油氣管桿材料

1.套管的種類及其作用2.套管型號(hào)的公（英）制表示方法3.常見特殊套管的種類4.滿足抗S要求，碳鋼和低合金鋼在成分選擇及加工控軋中的要求

NKAC加工特點(diǎn)5.油井管的失效模式及再出來設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)課上討論第四節(jié)套管一、套管的分類按鋼級(jí)：

4組、17個(gè)鋼級(jí)（依據(jù)API5CT和ISO11960）

第一組4個(gè)鋼級(jí)：H、J、K、N;

第二組8個(gè)鋼級(jí)：C、L、M、T；第三組1個(gè)鋼級(jí)：P；第四組4個(gè)鋼級(jí)：Q。第四節(jié)套管一、套管的分類按螺紋形式：園螺紋套管偏梯形螺紋套管特殊螺紋套管第四節(jié)套管一、套管的分類按功能：表套技套油套（生產(chǎn)套管）正常壓力井套管類型異常壓力井套管類型第四節(jié)套管二、套管的作用1.導(dǎo)管主要作用：（1）抑制松散的表層，防止末固結(jié)的土石落入井內(nèi)；（2）提供使泥漿返回泥漿槽的流道；（3）主要或部分支撐其它套管柱懸空的重量。異常壓力井套管類型特點(diǎn)：直徑較大，長度變化較大，堅(jiān)硬巖層中僅用10～20m，沼澤地區(qū)則可能上百米。導(dǎo)管直徑一般為95／8～30in，通常下到20～1000ft深。第四節(jié)套管二、套管的作用2.表層套管主要作用：（1）防護(hù)淺水層污染，封隔淺層流砂、礫石層及淺層氣；（2）泥漿返回地表的流道；（3）安裝井口防噴器以便繼續(xù)鉆進(jìn)，是井口設(shè)備(套管頭及釆油樹)的唯一支撐件；（4）承擔(dān)懸掛依次下入的各層套管(包括采油管柱)載荷。異常壓力井套管類型特點(diǎn)：通常下入深度一般在30～1500m。第四節(jié)套管二、套管的作用3.技術(shù)套管主要作用：（1）隔離坍塌地層、復(fù)雜的頁巖層、淺層氣及高壓水層，防止井徑擴(kuò)大，減少阻卡及鍵槽的發(fā)生，保證能安全地鉆達(dá)設(shè)計(jì)井深；（2）分隔不同壓力層系，建立正常鉆井液循環(huán)；（3）減少裸眼長度；（4）對(duì)生產(chǎn)套管有支持作用，它也為井控設(shè)備的安裝、防噴、防漏及懸掛尾管提供了條件；（5）對(duì)油層套管具有保護(hù)作用；異常壓力井套管類型特點(diǎn)：主要作用是封隔漏層，特別是預(yù)計(jì)深部井段有高壓地層時(shí)；通用尺寸為95/8in（235.8mm）。

第四節(jié)套管二、套管的作用4.生產(chǎn)套管主要作用：（1）將儲(chǔ)集層中的油氣從套管中采出來；（2）保護(hù)井壁，隔開各層的流體，達(dá)到油氣井分層測試，分層采油，分層改造之目的。異常壓力井套管類型特點(diǎn)：為完井套管，通用尺寸為7in（177.8mm）。第四節(jié)套管二、套管的作用5.尾管異常壓力井套管類型特點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn)是下入長度短、費(fèi)用低；深井鉆井中另一突出優(yōu)點(diǎn)是在繼續(xù)鉆進(jìn)時(shí)可以使用異徑鉆具；在頂部的大直徑鉆具比同一直徑的鉆具具有更高的抗拉伸強(qiáng)度，在尾管內(nèi)的小直徑鉆具具有更高的抗內(nèi)壓能力。尾管的缺點(diǎn)是固井施工固難。尾管的頂部通常要進(jìn)行抗內(nèi)壓試驗(yàn)，以保證密封性。是—種不延伸到井口的套管柱，分為鉆井尾管和采油尾管，通常用尾管掛懸掛于技術(shù)套管上。第四節(jié)套管三、套管的鋼級(jí)APISpec5CT規(guī)定了套管H、J、K、N、C、L、M、T、P、Q十種鋼級(jí)。字母任意選擇，無特殊含義；數(shù)碼則代表套管的強(qiáng)度特性；鋼級(jí)代號(hào)后面的數(shù)值乘以1000psi（6894.757kPa）即為套管以psi為單位的最小屈服強(qiáng)度。這一規(guī)定除了少數(shù)幾種例外，也適用于非API標(biāo)準(zhǔn)的套管。

API套管鋼級(jí)的物理性能見表1-15；套管各種鋼級(jí)的最小屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度（包括非API套管標(biāo)準(zhǔn)）見表1-16。表1-15API套管鋼級(jí)的強(qiáng)度指標(biāo)鋼級(jí)顏色標(biāo)志最小屈服強(qiáng)度最高屈服強(qiáng)度Mpa最低抗拉強(qiáng)度MpaRCMax延伸率％APE標(biāo)準(zhǔn)（適用范圍）ksiMpaH-40無色或黑色402765524145AJ-55淺綠5537955251722.55AK-55綠色55379552665185AN-80紅色80552758689175AC-75藍(lán)色75517620665185ACL-80紅夾棕8055266566523185ACC-90紫色9062072569025.4(5AC)C-95棕色9566576072025.416.5(5AC)P-110白色110758965865A5XQ-125白色125861104093018(5AQ)V-150白色15010351240114011.5(5AX)表1-16套管鋼級(jí)的強(qiáng)度指標(biāo)API標(biāo)準(zhǔn)最小屈服強(qiáng)度Mpa(ksi)最小抗拉強(qiáng)度Mpa(ksi)非API標(biāo)準(zhǔn)最小屈服強(qiáng)度Mpa(ksi)最小抗拉強(qiáng)度Mpa(ksi)H-40275.79(40)413.69(60)S-80379.21(55)655.00(95)J-55379.21(55)517.11(75)SOO95655.00(95)758.42(110)K-55379.21(55)655.00(95)S-95655.00(95)758.42(110)C-75517.11(75)655.00(95)SS-95551.58(80)689.48(100)L-80551.58(80)655.00(95)S-105655.00(95)758.42(110)N-80551.58(80)689.48(100)S-140965.27(140)1034.21(150)C-90620.53(90)689.48(100)V-1501034.21(150)1103.16(160)C-95655.00(95)723.95(105)S-1551068.69(155)1137.63(165)P-110758.42(110)861.84(125)Q-125861.84(125)930.79(135)X-52358.53(52)455.05~496.42(66~72)第四節(jié)套管三、套管的鋼級(jí)APISpec5CT規(guī)定了套管H、J、K、N、C、L、M、T、P、Q十種鋼級(jí)。

J55；數(shù)值乘以1000psi（6894.757kPa）即為套管以psi為單位的最小屈服強(qiáng)度。這一規(guī)定除了少數(shù)幾種例外，也適用于非API標(biāo)準(zhǔn)的套管。

套管型號(hào)的英制表示方法規(guī)格代號(hào)（外徑，英寸）+重量代號(hào)（英鎊/英尺）+鋼級(jí)代號(hào)+螺紋形式723.00JSTC外徑7英寸，23英鎊/英尺，鋼級(jí)為J55的短園螺紋套管。套管型號(hào)的公制表示方法規(guī)格代號(hào)（外徑，mm）+壁厚代號(hào)（mm）+鋼級(jí)代號(hào)+螺紋形式

177.8×8.05JSTC表示外徑177mm，壁厚8.05mm鋼級(jí)為J55的短園螺紋套管。第四節(jié)套管三、套管的鋼級(jí)1.抗擠毀套管套管在井下受重力和地層壓力等復(fù)合力作用下，發(fā)生的外形失穩(wěn)，以致斷裂現(xiàn)象稱之為擠毀(或稱壓潰)。油井管的抗外壓擠毀性能以抗擠毀強(qiáng)度來表示，其單位為psi或MPa。相應(yīng)廠家生產(chǎn)的套管的抗擠毀額定值見表1-18。第四節(jié)套管三、套管的鋼級(jí)1.套管的擠毀拉伸+擠毀壓縮+擠毀軸向拉伸、壓縮載荷下的套管擠毀形貌第四節(jié)套管三、套管的鋼級(jí)2.抗硫套管相應(yīng)廠家生產(chǎn)的套管的抗擠毀額定值見表1-18。16Mn試片表面氫鼓泡

氫致開裂（HIC）：平行于表面的裂紋，在應(yīng)力作用下促使裂紋擴(kuò)散連成階梯狀。常見低碳鋼壓力容器及內(nèi)部集輸管道

焊縫處階梯性裂紋第四節(jié)套管三、套管的鋼級(jí)2.抗硫套管

脆性斷口人字形花紋第四節(jié)套管三、套管的鋼級(jí)2.抗硫套管美國腐蝕工程師協(xié)會(huì)（NACE）認(rèn)為，如果使用的氣體壓力是65psia(448.16kPa絕對(duì)壓力)或高于此值，而該氣體中的H2S分壓大于0.05psia(0.34474kPa絕對(duì)壓力)，則必須選擇抗硫材料套管，以阻止硫化氫腐蝕脆性斷裂（SSCC）的發(fā)生。

H2S達(dá)到氫脆的濃度和氣體的壓力有關(guān)，并有以下關(guān)系：氣體壓力為100psi(689.48kPa絕對(duì)壓力)，氫脆時(shí)H2S的濃度為510ppm；氣體壓力為1000psi(6894.8kPa絕對(duì)壓力)，氫脆時(shí)H2S的濃度為51ppm；氣體壓力為10000psi(68947.5kPa)，氫脆時(shí)H2S的濃度為5.1ppm；氣體壓力為20000psi(137895.14kPa)，氫脆時(shí)H2S的濃度為2.6ppm；如果H2S氣體的分壓大于0.03psia(0.2068kPa絕對(duì)壓力)，或者預(yù)計(jì)大于此值，從工程材料的觀點(diǎn)來看，則應(yīng)必須使用抗硫化氫的材料。第四節(jié)套管三、套管的鋼級(jí)2.抗硫套管不同鋼級(jí)套管僅在臨界溫度之上具有抗硫化氫腐蝕的性能。

第四節(jié)套管三、套管的鋼級(jí)2.抗硫套管套管鋼級(jí)臨界溫度℃K-5575L-8075C-75100N-80150C-90S-95150P-110180Q-125210S-140250V-150300第四節(jié)套管表1-21適合含硫區(qū)域使用的95級(jí)套管廠家及其產(chǎn)品性能廠家商品名稱屈服強(qiáng)度MPa（ksi）最小屈服強(qiáng)度MPa（ksi）最大洛氏硬度lgomaBritishSteelDalmineDalmineKawasakiLoneStarLoneStarMannesmannNipponKokanNipponKokanSumitomoSumitomoValloareeValloareeSOO95SR95D95SGD95SSGKO95SLSS-95SGSLSS-95SSGSMW-C-95SNT95SSNKAC95MSM95SSM95SSC-95VHIC-95VH2655～758.4(95～110)655～758.4(95～110)655～758.4(95～110)655～758.4(95～110)655～758.4(95～110)655～758.4(95～110)655～758.4(95～110)655～758.4(95～110)655～758.4(95～110)655～758.4(95～110)655～758.4(95～110)655～758.4(95～110)655～758.4(95～110)655～758.4(95～110)758.4(110)724.0(105)724.0(105)724.0(105)724.0(105)724.0(105)724.0(105)724.0(105)724.0(105)724.0(105)724.0(105)724.0(105)724.0(105)724.0(105)25.425.425.425262625.4252525252725.4因硫化物應(yīng)力引起的腐蝕斷裂（SSCC），對(duì)套管材質(zhì)提出高要求。SSCC是由于H2S離解時(shí)產(chǎn)生的氫滲透而造成鋼的脆裂現(xiàn)象。

SSCC因素可分兩大類：材料方面的因素——強(qiáng)度或硬度、化學(xué)成分、微觀結(jié)構(gòu)及冷加工方面問題等；環(huán)境方面的因素——H2S的聚集、含水溶劑的pH值、溫度、壓力等。NKAC系列對(duì)SSCC具有好的抵抗性能。第四節(jié)套管三、套管的鋼級(jí)2.抗硫套管

——抗SSC材料的選擇

——抗SSC材料的選擇依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)：ISO15156石油和天然氣生產(chǎn)中含H2S環(huán)境使用的材料ISO15156－1第一部分選擇抗裂紋材料的一般原則ISO15156－2第二部分抗裂紋碳鋼和低合金鋼NACEMR0175油田設(shè)備用抗硫化物應(yīng)力開裂的金屬材料SY/T0599-1997天然氣地面設(shè)施抗硫化物應(yīng)力開裂金屬材料要求第四節(jié)套管三、套管的鋼級(jí)2.抗硫套管含Ni＜1%經(jīng)熱軋（僅對(duì)碳鋼）、退火、正火、正火加回火、奧氏體化—淬火加回火硬度≤22HRC冷變形＞5%，須經(jīng)595℃以上的消應(yīng)力處理，≤22HRC；低強(qiáng)度管道鋼ASTMA53B級(jí)，ASTMA106B級(jí)，API5L、X42級(jí)，冷變形≤15%，變形區(qū)硬度≤190HB焊接控制焊縫硬度（基材、焊肉、熱影響區(qū)）≤22HRC第四節(jié)套管三、套管的鋼級(jí)2.抗硫套管

——碳鋼和低合金鋼抗SSC材料的選擇含S環(huán)境可采用的API/ASTM管材用于所有的溫度操作溫度用于66℃（150℉）或更高用于79℃（175℉）或更高用于≥107℃（≥225℉）油管和套管APISpec5CT/5CTMH-40,J-55，K-55，M-65,C-75（1，2，3型）和L-80(1型)級(jí)按10.1.3節(jié)規(guī)定的專用等級(jí)UNSK12125API5CT/5CTMC-901型和T-951型管子APISpec5LA&B和X-42至X-65級(jí)ASTMA53/A53MA106A,B,C級(jí)A333/A333M1和6級(jí)A524521和2級(jí)A381531類Y35-Y65鉆桿材料APISpec5DD,E,X-95,G-105和S-135級(jí)油管和套管油管和套管APISpec5CT/5CTMN-80（淬火并回火），C-95級(jí)，T-952型；最大屈服強(qiáng)≤760MPa(110ksi)等級(jí)的專用淬火并回火鋼

用CrMo低合金鋼（AISI41XX及其改進(jìn)型）制造的油套管在淬火并回火狀態(tài)，最大硬度為30HRC且額定最小屈服強(qiáng)度（SMYS）等級(jí)為690，720和760MPa(100，105和110ksi)（見10.1.3節(jié)）。APISpec5CT/5CTMH-40，

N-80,P-105,P-110級(jí)最大屈服強(qiáng)度達(dá)到965MPa

（140ksi）等級(jí)的專用淬火并回火鋼APISpec5CT/5CTMQ-125級(jí)689.476(100)206.843(30)20.684(3)6.895(1)68.948(10)6894.757(1000)SM-25Cr-110SM-25Cr-80-130

SM-25Cr-80SM-25Cr-75(D)

SM-13Cr-80SM-25Cr-75-95SM-80SSM-80S(B-D)

APISM80SJ55SM90SAPI-L-80N80(A)(B)(B-D)

鎳基合金C-276SM-2550(6)SM-2535(6)SM-85SSSM-90SS(C)SM-2525(5)(E)0.007(0.001)0.068(0.01)0.689(0.1)6.895(1)689.476(100)69.948(10)H2S分壓，KPa，(psi)CO2分壓，KPa，(psi)圖1-8材料選擇的示意圖689.476(100)6.895(1)68.948(10)6894.757(1000)0.068(0.01)0.689(0.1)6.895(1)689.476(100)69.948(10)H2S分壓，KPa，(psi)CO2分壓，KPa(psi)ABCDE圖1-9CO2和H2S環(huán)境下的鋼級(jí)材料選擇A區(qū)—常規(guī)的API鋼級(jí)套管；B區(qū)—AC85；AC85M；AC80；AC90；AC90M；

AC80T；AC95；AC95M（AC為主抗硫鋼）；

C區(qū)—CR13；CR9（CR為主抗二氧化碳的不銹鋼）；

D區(qū)—NIC42；NIC62；NIC32；NIC52；NIC25；NIC42M(NIC為抗硫抗二氧化碳鋼級(jí))；E區(qū)—CR25；CR23（CR為高含二氧化碳條件下使用）；

NKK專有等級(jí)的材料選擇

——抗SSC材料的選擇

NKAC加工特點(diǎn)是：嚴(yán)格控制材料雜質(zhì)，含硫量小于0.005％，套管內(nèi)外壁淬火。這種方法可形成馬氏體結(jié)構(gòu)，回火保證均勻的微觀結(jié)構(gòu)。熱處理后進(jìn)行熱矯直，較之冷矯直對(duì)屈服強(qiáng)度影響更小。最后要進(jìn)行三項(xiàng)檢查試驗(yàn)：硬度試驗(yàn)，對(duì)每一根均進(jìn)行；超聲波檢查；抗SSCC試驗(yàn)。第四節(jié)套管三、套管的鋼級(jí)2.抗硫套管第四節(jié)套管三、套管的鋼級(jí)3.抗低溫用套管許多廠家提供的55，80，95，110和125級(jí)的套管的鋼材都能滿足低溫下作業(yè)的需要。增加添加劑后可改善鋼材的晶粒度。在-43℃（-500F）溫度下，套管鋼材沖擊韌性為201b.ft(27.1164N﹒m)。低溫作業(yè)下套管生產(chǎn)廠家及商品名稱見表1-23。表1-23低溫作業(yè)下套管生產(chǎn)廠家、商品名稱及產(chǎn)品性能廠家商品名稱屈服強(qiáng)度MPa（ksi）最小屈服強(qiáng)度MPa（ksi）在-43℃（-50。F）條件下鋼材的沖擊韌性DalmineD55-AS392～552（55～80）655（95）____Da

lmineDalmineKawasakiNipponSumitomoValloareeD80-ASD80L-ASKO82LNT80LSSM80LL-80VK552～758(80～110)552～655(80～95)552～655(80～95)552～758(80～110)552～758(80～110)552～655(80～95)689(100)655(95)655(95)689(100)689(100)655(95)________20251520Da

lmineDalmineKawasakiNipponNipponKokanSumitomoValloareeD95-ASD95C-ASKO95LNT95LSNKLT95SM95LC-95VK655～862(95～125)655～758(95～110)655～862(95～125)655～862(95～125)655～862(95～125)655～862(95～125)655～758(95～110)724(105)724(105)758(110)758(110)758(110)758(110)724(105)________2525201520DalmineKawasakiNipponNipponKokanSumitomoValloareeD110-ASKO110LNT110LSNKLT110SM110LP110-VK758～965(110～140)758～965(110～140)758～965(110～140)758～965(110～140)758～965(110～140)758～965(110～140)862(125)862(125)862(125)862(125)862(125)862(125)____2025201520KawasakiNipponKokanKO125LNKLT-125862～1034(125～150)862～1000(125～145)931(135)931(135)2020破裂(管體爆裂、管體錯(cuò)斷、接箍縱裂、管體斷裂、射孔開裂、應(yīng)力腐蝕開裂)泄漏滑脫表面損傷(腐蝕、內(nèi)表面被鉆柱磨損)柯深001井破裂套管井下成相照片第四節(jié)套管4.套管的其他破壞形式油井管的失效模式可用八個(gè)字概括：

脫、漏、粘、擠、破、裂、磨、蝕脫——管體螺紋從接箍內(nèi)滑脫漏——螺紋連接處失去密封粘——螺紋粘結(jié)擠——管體擠毀破——管體受內(nèi)壓爆破裂——拉斷、錯(cuò)斷、縱裂、射孔開裂以及疲勞、應(yīng)力腐蝕開裂等磨——如套管與鉆柱相互磨損蝕——腐蝕及應(yīng)力腐蝕第四節(jié)套管脫漏粘擠破斷磨蝕材料及冶金質(zhì)量鋼級(jí)結(jié)構(gòu)尺寸及其精度螺紋連接第四節(jié)套管上百種特殊扣油套管中較典型、應(yīng)用較廣的10余種為：VAM、NSCC、NK3SB、KOX。SEC、ARMCO、OMEGA扣等。這些特殊螺紋同時(shí)兼具以下某些特殊性能：第四節(jié)套管四、套管的發(fā)展方向1.特殊扣套管（1）結(jié)構(gòu)連接強(qiáng)度，與管體強(qiáng)度相匹配，有的甚至高于管體，適于深井、超深井；（2）密封性能好，適用于高壓氣井、油井和熱采井；（3）抗彎能力強(qiáng)，適用于斜井、大位移井、水平井；（4）可快速上緊，且不易錯(cuò)扣，適用于沙漠、海洋等惡劣環(huán)境下的鉆井作業(yè)；（5）抗粘扣性能突出，可以反復(fù)上卸扣而不易損壞；（6）抗過扭矩能力強(qiáng)；（7）耐腐蝕性能好。始于20世紀(jì)90年代，工作時(shí)膨脹管通過機(jī)械膨脹裝置，靠液體壓力推進(jìn)，推進(jìn)過程中使記過那下管件記過經(jīng)過塑性變形達(dá)到擴(kuò)大管徑之目的。膨脹管分為割縫膨脹管和實(shí)體膨脹管。

第四節(jié)套管四、套管的發(fā)展方向2.膨脹套管圖1-12實(shí)體膨脹管可膨脹管的應(yīng)用：（1）用做應(yīng)急套管，以簡便有效地解決復(fù)雜井段的井壁穩(wěn)定問題。（2）用作尾管懸掛器?？膳蛎浳补軕覓炱骶哂形补軕覓旌兔芊夤δ?，可防止環(huán)空泄漏，使環(huán)空具有必要的水力完整性，把井鉆得更深。（3）用于沙控。第四節(jié)套管四、套管的發(fā)展方向2.膨脹套管連續(xù)油管又稱撓性油管、蛇形管或盤管，長度一般為幾百米至幾千米不等。其產(chǎn)品包括速度管柱、工作管柱和連續(xù)管線管三大類，是油田鉆井、完井、試油、采油、修井和集輸?shù)阮I(lǐng)域中重要的作業(yè)裝備。

第四節(jié)套管四、套管的發(fā)展方向3.連續(xù)管連續(xù)管是一種強(qiáng)