從頁巖氣井用套管淺談API Spec 5CT/ISO 11960的發展

張宏英

北京石油機械有限公司 （北京 102206）

美國石油學會（API）是美國石油天然氣行業最大的貿易聯合會，負責石油和天然氣工業的標準化工作，其中近400 家公司成員覆蓋了石油和天然氣勘探、生產、運輸、提煉和銷售的所有領域。1924 年API制定了第一個標準，現已擁有約700項石油和天然氣方面的標準。1996年我國根據API Spec 5CTM—1995《Specification for casing and tubing》(metric units)編寫了SY/T 6194—1996《套管和油管》；2003 年等同采用ISO 11960：2001（API Spec 5CT第7版），修訂了行業標準SY/T 6194—2003；接著行業標準升級為國家標準GB/T 19830—2005。之后基本上遵循了API規范改版，ISO 標準等同采用API規范，API再與ISO共享標準內容，中國國家標準等同采用ISO標準的交替修訂模式。目前，ISO 11960、API 5CT、GB/T 19830 三部標準內容一致，源頭均為API Spec 5CT。對應的，我國現行標準為GB/T 19830—2017/ISO 11960:2014，該標準是基于API 5CT第9版（2011 年7月）翻譯制定的，于 2017 年 5 月 12 日發布，2017 年12 月 1 日起實施。2018 年 6 月，API 5CT 第 10 版發布，已于2019年7月1日起生效[1-8]。

1 標準的發展及改版影響

縱觀API Spec 5CT 的發展，標準誕生前期保持獨立且修訂頻次較高。進入21世紀以來，隨著經濟貿易全球化，API 與ISO 間的合作進入蜜月期，二者之間互相等同引用，吸收彼此的技術修訂成果，取得了很大的技術進步。API Spec 5CT 標準的發展簡況詳見表1[1-8]。

第10 版API 5CT 標準錯誤較多，除了一般編輯性錯誤，更有大的技術性紕漏。API 官方于2018 年12 月、2019 年 5 月先后 2 次發布勘誤通知。相比于以前版本，修訂主要體現在材料、鋼級、熱處理、試驗檢驗方法等方面，最新版修訂了114.3 mm、127 mm、139.7mm（412″、5″、512″）等3種規格套管的接箍尺寸，表2（即原標準表C.32 API 圓螺紋套管接箍尺寸、公差和質量）及表3（即原標準表C.33 API 偏梯形螺紋套管接箍尺寸、公差和質量），就標準變化部分進行了對比。這是API Spec 5CT 誕生30 年來最為顯著的變化之一，具有里程碑意義。

由于以上變化是在最新版API Spec 5CT—2018中產生的，因而我國現行國家標準GB/T 19830—2017/ISO 11960:2014 尚未體現出以上變化。114.3 mm、127 mm、139.7 mm（412″、5″、512″）這 3 種套管作為API Spec 5CT 中最小規格的套管，一般用于油井生產套管。近年來，隨著頁巖氣、致密氣等非常規油氣的規模化勘探與開發，常規的API 套管螺紋已經不能滿足氣井生產的氣密封性需求。在頁巖氣井中，根據氣藏生產的特點，需要使用氣密封套管，對應螺紋類型種類多樣，基本上各大套管廠家均開發了自家特有的螺紋類型，具有抗拉強度高、密封壓力高的特點。表4列出了目前市場上幾種主流非標特殊螺紋套管的接箍尺寸[9-12]。從表4 可以看出，不同廠家接箍尺寸各不相同，同一廠家不同螺紋的接箍尺寸也不相同，其中美國USS 公司的套管接箍尺寸和API 5CT規范符合性最高。

表1 API Spec 5CT標準發展簡表

表2 圓螺紋套管接箍尺寸變化表

表3 偏梯形螺紋套管接箍尺寸變化表

表4 特殊螺紋套管接箍外徑統計表

API Spec 5CT 新版標準的主要變化還包括[6]：產品種類中增加了接箍材料，刪除了平端襯管；第2組產品中增加了C110 鋼級及其相關要求，將原第2 組中的C95 鋼級劃分至第1 組，改為R95 鋼級；在螺紋連接類型中刪除了直連型套管及其相關要求；修改了第1 組的熱處理要求；增加了R95 鋼級的校直要求；增加了C90 和T95 鋼級的統計拉伸試驗要求；修改了C90 和T95 鋼級的硫化物應力開裂試驗相關要求，補充了試樣要求、試驗無效、附加試驗等；修改了接箍、接箍毛坯、接箍材料和附件材料的長度要求；修改了試驗無效的規定；修改了M65、L80、C90、T95 鋼級的硬度試驗方法和硬度試驗機的周期檢查；增加了硬度試驗機和壓頭的驗證；修改了部分試驗和檢驗方法，如外觀檢驗、無損檢驗等；修改了接箍、短節的色標方法；增加了附錄K：ANSI-NACE TM0284—2003附錄C中H2S滴定程序的修改。

其中，套管接箍尺寸的增大，反映出了近年來油氣井對于小尺寸套管技術需求的提升。這些尺寸變化可能帶來的影響如下。

1）由于接箍外徑與套管外徑的差異，在接箍與套管的連接處產生了一個臺階，該臺階即為提升單根套管或整個套管柱的承載面。增大接箍尺寸，其直接的效果就是承載面寬度（b）的增加。API Spec 5CT—2018 新版標準中承載面寬度平均提高了81.49%，最高達到99.69%，有效增加了套管吊卡與套管接箍的接觸面積，降低了接觸表面應力，大大提高了套管柱提升的安全性。

2）套管接箍外徑增大后，提高了套管柱抗拉能力。API Spec 5CT—2018 新版標準中套管接箍截面面積平均提高了62.59%，最高達到73.87%，大大降低了套管柱在極限工況下受拉斷裂失效的風險。

3）由于套管接箍尺寸變大，給井眼環空也帶來了變化。根據統計，在套管接箍部分，環空面積平均減少9.13%，最高達到10.25%。因此在固井設計時應更新套管模型，精確建模，提高數值模擬的準確度。

4）在套管作業工具設計時，應充分考慮接箍尺寸變化帶來的風險。如氣（液）動套管卡瓦、卡盤通徑應留出足夠的間隙量，避免套管通過時的干涉風險。

2 小結與展望

新版API Spec 5CT—2018的變化是一個里程碑事件，這些變化將作為一個新的起點引領非標準套管標準化。同時，隨著油氣資源開采朝著“低、深、海、非”方向發展，特殊螺紋套管在油氣井中占比越來越高，其主要特征是抗拉伸、抗壓縮、抗扭曲、抗外擠、抗內壓、抗黏扣等綜合性能高。套管接箍作為特殊螺紋內螺紋的載體，其尺寸隨螺紋結構尺寸的變化而變化，這也是目前市場上各套管廠家接箍尺寸不同的主要緣由。目前，API Spec 5CT 中套管螺紋僅包含了圓螺紋（SC、LC）和偏梯形螺紋（BC），而作為市場份額較大的特殊螺紋尚沒有統一的標準規范，套管廠家各自為政。

面向未來，建議API Spec 5CT/ISO 11960將高強度、高鋼級（V150）套管納入到標準范圍內，同時對套管接箍的極限尺寸進行約束，為井身結構設計、固井設計及套管作業工具（裝備）的設計提供參考規范。