全尺寸評價方法標準化提升油套管質量水平

李東風，秦長毅，王蕊，韓軍，楊鵬，婁琦，余志

中國石油集團石油管工程技術研究院（陜西西安710077）

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全尺寸評價方法標準化提升油套管質量水平

李東風，秦長毅，王蕊，韓軍，楊鵬，婁琦，余志

中國石油集團石油管工程技術研究院（陜西西安710077）

摘要油套管產品在油氣勘探開發(fā)及生產過程中發(fā)揮著重要的作用，油套管產品質量的好壞直接關系著油氣田的生產成本及使用壽命。通過分析油套管產品的使用現(xiàn)狀，論述了油套管全尺寸評價標準在控制、提升油套管質量方面的重要作用。在分析、研究國際標準、油田工況、失效案例、科研成果的基礎上，實現(xiàn)油套管全尺寸評價方法標準化，填補了我國油套管質量控制領域全尺寸評價標準的空白。全尺寸評價方法標準在油氣田及生產廠推廣實施情況表明，應用全尺寸性能評價標準，能夠實現(xiàn)對油套管質量的全面控制，提升油套管產品質量，對油氣勘探開發(fā)事業(yè)的發(fā)展具有重要的經濟及社會意義。

關鍵詞油套管；全尺寸評價標準；標準化；質量控制

AbstractTubing and casing play an important role in the exploration and development of oil and gas, and their quality directly affects the service life of them and the production cost of oil and gas fields. The important roles of the full-size evaluation standard for tubing and casing in the quality control and improvement of tubing and casing products are discussed through the analysis of the use status of tubing and casing. The standardization of the full-size evaluation method is finished based on the analysis and research of international standards, oilfield conditions, failure cases and research results. The application of the full-size evaluation standard for tubing and cas?ing in oil and gas fields and production factories of tubing and casing shows that the full-size evaluation standard for tubing and casing can achieve the full control of tubing and casing quality and improve the quality of tubing and casing, and it is of important economic and social significance to oil and gas exploration and development.

Key wordstubing and casing; full-size evaluation standard; standardization; quality control

石油工業(yè)的發(fā)展關系國際民生，是國民經濟發(fā)展的重要支柱，而油氣勘探開發(fā)是石油工業(yè)的重要組成部分。油套管產品在油氣勘探開發(fā)及生產過程中發(fā)揮著重要的作用，油套管產品質量的好壞直接關系著油氣田的生產成本及使用壽命。近年來，隨著西部油氣田勘探開發(fā)力度的加大，油套管產品國產化進程也逐年加快，勘探開發(fā)對油套管質量和性能的要求日趨嚴格。油套管產品根據(jù)工況條件、產品質量、安全、環(huán)境等方面的不同，其產品性能也存在極大差異，比如高抗擠毀產品、耐腐蝕產品、特殊螺紋接頭密封產品。因此，建立統(tǒng)一的、有效的全尺寸質量評價標準，控制油套管產品質量是保障油氣田安全可靠生產的關鍵，也是全面促進油套管質量提升的有效手段。

1　油套管全尺寸評價標準的重要作用

油氣勘探開發(fā)對油套管質量和性能要求越來越高，對油套管的質量評價方法也提出了新的要求，外觀尺寸檢驗、無損探傷、螺紋參數(shù)檢測和材質理化分析等常規(guī)檢驗項目已不能夠滿足勘探開發(fā)的要求。大量檢驗、失效、現(xiàn)場使用結果表明，在常規(guī)檢驗項目均符合相應標準要求時，油套管的使用性能卻表現(xiàn)出較大差異，如抗粘扣性能、密封性、抗滑脫強度、抗擠強度等，導致油田失效事故原因無法確定。常規(guī)的檢測方法雖然可以完成對油套管用鋼的化學成分、力學性能、冶金質量及制成品的幾何尺寸、螺紋參數(shù)的檢測，是油套管質量控制的基本的和必要的手段，但無法實現(xiàn)對油套管接頭粘扣趨勢、密封性及結構完整性等全尺寸性能指標的檢測，即常規(guī)檢測不能滿足對油套管質量的全面反映與控制要求。因此，石油專用管的整體性能評價方法即全尺寸評價方法應運而生。

隨著深井、超深井、高壓氣井、水平井、大位移井等鉆采條件較為苛刻的油氣井的出現(xiàn)與逐步增多，出現(xiàn)了各種各樣針對這些特定工況的全尺寸評價方法，但這些方法不具備普遍適用性，也無法作為油套管質量全面評判的依據(jù)。因此，對全尺寸評價方法進行標準化，建立油套管全尺寸評價標準對于油套管質量控制具有非常重要的意義[1-2]。

通過采標、分析油田工況以及失效案例分析，制修訂國家標準、行業(yè)標準和企業(yè)標準，形成全尺寸評價試驗標準體系，實現(xiàn)油套管全尺寸評價方法標準化。

2.1 ISO標準的等同采納

國際上油套管全尺寸性能評價，主要依據(jù)的標準為ISO 13679《套管和油管接頭評價程序推薦作法》[3]。ISO 13679標準是在API RP 5C5的基礎上，結合API RP 37同時對某些條款進行了修改和補充，于2002年底發(fā)布第1版。與API RP 5C5相比，ISO 13679標準強化了對不同井況條件下油套管接頭性能的驗證，對試驗項目進行了整合，提出了密封包絡線和強度包絡線的概念。

石油管工程技術研究院在深入分析ISO 13679標準的基礎上，等同采用了ISO 13679標準英文版，頒布并實施了GB/T 21267《石油天然氣工業(yè)套管及油管螺紋連接試驗程序》標準。

GB/T 21267標準主要包括4方面內容：①試樣數(shù)量及加工公差，在保證覆蓋各種公差配合的情況下，大大減少了試樣的數(shù)量，用少量的試樣完成多種復合載荷試驗，雖然增加了試驗難度，但卻更充分地覆蓋了多種復雜井況，更全面地檢測了油套管接頭的全尺寸性能。②對上、卸扣試驗做出了更詳細的規(guī)定，規(guī)定了抗粘扣上、卸扣試驗，抗粘扣循環(huán)上、卸扣試驗及最終上扣試驗，評價試樣在最大上扣扭矩和各種規(guī)定公差配合條件下的抗粘扣性能，確保油套管在各種公差配合情況下的使用性能。③規(guī)定載荷包絡線試驗，主要評價油套管的密封性能，試驗項目包括：A系載荷包絡線試驗；B系載荷包絡線試驗；C系載荷包絡線試驗。載荷包絡線試驗，更加注重將多個復合載荷試驗項目按照載荷包絡線整合為3個試驗項目，試樣要經受復合載荷，試驗難度大、周期長、條件苛刻。通過計算管體和接頭的臨界橫截面的承載能力，在保證安全的前提下使試樣承受盡可能高的載荷或復合載荷，以評價油套管的氣密封性能是否滿足要求。④極限載荷試驗，目的是驗證油套管接頭結構和密封的極限性能，主要包括高內壓條件下拉伸至失效、壓縮條件下外壓至失效、拉伸至失效、外壓條件下壓縮至失效、拉伸條件下內壓至失效、內壓條件下壓縮至失效、外壓至失效、低內壓條件下拉伸至失效等8種試驗項目，這些試驗項目全面地檢測了接頭的強度。極限載荷試驗結果，能有效判定接頭的性能是否符合標準要求，同時，極限載荷試驗結果也能夠幫助油套管制造廠確定其產品的極限承載能力。

GB/T 21267標準填補了我國石油工業(yè)用油套管領域全尺寸性能評價檢測標準的空白，為保障油套管質量提供了強有力的技術支持。應用該標準可以有效地評價和控制油田所關注的油套管的抗粘扣性能、密封性能、極限載荷性能等全尺寸性能，能夠充分模擬油田的使用工況，科學評價石油管材的整體性能和適用性。

2.2我國特有全尺寸適用性評價方法的標準化

我國油氣田油套管服役條件復雜、嚴酷，尤其是西部油氣田，多為超深、超高溫、超高壓的三超油氣田，同時還伴隨著嚴重的腐蝕介質，勘探開發(fā)難度大，工況條件復雜多變。復雜的工況條件，不僅對油套管的質量提出了更高的要求，而且對油套管在特定工況下的適用性也提出了要求。

因此，根據(jù)我國深井、超深井和高溫、高壓、高含硫等西部油氣田的特殊工況條件，修訂了行業(yè)標準SY/T 6128-2012《套管油管螺紋接頭性能評價試驗方法》[4]，為有效地模擬工況進而評價油套管的適用性提供依據(jù)。

SY/T 6128-2012《套管油管螺紋接頭性能評價試驗方法》將適用性評價與包絡線有機結合，提出：①新產品鑒定檢驗，考核制造商開發(fā)的油套管產品的質量是否能滿足設計要求，并通過試驗來證明接頭性能達到指定的應用級別要求；②產品質量監(jiān)督檢驗，對應于接頭有3個試驗等級，它們分別對應API標準螺紋接頭評價試驗、特殊螺紋接頭評價試驗及苛刻環(huán)境下特殊螺紋接頭評價試驗；③特殊用途油井管適用性評價，主要包括定向井、大曲率井油管與套管適用性評價和熱注采井模擬試驗。SY/T 6128-2012標準能夠有效評價油套管瞬時及長久密封能力，適用性強，為高壓井、超深井、定向井、大曲率井、熱采井及應力腐蝕等復雜工況的油氣井選擇質量可靠的油套管產品，為科研及失效分析提供有力的技術保障。

同時，項目組根據(jù)新疆油田稠油蒸汽吞吐熱采井工況以及基于應變設計的熱采井套管柱理論，制定了行業(yè)標準SY/T 6952.3-2013《基于應變設計的熱采井套管柱第3部分：適用性評價方法》[5]，用于稠油蒸汽吞吐熱采井用套管的適用性評價。該標準使稠油熱采領域油套管產品生產有據(jù)可依，確保油套管產品在稠油蒸汽吞吐熱采井領域的質量可靠性。

另外，項目組還根據(jù)油田某種特殊井深結構設計的需求，協(xié)助建立非API規(guī)格系列油套管及內外平直連型套管檢測評價試驗方法、抗腐蝕性能油套

2　油套管全尺寸評價方法標準化

管檢測評價試驗方法、高強度及高抗擠套管檢測評價試驗方法及某油田油套管抽樣上、卸扣試驗補充技術條件等多種適用性評價試驗方法作為全尺寸評價標準的補充，切實保障油田用管的質量安全。

2.3在質量評價標準中引入油套管全尺寸評價要求

行業(yè)標準SY/T 5539-2012《油井管產品質量評價方法》[6]，規(guī)定了油井管產品的抽樣及檢驗方案、質量特性及不合格分類、質量特性檢驗評分規(guī)則、等級劃分等質量評價方法。標準也進一步規(guī)定了油井管產品質量評價結果的處理方式。

在修訂該標準時，將全尺寸評價試驗作為一類質量特性，增加了特殊螺紋接頭油管套管、高抗擠套管、抗腐蝕套管和油管的質量評價方法，提升了油套管全尺寸評價的地位，以便油套管產品使用方擇優(yōu)訂貨，同時為油井管產品驗收和拒收提供判據(jù)。

2.4制定油套管適用性評價試驗推薦作法

為規(guī)范適用性評價試驗程序的制定，盡可能模擬油氣田的使用工況、科學評價油套管的整體性能，項目組結合現(xiàn)行全尺寸試驗方法標準、特定工況模擬實驗方法、開展多年全尺寸模擬實驗的情況以及油田需求，制定了企業(yè)標準《油套管適用性評價試驗推薦作法》，該標準規(guī)定套管和油管進行適用性評價試驗的一般程序，依據(jù)該標準制定出適用性評價試驗方案，能夠有效評價油套管對油氣田的適用性，判斷其設計性能是否滿足工況需求，檢驗產品的整體質量水平。

3　油套管全尺寸評價標準對油套管質量的控制

3.1 API螺紋全尺寸評價

API螺紋接頭包括圓螺紋及偏梯形螺紋2種，該螺紋接頭油套管通常適用于一般性油井，在使用過程中，主要關注的是該類油套管的強度性能和水密封性能是否滿足使用要求。

結合使用需求以及API螺紋接頭特點，制定了包括抗粘扣試驗、水密封性能試驗、螺紋連接強度試驗、抗內壓及管體抗外壓試驗在內的全尺寸性能評價方案，有效評價API螺紋接頭油套管的使用質量。

3.2特殊螺紋全尺寸評價

特殊螺紋接頭也稱非API螺紋接頭或優(yōu)質螺紋接頭，該種接頭與API接頭的不同之處在于采用了全新密封形式、強度結構及螺紋牙形[7]。特殊螺紋接頭以其獨特的機械結構，良好的密封性，在復雜工況服役環(huán)境下獲得了廣泛應用。目前，特殊螺紋接頭存在的問題突出表現(xiàn)在以下2個方面：①由于主密封面長度或金屬接觸對密封過盈量選擇不當，導致螺紋粘扣或主密封面粘結；②由于密封結構及公差選擇不當在使用過程中接頭易發(fā)生泄漏。出現(xiàn)粘扣或密封失效就會極大影響特殊螺紋接頭的使用性能，縮短使用壽命[8-9]。

針對特殊螺紋接頭容易出現(xiàn)的問題，以及其具備優(yōu)良的氣密封性能的特點，制定了檢驗其抗粘扣性能、密封性能、結構完整性和極限載荷性能的全尺寸性能試驗方法，充分模擬特殊螺紋油套管在使用過程中所經歷復合載荷工況。通過客觀的試驗數(shù)據(jù)為用戶提供最直觀的判斷依據(jù)，有效地控制該類產品質量。

3.3推廣應用全尺寸評價標準的重要意義[10-11]

油氣勘探開發(fā)事業(yè)的長足發(fā)展與進步引起石油工業(yè)領域不斷涌現(xiàn)新工藝、新技術、新產品。新產品如何進行質量控制，確保在使用過程中安全可靠運行必然需要有效的檢測標準。制定、修訂油套管標準，推廣和應用全尺寸評價標準，是總結和積累科技研發(fā)創(chuàng)新經驗，促進油套管生產廠技術創(chuàng)新，確保產品使用安全，提升產品質量的過程。

推廣應用全尺寸評價標準，使油套管產品訂貨、生產、檢驗、使用和質量異議處理有據(jù)可依，進而保障油氣田的安全運行，對帶動我國油氣勘探開發(fā)產業(yè)升級和創(chuàng)新能力的提高，降低油氣生產成本、提高生產效益等方面具有非常重要的意義。

在油氣田積極推廣應用油套管全尺寸評價標準，能夠有力保障油氣田用油套管產品質量，節(jié)約采購成本，保障油氣田安全可靠運行。項目組近3年應用全尺寸評價標準，開展油氣田用油套管相關檢測100余項。例如，在西南、塔里木、新疆、長慶油氣田用低Cr、13Cr、超級13Cr、鎳基合金等特殊材料油套管全尺寸性能評價中應用；在塔里木油田開發(fā)的365.13mm、250.83mm、206.40mm、201.60mm、200.03mm等規(guī)格套管性能評價中應用；在140ksi、150ksi、155ksi、160ksi等高鋼級油套管及高抗擠套管檢測評價中應用；在稠油熱采井用特殊螺紋接頭套管性能評價中應用；在長慶油田庫存套管適用性評價中應用；在塔里木油田套管國產化項目中得到全面應用，切實提高了塔里木油田用套管的國產化率，使塔里木油田每年節(jié)約采購資金約4億元人民幣。全尺寸評價標準在油氣田的廣泛使用，為油氣田用油套管產品的采購、使用、失效分析及特定工況適用性提出了合理化的建議，保障油套管產品質量。

應用全尺寸評價標準，為油套管生產廠提供質量評價技術服務，有力地促進了國產油套管產品質量的提升，為我國實現(xiàn)油套管產品全面國產化作出了突出貢獻。項目組近3年來共完成生產廠質量評價技術服務300余項，如對寶山鋼鐵股份有限公司、衡陽華菱鋼管有限公司、天津鋼管集團股份有限公司、寶雞鋼管廠等油套管生產廠進行產品質量評定，檢驗生產廠的加工能力和開發(fā)的新產品是否滿足其設計要求；開展油套管年度質量抽查，產品性能檢測，確定油套管整體質量水平是否滿足要求；開展新研發(fā)產品及失效產品全面質量分析，確定產品的適用范圍，提出產品質量存在的問題，并結合檢測結果為生產廠下一步設計、生產提出合理化建議，切實促進國產油套管質量水平的提升。

4　結論

1）油套管全尺寸評價標準能夠全面檢測油套管的使用性能，確定油套管接頭的試驗載荷包絡線和失效極限載荷，是衡量油套管產品質量好壞的關鍵技術。

2）油套管全尺寸評價方法標準能夠盡可能模擬油田的使用工況，科學的評價管材的整體性能，是油套管訂貨、生產、檢驗、使用和質量異議處理的技術手段。

3）油套管全尺寸評價方法標準，填補了油套管全尺寸檢測領域技術標準的空白。通過標準的實施有效控制油套管質量，減少失效事故、節(jié)約成本，給石油工業(yè)帶來了巨大的經濟效益，對促進油套管產品質量提升起到了關鍵作用。

參考文獻：

[1]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.

[2]李為衛(wèi),方偉,馮耀榮.加強油井管標準實施支撐保障油田建設[J].石油工業(yè)技術監(jiān)督,2013，29(5):41-44.

[3] Petroleum and natural gas industries-procedures for Casing and Tubing Connections: ISO 13679-2002[S].

[4]國家能源局.套管油管螺紋接頭性能評價試驗方法:SY/T 6128-2012[S].北京：石油工業(yè)出版社，2012.

[5]石油管材專業(yè)標準化委員會.基于應變設計的熱采井套管柱第3部分：適用性評價方法:SY/T 6952.3-2013 [S].北京：石油工業(yè)出版社，2014.

[6]國家石油和化學工業(yè)局.油井管產品質量評價方法:SY/T 5539-2012 [S].北京：石油工業(yè)出版社，2013.

[7]呂拴錄,韓勇,趙克楓,等.特殊螺紋接頭油套管使用及展望[J].石油工業(yè)技術監(jiān)督, 2000, 16 (3):1-4.

[8]謝香山.油井管特殊螺紋接頭的發(fā)展[J].鋼管, 2000,29 (5): 9-12.

[9]李瑞濤,楊美金,王耀鋒,等.特殊螺紋接頭的研究現(xiàn)狀分析[J].焊管, 2009, 32(1):11-14.

[10]方偉,許曉鋒,徐婷.油井管標準化及非API油井管標準體系[J].石油工業(yè)技術監(jiān)督, 2010, 26(6):20-23.

[11]樊治海,方偉，秦長毅,等.實施標準化戰(zhàn)略,促進油井管工程發(fā)展[J].石油工業(yè)技術監(jiān)督, 2004, 20(2):14-19.

收稿日期：本文編輯：尉立崗2015-11-17

作者簡介：李東風（1979-），男，高級工程師，主要從事油管、套管的實驗研究工作。