从页岩气井用套管浅谈API Spec 5CT/ISO 11960的发展

张宏英

北京石油机械有限公司 （北京 102206）

美国石油学会（API）是美国石油天然气行业最大的贸易联合会，负责石油和天然气工业的标准化工作，其中近400 家公司成员覆盖了石油和天然气勘探、生产、运输、提炼和销售的所有领域。1924 年API制定了第一个标准，现已拥有约700项石油和天然气方面的标准。1996年我国根据API Spec 5CTM—1995《Specification for casing and tubing》(metric units)编写了SY/T 6194—1996《套管和油管》；2003 年等同采用ISO 11960：2001（API Spec 5CT第7版），修订了行业标准SY/T 6194—2003；接着行业标准升级为国家标准GB/T 19830—2005。之后基本上遵循了API规范改版，ISO 标准等同采用API规范，API再与ISO共享标准内容，中国国家标准等同采用ISO标准的交替修订模式。目前，ISO 11960、API 5CT、GB/T 19830 三部标准内容一致，源头均为API Spec 5CT。对应的，我国现行标准为GB/T 19830—2017/ISO 11960:2014，该标准是基于API 5CT第9版（2011 年7月）翻译制定的，于 2017 年 5 月 12 日发布，2017 年12 月 1 日起实施。2018 年 6 月，API 5CT 第 10 版发布，已于2019年7月1日起生效[1-8]。

1 标准的发展及改版影响

纵观API Spec 5CT 的发展，标准诞生前期保持独立且修订频次较高。进入21世纪以来，随着经济贸易全球化，API 与ISO 间的合作进入蜜月期，二者之间互相等同引用，吸收彼此的技术修订成果，取得了很大的技术进步。API Spec 5CT 标准的发展简况详见表1[1-8]。

第10 版API 5CT 标准错误较多，除了一般编辑性错误，更有大的技术性纰漏。API 官方于2018 年12 月、2019 年 5 月先后 2 次发布勘误通知。相比于以前版本，修订主要体现在材料、钢级、热处理、试验检验方法等方面，最新版修订了114.3 mm、127 mm、139.7mm（412″、5″、512″）等3种规格套管的接箍尺寸，表2（即原标准表C.32 API 圆螺纹套管接箍尺寸、公差和质量）及表3（即原标准表C.33 API 偏梯形螺纹套管接箍尺寸、公差和质量），就标准变化部分进行了对比。这是API Spec 5CT 诞生30 年来最为显著的变化之一，具有里程碑意义。

由于以上变化是在最新版API Spec 5CT—2018中产生的，因而我国现行国家标准GB/T 19830—2017/ISO 11960:2014 尚未体现出以上变化。114.3 mm、127 mm、139.7 mm（412″、5″、512″）这 3 种套管作为API Spec 5CT 中最小规格的套管，一般用于油井生产套管。近年来，随着页岩气、致密气等非常规油气的规模化勘探与开发，常规的API 套管螺纹已经不能满足气井生产的气密封性需求。在页岩气井中，根据气藏生产的特点，需要使用气密封套管，对应螺纹类型种类多样，基本上各大套管厂家均开发了自家特有的螺纹类型，具有抗拉强度高、密封压力高的特点。表4列出了目前市场上几种主流非标特殊螺纹套管的接箍尺寸[9-12]。从表4 可以看出，不同厂家接箍尺寸各不相同，同一厂家不同螺纹的接箍尺寸也不相同，其中美国USS 公司的套管接箍尺寸和API 5CT规范符合性最高。

表1 API Spec 5CT标准发展简表

表2 圆螺纹套管接箍尺寸变化表

表3 偏梯形螺纹套管接箍尺寸变化表

表4 特殊螺纹套管接箍外径统计表

API Spec 5CT 新版标准的主要变化还包括[6]：产品种类中增加了接箍材料，删除了平端衬管；第2组产品中增加了C110 钢级及其相关要求，将原第2 组中的C95 钢级划分至第1 组，改为R95 钢级；在螺纹连接类型中删除了直连型套管及其相关要求；修改了第1 组的热处理要求；增加了R95 钢级的校直要求；增加了C90 和T95 钢级的统计拉伸试验要求；修改了C90 和T95 钢级的硫化物应力开裂试验相关要求，补充了试样要求、试验无效、附加试验等；修改了接箍、接箍毛坯、接箍材料和附件材料的长度要求；修改了试验无效的规定；修改了M65、L80、C90、T95 钢级的硬度试验方法和硬度试验机的周期检查；增加了硬度试验机和压头的验证；修改了部分试验和检验方法，如外观检验、无损检验等；修改了接箍、短节的色标方法；增加了附录K：ANSI-NACE TM0284—2003附录C中H2S滴定程序的修改。

其中，套管接箍尺寸的增大，反映出了近年来油气井对于小尺寸套管技术需求的提升。这些尺寸变化可能带来的影响如下。

1）由于接箍外径与套管外径的差异，在接箍与套管的连接处产生了一个台阶，该台阶即为提升单根套管或整个套管柱的承载面。增大接箍尺寸，其直接的效果就是承载面宽度（b）的增加。API Spec 5CT—2018 新版标准中承载面宽度平均提高了81.49%，最高达到99.69%，有效增加了套管吊卡与套管接箍的接触面积，降低了接触表面应力，大大提高了套管柱提升的安全性。

2）套管接箍外径增大后，提高了套管柱抗拉能力。API Spec 5CT—2018 新版标准中套管接箍截面面积平均提高了62.59%，最高达到73.87%，大大降低了套管柱在极限工况下受拉断裂失效的风险。

3）由于套管接箍尺寸变大，给井眼环空也带来了变化。根据统计，在套管接箍部分，环空面积平均减少9.13%，最高达到10.25%。因此在固井设计时应更新套管模型，精确建模，提高数值模拟的准确度。

4）在套管作业工具设计时，应充分考虑接箍尺寸变化带来的风险。如气（液）动套管卡瓦、卡盘通径应留出足够的间隙量，避免套管通过时的干涉风险。

2 小结与展望

新版API Spec 5CT—2018的变化是一个里程碑事件，这些变化将作为一个新的起点引领非标准套管标准化。同时，随着油气资源开采朝着“低、深、海、非”方向发展，特殊螺纹套管在油气井中占比越来越高，其主要特征是抗拉伸、抗压缩、抗扭曲、抗外挤、抗内压、抗黏扣等综合性能高。套管接箍作为特殊螺纹内螺纹的载体，其尺寸随螺纹结构尺寸的变化而变化，这也是目前市场上各套管厂家接箍尺寸不同的主要缘由。目前，API Spec 5CT 中套管螺纹仅包含了圆螺纹（SC、LC）和偏梯形螺纹（BC），而作为市场份额较大的特殊螺纹尚没有统一的标准规范，套管厂家各自为政。

面向未来，建议API Spec 5CT/ISO 11960将高强度、高钢级（V150）套管纳入到标准范围内，同时对套管接箍的极限尺寸进行约束，为井身结构设计、固井设计及套管作业工具（装备）的设计提供参考规范。