纖維增強連續復合管在油田井下注水方面的應用

畢婷婷，連洪正，孫云鵬（.威海鴻通管材股份有限公司 ； .天潤曲軸股份有限公司，山東 威海 64400）

?

纖維增強連續復合管在油田井下注水方面的應用

畢婷婷1，連洪正1，孫云鵬2
（1.威海鴻通管材股份有限公司 ； 2.天潤曲軸股份有限公司，山東 威海 264400）

摘 要：纖維增強連續復合管采用非金屬非粘結結構，具有優良的流體性能，防腐蝕性能，耐溫性能，能盤卷（有撓性），抗動態載荷和方便快捷的安裝性能等特點在陸地輸氣、井下注水和海洋油氣開發等方面都得到了推廣應用。本文對纖維增強連續復合管的結構性能以及作業設備和作業施工流程等進行分析說明。結果表明，該復合管能夠滿足井下注水作業要求。

關鍵詞：纖維增強連續復合管；注水管；作業設備；施工作業

0　引言

注水采油技術是國內各大油田提高原油采收率的主要方法，隨著油田開采時間的增長，注水水質的不斷惡化，硫酸鹽氧化還原菌的不斷增多，油田井下管柱和輸油管線的腐蝕及結垢問題一直是困擾油氣開采和輸送的頑癥，并且傳統井下注水管柱還存在質量重，單根長度短，作業施工工序繁瑣等諸多問題影響作業施工效率。纖維增強連續復合管則很好的解決了這些問題，該復合管具有抗拉強度高、承壓高、抗腐蝕能力強、能盤卷（有撓性）、質量輕等優點。本文對纖維增強連續復合管的結構性能以及作業設備和作業施工流程等進行分析說明。

1　纖維增強連續復合管的結構與性能

1.1纖維增強連續復合管結構

纖維增強連續復合管的結構分為六層，由內向外依次為內襯層、環向增強層、骨架層、右旋縱向拉伸層、左旋縱向拉伸層、外保護層組成。各結構層之間非粘結，允許層間相對運動。

各層材質及作用。內襯層——內襯層材料：根據不同要求可選用PE、PERT、PA12、PVDF等。 內襯層作用：1）防滲；2）防腐蝕；3）耐沖擊；4）不結垢；5）沿程摩阻小。

環向增強層——環向增強層材料：樹脂、高強度纖維。環向增強層作用：保護內襯層、增加內襯層強度、承受環向應力。

骨架層——骨架層材料：高強度纖維和樹脂。骨架層作用：骨架層是整個柔性管的受力基礎，整個管材的徑向受力包括（內壓、外壓、拉伸產生的壓力、管材軸向壓縮的力等）全部作用在骨架層上。骨架不允許有張力。

縱向拉伸層——縱向拉伸層是由左右螺旋層組成。縱向拉伸層材料：樹脂和高度纖維。縱向拉伸層作用：扭曲平衡，承受軸向拉力。

外保護層——外保護層材料：高分子材料PE。外保護層作用：防腐蝕、耐磨、防外滲漏、保護管材。

1.2纖維增強連續復合管性能分析

纖維增強連續復合管特性：

（1）抗拉強度高。空管拉伸強度不低于35t。

（2）承內壓強度高，爆破壓力不小于3倍使用壓力。

（3）外壓潰強度高，外壓潰強度大于井深所產生的外壓潰。

（4）連續管，一口井一根管，中間無接頭。

（5）不結蠟、不結垢。

1.2.1耐腐蝕性能

傳統金屬注水管腐蝕現象嚴重，管線的更換周期不足3年，最短的僅3～4個月，所報廢的注水管柱中有90%以上是因腐蝕、結垢而造成的。更換管柱、管線影響作業并且給生產帶來巨大的經濟損失。

纖維增強連續復合管為非金屬材料根據一定的結構形式分層纏繞而成。其主要材料為PE（聚乙烯）（內襯層、外保護層）和玻璃纖維熱固性增強塑料（FRP，俗稱玻璃鋼）（環向增強層、骨架層、左右旋縱向拉伸層），因此復合管的耐腐蝕性能主要受這兩種材料耐酸堿腐蝕性能的影響。

（1）PE（內襯層、外保護層）的耐腐蝕性能。PE（聚乙烯）材料在酸、堿性溶液中有良好的耐腐蝕性能，且在酸性溶液中有輕微的溶脹現象，按照均勻腐蝕計算出的酸、堿平均腐蝕速率分別為-0.0938、0.0206mm/a。

（2）玻璃鋼（環向增強層、骨架層、縱向拉伸層）的耐腐蝕性能。玻璃鋼的耐蝕性能主要取決于樹脂， 根據相關文獻顯示，樹脂在酸、堿性環境溶脹為有限溶脹，即溶脹進行到一定程度，以后無論與溶劑接觸多久吸入的溶劑量都不再增加而達到平衡，體系保持兩相狀態。而與酸、堿的腐蝕類型屬于表面型腐蝕，在實驗過程中發現試樣失光、溶液中有微量的沉淀物生成，檢查試樣表面，沒有裂紋產生。

環氧樹脂玻璃鋼材料在酸性環境中具有較強的耐蝕性，72小時的長期腐蝕數據顯示，單位時間的質量減少率小于0.01%，并且隨著時間的延長在逐步減少并趨于平緩；在堿性環境中主要以溶脹為主，質量溶脹增加，約在0.082%-0.17%之間。

1.2.2力學性能

（1）拉伸強度。復合管的承拉性能很好，纖維增強連續復合管的極限拉伸強度為38t，滿足井下作業的使用要求。

（2）內壓強度。管材的爆破試驗壓力為75MPa，遠高于注水作業時使用運行壓力，滿足使用要求。

（3）壓潰強度。管材的壓潰強度17Mpa滿足井下作業的使用要求。

1.2.3耐磨性能

按井深2000米，潤滑條件為干摩擦的試驗條件下，PE材料的平均磨損量為3.57 mg，磨損量為0.003754 cm3，平均摩擦系數為0.2911，磨損量≤0.01 cm3，材料的耐磨損性能較好，滿足下井作業的要求。

2　纖維增強連續復合管作業設備

傳統油管作業設備包括通井機，起下設備。

通井機是目前各油田修井作業中最常用的一種動力設備。作用是用于起下油管、鉆桿（抽油桿）以及井下打撈、抽汲等施工作業。

起下設備由井架和提升系統組成。提升系統由游動系統（包括天車.游動滑車、大鉤、鋼絲繩）和吊環、吊卡組成。

井架是用來支持游動系統，進行起下作業的設備。井架的用途主要是裝置天車，支撐整個提升設備，以便懸吊井下設備、工具和進行各種起下作業。

纖維增強連續復合管作業設備包括升下井裝置和管線收放裝置。

2.1升下井裝置的基本組成及相關參數

2.1.1基本組成

圖1　纖維增強連續復合管升下井裝置示意圖

升下井裝置主要由1—導向擺，2—履帶，3—鎖緊絲杠，4—支承導向柱，5—液壓夾緊油缸，6—底架，7—動力及制動機構，8—收放線盤，9—收放線機組成

2.2升下井裝置工作原理及可靠性分析

2.2.1工作原理

施工作業時盤卷在線盤上的管線通過導向擺引入升下井裝置的履帶，通過履帶上安裝的夾緊塊來夾持管線為管線升降提供牽引力。履帶由液壓夾緊油缸和鎖緊絲杠提供夾緊力，液壓夾緊油缸為電動控制，鎖緊絲杠采用手動鎖緊，能夠為升下井裝置提供穩定可靠的夾緊力，使管材的夾持牢固可靠。升下井動力由一臺伺服電機提供，由伺服電機通過減速箱帶動履帶正反方向運動，實現升下井功能。底架是實現整套設備與井口的對接和支撐，以保證設備與井口同心。

2.2.2可靠性分析

（1）升下井裝置采用伺服電機提供動力，伺服電機具有響應快、扭矩大、控制精度高、運轉平穩等特性，具有很強的負載能力，這使得電機在滿載的情況下依然能夠實現精確控制平穩運行。同時它也具有恒扭矩，靜止和運轉時電機的正反驅動力相等的特性，即電機在運行過程中同時存在一個與轉動方向相反大小相等的反向扭力。這一特性使得電機在運轉過程中即使出現正負載荷交變的情況依然能夠勻速運行，從而確保設備升、下管線安全可靠，速度可控。

（2）升下井裝置安裝的液壓夾緊油缸和鎖緊絲杠，液壓油缸為履帶夾緊管線提供夾緊力，履帶的有效夾緊長度達到了1800mm ，這些措施能夠有效防止裝置運轉過程中管線與履帶間出現打滑現象。鎖緊絲杠可以在液壓夾緊裝置失效時保持夾緊力不變，是履帶夾持管線的有效保護措施。

（3）升下井裝置的履帶與管材的接觸面是金屬圓弧面且帶有網紋，能夠與充滿油污的管材表面產生足夠的摩擦力，從而能夠提供可靠穩定的牽引提升力。

（4）升下井裝置的最大牽引提升力為15 t，以管線總長按1.5公里為例計算，管材的重量為5.1 kg/m，則1.5公里管線的總重量為7.65 t，遠大于管線的總重量。因此升下井裝置能為管線升降提供足夠的牽引力。

升下井裝置設有意外斷電制動機構，該機構能夠在斷電瞬間自動制動。能夠避免突然斷電時動力控制系統無法提供牽引力致使的管線下落。

管線收放線設備采用力矩電機提供恒張力卷取，保證收放卷管線伸展整齊。

3　纖維增強連續復合管下井作業施工流程

傳統金屬管不是連續的，其單根長度短。整個下井施工作業過程需要4～5名施工人員操作各種機械，施工人員工作強度高，且安裝效率低。纖維增強連續復合管作業設備安裝便捷，操作簡單。下井過程只需一名施工人員控制控制柜即可，大大減輕了施工人員的勞動強度，節省了人力物力。而且作業速度快，提高工作效率。

3.1履帶式升下井裝置底架與井口裝置的對接

（1）由施工人員配合汽車吊將底架搬運至井口處，將雙閘門防噴器的法蘭與底架的法蘭連接板對正連接。

（2）調整底架四個支腳的高度保證與地面均勻受力。

3.2履帶式升下井裝置主體與底座的連接

用吊車將升下井裝置吊運到底架上方，對齊底座上的導向限位塊，座于底架上用螺栓連接固定。

3.3履帶式升下井裝置的組裝及調試

（1）安裝纜風繩

（2）安裝履帶式升下井裝置的護欄及逃生滑梯，逃生滑梯安裝在井架相對的另一側。

（3）用吊車將導向擺座于升下井裝置的轉軸上方，由施工人員對齊止口用螺栓固定。

（4）安裝電機控制線，查看履帶是否需要張緊，調試檢查電機運轉是否正常。

3.4管線收放裝置的安放與線盤的安裝

（1）地滾式收放線機安放于距離履帶式升下井裝置8～9米遠處。

（2）用吊車將線盤座于收放線機上，注意管線的旋向，放管時管線從線盤下方引入擺線架進入夾緊牽引機構。

（3）將線盤架起，夾緊剎車盤將線盤的包扎帶松開。

3.5管線引入履帶式升下井裝置

（1）用吊車將管線端部吊起，升至下井裝置平臺上方，由工作平臺上的施工人員將管線引入履帶中。

（2）當端部接頭移出履帶后，控制液壓夾緊油缸夾緊管線，夾緊油缸的壓力控制在20Mpa以下。

（3）將鎖緊絲杠緊固。

3.6下井

（1）啟動履帶式升下井裝置，逐步提高牽引速度，時刻觀察電機運行是否正常，電流是否超載。放管過程中無關人員要遠離施工現場，以免發生危險。

（2）放管到線盤最后一層時停止設備，將固定接頭的夾板松開，啟動升下井裝置使接頭緩慢從大盤接頭固定槽中移出。

3.7接頭懸掛器與井口大四通的連接

（1）當管材接頭移動到升下井裝置平臺上方時，將升下井裝置的牽引速度調至零。

（2）由升下井裝置工作平臺上的施工人員配合吊車將導向擺移走。

（3）連接懸掛器和管材下井吊具，然后用專用吊繩將下井吊具與井架吊鉤連接。

（4）提升井架吊鉤使吊繩張緊，松開鎖緊絲杠，張開履帶將接頭移動至雙閘門防噴器處。

（5）用接頭固定卡板將接頭固定于雙閘門防噴器上方，松開吊鉤，卸掉纜風繩及履帶式升下井裝置與底架之間的固定螺栓，用吊車將升下井裝置移走。

（6）松開雙閘門防噴器與底架間的緊固螺栓，由施工人員配合吊車移走底架。

（7）用吊車吊起懸掛器，移出接頭固定卡板。卸掉雙閘門防噴器，將懸掛器安裝到井口大四通上，卸掉下井吊具，加裝井口裝置，完成下井的整個操作。

參考文獻：

［1］畢紅軍，徐國強.井下用纖維增強連續復合管的性能評價［J］.工程塑料應用，2014（42）：81-84.

［2］夏平原，李詩春，陳斌.玻璃纖維增強連續塑料復合管道的應用性能［J］.油氣儲運，2013（07）：795-798.

［3］鄭文強，李向陽.纖維增強熱塑性塑料復合管及其應用試驗［J］.山西化工，2013，33（04）：24-26.

［4］牛云峰，孫建榮，王興卜.連續油管作業車主要功能裝置的結構特點［J］.專用汽車，2001（04）：26-27.

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.13.073