非API石油专用管标准体系构建及展望*

2021-07-07徐婷，丁飞，张华，吴浩，方伟，李茹，吕华

石油管材与仪器 2021年3期

徐婷，丁飞，张华，吴浩，方伟，李茹，吕华

( 1.中国石油集团石油管工程技术研究院陕西西安 710077； 2. 中国石油勘探开发研究院北京 100083； 3.西安石油大学陕西西安 710065)

0 引言

油气开发是国家能源战略命脉。21世纪以来，我国油气田在深层超深层、低压低渗低产、海洋油气、页岩油气及致密油气等非常规四大方向分化显著，工况需求差异巨大[1]。

石油专用管包括钻杆、套管和油管等，通过螺纹连接形成的钻柱和油/套管柱是获得油气资源的唯一通道，是保障油气井安全，支撑能源战略的“生命线”。我国每年新增2万口井，年均消耗石油专用管3.5×106t，价值300亿元，占油田装备资产60%，对国民经济影响重大。20世纪90年代以前，因制造能力和技术水平所限，我国引入美国石油学会(API)标准体系，解决了石油专用管产品互换性和最基本的性能要求，却难以满足复杂服役条件对石油专用管的性能和安全要求，导致石油专用管大量失效，年均损失数百亿元，严重制约油气田安全与高效开发，成为我国石油工业发展的重大瓶颈和亟待破解的重大技术难题。本文通过对目前非API石油专用管产品现状及石油专用管标准体系的研究，构建了非API 石油专用管标准体系，为非API石油专用管核心标准制定提供了指导，并为提高非API石油专用管质量提供了技术支撑。

1 非API石油专用管产品现状

国际上常规的石油专用管普遍采用美国石油学会(API)标准进行生产，这些产品称为API石油专用管。由于近年来油气勘探开发力度的加大，按API标准供应的石油专用管已经不能满足深井、超深井、高压气井、盐膏层、腐蚀介质井的勘探开发。为了满足以上复杂工况，石油专用管制造行业研发了大量特殊的石油专用管，这部分产品的技术要求高出了API标准，不能完全按照API标准生产、检验，因此又称非API石油专用管。

自20世纪80年代初开始，国外先进制造商开始对非API石油专用管进行规模化开发，经过多年发展，阿根廷泰纳瑞斯(Tenaris)集团、法国瓦卢瑞克·曼内斯曼 (Vallourec & Mannesmann)集团、俄罗斯钢管冶金集团、日本新日铁和JFE钢铁株式会社、美国美钢联集团现已形成系列化非API标准石油专用管产品，长期高价垄断世界高端石油专用管市场。我国的非API石油专用管开发起步较晚，经过近20年的奋起直追，已形成10多种非API产品系列，占石油专用管总量的2/3，价值约260亿元，系列产品见表1。

表1 非API钢级石油专用管系列产品

2 石油专用管标准化现状

API系列标准是国际上公认的先进标准，在石油工业领域影响大、应用广、专业性强，同样也在中国石油行业广泛应用[2]。我国从20世纪80年代开始，通过直接采用或增加补充技术条件方式，开始使用API标准进行石油专用管的订货、生产、检验和使用，并延续发展。为确保石油专用管的使用性能，API围绕产品规范建立的系列标准也得到了广泛应用，如图1所示。API系列石油专用管标准对我国的石油管材质量提升以及国产化起到了重要的帮助和推动作用[3]。

图1 API石油专用管标准体系

随着中国油田油气资源勘探开发难度的增加，如井深增加，井内温度、压力相应提高，地层应力大，大多含有腐蚀介质等，石油专用管服役条件日益复杂和严酷。API标准主要解决石油专用管产品互换性和最基本性能指标，难以满足我国复杂油气井对石油专用管的使用安全需求。目前我国石油专用管建立了8项国家标准，7项等同采用API标准，均为产品导向型，仅1项自主研发的非API标准，属于工况导向型。其他相应的技术标准尚处于分散或缺失状态，缺乏国家层面的产品质量管控体系。39项石油专用管行业标准中，包括API /非API 套管、油管、钻杆、方钻杆、钻铤等及其连接件的产品标准，配套的试验检验、评价、使用与维护标准; 钻柱、管柱的选用、设计、评价标准等。从中较难看出哪些标准缺失，哪些标准存在重复交叉，因此对标准制修订工作的指导性不是很强[4]。

因此，需要对石油专用管标准进行梳理，研究构建非API石油专用管标准体系，指导相关国家标准、行业标准和团体标准的制修订，统筹协调石油管材标准化工作，为我国油气产业发展提供管材质量管控，提供重要的技术支撑。

3 非API石油专用管标准体系构建研究

3.1 构建原则

非API 石油专用管标准体系建立的原则：以油田用户为目标导向，适用性要强，要能够满足石油工业深入发展的需要；集中优势技术，要能够集中优势技术和产品，能够代表先进技术和产品的发展；制定适用、先进、经济、可靠的标准，标准要简化集约，统一协调。

3.2 非API石油专用管标准体系构建

在非API 石油专用管标准体系建立原则的基础上，针对非API 石油专用管标准体系结构设计“不完善不系统”问题，采用需求导向构建方法、PDCA 循环方法，对非API 石油专用管产品发展现状、关键技术及标准化需求进行分析，对非API 石油专用管的材料、结构、性能、规格、计量和认证的标准现状及需求进行梳理，建立了涵盖设计与选材、产品制造、检测与检验、使用维护、失效与完整性管理的石油专用管全寿命周期标准体系，涵盖典型工况的10大类产品共91项标准。其中，国家标准16项，行业标准46项，企业标准30项。非API石油专用管标准体系包括油套管和钻柱构件2大类标准，如图2所示。其中，设计选用标准7项，产品制造标准42项，检验与试验标准19项，运输与储存标准2项，使用与维护标准12项，失效分析与完整性标准12项。

图2 非API石油专用管标准体系

3.3 非API石油专用管标准发展方向

面对煤气化、天然气水合物、干热岩新能源开发以及“深水、深层和非常规”特殊工况的不断涌现，今后非API石油专用管标准化也面临新的挑战，发展方向集中在以下4个方面。

1) 新能源开发用油套管标准化干热岩和地下煤炭气化等新能源开采中，油套管除承受着复杂载荷、腐蚀外，还承受着超高温载荷；在天然气水合物开采中，井下低温高压以及高低温共存突变等对管柱性能影响均未明确。亟需开展“超高温环境、高压低温环境中管柱选用、设计与评价”技术研究及标准化，为新能源清洁高效开发提供技术支撑。

2)非常规油气田开发用石油专用管标准化随着非常规油气资源加大勘探开发力度，复杂压裂工况下高钢级、大壁厚套管变形明显，严重影响产能建设，急需转变套损治理思路，开展大型体积压裂管柱应变设计技术研究，采用位移转移技术，研究制定石油专用管产品制造、检验、评价和管柱设计新标准，保证非常规工况服役需求性能指标，提高体积压裂油气井筒完整性。

3)油套管柱完整性标准化在低品位油气、深层油气以及海洋油气等高效开发中，因钻井前期对管柱设计与选材的合理性和风险评估尤其是量化评估技术不足，油套管进入生产服役阶段之后，因井下温度、压力、腐蚀、地应力以及载荷交变(如开关井、多级压裂、储气库强注强采)等影响，油套管柱服役安全风险显著，亟需开展油套管柱设计、检测评价、维护使用和废弃等全寿命周期的完整性标准研究，为油气井安全运营、维修和废弃处置提供技术支撑。

4)特殊材质石油专用管标准化随着今后管材的轻量化、智能化和功能化发展趋势，标准化也向抗腐蚀、低温高温、智能等方向发展，如钛合金系列石油专用管、特殊材料内衬石油专用管、碳纤维复合钻杆、智能钻杆、非金属智能连续管等。