NQI框架下的非API石油专用管质量管控技术*

朱丽娟，冯 春，韩礼红，谢军太，徐 婷，杨尚谕，王 坤，刘 震，吴 峰

(1. 中国石油集团石油管工程技术研究院，石油管材及装备材料服役行为与结构安全国家重点实验室 陕西 西安 710077；2．西安交通大学，中国西部质量科学与技术研究院 陕西 西安 710049)

0 引 言

我国的API石油专用管(OCTG，又称油井管)系列产品从依赖进口到实现80%以上国产化率，历经了约20年[1]。目前，国产的油井管产品已经覆盖了API Spec 5CT与API Spec 5DP的全部钢级和规格,并针对油田苛刻环境开发生产了非API石油专用管系列产品。近年来，在满足国内需求的基础上，国产油井管产品的出口量持续增长。然而，我国目前出口的油井管大多属于低端产品，而进口的基本都是高技术含量的高端油井管产品，如高强韧性油井管、特殊螺纹接头油套管、镍基合金油套管等非API石油专用管。究其原因，有人认为是我国油井管发展起步晚，直至20世纪80年代，我国尚没有一套油井管标准体系[2],严重制约了我国高端油井管产品的发展[3]；另一种观点认为是受我国冶金质量水平限制。但是，其更深层次的原因是我国缺乏健全的计量、标准、检验检测和认证认可技术共同组成的油井管质量管控技术体系。

国家质量基础设施(National Quality Infrastructure，简称“NQI”)是破解非API石油专用管技术性壁垒的关键因素，为非API石油专用管产品提供可参照的标准体系、检测检验、计量、认证认可服务。它有利于提升我国制管企业的核心竞争力和创新能力，缩短我国与国外知名企业生产的非API石油专用管产品的差距。因而，国家质量基础设施对非API石油专用管质量管控技术的发展具有重要影响，但鲜有文献将两者联系起来开展相关研究。本文将重点论述国家质量基础设施是油气工业非API石油专用管质量管控的技术基础的原因；基于NQI框架，分析了非API石油专用管质量管控技术现状，探讨了非API石油专用管质量管控技术的研究方向。

1 NQI技术体系的概念

NQI的概念于2002年由德国联邦物理研究院提出，认为国家质量基础设施由计量、标准、检验检测、认证认可构成[4]。一直以来，关于NQI有国家质量基础、产业质量技术、国家质量技术等很多种不同表述，这些表述虽有差异，但内涵一致。经过10多年的研究，2017年国际组织对质量基础设施提出了新的定义，确定质量基础设施是由支持与提升产品、服务和过程的质量、安全和环保性所需的公共和民间组织与政策、相关法律法规框架和实践构成的体系[5]。目前，在国家科技创新领域，国家质量基础设施技术体系即国家质量基础[6]。建立在现代科学技术基础上的计量、标准、检验检测和认证认可技术共同组成国家质量基础设施技术体系，包含关键技术和装备、技术机构、技术队伍、技术平台、信息资源、技术服务等内容；建设完善的NQI技术体系对促进国家各行业高质量发展具有重要的战略意义[3]。

2 NQI技术体系是油气工业非API石油专用管质量管控的技术基础

API石油专用管是根据美国石油学会的标准(简称API标准)生产制造的产品(简称API石油专用管)，其产品成熟可靠且具有良好的互换性，可以满足一般工况的油气井应用需求。我国是油井管产品制造大国，生产的API石油专用管产品质量已达到国际先进水平。然而，随着油气勘探开发力度加大，井深逐年增加，如图1所示，随之带来油井管产品服役温度、压力上升，硫化氢、二氧化碳含量增加等更为苛刻的服役环境。API石油专用管产品的承载能力、密封特性与耐蚀性能已不能满足日益苛刻的油气开发环境需求。为此，近20年来，全球各生产厂开发了300余种非API石油专用管产品，按照功能用途可分为特殊钢种系列、特殊螺纹接头系列和特殊功能系列，约占油井管总产量40%左右[7-8]。

图1 历年来我国油气勘探开发井深度

但是，我国生产的非API石油专用管产品存在质量参差不齐、附加值不高等问题。因非API石油专用管产品密封性和承载能力不足、耐蚀与耐磨性差等原因导致失效事件时有发生[9-15]，这不仅增加了油气田企业的生产成本，更严重影响了油田的安全生产，甚至引发环境污染、人员伤亡等严重社会问题。究其原因，除了非API石油专用管产品技术水平、人才队伍素质等因素外，NQI技术能力薄弱也是重要的因素。伴随着经济全球化，NQI逐渐成为国际竞合技术规则，NQI技术体系的全球合作更为国际产业分工提供了坚实的技术保障，是关键性的产业技术基础[6]。因此，NQI亦是油气工业非API石油专用管质量管控技术体系不可或缺的重要组成部分。

NQI框架下的非API石油专用管产品的计量、标准、检验检测和认证认可技术共同组成其质量管控技术体系。非API石油专用管产品生产过程中每个环节的质量水平需要精准的计量来控制；高水平的非API石油专用管产品技术标准代表了产业技术发展水平，先进适用的标准能够带动从非API石油专用管产品基础材料、重大生产和作业装备、关键工艺到最终产品及配套使用技术的质量提高；检验检测是否科学、精准直接影响着非API石油专用管产品质量性能；严格的认证技术要求传递质量信任，是建立非API石油专用管产品加工制造业、油气行业良好生态循环的重要保障。因此，NQI技术体系是油气工业非API石油专用管质量管控的技术基础。

3 非API石油专用管质量管控技术现状

非API石油专用管质量管控涵盖设计、制造、服役全过程，是包含材料冶金质量控制、管材制造工艺控制、关键性能指标监造与检验检测技术、关键装备校准与计量等关键技术、非API石油专用管产品及其全生命周期相关技术机构、技术队伍与技术平台的认证认可的非API石油专用管质量管控技术体系。目前，非API石油专用管质量管控存在以下难题：1)无统一的国家(或行业)产品标准和验收规范，产品质量评价与分级结果不可靠；2)选材评价试验缺乏系统性，评价结果与产品适用性匹配度不足；3)无统一的特殊螺纹检测与计量标准；4)服役状态监测手段单一，预测预警系统不健全；5)产品质量与技术队伍认证管理体系缺失。具体从以下几方面论述。

3.1 非API石油专用管选材评价技术不完善

油井管选用与质量控制，是在明确其服役载荷工况与环境介质工况的基础上，依据API标准、国家标准、石油行业标准以及用户补充的订货技术协议等技术标准/规范，通过小尺寸样品室内评价、实物模拟工况和先导性现场试验等评价方法，优选适用于油田用户的不同等级的油井管。然而，API 标准基本上只能满足浅井和一般工况的油气井管柱选材，对于如高温、高压、高酸性、高腐蚀性的深井超深井、大位移井、火驱井、热采井等苛刻环境油气井用非API石油专用管选材并不适用。目前，典型的非API石油专用管产品代表有日本住友金属的SM系列、日本钢管公司的NKK系列、中国宝钢的BG系列、天钢的TP系列，以及德国的V&M公司的VM系列等。为此，针对非API石油专用管选材，各油井管生产企业通过系统地研究，针对H2S 应力腐蚀、CO2腐蚀、H2S与CO2共存的全面腐蚀，以及温度变化的加速腐蚀作用等诸多因素，并结合产品性能，提出了选材依据。其中，最具有代表性的有NKK公司、住友公司、JFE公司、欧洲的V&M公司，以及宝钢公司的选材图表/方案，这些选材方案为用户在非API石油专用管选用时提供了一定的参考依据。但这些选材图表/方案缺乏系统性，且各个厂家的选材方案通用性差，往往只适用于本公司的产品。此外，部分选材方案过于保守，工况应用范围有限。

目前，我国现有石油专用管标准共91项，其中国家标准16项，行业标准46项，中国石油企业标准30项。其中，国家和行业标准等同或修改采用ISO/API标准26项。石油专用管标准体系，按大类可分为通用基础标准、套管和油管标准、钻柱构件标准3类，如图2所示。通用基础标准分类常用术语、性能公式与计算、加工与测量、评价与试验、驻厂监造、保护6类，套管和油管、钻柱构件标准可分为设计及选用、产品制造、检验与试验、保护、使用与维护、失效分析与完整性6类。非API石油专用管产品质量评估主要面临“标准分散、体系缺失、效能低下”的问题，无法对产品服役质量进行全过程综合评估。目前，非API石油专用管选材评价技术不完善，缺乏统一的非API石油专用管产品国家(或行业)产品标准和验收规范是制约非API石油专用管制造业高质量发展的首要因素。

图2 石油专用管标准体系

3.2 非API石油专用管质量管控认证体系缺失

非API石油专用管服役质量状态是一个多因素影响和多场耦合的结果，非API石油专用管质量管控认证的对象涵盖了设计、制造、服役全过程，除了非API石油专用管产品认证，还包括其全生命周期相关技术机构、技术队伍与技术平台的认证认可。先进适用的非API石油专用管质量管控认证工作可系统、真实地反映制管企业的业务水平、第三方检测机构的专业能力与油田用户的质量管控成效。

针对非API石油专用管产品的认证，可理解为具有资质的或者具有普遍公信力的第三方检测机构来证实非API石油专用管产品符合标准或订货技术协议的过程。目前，非API石油专用管产品质量评估主要存在“标准分散、体系缺失、效能低下”的问题，第三方监造与检验技术、认证管理体系缺失，第三方检测机构无法对非API石油专用管产品服役质量进行全过程综合评估，不能保证完整性。

3.3 非API石油专用管现场检测与服役监控手段单一

在钻完井和生产过程中，钻柱、油套管柱因外力作用或腐蚀损伤造成失稳是影响油气田安全生产的重大因素。因此，在油气生产过程中，往往采用现场检测或在线监测的方式探查管柱的服役状态。现有的井下管柱现场检测和腐蚀监测技术中，超声波等无损探伤技术、多臂井径测井等技术效率低，且无法达到实时监测的目的；超次声导波监测技术可实现实时监测但成本较高且多用于管线等地面设备[16-18]；井下腐蚀挂片检测技术或挂环技术可用于油套管腐蚀检测[19-20]，但该方法存在无法连续腐蚀监测的问题；井下腐蚀挂片监测技术配套实验室模拟分析验证以及在役井油套管数据库等方法，可实现监测和预测相互验证的闭环管理模式[21]，但该法必须以在役井油套管数据库为前提。油套环空腐蚀探针可实时监测，但存在耐温耐压性能不足，且存在硫化氢应力腐蚀开裂风险。

因此，苛刻工况中服役的非API石油专用管，除了面临现场验收指标无统一规范标准要求的问题外，还存在油田现场高效检测手段缺乏、低效的无损探伤检测技术无法满足高效钻井需求、螺纹快速检测方法/装置缺失、服役状态监测手段单一、预测预警系统不健全等生产难题。

4 非API石油专用管质量管控技术研究方向探讨

为了更好地控制油井管的服役质量，笔者认为从以下几个方面实施质量控制会更加有效。

4.1 建立跨阶段集成产品质量管控技术体系

缺乏跨阶段集成产品质量管控技术体系是非API石油专用管产品质量参差不齐、附加值不高的重要原因。因此，在加大油气勘探开放力度的进程中，基于NQI技术体系框架，开展非API石油专用管产品质量基础设施研究，建设非API石油专用管产品制造和服役阶段数据共享平台，依托特色产品示范性研究，提升我国非API石油专用管核心技术能力，建立健全我国非API石油专用管服役质量技术体系，如图3所示，实现从全球各地采购非API石油专用管产品的兼容性、互换性和一致性，才能提高油气田企业分工协作的效率和质量，降低油气田用户的生产成本，促进构建高质高效的石油石化能源生态产业链。

图3 NQI框架下的非API石油专用管服役质量管控技术体系

针对非API石油专用管产品制造和服役过程中产品质量评价具有多因素影响和多场耦合的特点，构建非API石油专用管标准体系框架，如图4所示。首先按照地质-工程一体化思路进行工况分级，基于制造与服役特征融合的产品质量集成评价进行产品等级划分，以保障非API石油专用管产品质量精准配置；其次，针对产品在宽范围变化工况中服役质量控制的实际需求，依据室内全尺寸试验评价结果，结合产品制造和服役工况大数据基础，开展基于多因素耦合的产品服役性动态监测与寿命评估，为非API石油专用管产品服役质量管控与认证管理提取关键支撑技术，促进非API石油专用管产品质量精准配置，以此形成良性的生态闭环。

图4 非API石油专用管标准体系框架

非API石油专用管产品的服役质量管控与认证管理相关技术，应在现有产品技术、第三方驻厂监造与质量监督、现场施工与检测监测、第三方检测与认证等标准体系的基础上，通过整合现有标准、查明缺失标准与方法，构建跨阶段集成产品质量管控标准体系及认证技术，以此形成多因素和多场耦合的跨阶段集成非API石油专用管产品质量管控技术体系，如图5所示，从而确保非API石油专用管产品质量控制有据可依，并为油气井的安全可靠运行提供技术保障。

图5 跨阶段集成产品质量管控技术体系

4.2 建立健全认证认可机制

严格的认证技术要求传递质量信任，是建立非API石油专用管产品加工制造业、油气行业良好生态循环的重要保障。因此，应建立健全合格供应商、驻厂监造、第三方检测评价机构、现场施工与检测服务单位认证认可机制。

对制造企业实行入网许可，仅仅是物资采购实现对产品质量控制的基础。只有根据油套管订货技术要求，对制造厂的生产设备、技术水平、人员资质、质量管理体系等方面进行全面考核，满足用户订货技术协议要求并经过专业机构认证的制造企业才能获批为合格供应商。其次，非API石油专用管的生产制造过程包括冶炼、轧管、热处理、校直、螺纹加工、水压试验等多个关键工序，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，而驻厂监造及第三方检测是落实标准执行的关键措施。随着油气勘探开发不断深入和井下、地面管网建设经验的积累，驻厂监造及第三方检测评价已成为石油专用管产品质量的控制方式。监造及第三方检测评价服务质量的优劣直接影响到石油专用管产品的实物质量、供货进度以及油田的安全生产。再次，现场施工质量与现场检测及监测技术服务成效则直接影响石油专用管的服役效果和使用年限。

因此，应在现有非API石油专用管服役质量评价的基础上，从第三方驻厂监造、质量监督抽查、质量认证工作数据中量化影响因素和主控因素，整合完善石油专用管产品制造过程中驻厂监造、第三方抽检、油田现场相关无损检测、螺纹计量、在线检测与监测技术。构建健全合格供应商、驻厂监造、第三方检测评价机构、现场施工与检测服务单位认证认可体系；结合非API石油专用管服役过程中多因素影响和多场耦合特点，构建基于已有产品质量检验检测结果的大数据性能预测模型和跨阶段集成产品质量管控认证模型，制定跨阶段集成产品质量管控认证规范，如图6所示，为提升石油专用管服役质量提供技术支撑。

图6 石油专用管服役质量管控认证认可体系构建思路

4.3 建立工业物联网数据共享系统

非API石油专用管质量管控过程涉及冶金矿产、加工制造、储运、机械机电、石油化工、安全防护等多个行业，交叉融合材料、冶金、力学、腐蚀防护、石油工程，以及新兴的大数据、人工智能、云计算等多学科，数据信息分布点多、覆盖面广。通过数据采集的各种手段，采集非API石油专用管成分设计、材料制造、管材及接头加工、热处理及表面改性工艺、储运、现场施工、服役及失效故障处理等全生命周期过程中的静态与动态数据；将操作技术、数值化技术和通讯技术深度融合，通过数据加密处理等措施，在保障信息安全的前提下，实现非API石油专用管生命网络互连互通，打破信息孤岛，建立工业物联网数据共享系统，实现数据全面统一；这将为实现非API石油专用管在全生命周期内各种运行场景的在线仿真、优化、预测预警、安全管控及科学决策提供技术支撑。

5 结束语

1)NQI技术体系是油气工业非API石油专用管质量管控的技术基础，NQI框架下的非API石油专用管产品的计量、标准、检验检测和认证认可技术共同组成其质量管控技术体系。

2)非API石油专用管质量管控面临选材评价技术不完善、质量管控认证体系缺失和现场检测与服役监控手段单一的技术现状。在NQI框架下建立跨阶段集成产品质量管控技术体系、健全认证认可机制和工业物联网数据共享系统将促进我国形成先进适用的非API石油专用管质量管控技术体系。