API套管抗內壓標準解析

滕學清，朱金智，呂拴錄，2，文志明，秦宏德，董 仁，王曉亮，馬 琰，徐永康，石桂軍

(1.塔里木油田公司 新疆 庫爾勒 841000；2.中國石油大學材料科學與工程系 北京 1022491)

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·標準化·

API套管抗內壓標準解析

滕學清1，朱金智1，呂拴錄1，2，文志明1，秦宏德1，董 仁1，王曉亮1，馬 琰1，徐永康1，石桂軍1

(1.塔里木油田公司 新疆 庫爾勒 841000；2.中國石油大學材料科學與工程系 北京 1022491)

對某油田在套管設計中的套管內屈服壓力理解方面遇到的問題進行了調查研究，對API關于套管水壓試驗壓力、套管內屈服壓力和套管內壓性能試驗等標準規定進行了解析，認為API規定的水壓試驗主要是檢查套管管體是否滲漏，并非檢查套管接頭密封性能。對套管內壓至失效試驗結果進行了分析，認為各項參數符合API標準的套管內屈服壓力遠遠高于API TR 5C3規定值，油田應當按照API TR 5C3規定的內屈服壓力進行套管柱設計, 而不是按照靜水壓試驗壓力進行套管柱設計。通過對API TR 5C3規定的套管內屈服壓力計算公式進行解析，對套管接箍失效事故進行調查研究，認為對套管接箍外壁進行機械加工有利于防止深井和超深井發生接箍失效事故。建議用戶對套管上扣所用螺紋脂、水壓試驗壓力和穩壓時間、套管內屈服強度等主要性能嚴格要求。

套管；靜水壓試驗；內屈服壓力；接箍

0 引 言

API標準規定了套管出廠之前的靜水壓試驗壓力和穩壓時間，規定了套管內屈服壓力。一般套管工廠都擁有套管水壓試驗設備，應嚴格按照API標準對套管逐根進行水壓試驗。套管密封能力是保證套管柱密封完整性的關鍵指標。為了保證套管柱密封性能，有些油田對到貨套管逐根進行了水壓試驗，但是入井套管柱卻多次發生泄漏事故[1]。API TR 5C3規定了套管內屈服壓力計算公式，可以通過對套管進行內壓至失效試驗來驗證套管內屈服壓力，由于受實驗設備和成本的影響，工廠并非對每種套管都抽樣進行內壓至失效試驗。大多數工廠是按照API TR 5C3規定為用戶提供給套管內屈服壓力的，但個別廠家提供的套管內屈服壓力實際是套管水壓試驗值，理由是水壓值是工廠經過驗證試驗的，比較可靠。如果按照套管內屈服壓力設計套管，無法保證套管柱密封完整性。油田按照工廠提供的內屈服壓力進行套管設計就遇到了如下問題：同一口井，如果按照工廠提供的水壓試驗壓力設計套管柱，套管抗內壓安全系數不足；如果按照API TR 5C3規定的套管內屈服壓力設計套管柱，套管抗內壓安全系數沒有問題。為此，廠家和油田各持己見，最終嚴重影響了油田正常的套管設計和使用。例如，某油田在進行365.13 mm×13.88 mm 110 BC套管設計時就遇到了如下問題。廠家提供的365.13 mm×13.88 mm 110 BC套管內屈服壓力為33.0 MPa，套管抗內壓安全系數為0.82，不符合設計要求(1.05-1.15)；按照API TR 5C3公式計算結果，365.13 mm×13.88 mm 110 BC套管內屈服壓力為46.3 MPa，套管抗內壓安全系數為1.14，符合設計要求(1.05-1.15)。

因此，解析API套管抗內壓標準，搞清套管抗內壓強度和水壓試驗的關系，對套管生產廠家和油田都非常重要。

1 API螺紋接頭套管密封性能

API套管螺紋接頭配合之后存在泄漏通道，靠螺紋脂填充螺旋通道來實現密封，如圖1所示。由于API圓螺紋接頭螺旋通道比偏梯形螺紋接頭螺旋通道小，所以API圓螺紋接頭密封性能比偏梯形螺紋接頭密封性能好?？紤]到API套管螺紋接頭配合之后的泄漏通道與螺紋加工精度有關，API Spec 5B《套管、油管和管線管螺紋加工、測量和檢驗》[2]對套管螺紋接頭參數、公差和檢驗方法做了嚴格規定。為了保證套管接頭上扣連接質量，API RP 5A3《套管、油管和管線管螺紋脂推薦做法》[3]對套管、油管和管線管螺紋脂的材料要求和檢驗方法等做了嚴格規定。API RP 5C1[4]對圓螺紋套管接頭上扣扭矩做了規定，API Spec 5B對套管接頭上扣位置做了規定。為了保證套管抗內壓性能，API Spec 5CT《套管和油管》[5]對套管水壓試驗做了具體規定,API TR 5C3規定了套管內屈服壓力值。為了檢驗套管密封等實物性能，API RP 5C5/ISO 13679《套管及油管螺紋接頭試驗程序》[6]規定了套管實物性能試驗方法。為了保證套管柱密封完整性，防止套管發生泄漏事故，應當嚴格執行API 相關標準。對于油田發生的套管泄漏事故，應當進行失效分析，找出真正原因。

圖1 API套管螺紋接頭配合示意圖(左圖為偏梯形螺紋，右圖為圓螺紋)

2 API套管抗內壓標準解析

2.1 套管水壓試驗壓力

API Spec 5CT規定靜水壓試驗目的是為了檢查套管管體是否滲漏，而并非檢查套管接頭是否滲漏。API Spec 5CT 10.12條規定如下：

每根管子都應在加厚(若適用)后和最終熱處理(若適用)后進行全長靜水壓試驗，至少在規定的靜水壓試驗壓力穩壓5s而不滲漏。此處規定的靜水壓試驗壓力是檢驗用試驗壓力，與工作壓力無關，不能作為設計依據。

API Spec 5CT附錄G.9對套管水壓試驗壓力規定如下：

1)平端管靜水壓試驗壓力按照(1)式計算

pm=2×f×YSm×tm/Dm

(1)

式中：

pm為靜水壓試驗壓力，MPa；

Dm為外徑，mm；

YSm為屈服強度，MPa；

tm為壁厚，mm；

f為取決于管子的規格和鋼級的系數(表1)。

2)接箍靜水壓試驗壓力按照(2)式計算

pm=0.8×YSm×(Wm-d1m)/Wm

(2)

式中：

pm為靜水壓試驗壓力，MPa；

Wm為接箍外徑，mm；

YSm為屈服強度，MPa；

d1m為機緊位置管端平面處接箍螺紋根部直徑，mm。

3)E1 或E7 平面處內壓泄漏抗力

圓螺紋接頭 E1 平面處和偏梯形螺紋套管E7 平面處內壓泄漏抗力按照(3)式計算：

PLRm=E×τ×N×P×[Wm 2-Es2] / [2×Es×Wm 2]

(3)

式中：

PLRm為E1 或E7 平面處內壓泄漏抗力，MPa；

Wm為接箍外徑，mm；

E為彈性模量，207 000 MPa；

Es為密封處中徑，mm，圓螺紋為E1，偏梯形螺紋為E7；

N為機緊圈數；

P為螺紋螺距，mm/螺紋牙；

τ為螺紋錐度，mm/25.4 mm。

4)帶螺紋和接箍管子的靜水壓試驗壓力

帶螺紋和接箍管子的靜水壓試驗壓力為下列的最低壓力：

平端管靜水壓試驗壓力；

接箍最大靜水壓試驗壓力；

E1或E7 平面處內壓泄漏抗力。

2.2 套管內屈服壓力

API套管內屈服壓力是按照薄壁管理論進行計算的，其中套管管體內屈服壓力考慮了壁厚公差，套管接箍內屈服壓力沒有考慮壁厚公差。API規定套管內屈服壓力的目的是為了檢查套管的抗內壓強度，故人們通常又將套管內屈服壓力稱之為抗內壓強度。通過水壓至失效試驗可以檢驗套管內屈服壓力。

API TR5C3(ISO10400)對套管內屈服壓力規定如下：

1)管體內屈服壓力

管體內屈服壓力P由公式(4)計算。公式(4)中出現的系數0.875是由于考慮使用最小壁厚。

(4)

式中：

P為最小內屈服壓力，MPa；

Yp為材料規定最小屈服強度，MPa；

t為公稱壁厚，mm；

D為公稱外徑，mm。

2)接箍內屈服壓力

除了避免由于接箍強度不足導致泄漏而需要較低壓力情況外，帶螺紋和接箍管子的內屈服壓力P與平端管相同。較低壓力則由公式(32)計算，并圓整到最接近的10 psi。

(5)

式中：

P為最小內屈服壓力，MPa；

Yc為接箍材料最小屈服強度，MPa；

W為接箍公稱外徑，mm；

d1為機緊狀態下與外螺紋端面對應處接箍螺紋根部的直徑，mm；

3)接箍式油套管內屈服壓力

接箍式油套管內屈服壓力取管體內屈服壓力[式(4)]和接箍內屈服壓力[式(5)]二者中的較低值。

3 套管靜水壓和內屈服壓力試驗結果

3.1 API 螺紋接頭套管

幾種API套管靜水壓和內屈服壓力試驗結果見表2。

試驗結果表明，實際套管靜水壓試驗值和內壓至失效試驗壓力遠遠高于API標準要求。這說明套管產品達到API TR 5C3規定的套管最小內屈服壓力沒有問題，油田應當按照API TR 5C3規定的最小內屈服壓力進行套管設計。

表2 幾種API套管靜水壓和內屈服壓力試驗結果

備注：(1)在內壓達到水壓試驗值之后穩壓30 min，沒有泄漏，然后在加壓到套管失效。

(2)API SPEC 5CT規定的靜水壓穩壓時間為5 s。

3.2 特殊螺紋接頭套管

3.2.1 特殊螺紋接頭套管靜水壓和內屈服壓力

幾種特殊螺紋接頭套管靜水壓和內屈服壓力試驗結果見表3。

試驗結果表明，實際特殊螺紋接頭套管靜水壓試驗值和內壓至失效試驗壓力遠遠高于API標準規定值。雖然API標準對特殊螺紋接頭套管靜水壓試驗壓力和內屈服壓力沒有規定，但實物試驗結果表明，特殊螺紋接頭套管產品達到API TR 5C3規定的套管管體最小內屈服壓力沒有問題，油田應當按照API TR 5C3規定的套管管體最小內屈服壓力進行特殊螺紋接頭套管柱設計。

表3 幾種特殊螺紋接頭套管靜水壓和內屈服壓力試驗結果 (MPa)

3.2.2 氣密封壓力

特殊螺紋接頭套管氣密封壓力與內屈服壓力不同，套管氣密封壓力由其特殊螺紋接頭金屬對金屬密封結構、接觸壓力和接觸面積等因素決定，特殊螺紋接頭套管氣密封壓力可以按照ISO 13679標準進行評價試驗而獲得。

4 保證API套管密封性能的措施

4.1 加強探傷檢查

API標準規定的套管內壓性能是按照完好套管計算的，如果套管上存在原始缺陷(如圖2所示)[6]，在使用過程中很容易發生失效事故。因此，應當在出廠之前對套管進行嚴格的探傷檢查。

圖2 外螺紋接頭裂紋形貌

4.2 接箍外壁進行機械加工

如前所述，API TR5C3規定的套管接箍內屈服壓力是按照薄壁管理論(公式5)計算的，沒有考慮接箍壁厚公差。實際加工接箍的管坯外壁難免存在熱軋和熱處理后存在的脫碳層等缺欠。如果不對接箍表面進行機械加工，將接箍管坯表面存在的脫碳層等缺欠也視為壁厚的一部分，按照API TR 5C3規定的公式計算的套管接箍內屈服壓力可能存在風險。實際有些工廠對API套管和特殊螺紋接頭套管均要求對接箍外壁進行機械加工。有些工廠不要求對API套管接箍外壁進行加工，要求對特殊螺紋接頭套管接箍外壁進行機械加工，但并沒有規定接箍表面加工之后不許殘留“黑皮”。由于不經過機械加工的接箍表面為“黑皮”，加工之后表面殘留的“黑皮”，磁粉探傷容易漏檢缺陷。某深井油田已經發生多起由于接箍表面“黑皮”位置殘留的缺陷導致的失效事故[7](如圖3所示)，造出了巨大經濟損失。為了防止深井和超深井發生接箍失效事故，應當對套管接箍外壁進行機械加工，不允許存在“黑皮”。

圖3 接箍斷口局部形貌及靠近端面外壁“黑皮”形貌

5 結束語

1)API套管抗內壓強度設計應當按照API TR5C3規定的內屈服壓力為依據。

2)特殊螺紋接頭套管抗內壓強度設計應當執行API TR 5C3規定的套管管體最小內屈服壓力。

3)為了防止深井和超深井發生接箍失效事故，應當對套管接箍外壁進行機械加工，不允許存在“黑皮”。

4)建議油田應以訂貨補充技術協議的形式對套管上扣所用螺紋脂、水壓試驗壓力和穩壓時間、套管內屈服強度等主要性能指標提出嚴格要求。

[1] 呂拴錄,李鶴林,藤學清,等. 油、套管粘扣和泄漏失效分析綜述[J].石油礦場機械,2011, 40( 4):21-25.

[2] API SPEC 5B SPECIFICATION FOR THREADING,GAGING, AND THREADED INSPECTION OF CASING, TUBING, AND LINE PIPE THREADS. 15th ed [S]. Washington (DC); September 2004.

[3] API SPEC 5CT Specification for Casing and Tubing. 9th ed[S]. Washington(DC); October 2011.

[4] API RP 5A3 Recommended Practice on Thread Compounds[S].2nd ed Washington DC：API, July 2003.

[5] API RP 5C1 Recommended Practice for Care and Use of Casing and Tubing[S]. 18th ed. Washington DC: API; May 1999.

[6] API RP 5C5, Recommended Practice for Evaluation Procedure for Casing and Tubing Connection[S]. Third Edition, July 2003 / ISO 13679:2002,Petroleum and natural gas industries—Practice for testing casing and tubing connection [S].

[7] 滕學清,呂拴錄,丁 毅,等. 140ksi高強度套管外螺紋接頭裂紋原因分析[J].物理測試，2012 ，30(2):59-62 .

[8] 楊向同,呂拴錄,宋 文,等.某井超級13Cr油管接箍開裂原因分析[J].石油管材與儀器,2016,2(1):40-45.

Analysis on Casing Capability Resisting to Internal Pressure in API Specification

TENG Xueqing1，ZHU Jinzhi1，LYU Shuanlu1，2，WEN Zhiming1，QING Hongde1，DONG Ren1，WANG Xiaoliang1，MA Yan1，XU Yongkang1，SHI Guijun1

(1.TarimOilField,Kuerle,Xinjiang841000，China；2.MaterialScienceandEngineeringDepartmentofChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China)

The investigation was done on the problems to understand the casing internal yield pressure. It was considered that the purpose of hydrostatic pressure test specified by API was mainly to inspect whether casing pipe body leaks, instead of to inspect connection seal performance per analyzing casing hydrostatic pressure test, casing internal yield pressure, and internal pressure test specified in API standard. Through casing full size test result analyzing, it was found that the casing internal yield pressure is much higher than that specified by API as long as the various parameters of casing are in accordance with API specification, so the casing string should be designed in accordance with casing internal yield pressure, instead of hydrostatic pressure specified by API. Through investigating casing coupling failure accident, it was deduced that casing coupling failure could be prevent in deep and ultra - deep wells by machine coupling outside surface by means of analyzing the calculation formula of casing internal yield pressure specified in API TR 5C3. It is suggested that the thread compounds, hydrostatic test pressure and hold time, and casing internal yield pressure etc should be required strictly by user.

casing; hydrostatic pressure test; internal yield pressure; coupling

滕學清，男，1965年生, 高級工程師，1989年畢業于中國石油大學(華東)鉆井專業，主要從事石油鉆井和完井工程技術工作。E-mail: lvshuanlu@163.com

TE931+.2

A

2096-0077(2016)05-0096-05

2016-07-05 編輯：葛明君)