油田采出水在役柔性復(fù)合管性能變化

趙苗苗* 孫玉新 劉亞明 鄧良廣 張阿昱 梁 航 劉德俊

（1.中油國家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心有限公司 2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司3.陜西省重點(diǎn)試驗(yàn)室 4.中石油長慶油田第十一采油廠）

0 引言

目前長慶油田主產(chǎn)區(qū)為典型的低滲透和超低滲透油氣藏，油井采出水成分復(fù)雜，有機(jī)化合物含量達(dá)2 000～5 000 mg/L，礦化度高達(dá)5×104mg/L，且富含油質(zhì)及腐蝕性介質(zhì)[1-2]。柔性復(fù)合管（RTP）具有耐腐蝕、抗結(jié)垢結(jié)蠟、開發(fā)成本低等優(yōu)勢，已成為解決油田地面集輸管線腐蝕問題的有效手段[3]。但加熱加壓輸送后管材發(fā)生不均勻老化，導(dǎo)致RTP 剩余強(qiáng)度難以預(yù)測[4-5]，因此研究油田采出水在役RTP 的性能變化情況十分必要。近年來，Prabhakara 等[6]研究了復(fù)合管在不同服役環(huán)境下耐久性和腐蝕變化規(guī)律，蔡亮學(xué)等[7-8]針對長慶油田模擬工況研究證實(shí)了聚乙烯在油田集輸環(huán)境的適用性，劉青山等[9]研究了聚乙烯管和交聯(lián)聚乙烯管在塔河油田模擬工況下的性能和化學(xué)結(jié)構(gòu)等變化規(guī)律。然而油田管道存在普遍不能實(shí)現(xiàn)滿輸、存在油水分層等情況，使得內(nèi)襯管性能衰減不均勻則鮮有報(bào)道[10]。

本文選取滌綸增強(qiáng)PE100 柔性復(fù)合管為研究對象，研究其內(nèi)襯管在兩種油田采出水服役后的力學(xué)性能、耐熱性能、氧化誘導(dǎo)期的變化情況及整管長期靜水壓評(píng)價(jià)后管體膨脹率及伸長率的變化規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料

選用DN80 mm、PN25 MPa 的滌綸纏繞增強(qiáng)PE100 柔性復(fù)合管，公稱壓力為25 MPa。

1.2 設(shè)備及儀器

實(shí)驗(yàn)儀器主要包括：日本島津公司的AGS-10KN萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)；梅特勒托利多公司的DSC1 型DSC差示掃描量熱儀；承德金建有限公司的XRW-300E6維卡軟化溫度測定儀；承德精密試驗(yàn)機(jī)有限公司的70 MPa 靜水壓試驗(yàn)系統(tǒng)。

1.3 測試與表征

篩選出長慶油田含油量較高的采出水Type A 和礦化度較高的采出水Type B，集輸壓力為25 MPa，集輸溫度為30 ℃，將滌綸增強(qiáng)PE100 柔性復(fù)合管分別使用15 000 h 后取出，解剖出內(nèi)襯管。

依據(jù)GB/T 1040.2—2018《塑料 接伸性能的測定 第2 部分：模塑和擠塑塑料的試驗(yàn)條件》進(jìn)行力學(xué)性能測試，在內(nèi)襯管制取拉伸試樣，拉伸速度為50 mm/min。依據(jù)GB/T 1633—2000《塑料 維卡軟化溫度》標(biāo)準(zhǔn)中的B50 法維卡軟化溫度測試，在內(nèi)襯管制取10 mm×10 mm 的正方形試樣。依據(jù)GB/T 19466.6—2009《塑料 差示掃描量熱法（DSC）第6部分：氧化滲導(dǎo)時(shí)間（等溫OIT）和氧化誘導(dǎo)溫度（動(dòng)態(tài)OIT）的測定》進(jìn)行氧化誘導(dǎo)時(shí)間測試，在用刀片切取內(nèi)襯管樣品質(zhì)量10 mg，OIT 的測試溫度設(shè)定為210 ℃，O2的體積流量為50 mL/min，試驗(yàn)的升溫速率為20 ℃/min。

依據(jù)GB/T 6111—2018《流體輸送用熱塑性塑料管道系統(tǒng)內(nèi)壓性能的測定》進(jìn)行靜水壓試驗(yàn)，截取6根試驗(yàn)管段，長度均為1 200 mm，采用自主研發(fā)扣壓接頭密封試驗(yàn)管段兩端。加壓介質(zhì)為水-水環(huán)境，設(shè)置環(huán)境箱溫度為25 ℃，測試壓力37.5 MPa，測試時(shí)間為200 h；試驗(yàn)前試驗(yàn)管段經(jīng)24 h 狀態(tài)調(diào)節(jié)。

2 結(jié)果與討論

2.1 宏觀形貌

圖1 給出了不同采出水服役15 000 h 后PE100內(nèi)襯管宏觀形貌。由圖1 可看出，PE100 管服役后顏色變化顯著。Type A 采出水服役后PE100 呈不規(guī)則黃色分布，這有兩方面原因：一是油質(zhì)分子經(jīng)擴(kuò)散、滲透進(jìn)入材料內(nèi)部，在溫度和壓力的共同作用下材料內(nèi)外產(chǎn)生濃度差和壓力差，致使油質(zhì)分子持續(xù)向內(nèi)部擴(kuò)散導(dǎo)致材料顏色發(fā)黃；二是油水分層造成油質(zhì)層接觸PE100 不連續(xù)導(dǎo)致接觸油層區(qū)域顏色變黃。Type B 采出水服役后PE100 呈乳白色，這可能是由于輸送介質(zhì)中的水分子擴(kuò)散、滲透進(jìn)入PE100 材料內(nèi)部，使其光澤感消失，顏色變深，并在PE100 管內(nèi)壁出現(xiàn)了致密結(jié)垢層。這是由于溫度升高，PE100 內(nèi)襯材料表面能高，催化了成垢離子的結(jié)晶，使其在管內(nèi)壁析出沉淀，形成黑褐色的垢層。

圖1 Type A和Type B采出水服役后PE100內(nèi)襯管宏觀形貌圖

2.2 耐熱性能

維卡軟化溫度（VST）是衡量熱塑性塑料耐熱性能的關(guān)鍵。從表1 可以看出，在Type A 采出水服役后PE100 未發(fā)黃區(qū)域的VST 為69.7 ℃，發(fā)黃區(qū)域的VST 為63.1 ℃，性能下降9.47%，造成PE00 內(nèi)襯管不同區(qū)域耐熱性能相差較大的原因一方面可能是油質(zhì)分子的不均勻滲透導(dǎo)致材料內(nèi)部大分子間的次價(jià)鍵破壞、分子鏈降解，降低了分子纏結(jié)結(jié)構(gòu)對油質(zhì)分子擴(kuò)散的阻礙；另一方面是在加溫、加壓作用下，分子鏈運(yùn)動(dòng)加劇，進(jìn)一步促進(jìn)了油質(zhì)分子的滲透，使內(nèi)襯材料軟化加劇，導(dǎo)致VST 降低。在Type B 采出水服役后，PE100 未結(jié)垢區(qū)域和結(jié)垢區(qū)域的VST 分別為70.7 ℃和68.1 ℃，相差2.6 ℃。根據(jù)ISO9080：2003 標(biāo)準(zhǔn)要求，管道輸送最高溫度應(yīng)至少低于內(nèi)襯層VST 15 ℃。Type A 和Type B 采出水服役15 000 h后PE100 的VST 均大于工作溫度15 ℃以上，表明PE100 的耐熱性能完全滿足RTP 長期服役要求。

表1 Type A和Type B采出水服役后PE100VST變化

2.3 力學(xué)性能

Type A 和Type B 采出水服役后PE100 力學(xué)性能測試結(jié)果可見表2，在Type A 采出水服役后，PE100內(nèi)襯管斷裂伸長率從525.95%下降至17.25%，降幅為508.69%，性能衰減96.72%，屈服強(qiáng)度區(qū)別最小，相差1.24 MPa，性能下降6.21%，拉伸強(qiáng)度性能相差29.85%。在Type B 采出水服役后PE100 的力學(xué)性能保持相對穩(wěn)定，拉伸強(qiáng)度區(qū)別最小，性能下降0.54%，斷裂伸長率降幅最大，性能下降34.66%，屈服強(qiáng)度性能下降4.17%。雖然PE100 內(nèi)襯管耐熱性能降幅較小，但是力學(xué)性能降幅顯著，這可能是油質(zhì)分子對PE100 內(nèi)部分子鏈排列結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重破壞，結(jié)晶區(qū)、無定形區(qū)都產(chǎn)生了大量的斷鏈，材料內(nèi)部無序鏈段急劇增加，隨著油質(zhì)分子滲透程度加劇，斷鏈現(xiàn)象也不斷加劇，晶體結(jié)構(gòu)不再致密，導(dǎo)致材料力學(xué)性能大幅衰減。Type A 采出水服役15 000 h 后PE100 內(nèi)襯管發(fā)黃區(qū)域PE100 斷裂伸長率為17.26%，拉伸強(qiáng)度為18.71 MPa，在役RTP 內(nèi)襯材料力學(xué)性能極不穩(wěn)定，使得整個(gè)管道的承載性能難以保證。

表2 Type A和Type B采出水服役后PE100力學(xué)性能變化

2.4 氧化誘導(dǎo)期

從圖2 可知，內(nèi)襯管在Type A 和Type B 采出水服役15 000 h 后的OIT 均滿足PE100 級(jí)專用樹脂的標(biāo)準(zhǔn)要求（≥20 min）。Type A 采出水服役后未發(fā)黃區(qū)域OIT 為32.03 min，發(fā)黃區(qū)域OIT 為60.65 min，造成這種差異的原因有可能是發(fā)黃區(qū)域PE100 材料內(nèi)部產(chǎn)生大量斷鏈和游離基，由于油質(zhì)分子與聚烯烴分子極性相近，PE100 對烴類物質(zhì)產(chǎn)生吸附作用，使添加其中的抗氧劑溶于基體中作為捕捉劑，捕捉生成的游離基因而阻止自氧化鏈反應(yīng)過程，從而抑制了氧化過程。Type B 采出水中未結(jié)垢和結(jié)垢區(qū)域OIT降幅較小，下降3.97 min，這可能是因?yàn)镻E100 無定形區(qū)、晶區(qū)對自由體積更小的水分子的抗?jié)B透作用更小，水分子擴(kuò)散導(dǎo)致分子的部分交聯(lián)結(jié)構(gòu)被破壞，鏈段的活性增大，OIT 降低。

圖2 Type A和Type B采出水服役后PE100氧化誘導(dǎo)期（210 ℃）變化

2.5 靜水壓試驗(yàn)

圖3 為6 根柔性復(fù)合管樣管在25 ℃下進(jìn)行200 h靜水壓保壓試驗(yàn)，在保壓試驗(yàn)過程中試驗(yàn)管段均未出現(xiàn)變形、裂紋等缺陷，管體兩端的密封接頭連接良好，壓力波動(dòng)均在4%范圍內(nèi)。

圖3 柔性復(fù)合管靜水壓試驗(yàn)（25 ℃）

從圖4 可以看出，在37.5 MPa 靜水壓保壓200 h內(nèi)6 根樣管的管體膨脹率和伸長率都呈增長趨勢，管體平均伸長率為1.92%，管體平均膨脹率為1.67%，管體膨脹量和伸長率在耐壓48 h 內(nèi)增長最快，分別增長1.46%和1.78%，168 h 后基本維持不變。該柔性復(fù)合管管體為非粘接結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)壓力施加后，增強(qiáng)層纖維拉緊，內(nèi)外層聚乙烯材料因片晶、無定形分子鏈在內(nèi)壓作用下沿著受力方向發(fā)生取向排列，分子鏈的運(yùn)動(dòng)能力大大增強(qiáng)，折疊鏈向伸直鏈轉(zhuǎn)化，使鏈滑移、晶體剪切滑移變得更加容易，致使柔性復(fù)合管管體發(fā)生輕微膨脹和伸長。管體在承壓狀態(tài)下48 h 內(nèi)管體伸長變化最明顯，現(xiàn)場敷設(shè)需嚴(yán)格控制和優(yōu)化相關(guān)技術(shù)參數(shù)。

圖4 保壓200 h后柔性復(fù)合管管體膨脹率與伸長率變化

3 結(jié)語

（1）油田采出水中油質(zhì)分子在PE100 內(nèi)部滲透擴(kuò)散會(huì)大幅削減材料力學(xué)性能，斷裂伸長率損失高達(dá)96.72%，這對RTP 整體承載能力產(chǎn)生較大影響。

（2）PE100 服役后VST 均高于管材的服役溫度15 ℃以上，氧化誘導(dǎo)期均≥20 min，滿足RTP 長期服役要求。

（3）柔性復(fù)合管在靜水壓保壓試驗(yàn)48 h 內(nèi)管體膨脹率和伸長率增幅最大，200 h 后管體平均膨脹率為1.67%，伸長率為1.92%。