復雜苛刻深井用油套管完整性技術研發及規?；瘧庙椖抗静牧?

一、項目名稱
 復雜苛刻深井用油套管完整性技術研發及規?；瘧?br /> 二、提名意見
 推薦該項目為陜西省科技進步二等獎。
三、項目簡介

      2022年我國油、氣對外依存度高達71.2%和40.2%，接近國際能源安全警戒線，能源安全風險迫在眉睫。習近平總書記明確提出：“向地球深部進軍是我們必須解決的戰略科技問題，必須加大油氣資源勘探開發力度，確保能源安全”，守住年產原油2億噸、天然氣2600-3000億方的紅線。因此，為保障國家能源安全，我國油氣開采向深地、深海進軍已成為必要趨勢，正在開展的萬米深井不得不面臨前所未有的復雜地質條件、超深（大于9000m）、超高溫（大于200℃）、超高壓（大于150MPa）、高含H2S/CO2/氯離子Cl-等苛刻服役環境及其引發的“超級”難題，對油井管提出了更高要求和嚴峻挑戰?，F有高溫高壓氣井雖然都采用氣密封螺紋、嚴格完井管柱設計和選材，但仍然存在油井管完整性失效、天然氣泄漏及其引發的環空帶壓等問題，其主要原因在于，現有非API125抗硫鋼級和非API140以上鋼級不僅不能滿足上述惡劣工況，對缺陷及服役環境敏感，易發生斷裂，而且國內外尚無此類高鋼級套管應用技術標準。
      為此，項目組依托國家科技重大專項、國家自然科學基金及中國石油科技專項等課題，從苛刻服役工況高鋼級油井管完整性技術需求入手，系統開展了高鋼級油井管材料性能控制指標體系、高強度高韌性耐腐蝕的專用油井管鋼及生產工藝、新型高性能螺紋連接及其完整性評價方法研究，通過十余年多學科聯合攻關，突破了復雜苛刻深井用油套管完整性技術研發及規?；瘧玫囊幌盗嘘P鍵技術，取得了四方面創新成果。
（1）首次創建了高鋼級油套管材料性能控制指標體系，規范了高鋼級油套管使用，形成中國石油企業標準。結合非API高鋼級套管全尺寸爆裂測試數據及加權雙剪應力屈服準則，構建了充分考慮應力應變強化、包辛格效應、腐蝕缺陷、裂紋形態、無損檢驗水平、兩端開口及堵口服役工況的高鋼級油套管韌性爆裂壓力模型，創新了高鋼級油套管抗環境開裂所需的最小斷裂韌性及橫向沖擊功計算方法，確定了高鋼級油套管材料最小斷裂韌性及橫向沖擊功與其幾何參數、服役工況及無損檢驗水平之間的相關性，提出了油套管材料化學成分、拉伸力學性能、硬度、斷裂韌性及沖擊功控制指標，建立了硫化物應力腐蝕檢驗評價方法，創建了覆蓋材料成分、力學性能、金相組織、腐蝕行為的高鋼級油套管材料性能控制指標體系，140V/155V鋼級和125S/TS材料性能指標體系已被中國石油企業標準“PTS-020401-01.00-2018無縫套管采購技術規格書”采納。
（2）研發了高強度高韌性耐腐蝕的專用油井管鋼及生產工藝，實現了產品性能穩定可靠和經濟高效的生產，并在深井和超深井鉆井與完井中取得了廣泛應用。建立了碳，錳，鉻，鉬，銅等合金元素優化及鈮釩微合金化等技術，并依據高鋼級的高強度高韌性質量控制指標體系，研發了140v和155V高鋼級套管。采用純凈鋼冶煉技術：鋼包爐精煉、真空脫氣及夾雜物控制技術；精軋技術：精確控制管坯溫度，保證管坯軋成管子后性能的穩定和尺寸精度；熱處理技術：精確控制淬火爐和回火爐溫度對套管進行調質處理以保證鋼管的性能；消除殘余應力技術：管體的高V含量促使其回火的溫度可以較高，這保證鋼管出回火爐后進入矯直機的溫度比較高。研發了125TS高抗擠抗硫油套管，通過成分和工藝優化，采用銅釩復合時效，結合亞穩奧氏體控制技術，實現超細、亞穩、片層式抗裂紋擴展的組織結構，本征提升應力狀態下抗HIC開裂能力，形成新的合金設計與組織調控機理以及全套生產工藝技術。研發了高強度抗疲勞套管提出 “熱軋卷板+HFW焊接成型+熱張力減徑+熱處理”制造工藝，研究開發了細晶粒尺寸、疲勞性能優異的高強抗疲勞石油套管。為深井超深井鉆完井提供了技術保障。
（3）創新了油井管用氣密封特殊螺紋密封失效判據并研發了新型高性能螺紋，完善了氣密封理論和提升了螺紋性能。在國內外首次提出基于氣密封特殊螺紋實物產品加工、上扣、井下使用全過程的氣密封完整性失效判據；量化分析了氣密封螺紋密封面加工橢圓度、上扣旋轉滑移、載荷下密封面相對移動速率，創新構建了氣密封模型和計算方法，實物復合載荷氣密封試驗和高溫高壓氣井應用驗證了氣密封判據的可靠性。發明了高性能氣密封螺紋結構：密封面采用錐面+球面多段復合結構，克服了大口徑薄壁套管密封面加工橢圓度大、上扣沿圓周旋轉滑移摩擦磨損嚴重、井下工況“高溫+拉伸/壓縮+彎曲交變載荷”確保生產使用過程中全壽命密封完整性。
新型高性能氣密封螺紋已開發出鈦合金油管、大口徑高鋼級套管、高鋼級抗硫套管，均通過國際標準ISO 13679（2019）最苛刻四級評價。
（4）創新了高溫高壓氣井完整性評價方法，提高了井下管柱可靠性。建立了油套管氣密封螺紋動態載荷彎曲共振密封和疲勞全尺寸實物試驗評價方法和裝備。發展了CO2/H2S環境下油套管材料電化學腐蝕和應力腐蝕評估方法，建立了油套管全尺寸實物腐蝕試驗裝備和評價方法，形成材料選用指南，建立了多參數耦合的油管CO2/H2S腐蝕速率預測方法，搭建了油管腐蝕數據管理平臺，形成了完整性評價方法。
項目獲得專利授權15項（其中中國發明專利14項、國際發明專利1項），制定國家和行業以及企業標準5項，發表論文20篇（其中SCI/EI收錄20篇），編寫專著1部，收錄“國家科技部安全適用產品名錄”2項，獲中國石油自主創新產品2項，獲陜西省創新創業大賽銀獎1項。
項目研究成果已在復雜苛刻高溫高壓氣井、非常規長水平井、超深井及萬米深井上規?；瘧?，8000m以上超深井應用56口，萬米深井應用2口。近三年企業新增收入78.34億元，新增利潤11.53億元。項目研發的140V/155V高鋼級套管和125S/TS高鋼級抗硫套管以及系列化氣密封螺紋性能達到國際先進水平，獲得國家石油管材質量監督檢驗中心、美國石油協會API和國際石油公司shell、Amoco、ExxonMobil、Chevron等20多家知名國際石油公司認證并完成油井管出口。
四、客觀評價 
復雜苛刻深井用油套管完整性技術研發及規?；瘧玫膭撔鲁晒?項：高鋼級油套管材料性能控制指標體系；高強度高韌性耐腐蝕的專用油井管鋼；氣密封失效判據和高性能氣密封螺紋；完整性試驗評價裝備和方法。
技術檢測報告：非API高鋼級140V/155V產品性能指標已納入中國石油PTS-020401-01-2018《無縫套管采購技術規格書》。高鋼級140V/155V，125TS高鋼級抗硫套管，高性能氣密封螺紋，經國家石油管材質量監督檢驗中心和國家石油管材工程技術中心試驗驗證均達到國際標準和訂貨技術條件規定的相關要求，質檢報告（2020）質檢字615號“196.85×12.70mm TP140HC TPG4套管及螺紋性能檢測”，（2014）質檢字474號“265.13×22mm TP155V TP-FJ套管及螺紋性能檢測”，(2011)質檢字112號“259×19.25mm TP155V套管抗擠毀檢測”，125S/TS硫化氫應力腐蝕(拉伸)試驗報告，（2019）質檢字622號“139.7×12.7mm 125SG BJC-II套管及螺紋性能檢測”，（2019）管檢字044號“88.9×7.34mm 鈦合金-110 BJC-II油管及螺紋性能檢測”，報告內容見附件。
項目驗收意見：國家科技重大專項研究任務“異常高溫高壓氣井油管柱完整性關鍵技術研究”：1）形成氣密封特殊螺紋振動載荷疲勞壽命預測分析技術；2）基于氣密封完整性形成完井管柱三軸設計系數分析技術；3）開發鈦合金油管氣密封螺紋1項，性能達到國際標準要求。中國石油科學研究與技術開發項目“頁巖氣開發用套管適用性技術現場試驗”：制定中國石油企業標準《頁巖氣用生產套管選用及評價》Q/SY07004-2016，推薦了頁巖氣用高鋼級外加厚套管性能參數在生產中得到應用。對套管柱設計、采購、質量評價提供了依據。“西南油氣田天然氣上產300億立方米關鍵技術研究與應用——全尺寸腐蝕與螺紋密封性能試驗、評價及失效研究”：形成腐蝕預測模式，編制了油管腐蝕數據庫管理系統；建立了氣密封螺紋密封可靠性分析方法和判據理論模型。上述項目綜合評估均為優秀。
產品證書：獲中國石油自主創新產品證書2項，經濟型氣密封螺紋接頭（證書編號2015E045）；氣密封特殊螺紋套管（證書編號2015E046）。國家科技部發布的安全適用產品名錄2項：氣密封特殊螺紋連接套管。獲陜西省2019年創新創業大賽銀獎“油套管用新型氣密封特殊螺紋開發及推廣應用”。
五、應用情況和效益 
1. 應用情況
天津鋼管集團股份有限公司從2010年起與中國石油集團工程材料研究院有限公司合作開展復雜苛刻深井用油套管完整性技術研發及規?；瘧庙椖?，研發的高鋼級高韌性耐腐蝕高性能氣密封特殊螺紋油套管，已廣泛應用于中國石油、石化、海油以及延長油田，并出口至北美、中東、東南亞的20多家國際知名石油公司。在中國超深井塔里木、川渝油氣田的萬米深井中應用，完全替代進口全面國產化，為深地深海開發提供了保障。2017至2021年總計實現油套管銷售額300億元，其中高性能油套管實現新增銷售額58.34億元，新增利潤8.93億元。
寶雞石油鋼管有限責任公司從2013年起與中國石油集團工程材料研究院有限公司合作開展復雜苛刻深井用油套管完整性技術研發及規?；瘧庙椖?，研發的高強高韌性高性能氣密封特殊螺紋油套管，已應用于中國石油各大油氣田。在深井、非常規開發超長水平井中應用。2017至2021年總計實現油套管銷售額100億元，其中高性能油套管實現新增銷售額15億元，新增利潤2億元。
延安嘉盛石油機械有限責任公司從2010年起與中國石油集團工程材料研究院有限公司合作開展復雜苛刻深井用油套管完整性技術研發及規?；瘧庙椖?，研發的高性能氣密封特殊螺紋油套管，已廣泛應用于中國石油長慶和延長油田。在延長、長慶的非常規頁巖油/氣開發中規?；瘧?。2017至2021年總計實現油套管銷售額20億元，其中高性能油套管實現新增銷售額5億元，新增利潤0.6億元。
2011年中國石油集團工程材料研究院有限公司與延安嘉盛石油機械有限公司。合同編號SH-2010102-JF-029項目名稱“XGC-1特殊螺紋產品技術轉讓”，合同金額100萬元。合作開發經濟型氣密封螺紋連接套管。
2013年中國石油集團工程材料研究院有限公司與寶雞石油鋼管有限責任公司。項目名稱“長慶油田用氣密封特殊螺紋轉化推廣及評價試驗合同”，合同金額318萬元。合作開發高性能氣密封螺紋連接套管。
 2020年中國石油集團工程材料研究院有限公司與天津鋼管集團股份有限公司。項目名稱“高溫高壓氣井套管氣密封螺紋完整性評價及適用性分析研究”，合同金額229.6萬元。針對塔里木、西南的超深萬米井開展合作研究。

主要應用單位情況表

2. 經濟效益和社會效益
（一）經濟效益：
統計項目近5年2017～2021年經濟效益，總計實現新增銷售額78.34億元，新增利潤11.53億元。中國石油集團工程材料研究院有限公司先后與合作企業簽訂研發合同金額647.9萬元。
（二）社會效益：
項目的實施，有力促進了國產油井管技術進步和領先。2010年以后塔里木、川渝油氣田深井超深井開發用高鋼級套管和高鋼級抗硫套管以及高性能氣密封螺紋，完全替代國外進口，且開發的高性能油井管產品性能指標均超越國外產品，保障了中國石油深地深海的勘探開發，8000m以上超深井從2018年的2口快速增長至2021年的28口井，有力確保了國家石油安全。高性能氣密封特殊螺紋在長慶西峰華陽H1-6平臺應用，確保了亞洲最長水平井6000m水平段順利完井。
項目與陜西省企業合作，促進了地方經濟發展和勞動就業，結束陜西省沒有高附加值油套管產品的歷史，增強了企業抗市場風險能力，解決了地方就業，如延安嘉盛公司，由于特殊螺紋套管向長慶和延長油田供貨，使企業在油井管市場低迷期間，維持了企業生產和發展。同時項目的實施培養了企業管加工技術人才和企業級技術專家，提高了企業自主創新能力和發展。氣密封特殊螺紋接頭套管的開發填補了陜西地區油套管制造業空白。“本地化”下井的成功，代替進口或省外氣密封螺紋接頭油套管，每噸節約“運輸和存儲”成本0.1萬元，單井按3500m計，約需150噸，每口井為延長油田節約15萬元成本。

六、主要知識產權證明目錄（限10條）

七、主要完成人情況表

八、主要完成單位及創新推廣貢獻

九、完成人合作關系說明 
1、王建東、李發根等人完成了《全尺寸腐蝕與螺紋密封性能試驗、評價及失效研究》科研項目。
2、2020年中國石油集團工程材料研究院有限公司與天津鋼管集團股份有限公司簽訂合同。合同名稱“高溫高壓氣井套管氣密封螺紋完整性評價及適用性分析研究”，合同金額229.6萬元。
3、2013年中國石油集團工程材料研究院有限公司與寶雞石油鋼管公司。合同名稱“長慶油田用氣密封特殊螺紋轉化推廣及評價試驗合同”，合同金額318萬元。
4、2011年中國石油集團工程材料研究院有限公司與延安嘉盛石油機械有限公司。合同編號SH-2010102-JF-029項目名稱“XGC-1特殊螺紋產品技術轉讓”，合同金額100萬元。
5、Wang, JD (王建東; Deng, KH (等寬海); Yin, ZP (Yin Zhiping); Liu, B (Liu Bing); Lin, YH (林元華); Feng, YR (馮耀榮). Study of technical specifications for non-API 140 casing in ultra-deep well[J]. Engineering Failure Analysis, 2019, Vol.97: 115-127