油井管,又稱石油專用管,是石油工業的基礎,套管、油管及鉆柱構件(鉆桿、鉆鋌、方鉆桿等) 統稱油井管(OCTG)。
石油工業發展迅猛, 對油井管的需求量與日俱增。2006 年, 全世界共消耗油井管約1150 萬t。根據我國統計數據,實際鉆井每鉆進1 m,約需油井管62 kg,其中套管48kg、油管10 kg、鉆桿3 kg、鉆鋌0.5 kg。
2006 年全國共消耗油井管218.9 萬t。油田裝備資產中,油井管約占60%。
油井管在石油工業中占有重要的位置, 是石油工業的基礎。油井管在石油工業中的地位, 不僅表現為用量大、花錢多, 更主要的是其質量、性能與石油工業發展的關系重大。
油井管服役條件惡劣, 例如油管柱和套管柱通常要承受幾百甚至上千個大氣壓的內壓或外壓, 幾百噸的拉伸載荷, 還有高溫及嚴酷的腐蝕介質的作用。
我國每年僅鉆柱斷裂掉井事故即達1 000 起左右,據鉆井承包商協會( IADC) 統計,每起鉆柱斷裂事故平均直接損失10.6 萬美元。鉆柱或套管柱損壞有時會導致油井報廢。
我國西部油田1 口油井的成本約幾千萬元甚至上億元人民幣。套管的壽命直接決定油井的壽命,油井的壽命又決定了油田壽命。油井管的安全可靠性、使用壽命和經濟性與石油工業關系極其重大。
美國能源部對國際上的井深趨勢統計表明,自1978 年以來,全球石油天然氣平均井深增加了1倍,并且繼續呈現快速增長趨勢。井深的增加和溫度、壓力的提高, 對油井管提出了許多新的、更高的要求。
中國油井管國內市場占有率已經超過80%,并且已連續2年成為凈出口產品。在品種開發方面,國內不少企業勇于創新,不僅生產出了按API標準要求的K、N、C、P鋼級套管。
石油油井專用管 (OCTG:Oil Country Tubular Goods) 和油氣輸送管 (Line Pipe) 統稱為石油專用管。石油專用管實際上是鋼管的深加工產品,包括石油油井專用管和油氣輸送管。鉆桿、套管、油管及鉆鋌、方鉆桿等,統稱石油油井專用管。
石油專用管服役條件相當惡劣,其質量要求比一般無縫管嚴格得多,必須按照專門的標準或技術條件進行生產和檢驗。目前石油專用管國內外廣泛采用的生產和檢驗標準主要以美國石油學會即API標準為主。套管和油管采用API SPEC5 CT標準,鉆桿采用API SPEC5標準,鉆桿接頭采用API SPEC7標準。
除了API標準的套管外,國內外還研究和發展了滿足油田特殊地質工況環境使用的非API套管,包括:用于深井的超高強度油管、套管;高抗擠毀套管;含硫化氫油氣井中使用的抗硫化氫應力腐蝕油管、套管;用于低溫油氣井的高強度油管、套管;用于只有二氧化碳和氯離子,幾乎不含硫化氫腐蝕性環境下使用的油管、套管;用于硫化氫、二氧化碳和氯離子三者共存強烈腐蝕性環境下使用的油管、套管。
在油田鉆井和生產操作中,“套管”是指用作鉆孔襯里的管子,它的作用是防止井壁流動或塌陷。它是井下的永久件,套管底部用水泥固定。水泥有時會返到地表面上。大部分套管外徑為114.3mm或更大規格。井內最里面的管子稱為油管。井下流體通過油管送到表面,油管可通過一個生產分隔器與套管隔開,油管經常被從井中抽出,有時還需要更換。大多數油管外徑為114.3mm或更小規格。
鉆井環境常要求下幾層套管才能達到預期的總井深。每層套管按照作用的不同又可分為:
(1)導管。在井的最外層,主要作用是把井壁加固,避免地表礫石層和未黏結的巖石掉 落井內。
(2)結構管。處于導管和表層管之間,這層套管的目的包括解決再次發生的漏失或井塌問題和盡量避免淺層氣的井涌問題。
(3)表層套管。下表層套管的目的是多重的,包括隔離淡水層,防止坍塌和漏失,隔離不能承受因控制井涌而施加回壓的薄弱層段,提供安裝防噴器的條件,支撐所有比表層套管小的各層套管的重量。
(4)中間套管。主要用途是因為鉆進中會遇到高壓層,需要用高密度的鉆井液來控制異常高壓,對較淺的薄弱地層必須加以保護,以防漏失或卡鉆。在一些特殊情況下,中間套管也用于隔離鹽層或膨脹性和易塌頁巖層。
(5)襯管。襯管與中間套管具有相同的作用。襯管從井底向上延伸進入中間套管,但不延伸到地面。襯管常為了省錢而無須把管柱延伸到地面但仍能達到控制壓力和破裂梯度的目的。
(6)生產套管。也稱為油層套管。這一管柱的作用為:把生產層與其他地層隔開,形成一個已給定直徑又能下到生產層的工作井筒,保護生產油管和設備。
(7)回接管柱。襯管也常用作生產套管的一部分,而不是另外再從地面下一個管柱直到生產層。該襯管可以用適量的管子從襯管頂部回到地面。
在API SPEC5CT標準中,套管和油管的鋼級表明其屈服強度和一些特殊的特征。鋼級標注通常用1個字母和2或3個數字表示,如N80。在大多數情況下,按照字母在字母表中的順序,越往后的字母,代表管子的屈服強度越大。例如,N80一級鋼材的屈服強度要比J55的大。
數字符號是以千磅每平方英寸表示的管材最小屈服強度來確定的。例如:N80鋼級的最低屈服強度為550Mpa。
API SPEC5 CT標準列出的套管鋼級有:H40、J55、K55、N80、M65、L80、C90、C95、T59、P110、Q125;套管鋼級有:H40、J55、N80、L80、C90、T59、P110。
各種油井管的分類、功用、規格及要求見下表。
名稱 | 分類 | 功用 | 規格/mm | 要求 |
方鉆桿 | 四方型 六方形 | 靠地面上的動力通過轉盤帶動鉆柱 | 63.5,88.90,107.95,133.35,152.40,一般長度12000～16000,常用12000～14500 | 材質強度高、韌性、剛性均要好,平直度高,壁厚均勻,材質為4145H |
鉆桿 | 傳遞動力、輸送泥漿 | 60.30,73.03,88.90,114.30,127.00長度為8230～9140,壁厚為7.11,9.19,9.35,10.92,11.40 | 要求鉆桿能防硫化氫腐蝕、國際上使用材質由E75、X95、G105、S135等級鋼。 | |
鉆鋌 | 鉆鋌接在柱下部,給鉆頭破碎巖石時,施加壓力,其導向作用 | 158.75,177.85, 203.20,228.60 | 管壁厚、剛性大、具有防磁功能、材質為4145H | |
加重鉆桿 | 主要改善鉆桿與鉆挺相連接的受力環境,在鉆桿與鉆鋌間起過渡作用,使鉆桿受力改善,也起著為鉆頭加壓的作用 | 88.9,127.0 | ||
導管 | 主要用于海洋、沙漠中鉆井,用以隔開海水河沙子 | ∮762×25.4, ∮762×19.06 | ||
表層套管 | 主要用于第一次開鉆,鉆開地表松軟地層到基巖,為了封隔這部分地層,不至坍塌 | 508.00,339.73,273.05, 244.48下管深度一般為80000～1500000 | 采用J55或更低的鋼級 | |
技術套管 | 當遇到坍塌層、油、氣、水層漏失層、鹽膏層等復雜部位時,都需要下套管封固 | 339.73,273.05,244.48,219.08,193.68,177.80 | 其力學性能和密閉性能要求很高,除采用J55外,還有N80、P110、Q125 | |
油層套管 | 用套管將油氣層及上部裸露層全部封住 | 177.80,168.28, 139.70,127.00,114.30 | 力學性能和密封性能最高鋼級同套管 | |
油管 | 平式和 加厚式 | 油氣從油管涌至地面,注水、輸入蒸汽、輸送酸化和壓裂的介質或固化物 | 48.3,60.30,73.03,88.90,101,60,114,30 | 力學性能和密封性能同油層套管相應,常用鋼級為J55、N80、C90和P110 |
注:ф101.6mm套管為4"無接箍套管
油管是油井專用管材。油管按加厚情況,分為兩端加厚油管和平式油管。兩端加厚油管用于深井完井工作,油管長度一般6～10米,其規范見表2-3。
1)抽油桿的技術規范
抽油桿主體是圓形斷面的實心桿體,兩端均有加粗的鍛頭,鍛頭上有連接螺紋和搭扳手用的方形斷面。抽油桿公稱直徑有16毫米(5/8英寸)、19毫米(3/4英寸)、22毫米(7/8英寸)和25毫米(1英寸)四種。抽油桿的長度,除最常見的8米長的抽油桿外,還有為組合而特別加工的1.0米、1.5米、2.5米、3.0米、4.0米五種長度。
2)抽油桿的材料
國產抽油桿有兩種,一種是碳鋼抽油桿,另一種是合金鋼抽油桿,碳鋼抽油桿一般是用40號優質碳素鋼制成,合金鋼抽油桿一般用20號鉻鉬鋼或15號鎳鉬鋼制成。
3)抽油桿的等級
分C、D、K三級
(1)C級抗拉強度低(620-794MPa),適合于輕中載荷的,有輕微鹽水腐蝕的淺井和中深井中;
(2)D級抗拉強度高(794-965MPa),適合于中、重載荷的有輕微鹽水腐蝕中深井和深井中;
(3)K級抗拉強度最低(588-794MPa),適合于輕中載荷的并有硫化氫和二氧化碳腐蝕性介質的井中。
鉆桿是鉆柱組成的基本單元,主要傳遞轉盤扭矩和承載及建立工作液循環通道,是完成修井工藝過程的基本配套專用管材。鉆桿本身配帶的接頭統稱為鉆桿接頭,它是成對使用的,即一根鉆桿兩端分別配上公母接頭,其功用是連接保護鉆桿便于上扣。特征參數如圖2-2所示。
石油鉆桿接頭由吊鉗扣合部位、焊接部位和接頭螺紋及密封臺肩等組成,分內螺紋接頭和外螺紋接頭,二者配對使用。
鉆桿是鉆柱的基本組成部分 , 它是用無縫鋼管制成(壁厚一般為9~11mm), 其主要作用是傳遞扭矩和輸送鉆井液,并靠鉆桿的逐漸加長使井眼不斷加深。因此,鉆桿在石油鉆井中占有十分重要的地位。
鉆桿由無縫鋼管組成,壁厚一般為9~11mm, 由鉆桿管體和鉆桿接頭兩部分組成。 鉆桿管體接頭的連接有兩種方式: 一種是用細絲扣連接 , 即管體兩端都有細公扣,與接頭一端的母細扣相連接,稱這種鉆桿為有細扣鉆桿; 另一種是管體與接頭用摩擦焊對焊在一起 , 稱這種鉆桿為對焊鉆桿。有細扣鉆桿目前已基本淘汰,我國現在生產或進口的鉆桿全部為對焊鉆桿(無細扣鉆桿)。
△鉆桿結構示意圖
△鉆桿接頭與管體的對焊
為了增強管體與接頭的連接強度,管體兩端加厚。常用的加厚形式有內加厚、外加厚、內外加厚三種。 根據美國石油學會 (API—American Petroleum Institute) 的規定,鉆桿按長度分為三類:
第一類,5.486~6.706m(18~22ft);
第二類,8.230~9.144m(27~30ft);
第三類,11.582~13.716m(38~45ft);
其中最常用的鉆桿尺寸有88.9(3.5in),114.3(4.5in),127.0mm(5in)三種。
△鉆桿加厚形式
鉆桿接頭外徑大于管體外徑,在鉆井過程中與井壁或套管不斷地接觸摩擦,產生磨損,為避免接頭磨損造成斷鉆桿、脫扣等鉆井事故,必須在鉆桿母接頭上設有鉆桿接頭防磨帶。
△接頭防磨帶
鉆桿的鋼級是指鉆桿鋼材的等級,它由鉆桿鋼材的最小屈服強度決定。API規定鉆桿的鋼級有D、E、95(X)、105(G)、135(S)級共五種,其中X、G、S級為高強度鉆桿。 鉆桿的鋼級越高,管材的屈服強度越大, 鉆桿的各種強度(抗拉、抗扭、抗外擠等)也就越大。在鉆柱的強度設計中,推薦 采用提高鋼級的方法來提高鉆柱的強度 , 而不采用增加壁厚的方法。
△鉆桿剛級
