作者：严泽生,孙开明
出版社：石油工业出版社
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套管油管使用手册试读：
2011年新版序
2002年出版《石油套管使用手册》时，天津钢管集团股份有限公司特殊螺纹接头套管的研制刚刚起步，所以我在手册的评审会和序中提出希望天津钢管集团能够加快特殊螺纹油管套管的研发进度，不断积累和完善数据。今天，当《石油套管使用手册》改版时增加了天津钢管集团自主研发的特殊螺纹油管套管数据，使新版的《套管油管使用手册》真正成为油田钻井设计、施工、物资供应管理等部门人员案头必备的工具书。经过天津钢管集团近8年不懈的努力，《套管油管使用手册》从内容上有了极大的丰富：除了几乎包括API标准中全部钢级和规格油管套管，还有非API的TP系列高强度高韧性深井油管套管、高强度高抗挤套管、抗腐蚀油管套管、热采井用油管套管，特殊螺纹接头也形成系列。因此，《套管油管使用手册》已基本实现了我的期望，也体现了天津钢管集团在油管套管生产和研发领域已处于世界先进水平。
油管套管是我国能源工业的战略物资，在石油钻采生产中占有很重要的地位。随着深井、超深井、高温高压气井、高腐蚀井、定向井、水平井、热采井等技术的应用，油管套管的服役环境越来越苛刻，对油管套管提出的要求越来越高。油管套管质量必须十分可靠，一旦出现事故，往往是灾难性的。因此，世界级油管套管生产企业都具备从原料到成品的全流程生产线，并配备成套的质量检测设备。
天津钢管集团作为全球规模最大的钢管企业和我国无缝钢管龙头企业，具备完善的从原料到成品的全流程生产线，拥有完善的质量控制与保证以及试验评价仪器设备，而且上述全部装备都是世界一流的。特别是这些年来，企业通过持续不断的技术改造与创新，在冶炼、轧制、热处理、螺纹加工与处理等关键技术领域，在高强度高韧性材料研究开发、抗腐蚀材料研究开发、油管套管特殊螺纹接头设计等诸多领域拥有了自己的核心技术，具备了与世界强手竞争的能力。天津钢管集团紧密结合市场，不断设计开发满足用户特殊或专门需求的新产品，逐步形成了自己的TP系列产品，有力支撑了我国石油工业的发展，并使自己的油管套管产品在国际市场上具有很强的竞争力和话语权。
现在，天津钢管集团组织专业技术人员，在2002年版《石油套管使用手册》的基础上，将本公司各类油管套管产品的相关技术数据、研究成果汇集起来，编写了《套管油管使用手册》。这本手册所包含的内容，涵盖了我国近年来在油管套管研发方面的新成果、新技术，所列产品基本可以满足我国石油天然气勘探开发所需的各种常见井况管柱设计需要。我认为，这本手册的再版，对我国石油天然气行业管柱设计、选材都有很好的参考价值，既可作为相关专业技术人员的工具书，也可作为设计、施工和现场作业的指导书。同时，本手册对我国其它油套管生产厂也很有参考价值。中国工程院院士2011年1月于西安前 言
这本《套管油管使用手册》是API Spec 5CT标准油管套管和天津钢管集团股份有限公司（简称天津钢管集团）TP系列油管套管的技术参数手册。它包括油管套管的几何参数、钢级、扣型、使用性能等，还介绍了TP系列油管套管操作规程等涉及油气井管柱设计、选材、使用、订购等技术内容。天津钢管集团作为全球领先的油井管制造商，能够为用户提供全系列的油井管产品，油气勘探开发过程中所需要的各类油井管几乎都可以在天津钢管集团获得。因此，本《套管油管使用手册》对于石油天然气及其相关行业技术人员是一本很有价值的参考资料。
天津钢管集团是国家重点支持建设的特大型现代化钢管制造企业，始建于1989年，拥有从国外引进的世界一流成套技术设备，以生产能源工业用管为主。目前，拥有三条炼钢连铸生产线，四种机型六套轧机，十条热处理线和十四条螺纹加工线。其中，三套PQF三辊连轧机，代表了当今世界无缝管连轧技术的最高水平。天津钢管集团坚持“质量第一、用户至上”和“精料、精炼、精轧、精加工和精心工作”的质量方针，按严于API的内控标准和用户要求组织生产。从投产至今，累计生产无缝钢管1300多万吨，石油套管国内占有率达到40%左右，产量中有四分之一出口到百余个国家和地区，已成为世界上生产规模最大的无缝钢管生产企业。
天津钢管集团在中国石油天然气集团公司（简称中国石油）、中国石油化工集团公司（简称中国石化）、中国海洋石油总公司（简称中海油）等用户的大力支持下，经过近20年的快速发展，到2009年44已形成年产350×10t无缝钢管的生产能力，其中油管套管150×10t/4a、管线管50×10t/a。油套管的外径范围从1.9in到20in（φ48.26～φ508mm）；生产扣型包括API标准长短圆螺纹、偏梯形螺纹和TP系2列特殊螺纹（13种）；能够提供API全部钢级的材料，并开发出抗HS222应力腐蚀系列、抗CO腐蚀系列、抗HS及CO腐蚀系列（双相钢及镍基合金）、高抗挤毁系列、超深井系列、热采井系列、低温环境用高强度高韧性油管套管系列以及高强度高韧性钻杆料（钻杆半成品），最高钢级可达170ksi。在特殊螺纹设计、抗腐蚀材料开发、高强度高韧性材料研究等诸多领域拥有了自己的核心技术。天津钢管集团在技术创新与产品开发方面所取得的进步，极大地丰富了国产油管套管的品种，为油田提供了更加多样化的选择。
为了感谢石油企业多年来对天津钢管集团的支持和信任，同时帮助油田技术人员更深入了解天津钢管集团所生产的油管套管，便于在设计中的查阅，现将天津钢管集团能够生产供应的各类油套管产品的相关技术数据汇集成册，供用户参考和使用。
这本手册不仅包含天津钢管集团在油管套管生产工艺、产品开发、技术服务、市场调研等多方面的研究成果，而且凝聚着石油系统广大技术人员的贡献和智慧。
在手册编写、出版的过程中，得到中国石油天然气集团公司、中国石油化工集团公司、中国海洋石油总公司，以及中国石油集团石油管工程技术研究院、石油大学、东北大学、北京科技大学和燕山大学等国内各大石油集团、多所高校和科研院所领导和专家的大力支持和热情帮助，在此表示衷心感谢！
为了在今后再版中进一步提高《手册》的编写质量，敬请读者在使用过程中提出宝贵意见和建议，并请发至以下邮箱：tc@tpco.cn，天津钢管集团股份有限公司网址是：http：//www.tpco.com.cn。1 公司概况1.1 公司简介
天津钢管集团股份有限公司（TPCO）装备有从德国、意大利、美国、比利时和英国等国引进的世界上最先进的直接还原铁、炼钢、轧管和管加工技术设备，配备了完善的自动化控制及检测系统，拥有模拟井下条件的全尺寸油管套管复合力试验系统和腐蚀评价系统，能有效控制产品质量，是目前世界上规模最大、技术装备最先进的无缝钢管生产企业。4
经过近20年的快速发展，到2009年已形成年产350×10t无缝钢管44的生产能力。其中油管套管150×10t/a、管线管50×10t/a，包括抗24HS腐蚀油管套管15×10t/a以上生产及检验能力。油管套管的外径范围从1.9in到20in（φ48.26～φ508mm）；生产扣型包括API标准长短圆螺纹、偏梯形螺纹和TP系列特殊螺纹（13种）；能够提供API全部钢222级的材料，并开发出抗HS应力腐蚀系列、抗CO腐蚀系列、抗HS及2CO腐蚀系列（双相钢及镍基合金）、高抗挤毁系列、超深井系列、热采井系列、低温环境用高强度高韧性油管套管系列以及高强度高韧性钻杆料（钻杆半成品），最高钢级可达170ksi。在特殊螺纹设计、抗腐蚀材料开发、高强度高韧性材料研究等诸多领域拥有了自己的核心技术。天津钢管集团在技术创新与产品开发方面所取得的进步，极大地丰富了国产油管套管的品种，为油田提供了更加多样化的选择。
天津钢管集团始终保持技术装备上的领先优势，拥有了MPM、PQF、ASSEL和REM（斜轧扩管）四种机型、六套轧机，其中168PQF连轧管机组是世界第一套PQF三辊式高精度连轧管机组，460PQF连轧管机组是世界第一套最大口径的PQF机组，代表了当今无缝钢管连轧生产工艺技术的最先进水平（天津钢管集团生产工艺见图1.1）。4（1）原料系统：可年供优质铁水100×10t、优质海绵铁30×410t。（2）炼钢系统（见图1.2）：拥有三座超高功率电弧炉（150t/100t/90t），配备有LF钢包炉及真空脱气（VD/VOD/RH）设备、连铸机（配备有电磁搅拌以有效减轻铸坯成分偏析）、模铸和快锻设备；可以生产13Cr等高合金铸、锻坯，可控制到P≤0.010%、S≤0.001%。（3）轧管系统（见图1.3）：一套MPM机组、一套ASSEL机组、三套世界上最先进的PQF三辊连轧管机组、一套大口径斜轧扩管REM机组等6套轧管机组，PQF机组壁厚控制精度可达±8%t。（4）管加工系统（见图1.4）：有10条热处理线、14条螺纹加工线、5条光管加工线，配有车丝机、水压机、称重测长装置及接箍拧接机、接箍磷化装置和镦粗机等。生产线上配有漏磁、涡流和超声等无损探伤设备。图1.1 天津钢管生产工艺流程图1.2 制铁及炼钢系统图1.3 轧管系统图1.4 管加工系统1.2 质量体系
质量方针：坚持质量第一，贯彻“五精”方针，发挥科技优势，满足用户要求。
五精方针：精料、精炼、精轧、精加工、精心工作。
质量目标：实物质量——国际先进，管理质量——国内一流。
天津钢管集团于1994年4月取得API会标使用权；1995年12月通过ISO 9001质量体系认证；1996年通过ISO 14001环境管理体系认证；2003年通过职业健康安全管理体系认证；通过美国船级社、德国船级社、挪威船级社、英国劳氏船级社和法国船级社的工厂认可；通过欧洲承压设备指令PED等多项产品认证；2008年6月获得特种设备（压力管道元件）制造许可证等。在石油专用管和管线管品种方面，通过壳牌、美孚、雪佛龙、英国石油公司和阿美等多家国际知名石油公司的认证（见图1.5）。图1.5 天津钢管集团获得的认证（部分）1.3 研发能力
天津钢管集团技术中心是1996年成立的国家级企业技术中心，目前拥有专业试验研究室15个，大型精密试验研究仪器设备400余台套，科研人员近300人。公司聘有国内外知名专家8人。从事材料研究、工艺研究和螺纹开发的研发团队中有博士10人，硕士50余人。科研课题和研发产品多次获得国家级和省部级奖项，持有多项国家发明专利。42
2006年，公司投资新建建筑面积1.4×10m的科技大厦（见图1.6）、全流程中间试验厂，新增大型特殊螺纹全尺寸评价试验设备、高温高压腐蚀和高合金腐蚀试验以及热模拟、原位仪和衍射仪等大型试验研究设备。1.3.1 全流程的中间试验平台（1）500kg多功能真空中频熔炼炉（见图1.7）。可熔炼特殊钢、镍基合金、高温合金和精密合金等材料的铸锭，供新品开发和新品熔炼试验使用。图1.6 科技大厦图1.7 500kg多功能真空中频熔炼炉（2）多功能立式穿轧复合机组（见图1.8）。可对抗腐蚀钢种、特殊钢种、不锈钢及难变形金属进行轧制，并具备一次穿孔、二次穿孔和限动轧制等多项功能，用于无缝管穿、轧工艺理论及技术的试验研究。（3）日本数控车丝机SL－803C（见图1.9）。此设备精度高，加工范围大，主要进行油管套管及其附件的内外螺纹的加工，为技术中心油管套管螺纹开发提供支撑。图1.8 多功能立式穿轧复合机理
,图1.9 日本进口数控车丝机1.3.2 基础研究平台（1）美国进口Gleeble3500热模拟试验机（见图1.10）。可广泛应用于力学性能和物理性能测试，热加工过程动态模拟及其他冶金研究，可在实验室进行新材料的开发和冶金过程工艺模拟，并可将结果应用到现场生产中。（2）德国进口EVO 50扫描电子显微镜（见图1.11）。它是德国蔡司公司生产的最新型号的电子扫描电镜，能够快速、准确、深入地分析材料在制造过程中产生的缺陷，以及在使用过程中出现的失效问题。（3）日本进口透射电子显微镜（见图1.12）。透射电子显微镜主要用于观察、分析、研究各种材料的超精细结构，能够观察到几十个原子的超微水平，为开发高端产品提供了强有力的科学研究手段。（4）日本进口X射线衍射仪（见图1.13）。X射线衍射仪是目前世界上一流的超高功率研究仪器，主要用于各种材料（金属材料和非金属材料）物相的定性和定量分析。图1.10 Gleeble 3500热模拟试验机图1.11 EVO 50扫描电子显微镜图1.12 透射电子显微镜图1.13 X射线衍射仪1.3.3 油管、套管全尺寸试验及特殊螺纹研究平台（1）美国、英国进口最先进的联合力试验机（见图1.14）。联合力试验机是模拟油田现场井况的一种复合加载设备，通过模拟油井的各种复杂条件，测试油井管的材料性能以及特殊螺纹的连接强度和密封性能。图1.14 联合力试验机（2）美国、加拿大进口上/卸扣试验机（见图1.15）。上/卸扣试验模拟了在油田下油管套管作业中，油管套管螺纹部分的受力情况及可能发生的螺纹损坏。图1.15 上/卸扣试验机（3）美国进口抗挤毁试验设备（见图1.16）。这套测试系统是生产高抗挤毁套管必备试验系统，用于评价油管套管和深海管线管的抗外挤能力。1.3.4 美国进口抗腐蚀性能的试验研究平台（1）应力环。应力环是测试材料抗硫化物应力腐蚀的设备（见图1.17），是确定金属对硫化物引起的应力腐蚀开裂的最经济有效的测试手段，可以准确评估试验材质的抗腐蚀性能和使用寿命。图1.16 抗挤毁试验设备图1.17 应力腐蚀试验设备（2）高压釜试验系统（见图1.18）。高压釜是一个高温高压试验系统，可模拟腐蚀工况，测定均匀腐蚀速率、点蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀及电化学腐蚀，使用这套设备可以完成特定腐蚀环境条件下的材料筛选、材料腐蚀寿命预测、缓蚀剂筛选及腐蚀机理研究。（3）世界最先进的多相流腐蚀测试系统（见图1.19）。多相流腐蚀测试系统可以模拟不同温度、压力、流速、管道尺寸和形状等条件下，多相腐蚀介质对金属材料的冲刷腐蚀并研究其规律。图1.18 高压釜试验设备图1.19 多相流腐蚀测试系统2 油管套管产品分类和特点
随着石油勘探开发事业的发展，市场对油管套管品种的需求越来越大，对产品质量的要求也越来越高。天津钢管集团依靠科技进步，不断开发适应市场需求的产品，满足市场对特殊产品的需求。2.1 油管套管品种2.1.1 API Spec 5CT标准钢级油套管产品
H40、J55、K55、M65、N80、L80、C90、T95、C95、P110和Q125这11个钢级，按使用条件可分为四组：第一组强度油管套管——包括H40、J55、K55和N80四个钢级，生产工艺可以是轧态、调质态或正火态；第二组限制屈服强度油管套管，适用于酸性环境——包括M65、L80、C90、T95和C95等五个钢级，其中除M65采用正火、正火＋回火工艺外，其余钢级均经过调质处理；第三组为高强度油管套管——只包括P110一个钢级，且经过调质处理；第四组为限制硬度波动的高强度油管套管——仅包括Q125一个钢级（四个不同成分），且经过调质处理。22.1.2 TP系列HS环境使用的油管套管2
这个系列分为两类：一类为抗HS应力腐蚀油管套管（S、2SS）；另一类为抗HS应力腐蚀并兼具抗挤毁的油管套管（TS、TSS）。
酸性环境用管必须提高其在硫化氢腐蚀环境下的抗硫化物应力腐蚀开裂能力。通过深入研究，已成功地开发出Cr－Mo系列管材，以作为酸性环境下油井管用材料。此种管材有良好的淬透性和回火稳定性，在一定温度下回火，可得到均匀细小的回火索氏体组织。通过成分的微调和不同的热处理制度，其机械性能完全满足相应钢级的要求，且具有极好的抗硫化物应力腐蚀（SSC）能力。
天津钢管集团生产的抗硫化物应力腐蚀油井管材（力学性能见表2.1），已通过国内外权威机构的评价和油田的使用认可，得到用户的好评，目前正被广泛应用于国内外酸性油气井中。表2.1 TP系列油管套管的力学性能th注：1．对于80ksi、90ksi、95ksi、100ksi钢级：S系列门槛值σ达th到85%SMYS, SS系列门槛值σ达到90%SMYS；th2．对于110ksi钢级：S系列门槛值σ达到80%SMYS, SS系列门th槛值σ达到85%SMYS。22.1.3 TP系列CO环境使用的油管套管22
CO腐蚀已成为油气开发的突出问题。根据井下CO含量不同，2开发了1Cr、3Cr、5Cr、9Cr、13Cr等抗CO腐蚀系列油管套管（力学性能见表2.2）。表2.2 TP系列油管套管力学性能2
另外，为适应更加苛刻的腐蚀环境（例如除含有CO外，还含少2－量HS、Cl等环境），还开发了具有更高强度和良好抗腐蚀性的TP－2HP13Cr及TP－SUP13Cr油气井用管材。一般将CO环境使用的油管套管分为三类：（1）低Cr型抗腐蚀油套管：包括TP80NC－1Cr（3Cr、5Cr、9Cr）、TP90NC－1Cr（3Cr、5Cr、9Cr）、TP95NC－1Cr（3Cr、5Cr、9Cr）、TP100NC－1Cr（3Cr、5Cr、9Cr）、TP110NC－1Cr（3Cr、5Cr、9Cr）。（2）13Cr型抗腐蚀油管套管：TP80-13Cr、TP90-13Cr、TP95-13Cr、TP100-13Cr、TP110－HP13Cr、TP125－HP13Cr、TP110－SUP13Cr、TP125－SUP13Cr。2（3）抗挤毁抗CO腐蚀油管套管：包括TP80TNC－1Cr（3Cr、5Cr、9Cr、13Cr）、TP90TNC－1Cr（3Cr、5Cr、9Cr、13Cr）、TP95TNC－1Cr（3Cr、5Cr、9Cr、13Cr）、TP100TNC－1Cr（3Cr、5Cr、9Cr、13Cr）、TP110TNC－1Cr（3Cr、5Cr、9Cr、HP13Cr），2这类油管套管除具有抗CO腐蚀能力外，还兼具抗挤毁功能。2.1.4 TP系列高抗挤毁用套管
此类套管具有比API Spec 5CT同规格同钢级石油套管更高的抗挤毁性能（见表2.3、表2.4、图2.1），目前有三类，一是API Spec 5CT标准规格系列的高抗挤毁套管；二是具有特殊通径要求的API Spec 5CT规格高抗挤毁套管；三是适应于盐岩层、盐膏层、泥岩层、注水井等复杂地层的非API规格系列的超高强度厚壁高抗挤毁套管。表2.3 TP110TT高抗挤毁套管与API P110同规格套管抗挤强度对比表2.4 非API标准规格厚壁高抗挤毁套管图2.1 TP110TT与P110钢级的抗挤毁保证值对比
目前，已经成功开发出14个钢级、几十个规格的高抗挤毁石油套管（包括：TP80T、TP95T（T）、TP110T（T）、HCP110、TP125T（T）、TP140T（T）、TP150T（T）等），不仅在国内全部陆上及海上油田使用，而且已经大量出口美国、加拿大、哈萨克斯坦、土库曼斯坦和伊朗等国家和地区。
对于遇有盐膏层、泥岩层以及油层出砂等特殊井况的油井，套管可能受到极大的外挤载荷或受到不均匀外挤载荷。这种地质条件下油气井需要使用非API标准规格超高抗挤毁套管。通过有限元分析，随着外载不均系数的增大，套管的抗挤强度明显降低，有些情况下可能下降到均匀载荷条件下抗挤毁强度的1/3甚至1/5。
要提高套管抵抗非均匀外挤载荷的能力，增大壁厚比提高钢级更有效。在非均匀载荷环境下，厚壁管具有明显优势，它能够承受更大的不均匀载荷。2.1.5 TP系列超深井用油管套管
根据油田超深井对套管的使用要求，天津钢管集团于2002年成功开发了TP140V、TP155V等适用于超深井的超高强度系列套管，并设计开发了特殊管串结构及配套接头，现已成功应用于井深8408m的亚洲第一深井——塔深1井。
TP系列深井超深井用套管材料是经过特殊设计和生产的，该套管具有优良的综合性能（见表2.5、表2.6），在具有超高强度的同时，还具有良好的韧性，而且其耐磨、抗疲劳开裂能力强。该套管不仅达到高抗挤毁水平，而且结构完整性和密封完整性也非常好。表2.5 TP140V系列超深井用套管下井情况一览（不完全统计）续表表2.6 TP系列超深井用特殊规格套管4
2003年至今，TP系列超深井套管已累计供货超过6×10t，共有32个规格、6种扣型，分别在塔里木盆地、四川盆地及天山山脉南北山前构造带、新疆（克拉玛依）油田、中原油田、土库曼斯坦等国内外主要油田和复杂构造带上得到批量使用，反响良好。特别是在西气东输的气源地——塔里木油田克拉苏山前构造带上全面使用TP系列超深复杂井专用套管及特殊管串结构后，该区块的勘探开发取得重大
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