油井管,又稱石油專用管,是石油工業(yè)的基礎(chǔ),套管、油管及鉆柱構(gòu)件(鉆桿、鉆鋌、方鉆桿等) 統(tǒng)稱油井管(OCTG)。
石油工業(yè)發(fā)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(jù)我國統(tǒng)計數(shù)據(jù),實際鉆井每鉆進(jìn)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(chǎn)中,油井管約占60%。
油井管在石油工業(yè)中占有重要的位置, 是石油工業(yè)的基礎(chǔ)。油井管在石油工業(yè)中的地位, 不僅表現(xiàn)為用量大、花錢多, 更主要的是其質(zhì)量、性能與石油工業(yè)發(fā)展的關(guān)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(nèi)壓或外壓, 幾百噸的拉伸載荷, 還有高溫及嚴(yán)酷的腐蝕介質(zhì)的作用。
我國每年僅鉆柱斷裂掉井事故即達(dá)1 000 起左右,據(jù)鉆井承包商協(xié)會( IADC) 統(tǒng)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(dǎo)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(jīng)濟(jì)性與石油工業(yè)關(guān)系極其重大。
美國能源部對國際上的井深趨勢統(tǒng)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(xù)呈現(xiàn)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(nèi)市場占有率已經(jīng)超過80%,并且已連續(xù)2年成為凈出口產(chǎn)品。在品種開發(fā)方面,國內(nèi)不少企業(yè)勇于創(chuàng)新,不僅生產(chǎn)出了按API標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)稱為石油專用管。石油專用管實際上是鋼管的深加工產(chǎn)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(tǒng)稱石油油井專用管。
石油專用管服役條件相當(dāng)惡劣,其質(zhì)量要求比一般無縫管嚴(yán)格得多,必須按照專門的標(biāo)準(zhǔn)或技術(shù)條件進(jìn)行生產(chǎn)和檢驗。目前石油專用管國內(nèi)外廣泛采用的生產(chǎn)和檢驗標(biāo)準(zhǔn)主要以美國石油學(xué)會即API標(biāo)準(zhǔn)為主。套管和油管采用API SPEC5 CT標(biāo)準(zhǔn),鉆桿采用API SPEC5標(biāo)準(zhǔn),鉆桿接頭采用API SPEC7標(biāo)準(zhǔn)。
除了API標(biāo)準(zhǔn)的套管外,國內(nèi)外還研究和發(fā)展了滿足油田特殊地質(zhì)工況環(huán)境使用的非API套管,包括:用于深井的超高強(qiáng)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(yīng)力腐蝕油管、套管;用于低溫油氣井的高強(qiáng)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(huán)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(qiáng)烈腐蝕性環(huán)境下使用的油管、套管。
在油田鉆井和生產(chǎn)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(guī)格。井內(nèi)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(chǎn)分隔器與套管隔開,油管經(jīng)常被從井中抽出,有時還需要更換。大多數(shù)油管外徑為114.3mm或更小規(guī)格。
鉆井環(huán)境常要求下幾層套管才能達(dá)到預(yù)期的總井深。每層套管按照作用的不同又可分為:
(1)導(dǎo)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(jié)的巖石掉 落井內(nèi)。
(2)結(jié)構(gòu)管。處于導(dǎo)管和表層管之間,這層套管的目的包括解決再次發(fā)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(jìn)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(hù),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(jìn)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(dá)到控制壓力和破裂梯度的目的。
(6)生產(chǎn)套管。也稱為油層套管。這一管柱的作用為:把生產(chǎn)層與其他地層隔開,形成一個已給定直徑又能下到生產(chǎn)層的工作井筒,保護(hù)生產(chǎn)油管和設(shè)備。
(7)回接管柱。襯管也常用作生產(chǎn)套管的一部分,而不是另外再從地面下一個管柱直到生產(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)中,套管和油管的鋼級表明其屈服強(qiáng)度和一些特殊的特征。鋼級標(biāo)注通常用1個字母和2或3個數(shù)字表示,如N80。在大多數(shù)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(qiáng)度越大。例如,N80一級鋼材的屈服強(qiáng)度要比J55的大。
數(shù)字符號是以千磅每平方英寸表示的管材最小屈服強(qiáng)度來確定的。例如:N80鋼級的最低屈服強(qiáng)度為550Mpa。
API SPEC5 CT標(biāo)準(zhǔn)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(guī)格及要求見下表。
名稱 | 分類 | 功用 | 規(guī)格/mm | 要求 |
方鉆桿 | 四方型 六方形 | 靠地面上的動力通過轉(zhuǎn)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(zhì)強(qiáng)度高、韌性、剛性均要好,平直度高,壁厚均勻,材質(zhì)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(zhì)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(dǎo)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(zhì)為4145H | |
加重鉆桿 | 主要改善鉆桿與鉆挺相連接的受力環(huán)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(dǎo)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(shù)套管 | 當(dāng)遇到坍塌層、油、氣、水層漏失層、鹽膏層等復(fù)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(xué)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(xué)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(zhì)或固化物 | 48.3,60.30,73.03,88.90,101,60,114,30 | 力學(xué)性能和密封性能同油層套管相應(yīng),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(guī)范見表2-3。
1)抽油桿的技術(shù)規(guī)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(chǎn)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(yōu)質(zhì)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(zhì)的井中。
鉆桿是鉆柱組成的基本單元,主要傳遞轉(zhuǎn)盤扭矩和承載及建立工作液循環(huán)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(tǒng)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(hù)鉆桿便于上扣。特征參數(shù)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(nèi)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(xì)絲扣連接 , 即管體兩端都有細(xì)公扣,與接頭一端的母細(xì)扣相連接,稱這種鉆桿為有細(xì)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(xì)扣鉆桿目前已基本淘汰,我國現(xiàn)在生產(chǎn)或進(jìn)口的鉆桿全部為對焊鉆桿(無細(xì)扣鉆桿)。
△鉆桿結(jié)構(gòu)示意圖
△鉆桿接頭與管體的對焊
為了增強(qiáng)管體與接頭的連接強(qiáng)度,管體兩端加厚。常用的加厚形式有內(nèi)加厚、外加厚、內(nèi)外加厚三種。 根據(jù)美國石油學(xué)會 (API—American Petroleum Institute) 的規(guī)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(chǎn)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(shè)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(qiáng)度決定。API規(guī)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(qiáng)度鉆桿。 鉆桿的鋼級越高,管材的屈服強(qiáng)度越大, 鉆桿的各種強(qiáng)度(抗拉、抗扭、抗外擠等)也就越大。在鉆柱的強(qiáng)度設(shè)計中,推薦 采用提高鋼級的方法來提高鉆柱的強(qiáng)度 , 而不采用增加壁厚的方法。
△鉆桿剛級