油气田用套管质量抽检方案设计

郭建华1,王毛毛,文春宇1,李大朋,伍 葳1,王修云,陈迎锋

(1. 西南油气田分公司 工程技术研究院，成都 610031； 2. 安科工程技术研究院(北京)有限公司，北京 100083)

套管是重要的石油物资，其产品质量严重影响着油气井的生产安全，尤其是应用于含H2S工况的抗硫套管。近年来，随着油气田的深入开发，日益苛刻的井下环境对于套管的质量提出了更高的要求。如果带有缺陷的套管入井，在建井或生产阶段发生失效，不仅会对经济产生巨大的损失，对自然环境造成污染，而且会严重危及现场工作人员的人身安全。李超等[1]统计了中国石油集团石油管工程技术研究院在2007至2011年间完成的34起套管和油管的失效分析项目，发现由产品质量造成的失效问题约占到所有失效的60%。因此，有必要针对套管建立系统的抽检方案，并对采购的套管进行严格抽检，避免因产品质量不合格导致套管失效问题再次发生。

目前，国内各大油田对于油套管的抽检一般是按照固定比例抽样，而后参照中国石油天然气集团公司企业标准Q/SY 1135-2013《产品质量监督抽查规范》中有关抽样的规定进行抽查，抽检项目主要包括无损检测、理化试验、螺纹参数、几何尺寸、外观质量等。对于固定比例抽样方法，刘猛等[2]结合煤层气公司近年来关于油套管的检测结果与实际发展需求，对此固定比例的抽检方案进行了优化，建立了一套基于概率论与数理统计的统计抽样方案。张蕾等[3]在介绍石油管质量监督抽检时，也建议选用统计抽样的方法。然而，很少有公开资料或文献针对套管抽检问题进行系统分析，提出包括抽样方案、检测项目、检测方法及结果处理在内的详细抽检方案。为此，本工作在分析国内套管失效原因的基础上，明确了生产环节中引起套管失效的冶金、制造与加工缺陷类型，提出了需要检测的关键参量。结合标准与产品技术要求，提出了套管的抽样方案、检测方法与结果处理方法，建立了全面而系统的抽检方案。

1 套管失效情况分析

对于1995年以来报道的套管失效案例进行统计，共计29个案例，失效类型的统计结果如图1所示。由图1可知，套管失效的类型可以分为：(1) 断裂，如爆裂、开裂、疲劳断裂等；(2) 变形，如黏扣；(3) 磨损，如脱扣；(4) 腐蚀；(5) 螺纹泄漏等五类。其中，主要的失效类型为断裂、变形，分别为15个案例与7个案例。由失效位置来看，断裂失效的位置主要发生在套管本体位置。图2为29个失效案例的失效原因统计。由图2可知，导致套管失效的原因主要是产品质量不合格、现场操作不规范或者井下服役工况恶劣。其中，单纯因产品质量问题导致套管在抽检或服役过程中发生失效的有16个案例，占失效案例的55%；其次,由现场操作不规范导致的失效有10个案例，占失效案例的34%。在上述失效案例中，套管质量问题主要包括化学成分不均匀，晶粒粗大，组织分布不均及存在折叠等缺陷。而李金平[4]在分析油气田建井期间发现的油套管缺陷及其导致的失效案例时，也指出油套管在冶金、制造、机加工等生产过程中产生的缺陷会影响套管的各项性能如力学性能、耐腐蚀性能，导致其在建井或服役期间发生失效。此外，套管质量也包括螺纹加工质量，有资料表明86%套管柱失效出现在螺纹连接处[5]。

图1 套管失效类型统计Fig. 1 Statistics for failure type of casing

图2 套管失效原因统计Fig. 2 Statistics for failure reasons of casing

因此，在对套管进行抽检时，应着重关注其外观质量、螺纹参数及理化性能，如化学成分、显微组织、晶粒尺寸、夹杂情况、冲击性能、拉伸性能及硬度。而对于抗硫套管来说，还需要对其抗硫化物应力腐蚀开裂性能进行测试。

2 套管质量抽检方案设计

2.1 抽样标准选取

对于套管的抽样，一般采用固定比例抽样的方法，按照总批数的5%进行抽样。该抽样方案虽简单，易操作，但存在大批严、小批宽的缺点。相比于固定比例抽样，统计抽样方法是一种基于概率论与数理统计的抽样方法，可有效减少人为偏见，在抽样前即可量化油套管制造企业与用户的风险，并运用概率论对样本结果进行推断，评价总体特征，所得到的检测结论具有科学依据[5]。目前，该方法已逐渐发展成熟，并形成了相应的抽样标准GB/T 2828《计数抽样检验程序》系列标准。该标准包括多个部分。其中，GB/T 2828.1-2012《计数抽样检验程序 第1部分：按接收质量限(AQL)检索的逐批检验抽样计划》与GB/T 2828.5-2008《计数抽样检验程序 第5部分：按接收质量限(AQL)检索的逐批序贯抽样检验系统》多用于连续批的抽样，不同的是GB/T 2828.5-2008较适合于检验产品质量高但检测样本少的产品，而且实际操作困难。GB/T 2828.2-2008《计数抽样检验程序 第2部分：按极限质量(LQ)检索的孤立批检验抽样方案》与GB/T 2828.4-2008《计数抽样检验程序 第4部分：声称质量水平的评定程序》适合于孤立批的抽样，GB/T 2828.3-2008《计数抽样检验程序 第3部分：跳批抽样程序》为跳批抽检高质量产品的抽样方法，会加大使用方的风险。

在选取抽样标准时，应充分考虑套管的生产流程、供货方式与抽检目的。对于套管来说，从原材料到成品都有一套可追溯的程序，在用户按照套管重量订货时，套管制造企业通常是将某一连续生产周期内生产的套管向用户发货。各油田分公司每年都会按照需求，从中国石油天然气集团公司规定的厂家采购大量不同规格的套管。因此，在年度抽检时，每批次套管可作为连续批看待，建议选用GB/T 2828.1-2012作为套管抽样标准。该标准给出了不同的抽样方式，规定了正常、放宽、加严转移规则。在检测水平方面，推荐了特殊检验水平与一般检验水平。特殊检验水平分为四个等级(S-1、S-2、S-3、S-4)，一般检验水平分为三个等级(I、II、III)，等级越高，要求的样本数量越大。在是否接收方面，规定了接收质量限(AQL)，即当一个连续系列批被提交验收抽样时，可容忍的最差过程平均质量水平。根据 GB/T 2828.1-2012标准，AQL值越小，所要求的过程平均质量水平越高。

2.2 抽样方案选取

考虑到现场抽样条件及检测费用，建议采用一次正常抽样方式，外观质量、螺纹参数等非破坏性检测项目按照一般检验水平，抗应力腐蚀破裂(SSC)性能、力学性能等破坏性检测项目按照特殊检验水平进行抽检。检验水平的等级则由各油田分公司相关负责部门依据所期望的质量要求及历年来的抽检结果来确定。确定检验水平后，根据批量大小，从GB/T 2828.1-2012标准中的表1中查找对应的样本量字码。使用AQL和样本量字码从正常检验一次抽检方案表中检索抽样方案即可，但各检测项目对套管服役性能的影响不同，AQL取值也应有所不同。SN/T 0820-2011《进出口石油套管、油管检验规程》标准中将不符合规定的极重要质量特性归为A类不合格，包括套管管体或管端螺纹的裂纹、折叠等轧制缺陷，全顶螺纹(牙顶完整，且无黑顶螺纹)最小长度Lc之内的黑扣、断扣，严重的损伤、撕破，理化性能不合格以及紧密距、螺纹单项参数和J值(拧紧状态下管端到接箍中心面的距离)超差等；将不符合规定的重要质量特性归为B类不合格，包括Lc以外的管子螺纹部分的损伤、断扣、黑扣、畸形扣、管端变形等；将不符合规定的一般质量特性归为C类不合格，包括管子公称壁厚5%～12.5%的表面缺陷、管端倒角不良、毛刺、管体和螺纹的锈蚀等。针对于A类不合格，应选取较小的AQL值。对于B类不合格，其AQL取值应比A类不合格大,但比C类不合格小，具体的取值应适合特定情况的质量要求。

基于所确定的样本量字码和一组AQL值组合，可从正常检验一次抽检方案表中检索抽样方案。如无相应的抽样方案可用，应使用表中箭头所指的接收数和拒收数所在行的样品量字码，此时应按新的样本量字码对应的样本量进行抽样。如果由不同类别的不合格导致不同的样本量，此时所有类别的不合格可使用所得到的最大样本量进行抽样，并根据其对应的样本量字码检索抽样方案[6-7]。

2.3 检测方法的选取

在对包括外观质量、螺纹参数与理化性能(化学成分、显微组织、晶粒尺寸、夹杂情况、冲击性能、拉伸性能及硬度)等项目进行检测时，可参照API Spec 5CT-2011《套管和油管规范》标准中给出的相关推荐方法来进行，具体如表1所示。对于冲击测试，应尽量取横向全尺寸试样。当不可能取全尺寸横向试样时，应尽可能采用大尺寸的横向试样。若不能采用任一尺寸的横向试样时，则应尽可能采用大尺寸的纵向试样。

表1 套管质量检测方法Tab. 1 Test methods of casing quality

对于抗硫化物应力腐蚀开裂性能评价试验，ANSI/NACE TM 0177-2005《H2S环境中金属抗硫化物应力开裂和应力腐蚀开裂的室内试验》标准中推荐了单轴拉伸试验(A法)、弯梁法(B法)、C型环试验(C法)、双悬臂梁试验(DCB，D法)等四种试验方法。对于套管产品，考虑到C法具有试样尺寸大、加载困难等缺点，API Spec 5CT-2011标准仅推荐采用A法、B法及D法，但要求使用ANSI/NACE TM0177-2005《试验方法标准 金属抗硫化物应力开裂和H2S环境中应力腐蚀开裂的试验室试验方法》标准规定的试验溶液A。此外，针对于C110钢套管，给出了D法的替代试验溶液(NACE TM0177-2005标准规定的试验溶液D)。标准ANSI/NACE MR0175/ISO 15156-2-2015《石油和天然气工业-油气开采中用于H2S环境的材料 第2部分：抗开裂碳钢和低合金钢及铸铁的使用》中推荐了A法、FPB法(四点弯，属于B法)、C法、D法，并将碳钢和低合金钢发生SSC的严重程度划分了四个区域(0区、1区、2区、3区)，规定对于特殊的应用或SSC 1区或SSC 2区，选用D溶液；对于所有的SSC区域，选用A溶液。对于应用于SSC 3区域的套管，只要套管成形时经淬火加回火处理，硬度不超过30 HRC，名义屈服强度等级为690、720、760 MPa是可接受的，但要求采用A法开展评价试验来确定其抗SSC性能。最新版的ANSI/NACE TM0177-2016《金属在H2S环境中抗硫化物应力开裂和应力腐蚀开裂的实验室试验的标准试验方法》中明确规定D溶液可以用于高强度钢的抗SSC性能评价试验，比如C110钢套管。同时，D溶液可用于A法、C法和D法。综上可知，可选用A法、B法、D法，模拟A溶液或D溶液开展抗硫化物应力腐蚀开裂评价试验。其中，B法采用恒应变加载方式，试样结构简单紧凑，适用于大批量试样同时开展试验，但由裂纹引起的应力松弛可能造成裂纹扩展停止，导致裂纹扩展情况观测困难[8-9]。WU等[10]在研究环境因素对冷加工高碳钢耐应力腐蚀开裂性能影响的过程中，发现在含H2S(0.019 mol/L，pH=2.4)的NaCl溶液中，当三点弯试样载荷大于四点弯试样载荷时，其断裂时间仍较四点弯试样的长。IKEDA等[13]采用不同SSC评价方法研究碳钢与低合金钢的开裂敏感性时，发现在相同的载荷作用下，A法得到的临界应力强度值低于四点弯方法得到的。以上研究结果说明，A法的评价结果较B法的更为保守。D法忽略了裂纹的起源过程，主要用于测量金属材料抗裂纹扩展能力，是一种开裂-停止型的断裂力学试验，且试验用双悬臂梁试样对加工精度要求极高，试验后处理困难。因此，推荐选用A法作为套管抗硫化物应力腐蚀开裂性能的评价方法，可根据需求选用A溶液或D溶液作为试验溶液。

2.4 检测结果处理

在验收评定时，以检测项目是否满足标准API Spec 5CT-2011或产品技术要求书的规定为判据，判定检测的样品是否合格。对于某一检测项目，批套管的接收准则为：当样本中检测出的不合格产品数d≤接收数Ac时，接收该批套管。但检测出的不合格产品必须返工或以合格品替换；若检测出的不合格产品数d≥拒收数Re时，则拒收该批套管。将上述结果及时通知负责部门，若需再检验，建议负责部门选用正常检验的流程，且只针对初次检验造成批不接收的特定类型进行检验。再检测前，应确认厂家已剔除所有不合格品或以合格品替换。经再检验后，若发现检测出的不合格产品数d≤Ac，则接收该批套管。但检测出的不合格产品必须返工或以合格品替换；若检测出的不合格产品数d≥Re时，则拒绝接收该批套管。

2.5 抽检方案设计

通过上述分析与筛选，确定了选用GB/T 2828.1-2012作为套管抽样标准。结合不同抽样方式的便捷性与不同检测项目对套管服役性能的影响，建议选取一次抽样、不同检测项目、不同检验水平及AQL值的抽样方案。此外，规定了至少对包括外观质量、螺纹参数、抗硫化物应力腐蚀开裂性能与理化性能(化学成分、显微组织、晶粒尺寸、夹杂情况、冲击性能、拉伸性能及硬度)等项目进行检测。检测时，参照表1中给出的检测方法进行测试，并按照检测结果处理方法确定接收或者拒收该批套管。基于以上内容，形成了一套较为完善的套管抽检方案，如图3所示。

图3 套管质量抽检方案Fig. 3 The quality sampling and inspection program for casing

3 结论与建议

在油气生产过程中，保证套管产品质量对于油气井的安全生产至关重要。通过开展抽样检查能够迫使制造商提高产品质量，避免不合格产品进入井下服役，降低套管的失效概率，保证油气井的正常生产。因此，建议套管用户在抽检时，结合自身质量需求及历年检测结果，针对不同检验项目选取不同的检验水平与AQL取值，按照一次正常抽样的方式在GB/T 2828.1-2012标准中检索抽样方案。根据抽样方案，进行随机抽样，并参照推荐的检测方法对关键性能指标进行检验。以检测项目是否满足标准API Spec 5CT-2011或产品技术要求书的规定为判据，判定检测的产品是否合格，并根据批接收准则，判定是接收还是拒收。