油氣田用套管質量抽檢方案設計

郭建華1,王毛毛,文春宇1,李大朋,伍 葳1,王修云,陳迎鋒

(1. 西南油氣田分公司 工程技術研究院，成都 610031； 2. 安科工程技術研究院(北京)有限公司，北京 100083)

套管是重要的石油物資，其產品質量嚴重影響著油氣井的生產安全，尤其是應用于含H2S工況的抗硫套管。近年來，隨著油氣田的深入開發，日益苛刻的井下環境對于套管的質量提出了更高的要求。如果帶有缺陷的套管入井，在建井或生產階段發生失效，不僅會對經濟產生巨大的損失，對自然環境造成污染，而且會嚴重危及現場工作人員的人身安全。李超等[1]統計了中國石油集團石油管工程技術研究院在2007至2011年間完成的34起套管和油管的失效分析項目，發現由產品質量造成的失效問題約占到所有失效的60%。因此，有必要針對套管建立系統的抽檢方案，并對采購的套管進行嚴格抽檢，避免因產品質量不合格導致套管失效問題再次發生。

目前，國內各大油田對于油套管的抽檢一般是按照固定比例抽樣，而后參照中國石油天然氣集團公司企業標準Q/SY 1135-2013《產品質量監督抽查規范》中有關抽樣的規定進行抽查，抽檢項目主要包括無損檢測、理化試驗、螺紋參數、幾何尺寸、外觀質量等。對于固定比例抽樣方法，劉猛等[2]結合煤層氣公司近年來關于油套管的檢測結果與實際發展需求，對此固定比例的抽檢方案進行了優化，建立了一套基于概率論與數理統計的統計抽樣方案。張蕾等[3]在介紹石油管質量監督抽檢時，也建議選用統計抽樣的方法。然而，很少有公開資料或文獻針對套管抽檢問題進行系統分析，提出包括抽樣方案、檢測項目、檢測方法及結果處理在內的詳細抽檢方案。為此，本工作在分析國內套管失效原因的基礎上，明確了生產環節中引起套管失效的冶金、制造與加工缺陷類型，提出了需要檢測的關鍵參量。結合標準與產品技術要求，提出了套管的抽樣方案、檢測方法與結果處理方法，建立了全面而系統的抽檢方案。

1 套管失效情況分析

對于1995年以來報道的套管失效案例進行統計，共計29個案例，失效類型的統計結果如圖1所示。由圖1可知，套管失效的類型可以分為：(1) 斷裂，如爆裂、開裂、疲勞斷裂等；(2) 變形，如黏扣；(3) 磨損，如脫扣；(4) 腐蝕；(5) 螺紋泄漏等五類。其中，主要的失效類型為斷裂、變形，分別為15個案例與7個案例。由失效位置來看，斷裂失效的位置主要發生在套管本體位置。圖2為29個失效案例的失效原因統計。由圖2可知，導致套管失效的原因主要是產品質量不合格、現場操作不規范或者井下服役工況惡劣。其中，單純因產品質量問題導致套管在抽檢或服役過程中發生失效的有16個案例，占失效案例的55%；其次,由現場操作不規范導致的失效有10個案例，占失效案例的34%。在上述失效案例中，套管質量問題主要包括化學成分不均勻，晶粒粗大，組織分布不均及存在折疊等缺陷。而李金平[4]在分析油氣田建井期間發現的油套管缺陷及其導致的失效案例時，也指出油套管在冶金、制造、機加工等生產過程中產生的缺陷會影響套管的各項性能如力學性能、耐腐蝕性能，導致其在建井或服役期間發生失效。此外，套管質量也包括螺紋加工質量，有資料表明86%套管柱失效出現在螺紋連接處[5]。

圖1 套管失效類型統計Fig. 1 Statistics for failure type of casing

圖2 套管失效原因統計Fig. 2 Statistics for failure reasons of casing

因此，在對套管進行抽檢時，應著重關注其外觀質量、螺紋參數及理化性能，如化學成分、顯微組織、晶粒尺寸、夾雜情況、沖擊性能、拉伸性能及硬度。而對于抗硫套管來說，還需要對其抗硫化物應力腐蝕開裂性能進行測試。

2 套管質量抽檢方案設計

2.1 抽樣標準選取

對于套管的抽樣，一般采用固定比例抽樣的方法，按照總批數的5%進行抽樣。該抽樣方案雖簡單，易操作，但存在大批嚴、小批寬的缺點。相比于固定比例抽樣，統計抽樣方法是一種基于概率論與數理統計的抽樣方法，可有效減少人為偏見，在抽樣前即可量化油套管制造企業與用戶的風險，并運用概率論對樣本結果進行推斷，評價總體特征，所得到的檢測結論具有科學依據[5]。目前，該方法已逐漸發展成熟，并形成了相應的抽樣標準GB/T 2828《計數抽樣檢驗程序》系列標準。該標準包括多個部分。其中，GB/T 2828.1-2012《計數抽樣檢驗程序 第1部分：按接收質量限(AQL)檢索的逐批檢驗抽樣計劃》與GB/T 2828.5-2008《計數抽樣檢驗程序 第5部分：按接收質量限(AQL)檢索的逐批序貫抽樣檢驗系統》多用于連續批的抽樣，不同的是GB/T 2828.5-2008較適合于檢驗產品質量高但檢測樣本少的產品，而且實際操作困難。GB/T 2828.2-2008《計數抽樣檢驗程序 第2部分：按極限質量(LQ)檢索的孤立批檢驗抽樣方案》與GB/T 2828.4-2008《計數抽樣檢驗程序 第4部分：聲稱質量水平的評定程序》適合于孤立批的抽樣，GB/T 2828.3-2008《計數抽樣檢驗程序 第3部分：跳批抽樣程序》為跳批抽檢高質量產品的抽樣方法，會加大使用方的風險。

在選取抽樣標準時，應充分考慮套管的生產流程、供貨方式與抽檢目的。對于套管來說，從原材料到成品都有一套可追溯的程序，在用戶按照套管重量訂貨時，套管制造企業通常是將某一連續生產周期內生產的套管向用戶發貨。各油田分公司每年都會按照需求，從中國石油天然氣集團公司規定的廠家采購大量不同規格的套管。因此，在年度抽檢時，每批次套管可作為連續批看待，建議選用GB/T 2828.1-2012作為套管抽樣標準。該標準給出了不同的抽樣方式，規定了正常、放寬、加嚴轉移規則。在檢測水平方面，推薦了特殊檢驗水平與一般檢驗水平。特殊檢驗水平分為四個等級(S-1、S-2、S-3、S-4)，一般檢驗水平分為三個等級(I、II、III)，等級越高，要求的樣本數量越大。在是否接收方面，規定了接收質量限(AQL)，即當一個連續系列批被提交驗收抽樣時，可容忍的最差過程平均質量水平。根據 GB/T 2828.1-2012標準，AQL值越小，所要求的過程平均質量水平越高。

2.2 抽樣方案選取

考慮到現場抽樣條件及檢測費用，建議采用一次正常抽樣方式，外觀質量、螺紋參數等非破壞性檢測項目按照一般檢驗水平，抗應力腐蝕破裂(SSC)性能、力學性能等破壞性檢測項目按照特殊檢驗水平進行抽檢。檢驗水平的等級則由各油田分公司相關負責部門依據所期望的質量要求及歷年來的抽檢結果來確定。確定檢驗水平后，根據批量大小，從GB/T 2828.1-2012標準中的表1中查找對應的樣本量字碼。使用AQL和樣本量字碼從正常檢驗一次抽檢方案表中檢索抽樣方案即可，但各檢測項目對套管服役性能的影響不同，AQL取值也應有所不同。SN/T 0820-2011《進出口石油套管、油管檢驗規程》標準中將不符合規定的極重要質量特性歸為A類不合格，包括套管管體或管端螺紋的裂紋、折疊等軋制缺陷，全頂螺紋(牙頂完整，且無黑頂螺紋)最小長度Lc之內的黑扣、斷扣，嚴重的損傷、撕破，理化性能不合格以及緊密距、螺紋單項參數和J值(擰緊狀態下管端到接箍中心面的距離)超差等；將不符合規定的重要質量特性歸為B類不合格，包括Lc以外的管子螺紋部分的損傷、斷扣、黑扣、畸形扣、管端變形等；將不符合規定的一般質量特性歸為C類不合格，包括管子公稱壁厚5%～12.5%的表面缺陷、管端倒角不良、毛刺、管體和螺紋的銹蝕等。針對于A類不合格，應選取較小的AQL值。對于B類不合格，其AQL取值應比A類不合格大,但比C類不合格小，具體的取值應適合特定情況的質量要求。

基于所確定的樣本量字碼和一組AQL值組合，可從正常檢驗一次抽檢方案表中檢索抽樣方案。如無相應的抽樣方案可用，應使用表中箭頭所指的接收數和拒收數所在行的樣品量字碼，此時應按新的樣本量字碼對應的樣本量進行抽樣。如果由不同類別的不合格導致不同的樣本量，此時所有類別的不合格可使用所得到的最大樣本量進行抽樣，并根據其對應的樣本量字碼檢索抽樣方案[6-7]。

2.3 檢測方法的選取

在對包括外觀質量、螺紋參數與理化性能(化學成分、顯微組織、晶粒尺寸、夾雜情況、沖擊性能、拉伸性能及硬度)等項目進行檢測時，可參照API Spec 5CT-2011《套管和油管規范》標準中給出的相關推薦方法來進行，具體如表1所示。對于沖擊測試，應盡量取橫向全尺寸試樣。當不可能取全尺寸橫向試樣時，應盡可能采用大尺寸的橫向試樣。若不能采用任一尺寸的橫向試樣時，則應盡可能采用大尺寸的縱向試樣。

表1 套管質量檢測方法Tab. 1 Test methods of casing quality

對于抗硫化物應力腐蝕開裂性能評價試驗，ANSI/NACE TM 0177-2005《H2S環境中金屬抗硫化物應力開裂和應力腐蝕開裂的室內試驗》標準中推薦了單軸拉伸試驗(A法)、彎梁法(B法)、C型環試驗(C法)、雙懸臂梁試驗(DCB，D法)等四種試驗方法。對于套管產品，考慮到C法具有試樣尺寸大、加載困難等缺點，API Spec 5CT-2011標準僅推薦采用A法、B法及D法，但要求使用ANSI/NACE TM0177-2005《試驗方法標準 金屬抗硫化物應力開裂和H2S環境中應力腐蝕開裂的試驗室試驗方法》標準規定的試驗溶液A。此外，針對于C110鋼套管，給出了D法的替代試驗溶液(NACE TM0177-2005標準規定的試驗溶液D)。標準ANSI/NACE MR0175/ISO 15156-2-2015《石油和天然氣工業-油氣開采中用于H2S環境的材料 第2部分：抗開裂碳鋼和低合金鋼及鑄鐵的使用》中推薦了A法、FPB法(四點彎，屬于B法)、C法、D法，并將碳鋼和低合金鋼發生SSC的嚴重程度劃分了四個區域(0區、1區、2區、3區)，規定對于特殊的應用或SSC 1區或SSC 2區，選用D溶液；對于所有的SSC區域，選用A溶液。對于應用于SSC 3區域的套管，只要套管成形時經淬火加回火處理，硬度不超過30 HRC，名義屈服強度等級為690、720、760 MPa是可接受的，但要求采用A法開展評價試驗來確定其抗SSC性能。最新版的ANSI/NACE TM0177-2016《金屬在H2S環境中抗硫化物應力開裂和應力腐蝕開裂的實驗室試驗的標準試驗方法》中明確規定D溶液可以用于高強度鋼的抗SSC性能評價試驗，比如C110鋼套管。同時，D溶液可用于A法、C法和D法。綜上可知，可選用A法、B法、D法，模擬A溶液或D溶液開展抗硫化物應力腐蝕開裂評價試驗。其中，B法采用恒應變加載方式，試樣結構簡單緊湊，適用于大批量試樣同時開展試驗，但由裂紋引起的應力松弛可能造成裂紋擴展停止，導致裂紋擴展情況觀測困難[8-9]。WU等[10]在研究環境因素對冷加工高碳鋼耐應力腐蝕開裂性能影響的過程中，發現在含H2S(0.019 mol/L，pH=2.4)的NaCl溶液中，當三點彎試樣載荷大于四點彎試樣載荷時，其斷裂時間仍較四點彎試樣的長。IKEDA等[13]采用不同SSC評價方法研究碳鋼與低合金鋼的開裂敏感性時，發現在相同的載荷作用下，A法得到的臨界應力強度值低于四點彎方法得到的。以上研究結果說明，A法的評價結果較B法的更為保守。D法忽略了裂紋的起源過程，主要用于測量金屬材料抗裂紋擴展能力，是一種開裂-停止型的斷裂力學試驗，且試驗用雙懸臂梁試樣對加工精度要求極高，試驗后處理困難。因此，推薦選用A法作為套管抗硫化物應力腐蝕開裂性能的評價方法，可根據需求選用A溶液或D溶液作為試驗溶液。

2.4 檢測結果處理

在驗收評定時，以檢測項目是否滿足標準API Spec 5CT-2011或產品技術要求書的規定為判據，判定檢測的樣品是否合格。對于某一檢測項目，批套管的接收準則為：當樣本中檢測出的不合格產品數d≤接收數Ac時，接收該批套管。但檢測出的不合格產品必須返工或以合格品替換；若檢測出的不合格產品數d≥拒收數Re時，則拒收該批套管。將上述結果及時通知負責部門，若需再檢驗，建議負責部門選用正常檢驗的流程，且只針對初次檢驗造成批不接收的特定類型進行檢驗。再檢測前，應確認廠家已剔除所有不合格品或以合格品替換。經再檢驗后，若發現檢測出的不合格產品數d≤Ac，則接收該批套管。但檢測出的不合格產品必須返工或以合格品替換；若檢測出的不合格產品數d≥Re時，則拒絕接收該批套管。

2.5 抽檢方案設計

通過上述分析與篩選，確定了選用GB/T 2828.1-2012作為套管抽樣標準。結合不同抽樣方式的便捷性與不同檢測項目對套管服役性能的影響，建議選取一次抽樣、不同檢測項目、不同檢驗水平及AQL值的抽樣方案。此外，規定了至少對包括外觀質量、螺紋參數、抗硫化物應力腐蝕開裂性能與理化性能(化學成分、顯微組織、晶粒尺寸、夾雜情況、沖擊性能、拉伸性能及硬度)等項目進行檢測。檢測時，參照表1中給出的檢測方法進行測試，并按照檢測結果處理方法確定接收或者拒收該批套管。基于以上內容，形成了一套較為完善的套管抽檢方案，如圖3所示。

圖3 套管質量抽檢方案Fig. 3 The quality sampling and inspection program for casing

3 結論與建議

在油氣生產過程中，保證套管產品質量對于油氣井的安全生產至關重要。通過開展抽樣檢查能夠迫使制造商提高產品質量，避免不合格產品進入井下服役，降低套管的失效概率，保證油氣井的正常生產。因此，建議套管用戶在抽檢時，結合自身質量需求及歷年檢測結果，針對不同檢驗項目選取不同的檢驗水平與AQL取值，按照一次正常抽樣的方式在GB/T 2828.1-2012標準中檢索抽樣方案。根據抽樣方案，進行隨機抽樣，并參照推薦的檢測方法對關鍵性能指標進行檢驗。以檢測項目是否滿足標準API Spec 5CT-2011或產品技術要求書的規定為判據，判定檢測的產品是否合格，并根據批接收準則，判定是接收還是拒收。