全尺寸评价方法标准化提升油套管质量水平

2016-04-07李东风秦长毅王蕊韩军杨鹏娄琦余志

石油工业技术监督 2016年4期

关键词：质量控制标准化

李东风，秦长毅，王蕊，韩军，杨鹏，娄琦，余志

中国石油集团石油管工程技术研究院（陕西西安710077）

全尺寸评价方法标准化提升油套管质量水平

李东风，秦长毅，王蕊，韩军，杨鹏，娄琦，余志

中国石油集团石油管工程技术研究院（陕西西安710077）

摘要油套管产品在油气勘探开发及生产过程中发挥着重要的作用，油套管产品质量的好坏直接关系着油气田的生产成本及使用寿命。通过分析油套管产品的使用现状，论述了油套管全尺寸评价标准在控制、提升油套管质量方面的重要作用。在分析、研究国际标准、油田工况、失效案例、科研成果的基础上，实现油套管全尺寸评价方法标准化，填补了我国油套管质量控制领域全尺寸评价标准的空白。全尺寸评价方法标准在油气田及生产厂推广实施情况表明，应用全尺寸性能评价标准，能够实现对油套管质量的全面控制，提升油套管产品质量，对油气勘探开发事业的发展具有重要的经济及社会意义。

关键词油套管；全尺寸评价标准；标准化；质量控制

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

石油工业的发展关系国际民生，是国民经济发展的重要支柱，而油气勘探开发是石油工业的重要组成部分。油套管产品在油气勘探开发及生产过程中发挥着重要的作用，油套管产品质量的好坏直接关系着油气田的生产成本及使用寿命。近年来，随着西部油气田勘探开发力度的加大，油套管产品国产化进程也逐年加快，勘探开发对油套管质量和性能的要求日趋严格。油套管产品根据工况条件、产品质量、安全、环境等方面的不同，其产品性能也存在极大差异，比如高抗挤毁产品、耐腐蚀产品、特殊螺纹接头密封产品。因此，建立统一的、有效的全尺寸质量评价标准，控制油套管产品质量是保障油气田安全可靠生产的关键，也是全面促进油套管质量提升的有效手段。

1　油套管全尺寸评价标准的重要作用

油气勘探开发对油套管质量和性能要求越来越高，对油套管的质量评价方法也提出了新的要求，外观尺寸检验、无损探伤、螺纹参数检测和材质理化分析等常规检验项目已不能够满足勘探开发的要求。大量检验、失效、现场使用结果表明，在常规检验项目均符合相应标准要求时，油套管的使用性能却表现出较大差异，如抗粘扣性能、密封性、抗滑脱强度、抗挤强度等，导致油田失效事故原因无法确定。常规的检测方法虽然可以完成对油套管用钢的化学成分、力学性能、冶金质量及制成品的几何尺寸、螺纹参数的检测，是油套管质量控制的基本的和必要的手段，但无法实现对油套管接头粘扣趋势、密封性及结构完整性等全尺寸性能指标的检测，即常规检测不能满足对油套管质量的全面反映与控制要求。因此，石油专用管的整体性能评价方法即全尺寸评价方法应运而生。

随着深井、超深井、高压气井、水平井、大位移井等钻采条件较为苛刻的油气井的出现与逐步增多，出现了各种各样针对这些特定工况的全尺寸评价方法，但这些方法不具备普遍适用性，也无法作为油套管质量全面评判的依据。因此，对全尺寸评价方法进行标准化，建立油套管全尺寸评价标准对于油套管质量控制具有非常重要的意义[1-2]。

通过采标、分析油田工况以及失效案例分析，制修订国家标准、行业标准和企业标准，形成全尺寸评价试验标准体系，实现油套管全尺寸评价方法标准化。

2.1 ISO标准的等同采纳

国际上油套管全尺寸性能评价，主要依据的标准为ISO 13679《套管和油管接头评价程序推荐作法》[3]。ISO 13679标准是在API RP 5C5的基础上，结合API RP 37同时对某些条款进行了修改和补充，于2002年底发布第1版。与API RP 5C5相比，ISO 13679标准强化了对不同井况条件下油套管接头性能的验证，对试验项目进行了整合，提出了密封包络线和强度包络线的概念。

石油管工程技术研究院在深入分析ISO 13679标准的基础上，等同采用了ISO 13679标准英文版，颁布并实施了GB/T 21267《石油天然气工业套管及油管螺纹连接试验程序》标准。

GB/T 21267标准主要包括4方面内容：①试样数量及加工公差，在保证覆盖各种公差配合的情况下，大大减少了试样的数量，用少量的试样完成多种复合载荷试验，虽然增加了试验难度，但却更充分地覆盖了多种复杂井况，更全面地检测了油套管接头的全尺寸性能。②对上、卸扣试验做出了更详细的规定，规定了抗粘扣上、卸扣试验，抗粘扣循环上、卸扣试验及最终上扣试验，评价试样在最大上扣扭矩和各种规定公差配合条件下的抗粘扣性能，确保油套管在各种公差配合情况下的使用性能。③规定载荷包络线试验，主要评价油套管的密封性能，试验项目包括：A系载荷包络线试验；B系载荷包络线试验；C系载荷包络线试验。载荷包络线试验，更加注重将多个复合载荷试验项目按照载荷包络线整合为3个试验项目，试样要经受复合载荷，试验难度大、周期长、条件苛刻。通过计算管体和接头的临界横截面的承载能力，在保证安全的前提下使试样承受尽可能高的载荷或复合载荷，以评价油套管的气密封性能是否满足要求。④极限载荷试验，目的是验证油套管接头结构和密封的极限性能，主要包括高内压条件下拉伸至失效、压缩条件下外压至失效、拉伸至失效、外压条件下压缩至失效、拉伸条件下内压至失效、内压条件下压缩至失效、外压至失效、低内压条件下拉伸至失效等8种试验项目，这些试验项目全面地检测了接头的强度。极限载荷试验结果，能有效判定接头的性能是否符合标准要求，同时，极限载荷试验结果也能够帮助油套管制造厂确定其产品的极限承载能力。

GB/T 21267标准填补了我国石油工业用油套管领域全尺寸性能评价检测标准的空白，为保障油套管质量提供了强有力的技术支持。应用该标准可以有效地评价和控制油田所关注的油套管的抗粘扣性能、密封性能、极限载荷性能等全尺寸性能，能够充分模拟油田的使用工况，科学评价石油管材的整体性能和适用性。

2.2我国特有全尺寸适用性评价方法的标准化

我国油气田油套管服役条件复杂、严酷，尤其是西部油气田，多为超深、超高温、超高压的三超油气田，同时还伴随着严重的腐蚀介质，勘探开发难度大，工况条件复杂多变。复杂的工况条件，不仅对油套管的质量提出了更高的要求，而且对油套管在特定工况下的适用性也提出了要求。

因此，根据我国深井、超深井和高温、高压、高含硫等西部油气田的特殊工况条件，修订了行业标准SY/T 6128-2012《套管油管螺纹接头性能评价试验方法》[4]，为有效地模拟工况进而评价油套管的适用性提供依据。

SY/T 6128-2012《套管油管螺纹接头性能评价试验方法》将适用性评价与包络线有机结合，提出：①新产品鉴定检验，考核制造商开发的油套管产品的质量是否能满足设计要求，并通过试验来证明接头性能达到指定的应用级别要求；②产品质量监督检验，对应于接头有3个试验等级，它们分别对应API标准螺纹接头评价试验、特殊螺纹接头评价试验及苛刻环境下特殊螺纹接头评价试验；③特殊用途油井管适用性评价，主要包括定向井、大曲率井油管与套管适用性评价和热注采井模拟试验。SY/T 6128-2012标准能够有效评价油套管瞬时及长久密封能力，适用性强，为高压井、超深井、定向井、大曲率井、热采井及应力腐蚀等复杂工况的油气井选择质量可靠的油套管产品，为科研及失效分析提供有力的技术保障。

同时，项目组根据新疆油田稠油蒸汽吞吐热采井工况以及基于应变设计的热采井套管柱理论，制定了行业标准SY/T 6952.3-2013《基于应变设计的热采井套管柱第3部分：适用性评价方法》[5]，用于稠油蒸汽吞吐热采井用套管的适用性评价。该标准使稠油热采领域油套管产品生产有据可依，确保油套管产品在稠油蒸汽吞吐热采井领域的质量可靠性。

另外，项目组还根据油田某种特殊井深结构设计的需求，协助建立非API规格系列油套管及内外平直连型套管检测评价试验方法、抗腐蚀性能油套

2　油套管全尺寸评价方法标准化

管检测评价试验方法、高强度及高抗挤套管检测评价试验方法及某油田油套管抽样上、卸扣试验补充技术条件等多种适用性评价试验方法作为全尺寸评价标准的补充，切实保障油田用管的质量安全。

2.3在质量评价标准中引入油套管全尺寸评价要求

行业标准SY/T 5539-2012《油井管产品质量评价方法》[6]，规定了油井管产品的抽样及检验方案、质量特性及不合格分类、质量特性检验评分规则、等级划分等质量评价方法。标准也进一步规定了油井管产品质量评价结果的处理方式。

在修订该标准时，将全尺寸评价试验作为一类质量特性，增加了特殊螺纹接头油管套管、高抗挤套管、抗腐蚀套管和油管的质量评价方法，提升了油套管全尺寸评价的地位，以便油套管产品使用方择优订货，同时为油井管产品验收和拒收提供判据。

2.4制定油套管适用性评价试验推荐作法

为规范适用性评价试验程序的制定，尽可能模拟油气田的使用工况、科学评价油套管的整体性能，项目组结合现行全尺寸试验方法标准、特定工况模拟实验方法、开展多年全尺寸模拟实验的情况以及油田需求，制定了企业标准《油套管适用性评价试验推荐作法》，该标准规定套管和油管进行适用性评价试验的一般程序，依据该标准制定出适用性评价试验方案，能够有效评价油套管对油气田的适用性，判断其设计性能是否满足工况需求，检验产品的整体质量水平。

3　油套管全尺寸评价标准对油套管质量的控制

3.1 API螺纹全尺寸评价

API螺纹接头包括圆螺纹及偏梯形螺纹2种，该螺纹接头油套管通常适用于一般性油井，在使用过程中，主要关注的是该类油套管的强度性能和水密封性能是否满足使用要求。

结合使用需求以及API螺纹接头特点，制定了包括抗粘扣试验、水密封性能试验、螺纹连接强度试验、抗内压及管体抗外压试验在内的全尺寸性能评价方案，有效评价API螺纹接头油套管的使用质量。

3.2特殊螺纹全尺寸评价

特殊螺纹接头也称非API螺纹接头或优质螺纹接头，该种接头与API接头的不同之处在于采用了全新密封形式、强度结构及螺纹牙形[7]。特殊螺纹接头以其独特的机械结构，良好的密封性，在复杂工况服役环境下获得了广泛应用。目前，特殊螺纹接头存在的问题突出表现在以下2个方面：①由于主密封面长度或金属接触对密封过盈量选择不当，导致螺纹粘扣或主密封面粘结；②由于密封结构及公差选择不当在使用过程中接头易发生泄漏。出现粘扣或密封失效就会极大影响特殊螺纹接头的使用性能，缩短使用寿命[8-9]。

针对特殊螺纹接头容易出现的问题，以及其具备优良的气密封性能的特点，制定了检验其抗粘扣性能、密封性能、结构完整性和极限载荷性能的全尺寸性能试验方法，充分模拟特殊螺纹油套管在使用过程中所经历复合载荷工况。通过客观的试验数据为用户提供最直观的判断依据，有效地控制该类产品质量。

3.3推广应用全尺寸评价标准的重要意义[10-11]

油气勘探开发事业的长足发展与进步引起石油工业领域不断涌现新工艺、新技术、新产品。新产品如何进行质量控制，确保在使用过程中安全可靠运行必然需要有效的检测标准。制定、修订油套管标准，推广和应用全尺寸评价标准，是总结和积累科技研发创新经验，促进油套管生产厂技术创新，确保产品使用安全，提升产品质量的过程。

推广应用全尺寸评价标准，使油套管产品订货、生产、检验、使用和质量异议处理有据可依，进而保障油气田的安全运行，对带动我国油气勘探开发产业升级和创新能力的提高，降低油气生产成本、提高生产效益等方面具有非常重要的意义。

在油气田积极推广应用油套管全尺寸评价标准，能够有力保障油气田用油套管产品质量，节约采购成本，保障油气田安全可靠运行。项目组近3年应用全尺寸评价标准，开展油气田用油套管相关检测100余项。例如，在西南、塔里木、新疆、长庆油气田用低Cr、13Cr、超级13Cr、镍基合金等特殊材料油套管全尺寸性能评价中应用；在塔里木油田开发的365.13mm、250.83mm、206.40mm、201.60mm、200.03mm等规格套管性能评价中应用；在140ksi、150ksi、155ksi、160ksi等高钢级油套管及高抗挤套管检测评价中应用；在稠油热采井用特殊螺纹接头套管性能评价中应用；在长庆油田库存套管适用性评价中应用；在塔里木油田套管国产化项目中得到全面应用，切实提高了塔里木油田用套管的国产化率，使塔里木油田每年节约采购资金约4亿元人民币。全尺寸评价标准在油气田的广泛使用，为油气田用油套管产品的采购、使用、失效分析及特定工况适用性提出了合理化的建议，保障油套管产品质量。

应用全尺寸评价标准，为油套管生产厂提供质量评价技术服务，有力地促进了国产油套管产品质量的提升，为我国实现油套管产品全面国产化作出了突出贡献。项目组近3年来共完成生产厂质量评价技术服务300余项，如对宝山钢铁股份有限公司、衡阳华菱钢管有限公司、天津钢管集团股份有限公司、宝鸡钢管厂等油套管生产厂进行产品质量评定，检验生产厂的加工能力和开发的新产品是否满足其设计要求；开展油套管年度质量抽查，产品性能检测，确定油套管整体质量水平是否满足要求；开展新研发产品及失效产品全面质量分析，确定产品的适用范围，提出产品质量存在的问题，并结合检测结果为生产厂下一步设计、生产提出合理化建议，切实促进国产油套管质量水平的提升。