復合材料連續管檢測系統研究

高　煜，尹文波，王新峰，曲　剛，李亞偉

（中石化勝利石油工程公司鉆井工藝研究院，山東東營257017）

復合材料連續管檢測系統研究

高煜*，尹文波，王新峰，曲剛，李亞偉

（中石化勝利石油工程公司鉆井工藝研究院，山東東營257017）

為了促進我國連續管技術的發展，實現復合材料連續管的應用，需要對連續管的檢測系統進行研究，介紹了國外連續管檢測技術現狀，及國內連續管檢測設備的發展，為連續管技術的發展提出建議。

復合材料；連續管；檢測

連續管又稱撓性管［1］，連續管鉆井在歐美發達國家，特別是在加拿大和美國已經得到了推廣應用，連續管鉆井在提高鉆井速度、保障鉆井安全、減少環境污染、提高鉆井自動化程度等方面具有常規鉆井無法比擬的技術優勢。金屬連續管強度足夠完成承載能力的增強和連續管的長度增長，但它的纏繞半徑過大，抗腐蝕能力不足限制了它的應用。復合材料連續管有著良好的力學性能、柔韌性和抗蝕能力，其結構布置傳輸線便利，產業化投資小，使用壽命長，能完美地解決金屬連續管的應用缺陷，是未來連續管的發展方向［2］。復合材料連續管性能檢測和缺陷補救，是連續管應用推廣的關鍵環節，是保證連續管鉆井的可靠性和高效性的有效手段。國外對于連續管的性能檢測研究已相對成熟，而國內在此方面的研究尚屬起步階段。

1　國外研究現狀

20世紀80年代后期至90年代，國外連續管制造商通過理論研究與試驗，建立連續管壽命預測模型，完成對連續管的疲勞壽命預測。國外主要有Southwestern Pipe（西南管材公司）、美國Tulsa（塔爾薩）大學、和Stevenson（史蒂文森）3家公司對連續管性能進行檢測。連續管的性能測試主要為：（1）內、外壓抗壓測試；（2）彎曲疲勞測試；（3）軸向拉伸測試。

20世紀90年代中期，歐美發達國家開始復合材料連續管的研究，該技術已十分成熟，在石油工程領域得到廣泛應用。美國Fi-berspar公司和荷蘭Airborne公司是復合材料連續管領域的兩大杰出代表［3］。

2　連續管失效分析

復合材料連續管現場應用受力狀況十分復雜，除受拉力、彎曲應力、內外壓力、摩擦力、接觸力外還受到各種附加作用力。為便于研究，忽略次要載荷，重點分析主要影響作用的載荷（軸向拉力、內外流體壓力在滾筒上的彎曲以及這幾種載荷的組合情況）。

連續管應用中管材內部充有高壓液體或氣體，管材彎曲屈服曲率半徑大于工作過程中的各個彎曲半徑，為塑性彎曲變形。內壓載荷和彎曲載荷所構成的復合載荷是連續管主要的工作復合載荷［4］。

連續管由于其工作環境的惡劣性，與受力情況的復雜性，致使其失效形式多樣，主要歸納起為以下3大類型。

2.1變形失效

正常工作時，管材的彎曲變形遠遠小于許用彎曲半徑，發生的彎曲變形為瞬時塑性彎曲變形。當實際彎曲半徑遠遠大于許用彎曲半徑時，連續管的永久性彎曲變形將會發生。其他的變性失效形式主要有壓癟或壓扁現象和拉伸頸縮性現象等。

復合材料連續管在一定的彎曲半徑下彎曲，其變形是屬于彈性變形。在彈性極限內，復合管能承受最小彎曲半徑可按下式計算：

式中：E——復合管的彈性模量；

D——復合管外徑；

δS——復合管的屈服點應力。

2.2斷裂失效

斷裂，特別是疲勞斷裂，是連續管失效的主要形式之一。主要斷裂形式有：①過載斷裂；②低應力脆斷；③應力腐蝕斷裂；④氫脆斷裂；⑤疲勞斷裂和腐蝕疲勞斷裂。

2.3表面損傷失效

表面損傷主要包括2個方面：①磨損，主要為連續管與導向架或注入頭夾緊塊之間的磨損和連續管與生產油管或套管之間的磨損等；②機械損傷，包括連續管在運輸中表面碰傷、在清蠟作業中的刮蠟器劃傷和在注入過程中夾持產生的表面壓痕等。

研究分析表明，連續管失效的主因是內壓作用下的彎曲疲勞。連續管的疲勞最終引發微裂紋形成，通過裂紋擴展穿越管壁，直至形成穿透，造成壓力的完全喪失。

3　檢測設備研制

連續管地面施工作業中，地面主要作業設備包括液壓操作控制室、連續管盤管裝置、連續管夾持注入頭裝置、井口防噴器裝置、地面液壓動力站等。其中涉及連續管管件受力部件主要是連續管盤管裝置和注入頭裝置。

下入井中連續管主要受力包括：①軸向拉力載荷；②內、外壓力載荷；③扭轉載荷；④考慮井中溫度影響。

所需配備檢測設備：彎曲疲勞試驗機、拉壓試驗機及試驗高溫箱、管材內、外壓力試驗機和連續管夾持注入試驗裝置。

3.1彎曲疲勞試驗機

連續管主要圍繞滾筒進行存放，當其工作通過滾筒時，會引起連續管的損傷。疲勞損傷會隨著工作累積，量變引發質變，最終引發連續管的失效。連續管的疲勞試驗系統，通過增壓泵為連續管內部提供高壓液體，模擬工作環境，通過彎曲疲勞測試獲得連續管的失效時間，進而對連續管進行疲勞指標的預測考核。見表1。

表1　試驗機技術指標

3.2拉壓試驗機及試驗高溫箱

試驗機采取臥式框架結構，由計算機控制系統控制伺服閥等部件完成控制動作，通過單出桿雙作用活塞缸施加試驗力，試驗數據通過負荷傳感器精確采集傳輸，由控制系統自動分析處理并對試驗結果進行存儲。外部配套高溫環境箱，實現不同溫度下的拉、壓實驗測試。見表2。

表2　拉壓試驗機技術指標

3.3管材內、外壓力試驗機

設備主要采用三級升壓控制，第一級是低壓補液泵將油箱內的高溫油補充到試件內部，排出試件內部的空氣，第二級大流量低壓泵將試樣內部的壓力提升到30MPa，第三極通過超高壓增壓泵將試件的壓力提升到爆破壓力，最高達到200MPa。該設備用于測試連續管管材內、外壓相關性能。

3.4連續管夾持注入試驗裝置

注入頭是連續管應用的關鍵部件，通過其動作完成連續管的下入和起出。其基本原理是用夾緊機構推動夾持塊進而實現夾持塊對連續管的壓緊，通過同步運行的鏈條帶動夾持塊最終實現連續管的起升動作［5］。連續管夾持注入試驗裝置主要用來模擬復合材料連續管實際作業時的受力情況，用來測試管件在通過注入頭，在徑向壓力和軸向拉力同時作用時所發生的變化。

4　實驗測試

中石化集團公司2011年開始委托勝利鉆井院開展復合材料連續管技術研究，到目前，已初步形成復合材料連續管材料優選、結構設計及連續成型工藝技術研究，試制了部分試件，并通過檢測系統進行了相關力學性能檢測，檢測結果如下。見表3。

表3　檢測結果

樣件的測試表明，該測試系統能夠完全滿足復合材料連續管各種力學性能和電學性能測試要求，復合材料連續管的各項性能能夠達到現場應用的要求。

4　總結

復合材料連續管在防腐性能、彎曲疲勞壽命、內置導線等方面相比于金屬連續管有著獨特的優勢。通過對符合材料連續管的各項性能指標進行系統檢測，可以判斷管件是否能夠達到設計要求，也為連續管的進一步優化設計提供參考，使連續管最終可以滿足現場實際使用要求。大力開展具有自主知識產權的連續管檢測設備的研究，實現對連續管性能的綜合掌握，將進一步推進符合連續管在各個領域的應用與推廣。

［1］李文彬，蘇歡，王珂，等.連續管無損檢測技術的應用發展［J］.無損檢測，2010（6）：475-478.

［2］于京閣,董懷榮,江正清,安慶寶.復合材料連續管設計技術研究［J］.石油鉆探技術，2011，39（3）：114-117.

［3］宿振國，尹文波，呂妍妍.復合材料連續管技術研究進展及應用現狀［J］.石油礦場機械，2014，43（4）：85-90.

［4］李小影，石凱.連續管失效及疲勞壽命的研究現［J］.內蒙古石油化工，2008（20）：7-10.

［5］施志輝,劉航,許立.連續管在注入頭多種夾持方式下的受力分析［J］.石油機械，2011,39（12）：32-34.

TE921

A

1004-5716（2016）01-0037-03

2015-09-07

2015-09-08

市級項目“復合材料連續管檢測系統技術研究”；項目編號：SKZ1303。

高煜（1989-），男（漢族），山東諸城人，助理工程師，現從事石油機械方面相關技術工作。