從頁巖氣井用套管淺談API Spec 5CT/ISO 11960的發(fā)展

張宏英

北京石油機(jī)械有限公司 （北京 102206）

美國石油學(xué)會(huì)（API）是美國石油天然氣行業(yè)最大的貿(mào)易聯(lián)合會(huì)，負(fù)責(zé)石油和天然氣工業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化工作，其中近400 家公司成員覆蓋了石油和天然氣勘探、生產(chǎn)、運(yùn)輸、提煉和銷售的所有領(lǐng)域。1924 年API制定了第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)已擁有約700項(xiàng)石油和天然氣方面的標(biāo)準(zhǔn)。1996年我國根據(jù)API Spec 5CTM—1995《Specification for casing and tubing》(metric units)編寫了SY/T 6194—1996《套管和油管》；2003 年等同采用ISO 11960：2001（API Spec 5CT第7版），修訂了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6194—2003；接著行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)升級為國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19830—2005。之后基本上遵循了API規(guī)范改版，ISO 標(biāo)準(zhǔn)等同采用API規(guī)范，API再與ISO共享標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容，中國國家標(biāo)準(zhǔn)等同采用ISO標(biāo)準(zhǔn)的交替修訂模式。目前，ISO 11960、API 5CT、GB/T 19830 三部標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容一致，源頭均為API Spec 5CT。對應(yīng)的，我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 19830—2017/ISO 11960:2014，該標(biāo)準(zhǔn)是基于API 5CT第9版（2011 年7月）翻譯制定的，于 2017 年 5 月 12 日發(fā)布，2017 年12 月 1 日起實(shí)施。2018 年 6 月，API 5CT 第 10 版發(fā)布，已于2019年7月1日起生效[1-8]。

1 標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展及改版影響

縱觀API Spec 5CT 的發(fā)展，標(biāo)準(zhǔn)誕生前期保持獨(dú)立且修訂頻次較高。進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著經(jīng)濟(jì)貿(mào)易全球化，API 與ISO 間的合作進(jìn)入蜜月期，二者之間互相等同引用，吸收彼此的技術(shù)修訂成果，取得了很大的技術(shù)進(jìn)步。API Spec 5CT 標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展簡況詳見表1[1-8]。

第10 版API 5CT 標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤較多，除了一般編輯性錯(cuò)誤，更有大的技術(shù)性紕漏。API 官方于2018 年12 月、2019 年 5 月先后 2 次發(fā)布勘誤通知。相比于以前版本，修訂主要體現(xiàn)在材料、鋼級、熱處理、試驗(yàn)檢驗(yàn)方法等方面，最新版修訂了114.3 mm、127 mm、139.7mm（412″、5″、512″）等3種規(guī)格套管的接箍尺寸，表2（即原標(biāo)準(zhǔn)表C.32 API 圓螺紋套管接箍尺寸、公差和質(zhì)量）及表3（即原標(biāo)準(zhǔn)表C.33 API 偏梯形螺紋套管接箍尺寸、公差和質(zhì)量），就標(biāo)準(zhǔn)變化部分進(jìn)行了對比。這是API Spec 5CT 誕生30 年來最為顯著的變化之一，具有里程碑意義。

由于以上變化是在最新版API Spec 5CT—2018中產(chǎn)生的，因而我國現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19830—2017/ISO 11960:2014 尚未體現(xiàn)出以上變化。114.3 mm、127 mm、139.7 mm（412″、5″、512″）這 3 種套管作為API Spec 5CT 中最小規(guī)格的套管，一般用于油井生產(chǎn)套管。近年來，隨著頁巖氣、致密氣等非常規(guī)油氣的規(guī)?；碧脚c開發(fā)，常規(guī)的API 套管螺紋已經(jīng)不能滿足氣井生產(chǎn)的氣密封性需求。在頁巖氣井中，根據(jù)氣藏生產(chǎn)的特點(diǎn)，需要使用氣密封套管，對應(yīng)螺紋類型種類多樣，基本上各大套管廠家均開發(fā)了自家特有的螺紋類型，具有抗拉強(qiáng)度高、密封壓力高的特點(diǎn)。表4列出了目前市場上幾種主流非標(biāo)特殊螺紋套管的接箍尺寸[9-12]。從表4 可以看出，不同廠家接箍尺寸各不相同，同一廠家不同螺紋的接箍尺寸也不相同，其中美國USS 公司的套管接箍尺寸和API 5CT規(guī)范符合性最高。

表1 API Spec 5CT標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展簡表

表2 圓螺紋套管接箍尺寸變化表

表3 偏梯形螺紋套管接箍尺寸變化表

表4 特殊螺紋套管接箍外徑統(tǒng)計(jì)表

API Spec 5CT 新版標(biāo)準(zhǔn)的主要變化還包括[6]：產(chǎn)品種類中增加了接箍材料，刪除了平端襯管；第2組產(chǎn)品中增加了C110 鋼級及其相關(guān)要求，將原第2 組中的C95 鋼級劃分至第1 組，改為R95 鋼級；在螺紋連接類型中刪除了直連型套管及其相關(guān)要求；修改了第1 組的熱處理要求；增加了R95 鋼級的校直要求；增加了C90 和T95 鋼級的統(tǒng)計(jì)拉伸試驗(yàn)要求；修改了C90 和T95 鋼級的硫化物應(yīng)力開裂試驗(yàn)相關(guān)要求，補(bǔ)充了試樣要求、試驗(yàn)無效、附加試驗(yàn)等；修改了接箍、接箍毛坯、接箍材料和附件材料的長度要求；修改了試驗(yàn)無效的規(guī)定；修改了M65、L80、C90、T95 鋼級的硬度試驗(yàn)方法和硬度試驗(yàn)機(jī)的周期檢查；增加了硬度試驗(yàn)機(jī)和壓頭的驗(yàn)證；修改了部分試驗(yàn)和檢驗(yàn)方法，如外觀檢驗(yàn)、無損檢驗(yàn)等；修改了接箍、短節(jié)的色標(biāo)方法；增加了附錄K：ANSI-NACE TM0284—2003附錄C中H2S滴定程序的修改。

其中，套管接箍尺寸的增大，反映出了近年來油氣井對于小尺寸套管技術(shù)需求的提升。這些尺寸變化可能帶來的影響如下。

1）由于接箍外徑與套管外徑的差異，在接箍與套管的連接處產(chǎn)生了一個(gè)臺階，該臺階即為提升單根套管或整個(gè)套管柱的承載面。增大接箍尺寸，其直接的效果就是承載面寬度（b）的增加。API Spec 5CT—2018 新版標(biāo)準(zhǔn)中承載面寬度平均提高了81.49%，最高達(dá)到99.69%，有效增加了套管吊卡與套管接箍的接觸面積，降低了接觸表面應(yīng)力，大大提高了套管柱提升的安全性。

2）套管接箍外徑增大后，提高了套管柱抗拉能力。API Spec 5CT—2018 新版標(biāo)準(zhǔn)中套管接箍截面面積平均提高了62.59%，最高達(dá)到73.87%，大大降低了套管柱在極限工況下受拉斷裂失效的風(fēng)險(xiǎn)。

3）由于套管接箍尺寸變大，給井眼環(huán)空也帶來了變化。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，在套管接箍部分，環(huán)空面積平均減少9.13%，最高達(dá)到10.25%。因此在固井設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)更新套管模型，精確建模，提高數(shù)值模擬的準(zhǔn)確度。

4）在套管作業(yè)工具設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮接箍尺寸變化帶來的風(fēng)險(xiǎn)。如氣（液）動(dòng)套管卡瓦、卡盤通徑應(yīng)留出足夠的間隙量，避免套管通過時(shí)的干涉風(fēng)險(xiǎn)。

2 小結(jié)與展望

新版API Spec 5CT—2018的變化是一個(gè)里程碑事件，這些變化將作為一個(gè)新的起點(diǎn)引領(lǐng)非標(biāo)準(zhǔn)套管標(biāo)準(zhǔn)化。同時(shí)，隨著油氣資源開采朝著“低、深、海、非”方向發(fā)展，特殊螺紋套管在油氣井中占比越來越高，其主要特征是抗拉伸、抗壓縮、抗扭曲、抗外擠、抗內(nèi)壓、抗黏扣等綜合性能高。套管接箍作為特殊螺紋內(nèi)螺紋的載體，其尺寸隨螺紋結(jié)構(gòu)尺寸的變化而變化，這也是目前市場上各套管廠家接箍尺寸不同的主要緣由。目前，API Spec 5CT 中套管螺紋僅包含了圓螺紋（SC、LC）和偏梯形螺紋（BC），而作為市場份額較大的特殊螺紋尚沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，套管廠家各自為政。

面向未來，建議API Spec 5CT/ISO 11960將高強(qiáng)度、高鋼級（V150）套管納入到標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，同時(shí)對套管接箍的極限尺寸進(jìn)行約束，為井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、固井設(shè)計(jì)及套管作業(yè)工具（裝備）的設(shè)計(jì)提供參考規(guī)范。