复杂苛刻深井用油套管完整性技术研发及规模化应用项目公示材料

一、项目名称
 复杂苛刻深井用油套管完整性技术研发及规模化应用
二、提名意见
 推荐该项目为陕西省科技进步二等奖。
三、项目简介

      2022年我国油、气对外依存度高达71.2%和40.2%，接近国际能源安全警戒线，能源安全风险迫在眉睫。习近平总书记明确提出：“向地球深部进军是我们必须解决的战略科技问题，必须加大油气资源勘探开发力度，确保能源安全”，守住年产原油2亿吨、天然气2600-3000亿方的红线。因此，为保障国家能源安全，我国油气开采向深地、深海进军已成为必要趋势，正在开展的万米深井不得不面临前所未有的复杂地质条件、超深（大于9000m）、超高温（大于200℃）、超高压（大于150MPa）、高含H2S/CO2/氯离子Cl-等苛刻服役环境及其引发的“超级”难题，对油井管提出了更高要求和严峻挑战。现有高温高压气井虽然都采用气密封螺纹、严格完井管柱设计和选材，但仍然存在油井管完整性失效、天然气泄漏及其引发的环空带压等问题，其主要原因在于，现有非API125抗硫钢级和非API140以上钢级不仅不能满足上述恶劣工况，对缺陷及服役环境敏感，易发生断裂，而且国内外尚无此类高钢级套管应用技术标准。
      为此，项目组依托国家科技重大专项、国家自然科学基金及中国石油科技专项等课题，从苛刻服役工况高钢级油井管完整性技术需求入手，系统开展了高钢级油井管材料性能控制指标体系、高强度高韧性耐腐蚀的专用油井管钢及生产工艺、新型高性能螺纹连接及其完整性评价方法研究，通过十余年多学科联合攻关，突破了复杂苛刻深井用油套管完整性技术研发及规模化应用的一系列关键技术，取得了四方面创新成果。
（1）首次创建了高钢级油套管材料性能控制指标体系，规范了高钢级油套管使用，形成中国石油企业标准。结合非API高钢级套管全尺寸爆裂测试数据及加权双剪应力屈服准则，构建了充分考虑应力应变强化、包辛格效应、腐蚀缺陷、裂纹形态、无损检验水平、两端开口及堵口服役工况的高钢级油套管韧性爆裂压力模型，创新了高钢级油套管抗环境开裂所需的最小断裂韧性及横向冲击功计算方法，确定了高钢级油套管材料最小断裂韧性及横向冲击功与其几何参数、服役工况及无损检验水平之间的相关性，提出了油套管材料化学成分、拉伸力学性能、硬度、断裂韧性及冲击功控制指标，建立了硫化物应力腐蚀检验评价方法，创建了覆盖材料成分、力学性能、金相组织、腐蚀行为的高钢级油套管材料性能控制指标体系，140V/155V钢级和125S/TS材料性能指标体系已被中国石油企业标准“PTS-020401-01.00-2018无缝套管采购技术规格书”采纳。
（2）研发了高强度高韧性耐腐蚀的专用油井管钢及生产工艺，实现了产品性能稳定可靠和经济高效的生产，并在深井和超深井钻井与完井中取得了广泛应用。建立了碳，锰，铬，钼，铜等合金元素优化及铌钒微合金化等技术，并依据高钢级的高强度高韧性质量控制指标体系，研发了140v和155V高钢级套管。采用纯净钢冶炼技术：钢包炉精炼、真空脱气及夹杂物控制技术；精轧技术：精确控制管坯温度，保证管坯轧成管子后性能的稳定和尺寸精度；热处理技术：精确控制淬火炉和回火炉温度对套管进行调质处理以保证钢管的性能；消除残余应力技术：管体的高V含量促使其回火的温度可以较高，这保证钢管出回火炉后进入矫直机的温度比较高。研发了125TS高抗挤抗硫油套管，通过成分和工艺优化，采用铜钒复合时效，结合亚稳奥氏体控制技术，实现超细、亚稳、片层式抗裂纹扩展的组织结构，本征提升应力状态下抗HIC开裂能力，形成新的合金设计与组织调控机理以及全套生产工艺技术。研发了高强度抗疲劳套管提出 “热轧卷板+HFW焊接成型+热张力减径+热处理”制造工艺，研究开发了细晶粒尺寸、疲劳性能优异的高强抗疲劳石油套管。为深井超深井钻完井提供了技术保障。
（3）创新了油井管用气密封特殊螺纹密封失效判据并研发了新型高性能螺纹，完善了气密封理论和提升了螺纹性能。在国内外首次提出基于气密封特殊螺纹实物产品加工、上扣、井下使用全过程的气密封完整性失效判据；量化分析了气密封螺纹密封面加工椭圆度、上扣旋转滑移、载荷下密封面相对移动速率，创新构建了气密封模型和计算方法，实物复合载荷气密封试验和高温高压气井应用验证了气密封判据的可靠性。发明了高性能气密封螺纹结构：密封面采用锥面+球面多段复合结构，克服了大口径薄壁套管密封面加工椭圆度大、上扣沿圆周旋转滑移摩擦磨损严重、井下工况“高温+拉伸/压缩+弯曲交变载荷”确保生产使用过程中全寿命密封完整性。
新型高性能气密封螺纹已开发出钛合金油管、大口径高钢级套管、高钢级抗硫套管，均通过国际标准ISO 13679（2019）最苛刻四级评价。
（4）创新了高温高压气井完整性评价方法，提高了井下管柱可靠性。建立了油套管气密封螺纹动态载荷弯曲共振密封和疲劳全尺寸实物试验评价方法和装备。发展了CO2/H2S环境下油套管材料电化学腐蚀和应力腐蚀评估方法，建立了油套管全尺寸实物腐蚀试验装备和评价方法，形成材料选用指南，建立了多参数耦合的油管CO2/H2S腐蚀速率预测方法，搭建了油管腐蚀数据管理平台，形成了完整性评价方法。
项目获得专利授权15项（其中中国发明专利14项、国际发明专利1项），制定国家和行业以及企业标准5项，发表论文20篇（其中SCI/EI收录20篇），编写专著1部，收录“国家科技部安全适用产品名录”2项，获中国石油自主创新产品2项，获陕西省创新创业大赛银奖1项。
项目研究成果已在复杂苛刻高温高压气井、非常规长水平井、超深井及万米深井上规模化应用，8000m以上超深井应用56口，万米深井应用2口。近三年企业新增收入78.34亿元，新增利润11.53亿元。项目研发的140V/155V高钢级套管和125S/TS高钢级抗硫套管以及系列化气密封螺纹性能达到国际先进水平，获得国家石油管材质量监督检验中心、美国石油协会API和国际石油公司shell、Amoco、ExxonMobil、Chevron等20多家知名国际石油公司认证并完成油井管出口。
四、客观评价 
复杂苛刻深井用油套管完整性技术研发及规模化应用的创新成果4项：高钢级油套管材料性能控制指标体系；高强度高韧性耐腐蚀的专用油井管钢；气密封失效判据和高性能气密封螺纹；完整性试验评价装备和方法。
技术检测报告：非API高钢级140V/155V产品性能指标已纳入中国石油PTS-020401-01-2018《无缝套管采购技术规格书》。高钢级140V/155V，125TS高钢级抗硫套管，高性能气密封螺纹，经国家石油管材质量监督检验中心和国家石油管材工程技术中心试验验证均达到国际标准和订货技术条件规定的相关要求，质检报告（2020）质检字615号“196.85×12.70mm TP140HC TPG4套管及螺纹性能检测”，（2014）质检字474号“265.13×22mm TP155V TP-FJ套管及螺纹性能检测”，(2011)质检字112号“259×19.25mm TP155V套管抗挤毁检测”，125S/TS硫化氢应力腐蚀(拉伸)试验报告，（2019）质检字622号“139.7×12.7mm 125SG BJC-II套管及螺纹性能检测”，（2019）管检字044号“88.9×7.34mm 钛合金-110 BJC-II油管及螺纹性能检测”，报告内容见附件。
项目验收意见：国家科技重大专项研究任务“异常高温高压气井油管柱完整性关键技术研究”：1）形成气密封特殊螺纹振动载荷疲劳寿命预测分析技术；2）基于气密封完整性形成完井管柱三轴设计系数分析技术；3）开发钛合金油管气密封螺纹1项，性能达到国际标准要求。中国石油科学研究与技术开发项目“页岩气开发用套管适用性技术现场试验”：制定中国石油企业标准《页岩气用生产套管选用及评价》Q/SY07004-2016，推荐了页岩气用高钢级外加厚套管性能参数在生产中得到应用。对套管柱设计、采购、质量评价提供了依据。“西南油气田天然气上产300亿立方米关键技术研究与应用——全尺寸腐蚀与螺纹密封性能试验、评价及失效研究”：形成腐蚀预测模式，编制了油管腐蚀数据库管理系统；建立了气密封螺纹密封可靠性分析方法和判据理论模型。上述项目综合评估均为优秀。
产品证书：获中国石油自主创新产品证书2项，经济型气密封螺纹接头（证书编号2015E045）；气密封特殊螺纹套管（证书编号2015E046）。国家科技部发布的安全适用产品名录2项：气密封特殊螺纹连接套管。获陕西省2019年创新创业大赛银奖“油套管用新型气密封特殊螺纹开发及推广应用”。
五、应用情况和效益 
1. 应用情况
天津钢管集团股份有限公司从2010年起与中国石油集团工程材料研究院有限公司合作开展复杂苛刻深井用油套管完整性技术研发及规模化应用项目，研发的高钢级高韧性耐腐蚀高性能气密封特殊螺纹油套管，已广泛应用于中国石油、石化、海油以及延长油田，并出口至北美、中东、东南亚的20多家国际知名石油公司。在中国超深井塔里木、川渝油气田的万米深井中应用，完全替代进口全面国产化，为深地深海开发提供了保障。2017至2021年总计实现油套管销售额300亿元，其中高性能油套管实现新增销售额58.34亿元，新增利润8.93亿元。
宝鸡石油钢管有限责任公司从2013年起与中国石油集团工程材料研究院有限公司合作开展复杂苛刻深井用油套管完整性技术研发及规模化应用项目，研发的高强高韧性高性能气密封特殊螺纹油套管，已应用于中国石油各大油气田。在深井、非常规开发超长水平井中应用。2017至2021年总计实现油套管销售额100亿元，其中高性能油套管实现新增销售额15亿元，新增利润2亿元。
延安嘉盛石油机械有限责任公司从2010年起与中国石油集团工程材料研究院有限公司合作开展复杂苛刻深井用油套管完整性技术研发及规模化应用项目，研发的高性能气密封特殊螺纹油套管，已广泛应用于中国石油长庆和延长油田。在延长、长庆的非常规页岩油/气开发中规模化应用。2017至2021年总计实现油套管销售额20亿元，其中高性能油套管实现新增销售额5亿元，新增利润0.6亿元。
2011年中国石油集团工程材料研究院有限公司与延安嘉盛石油机械有限公司。合同编号SH-2010102-JF-029项目名称“XGC-1特殊螺纹产品技术转让”，合同金额100万元。合作开发经济型气密封螺纹连接套管。
2013年中国石油集团工程材料研究院有限公司与宝鸡石油钢管有限责任公司。项目名称“长庆油田用气密封特殊螺纹转化推广及评价试验合同”，合同金额318万元。合作开发高性能气密封螺纹连接套管。
 2020年中国石油集团工程材料研究院有限公司与天津钢管集团股份有限公司。项目名称“高温高压气井套管气密封螺纹完整性评价及适用性分析研究”，合同金额229.6万元。针对塔里木、西南的超深万米井开展合作研究。

主要应用单位情况表

2. 经济效益和社会效益
（一）经济效益：
统计项目近5年2017～2021年经济效益，总计实现新增销售额78.34亿元，新增利润11.53亿元。中国石油集团工程材料研究院有限公司先后与合作企业签订研发合同金额647.9万元。
（二）社会效益：
项目的实施，有力促进了国产油井管技术进步和领先。2010年以后塔里木、川渝油气田深井超深井开发用高钢级套管和高钢级抗硫套管以及高性能气密封螺纹，完全替代国外进口，且开发的高性能油井管产品性能指标均超越国外产品，保障了中国石油深地深海的勘探开发，8000m以上超深井从2018年的2口快速增长至2021年的28口井，有力确保了国家石油安全。高性能气密封特殊螺纹在长庆西峰华阳H1-6平台应用，确保了亚洲最长水平井6000m水平段顺利完井。
项目与陕西省企业合作，促进了地方经济发展和劳动就业，结束陕西省没有高附加值油套管产品的历史，增强了企业抗市场风险能力，解决了地方就业，如延安嘉盛公司，由于特殊螺纹套管向长庆和延长油田供货，使企业在油井管市场低迷期间，维持了企业生产和发展。同时项目的实施培养了企业管加工技术人才和企业级技术专家，提高了企业自主创新能力和发展。气密封特殊螺纹接头套管的开发填补了陕西地区油套管制造业空白。“本地化”下井的成功，代替进口或省外气密封螺纹接头油套管，每吨节约“运输和存储”成本0.1万元，单井按3500m计，约需150吨，每口井为延长油田节约15万元成本。

六、主要知识产权证明目录（限10条）

七、主要完成人情况表

八、主要完成单位及创新推广贡献

九、完成人合作关系说明 
1、王建东、李发根等人完成了《全尺寸腐蚀与螺纹密封性能试验、评价及失效研究》科研项目。
2、2020年中国石油集团工程材料研究院有限公司与天津钢管集团股份有限公司签订合同。合同名称“高温高压气井套管气密封螺纹完整性评价及适用性分析研究”，合同金额229.6万元。
3、2013年中国石油集团工程材料研究院有限公司与宝鸡石油钢管公司。合同名称“长庆油田用气密封特殊螺纹转化推广及评价试验合同”，合同金额318万元。
4、2011年中国石油集团工程材料研究院有限公司与延安嘉盛石油机械有限公司。合同编号SH-2010102-JF-029项目名称“XGC-1特殊螺纹产品技术转让”，合同金额100万元。
5、Wang, JD (王建东; Deng, KH (等宽海); Yin, ZP (Yin Zhiping); Liu, B (Liu Bing); Lin, YH (林元华); Feng, YR (冯耀荣). Study of technical specifications for non-API 140 casing in ultra-deep well[J]. Engineering Failure Analysis, 2019, Vol.97: 115-127