玻璃鋼油管失效分析及對(duì)策

馬來增，張 辛，徐興平

（1.中國石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東東營257061；2.勝利油田公司東辛采油廠，山東東營257060） ①

玻璃鋼油管失效分析及對(duì)策

馬來增1，2，張 辛1，徐興平1

（1.中國石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東東營257061；2.勝利油田公司東辛采油廠，山東東營257060）①

玻璃鋼油管有效地解決了偏磨、腐蝕問題。由于玻璃鋼材料性能的原因，使沖程損失增大，螺紋斷裂失效增多。介紹了玻璃鋼油管在勝利油田東辛采油廠的使用情況，分析了主要失效形式。提出了減小玻璃鋼油管失效的措施：①懸掛尾管；②下端錨定；③采用適合的螺紋加工工藝和扣型，增加連接強(qiáng)度。實(shí)踐證明，這些措施取得了明顯的效果。

油管；玻璃纖維；失效；措施

目前，中國部分油田進(jìn)入高含水開采期，有的新油管下井1a后即發(fā)生腐蝕穿孔，3a就得全部更換。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)鋼質(zhì)油管的腐蝕做了研究［2］，并提出了防腐措施，但油管腐蝕失效仍然嚴(yán)重。在四川酸性氣田，特別是磨溪油田，天然氣中含有H2S、CO2、Cl－、硫酸鹽還原菌（SRB）的地層水，對(duì)油管、套管、集輸管線腐蝕十分嚴(yán)重，井下油管在2a左右即發(fā)生腐蝕斷裂。勝利油田已進(jìn)入特高含水開發(fā)期，采出污水含有溶解氧、硫酸鹽還原菌、H2S、CO2、Cl－，對(duì)管材腐蝕相當(dāng)嚴(yán)重，平均腐蝕速度為1～7mm／a，應(yīng)力作用下的點(diǎn)蝕速度［2］為14mm／a。

為了減少油管腐蝕造成的損失，首先應(yīng)正確選用管材，在采油、注水等工程中適用的場(chǎng)合使用玻璃鋼油管等非金屬管材是一種正確的選擇［3－5］。

玻璃鋼油管的優(yōu)點(diǎn)：

1） 防腐性能優(yōu)越。

2） 水力摩阻系數(shù)低、延緩結(jié)垢。

3） 摩擦因數(shù)小、磨損少。

4） 質(zhì)量輕。

玻璃鋼油管正在油田推廣應(yīng)用，失效的案例較少。根據(jù)已有的工程經(jīng)驗(yàn)，玻璃鋼油管的主要失效形式有螺紋脫扣、滲漏或泄漏、斷裂、腐蝕等［6］。

1 玻璃鋼油管失效分析

勝利油田東辛采油廠從2007年開始在油井上試驗(yàn)玻璃鋼油管采油。截至目前，共在偏磨腐蝕嚴(yán)重的井上試驗(yàn)玻璃鋼油管24口井，其中有10口井至今仍正常生產(chǎn)，6口井因玻璃鋼油管螺紋脫扣而倒井，4口井因玻璃鋼油管泄漏而倒井，另外幾口井因別的原因而停用玻璃鋼油管。試驗(yàn)前平均泵掛1 217m，日產(chǎn)液量25.8m3，檢泵周期196d，泵效74%；試驗(yàn)后平均泵掛1 219m，日產(chǎn)液量24.8m3，檢泵周期151d，泵效68%。玻璃鋼油管螺紋脫扣、管漏、泵效低和生產(chǎn)周期短是主要問題。

1.1 螺紋脫扣

現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的螺紋脫扣如圖1所示。

圖1 玻璃鋼油管螺紋脫扣形貌

造成螺紋脫扣的主要原因：

1） 加工工藝 玻璃鋼油管的螺紋是采用粘接工藝或機(jī)加工工藝加工而成。如果采用粘接工藝，由于油管本體和螺紋采用的是不同的材料，兩者的力學(xué)性能不同，所以導(dǎo)致兩者的強(qiáng)度不同，螺紋的粘接強(qiáng)度明顯低于管本體強(qiáng)度，所以在使用中出現(xiàn)螺紋脫扣的現(xiàn)象；如果螺紋是機(jī)加工而成，車削時(shí)車斷了玻璃纖維，降低了螺紋牙的強(qiáng)度，因此玻璃鋼管螺紋承受的拉力較小，現(xiàn)場(chǎng)使用中出現(xiàn)了螺紋脫扣和斷裂現(xiàn)象。

2） 應(yīng)力過大 玻璃鋼油管的許用應(yīng)力為48.4 MPa［7］。在機(jī)采井中，玻璃鋼油管受到的力主要有［8－10］：

①油管自重。它和油管的外徑和壁厚有關(guān)。

②井液浮力。上、下沖程中，浮力是沿管軸線方向向上作用在油管端部，與液面深度有關(guān)。由于液面深度變化不大，浮力可以看作是一個(gè)恒定值。

③液柱力。上沖程時(shí)，由于固定閥打開，液柱壓作用在抽油桿上，不作用在油管上；下沖程時(shí)，液柱作用在油管上的力為整個(gè)油管內(nèi)的液體重力。

④柱塞與襯套之間的摩擦力。當(dāng)泵徑≤70mm時(shí)，柱塞與襯套之間的摩擦力＜1 717N。此力的方向是變的，上沖程時(shí)向上，下沖程時(shí)向下。

⑤抽油桿和油管之間的摩擦力。在直井中，抽油桿與油管之間的摩擦力通常不超過抽油桿重力的1.5%。力的方向是變的，上沖程時(shí)向上作用，下沖程時(shí)向下作用。

⑥液柱和油管之間的摩擦力。該力與液柱和油管間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，但主要取決于井液粘度。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)示功圖分析，約為抽油桿和油管之間摩擦力的1／1.3，上沖程時(shí)向上，下沖程時(shí)消失。

玻璃鋼管柱最薄弱處是其螺紋連接處。通過計(jì)算得知，當(dāng)玻璃鋼油管的泵掛深度＞1 800m時(shí)，管柱內(nèi)的最大應(yīng)力超過其許用應(yīng)力，造成玻璃鋼油管因強(qiáng)度不夠而脫扣。

1.2 管漏

管漏是玻璃鋼油管失效的最普遍形式。在較低應(yīng)力水平下，由于螺紋材料（膠）與玻璃纖維和基體樹脂的彈性模量、泊松比、延伸率等物理性能的差異，導(dǎo)致螺紋和管基體的變形不同，從而使螺紋處產(chǎn)生泄漏。隨著工作時(shí)間的延長，泄漏越來越大。上述現(xiàn)象積累到一定程度時(shí)，導(dǎo)致螺紋密封失效［11］。

1.3 斷裂

玻璃鋼管管體受到軸向拉伸或內(nèi)壓拉伸破壞后，宏觀上破壞的形式表現(xiàn)為頸縮和沿纏繞方向的層間分離。外壓及軸向拉伸作用下，管子的主要失效為屈曲失效。首先是管子的1層失效，然后整體失效。

1.4 腐蝕

影響復(fù)合材料腐蝕性能的主要因素是樹脂基體、增強(qiáng)纖維和它們的界面。

樹脂基體的腐蝕可分為物理腐蝕和化學(xué)腐蝕。物理腐蝕指腐蝕介質(zhì)擴(kuò)散或經(jīng)吸收而進(jìn)人基體的內(nèi)部，導(dǎo)致高聚物性能的改變?；瘜W(xué)腐蝕是指介質(zhì)與基體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，例如降解或生成新化合物等，從而改變?cè)瓉淼男再|(zhì)。溫度對(duì)管子的極限壓力強(qiáng)度產(chǎn)生明顯的影響。

玻璃纖維的腐蝕是介質(zhì)浸入復(fù)合材料滲過樹脂層與玻璃纖維作用的效應(yīng)。侵入的途徑：

1） 通過工藝過程中形成的氣泡及應(yīng)力作用下破壞而形成的裂紋擴(kuò)展通道。

2） 樹脂內(nèi)部的雜質(zhì)遇介質(zhì)后溶解產(chǎn)生滲透壓，進(jìn)而形成微裂紋，使介質(zhì)滲入。

3） 介質(zhì)沿界面滲入，使纖維與基體的粘著性能劣化，并增加了微裂紋。

界面的腐蝕是介質(zhì)通過各種通道在界面處使樹脂產(chǎn)生溶脹、界面產(chǎn)生橫向拉伸應(yīng)力造成的。當(dāng)這種拉伸應(yīng)力大于界面粘著強(qiáng)度時(shí)，就出現(xiàn)了纖維與樹脂的脫粘破壞［12－14］。

2 減少玻璃鋼油管失效的對(duì)策

2.1 懸掛尾管

玻璃鋼油管的彈性模量小，導(dǎo)致管柱變形量大、沖程損失大、泵效降低。為使采用玻璃鋼油管采油后的泵效不低于同等工況下采用鋼管采油的泵效，油井平均生產(chǎn)周期＞420d，現(xiàn)場(chǎng)采用玻璃鋼油管下端錨定，并加重尾管。以萊38斜113井為例，玻璃鋼油管下端加重300m鋼制尾管，兩級(jí)桿配小直徑防磨接箍。加尾管之前，日產(chǎn)液35.8m3，泵效81%，生產(chǎn)周期39d；加尾管之后，日產(chǎn)液31.6m3，泵效88%，生產(chǎn)周期552d。采用尾管加重＋錨定的方法基本解決了沖程損失、交變載荷的影響，單井泵效＞60%，平均泵效達(dá)到76%，生產(chǎn)周期延長10倍多。

2.2 管柱單向錨定

計(jì)算表明，沖程損失主要與動(dòng)液面深度有關(guān)，動(dòng)液面越深，沖程損失越大。由于抽油桿的伸縮目前尚無有效的控制方法，因此，現(xiàn)場(chǎng)主要采用了控制油管伸縮的方法來減少?zèng)_程損失。目前，控制油管伸縮的工具可分為機(jī)械式卡瓦油管錨、液壓油管錨、油管張力錨、液壓雙向卡瓦油管錨和液壓?jiǎn)蜗蚩ㄍ哂凸苠^5類。這5類控制工具由于結(jié)構(gòu)原理不同，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果也不同。為了延長檢泵周期，在提高泵效的同時(shí)，避免管卡脫扣事故，本試驗(yàn)油區(qū)應(yīng)用了防油管下移的ZXSM－115型單向卡瓦錨。由于該錨定器為單向錨定，上提管柱，錨瓦自動(dòng)內(nèi)收，不會(huì)造成管卡事故。

通過有限元分析，與不錨定時(shí)相比，錨定后的最大應(yīng)力值和變形量都要小于沒有錨定的情況。以1 200m玻璃鋼管加300m鋼管為例，油管下端不錨定時(shí)，上、下沖程最大應(yīng)力分別為43.3MPa和50.6MPa，最大變形量分別為2.073m和2.83m；油管下端錨定時(shí)，上、下沖程最大應(yīng)力均為40.3MPa，最大變形量均為1.94m，與不錨定時(shí)相比，均有減小。

2.3 優(yōu)選接箍扣型

由于玻璃鋼油管的螺紋粘接油管本體，中性點(diǎn)以下油管伸縮變形，使螺紋承受一定扭轉(zhuǎn)和拉壓的交變載荷，易造成公扣和母扣間的粘著斷裂。在玻璃鋼油管試用的油區(qū)，油管失效的主要形式是螺紋的粘扣和斷裂，本體本身斷裂失效較少。為減少粘扣和螺紋斷裂脫落現(xiàn)象，對(duì)玻璃鋼管螺紋的加工工藝進(jìn)行研究，并對(duì)接箍扣型和材質(zhì)進(jìn)行優(yōu)選分析。

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的玻璃鋼油管接箍采用2種加工工藝：

1） 在本體上采用粘接工藝加工。這種是公扣成型工藝，由于本體表面光滑，粘接的強(qiáng)度低，為此，在螺紋粘接前，對(duì)管頭進(jìn)行車削，降低其表面粗糙度，從而提高粘接強(qiáng)度。

2） 直接在模具上采用玻璃纖維螺旋纏繞工藝，再進(jìn)行固化、切頭、造錐，母扣成型。這種工藝由于浸膠與膠液含量不易精確控制，會(huì)直接影響管柱的復(fù)合強(qiáng)度，增加管柱的孔隙，使其耐老化性和剪切性能降低。大量試驗(yàn)表明：纖維纏繞制品的強(qiáng)度和疲勞性能與纏繞張力有密切關(guān)系，制品含膠量大及均勻性與纏繞張力的關(guān)系非常大。因此，精確地控制含膠量和纏繞張力能夠有效地提高玻璃鋼管制品的復(fù)合強(qiáng)度。另外，確定合理的固化制度能使樹脂達(dá)到需要固化度，并使制品各部分固化收縮均勻，避免由內(nèi)應(yīng)力引起的變形、分層和開裂，保證制品的力學(xué)性能。

由于玻璃鋼螺紋連接是油管柱連接的最薄弱環(huán)節(jié)。為改進(jìn)玻璃鋼管在連接上的缺陷，提高管柱的整體連接強(qiáng)度，保證玻璃鋼管柱井下工作的可靠性，筆者對(duì)玻璃鋼油管接箍進(jìn)行了不同扣型、不同材質(zhì)、不同井深下的計(jì)算機(jī)模擬和有限元分析。對(duì)于接箍扣型，目前使用的有圓螺紋和偏梯形螺紋；有普通鋼制接箍和玻璃鋼接箍。

經(jīng)過試驗(yàn)得到：室溫時(shí)酸酐類試樣的平均抗拉強(qiáng)度σ＝189.625MPa，彈性模量E＝1.60×103MPa；胺類試樣平均抗拉強(qiáng)度＝127.25MPa，彈性模量E＝1.60×103MPa。

按照油管螺紋標(biāo)準(zhǔn)，建立了管螺紋的標(biāo)準(zhǔn)模型。分別對(duì)1 800、1 600和1 500m3種油井的玻璃鋼管柱進(jìn)行了分析。在分析時(shí)按照管柱重力＋300m液柱重力進(jìn)行加載，再考慮到浮力的影響及接箍在擰緊時(shí)初始預(yù)緊力的影響。接箍分別采用了鋼制接箍和玻璃鋼接箍。有限元分析結(jié)果表明：鋼制接箍的最大應(yīng)力明顯大于玻璃鋼接箍，因此建議使用玻璃鋼接箍；偏梯形螺紋的接箍最大應(yīng)力大于圓螺紋接箍，因此建議使用圓螺紋接箍。綜合考慮，建議現(xiàn)場(chǎng)使用圓螺紋玻璃鋼接箍。

3 結(jié)論

1） 玻璃鋼油管螺紋脫扣、管漏、泵效低和生產(chǎn)周期短是應(yīng)用玻璃鋼管采油遇到的主要問題。其中螺紋脫扣和斷裂失效是玻璃鋼油管應(yīng)用中的最薄弱環(huán)節(jié)。

2） 通過懸掛尾管和單向錨定可以有效地解決泵效降低、檢泵周期短等生產(chǎn)問題。

3） 針對(duì)玻璃鋼油管本體和接箍的加工工藝，提高加工過程中的參數(shù)和原料制劑控制精度，能夠有效地提高玻璃鋼管及接箍的力學(xué)性能，減少失效的可能性。

4） 根據(jù)有限元分析結(jié)果，得到不同材質(zhì)不同扣型接箍的最大應(yīng)力和變形量，綜合考慮，建議使用圓螺紋玻璃鋼接箍。

［1］ 孫 粲，謝發(fā)勤，田 偉，等.油管鋼的CO2和H2S腐蝕及防護(hù)技術(shù)研究進(jìn)展［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2009，38（5）：55－61.

［2］ 馬來增，謝先華.抽油機(jī)井應(yīng)用玻璃鋼管采油技術(shù)研究［J］.石油天然氣學(xué)報(bào)，2010，32（3）：369－372.

［3］ 馬來增，孫衛(wèi)娟，高 峰.改性玻璃鋼內(nèi)襯油管性能試驗(yàn)［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2001，30（增刊）：44－46.

［4］ 鄭金中，姜廣彬，王向東，等.玻璃鋼油管在海上分層注水井中的適應(yīng)性研究［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2010，39（9）：55－57.

［5］ Bass，Gordon N.Economic evaluation of fiberglass tubing in gas well service［J］.Materials Performance，1991，30（3）：57－61.

［6］ Stocchi A.Physical and water aging of glass fiber－reinforced plastic pipes［J］.Composite Interfaces，2006，13（8／9）：685－697.

［7］ 田 豐.油田用玻璃鋼管的失效分析［J］.國外石油機(jī)械，1996，7（3）：75－78.

［8］ 萬邦烈.采油機(jī)械的設(shè)計(jì)計(jì)算［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1988：60－68.

［9］ 張 琪.采油工程原理及計(jì)算［M］.東營：石油大學(xué)出版社，2001：52－55.

［10］ 李繼志.石油鉆采設(shè)備及工藝概論［M］.東營：石油大學(xué)出版社，1992：45－52.

［11］ 郭生武，楊 龍，馮耀榮，等.油田用玻璃鋼管［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2004.

［12］ 李忠江.油田用纖維纏繞玻璃鋼管的設(shè)計(jì)［J］.全面腐蝕控制，1995，10（1）：30－31.

［13］ 吳則中，田 豐，李 策.玻璃鋼管在我國油田的應(yīng)用［J］.全面腐蝕控制，1995，11（1）：12－15.

［14］ 張玉芳，鄧永榮，郭生武，等.玻璃鋼油管在高溫高壓環(huán)境下的耐腐蝕性研究［J］.油氣儲(chǔ)運(yùn)，1998，17（10）：42－44.

Failure Analysis and Countermeasures for Fiberglass Oil Tubing

MA Lai－zeng1，2，ZHANG Xin1，XU Xing－ping1
（1.College of Mechanical and Electronic Engineering，China University of Petroleum，Dongying257061，China；2.Dongxin Oil Production Plant，Shengli Oilfield Company，Dongying257060，China）

The characteristics of the fiberglass oil tubing are summarized.Main failure patterns are analyzed.The use of the fiberglass oil tubing in Dongxin Oil Production Plant is introduced.Actual measures for reducing failure are set forth：suspending tail tubing，anchoring low end，using new threading technology to improve its connection strength.Practice shows that these measures are very efficient.

tubing；glass fiber；failure；measure

1001－3482（2011）11－0061－04

TE931.2

B

2011－05－05

馬來增（1974－），男，山東巨野人，高級(jí)工程師，碩士，博士研究生，1996年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院礦機(jī)專業(yè)，主要從事采油工程與注水工藝技術(shù)研究與管理工作。