GBT 20972.1-2026 石油天然气工业 油气开采中用于含硫化氢环境的材料 第1部分：选择抗开裂材料的一般原则标准立项发展报告

石油天然气工业油气开采中用于含硫化氢环境的材料第1部分：选择抗开裂材料的一般原则标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:PetroleumandNaturalGasIndustries—MaterialsforUseinH₂S-ContainingEnvironmentsinOilandGasProduction—Part1:GeneralPrinciplesforSelectionofCracking-ResistantMaterials摘要随着全球能源需求的持续增长与油气勘探开发向深层、超深层及高含硫区块的不断推进，含硫化氢（H₂S）酸性油气田的开采比例逐年升高。硫化氢环境下的材料开裂问题——包括硫化物应力开裂（SSC）、氢致开裂（HIC）及应力导向氢致开裂（SOHIC）等——已成为制约油气田安全高效开发的关键技术瓶颈。在此背景下，GB/T20972.1-2026《石油天然气工业油气开采中用于含硫化氢环境的材料第1部分：选择抗开裂材料的一般原则》的制定与实施，对于规范我国酸性油气田材料的合理选择、保障开采作业安全、促进国际技术接轨具有深远意义。本标准由全国石油天然气标准化技术委员会归口，是对ISO15156-1:2020等国际先进标准的转化与本土化完善，系统规定了含硫化氢环境中金属材料抗开裂性能评价的通用原则、适用工况判定准则及材料选择的技术框架。本文从标准立项的背景与必要性、国内外标准对比分析、标准主要内容与技术要点、主要参与单位介绍、标准适用性与预期效益等方面进行系统阐述，为标准使用者提供全面、权威的参考与指导。关键词：酸性油气田；硫化氢；抗开裂材料；材料选择；标准化Keywords:souroilandgasfields;hydrogensulfide;cracking-resistantmaterials;materialselection;standardization1引言1.1立项背景含硫化氢油气田在全球范围内分布广泛。据国际能源机构统计，全球已探明天然气储量中约40%含有不同程度的硫化氢，其中高含硫气田（H₂S含量≥5%）约占天然气总储量的15%左右。我国四川盆地、塔里木盆地、鄂尔多斯盆地及南海海域均分布有大量的含硫油气藏，川东北地区普光气田、元坝气田等高含硫气田的H₂S含量高达7%～15%，其开发技术难度居世界前列。随着中浅层常规油气资源逐渐枯竭，我国油气勘探开发正在向深层、超深层以及高含硫、高含碳（CO₂）的复杂地质条件迈进，酸性环境的材料服役条件日趋严苛。在含硫化氢的油气开采环境中，碳钢及低合金钢等金属材料面临多种失效模式的威胁。硫化物应力开裂（SSC）是酸性环境中最为典型和危险的开裂形式，其具有突发性和灾难性，往往在材料承受的应力远低于其屈服强度时即可发生，造成井喷、管线爆裂等重大安全事故。此外，氢致开裂（HIC）和应力导向氢致开裂（SOHIC）同样威胁着材料的结构完整性。国际油气行业历史上曾发生多起因硫化物应力开裂导致的严重事故，如20世纪60年代美国德州一酸性气井的井喷爆炸事故，造成巨大的人员伤亡和财产损失。这些血的教训深刻说明了在酸性环境中对材料选择进行规范化管理的极端重要性。1.2标准立项的必要性与紧迫性我国石油天然气行业在含硫化氢环境材料选择方面虽然已有一定的工程实践积累，但在标准层面仍面临以下突出矛盾：第一，国际标准转化实施的需求。ISO15156系列标准（与NACEMR0175合并）是国际油气行业公认的酸性环境材料选择准则，已被全球主要油气生产国广泛采用。我国现行相关标准在不同程度上参考了该国际标准体系，但随着国际标准版本的持续更新和技术的快速发展，国内标准亟需同步修订，以保持与国际先进水平的一致性。第二，国内标准体系整合协调的需求。围绕含硫化氢环境材料选用问题，国内已发布有GB/T20972系列、SY/T0599等多项标准和行业规范，但在技术要求覆盖面、适用范围界定、材料分组与评价方法等方面存在交叉与差异，亟需通过修订基础性标准来统一技术指标体系，为其他配套标准提供协调一致的上位依据。第三，保障安全生产的国家战略需求。近年来，我国将能源安全提升至国家战略高度，高含硫油气田的安全高效开发是保障国家能源供给的重要组成部分。通过标准化的材料选择流程，可从源头降低酸性油气田开发的失效风险，对于保障人员安全、保护生态环境、维护国家能源安全具有重要意义。2国内外标准现状与发展趋势分析2.1国外标准体系与最新发展在国际层面，含硫化氢环境材料选择的核心标准为ISO15156系列标准（等同于NACEMR0175）。该系列标准最初由美国腐蚀工程师协会（NACEInternational，现更名为AMPP，即美国材料防护与性能协会）制定，后经国际标准化组织（ISO）采纳并向全球推广。ISO15156标准系列包含三个部分：第1部分规定了抗开裂材料选择的一般原则，第2部分规定了油气管线中使用的碳钢和低合金钢的技术要求，第3部分涉及耐蚀合金和其他合金的技术要求。2020年，ISO发布了ISO15156-1:2020版本，在以下方面做出了重要更新：一是引入材料性能等级（MPL）的分级概念以替代部分传统的硬度限制要求，为材料在酸性环境中的适用性评定提供了更为精准和量化的判据；二是扩展了环境条件界定参数（如H₂S分压、pH值、氯化物含量、单质硫存在与否、温度区间等）的适用范围，增加了对含单质硫环境和高温环境等极端工况的考量；三是增加了对增材制造等新兴材料技术的基础性考虑框架。2.2国内标准体系现状与差距分析国内含硫化氢环境材料选择相关的标准主要包括GB/T20972系列（等同采用ISO15156系列）、SY/T0599（天然气地面设施抗硫化物应力开裂和应力腐蚀开裂的金属材料要求）以及各油气田企业标准。GB/T20972.1-2007是目前我国在酸性环境材料选择领域的现行基础标准，其等效采用了ISO15156-1:2001版本。经过十余年的实践应用，现行GB/T20972.1-2007在多个方面已显露出与当前技术发展和工程需求之间的差距：（1）技术内容相对滞后。现行标准基于的ISO15156-1:2001版本已历经多次更新，国际标准中引入的材料性能等级（MPL）、环境严酷度分类等新概念尚未在国内标准中得到充分体现，不利于我国企业以最新的技术准则参与国际项目竞争。（2）抗硫管材国产化需要标准引领。近年来，国内宝钢、天津钢管等企业已建立起酸性环境用钢管的生产能力，但国产化材料的工程应用需要与最新标准中评价体系和验收准则保持高度一致，标准的滞后将直接制约国产高端管材的推广应用。（3）深井超深井工况对标准的适应性提出了更高要求。随着我国超深井钻井深度突破万米大关，高温（>150℃）、高压（>100MPa）叠加高含H₂S的极端工况，已经超出旧版标准所覆盖的环境范围，新标准需对这些极端环境条件的适用准则做出明确的扩展性规定。因此，及时修订并发布GB/T20972.1-2026，是缩小我国在该领域标准化水平与国际先进标准之间差距的关键举措。3标准主要内容与技术要点3.1标准范围与适用工况界定GB/T20972.1-2026规定了石油天然气工业中用于含硫化氢环境的金属材料选择抗开裂材料的一般原则，包括材料选择过程中应考虑的环境因素、材料性能要求、评价与验收程序等方面的通用要求。本标准适用于油气勘探开发中钻井、完井、采油采气、油气集输和处理等生产设施中接触酸性介质的金属材料的选择。标准明确了酸性环境的定量判定准则，包含以下关键参数：-H₂S分压：气体系统中H₂S分压≥0.05psi（约0.34kPa）时即视为酸性环境，此阈值与NACEMR0175/ISO15156的界定保持一致；-pH值：环境pH值对开裂敏感性具有决定性影响，标准给出了根据不同pH值区间划分环境严酷度等级的技术方法；-温度条件：标准对不同温度区间下的开裂风险进行了分类，涵盖了从低温到高温（超过150℃）的服役温度范围；-其他因素：包括氯化物含量、单质硫存在、CO₂含量及电化学电位等对开裂行为的影响进行了系统考量。标准在上述参数基础上建立了酸性环境严酷度分类框架，将开采环境划分为不同程度等级，为不同等级环境下的材料选择提供了清晰的技术路径。3.2金属材料抗开裂性能要求与评价方法标准对碳钢、低合金钢、耐蚀合金等各类金属材料在酸性环境中的适用性提出了系统要求，包括关键力学性能指标上限值（如硬度值HRC、屈服强度上限等）、化学成分控制要求（如硫含量、磷含量、有害元素控制）、显微组织要求（如淬火+回火组织、均匀性、非金属夹杂物等级）以及材料的制造工艺与热处理状态要求。在材料评价方面，标准详细规定了酸性环境适用性的验证程序，包括硫化物应力开裂试验方法（参考NACETM0177标准方法A），以及逐层评定步骤：初始材料分组判定、标准适用性澄清、实验室验证试验与最终适用性评定。同时也明确了当材料性能低于标准推荐范围时的补充试验要求。3.3与相关标准的衔接本标准为GB/T20972系列的基础性文件，与第2部分（碳钢和低合金钢技术条件）和第3部分（耐蚀合金技术条件）构成完整的标准体系。同时，本标准的实施与GB/T9711（石油天然气工业管线输送系统用钢管）、GB/T19830（石油天然气工业油气井套管或油管用钢管）等材料产品标准以及SY/T0599等行业标准协调配合，共同构建了我国含硫化氢环境的材料选用标准体系。4标准修订起草主要参与单位本标准的修订工作凝聚了国内石油天然气行业材料腐蚀与防护领域众多权威机构的集体智慧，由中国石油集团工程材料研究院有限公司（原中国石油集团石油管工程技术研究院）作为主要起草单位牵头完成。中国石油集团工程材料研究院有限公司是我国唯一专门从事石油管及装备材料科学与工程应用研究的综合性科研机构，是国家石油管材质量监督检验中心的依托单位，也是国家石油天然气钻采装备质量监督检验中心的重要组成部分。该研究院设有石油管材腐蚀与防护实验室，长期致力于酸性油气田管材腐蚀机理、抗硫管材开发、失效分析及防护技术等方向的研究工作。在酸性环境材料研究领域，该研究院主持完成了多项国家科技重大专项、国家重点研发计划及中国石油集团重大科技项目，围绕高含硫气田管材选用、抗SSC性能评价、HIC敏感性试验及国产化抗硫管材开发等方面取得了一系列具有国际先进水平的研究成果。该研究院是ISO/TC67（石油天然气工业标准化技术委员会）国内技术对口单位，长期参与ISO15156标准制修订的国际技术活动，深度掌握国际标准的最新技术动态和发展趋势。在GB/T20972.1-2026标准的起草过程中，该研究院充分发挥了其在材料腐蚀试验平台、工程案例数据库及国际标准化经验等方面的综合优势，组织了涵盖材料科学、腐蚀防护、钻井工程、采油工程等多学科领域的专家团队，系统开展了国内外标准对比分析、典型失效案例调研、实验室验证试验等基础性工作，为标准技术条款的科学性和可操作性提供了坚实的技术支撑。此外，中国石油天然气股份有限公司西南油气田分公司、中国石油化工股份有限公司中原油田普光分公司、宝山钢铁股份有限公司、天津钢管制造有限公司、中国石油集团渤海钻探工程有限公司等单位也深度参与了本标准的研讨与起草工作，分别从油气田业主角度、材料制造角度和工程作业角度为标准条款的完善提供了丰富的实践经验和宝贵的技术建议。5标准适用性与预期效益分析5.1预期经济效益GB/T20972.1-2026的实施将带来显著的经济效益。一方面，科学合理的材料选择准则可有效避免因材料开裂失效导致的停产抢修、井喷失控等重大经济损失。以国内某高含硫气田为例，单口开发井的钻井和完井投资动辄数千万元，一旦因选材不当导致管柱开裂失效，直接与间接损失可达数亿元。另一方面，本标准为我国自主生产的抗硫管材提供了与国际接轨的评价依据，有助于高性能国产材料在酸性油气田中得到更加广泛的应用，降低对进口高端管材的依赖，推动高端油井管国产化率进一步提升。5.2预期社会效益本标准的实施将系统提升我国酸性油气田开发的安全技术水平，通过规范化和精细化的材料选择流程，有效降低含硫油气开采过程中的安全环保事故风险，保障作业人员生命安全和周边生态环境安全。同时，作为ISO15156国际标准的协调文件，本标准的颁布也有助于我国石油工业标准与国际体系的深度对接，支持我国油公司和技术服务企业更好地参与"一带一路"沿线国家酸性油气田开发项目，促进国际产能合作和技术交流。6结论GB/T20972.1-2026《石油天然气工业油气开采中用于含硫化氢环境的材料第1部分：选择抗开裂材料的一般原则》是为应对我国酸性油气田开发规模持续扩大、服役条件日趋苛刻的行业需求，结合国际标准最新发展动态而制定的重要国家标准。本标准在充分吸收ISO15156-1:2020先进技术内容的基础上，兼顾我国油气田工程实践经验和材料工业发展水平，构建了结构清晰、技术先进、可操作性强的酸性环境抗开裂材料选用准则体系。展望未来，随着我国深层超深层油气开发的深入推进和酸性环境服役工况的更加极端化与复杂化，含硫化氢环境材料选择技术将呈现以下发展趋势：一是以材料性能等级（MPL）为代表的精细化选材方法将逐步替代传统的粗放式硬度限制准则；二是数字化和智能化选材辅助工具（如材料选择数据库、人工智能辅助决策系统）将加速融合到标准化实践中；三是氢脆机理研究和抗氢脆新型材料的开发将持续推动标准技术指标的迭代更新。GB/T20972.1-2026的发布实施，将为我国石油天然气工业的酸性环境材料选用提供更加科学、规范的技术指引，有力地支撑国家能源安全和油气增储上产战略目标的实现，也必将为我国在该技术领域国际标准化活动中发挥更大作用奠定坚实基础。参考文献[1]ISO15156-1:2020,Petroleumandnaturalgasindustries—MaterialsforuseinH₂S-containingenvironmentsinoilandgasproduction