第二章 生产套管和油管
套管设计及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及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、调整措施及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 kpsi 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 Mpa 276 379 379 552 571 552 620 665 758 861 1035 最高屈服强度 Mpa 552 552 552 758 620 665 725 760 965 1040 1240 最低抗拉强度 Mpa 414 517 665 689 665 665 690 720 865 930 1140 延伸率 % 22.5 18 17 18 18 16.5 18 11.5 API标准 （适用范围） 5A 5A 5A 5A 5AC 5AC (5AC) (5AC) A5X (5AQ) (5AX) ① 待编入API标准。
表2-1-2 套管生产厂家及代号（商品名）
国别 美国 厂家 Armco B&W Central CF&1 Copperwelol Fort Worth LTV Lone Star Newport USS Wheeling Pittsburgh 专用等级代号 ARMCO CF LTV S.S.S USS 国别 南朝鲜 厂家 Sumitomo Hyundai Pusan UTM Voest Alpine Tubeneuse Vallourec Benteler Fuchs Hoesch Mannesmann British Steer Allesio Arvedi Dalmine S.E.T.A Tubacex Uddeholm 专用等级代号 SM 奥地利 比利时 法国 西德 VK MW HC. WHC DHC.D 巴西 加拿大 委内瑞拉 日本 Confab Algoma ISPSCO CVG Kawaaki Nippon NKK Maruichi SOO K T. KO NKLT. NT NK 西班牙 瑞典 英国 意大利 表2-1-3 非API标准套管钢级的强度指标 非API标准 S—80 SOO95 S—95 SS—95 最小屈服强度 Mpa(kpsi) 379.21(55) 655.00(95) 655.00(95) 551.58(80) 最小抗拉强度 Mpa(kpsi) 655.00(95) 758.42(110) 758.42(110) 689.48(100) 非API标准 S—105 S—140 V—150 S—155 最小屈服强度 Mpa(kpsi) 655.00(95) 965.27(140) 1034.21(150) 1068.69(155) 最小抗拉强度 Mpa(kpsi) 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。
表2-1-4 套管抗挤额定值
外径 mm (in) 114.3 (4 1/2) 127 (5) 139.7 (5 1/2) 168.275 (6 5/8) 177.8 (7) l b f t 11.6 13.5 15.1 15 18 23.2 17 20 23 24 28 32 23 26 29 32 35 38 26.4 29.7 33.7 39 45.3 46.1 平均重量 kg m 17.26 20.09 22.47 22.32 26.79 34.53 25.3 29.76 34.23 35.72 41.67 47.62 34.23 38.69 43.16 47.62 52.09 56.55 39.29 44.2 50.15 58.04 67.41 68.6 N m 169.3 197 220.4 218.9 262.7 338.6 248.1 291.9 335.7 350.3 408.6 467 335.7 379.4 423.2 467 510.8 554.6 385.3 433.4 491.8 569.2 661.1 672.8 壁厚 mm 径厚 比 0.0556 0.0644 0.0749 0.0592 0.0724 0.0956 0.0553 0.0656 0.0755 0.0531 0.0629 0.0717 0.04530.0517 0.0583 0.0647 0.0711 0.0771 0.0430 0.0492 0.0564 0.0656 0.0780 0.0768 API抗挤额定值 kPa L-80 C-90 P-110 43782 58881 49987 723260 43368 60881 76945 39741 56330 71154 26407 37301 48470 59295 70189 78531 23442 33026 45230 60812 48470 66603 52262 73705 98871 61019 92872 Lone Star SS-95 TCA 80HC 59640 71568 85012 64673 81910 109075 59157 73291 85840 38955 53779 63432 71705 79979 87563 33440 49298 60674 73084 88942 Mann-emau MWC95S 58260 75704 92528 65018 89770 57640 74532 89908 43368 63432 81358 38955 53779 63432 71705 79979 87563 33440 49298 60674 73084 Nippon NT85HSS 60260 71843 85771 64949 82392 114384 59915 73360 86529 57158 69844 81427 39645 55365 63777 72188 80669 88804 34474 49642 61363 73291 89977 88322 NKK AC- 80T 54675 69223 85012 60605 82254 54193 71154 85840 50676 66741 80875 37852 48401 59157 69637 79979 87563 34129 44264 56054 71085 Sumit- Omo SM80T 54400 70002 84806 51228 65914 79428 37921 49022 59157 69292 77980 87563 3344044816 56399 69913 193.675 (7 5/8) 196.82 6.350 7.366 8.56 7.518 9.195 12.141 7.722 9.169 10.541 8.941 10.592 12.065 8.052 9.159 10.363 11.506 12.649 13.716 8.331 9.525 10.922 12.700 15.113 15.113 59640 71568 85012 55916 64673 82944 81910 109075 47850 51573 59157 69085 76532 73291 89149 100250 85840 43506 46402 63570 70051 81496 91149 28544 38955 40610 42954 53779 54055 58812 63432 67155 74325 71705 80324 89839 79979 92597 104318 87563 25580 33440 35370 36887 49298 50194 54262 60674 68948 76394 73084 88942 87219 219.075 (8 5/8) 222.25 244.475 (9 5/8) 247.65 250.825 273.05 (10 3/4) 198.45 (11 3/4) 301.625 339.725 342.90 36 40 44 49 49.7 40 43.5 47 53.5 58.4 61.1 59.2 62.8 51 55.560.7 65.7 71.1 60 65 71 71.8 72 81.4 53.57 525.4 10.160 59.53 583.8 11.430 65.48 624.1 12.700 72.92 715.1 14.148 73.96 725.3 14.148 59.53 583.8 10.033 64.74 634.8 11.049 69.94 685.9 11.989 79.62 780.8 13.843 86.91 852.3 15.113 90.93 891.7 15.875 88.10 863.96 15.113 93.46 916.5 15.875 75.9 744.3 11.430 82.59 810 12.573 90.33 885.9 13.843 97.77 958.8 15.113 105.81 1037.6 16.510 89.29 875.6 12.421 96.73 948.6 13.564 105.66 1036.2 14.783 106.8 1047.8 14.783 107.15 1050.76 13.056 121.14 1187.9 14.732 0.0464 0.0522 0.0580 0.0646 0.0637 0.0410 0.0452 0.0490 0.0566 0.0618 0.0649 0.0610 0.0633 0.0419 0.0460 0.0507 0.0553 0.0605 0.0416 0.0459 0.0495 0.0490 0.0384 0.0430 28269 38059 47919 59008 21305 26269 32750 45643 22201 27717 29992 41506 53365 66879 22960 28475 35094 50608 23994 29579 44057 58054 73981 30475 36542 54813 25235 31785 40541 51711 24980 19857 21925 18407 23718 19443 41782 54469 62742 71705 70740 29165 38611 48953 61019 68603 72395 67224 70189 30751 41024 52055 59571 66190 30406 39576 50194 49573 23925 33509 41782 54469 62742 71705 29165 38611 48953 61019 41782 54469 62742 71705 29165 38611 48953 61019 68603 72395 30751 41024 52055 59571 23925 42334 55985 63363 71981 70809 30337 39438 49298 61639 68603 72464 67362 70327 31992 41506 53986 59984 66603 31509 39990 50676 49573 25373 34336 39645 49160 58605 69430 30889 37714 43989 56399 64949 72464 32267 39093 46746 54331 31854 38128 44816 26683 39714 49366 58330 68672 29165 37921 44333 56399 30751 39507 30406 23925
1．螺纹的分类及代号
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 螺纹的分类及代号
类 数 五种类型 标 准 API标准螺纹 非API螺纹 名 称 短圆螺纹 长圆螺纹 梯形螺纹 直连形螺纹 特殊螺纹 使用的符号或代码 (STC) (CSG 或 C1) (LTC) (LCSG 或 C2) (BTC) (BCSG 或 C33) (XL) (XCSG 或 CHX) 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及149℃。 4）可以重复上扣使用。 其缺点有：
1）过高压力及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