第二章 生产套管和油管

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（1～3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
1．API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
①待编入API标准。

表2-1-2 套管生产厂家及代号（商品名）
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
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
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
表2-1-7 螺纹最高泄漏压力（Mpa）
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(f×Y P×t)/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；
Y P——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。

（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Array 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
500~1500m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。

管最小特性表
对于后一方案，244.5nn(95/8)套管的下入浓度应遵循下列原则：
1）套管鞋坐在目的层之前：
表２-1-11 腐蚀环境的特殊应用举例
表2-1-12NKK特殊钢级管材选用范围之一
2)套管鞋必须坐在压实条件较好的固结地层；
3)保证下方215.9mm（81/2in）井眼段有合理的长度。

而177.5mm（7in）尾管应考虑如下因素：
1）与244.5mm（95/8in）套管有足够的重叠长度以确保244.5mm(95/8in)套管内水泥固结强度（常规开发井推荐重叠长度为100~150mm）；
１）油井压力试验时，尾管不致于挤扁；
２）尾管与井眼的间隙不影响固井质量；
３）适当的尾管长度，避免固井时水泥浆窜槽等问题。

表2-1-13 NKK特殊钢级管材选用范围之二
第二节油管的选择和计算
油管设计及下油管作业是完井工程中一项极重要环节。

油管设计是油、气井合理生产、提高采收率的有力依据，是关系到采油、采气工艺技术水平提高的大事。

油管不仅是油流从井底到地面的通道，而且是人工举升所需井下工具的载体。

油管由外螺纹、本体和内螺纹（接箍）三部分组成。

一、油管分类
1．API油管
API油管是根据美国石油工程学会（API）制定的标准来制造的油和。

（1）油管长度
第一类是每根油管长6.10~7.32m(20~24ft)
第二类是每根油管长8.53~9.75m(28~32ft)
油田一般都是采用第二类，这样可减少接箍数量。

（2）A PI油管规范
API油管的强度、应力和硬度规范见表2-2-1，油管最小工作特性见表2-2-2。

表2-2-1 API油管强度、应力和硬度要求
组钢级类型屈服强度，MPa
最小最大抗拉强度，Mpa
最小
最大硬度
HRC BHN
规定壁存
mm
允许硬度变化HRC
1 2
3 4
H40
J55
K55
N80
L80
L80
L80
C90
C90
C90
C90
C95
T95
T95
T95
P110
Q125
Q125
Q125
1
9Cr
13Cr
1.2
1.2
1.2
1.2
1.2
1.2
1.2
1—1
1—1
1—1
276
379
379
552
552
552
552
621
621
621
621
655
655
655
655
758
862
862
862
552
552
552
758
655
655
655
724
724
724
724
758
758
758
758
965
1034
1034
1034
414
517
655
689
655
655
655
689
689
689
689
724
724
724
724
826
931
931
931
—
—
—
—
23.0
23.0
23.0
25.4
25.4
25.4
25.4
—
25.4
25.4
25.4
—
—
—
—
—
—
—
—
241
241
241
255
255
255
255
—
255
255
255
—
—
—
—
≤12.70
12.71～19.04
19.05～25.39
≥25.40
≤12.70
12.71～19.04
19.05～25.39
≤12.70
12.71～19.04
≤19.05
3.0
4.0
5.0
6.0
3.0
4.0
5.0
3.0
4.0
5.0
(3)API油管通径规要求
API油管的尺寸误左要求见表2-2-3。

API油管必须使用相应的通规检查其内径，通径规要求见表2-2-4。

（4）API油管钢级
根据油管的强度，API油管可分为H40、J55、N80、L80、C90、T95和P110，共七个钢级。

钢级代号的物理意义跟套管钢级中的规定（本章第一节）相同。

数字越大，表示表示该钢级油管的强度越高。

油管钢级颜色标记见表2-2-5。

注：洛氏硬度作为参考依据
表2-2-2油管最小工作特性表
表2-2-3 API油管的尺寸误差表
表2-2-4 API油管通径规要求
(5)API油管螺纹类型
API油管各钢级的螺纺类型，见表2-2-6。

表2-2-6 API油管螺纹类型
注：P——平头油管（没有丝扣）U——外加厚油管
N——平式油管I——整体式油管
（6）接箍
API规范中有三种类型的接箍：外加厚扣、平式和整体扣，图2-2-1。

平式扣是在外径相同的油管上加工螺纹。

这样在螺纹的地方由于厚度变薄和应力集中，使得螺纹部分的强度低于油管本体的强度。

外加厚油管是油管两端的外径（厚度）大于本体，在两端加工螺纹，使得螺纹部分的强度不低于油管本体的强度。

整体式油管是油管和接箍连成一体，这种油管只适应小于27mm（21/16in）的油管，而且接箍一旦损坏，整根油管就不能修复而重新使用。

平式扣和外加厚扣可以是8扣/in，也可以是10扣/in。

整体式油管只有10扣/in。

油管和接箍尺寸说明见图2-2-2。

1．非API油管
(1) 非API油管尺寸，见表2-2-7。

表2-2-7 非API油管尺寸表
续表
续表
续表
续表
续表
续表
续表
（2）非API油管接箍
非API油管接箍比API平式扣、加厚或整体式连接具有更高的强度、更好的防漏性能和大的环行空间。

它们通过加特氟隆（TEFLON）、金属对金属密封以及改善连接方式等方法（诸如梯形扣、扭矩台阶、改变方向或角度、内加厚、整体连接、平滑连接等），改进接箍性能，以适应各种不同的条件和环境。

（3）非API油管螺纹结构
最常用的非API油管NEW V AM螺纹结构见图2-2-3。

表2-2-7 非API油管尺寸表
续表
续表
续表
续表
续表
续表
续表
3．特殊油管
在一些特殊环境下，一般油管满足不了其需要就必须采用特殊油管。

（1）保温油管
在一些含蜡量很高，且结
蜡温度也很高的油井，油流至井
口甚至油管上部，由于温度降低
而形成结蜡现象。

油管结蜡不仅
堵塞油流通道，增加流动阻力，
而且使得钢丝作业不能进行，或
者井下安全阀失效。

为防止油管
结蜡，在井下下入一种保温油管
（或叫隔热油管）以降低油管的传热系数，减少油流热损失，使得井口油流的温度高于结蜡点温度，保证油流通道畅通和生产安全。

保温油管的下入深度是根据油管的保温性能、油井产量和原油结蜡温度来确定的。

首先利用计算机软件，把普通油管的尺寸、井深、产量、含水、油层温度、油管传热率等参数，输进计算机，可以算出不同深度的井温，即井温剖面，如图2-2-4。

然后改变用保温油管，即输入保温管的传热系数可以得到下入保温管的井温剖面，最后利用试凑法假定下入一段保温管和一段普通油管，计算出另外一条温度剖面曲线。

直至油流经保温油管热损失后到达地面的温度高于原油凝固点时，这就是保温管所需下入的最小深度。

保温油管主要由内油管，外油管和中间隔热层组成，其剖视情况见图2-2-5。

保温管的保温性质主要取决于多层隔热系统的传热系数。

保温管的内、外管有不同的组合，可以根据油井产量和管套尺寸等来选择。

外管内管
4.50 in / 114.3 mm 2.875 in／73.035 mm
4.50 in /114.3 mm 3.50 in／88. 9 mm
5.00 in /127.0 mm 2.87 in／73.035 mm
5.00 in／127.0 mm 3.50 in／88.9 mm
5.50 in／139.7 mm 4.00 in／101.6 mm
（2）非金属油管
在一些结蜡、结盐或者结垢很严重的油井，为了防止在油管中出现以上各种现象，在井中下入非金属油管，即玻璃钢油管，其规格及性能见表2-2-8，利用其表面光滑，粘附性差的特点，使得油流中的蜡、盐分和垢无法在油管壁沉淀，而保持油流畅通。

但是玻璃钢油管由于耐压低和耐温差，只适应于一些温度和压力都较低的油井中。

此外，玻璃钢油管也可以用于腐蚀性很严重的油井中。

（3）连续油管
在一些没有修井能力的平台上，利用连续油管进行完井。

这种完井方式对开发边际油田具有特殊意义。

同时利用连续油管来进行过油管作业，可避免起下油管，减少作业费和作业时间，也具有重大意义，在海上油田的作业中，应用越来越广泛。

由于在第十章有详细介绍, 这里不再赘述。

二、螺纹密封
螺纹密封原理可以分成三种：螺纹
油密封、TEFLON（特氟隆）密封
圈密封和金属对金属密封。

参见图
2-2-6。

1．API螺纹
API螺纹在螺纹的底部和顶部
都是圆形的，并有一定的空隙，这
样很容易泄漏。

为了改善油管的密
封性，在连接油管时，涂上螺纹油，
螺纹油中含有各种金属颗粒（如为
铅、锌或者铜），在螺纹啮合中形成
一定的蹩压p b，当蹩压p b高于油管
中的内压p i时，这些螺纹油就会堵
住螺纹之间的间隙，保持油管的密
封性（见图2-2-7）。

但是在以下几种情况下，API
油管不能保持其密封性：
1）当油井温度高于138℃（280
℉）时，螺纹油就会蒸发，螺纹中
蹩压p b就会下降，使油管泄漏。

2）由于螺纹油容易溶于油气
中，长期与油气接触，使得螺纹油
稀释，螺纹油中的金属颗粒不能有
效形成桥塞而使油管泄漏。

3）当油管受到拉力时，螺纹油
会重新分布或挤掉，时间一长螺纹
油就不存在，油管就会泄漏，所以
API油管螺纹只适应于温度低于
138℃、压力低于34. 47MPa
（5000psi）中的油井。

对于有腐蚀
性油气的油井，这个标准还要再降
低，只能在17. 23MPa （2500psi）
以下。

2．TEFLON（特氟隆）密封螺
纹
TEFLON密封螺纹就是在油管螺纹中加工一个槽，然后在槽中放上一个TEFLON的密封圈，以达到提高油管的密封性能。

这种“O”形圈有如下几个缺点：
1）“O”形圈在油管组装时容易损伤，使得不能保持其密封性。

2）“O”形圈和槽的尺寸配合很关键，过大会增加油管的应力，过小又不能保持密封。

D t
P API ∙=
σ6.
1 3）“O ”形圈的应用温度只适应于120℃（250℉以下，太高的温度会使“O ”形圈降低弹性而失去其密封作用。

所以TEFLON 密封螺纹只适应于温度低于120℃、密封性要求高（但压力不是特别高）的油井。

3．金属对金属密封螺纹
在高温高压油井中，要求有一种密封性好，而且可靠的螺纹，这就是金属对金属的螺纹。

这种螺纹通常在外螺纹未端与内螺纹形成一个径向或轴向环形的金属接触面，隔开油流和螺纹油，保持油管的密封性。

大部分金属对金属密封是锥形螺纹，外螺纹未端沿着油管本体外径逐渐变大，使得在油管对接时容易。

但在上扣时，容易上得过紧，使螺纹损坏，特别是高含铬钢管。

为了避免这个问题，一般金属对金属密封螺纹都有一个扭矩止动台阶，在油管上扣时有一个明显的扭矩变化指示（图2-2-8）。

各种特殊螺纹扣型和密封性能及使用条件见图2-2-9。

金属对金属密封螺纹有很多类型。

最常用的有V AM 系列中的New V AM ，其次有Hydril ，NK —3SB ，，Fox 等。

三、API 油管试压计算公式
(2-2-1) 式中 p ——试验压和，Mpa ；
бAPI ——油管的屈服压力，Mpa ； t ——油管壁厚，mm ；
D ——油管外径，mm 。

各种API油管的式压标准详见附表表2-2-9至2-2-15。

表2-2-9 API油管试压标准（H40）
注：标准试验压力列于常规栏中，选择试验压力列在括号内，下同。

表2-2-10 API油管试压标准（J55）。