(xué)性能以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的研究現(xiàn)狀，并對(duì)國內(nèi)生產(chǎn)的現(xiàn)狀進(jìn)行了論述。同時(shí)針對(duì)國內(nèi)制造的高抗擠套管、抗擠抗硫套管以及抗擠耐熱套管，從抗擠機(jī)理、生產(chǎn)工藝、試驗(yàn)研究和標(biāo)準(zhǔn)制定4個(gè)方面入手進(jìn)行了介紹，對(duì)比了各企業(yè)產(chǎn)品的性能，并對(duì)高抗擠套管的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

套管；高抗擠；抗擠抗硫；抗擠耐熱

美國能源部統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，近30年來全球石油天然氣井深平均增加了一倍以上，并且呈快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。我國未探明石油儲(chǔ)量中約有73%埋藏很深,“十二五”期間需要開鉆一批7 000～8 000 m的深井和超深井［1-4］。隨著我國高溫、高壓、嚴(yán)酷腐蝕等苛刻的西南部油田、西部油田和海上油田相繼投入開發(fā)，國內(nèi)對(duì)高抗擠套管的需求量也日益增多。選用高抗擠套管，一方面滿足了在鹽巖、鹽膏巖、軟泥巖等塑性流動(dòng)地層、酸性腐蝕環(huán)境、高地層壓力或存在地應(yīng)力異常段的油氣井對(duì)套管擠毀性能的要求，提高了安全性；另一方面，選用較薄壁厚的高抗擠套管替代API套管，減輕了套管柱質(zhì)量，可下入更深的油氣井，降低了成本。對(duì)此，國內(nèi)企業(yè)大力開發(fā)非API高抗擠系列套管產(chǎn)品，滿足國內(nèi)外市場(chǎng)的需求。

1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

1.1 破壞機(jī)理研究

20世紀(jì)70年代中期開始，我國的套管損壞問題突出，國內(nèi)學(xué)者開始對(duì)套管破壞機(jī)理進(jìn)行了理論探索，套管的擠毀問題成為研究中的一個(gè)重要內(nèi)容。韓建增［5］對(duì)套管抗擠強(qiáng)度進(jìn)行了研究，提出了套管抗擠強(qiáng)度計(jì)算的新公式；孫永興［6］研究了油套管抗內(nèi)壓抗擠強(qiáng)度；高智海［7］研究了不均勻載荷對(duì)套管抗擠毀性能的影響；楊勇［8］分析了殘余應(yīng)力對(duì)套管擠毀壓力的影響；謝國民［9］研究了套管制造缺陷對(duì)擠毀性能的影響，建立了套管在非均勻載荷作用下的力學(xué)模型；胡文平［10］進(jìn)行了套管偏磨曲率對(duì)其抗擠毀強(qiáng)度影響的有限元分析；李平全［11］分析了套管的抗擠特性與生產(chǎn)開發(fā)期中損壞的關(guān)系及其主要影響因素；張建兵［12］探討了有限元分析計(jì)算套管抗擠強(qiáng)度時(shí)合理的幾何建模參數(shù)取值方法，認(rèn)為應(yīng)按照實(shí)際情況考慮套管尺寸偏差進(jìn)行幾何建模；藏勇［13-14］通過有限元分析，得出承受均勻外壓力的長(zhǎng)薄壁油套管具有后屈曲穩(wěn)定性；高連新［15］通過建立模擬套管擠毀的有限元模型，提出了計(jì)算套管抗擠強(qiáng)度的新方法；田青超［16］介紹了鋼管在外力作用下壓潰失穩(wěn)的力學(xué)模型，闡述了生產(chǎn)抗擠毀套管關(guān)鍵控制因素的理論依據(jù)，提出抗擠毀套管的材料學(xué)機(jī)制以及強(qiáng)韌化原理。

1.2 制造工藝

國內(nèi)技術(shù)人員對(duì)高抗擠套管的熱加工工藝、熱處理及合金成分設(shè)計(jì)等工藝方面進(jìn)行了研究。孫開明［17］通過試驗(yàn)分析了高抗擠套管內(nèi)壁凸包折疊的原因，并通過改進(jìn)低過熱度、弱二冷和控制拉坯速度等工藝措施降低內(nèi)折報(bào)廢率；王彩蘭［18］在實(shí)驗(yàn)室研究了不同熱處理工藝對(duì)高抗擠套管性能的影響規(guī)律，并提出推薦熱處理工藝指導(dǎo)工業(yè)試制；張傳友［19］對(duì)高抗擠套管用鋼的熱加工工藝進(jìn)行了模擬研究；李炳一［20］對(duì)轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)高抗擠套管鋼進(jìn)行了實(shí)踐；尹錫泉［21］研究了抗擠毀特殊通徑套管的特性，分析了管壞加熱、工藝參數(shù)調(diào)整和生產(chǎn)過程控制對(duì)套管性能的影響；田青超［16］分析了抗擠毀無縫鋼管和焊接鋼管生產(chǎn)的主要工藝流程；宓小川［22］采用Ti，Nb和V微合金化的Cr-Mo鋼和斜軋工藝制造了寶鋼超高抗擠套管，分析表明，以斜軋工藝生產(chǎn)的套管的織構(gòu)能有效提高套管的抗擠性能。

1.3 力學(xué)性能

在對(duì)機(jī)理和工藝進(jìn)行研究的同時(shí)，國內(nèi)研究人員對(duì)高抗擠套管進(jìn)行了實(shí)物試驗(yàn)及有限元分析等方面的研究。丁學(xué)光［23］通過對(duì)高抗擠套管的實(shí)物擠毀試驗(yàn)與有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，認(rèn)為套管的實(shí)際抗擠強(qiáng)度遠(yuǎn)小于理想狀態(tài)的有限元計(jì)算值；劉斌［24］通過試驗(yàn)分析了從材料成分、尺寸精度、軋制、熱處理工藝等方面提高套管抗擠毀性能的措施；王軍［25］通過試驗(yàn)研究了SEW高抗擠套管的材料性能、尺寸精度、殘余應(yīng)力和抗外壓擠毀性能；婁琦［26］對(duì)套管抗擠毀強(qiáng)度的主要影響因素進(jìn)行了試驗(yàn)研究，認(rèn)為通過控制橢圓度、幾何尺寸、屈服強(qiáng)度及殘余應(yīng)力可提高套管的抗擠強(qiáng)度；孫永興，林元華等人［27］用試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證了 API TR 5C3：1994與 ISO 10400: 2007擠毀壓力計(jì)算公式的精確性。

1.4 標(biāo)準(zhǔn)要求

在高抗擠套管開發(fā)利用的同時(shí)，國內(nèi)制定了高抗擠套管的標(biāo)準(zhǔn)，使選型更加規(guī)范科學(xué)。與高抗擠套管產(chǎn)品相關(guān)的國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)有APISPEC5CT: 2011/ISO 11960，API TR 5C3:2008/ISO 10400: 2007，GB/T 19830—2011和Q/SY 1394—2011。其中API SPEC 5CT/ISO 11960是套管最基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)，GB/T 19830—2011等同采用 ISO 11960：2004，API TR 5C3/ISO 10400規(guī)定了套管的擠毀性能。中國石油天然氣集團(tuán)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/SY 1394是高抗擠套管的補(bǔ)充技術(shù)條件，其對(duì)高抗擠套管的抗擠強(qiáng)度要求見表1［28］。在提高API標(biāo)準(zhǔn)中的夏比（V形缺口）沖擊吸收能、尺寸公差等要求的同時(shí)，還明確規(guī)定了外徑不圓度、壁厚不均度、殘余應(yīng)力、全尺寸外壓擠毀試驗(yàn)的要求。

表1 高抗擠套管純外壓下最小抗擠強(qiáng)度

2 國內(nèi)生產(chǎn)現(xiàn)狀

20世紀(jì)90年代以后，我國油井管的生產(chǎn)能力逐年提高。通過近十多年的發(fā)展，高抗擠套管的生產(chǎn)能力有了顯著提高，形成了多種類型的系列產(chǎn)品，滿足國內(nèi)塔里木、中原、四川等油田的需求，打破了國外著名企業(yè)對(duì)國內(nèi)市場(chǎng)的壟斷，并且批量出口美國、加拿大、非洲等國家和地區(qū)。表2所示為國內(nèi)開發(fā)的高抗擠套管產(chǎn)品、廠家及鋼級(jí)。

表2 我國高抗擠套管產(chǎn)品、廠家及鋼級(jí)

寶鋼從20世紀(jì)90年代起就開始研究抗擠毀套管，目前已開發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的超高抗擠、抗擠抗硫、抗擠耐熱、HFW超高抗擠4個(gè)系列［16，29-30］，可生產(chǎn)外徑114.3～212.75 mm全API標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格產(chǎn)品，并已在塔里木、中原、四川等油田推廣使用，產(chǎn)品性能已達(dá)到國內(nèi)外先進(jìn)水平。天津鋼管可生產(chǎn)14個(gè)鋼級(jí)、外徑114.3～339.7 mm，壁厚5.21～15.88 mm的幾十種規(guī)格高抗擠套管［31-38］，不僅在國內(nèi)陸上及海上油田使用，而且已經(jīng)大量出口到美國、加拿大、哈薩克斯坦、土庫曼斯坦和伊朗等國家和地區(qū)。 包鋼和江蘇常寶均可生產(chǎn)高抗擠套管［44-47］。 由表 2可以看出，目前高抗擠套管仍以無縫管生產(chǎn)工藝為主，鋼級(jí)已開發(fā)至1 103 MPa（160 ksi）。寶鋼和寶雞鋼管兩家公司開發(fā)了焊接高抗擠套管，其中寶雞鋼管采用HFW+熱張力減徑工藝 （簡(jiǎn)稱“SEW”）開發(fā)了新型焊接套管。

3 國內(nèi)產(chǎn)品性能

3.1 高抗擠套管（T/TT）

依據(jù)業(yè)內(nèi)命名慣例，通常在代表鋼級(jí)的數(shù)字后加后綴“T”或“TT”表示高抗擠套管，“T”代表高抗擠套管，“TT”代表比“T”高抗擠套管的抗擠強(qiáng)度更高的套管。表3所示為國內(nèi)高抗擠套管的抗擠強(qiáng)度值。由表3可見，國內(nèi)各公司高抗擠套管的實(shí)物抗擠強(qiáng)度不僅大幅超出API標(biāo)準(zhǔn)要求值，且滿足了更嚴(yán)格的Q/SY 1394標(biāo)準(zhǔn)的要求。寶鋼和寶雞鋼管生產(chǎn)的焊接高抗擠套管的抗擠強(qiáng)度優(yōu)于同鋼級(jí)同規(guī)格的無縫高抗擠套管。φ244.48 mm× 11.99 mm BG110ETT套管實(shí)物抗擠強(qiáng)度達(dá)到73.1MPa，分別超出API標(biāo)準(zhǔn)值和Q/SY 1394標(biāo)準(zhǔn)值的100.2%和43.6%，遠(yuǎn)優(yōu)于該公司的無縫高抗擠套管。

3.2 抗擠抗硫套管（TS/TSS）

國內(nèi)寶鋼、天津鋼管、攀成鋼和西姆萊斯等公司具有批量生產(chǎn)抗擠抗硫套管的能力。寶鋼提出通過合金化元素對(duì)鋼表面腐蝕離子的靶向作用，改變抗擠抗硫套管用鋼在硫化氫介質(zhì)中電化學(xué)行為的設(shè)計(jì)理念，研究了抗擠抗硫套管3個(gè)階段的腐蝕機(jī)制和特征，有效提高了抗硫性能。抗擠抗硫套管在硫化氫腐蝕介質(zhì)中的電化學(xué)過程具有3個(gè)階段的腐蝕特征：階段Ⅰ為非晶態(tài)FeS形成階段，階段Ⅱ?yàn)閯?dòng)態(tài)腐蝕階段，階段Ⅲ為穩(wěn)定腐蝕階段。3個(gè)階段生成不同的腐蝕膜，這種多層的腐蝕膜結(jié)構(gòu)可以有效地阻礙溶質(zhì)的擴(kuò)散傳遞過程，因此腐蝕產(chǎn)物所引起的電化學(xué)行為的變化以及在此過程中形成的碳化物、氧化物以及鹽類有效地提高了套管的抗硫性能。

表3 國內(nèi)高抗擠產(chǎn)品抗擠強(qiáng)度

寶鋼和天鋼抗擠抗硫套管抗擠性能分別見表4和表5，可見寶鋼和天鋼抗擠抗硫套管的抗擠強(qiáng)度均超出API要求。

表4 寶鋼抗擠抗硫套管抗擠性能

表5 天津鋼管抗擠抗硫套管抗擠性能

抗擠抗硫套管的抗硫化物應(yīng)力腐蝕開裂性能按照NACE TM 0177試驗(yàn)A法執(zhí)行，即在飽和H2S濃度下的B溶液中浸泡720 h不開裂。寶鋼BG80TS、BG95TS加載85%SMYS（最小屈服強(qiáng)度）經(jīng)720 h未發(fā)生斷裂，BG110TS加載 80% SMYS（最小屈服強(qiáng)度）經(jīng)720 h未發(fā)生斷裂。天津鋼管TP80TS加載85%SMYS（最小屈服強(qiáng)度）經(jīng)720 h未發(fā)生斷裂。

3.3 抗擠耐熱套管（TH）

據(jù)公開資料顯示，國內(nèi)只有寶鋼具有批量生產(chǎn)抗擠耐熱套管的能力。寶鋼抗擠耐熱套管保證抗擠性能見表6，BG110TH套管實(shí)物性能見表7。從表7可知，寶鋼BG110TH套管的耐高溫性能良好，400℃以內(nèi)材料強(qiáng)度在API標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)的鋼級(jí)范圍內(nèi)，300℃的性能較常規(guī)對(duì)應(yīng)鋼級(jí)產(chǎn)品提1倍以上，在500℃以后屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度下降明顯。

表6 寶鋼抗擠耐熱套管保證抗擠性能（φ177.8mm）

表7 寶鋼BG110TH套管室溫至650℃的力學(xué)性能

4 結(jié)論及建議

國內(nèi)高抗擠套管的實(shí)物抗擠性能均大幅超出API值，且滿足更嚴(yán)格的Q/SY 1394標(biāo)準(zhǔn)的要求。國內(nèi)高抗擠套管以無縫鋼管為主，且無縫高抗擠套管已經(jīng)形成了較完善的產(chǎn)品系列。寶鋼和寶雞鋼管生產(chǎn)的焊接高抗擠套管的抗擠性能優(yōu)于同鋼級(jí)同規(guī)格的無縫高抗擠套管，但產(chǎn)品品種較為單一，應(yīng)充分利用焊管在壁厚均勻度、外徑圓度、強(qiáng)韌性及價(jià)格等方面的優(yōu)勢(shì)，加大焊接高抗擠套管產(chǎn)品的開發(fā)力度。

此外，套管設(shè)計(jì)選用上，不僅考慮本身的質(zhì)量性能，更要根據(jù)地質(zhì)結(jié)構(gòu)合理設(shè)計(jì)方案，充分考慮地質(zhì)結(jié)構(gòu)的適用性。油田可與套管生產(chǎn)企業(yè)建立聯(lián)合開發(fā)機(jī)制，針對(duì)不同地質(zhì)結(jié)構(gòu) “量身定做”更高鋼級(jí)抗擠套管及抗擠抗硫、抗擠耐熱等特殊套管產(chǎn)品發(fā)展，以滿足目前國內(nèi)油氣田開發(fā)的需求。

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Research on High Collapse Resistance Casing and Production Status in China

GAO Xia1,2,XIAO Guozhang2,GUAN Shanghu3,WANG Jun1,2
(1.Chinese National Engineering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods，Baoji 721008，Shaanxi，China；2.Steel Pipe Research Institute of Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.，Baoji 721008，Shaanxi，China;
3.Tianshui Tianli Special Steel Pipe Co.,Ltd.,Tianshui 741020,Gansu,China)

As the exploitation difficulties of oil and gas wells increasing and underground environments become increasingly severe,it’s difficult for ordinary casings to meet the demands of high collapse resistance,domestic enterprises developed a series of high collapse casing products.In this article,it introduced casing failure mechanism,manufacturing process, mechanical performance and research status of relevant standards,also expounded domestic production status.At the same time,it emphatically introduced domestic high collapse resistance casing,collapse-resistance and sulfur-resistance casing, collapse-resistance and heat resistant casing from 4 aspects,including extrusion mechanism,production process,experimental study and standard establishment.Compared the performance of the enterprise products,and the development direction of high collapse casing was prospected.

casing;high collapse resistance;collapse-resistance and sulfur-resistance;collapse-resistance and heat resistant

TE931+.2

A

1001－3938（2015）08-0060-06

高 霞（1982—），女，陜西子洲人，碩士研究生，工程師，主要從事石油天然氣工業(yè)油氣輸送和鉆采用鋼管及標(biāo)準(zhǔn)的研究工作。

2014-11-11

修改稿收稿時(shí)間：2015-07-05

張 歌