我國油井管國產化技術進展及展望

馮耀榮，李鶴林，韓禮紅，張忠鏵，張傳友，成海濤，白真權，田研，石曉霞，謝俊峰，樂宏，鄭明科

1 中國石油集團工程材料研究院石油管材及裝備材料服役行為與結構安全國家重點實驗室，西安 710077

2 寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900

3 天津鋼管制造有限公司，天津 300301

4 攀鋼集團成都鋼釩有限公司，成都 610300

5 衡陽華菱鋼管有限公司，衡陽 421001

6 內蒙古包鋼鋼聯股份有限公司，包頭 014010

7 中國石油天然氣股份有限公司塔里木油田分公司，庫爾勒 841000

8 中國石油天然氣股份有限公司西南油氣田分公司，成都 610031

9 中國石油天然氣股份有限公司長慶油田分公司，西安 710016

0 引言

油井管包括鉆柱構件、套管和油管等，通過專用螺紋連接形成鉆柱、套管柱和油管柱。鉆柱是油氣開發的主要工具，套管柱和油管柱則是封隔地層和開采油氣的唯一通道[1]。套管壽命決定油氣井壽命，從而決定油氣田的壽命。我國年生產油氣約3.5 億t，年均消耗油井管約350 萬t，耗資約250 億元[2]。國內外油井管普遍采用美國石油學會(API)標準進行生產。上世紀90 年代前，受生產能力和技術水平所限，我國只能生產少部分API標準H40～N80 低端油套管，進口量高達90%，而鉆柱構件基本依靠進口，成為制約我國油氣工業發展的瓶頸。早期的API標準主要解決油井管產品互換性和最基本的性能要求，質量性能指標要求十分寬泛，缺乏韌性等關鍵技術指標，產品性能和質量水平較低，油井管使用過程中大量失效[3-9]，不但產生巨大的經濟損失和社會影響，而且嚴重影響油氣田的勘探開發和正常生產。我國油氣井工況十分復雜，最深近9000 m，井下溫度逾200 ℃，壓力高達150 MPa，并常伴隨CO2、H2S、Cl-等復雜腐蝕介質及山前構造、鹽膏層等地質環境，對油井管的性能質量和安全可靠性要求很高。德國、法國、日本、美國等發達國家的制造商已形成系列化API和非API標準油井管產品，并壟斷了國內市場。為滿足我國石油工業發展對油井管的巨大需求，迫切需要開展油井管國產化關鍵核心技術攻關，全面提升我國油井管的技術水平和生產能力，建立與之相應的技術支撐體系，實現油井管的全面國產化，為國家油氣能源安全提供保障，促進冶金、制造等相關產業發展。

為此，從1985 年開始，原石油工業部和冶金工業部聯合立項，在寶鋼引進Φ140 無縫鋼管生產線，專項投資新建天津鋼管公司，引進全規格生產線。特別建立石油工業部石油專用管質量監督檢驗測試中心和石油管工程重點實驗室，正式啟動我國油井管的國產化工作[10]，冶金和石油兩大部門聯合開展油井管國產化關鍵核心技術攻關、應用基礎與工程應用研究、質量基礎設施(計量、標準、認證認可、檢驗檢測)體系建設。經過石油工業和冶金工業三十余年的艱苦努力，基本實現油井管的全面國產化與規模化工業應用并大量出口，取得一系列重大成果，進入國際領跑者行列。總結我國油井管國產化的成功經驗，對我國油氣工業和冶金、制造工業持續發展具有重要意義。

1 我國油井管國產化的理論技術體系

從油井管的失效分析入手，闡明失效模式，揭示油井管在不同力學和環境條件下的失效機理和原因，建立失效判據，提出與之對應的關鍵技術指標要求及檢測評價方法，制定技術標準，揭示材料成分、顯微組織、結構尺寸、性能包括服役性能和安全可靠性之間的關系，從而通過優化成分設計和制造工藝對油井管的組織和性能進行綜合調控(見圖1)，是油井管國產化的一條成功經驗。

1.1 創立了“石油管工程”新學科，建立了石油管工程重點實驗室，為油井管國產化及工業化應用奠定了基礎

創立了“石油管工程”新學科[2，10-13]。“石油管工程”致力于研究不同服役條件下石油管的失效規律、機理及克服失效的途徑，是材料科學與工程、冶金工程、機械工程、力學、化學、安全科學與技術、石油天然氣工程、計算機科學與技術、標準化與計量測試技術等多學科交叉的邊緣學科，它把相關學科的理論成果和最新技術盡可能地運用于石油管從設計生產制造到使用的全生命周期，最大限度保障石油管的質量性能、安全可靠性和使用壽命，并有效控制失效風險，降低油氣工業成本。其主要技術領域包括石油管的力學行為、環境行為、材料服役性能與其成分/組織/結構/性能/工藝的關系、失效控制及預測預防(見圖1)。提出從服役條件出發，研究石油管的力學行為、環境行為和兩者的耦合，為油井管關鍵技術指標的建立和標準制訂提供了基本思路和方法，并使關鍵技術指標和標準的建立更加科學和嚴密；提出研究材料成分/組織/結構/性能(含服役性能)/工藝的關系，為油井管產品設計研發制造和質量性能綜合調控奠定堅實基礎，使其服役性能切實滿足特定服役工況需求；提出研究石油管的失效控制與預測預防，為確保油井管全生命周期的安全可靠性和完整性提供了思路和方法。“石油管工程”為油井管全面國產化提供了基本遵循。

圖1 石油管工程學科體系Fig. 1 System of petroleum tubular goods engineering

與此同時，創建了“石油管材及裝備材料服役行為與結構安全國家重點實驗室”和“中國石油天然氣集團公司石油管工程重點實驗室”[2，10，13]，構成石油管工程和油井管國產化技術創新體系的重要組成部分。

1.2 研究揭示了復雜工況油井管服役行為規律與機理，建立了油井管失效判據、關鍵性能指標和標準，在油井管設計制造、性能質量控制、安全使用中發揮了重要作用

1) 研究提出不同鋼級鉆桿的韌性要求(見圖2)[14-15]，獲得飽和硫化氫環境 下鉆桿材料的韌性損失規律(見圖3)[16]，在國際上首次建立了含損傷缺陷鉆桿的適用性評價方法[17-18]，研制修訂3 項國家和行業標準，其中抗硫鉆桿關鍵技術指標及要求全面修訂ISO 11961 國際標準，有效控制了鉆桿的脆性斷裂、疲勞和腐蝕疲勞及應力腐蝕失效。

圖2 鉆桿韌性要求Fig. 2 Toughness requirement of drill pipe

圖3 抗硫鉆桿韌性損失規律Fig. 3 Toughness loss law of sulfur-resistant drill pipe

2) 建立了套管強韌性匹配計算方法，提出高強度套管材料韌性要求[19-21]，首次提出高抗擠套管分級方法和關鍵技術指標要求(見圖4)[22-24]，首次建立了稠油蒸汽熱采井套管應變設計和評價準則(見圖5)[18，25-26]，形成3 項國家、行業和企業標準，其中高抗擠套管標準納入ISO 11960 標準，有效控制了高強度套管脆性斷裂、外壓擠毀和熱變形失效。

圖4 140ksi鋼級套管韌性要求Fig. 4 Toughness requirement of 140ksi steel casing

圖5 熱采套管柱應變設計方法Fig. 5 Strain-based design method of thermal recovery casing string

3) 系統研究揭示了油套管的腐蝕失效規律與機理，提出失效控制方法[12，18，27-29]。建立了油套管材料CO2腐蝕速率預測新模型，預測精度達到95%以上；建立了基于全生命周期的高溫高壓氣井油套管腐蝕評價和選材方法，構建了高溫高壓氣井油管選材圖，形成耐蝕合金油套管選用行業標準；研發了超級13Cr油管應力腐蝕斷裂控制技術，以低開裂敏感的甲酸鹽完井液體系替代磷酸鹽完井液體系，2015 年以來在塔里木油田應用超過50 口井，至今未出現環空帶壓或油管柱腐蝕斷裂失效。

4) 建立了特殊螺紋油套管的密封準則、密封可靠性計算與評價方法，構建了套管柱失效概率和安全可靠性計算與評價方法[13，18，29-32]，制定了2 項行業標準；在系統總結高溫高壓及高含硫氣井油套管柱研究成果和實踐經驗的基礎上，制定了《油氣井管柱完整性管理》行業標準和相關管理規范[33-36]，在塔里木油田應用后井完整性從70%提高到79%。

2 我國油井管國產化技術與產品體系

為滿足復雜深層、嚴酷腐蝕環境、非常規油氣開發、特殊結構井和特殊工藝井、大排量高壓力強腐蝕多次酸化壓裂增產改造等工藝技術的需求，在全面實現API標準油井管產品國產化的同時，必須研發滿足上述工況需求的非API鋼級、非API螺紋結構、非API規格的系列油井管技術和產品。在國家相關科技計劃的支持下，冶金和石油兩大系統聯合攻關，構建了我國油井管合金化成分和組織控制體系，揭示了不同合金體系材料的強韌化與耐腐蝕機理與規律，發明了50多個油井管產品新鋼種，建成20 余條油井管專用生產線，研發了高端產品制造關鍵技術，解決了復雜工況油井管高純凈度、低偏析、高尺寸精度、窄幅性能控制等關鍵技術難題，實現油井管全面國產化與工業化應用，年產量達500 萬t，覆蓋10 大類高端產品[37-87]，整體技術和能力達到國際先進水平，部分技術處于國際領先地位。

2.1 構建了我國油井管合金化成分和組織控制體系

1）首次提出“非晶態腐蝕產物膜控制”理論，開發出36MnCrVNbN、20Cr3MoCuNi、1Cr13NiMo等新鋼種，解決了不同CO2環境經濟合理選材問題，填補國內外空白。

2）運用“電子空位數”理論，攻克了奧氏體合金有害相析出控制難題，解決了我國高酸性氣田開發用鎳基合金材料“卡脖子”問題。

3）通過析出相控制、細晶強化和高屈強比合金設計，開發出20CrMoNbTiB、28CrMoTi、30CrMoNbTi、20MnMoTi、25CrMoV等新鋼種，開發了高抗硫、高強高韌、高強抗擠毀、耐熱油井管等新產品，技術指標國際領先，其中C110 抗硫油套管硬度比國際同類產品降低2～3 HRC，140-155 ksi高強油井管橫向沖擊韌性達到10%屈服強度要求，160 ksi超高強度抗擠套管晶粒度由常規套管7-8 級細化到10 級以上，抗擠強度超出API標準50%以上。

2.2 開發了高端油井管產品制造關鍵技術

1) 自主開發了高合金管材超高純凈度、夾雜物和偏析控制等核心工藝技術，有害析出相控制在0.3%以下，遠高于1%的標準要求，確保了抗腐蝕性能要求。

2) 開發了低合金油井管超高純凈鋼冶煉和低缺陷管坯連鑄技術，有害元素S、P、O含量分別達到7 ppm、56 ppm、14 ppm (見圖6)，遠優于國際上同類產品。

圖6 油井管材的S、P、O雜質元素控制統計值Fig. 6 Statistical values of S， P and O elements of OCTG

3) 開發了高抗擠套管專用軋制孔型，高抗擠套管壁厚精度達到±5%～7%，較API標準要求提高40%以上。

4) 開發了258 PQF、460 PQF和508 PQF等大口徑三輥連軋機組以及488 mm和554 mm軋管孔型，生產效率提高了23%；開發了軋管工藝及配套工模具，毛管擴徑率達到45%以上，軋制生產效率提高30%以上。

5) 自主開發出新一代鋼管離線控制冷卻裝備，可實現冷卻分級自動控制，大幅提升冷卻均勻性和冷卻強度，產品淬火硬度提升8%以上，整管強度均勻性波動不大于25 MPa。

2.3 開發了系列化特殊螺紋連接油套管，覆蓋主要復雜氣井工況

1) 基于金屬—金屬密封、變角度承載螺紋和扭矩臺肩結構優化，開發了具有優良結構和密封完整性的BGT2、TP-CQ、TP-G2 等12 種氣密封特殊螺紋油套管產品，滿足了塔里木、西南等超深高溫高壓氣井需要，應用超過100 萬t。

2) 首創一種經濟型氣密封特殊扣BG-PC/BG-PT，創新性地采用螺紋密封設計，實現內外螺紋完全嚙合，消除了螺紋間隙所產生的泄漏通道，氣密封性能達到70 MPa，免除了密封面加工，降低了制造成本。

3) 設計研發了既安全又經濟的水平氣井用新型特殊螺紋套管及制備技術，滿足了4200 m 深、彎曲狗腿度20°/30 m、液體壓裂內壓90 MPa、氣體生產壓力50 MPa、150 ℃ 水平井壓裂改造和生產井工況下螺紋連接的強度和密封可靠性。該特殊螺紋套管在長慶、延長、新疆等油氣田應用超過15 萬t。

4) 開發了“API 長圓螺紋套管+CATTS101 高級螺紋密封脂”套管柱技術，在長慶蘇里格氣田直井應用超過10 000 口井，在保證套管柱使用安全的前提下，套管成本降低了20%～30%。

3 我國油井管國產化技術支撐體系

全面實現我國油井管的國產化，除政府支持外，還必須構建強大的技術支撐體系。油井管國產化的技術支撐，主要依靠我國油井管質量基礎設施來實現，包括石油專用螺紋計量、油井管標準化、認證認可、檢驗檢測等。在石油專用螺紋計量方面，建立了國家石油螺紋參量計量基準裝置，并實現了與國際接軌；建立了石油工業專用螺紋量規計量站，輻射全部油井管制造商及用戶。在油井管標準化方面，建立了涵蓋通用基礎、設計與選材、產品制造、檢驗與試驗、使用與維護、失效分析與完整性的油井管全壽命周期標準體系(見圖7)[88-100]，涵蓋典型工況的10 大類產品共91 項標準，其中自主制定80 項，標準體系中抗硫鉆桿、熱采套管、高抗擠套管核心標準填補了國內外空白。在油井管認證認可方面，除API油井管產品會標使用權認證外，建立了石油管材認可機構、CNAS認可實驗室、檢查機構、鑒定評審機構，對相關認證機構進行認可，對油井管產品、相關服務、管理體系進行認證；在檢驗檢測方面，建立了國家石油管材質量監督檢驗中心、型式試驗機構，開展油井管產品、服務、管理體系認證相關的檢驗檢測；同時，建立了油井管生產廠出廠檢驗、國家或行業質量監督抽檢、駐廠質量監督(設備監理)、用戶驗收檢驗等技術與管理體系。

圖7 我國油井管產品與技術標準體系Fig. 7 The standard and system of OCTG products and technology in China

為支撐認證認可工作，除對油井管產品化學成分、力學性能、結構尺寸進行檢驗檢測外，還要對油井管的服役性能如油井管在不同服役條件下的性能(如一次斷裂抗力、應力腐蝕、疲勞或腐蝕疲勞、螺紋連接的結構完整性和密封完整性等)進行檢測評價。相應地，建立了復雜力學與環境條件下油井管全尺寸試驗平臺和系統的評價方法[29]，涵蓋12 臺(套)能夠模擬油井管服役條件的實物試驗系統，覆蓋國內主要油氣井工況，其中實物應力腐蝕試驗系統和非常規油氣井筒模擬試驗系統及試驗評價技術為國際領先。

4 結語及展望

綜述了我國油井管國產化理論技術體系、油井管技術與產品體系、技術支撐體系等方面的主要進展。

1) “石油管工程”新學科的創立，形成我國油井管國產化的理論技術體系，為油井管國產化及工業化應用奠定了基礎。

2) 從油井管的失效分析入手，闡明失效模式，揭示油井管在不同力學和環境條件下的失效機理和原因，建立失效判據，提出與之對應的關鍵技術指標要求及檢測評價方法，制定技術標準，揭示材料成分、顯微組織、結構形狀、性能包括服役性能和安全可靠性之間的關系，從而通過優化成分設計和制造工藝對油井管的組織和性能進行綜合調控，是油井管國產化的一條成功經驗。

3) 形成我國油井管國產化技術與產品體系。構建了我國油井管合金化成分和組織控制體系，揭示了不同合金體系材料的強韌化與耐腐蝕機理與規律，發明了50 多個油井管產品新鋼種，建成20 余條油井管專用生產線，研發了高端產品制造關鍵技術，解決了復雜工況油井管高純凈度、低偏析、高尺寸精度、窄幅性能控制等關鍵技術難題，實現油井管全面國產化與工業化應用并大批量出口，年產量達500 萬t，覆蓋10 大類高端產品，整體技術和能力達到國際先進水平，部分技術處于國際領先地位。

4) 形成我國油井管質量基礎設施，包括石油專用螺紋計量、油井管標準化、認證認可、檢驗檢測等4個方面，有效支撐了油井管的國產化和大批量工業化應用。

5) 面對我國油氣工業發展的新形勢和新挑戰，特別是超深、非常規、海洋油氣開發、煤炭地下氣化、頁巖油原位轉化、天然氣水合物等復雜力學—化學工況條件，油氣井長期安全可靠與經濟生產，以及油氣開發與大數據和人工智能融合發展需求，在全面實現油井管國產化的基礎上，進一步提升油井管產品的質量可靠性，持續完善耐蝕合金油套管、特殊螺紋連接油套管、連續管、可膨脹套管、超高強度高抗扭鉆桿、鋁合金/鈦合金鉆桿、經濟型油井管等技術和產品系列，開發超高溫高壓強腐蝕環境特種油井管、雙金屬油井管、復合材料油井管、智能油井管技術和產品，持續創新，實現我國油井管關鍵核心技術自立自強，支撐保障油氣工業健康發展，引領油氣工業和相關產業技術進步。