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第二章生产套管和油管
第二章 生产套管和油管
套管设计与下套管作业是钻井工程中关系到完井作业质量的一项重要工作，油管设计是完井过程中要完成的一项主要工作。从现代完井工程概念出发一个更为完美、合理的生产套管、油管设计不仅要满足钻井、完井工程本身的需要，还应能为油、气井采用适合的工艺技术生产与油气井在生产过程中由于油、气层能量的变化而采取相应措施留有余地。因此在进行生产套管、油管设计时，应视油气井生产套管、油管参数为油气井最优化生产方式、调整措施与特殊工艺要求的函数值。
第一节 生产套管的选择和计算
海洋油气田开发工程中常规的套管程序包括：隔水导管、表层套管、中间技术套管（1～3层，视井深和工程情况而定）和生产套管。
生产套管（又称油层套管）是为地下储集层中的石油或天然气流至地面创造良好的流动通道。生产套管的重要功能是用以保护井壁、隔离各层流体，以利于油气井分层测试、分层开采和分层改造。
生产套管对油气井来说是其终身保护层，一旦下入以后再也无法调整，因此在进行设计时必须考虑周全，使所选的套管既能满足钻井需要又能适应以后生产要求。
海上油气田的特点之一是丛式定向井、大斜度井、水平井的广泛应用，且油气井的产量甚高。海上油井大部分采用人工举升法开采，尤其是气举法，电潜泵更为广泛使用，同时一些工艺措施如油井防砂措施等也被广泛使用。
生产套管所受的主要载荷包括：管柱周围流体所产生的外挤压力，来自钻井液、储集层流体、井下工艺压力试验产生的内压力和自身重量等所产生的拉伸载荷。生产套管必须经受钻井阶段、完井阶段和生产阶段的各种作业载荷，经受特定环境中的温度、压力和腐蚀的影响；生产套管还必须配备易于上扣并具备最佳密封效果的连接接头。
一、套管钢级
1．API套管钢级
API标准套管有十个钢级，即H40、J55、K55、T95、N80、C90、C95、L80、Pll0、125Q。API规范中，钢级代号后面的数值乘以6894.757kPa （1000psi），即为套管以kPa （或psi）为单位的最小屈服强度。这一规定除了极少数例外，也适应于非API标准的套管。
API套管钢级的强度指标见表2-1-1。
目前，世界上能生产API标准套管的有38个工厂，分布于14个国家，表2-1-2列出了API承认的厂家名单。
2．非API套管钢级
有的API标准套管的生产厂家也生产非API标准系列套管，非API标准套管是根据钻井和采油工程需要而超出API标准的进一步发展。
非API标准套管各种钢级的强度指标见表2-1-3。

表2-1-1 API标准套管钢级的强度指标
钢级
颜色标志
最小屈服强度
最高屈服强度
Mpa
最低抗拉强度
Mpa
延伸率
%
API标准
（适用范围）
kpsi
Mpa
H-40
J-55
K-55
N-80
C-75
L-80
C-90
C-95
P-110
Q-125
①V-150
无色或黑色
浅绿
绿色
红色
蓝色
红夹棕
紫色
棕色
白色
白色
白色
40
55
55
80
75
80
90
95
110
125
150
276
379
379
552
517
552
620
665
758
861
1035
552
552
552
758
620
665
725
760
965
1040
1240
414
517
665
689
665
665
690
720
865
930
1140

22.5
18
17
18
18

16.5

18
11.5
5A
5A
5A
5A
5AC
5AC
(5AC)
(5AC)
A5X
(5AQ)
(5AX)
① 待编入API标准。

表2-1-2 套管生产厂家与代号（商品名）
国别
厂家
专用等级代号
国别
厂家
专用等级代号
美国
Armco
B&W
Central
CF&1
Copperwelol
Fort Worth
LTV
Lone Star
Newport
USS
Wheeling
Pittsburgh

ARMCO

CF

LTV
S.S.S

USS

Sumitomo
SM
南朝鲜
Hyundai
Pusan
UTM

奥地利
Voest Alpine

比利时
Tubeneuse

法国
Vallourec
VK
西德
Benteler
Fuchs
Hoesch
Mannesmann

MW
巴西
Confab

英国
British Steer
HC. WHC
加拿大
Algoma
ISPSCO
SOO
意大利
Allesio
Arvedi
Dalmine
S.E.T.A

DHC.D
委内瑞拉
CVG

日本
Kawaaki
Nippon
NKK
Maruichi
K T. KO
NKLT. NT
NK
西班牙
Tubacex

瑞典
Uddeholm

表2-1-3 非API标准套管钢级的强度指标
非API标准
最小屈服强度
Mpa(kpsi)
最小抗拉强度
Mpa(kpsi)
非API标准
最小屈服强度
Mpa(kpsi)
最小抗拉强度
Mpa(kpsi)
S—80
SOO95
S—95
SS—95
379.21(55)
655.00(95)
655.00(95)
551.58(80)
655.00(95)
758.42(110)
758.42(110)
689.48(100)
S—105
S—140
V—150
S—155
655.00(95)
965.27(140)
1034.21(150)
1068.69(155)
758.42(110)
1034.21(150)
1103.16(160)
1137.63(165)

二、套管的联接
单根的套管由接头联接成套管柱，较大直径的套管都采用接箍联接。联接是由螺纹来实现的，因此，螺纹联接是套管质量和强度检验的重点。

1．螺纹的分类与代号
套管螺纹在API规范中分为五大类，如表2.1.5所示。前四类属API标准，第五类系非API标准。
表2-1-5 螺纹的分类与代号
类 数
标 准
名 称
使用的符号或代码

五种类型

API标准螺纹
短圆螺纹
(STC) (CSG 或 C1)
长圆螺纹
(LTC) (LCSG 或 C2)
梯形螺纹
(BTC) (BCSG 或 C33)
直连形螺纹
(XL) (XCSG 或 CHX)
非API螺纹
特殊螺纹

API标准螺纹的优点是：
1）加工容易，一般精度，油田现场容易加工配接有关短节，成本低。
2）采用一般操作条件联接，易于修扣和现场处理。
3）在有优质密封脂配合使用，对流体密封条件可达69MPa与149℃。
4）可以重复上扣使用。
其缺点有：
1）过高压力与气体不能满足密封要求。
2）API螺纹的联接强度仅是管体抗拉强度的80％。
3）在有腐蚀流体的环境，因API接箍的“干扰值”过大，过大的圆周应力容易产生接箍的氢脆应力破坏或发生应变裂纹。
出于特殊条件需要，各钢管制造厂家推出各种非API标准的特殊螺纹见表2.1.6。螺纹的制造和设计具有以下特点：
l）力求联接强度大于或等于管体抗拉强度。
2）提供更高级密封，主要采取金属对金属的密封设计。
3）降低连接螺纹的“干扰值”。
4）容易对扣和上扣，并且内孔壁光滑，避免产生涡流。
5）不容易在现场配接短节，要求严格的操作条件和成本高。
6）具有扭矩台肩，满足上扣扭矩强度要求，可控制过大的圆周应力（周向应力）。
7）联接处（或接箍）的外径能够达到尽可能小的程度。
2．螺纹最高泄漏压力
API标准的三种螺纹的最高抗泄漏压力，见表2.1.7。
从螺纹抗泄漏压力比较，长圆螺纹与短圆螺纹其压力是一致的。而梯形螺纹抗泄漏压力大。因此BTC更不易漏失。
3．螺纹的镀层
套管螺纹的镀层有锌，锡和磷化层，它们对上扣扭矩值有一定影响，最佳镀层是锡层，但因其成本高，常用于高级螺纹或有特殊要求的地方。
三、API套管试压标准
1995年4月1日，美国石油学会修订并出版了第五版“套管和油管” API技术规范（5CT），规定了套管抗内压的标准和压力试验步骤。

表 2-1-6 特殊螺纹代号与厂家一览表
序
特殊螺纹代号或标志
主要生产厂家与代码
1
SL
Armco
2
SEU
TS
CTS
FJ—P
SFJ—P
FJ—40
HCS
MAS
NCTK
NCTS
HYDRIL
3
BDS—TC
BDS—U
O mega
MANNESMAN
4
MODIFIED
TC—4S
FL—4S
IJ—4S
NL ATLAS—BRADFORD
5
VAM—ATAC
VAM—AG
VAM—AF
VALLOUREC(或日本住友)
6
VETL
VETR
VETCO OFFSHORE
7
NK—2SC
NK—3SB
NK—EL
NKK
8
PE

表 2-1-7 螺纹最高泄漏压力（Mpa）
尺寸,mm (in)
STC
LTC
BTC
备 注
114.3 (4 1/2)
123.55
123.55
119.83

127.0 (5)
110.31
110.31
134.99

138.7 (5 1/2)
90.73
90.70
110.00

168.0 (6 5/8)
81.56
81.56
101.90

177.8 (7)
65.64
65.64
81.29

193.7 (7 5/8)
196.9 (7 3/4)
81.36
81.36
81.36
81.36
87.42
87.42

219.0 (8 5/8)
71.56
71.56
77.43

244.5 (9 5/8)
244.5 (9 5/8)
58.33
66.67
58.33
66.67
63.15
63.15
P—110与最高钢级
273.0 (10 3/4)
273.0 (10 3/4)
47.44
50.74
—
—
51.36
51.36
P—110与最高钢级
298.5 (11 3/4)
41.13
—
43.44

339.7 (13 3/8)
31.37
—
33.99

406.4 (16)
473.0 (18 3/8)
508.0 (20)
22.27
21.72
16.55
—
—
—
24.55
24.13
16.00

表 2-1-8 套管试压系数f
系 数
钢 级
小于10 3/4 in
套管
等于或大于
10 3/4 in 套管
所有尺寸的选择
试验压力
H40
J55，K55
L80，N80
C90
C95，T95
P110
Q125
0． 8
0． 8
0． 8
0． 8
0． 8
0． 8
0． 8
0. 6
0. 6
0． 8
0． 8
0． 8
0． 8
0． 8
0． 8
0． 8
—
—
—
0． 8
0． 8

规范指出，不论是套管、油管和尾管，还是相应的短节，在出厂前都必须进行压力试验
最大试验压力计算公式是：
p=2(f×YP×t)/D
式中 p ——静态液压试验压力值，Mpa;
f ——套管试压系数，详见表2-1-8；
YP ——管材的屈服强度，MPa；
T ——管材壁厚，mm；
D ——管材外径，mm。
厂家向用户提供管材时务必同时递交根据API规定的检验报告。
表2-1-10列出了不同规格套管的最小工作特性，除常用的生产套管外，还选辑了小直径套管，便于不同类型油井的设计和查阅。
四、生产套管的选择
设计选择出来的套管应该在最经济条件下，使生产井在特定时间和环境内得到可靠的保护，其受到的最大应力处于允许的安全范围内，因此在套管选择时应考虑如下因素：
1．套管尺寸选择的要求
生产套管尺寸的选择，在首先满足钻井工程要求的前提下，还应满足以下几方面要求：
1）油井产能与人工举升设备和管柱；
2）注水井注水量和测试工艺；
3）油水井增产增注措施。
2．套管的强度要求
生产套管承受地层高温高压，在定向井还承受不可忽视的弯曲应力等因素的影响。这些因素都会直接影响套管的强度。因此，强度计算中，对抗拉、抗挤、抗内压安全系数要得当，一 般来说，探井应比开发井高。生产套管一般不宜选用低于J一55级钢管。
3．非API钢级套管的选用
非API钢级套管具有高压缩强度、高连接强度、高抗漏等性能。
（1）深井生产套管的选择
深井套管承受较大的拉伸负荷和高压缩强度的作用，通常API钢级套管很难满足，因此尽可能不使API而采用非API钢级套管，尤其不要使用API圆螺纹套管。若套管内压超过34.5MPa (5000psi）时宜选用无缝钢管而不用电阻焊钢管。
（2）高温高压气井套管的选择
高温高压气井易使套管受热变形和弯曲，连接部分易发生气体漏失。现行API标准钢级尤其是螺纹尚不能满足高温高压井的需要。而非API标准钢级和扣型如NKK系列套管具有高连接强度与高抗漏特性。
（3）在硫化氢环境下的套管选择
硫化氢使钢体脆性断裂，即发生氢脆，在低温API高强度钢中氢脆现象更严重，而非API钢级套管如NKK系列套管较宜于有硫化氢存在的环境下使用。
从工程力学角度认为硫化氢的分压大于0.2068kPa （0. 03psi）绝对压力，生产套管就应考虑使用防硫化氢的材料。在API钢级套管中有六种具备抗硫性能（表2-1-9），非API钢级套管中S一80，SS一95等属抗硫套管。
表 2-1-9 具有抗硫性能的API钢级套管
API技术规范
5A
5AC
5AX
5AQ
适用于含硫化物的地区
H—40
J—55
K—55
C—75
L—80
C—90

不适用于含硫化物的地区
N—80
C—95
P—110
Q—125

（4）二氧化碳（C02）环境下的套管选择
在存在CO2环境下宜选用API无缝钢管而不宜选用电阻焊钢管，或选用抗腐蚀合金钢如Cr9、Crl3、Cr23或Cr25级别的不锈钢管如图2-1-1所示。
（5）大斜度井套管选择
由于大斜度井的造斜井段曲率较大，会大大增加套管的弯曲应力，而可能引起套管接箍断裂。因此应选用较高钢级的API套管。
4．生产尾管的设计原则
生产尾管是一种顶端不延伸到井口而悬挂在上一层套管内的特殊生产管柱，具有既节约套管成本又减轻管柱的轴向载荷等优点。故不论陆上还是海上油气田井身结构设计中都被广泛采用。
常规的生产尾管与套管组合程序是：
7in套管悬挂51/2in（或41/2in）尾管
95/8in套管悬挂7in(或51/2in)尾管
133/8 in套管悬挂95/8in套管
尾管长度一般在500~1500m之间
海上钻井，常规的生产套管为95/8in（244.5mm）技术套管悬挂7in(177.8mm)生产尾管。

.

表2-1-10 API套

外
径
mm
(in)
平均重

钢

级

壁

厚

mm

内

径

mm
最小屈服强度下的抗内压力
1b

ft
N

m
kg

m
圆螺纹
梯形螺纹，kPa
短螺纹
长螺纹
标准接箍
特殊接箍
kPa
kg/
cm2
kPa
kg/
cm2
同一
钢级
高一
钢级
同一
钢级
高一
钢级
114.30
(41/2)
9.5
138.6
14.14
H—40
5.21
103.9
21994
224.3
--
-
-
-
-
-
9.5
10.5
11.6
138.6
153.2
169.3
14.14
15.63
17.26
J—55
J—55
J—55
5.21
5.69
6.35
103.9
102.9
101.6
30199
33026
36887
307.9
336.8
376.1
--
--
36887
-
-
376.1
-
33026
36887
-33026
36887
-
33026
36887
-
33026
36887
9.5
10.5
11.6
138.6
153.2
169.3
14.14
15.63
17.26
K—55
K—55
K—55
5.21
5.69
6.35
103.9
102.9
101.6
30199
33026
36887
307.9
336.8
376.1
--
--
36887
-
-
376.1
-
33026
36887
-
33026
36887
-
33026
36887
-
33026
36887
11.6
13.5
169.3
197
17.26
20.09
C—75
C—75
6.35
7.37
101.6
99.6
--
--
-
-
50263
58330
512.5
594.8
50263
58330
-
-
50263
51642
-
-
11.6
13.5
169.3
197
17.26
20.09
L—80
L—80
6.35
7.37
101.6
99.6
--
--
-
-
53641
62191
547
634.2
53641
62191
53641
62191
53641
55089
53641
62191
11.6
13.5
169.3
197
17.26
20.09
N—80
N—80
6.35
7.37
101.6
99.6
--
--
-
-
53641
62191
547
634.2
53641
62191
53641
62191
53641
55089
53641
62191
11.6
13.5
169.3
197
17.26
20.09
C—95
C—95
6.35
7.37
101.6
99.6
--
--
-
-
63708
73843
649.6
753
63708
73843
-
-
63708
65431
-
-
11.6
13.5
169.3
197
17.26
20.09
C—95
C—95
6.35
7.37
101.6
99.6
--
--
-
-
63708
73843
649.6
753
63708
73843
-
-
63708
65431
-
-
11.6
13.5
15.1
169.3
197
220.4
17.26
20.09
22.47
P—110
P—110
P—110
6.35
7.37
8.56
101.6
99.6
97.2
--
--
--
-
-
-
73705
85564
99422
751.6
872.5
1013.8
73705
85564
92803

73705
85564
99422
73705
75773
75773
73705
85564
95906
127.00
（5）
11.5
13
15
167.8
189.7
218.9
17.11
19.35
22.32
J—55
J—55
J—55
5.59
6.43
7.52
115.8
114.1
112
29234
33577
39300
298.1
342.4
400.7
-
33577
39300
-
342.4
400.7
-
33577
39300
-33577
39300
-
33577
35370
-33577
39300
11.5
13
15
167.8
189.7
218.9
17.11
19.35
22.32
K—55
K—55
K—55
5.59
6.43
7.52
115.8
114.1
112
29234
33577
39300
298.1
342.4
400.7
-
33577
39300
-
342.4
400.7
-
33577
39300
-33577
39300
-33577
35370
-33577
39300
15
18
21.4
23.2
24.1
218.9
262.7
312.3
338.6
351.2
22.32
26.79
31.85
34.53
35.86
C—75
C—75
C—75
C—75
C—75
7.52
9.19
11.1
12.14
12.7
112
108.6
104.8
102.7
101.6
--
--
--
--
--
-
-
-
-
-
53572
65500
69913
69913
69913
546.3
667.9
712.9
712.9
712.9
53572
64052
64052
64052
64052
-
-
-
-
-
48194
48194
48194
48263
48194
-
-
-
-
-
15
18
21.4
23.2
24.1
218.9
262.7
312.3
338.6
351.7
22.32
26.79
31.85
34.53
35.86
L—80
L—80
L—80
L—80
L—80
7.52
9.19
11.1
12.14
12.7
112
108.6
104.8
102.7
101.6
--
--
--
--
--
-
-
-
-
-
57158
69913
74532
74601
74532
582.8
712.9
760
760.7
760
57158
68327
68327
68327
68327
57158
69913
-
-
-
51435
51435
51435
51435
51435
57158
69913
-
-
-
15
18
21.4
23.2
24.1
218.9
262.7
312.3
338.6
351.7
22.32
26.79
31.85
34.53
35.86
N—80
N—80
N—80
N—80
N—80
7.52
9.19
11.1
12.14
12.7
112
108.6
104.8
102.7
101.6
--
--
--
--
--
-
-
-
-
-
57158
69913
74532
74601
74532
582.8
712.9
760
760.7
760
57158
68327
68327
68327
68327
57158
69913
84392
92252
93907
51435
51435
51435
51435
51435
57158
69913
70671
70740
70671
15
18
21.4
23.2
24.1
218.9
262.7
312.3
338.6
351.7
22.32
26.79
31.85
34.53
35.86
C—90
C—90
C—90
C—90
C—90
7.52
9.19
11.1
12.14
12.7
112
108.6
104.8
102.7
101.6
--
--
--
--
--
-
-
-
-
-
64259
78600
83909
83909
83909
655.3
801.5
855.6
855.6
855.6
64259
76877
76877
76877
76877
-
-
-
-
-
57916
57916
57916
57916
57916
-
-
-
-
-

管最小特性表
接头拉伸强度
抗挤强度
管体屈服强度
圆螺纹
梯形螺纹，kN
短螺纹
长螺纹
标准接箍
特殊接箍
kN
t
kN
t
同一
钢级
高一
钢级
同一
钢级
高一
钢级
kpa
kg/cm2
kN
t
342.5
34.9
--
--
--
--
--
--
19030
194.1
493.8
50.3
449.3
587.2
685
45.8
59.9
69.9
--
--
720.6
--
--
73.5
--
903
1000.8
--
903
1000.8
--
903
1000.8
--
903
1000.8
22822
27648
34198
232.7
281.9
358.7
676.1
734
818.5
68.9
74.8
83.5
498.2
649.4
756.2
50.8
66.2
77.1
--
--
800.7
--
--
81.6
--
1107.6
1232.2
--
1107.6
1232.2
--
1107.6
1232.2
--
1107.6
1232.2
22822
27648
34198
232.7
281.9
348.7
676.1
734
818.5
68.9
74.8
83.5
--
--
--
--
943
1143.2
96.2
116.6
1294.4
1485.7
--
--
1294.1
1423.4
--
--
42058
56123
428.9
572.3
1112.1
1281.1
113.4
130.6
--
--
--
--
943
1143.2
96.2
116.6
1294.4
1485.7
--
--
1294.4
1423.4
--
--
43782
58881
446.5
600.4
1187.7
1365.6
121.1
139.3
--
--
--
--
992
1201
101.2
122.5
1352.3
1552.4
1352.3
1552.4
1352.2
1499.1
1352.2
1552.4
43782
58881
446.8
600.9
1187.7
1365.6
121.1
139.3
--
--
--
--
992
1201
101.2
122.5
1374.5
1579.1
--
--
1374.5
1499.1
--
--
47022
64121
479.5
653.9
1334.5
1534.6
136.1
156.5
--
--
--
--
1040.9
1263.3
106.1
128.8
1445.7
1663.6
1445.7
1663.6
1445.7
1570.2
--
--
48470
66603
494.3
679.2
1410.1
1619.2
143.8
165.1
--
--

--
--
1241.1
1503.5
1806
126.6
153.3
184.2
1712.6
1970.6
2264.1
1712.6
1970.6
2264.1
1712.6
1872.7
1872.7
1712.6
1970.6
2264.1
52262
73636
98940
532.9
750.9
1008.9
1632.5
1877.1
2157.4
166.5
191.4
220
591.6
751.7
920.8
60.3
76.7
93.9
--
809.6
992
--
82.6
101.2
--
1121
1303.3
--
1121
1303.3
--
1121
1276.6
--
1121
1303.3
21098
28544
38335
215.1
291.1
390.9
809.6
925.2
1027
82.6
94.3
109.3
653.9
827.4
1014.2
66.7
84.4
103.4
--
894.1
1084.3
--
91.2
111.6
--
1374.5
1596.9
--
1374.5
1596.9
--
1374.5
1596.9
--
1374.5
1596.9
21098
28544
38335
215.1
291.1
390.9
809.6
925.2
1072
82.6
94.3
109.3
--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
1312.2
1672.5
2072.9
2281.9
2393.1
133.8
170.6
211.4
232.7
244
1668.1
2010.6
2268.6
2268.6
2268.6
--
--
--
--
--
1619.2
1619.2
1619.2
1619.2
1619.2
--
--
--
--
--
47850
68672
82530
89425
93079
488
700.3
841.6
911.9
949.2
1459
1761.5
2090.7
2264.1
2357.6
148.8
179.6
213.2
230.9
240.4
--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
1312.2
1672.5
2072.9
2281.9
2393.1
133.8
170.6
211.4
232.7
244
1685.9
2032.8
2268.6
2268.6
2268.6
--
--
--
--
--
1619.2
1619.2
1619.2
1619.2
1619.2
--
--
--
--
--
49987
72359
87977
95354
99285
509.7
738.3
897.2
972.4
1012.5
1556.9
1877.1
2228.6
2415.4
2517.7
158.8
191.4
227.2
246.3
256.7
--
--
--
--
--
--
--
--
--
--
1383.4
1761.5
2179.6
2402
2522.1
141.1
179.6
222.3
244.9
257.2
1761.5
2121.8
2388.7
2388.7
2388.7
1761.5
2121.8
2517.7
2713.2
2842.4
1703.7
1703.7
1703.7
1703.7
1703.7
1761.5
2121.8
2130.7
2130.7
2130.7
49987
72395
87977
95354
99285
509.7
738.3
897.2
972.4
1012.5
1556.9
1877.1
2228.6
2415.4
2517.7
158.8
191.4
227.2
246.3
256.7
--
--
--
--
--
--
--
--
1383.4
1761.5
2179.6
2402
141.1
179.6
222.3
244.9
1797.1
2166.3
2388.7
2388.7
--
--
--
--
1703.7
1703.7
1703.7
1703.7
--
--
--
--
54055
79497
99009
10282
551.2
810.7
1009.7
1094
1752.6
2112.9
2508.8
2717.9
178.7
215.5
255.8
277.1
--
--
2522.1
257.2
2388.7
--
1703.7
--
111695
1139
2829.1
288.5

外
径
mm
(in)
平均重

钢

级

壁

厚

mm

内

径

mm
最小屈服强度下的抗内压力
1b

ft
N

m
kg

m