套管产品质量控制及性能指标

（辽宁东宇石油制管有限公司，辽宁  盘锦  124012）

摘  要：作为油气田开采中非常重要的物资装备，石油套管产品质量会对油气田安全生产以及开采效率造成直接影响。石油套管在具体规格型号、几何尺寸、理化性能、外观质量、螺纹参数等方面，不管是美国石油学会标准还是非美国石油学会标准均有明确要求，各类执行标准中对其性能参数的目标值还有公差范围作出规定。基于此，就套管产品质量控制及性能指标展开论述。

关键词：套管产品；质量控制；性能指标

引 言

油套管在相同钢级、相同尺寸条件且能够达到API 5CT标准的，由于厂家个制造工艺水平存在差别，其抗挤强度能够达到20%~40%的差距。通过API套管抗挤毁强度经验公式能够了解到，油套管管体椭圆度、管体壁厚不均度、残余应力等均会影响到其抗挤强度。根据影响程度将其分级，影响最大的是残余应力、然后是套管不圆程度、最后是壁厚不均度。所以，为了有效提高油套管抗挤强度可以选择降低残余应力（绝对值）和椭圆度。在开展油套管设计时，要设计保留充分安全余量或者选择较薄壁管将将投资降低，可以选择降低钢级实现抗硫化物应力开裂效果提升，实现套管产品质量有效控制。

1 套管损坏因素分析

1.1 地质方面的因素

油田作业工作过程中，油田井下套管比较容易发生损坏，损坏的原因主要是地质方面的因素。地质方面的因素主要包括以下几种：首先，地层（油层）的非均质性；其次，油层的倾角；然后，岩石的性质；再有，地下地震活动；还有，地层断层的发生活动；接着，地壳出现运动；最后，地层发生腐蚀问题。这些地质方面因素存在，一旦出现就会导致较大应力变化。在变化过程中，石油、水井套管收到破坏。地质方面因素对套管破坏较为严重，因此必须要充分重视起来。

1.2 工程方面因素

导致套管发生损坏的因素还包括工程方面因素，工程方面因素对套管影响也很大。工程方面影响因素主要包括以下几点：首先，钻井后完井具体质量；其次，套管自身组成材质；还有，固井质量是否能够符合标准；最后，采油工程项目运行阶段注水、压裂和酸化以及日常油水井作业能否结合规范开展。

1.3 套管本身的材质因素

油田井下作业过程中，套管自身材质会对损坏程度有直接的影响。当前很多油田使用的套管自身存在孔隙、缝隙，还有就是螺纹与相关要求不相符。这些因素影响下，对套管整体性能发挥产生制约。完井之后，采油环节出现的压差会造成管外气体、流体从密封不好的地方渗透进套管内部。流体在套管内部发生流动时，会损伤套管；在套管的内部，由于流体发生了集聚，会有硫化氢气这种腐蚀性强的气体产生，严重腐蚀套管。

1.4 固井存在质量问题

油田井下作业过程中，固井质量以及钻井寿命也会对套管产生影响。固井质量影响因素方面，首先是井眼不规则；然后是井斜以及固井用的水泥不够达标；最后就是用来顶替水泥浆的顶替液与标准不相符。水泥浆由于自身密度存在高低不一的情况，水泥注入以后会影响到套管拉伸载和度，不利于套管质量。

2 套管损坏修复技术

2.1 套管检测技术分析

为了做好套管损坏修复，需要做好套管检测。当前阶段，套管检测主要以经济性为主，主要检测方包括封隔器找漏和铅印。当前阶段，中子测井、多臂井径测井为主导的快速测井方法有着较快发展，而井下电视和电磁探伤则应用不是很多。

2.2 特色套管修复技术

2.2.1 液压变径整形技术

针对轻度套变井，为了能够实现快速治理就需要对其适用范围进行明确。通过选择变径滚压技术，按一定规律将整形器的数百个变径钢球进行排列，通过滚压处理套管内壁，自动将胀头直径增加到预先设定好得尺寸，彻底恢复套管到原先通经。这种方式不会对套管造成损坏，还有增强套管的作用。

液压整形工艺具有以下特点：首先，整形通径上单次整形通径（6-10mm），5-1/2″套管内径恢复到114～118mm;7″套恢复到146～158mm；其次，对任意长度的多点套变都能够加以处理，特别是适用于套缩的治理，具有较高安全性和成果率；然后，施工相对简单且对修井设备、井场要求低，小修就能够继续实施；最后，滚压整形能够将修复强度大大提高。

存在部分油井选择的套管型号为厚壁N80、TP、BE级别的高强度套管，这类套管具有较小的内径。当前阶段，使用较为广泛的液压整形器有较大直径且无法锚定锚定器，整形施工处理不到位。对于高强度套管具有较大施工难度也成功率不高的情况，可以选择多級合金钢整形器，具有较为良好的整形效果。

2.2.2 套损卡管柱解卡打捞技术  

这一技术形式主要针对的是小修作业机，有限的提拉负荷且正常解卡相对比较困难。

套损卡管柱解卡打捞技术利用水泥车向地面进行打压，在井下解卡工具能够获得非常巨大的提拉力，不会对修井机的提拉负荷造成过多依赖，将被卡管柱有效解卡。这一技术具有施工简单、解卡里大且修井速度快等特点，能够配合实施小修、大修。这一技术能够将传统打捞管柱的受力方式改变，将常规拉力由30吨增加到了85吨。锚瓦选择环形结构，具有较大的套管接触面积，不会损坏套管；借助地面压力能够将液压解卡装置提升力有效控制，直接举升井下卡点。

当前阶段液压解卡、隔热管卡拥有较高的成功率，但是受到现场卡点倒扣操作影响抽油管柱的液压解卡工具与离卡点相距较远、成功率也不高。因此，可以选择在卡点附近利用定点切割工具配合切割，然后在实施液压解卡，受到井身结构制约水平井解卡打捞效率和成功率不高，技术没有得到持续进步和突破。

2.2.3 膨胀管技术，实现修套、封堵和防砂

膨胀管技术主要是利用金属材料的塑性变形特点，借助胀头来施加一个外力让加固管整体发生膨胀，通过紧贴在套管内壁来实现锚定与密封。将常规加固技术存在的加固密封段短、锚定力小、加固后通径小等问题有效解决。

对于膨胀套管补贴工艺，具有以下几个特点：首先，这一技术能够开展套损井修复、堵水及层系封堵；其次，具有较好的密封承压效果，较大的封堵井段通径；然后，对泵挂的下入深度不会有影响；还有，较为简单的施工工艺，较高的可靠性；最后，能够重新射孔，部分或者完全打开。

3 套管产品质量控制及性能指标分析

3.1 优化材料成分、热处理工艺，获得合理的应力——应变曲线

将材料应力进行控制；在屈服平台之上应变曲线且确保API屈服强度的技术关键主要包括以下几点：首先，对Cr、Mo钢系列的化学成分进行优化；其次，选择彻底的淬火-回火（Q-T）热处理确保金相组织能够拥有98%以上的回火索氏体，同时能够确保屈服平台存在且API屈服强度要在平台之上，具体情况参见下图1。

图1 某套管实测应力——应变曲线

3.2 椭圆度的影响

本次椭圆度影响研究重点选择了两个规格的套管，分别是壁厚10.54mm/椭圆度0.5%/壁厚不均度5%/残余应力200MPa的Φ139.7mm P110套管、壁厚13.72mm/椭圆度0.5%/壁厚不均度5%/残余应力200MPa的Φ177.8mmP110套管。针对两种规格的套管开展椭圆度对抗挤强度的影响研究，具体情况参见下图2。通过图2数据能够看到，伴随椭圆度的增加，套管的抗挤强度出现了较大程度下滑。当前套管制造水平不断提高，过去API标准规定的椭圆度与实际套管的椭圆度相比要高。在深井含硫气井中，建议将椭圆度控制在为0.5%，个别试件可允许为0.8%。

图2 椭圆度对抗挤强度的影响

3.3 壁厚不均度的影响

通过针对上述两种套管开展壁厚不均度对抗挤强度的影响，具体结果参见下图3。根据图3的数据能够看到，套管的API抗挤强度受壁厚不均度影响较小，但是壁厚不均度对抗拉强度的影响非常大。套管壁厚偏薄的一侧，受到内压、外挤力的作用，会有可能出现纵向的爆裂。推荐深井含硫气井中应该将套管的壁厚不均度控制在平均5%以内，个别试件允许其上限为10%。

图3 壁厚不均度对抗挤强度的影响

3.4 控制制造过程的残余应力

通过针对上述两种套管开展残余应力对抗挤强度的影响研究，具体数据结果参见下图4。根据图4数据能够了解到，伴随着残余应力增加，抗挤强度出现了较大幅度的下降。

图4 残余应力对抗挤强度的影响

在实际生产油套管的过程中，主要有两个方面产生残余应力。首先，在热轧、定径及矫直过程中会有残余应力产生；其次，热处理过程中特别是淬火过程中，会有残余应力产生。

残余应力与外力相互叠加时，会导致套管抗挤强度出现降低的情况，或者是应力——应变曲线无屈服平台。面对这种情况，建议抗硫套管不能通过提高屈服强度来提高其强度，而是通过合理的热处理工艺，使屈服强度略高于API规定的屈服强度值，特别是C100套管更应该控制其屈服强度。高强度钢材的抗硫性能对屈服强度较为敏感，要求抗硫套管的残余应力水平平均应低于5%，个别试件允许其残余应力水平上限为10%。

4 结语

总而言之，在进行油套管产品质量控制过程中，针对不同钢级和成型方法要分别对待，区别开质量控制关键点及关键环节，实现套管质量和性能全面提升。

参考文献：

[1] 苗鹏军,丁超.石油套管损坏原因及其预防[J].焊管,2018,41(09):59-61

[2] 麻文昌,李银山.石油套管制造标准实用性问题探讨[J].焊管,2018,41(01):63-68.

来源：化学工程与装备-官方网站-创刊于1972    2022年第10期  在线投稿  >>