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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（13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 1API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色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）kpsiMpaH-40J-55K-55N-80C-75L-80C-90C-95P-110Q-125V-150无色或黑色浅绿绿色红色蓝色红夹棕紫色棕色白色白色白色4055558075809095110125150276379379552571552620665758861103555255255275862066572576096510401240414517665689665665690720865930114022.51817181816.51811.55A5A5A5A5AC5AC(5AC)(5AC)A5X(5AQ)(5AX) 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ArmcoB&WCentralCF&1CopperwelolFort WorthLTVLone StarNewportUSSWheelingPittsburghARMCOCFLTVS.S.SUSSSumitomoSM南朝鲜HyundaiPusanUTM奥地利Voest Alpine比利时Tubeneuse法国VallourecVK西德BentelerFuchsHoeschMannesmannMW巴西Confab英国British SteerHC. WHC加拿大AlgomaISPSCOSOO意大利AllesioArvediDalmineS.E.T.ADHC.D委内瑞拉CVG日本KawaakiNipponNKKMaruichiK T. KONKLT. NTNK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)S80SOO95S95SS95379.21(55)655.00(95)655.00(95)551.58(80)655.00(95)758.42(110)758.42(110)689.48(100)S105S140V150S155655.00(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。表2-1-4 套管抗挤额定值外径mm(in)平均重量壁厚mm径厚比API抗挤额定值kPaLoneStarSS-95TCA80HCMann-emauMWC95SNipponNT85HSSNKKAC-80TSumit-OmoSM80Tl bf tkgmNmL-80C-90P-110114.3(4 1/2)11.613.515.117.2620.0922.47169.3197220.46.3507.3668.560.05560.06440.074943782588814847066603522627370598871596407156885012596407156885012582607570492528602607184385771546756922385012127(5)151823.222.3226.7934.53218.9262.7338.67.5189.19512.1410.05920.07240.0956499877232605591682944610199287264673819101090756467381910109075650188977064949823921143846060582254139.7(5 1/2)17202325.329.7634.23248.1291.9335.77.7229.16910.5410.05530.06560.07554336860881769454785069085891495157376532100250591577329185840591577329185840576407453289908599157336086529541937115485840544007000284806168.275(6 5/8)24283235.7241.6747.62350.3408.64678.94110.59212.0650.05310.06290.0717397415633071154435066357081496464027005191149433686343281358571586984481427506766674180875512286591479428177.8(7)23262932353834.2338.6943.1647.6252.0956.55335.7379.4423.2467510.8554.68.0529.15910.36311.50612.64913.7160.04530.05170.05830.06470.07110.077126407373014847059295701897853128544406105405567155803249259742954588127432589839104318389555377963432717057997987563389555377963432717057997987563389555377963432717057997987563396455536563777721888066988804378524840159157696377997987563379214902259157692927798087563193.675(7 5/8)26.429.733.73945.339.2944.250.1558.0467.41385.3433.4491.8569.2661.18.3319.52510.92212.70015.1130.04300.04920.05640.06560.07802344233026452306081225580353705019468948368875426276394334404929860674730848894233440492986067473084889423344049298606747308434474496426136373291899773412944264560547108533440448165639969913196.8246.168.6672.815.1130.07688721988322219.075(8 5/8)3640444953.5759.5365.4872.92525.4583.8624.1715.110.16011.43012.70014.1480.04640.05220.05800.06462826938059479195900829992415065336566879440575805473981417825446962742717054178254469627427170541782544696274271705423345598563363719813964549160586056943039714493665833068672222.2549.773.96725.314.1480.06377074070809244.475(9 5/8)4043.54753.558.461.159.5364.7469.9479.6286.9190.93583.8634.8685.9780.8852.3891.710.03311.04911.98913.84315.11315.8750.04100.04520.04900.05660.06180.064921305262693275045643229602847535094506083047536542548132916538611489536101968603723952916538611489536101929165386114895361019686037239530337394384929861639686037246430889377144398956399649497246429165379214433356399247.6559.288.10863.9615.1130.06106722467362250.82562.893.46916.515.8750.06337018970327273.05(10 3/4)5155.560.765.771.175.982.5990.3397.77105.81744.3810885.9958.81037.611.43012.57313.84315.11316.5100.04190.04600.05070.05530.060522201277172399429579252353178540541517113075141024520555957166190307514102452055595713199241506539865998466603322673909346746543313075139507198.45(11 3/4)60657189.2996.73105.66875.6948.61036.212.42113.56414.7830.04160.04590.049521925237182498030406395765019431509399905067631854381284481630406301.62571.8106.81047.814.7830.04904957349573339.72572107.151050.7613.0560.03841840719443198572392523925253732668323925342.9081.4121.141187.914.7320.04303350934336 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1SL Armco2SEUTSCTSFJPSFJPFJ40HCSMASNCTKNCTSHYDRIL3BDSTCBDSUO megaMANNESMAN4MODIFIEDTC4SFL4SIJ4SNL ATLASBRADFORD5VAMATACVAMAGVAMAFVALLOUREC(或日本住友)6VETLVETRVETCO OFFSHORE7NK2SCNK3SBNKELNKK8PE表 2-1-7 螺纹最高泄漏压力（Mpa）尺寸,mm (in)STCLTCBTC备 注114.3 (4 1/2)123.55123.55119.83127.0 (5)110.31110.31134.99138.7 (5 1/2)90.7390.70110.00168.0 (6 5/8)81.5681.56101.90177.8 (7)65.6465.6481.29193.7 (7 5/8)196.9 (7 3/4)81.3681.3681.3681.3687.4287.42219.0 (8 5/8)71.5671.5677.43244.5 (9 5/8) 244.5 (9 5/8)58.3366.6758.3366.6763.1563.15P110及最高钢级273.0 (10 3/4) 273.0 (10 3/4)47.4450.7451.3651.36P110及最高钢级298.5 (11 3/4)41.1343.44339.7 (13 3/8)31.3733.99406.4 (16)473.0 (18 3/8)508.0 (20)22.2721.7216.5524.5524.1316.00 表 2-1-8 套管试压系数f 系 数钢 级小于10 3/4 in套管等于或大于10 3/4 in 套管 所有尺寸的选择试验压力H40J55，K55L80，N80C90C95，T95P110Q1250 80 80 80 80 80 80 80. 60. 60 80 80 80 80 80 80 80 80 8 规范指出，不论是套管、油管和尾管，还是相应的短节，在出厂前都必须进行压力试验最大试验压力计算公式是： p=2(fYPt)/D式中 p 静态液压试验压力值，Mpa; f 套管试压系数，详见表2-1-8； YP 管材的屈服强度，MPa； T 管材壁厚，mm； D 管材外径，mm。 厂家向用户提供管材时务必同时递交根据API规定的检验报告。 表2-1-10列出了不同规格套管的最小工作特性，除常用的生产套管外，还选辑了小直径套管，便于不同类型油井的设计和查阅。 四、生产套管的选择 设计选择出来的套管应该在最经济条件下，使生产井在特定时间和环境内得到可靠的保护，其受到的最大应力处于允许的安全范围内，因此在套管选择时应考虑如下因素： 1套管尺寸选择的要求 生产套管尺寸的选择，在首先满足钻井工程要求的前提下，还应满足以下几方面要求： 1）油井产能及人工举升设备和管柱； 2）注水井注水量和测试工艺； 3）油水井增产增注措施。 2套管的强度要求 生产套管承受地层高温高压，在定向井还承受不可忽视的弯曲应力等因素的影响。这些因素都会直接影响套管的强度。因此，强度计算中，对抗拉、抗挤、抗内压安全系数要得当，一 般来说，探井应比开发井高。生产套管一般不宜选用低于J一55级钢管。 3非API钢级套管的选用 非API钢级套管具有高压缩强度、高连接强度、高抗漏等性能。 （1）深井生产套管的选择 深井套管承受较大的拉伸负荷和高压缩强度的作用，通常API钢级套管很难满足，因此尽可能不使API而采用非API钢级套管，尤其不要使用API圆螺纹套管。若套管内压超过34.5MPa (5000psi）时宜选用无缝钢管而不用电阻焊钢管。 （2）高温高压气井套管的选择 高温高压气井易使套管受热变形和弯曲，连接部分易发生气体漏失。现行API标准钢级尤其是螺纹尚不能满足高温高压井的需要。而非API标准钢级和扣型如NKK系列套管具有高连接强度及高抗漏特性。 （3）在硫化氢环境下的套管选择 硫化氢使钢体脆性断裂，即发生氢脆，在低温API高强度钢中氢脆现象更严重，而非API钢级套管如NKK系列套管较宜于有硫化氢存在的环境下使用。 从工程力学角度认为硫化氢的分压大于0.2068kPa （0. 03psi）绝对压力，生产套管就应考虑使用防硫化氢的材料。在API钢级套管中有六种具备抗硫性能（表2-1-9），非API钢级套管中S一80，SS一95等属抗硫套管。 表 2-1-9 具有抗硫性能的API钢级套管API技术规范5A5AC 5AX5AQ适用于含硫化物的地区H40J55K55C75L80C90不适用于含硫化物的地区N80 C95P110Q125 （4）二氧化碳（C02）环境下的套管选择 在存在CO2环境下宜选用API无缝钢管而不宜选用电阻焊钢管，或选用抗腐蚀合金钢如Cr9、Crl3、Cr23或Cr25级别的不锈钢管如图2-1-1所示。 （5）大斜度井套管选择 由于大斜度井的造斜井段曲率较大，会大大增加套管的弯曲应力，而可能引起套管接箍断裂。因此应选用较高钢级的API套管。 4生产尾管的设计原则 生产尾管是一种顶端不延伸到井口而悬挂在上一层套管内的特殊生产管柱，具有既节约套管成本又减轻管柱的轴向载荷等优点。故不论陆上还是海上油气田井身结构设计中都被广泛采用。 常规的生产尾管与套管组合程序是： 7in套管悬挂51/2in（或41/2in）尾管95/8in套管悬挂7in(或51/2in)尾管133/8 in套管悬挂95/8in套管 尾管长度一般在5001500m之间海上钻井，常规的生产套管为95/8in（244.5mm）技术套管悬挂7in(177.8mm)生产尾管。 表2-1-10 API套外径mm(in)平均重钢级壁厚mm内径mm最小屈服强度下的抗内压力1b ftNmkgm圆螺纹梯形螺纹，kPa短螺纹长螺纹标准接箍特殊接箍kPakg/cm2kPakg/cm2同一钢级高一钢级同一钢级高一钢级114.30(41/2)9.5138.614.14H405.21103.921994224.3-9.510.511.6138.6153.2169.314.1415.6317.26J55J55J555.215.696.35103.9102.9101.6301993302636887307.9336.8376.1-36887-376.1-3302636887-3302636887-3302636887-33026368879.510.511.6138.6153.2169.314.1415.6317.26K55K55K555.215.696.35103.9102.9101.6301993302636887307.9336.8376.1-36887-376.1-3302636887-3302636887-3302636887-330263688711.613.5169.319717.2620.09C75C756.357.37101.699.6-5026358330512.5594.85026358330-5026351642-11.613.5169.319717.2620.09L80L806.357.37101.699.6-5364162191547634.2536416219153641621915364155089536416219111.613.5169.319717.2620.09N80N806.357.37101.699.6-5364162191547634.2536416219153641621915364155089536416219111.613.5169.319717.2620.09C95C956.357.37101.699.6-6370873843649.67536370873843-6370865431-11.613.5169.319717.2620.09C95C956.357.37101.699.6-6370873843649.67536370873843-6370865431-11.613.515.1169.3197220.417.2620.0922.47P110P110P1106.357.378.56101.699.697.2-737058556499422751.6872.51013.8737058556492803737058556499422737057577375773737058556495906127.00（5）11.51315167.8189.7218.917.1119.3522.32J55J55J555.596.437.52115.8114.1112292343357739300298.1342.4400.7-3357739300-342.4400.7-3357739300-3357739300-3357735370-335773930011.51315167.8189.7218.917.1119.3522.32K55K55K555.596.437.52115.8114.1112292343357739300298.1342.4400.7-3357739300-342.4400.7-3357739300-3357739300-3357735370-3357739300151821.423.224.1218.9262.7312.3338.6351.222.3226.7931.8534.5335.86C75C75C75C75C757.529.1911.112.1412.7112108.6104.8102.7101.6-5357265500699136991369913546.3667.9712.9712.9712.95357264052640526405264052-4819448194481944826348194-151821.423.224.1218.9262.7312.3338.6351.722.3226.7931.8534.5335.86L80L80L80L80L807.529.1911.112.1412.7112108.6104.8102.7101.6-5715869913745327460174532582.8712.9760760.776057158683276832768327683275715869913-51435514355143551435514355715869913-151821.423.224.1218.9262.7312.3338.6351.722.3226.7931.8534.5335.86N80N80N80N80N807.529.1911.112.1412.7112108.6104.8102.7101.6-5715869913745327460174532582.8712.9760760.77605715868327683276832768327571586991384392922529390751435514355143551435514355715869913706717074070671151821.423.224.1218.9262.7312.3338.6351.722.3226.7931.8534.5335.86C90C90C90C90C907.529.1911.112.1412.7112108.6104.8102.7101.6-6425978600839098390983909655.3801.5855.6855.6855.66425976877768777687776877-5791657916579165791657916-管最小特性表接头拉伸强度抗挤强度管体屈服强度圆螺纹梯形螺纹，kN短螺纹长螺纹标准接箍特殊接箍kNtkNt同一钢级高一钢级同一钢级高一钢级kpakg/cm2kNt342.534.9-19030194.1493.850.3449.3587.268545.859.969.9-720.6-73.5-9031000.8-9031000.8-9031000.8-9031000.8228222764834198232.7281.9358.7676.1734818.568.974.883.5498.2649.4756.250.866.277.1-800.7-81.6-1107.61232.2-1107.61232.2-1107.61232.2-1107.61232.2228222764834198232.7281.9348.7676.1734818.568.974.883.5-9431143.296.2116.61294.41485.7-1294.11423.4-4205856123428.9572.31112.11281.1113.4130.6-9431143.296.2116.61294.41485.7-1294.41423.4-4378258881446.5600.41187.71365.6121.1139.3-9921201101.2122.51352.31552.41352.31552.41352.21499.11352.21552.44378258881446.8600.91187.71365.6121.1139.3-9921201101.2122.51374.51579.1-1374.51499.1-4702264121479.5653.91334.51534.6136.1156.5-1040.91263.3106.1128.81445.71663.61445.71663.61445.71570.2-4847066603494.3679.21410.11619.2143.8165.1-1241.11503.51806126.6153.3184.21712.61970.62264.11712.61970.62264.11712.61872.71872.71712.61970.62264.1522627363698940532.9750.91008.91632.51877.12157.4166.5191.4220591.6751.7920.860.376.793.9-809.6992-82.6101.2-11211303.3-11211303.3-11211276.6-11211303.3210982854438335215.1291.1390.9809.6925.2102782.694.3109.3653.9827.41014.266.784.4103.4-894.11084.3-91.2111.6-1374.51596.9-1374.51596