非API油井管的发展及质量控制方式

王双来 ，彭 娜 ，胡松超 ，刘 卜

1.西安摩尔石油工程实验室有限公司 （陕西 西安710065）

2.西安市节能技术服务中心 （陕西 西安 710018）

3.攀成伊红石油钢管有限责任公司 （四川 成都 610305）

油井管主要包括油管、套管、钻杆、钻铤、方钻杆及其构件（钻杆接头、转换接头和短节等）。石油管是石油工业中用量最大、花费最多的石油物资，石油工业又是大量消耗钢管的工业。石油管的质量、性能与油气井的安全可靠性、使用寿命密切相关[1]。油井管服役条件比较恶劣，例如，油、套管柱通常要承受较高的轴向拉伸或压缩载荷，以及内压、外压载荷，还要承受井底高温环境及酸性腐蚀环境[2]。油套管的使用寿命直接决定油井的寿命周期，影响着油田的寿命，因此油井管的安全可靠性、使用寿命对油田影响很大，油井管是石油工业的基础[3]。

1 油井管服役环境

根据美国能源部的相关统计数据，近40年来，全球开采石油天然气的井深评价约增加一倍，并且快速增长[5]。随着钻井深度的增加，井底的温度、压力载荷都相应提高很多，因此对油井管的要求更加苛刻。由于全世界石油供应形势严峻，人们逐渐向更苛刻环境如腐蚀工况的油气田进行开发，新的钻井和完井技术、新工艺的使用导致了油井管服役条件日益复杂和严酷[4]。

油套管服役环境的变化为：高温高压超深井要求油套管材料不仅能够承受高温，井底的压力也增加很多，而高温又会降低了油套管材料的性能导致管柱的承压能力降低。在酸性腐蚀介质环境中 （如H2S、CO2、Cl－）， 普通材质的油套管的腐蚀很严重不能满足要求。盐岩层流动易挤毁套管，对套管柱的抗外压挤毁性提出了更高的要求。近10年来，套管钻井技术使用套管代替钻杆直接钻进，钻至目的地层后固井，因此套管需要具有较高的抗拉伸、压缩性、抗扭性、抗弯曲性能[5]。

2 非API油井管的产生与发展

随着油套管服役的井况越来越苛刻，API标准制造的接头由于其密封性能和连接强度较弱已不能满足日益苛刻的井况要求，这使得非API石油专用管材得到了迅速发展。近20年来，为了满足某些特殊使用性能要求，油井管生产厂开发的非API的品种已达到250多种，产量约占总产量的40%左右。

目前在石油行业上，API标准在国际上应用最广泛，起到了国际标准的作用。API油井管是根据美国石油学协会的标准生产制造的产品，其产品不仅成熟可靠而且拥有很好的互换性，可以满足一般工况的油井；但是在苛刻工况或者高压气井开发中，API油井管已经不能满足使用要求。非API油井管的品种和规格逐渐繁多，按照功能用途可分为3类：特殊钢种系列、特殊螺纹接头系列和特殊功能系列[3]。

2.1 特殊钢种系列

特殊钢种系列的油井管主要与材质有关，针对特殊井况服役环境设计，表现在以下几个方面：具有抗H2S、CO2等介质的腐蚀性能；具有高抗挤、高强度、低温高韧性等特点。这类油井管的实物性能、抗挤毁性能、耐低温、耐腐蚀性等较API油井管有很大的提高。

国内外非API特殊钢种的油套管种类较多，逐渐形成了不同用途的系列，差异不是很大。深井超深井用油套管不仅具有高强度而且具有较高的冲击韧性，目前应用最多的钢级为965.3～1 068.7MPa（140～155ksi）。低温高韧性油套管主要用于寒冷地区石油天然气开采，国外厂家主要钢级为 95～110L（L）、55～125LT，国内厂家的钢级为 80～125L、80～125LL，80～125LT。

高抗挤套管用于盐岩层流动较大的地层中，其抗挤性能与API标准相比有较大的提高，国外厂家主要钢级为 80～110T、95～125TT、80～140HC，国内厂家的钢级为 80～110T、80～140TT。抗 H2S 应力腐蚀油套管适用于含H2S油气田，国外厂家的钢级为80～110S(SS)， 国内厂家的钢级为 80～110S （SS）、55～110S。抗H2S腐蚀和高抗挤的油套管可同时满足抗硫及抗挤压性能，国外厂家的钢级为90/95HCS、95TS、80～110HCSS,国内厂家的钢级为 80～110（T）S、110（T）SS。抗CO2腐蚀油套管用于地层含有CO2腐蚀介质，国外厂家的钢级为 13CRS-80～110、13CRM-80～110、HP2-13Cr95、HP2-13Cr110， 国内厂家的钢级为13Cr-95/110/110S/110U、3Cr-80/95/110、13Cr-80/95/110。 抗 H2S、CO2及 Cl-共存环境用油套管适合3种腐蚀介质共存的油气田，国外厂家的钢级为 028、825、G3，国内厂家的钢级为 G3、028。国内耐高温稠油热采油套管的钢级为55H、80H、90H、100H、110H、120H， 可在 300～350℃的温度下使用。国内非API钢级油套管产品总体上达到或接近国外同类产品技术水平，与国外产品有明显差距的仅有超级13Cr、双相不锈钢、耐蚀合金油套管[6]。

2.2 特殊螺纹接头系列

由于API螺纹的油井管只能满足一般工况的油井，无法满足深井、超深井、高压气井、热采井等苛刻的油气井工况的使用要求。API螺纹接头主要依靠锥螺纹之间的过盈配合及螺纹脂的填充实现封堵密封，由于偏梯形螺纹的齿侧和齿顶存在螺旋形泄漏通道，螺纹脂在高温条件下易失去密封作用，因此其液体密封能力不仅低而且很不可靠。特殊螺纹接头以其独特的金属对金属过盈配合结构实现可靠的密封，螺纹部分主要起连接作用，具有较好的连接性能和气密封性能。特殊螺纹油套管的接头种类很多，但其基本结构类似，可以分为连接螺纹、密封面、抗扭矩台肩3部分。特殊螺纹接头对API标准的螺纹结构形式进行了改进优化，使得应力分布更加合理；接头的连接强度与管体等强度相应提高，提高了接头的抗压缩强度；独特的密封结构设计，使得接头的抗内压和外压强度高于管体[7]。

目前，国外有30多个厂家的科研机构及制造厂已开发了上百种具有专利权的油井管特殊接头，而目前市场应用较为广泛的只有20多种，见表1。我国气、油比例结构已经达到1：3，按照国外油气开发规律，特殊螺纹接头油套管的用量应达到油套管总量的20%以上，并且比例逐年提高[8]。

目前中国油井管的生产企业中如天钢、宝钢、攀成钢、衡钢等大型油井管制造企业已成功开发了系列特殊螺纹接头，国内特殊螺纹接头生产基本情况见表2。随着我国油气井开发井况越来越苛刻，特殊螺纹接头的需要量逐年增加，应用更加得到重视[9]。

2.3 特殊功能系列

随着石油工业的发展，新的钻井和完井技术不断出现，有效降低了钻井、完井成本。新出现了一些特殊功能用途的油井管，目前工程应用的主要有以下几种：

表1 国外主要的特殊螺纹油井管生产国及接头类型

表2 国内主要的特殊螺纹油井管生产企业及接头类型

1）膨胀套管。目前常用的膨胀套管有实体膨胀套管和割缝膨胀套管2种。实体膨胀套管主要用于封堵漏失地层和高压水层，封隔破裂带，修补损坏套管和封堵已射孔套管取代常规尾管悬挂器和尾管悬挂器封隔器，达到保持井眼尺寸稳定目的，以作为常规套管的替代产品。割缝膨胀套管主要用于封隔破碎带、膨胀防砂网，作为一种新的完井手段，提高油井产量。通常将膨胀套管柱下入井底，使用液压和拉伸力推动膨胀锥，将膨胀管在油井中胀大产生塑性永久形变，从而实现胀大膨胀套管使其悬挂在外层套管内壁或裸眼井壁。膨胀套管可以应用于套管补贴、侧钻井、裸眼完井及修井等作业过程，是石油钻采行业的核心新技术之一[10]。

2）连续油管。连续油管又称挠性油管，是一种强度和韧性良好的钢管，管体卷在滚筒上。连续油管作业时可以从卷筒上绕下来连续下入到井中，最大作业井深已超过9 000m。连续油管用钢必须有良好的强韧性匹配，以保证较高的低周疲劳寿命。目前连续油管用于小井眼钻井、欠平衡井、水平井、大斜度井钻井，修井，压裂酸化，洗井以及枯竭油藏的二次开发等[11]。

美国在连续油管小井眼钻井技术和作业方面取得了突破性进展，可用于直井、定向井、丛式井、斜井、水平井等开窗侧钻、钻水泥封堵、钻塞、驱替钻井液、水平井测井作业等。国内连续油管作业主要应用于以下几个方面：拖动酸化、喷砂射孔逐层压裂、设置桥塞、注水泥封堵井作业、测井、传输射孔、气举、注液氮、清蜡、排液等，连续油管作业在我国油田受到普遍欢迎[12]。

3）套管钻井。套管钻井技术是指用套管代替钻杆向钻头传递水力和机械能量，对钻头施加扭矩和钻压，实现钻头旋转与钻进。在整个钻井过程中不再使用钻杆、钻铤等，钻头利用钢丝绳投捞，在套管内实现钻头升降，实现不提钻而更换钻头钻具。该技术减少了起下钻和井喷、卡钻等意外事故，提高了钻井的安全性，降低了钻井成本。套管钻井对套管及螺纹接头的性能提出了更高的要求，需要具有更好的抗拉伸、压缩、扭转、内压及弯曲性能。由于套管的壁厚比钻杆小，连接螺纹是薄弱环节，因此需要设计与钻杆螺纹强度相等的特殊螺纹接头套管[13]。

3 非API油井管使用中存在的问题

目前，国内油田采购油井管物资除了常规的API系列外，非API标准的特殊系列产品比重也越来越大，因此对非API石油管材的使用性能也提出了更高的要求。非API油井管在油田的采购使用中也存在许多问题，如：①无统一的国家（或行业）产品标准和验收规范；②无产品质量认证（如API等）；③现场验收指标无统一规范标准要求；④实物评价试验的规格较少；⑤适用性评价试验不够完整，缺乏系统性；⑥特殊螺纹检测校准无统一的标准规范。

非API油井管使用中出现失效事故的主要原因是：非API油井管系列没有统一的产品规范、检测评价标准和现场操作规范等；产品种类多样化给现场管理带来一定难度，现场操作又缺少厂家的相关技术指导服务，因此在现场应用中出现的问题较多。由于非API油井管各个厂家的产品不能相互互换，给油田库存、管理及使用带来一定的难度，需要提前做好各类特殊附件计划安排。新勘探开发的特殊工况的服役环境苛刻，对特殊工况管材要求更高，人们对新的地质结构及应用工况研究不足往往容易造成试用的管柱失效，从而造成巨大的经济损失。

4 非API油井管质量控制方式

石油工业的发展及国际石油能源勘探开发节奏的加快，促进了我国油井管产业的大力发展。而新开采苛刻井况的出现，促进了一些特殊用途的油井管应运而生。目前，非API标准的特殊系列产品比重也越来越多，品种繁多的非API产品实际使用性能也参差不齐。在油田使用中发现，即使所有常规检验项目均符合其标准的油、套管，其实物性能却表现出较大差异，有的甚至不能满足工况使用要求。为了更好地控制油井管物资的产品质量，仅有的商检已不能满足要求，笔者认为从以下几个方面开展实施质量控制会更加有效。

4.1 根据油田需求制定管材选用规范，明确质量控制程序

油井管选用的一般原则和质量控制程序，包括使用特定的油井管应满足的技术要求和采购要求。根据油井管使用的工况，如井深、压力、井的类别（生产、勘探）、套管用途（表层、技术、油层）以及陆上或海上使用，将油井管的质量实行分级控制，等级不同管材的质量要求也不同。将套管分成若干等级，对每种等级油套管的适用条件进行严格界定，如使用的环境温度、腐蚀介质含量、压力等级、井深等，根据不同工况选择不同等级的管材。

油田应制定合理、完善的油井管质量控制程序，包括从最初的管柱设计，制定订货技术要求，进行必要的第三方监造，产品验收、存放，及最终产品下井使用等方面因素。程序中应明确各部分人员的职责，关键的订货技术参数应包括管柱设计、采购、检验、现场施工等各方面。

4.2 制定出科学合理的订货补充技术要求

API标准为油井管的基础标准，基本上能满足不复杂的浅井和一般工况油井。在苛刻工况的井中，如高温、高压、气井、酸性、高腐蚀性等环境或特殊地质井，若依然采用API标准作为订货技术条件，显然存在较大的安全隐患。

由于API标准为油井管的基本要求，对特殊工况条件考虑较少，因此特殊工况条件的油气井在订货时除了遵循API标准外，还需制定特定工况条件的附加补充订货协议。补充协议应根据实际工况需要，提出不同于API标准的特殊要求或未明确细化内容，确保订货的产品质量，保证油、气井的安全可靠运行[14]。

4.3 采用全尺寸评价试验对油套管进行评价验证

在油、套管产品商检中，即使所有常规检验项目均符合标准要求，其实物性能如抗粘扣性能、密封性、抗滑脱强度、抗挤强度差异较大，而现场又无法检验验证。常规的检测方法难以评价其质量的优劣，为此可以采用全尺寸实物评价试验进行验证。全尺寸实物评价试验能够最真实地模拟实际应用工况，所以试验结果能更真实、更直观地反映油、套管的实际使用性能。

全尺寸评价试验也称整体性能试验或实物性能试验，它有别于小试样和小尺寸模拟试验，试样采用现场用的油、套管实物，在试验室通过试验机模拟实际工况条件对试样施加载荷，如内压、外压、拉伸、压缩、温度、弯曲等各种载荷（单项或者复合载荷）以评价其使用性能。这些性能试验主要用于评价接头的抗粘扣性能、密封完整性、结构完整性，能够测试管柱在油井中承受极限载荷，如连接强度、抗压缩强度、内压强度、外压强度，在现场应用中有重要的价值。

目前的油、套管制造企业给出的使用性能更多只是油、套管的单轴强度，而油、套管柱在井下承受的都是复合承载能力，因此可以参考相关标准对其进行实物评价试验。目前油、套管评价试验主要参照的标准为：ISO 13679：2002《石油天然气工业套管及油管螺纹连接试验程序》、SY/T 6128《油套管螺纹连接性能评价方法》，根据不同使用工况制定相应的试验程序，对油套管产品的实物性能进行评价验证。

非API油套管适用性评价试验可验证其实物性能，对管柱设计和产品质量有重要的意义，采用全尺寸试验可对油套管的使用性能进行全面、系统的评价。实物评价试验能够最真实地模拟油套管的现场应用工况，能够模拟上卸扣、复合载荷下气密封试验、热循环试验、极限载荷试验等。上卸扣能够模拟现场上扣速度、螺纹脂类型、螺纹脂用量等条件对抗粘扣性能的影响。复合载荷气密封试验载荷包括：拉伸、压缩、内压、外压、弯曲及温度等条件下接头的气密封性能。极限载荷试验能够测试管柱的抗拉、抗压缩、内压、外压等载荷的单一或者复合载荷下的极限失效载荷。ISO 13679：2002标准里提供了测试接头试验的等级，载荷包络线主要根据管体的规格、壁厚、钢级及螺纹性能、测试试验等级来确定测试压力、轴向载荷、温度等。对非API标准的新型油套管在下井前进行模拟试验，有极其重要的意义，能够有效减低发生灾难性失效事故的概率。

4.4 全面实施驻厂监造和第三方检验

油井管的生产制造过程是一个非常复杂的特殊工序，需要经过炼钢、轧管、热处理、校直、螺纹加工、水压试验等多个关键工序，因此对其生产过程的监控非常必要。严格按照标准的要求进行生产、制造、检验是保证油套管质量的前提，但落实这些要素最有效的措施是驻厂监造。驻厂监造是业主委托有专业资质的第三方进行跟踪、监督产品制造过程及最终检验活动。一般从产品的原材料生产开始，跟踪监督产品生产过程中各个环节，从根本上控制了产品的质量。这种客户委托有资质第三方进行驻厂监造，既能保证产品质量又体现了公正性[15]。

4.5 选择合格的供货商，对供货商实行认可制

根据油、套管订货技术要求，应对制造厂的生产设备、质量管理体系、技术水平、人员资质等方面进行考核，只有同时能满足API标准和补充订货技术规范的供货商才能获得准入认可，所有认可的供货商均在选用规范中列出。认可仅对某个产品而言，并不意味着供货商的其他产品自动获得认可。认可的供货商并不具有终身制，要定期接受审核，并要根据技术的发展而重新进行认可。

对制造企业实行入网许可，无疑是物资采购实现对产品质量控制的基础，既体现了公平竞争原则，又可以从制度上达到规范市场，防止劣质产品进入市场，实现长期监控产品质量目的。但目前入网许可审查需进一步完善，应从资质审查过渡到能力审查，不但要评价其质量体系是否满足产品生产的要求，还应考核其产品的实物质量水平。

5 结语

为了满足日益苛刻的油气井勘探开发需求，国内外各个厂家已开发了品种繁多的非API系列产品，从而带动了石油工业的快速发展，然而非API油井管给油田用户的质量检验及质量控制带来新的挑战。通过对国内外非API产品进行分类统计分析，介绍非API产品的应用特点及使用中存在的问题，总结出质量控制方式，即通过订货技术标准提出质量指标要求、通过驻厂监造落实质量指标、通过全尺寸评价试验验证油套管质量是否符合订货技术标准、通过下井应用跟踪验证订货技术标准是否合理等质量控制方式来确保油套管的产品质量。综合各种有效措施，可以提高非API油井管产品质量，降低因油套管质量问题而导致的事故损失。

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