徐 婷，丁 飛，張 華，吳 浩，方 偉，李 茹，呂 華

( 1.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077； 2. 中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院 北京 100083； 3.西安石油大學(xué) 陜西 西安 710065)

0 引 言

油氣開(kāi)發(fā)是國(guó)家能源戰(zhàn)略命脈。21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)油氣田在深層超深層、低壓低滲低產(chǎn)、海洋油氣、頁(yè)巖油氣及致密油氣等非常規(guī)四大方向分化顯著，工況需求差異巨大[1]。

石油專用管包括鉆桿、套管和油管等，通過(guò)螺紋連接形成的鉆柱和油/套管柱是獲得油氣資源的唯一通道，是保障油氣井安全，支撐能源戰(zhàn)略的“生命線”。我國(guó)每年新增2萬(wàn)口井，年均消耗石油專用管3.5×106t，價(jià)值300億元，占油田裝備資產(chǎn)60%，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)影響重大。20世紀(jì)90年代以前，因制造能力和技術(shù)水平所限，我國(guó)引入美國(guó)石油學(xué)會(huì)(API)標(biāo)準(zhǔn)體系，解決了石油專用管產(chǎn)品互換性和最基本的性能要求，卻難以滿足復(fù)雜服役條件對(duì)石油專用管的性能和安全要求，導(dǎo)致石油專用管大量失效，年均損失數(shù)百億元，嚴(yán)重制約油氣田安全與高效開(kāi)發(fā)，成為我國(guó)石油工業(yè)發(fā)展的重大瓶頸和亟待破解的重大技術(shù)難題。本文通過(guò)對(duì)目前非API石油專用管產(chǎn)品現(xiàn)狀及石油專用管標(biāo)準(zhǔn)體系的研究， 構(gòu)建了非API 石油專用管標(biāo)準(zhǔn)體系，為非API石油專用管核心標(biāo)準(zhǔn)制定提供了指導(dǎo)，并為提高非API石油專用管質(zhì)量提供了技術(shù)支撐。

1 非API石油專用管產(chǎn)品現(xiàn)狀

國(guó)際上常規(guī)的石油專用管普遍采用美國(guó)石油學(xué)會(huì)(API)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行生產(chǎn)，這些產(chǎn)品稱為API石油專用管。由于近年來(lái)油氣勘探開(kāi)發(fā)力度的加大，按API標(biāo)準(zhǔn)供應(yīng)的石油專用管已經(jīng)不能滿足深井、超深井、高壓氣井、鹽膏層、腐蝕介質(zhì)井的勘探開(kāi)發(fā)。為了滿足以上復(fù)雜工況，石油專用管制造行業(yè)研發(fā)了大量特殊的石油專用管，這部分產(chǎn)品的技術(shù)要求高出了API標(biāo)準(zhǔn)，不能完全按照API標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)、檢驗(yàn)，因此又稱非API石油專用管。

自20世紀(jì)80年代初開(kāi)始，國(guó)外先進(jìn)制造商開(kāi)始對(duì)非API石油專用管進(jìn)行規(guī)?；_(kāi)發(fā)，經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，阿根廷泰納瑞斯(Tenaris)集團(tuán)、法國(guó)瓦盧瑞克·曼內(nèi)斯曼 (Vallourec & Mannesmann)集團(tuán)、俄羅斯鋼管冶金集團(tuán)、日本新日鐵和JFE鋼鐵株式會(huì)社、美國(guó)美鋼聯(lián)集團(tuán)現(xiàn)已形成系列化非API標(biāo)準(zhǔn)石油專用管產(chǎn)品，長(zhǎng)期高價(jià)壟斷世界高端石油專用管市場(chǎng)。我國(guó)的非API石油專用管開(kāi)發(fā)起步較晚，經(jīng)過(guò)近20年的奮起直追，已形成10多種非API產(chǎn)品系列，占石油專用管總量的2/3，價(jià)值約260億元，系列產(chǎn)品見(jiàn)表1。

表1 非API鋼級(jí)石油專用管系列產(chǎn)品

2 石油專用管標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀

API系列標(biāo)準(zhǔn)是國(guó)際上公認(rèn)的先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)，在石油工業(yè)領(lǐng)域影響大、應(yīng)用廣、專業(yè)性強(qiáng)，同樣也在中國(guó)石油行業(yè)廣泛應(yīng)用[2]。我國(guó)從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，通過(guò)直接采用或增加補(bǔ)充技術(shù)條件方式，開(kāi)始使用API標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行石油專用管的訂貨、生產(chǎn)、檢驗(yàn)和使用，并延續(xù)發(fā)展。為確保石油專用管的使用性能，API圍繞產(chǎn)品規(guī)范建立的系列標(biāo)準(zhǔn)也得到了廣泛應(yīng)用，如圖1所示。API系列石油專用管標(biāo)準(zhǔn)對(duì)我國(guó)的石油管材質(zhì)量提升以及國(guó)產(chǎn)化起到了重要的幫助和推動(dòng)作用[3]。

圖1 API石油專用管標(biāo)準(zhǔn)體系

隨著中國(guó)油田油氣資源勘探開(kāi)發(fā)難度的增加，如井深增加，井內(nèi)溫度、壓力相應(yīng)提高，地層應(yīng)力大，大多含有腐蝕介質(zhì)等，石油專用管服役條件日益復(fù)雜和嚴(yán)酷。API標(biāo)準(zhǔn)主要解決石油專用管產(chǎn)品互換性和最基本性能指標(biāo)，難以滿足我國(guó)復(fù)雜油氣井對(duì)石油專用管的使用安全需求。目前我國(guó)石油專用管建立了8項(xiàng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，7項(xiàng)等同采用API標(biāo)準(zhǔn)，均為產(chǎn)品導(dǎo)向型，僅1項(xiàng)自主研發(fā)的非API標(biāo)準(zhǔn)，屬于工況導(dǎo)向型。其他相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)尚處于分散或缺失狀態(tài)，缺乏國(guó)家層面的產(chǎn)品質(zhì)量管控體系。39項(xiàng)石油專用管行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，包括API /非API 套管、油管、鉆桿、方鉆桿、鉆鋌等及其連接件的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，配套的試驗(yàn)檢驗(yàn)、評(píng)價(jià)、使用與維護(hù)標(biāo)準(zhǔn); 鉆柱、管柱的選用、設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等。從中較難看出哪些標(biāo)準(zhǔn)缺失，哪些標(biāo)準(zhǔn)存在重復(fù)交叉，因此對(duì)標(biāo)準(zhǔn)制修訂工作的指導(dǎo)性不是很強(qiáng)[4]。

因此，需要對(duì)石油專用管標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行梳理，研究構(gòu)建非API石油專用管標(biāo)準(zhǔn)體系，指導(dǎo)相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)的制修訂，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)石油管材標(biāo)準(zhǔn)化工作，為我國(guó)油氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供管材質(zhì)量管控，提供重要的技術(shù)支撐。

3 非API石油專用管標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建研究

3.1 構(gòu)建原則

非API 石油專用管標(biāo)準(zhǔn)體系建立的原則：以油田用戶為目標(biāo)導(dǎo)向，適用性要強(qiáng)，要能夠滿足石油工業(yè)深入發(fā)展的需要；集中優(yōu)勢(shì)技術(shù)，要能夠集中優(yōu)勢(shì)技術(shù)和產(chǎn)品，能夠代表先進(jìn)技術(shù)和產(chǎn)品的發(fā)展；制定適用、先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)、可靠的標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)要簡(jiǎn)化集約，統(tǒng)一協(xié)調(diào)。

3.2 非API石油專用管標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建

在非API 石油專用管標(biāo)準(zhǔn)體系建立原則的基礎(chǔ)上，針對(duì)非API 石油專用管標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)“不完善不系統(tǒng)”問(wèn)題，采用需求導(dǎo)向構(gòu)建方法、PDCA 循環(huán)方法，對(duì)非API 石油專用管產(chǎn)品發(fā)展現(xiàn)狀、關(guān)鍵技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)化需求進(jìn)行分析，對(duì)非API 石油專用管的材料、結(jié)構(gòu)、性能、規(guī)格、計(jì)量和認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀及需求進(jìn)行梳理，建立了涵蓋設(shè)計(jì)與選材、產(chǎn)品制造、檢測(cè)與檢驗(yàn)、使用維護(hù)、失效與完整性管理的石油專用管全壽命周期標(biāo)準(zhǔn)體系，涵蓋典型工況的10大類產(chǎn)品共91項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。其中，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)16項(xiàng)，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)46項(xiàng)，企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)30項(xiàng)。非API石油專用管標(biāo)準(zhǔn)體系包括油套管和鉆柱構(gòu)件2大類標(biāo)準(zhǔn)，如圖2所示。其中，設(shè)計(jì)選用標(biāo)準(zhǔn)7項(xiàng)，產(chǎn)品制造標(biāo)準(zhǔn)42項(xiàng)，檢驗(yàn)與試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)19項(xiàng)，運(yùn)輸與儲(chǔ)存標(biāo)準(zhǔn)2項(xiàng)，使用與維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)12項(xiàng)，失效分析與完整性標(biāo)準(zhǔn)12項(xiàng)。

圖2 非API石油專用管標(biāo)準(zhǔn)體系

3.3 非API石油專用管標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展方向

面對(duì)煤氣化、天然氣水合物、干熱巖新能源開(kāi)發(fā)以及“深水、深層和非常規(guī)”特殊工況的不斷涌現(xiàn)，今后非API石油專用管標(biāo)準(zhǔn)化也面臨新的挑戰(zhàn)，發(fā)展方向集中在以下4個(gè)方面。

1) 新能源開(kāi)發(fā)用油套管標(biāo)準(zhǔn)化 干熱巖和地下煤炭氣化等新能源開(kāi)采中，油套管除承受著復(fù)雜載荷、腐蝕外，還承受著超高溫載荷；在天然氣水合物開(kāi)采中，井下低溫高壓以及高低溫共存突變等對(duì)管柱性能影響均未明確。亟需開(kāi)展“超高溫環(huán)境、高壓低溫環(huán)境中管柱選用、設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)”技術(shù)研究及標(biāo)準(zhǔn)化，為新能源清潔高效開(kāi)發(fā)提供技術(shù)支撐。

2)非常規(guī)油氣田開(kāi)發(fā)用石油專用管標(biāo)準(zhǔn)化 隨著非常規(guī)油氣資源加大勘探開(kāi)發(fā)力度，復(fù)雜壓裂工況下高鋼級(jí)、大壁厚套管變形明顯，嚴(yán)重影響產(chǎn)能建設(shè)，急需轉(zhuǎn)變套損治理思路，開(kāi)展大型體積壓裂管柱應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)技術(shù)研究，采用位移轉(zhuǎn)移技術(shù)，研究制定石油專用管產(chǎn)品制造、檢驗(yàn)、評(píng)價(jià)和管柱設(shè)計(jì)新標(biāo)準(zhǔn)，保證非常規(guī)工況服役需求性能指標(biāo)，提高體積壓裂油氣井筒完整性。

3)油套管柱完整性標(biāo)準(zhǔn)化 在低品位油氣、深層油氣以及海洋油氣等高效開(kāi)發(fā)中，因鉆井前期對(duì)管柱設(shè)計(jì)與選材的合理性和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估尤其是量化評(píng)估技術(shù)不足，油套管進(jìn)入生產(chǎn)服役階段之后，因井下溫度、壓力、腐蝕、地應(yīng)力以及載荷交變(如開(kāi)關(guān)井、多級(jí)壓裂、儲(chǔ)氣庫(kù)強(qiáng)注強(qiáng)采)等影響，油套管柱服役安全風(fēng)險(xiǎn)顯著，亟需開(kāi)展油套管柱設(shè)計(jì)、檢測(cè)評(píng)價(jià)、維護(hù)使用和廢棄等全壽命周期的完整性標(biāo)準(zhǔn)研究，為油氣井安全運(yùn)營(yíng)、維修和廢棄處置提供技術(shù)支撐。

4)特殊材質(zhì)石油專用管標(biāo)準(zhǔn)化 隨著今后管材的輕量化、智能化和功能化發(fā)展趨勢(shì)，標(biāo)準(zhǔn)化也向抗腐蝕、低溫高溫、智能等方向發(fā)展，如鈦合金系列石油專用管、特殊材料內(nèi)襯石油專用管、碳纖維復(fù)合鉆桿、智能鉆桿、非金屬智能連續(xù)管等。

4 結(jié) 論

1)由于近年來(lái)油氣勘探開(kāi)發(fā)力度的加大，按API標(biāo)準(zhǔn)供應(yīng)的石油專用管已經(jīng)不能滿足深井、超深井、高壓氣井、鹽膏層、腐蝕介質(zhì)井的勘探開(kāi)發(fā)。國(guó)內(nèi)外石油專用管主要生產(chǎn)企業(yè)已形成系列化涵蓋典型工況的10余類高性能非API標(biāo)準(zhǔn)石油專用管產(chǎn)品。

2)建立非API石油專用管標(biāo)準(zhǔn)體系，采用需求導(dǎo)向構(gòu)建方法、PDCA 循環(huán)方法，對(duì)非API 石油專用管產(chǎn)品發(fā)展現(xiàn)狀、關(guān)鍵技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)化需求進(jìn)行分析，建立了涵蓋設(shè)計(jì)與選材、產(chǎn)品制造、檢測(cè)與檢驗(yàn)、使用維護(hù)、失效與完整性管理的石油專用管全壽命周期標(biāo)準(zhǔn)體系。

3)面對(duì)新挑戰(zhàn)，非API石油專用管標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展方向集中在新能源開(kāi)發(fā)用油套管標(biāo)準(zhǔn)化、非常規(guī)油氣田開(kāi)發(fā)用石油專用管標(biāo)準(zhǔn)化、油套管柱完整性標(biāo)準(zhǔn)化和特殊材質(zhì)石油專用管標(biāo)準(zhǔn)化四大方向。