第二章 生产套管和油管
套管设计及下套管作业是钻井工程中关系到完井作业质量的一项重要工作，油管设计是完井过程中要完成的一项主要工作。从现代完井工程概念出发一个更为完美、合理的生产套管、油管设计不仅要满足钻井、完井工程本身的需要，还应能为油、气井采用适合的工艺技术生产及油气井在生产过程中由于油、气层能量的变化而采取相应措施留有余地。因此在进行生产套管、油管设计时，应视油气井生产套管、油管参数为油气井最优化生产方式、调整措施及特殊工艺要求的函数值。
第一节 生产套管的选择和计算
海洋油气田开发工程中常规的套管程序包括：隔水导管、表层套管、中间技术套管（1～3层，视井深和工程情况而定）和生产套管。
生产套管（又称油层套管）是为地下储集层中的石油或天然气流至地面创造良好的流动通道。生产套管的重要功能是用以保护井壁、隔离各层流体，以利于油气井分层测试、分层开采和分层改造。
生产套管对油气井来说是其终身保护层，一旦下入以后再也无法调整，因此在进行设计时必须考虑周全，使所选的套管既能满足钻井需要又能适应以后生产要求。
海上油气田的特点之一是丛式定向井、大斜度井、水平井的广泛应用，且油气井的产量甚高。海上油井大部分采用人工举升法开采，尤其是气举法，电潜泵更为广泛使用，同时一些工艺措施如油井防砂措施等也被广泛使用。
生产套管所受的主要载荷包括：管柱周围流体所产生的外挤压力，来自钻井液、储集层流体、井下工艺压力试验产生的内压力和自身重量等所产生的拉伸载荷。生产套管必须经受钻井阶段、完井阶段和生产阶段的各种作业载荷，经受特定环境中的温度、压力和腐蚀的影响；生产套管还必须配备易于上扣并具备最佳密封效果的连接接头。
一、套管钢级
1．API套管钢级
API标准套管有十个钢级，即H40、J55、K55、T95、N80、C90、C95、L80、Pll0、125Q。API规范中，钢级代号后面的数值乘以6894.757kPa （1000psi），即为套管以kPa
（或psi）为单位的最小屈服强度。这一规定除了极少数例外，也适应于非API标准的套管。
API套管钢级的强度指标见表2-1-1。
目前，世界上能生产API标准套管的有38个工厂，分布于14个国家，表2-1-2列出了API承认的厂家名单。
2．非API套管钢级
有的API标准套管的生产厂家也生产非API标准系列套管，非API标准套管是根据钻井和采油工程需要而超出API标准的进一步发展。
非API标准套管各种钢级的强度指标见表2-1-3。
表2-1-1 API标准套管钢级的强度指标
钢级 | 颜标志 | 最小屈服强度 | 最高屈服强度 Mpa | 最低抗拉强度 Mpa | 延伸率 % | API标准 （适用范围） | |
kpsi | Mpa | ||||||
H-40 J-55 K-55 N-80 C-75 L-80 C-90 C-95 P-110 Q-125 ①V-150 | 无或黑 浅绿 绿 红 蓝 红夹棕 紫 棕 白 白 白 | 40 55 55 80 75 80 90 95 110 125 150 | 276 379 379 552 517 552 620 665 758 861 1035 | 552 552 552 758 620 665 725 760 965 1040 1240 | 414 517 665 689 665 665 690 720 865 930 1140 | 22.5 18 17 18 18 16.5 18 11.5 | 5A 5A 5A 5A 5AC 5AC (5AC) (5AC) A5X (5AQ) (5AX) |
1 待编入API标准。
表2-1-2 套管生产厂家及代号（商品名）
国别 | 厂家 | 专用等级代号 | 国别 | 厂家 | 专用等级代号 |
美国 | Armco B&W Central CF&1 Copperwelol Fort Worth LTV Lone Star Newport USS Wheeling Pittsburgh | ARMCO CF LTV S.S.S USS | Sumitomo | SM | |
南朝鲜 | Hyundai Pusan UTM | ||||
奥地利 | Voest Alpine | ||||
比利时 | Tubeneuse | ||||
法国 | Vallourec | VK | |||
西德 | Benteler Fuchs Hoesch Mannesmann | MW | |||
巴西 | Confab | ||||
英国 | British Steer | HC. WHC | |||
加拿大 | Algoma ISPSCO | SOO | 意大利 | Allesio Arvedi Dalmine S.E.T.A | DHC.D |
委内瑞拉 | CVG | ||||
日本 | Kawaaki Nippon NKK Maruichi | K T. KO NKLT. NT NK | |||
西班牙 | Tubacex | ||||
瑞典 | Uddeholm | ||||
表2-1-3 非API标准套管钢级的强度指标
非API标准 | 最小屈服强度 Mpa(kpsi) | 最小抗拉强度 Mpa(kpsi) | 非API标准 | 最小屈服强度 Mpa(kpsi) | 最小抗拉强度 Mpa(kpsi) |
S—80 SOO95 S—95 SS—95 | 379.21(55) 655.00(95) 655.00(95) 551.58(80) | 655.00(95) 758.42(110) 758.42(110) 689.48(100) | S—105 S—140 V—150 S—155 | 655.00(95) 965.27(140) 1034.21(150) 1068.69(155) | 758.42(110) 1034.21(150) 1103.16(160) 1137.63(165) |
二、套管的联接
单根的套管由接头联接成套管柱，较大直径的套管都采用接箍联接。联接是由螺纹来实现的，因此，螺纹联接是套管质量和强度检验的重点。
1．螺纹的分类及代号
套管螺纹在API规范中分为五大类，如表2.1.5所示。前四类属API标准，第五类系非API标准。
表2-1-5 螺纹的分类及代号
| api设计 类 数 | 标 准 | 名 称 | 使用的符号或代码 |
五种类型 | API标准螺纹 | 短圆螺纹 | (STC) (CSG 或 C1) |
长圆螺纹 | (LTC) (LCSG 或 C2) | ||
梯形螺纹 | (BTC) (BCSG 或 C33) | ||
直连形螺纹 | (XL) (XCSG 或 CHX) | ||
非API螺纹 | 特殊螺纹 | ||
API标准螺纹的优点是： 1）加工容易，一般精度，油田现场容易加工配接有关短节，成本低。 2）采用一般操作条件联接，易于修扣和现场处理。 3）在有优质密封脂配合使用，对流体密封条件可达69MPa及149℃。 4）可以重复上扣使用。 其缺点有： 1）过高压力及气体不能满足密封要求。
2）API螺纹的联接强度仅是管体抗拉强度的80％。
3）在有腐蚀流体的环境，因API接箍的“干扰值”过大，过大的圆周应力容易产生接箍的氢脆应力破坏或发生应变裂纹。
出于特殊条件需要，各钢管制造厂家推出各种非API标准的特殊螺纹见表2.1.6。螺纹的制造和设计具有以下特点：
l）力求联接强度大于或等于管体抗拉强度。
2）提供更高级密封，主要采取金属对金属的密封设计。
3）降低连接螺纹的“干扰值”。
4）容易对扣和上扣，并且内孔壁光滑，避免产生涡流。
5）不容易在现场配接短节，要求严格的操作条件和成本高。
6）具有扭矩台肩，满足上扣扭矩强度要求，可控制过大的圆周应力（周向应力）。
7）联接处（或接箍）的外径能够达到尽可能小的程度。
2．螺纹最高泄漏压力
API标准的三种螺纹的最高抗泄漏压力，见表2.1.7。
从螺纹抗泄漏压力比较，长圆螺纹与短圆螺纹其压力是一致的。而梯形螺纹抗泄漏压力大。因此BTC更不易漏失。 3．螺纹的镀层
套管螺纹的镀层有锌，锡和磷化层，它们对上扣扭矩值有一定影响，最佳镀层是锡层，但因其成本高，常用于高级螺纹或有特殊要求的地方。
三、API套管试压标准
1995年4月1日，美国石油学会修订并出版了第五版“套管和油管” API技术规范（5CT），规定了套管抗内压的标准和压力试验步骤。
表 2-1-6 特殊螺纹代号及厂家一览表
序 | 特殊螺纹代号或标志 | 主要生产厂家及代码 |
1 | SL | Armco |
2 | SEU TS CTS FJ—P SFJ—P FJ—40 HCS MAS NCTK NCTS | HYDRIL |
3 | BDS—TC BDS—U O mega | MANNESMAN |
4 | MODIFIED TC—4S FL—4S IJ—4S | NL ATLAS—BRADFORD |
5 | VAM—ATAC VAM—AG VAM—AF | VALLOUREC(或日本住友) |
6 | VETL VETR | VETCO OFFSHORE |
7 | NK—2SC NK—3SB NK—EL | NKK |
8 | PE | |
表 2-1-7 螺纹最高泄漏压力（Mpa）
尺寸,mm (in) | STC | LTC | BTC | 备 注 |
114.3 (4 1/2) | 123.55 | 123.55 | 119.83 | |
127.0 (5) | 110.31 | 110.31 | 134.99 | |
138.7 (5 1/2) | 90.73 | 90.70 | 110.00 | |
168.0 (6 5/8) | 81.56 | 81.56 | 101.90 | |
177.8 (7) | 65.64 | 65.64 | 81.29 | |
193.7 (7 5/8) 196.9 (7 3/4) | 81.36 81.36 | 81.36 81.36 | 87.42 87.42 | |
219.0 (8 5/8) | 71.56 | 71.56 | 77.43 | |
244.5 (9 5/8) 244.5 (9 5/8) | 58.33 66.67 | 58.33 66.67 | 63.15 63.15 | P—110及最高钢级 |
273.0 (10 3/4) 273.0 (10 3/4) | 47.44 50.74 | — — | 51.36 51.36 | P—110及最高钢级 |
298.5 (11 3/4) | 41.13 | — | 43.44 | |
339.7 (13 3/8) | 31.37 | — | 33.99 | |
406.4 (16) 473.0 (18 3/8) 508.0 (20) | 22.27 21.72 16.55 | — — — | 24.55 24.13 16.00 | |
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