復(fù)合連續(xù)油管現(xiàn)場應(yīng)用經(jīng)驗

楊社民 編譯

（中國石油集團東南亞管道有限公司，北京100028）

1 復(fù)合連續(xù)管概述

在美國conoco公司所做工作的基礎(chǔ)上,美國Fiberspar公司通過7年的時間，開發(fā)出了可纏繞式復(fù)合連續(xù)管。早期的開發(fā)，作為鋼制連續(xù)油管的替代產(chǎn)品，集中用于井下低抗疲勞和耐腐蝕環(huán)境。但在最初的開發(fā)期之后，由于受市場拉動，研究重新專注于地面的應(yīng)用技術(shù)，該技術(shù)于1999年首次商業(yè)化用于地面集輸管線，目前大多數(shù)在北美洲應(yīng)用。該技術(shù)已被證明是一個可靠并節(jié)省成本的技術(shù),特別是對任何腐蝕性環(huán)境，這項技術(shù)是一項很好的替代方案，并且安裝快速，安全，節(jié)省人力。針對小直徑連續(xù)管施工行業(yè)的安裝速度和可靠性，制定了新的標準。可纏繞式復(fù)合連續(xù)油管作為現(xiàn)有防腐蝕的解決方案，比如鋼內(nèi)襯和玻璃纖維加強管，隨著技術(shù)的發(fā)展和成熟，應(yīng)用范圍將越來越廣。

連續(xù)管技術(shù)，特別是制造工藝的發(fā)展，受益于這種商業(yè)上的成功應(yīng)用和批量生產(chǎn)。當這種技術(shù)首先被開發(fā)出來時，許多業(yè)內(nèi)專家認為，建立一個商業(yè)而不是一個技術(shù)上成功的最大風險，將是企業(yè)制造出始終保持高質(zhì)量標準的較長連續(xù)油管的能力。現(xiàn)在，產(chǎn)品通常制造的長度達六、七千米，偶爾在一個高度自動化的24 h連續(xù)制造工藝下會生產(chǎn)出更長的產(chǎn)品。這個工藝不是勞動密集型的，而是高度的自動化。連續(xù)管長度的限制取決于產(chǎn)品包裝的結(jié)果，而不是工藝的可靠性。

在連續(xù)管開發(fā)初期，井下應(yīng)用雖然不是最優(yōu)先的開發(fā)目的，但后來井下應(yīng)用有了一些持續(xù)發(fā)展。其地面應(yīng)用達到了成熟的地步，現(xiàn)在研究將會對井下市場進行更多的關(guān)注。雖然地面和井下應(yīng)用的基本技術(shù)是大致相同的，但為了連續(xù)油管能夠適于這些應(yīng)用，已經(jīng)進行了一些改進?，F(xiàn)場試驗以及實驗室都進行了測試，筆者將回顧這些現(xiàn)場的經(jīng)驗，也將簡要介紹擴大井下應(yīng)用技術(shù)的戰(zhàn)略計劃和重點領(lǐng)域，以期進一步擴大復(fù)合連續(xù)油管的能力及應(yīng)用。

2 復(fù)合連續(xù)管的設(shè)計

可纏繞式復(fù)合連續(xù)管的基本設(shè)計包括內(nèi)部流體屏套（通常熱塑性擠出）和加強層，在屏套上的加強纏繞是一個連續(xù)的工藝（如圖1所示）。

圖1 可纏繞式復(fù)合連續(xù)管的設(shè)計結(jié)構(gòu)

加強層壓板材料包括多層和反向纏繞的纖維層，在環(huán)氧樹脂基體中，通常是玻璃纖維或碳纖維，或兩者的混合體。連續(xù)管在隧道爐里固化，其成品管被纏繞到卷筒上。連續(xù)管的特有工藝確保了襯套被化學鍵結(jié)合到加強結(jié)構(gòu)上，以延長產(chǎn)品的使用壽命。該工藝完全自動化，并通過工藝窗口來嚴格控制，以保證產(chǎn)品質(zhì)量的一致性和低成本。連續(xù)管所生產(chǎn)的長度，不是受技術(shù)的限制，而是受商業(yè)應(yīng)用的驅(qū)動。所有管線，大多數(shù)為井下管道設(shè)計，就是使用光纖的幾何形狀，以便以最大3.5%的應(yīng)變進行纏繞，卷筒直徑相當于連續(xù)管外徑的28倍 （如圖2所示）。這些高卷繞應(yīng)變和較低單位質(zhì)量的連續(xù)管，使用專門設(shè)計的拖車，可以實現(xiàn)卡車陸路運輸。

圖2 卡車陸路運輸?shù)妮^大尺寸和長度的復(fù)合連續(xù)油管

對于較高軸向負荷的井下用管，一般設(shè)計使用2%～3%的應(yīng)變進行纏繞。對于特定的應(yīng)用要求，雖然連續(xù)管基本結(jié)構(gòu)保持不變，但設(shè)計上的變化可以安排在相同的工藝生產(chǎn)線上完成。例如：①纖維幾何形狀的加強層可以設(shè)計特定的性能，比如拉伸強度；②較高溫度額定值可用于不同的樹脂配方；③光纖或銅導(dǎo)線可以嵌入到電力和數(shù)據(jù)通信矩陣（smart pipe）；④熱塑性流體屏套可以選擇特定的性能；⑤外部粘結(jié)或無粘結(jié)流體屏套可以增加適合外粘和內(nèi)壓的性能；⑥零滲透的屏套可以合并。

3 質(zhì)量保證

用于輸送的符合連續(xù)管系列產(chǎn)品已經(jīng)設(shè)計并通過試驗，滿足各種現(xiàn)有的行業(yè)標準，如API 15 HR和CSA Z-662。針對可纏繞式復(fù)合連續(xù)管，該行業(yè)組織目前正在制定一項新的API推薦作法。然而，這些標準，都是特定于地面應(yīng)用，對井下應(yīng)用沒有相應(yīng)的標準，而行業(yè)要求在每次應(yīng)用程序的基礎(chǔ)上已逐步發(fā)展。

用于輸送的符合連續(xù)管按照ISO 9001兼容的設(shè)備進行制造，且該工藝是完全自動化的，以確保產(chǎn)品的可靠性和可重復(fù)結(jié)果，并采用了嚴格的質(zhì)量控制和檢測系統(tǒng)。

4 井下應(yīng)用

復(fù)合連續(xù)管的井下應(yīng)用包括永久性設(shè)施，如生產(chǎn)油管、速度管柱和注射管柱，尤其適用于腐蝕性環(huán)境，如連續(xù)油管干預(yù)和鉆井。

4.1 干預(yù)管柱

復(fù)合連續(xù)管第一代的設(shè)計開發(fā)都采用多層和可變幾何層壓板的碳纖維加強材料，以及優(yōu)化的軸向性能和疲勞壽命，同時保持了合理的可纏繞性。雖然這些設(shè)計有高成本的缺點，并對制造業(yè)提出了一些挑戰(zhàn)，但最終被證明其性能滿足所有要求。1998年，1 524 m長、直徑38.1 mm（1.5 in）的復(fù)合連續(xù)管被制造出來。圖3所示為在德克薩斯西南部使用常規(guī)的連續(xù)油管設(shè)備生產(chǎn)出的管柱。這根管柱的現(xiàn)場性能在以前的《干預(yù)和連續(xù)油管協(xié)會》的論文6（ICoTA paper 6）中發(fā)表過，其規(guī)范見表1的第Ⅰ列。

圖3 1 980 m長、直徑3.8 mm（1.5 in）復(fù)合連續(xù)油管的現(xiàn)場應(yīng)用試驗

直徑38.1 mm（1.5 in）的復(fù)合連續(xù)管性能優(yōu)異，但和小直徑連續(xù)油管相比，并沒有顯示出明顯的商業(yè)優(yōu)勢。本次試驗主要是為了提供一些現(xiàn)場經(jīng)驗，這方面的經(jīng)驗已應(yīng)用于鉆井所需的大直徑管柱。經(jīng)過最初的應(yīng)用試驗后，直徑38.1 mm（1.5 in）復(fù)合連續(xù)管管柱研發(fā)被停止，從而努力集中開發(fā)一個先進的連續(xù)油管鉆井系統(tǒng)所用的智能管（smart pipe），將在下文中敘述。

2002年，設(shè)計了一種新的復(fù)合連續(xù)油管并已通過現(xiàn)場試驗。本設(shè)計是基于類似于如今已成功的管線設(shè)計所用的施工技術(shù)、纖維的幾何形狀和材料，但與早期的產(chǎn)品設(shè)計以及智能管（smart pipe）的設(shè)計有著明顯不同。新的復(fù)合連續(xù)油管采用了更低的成本，并提高了可纏繞性，同時保留了大部分的設(shè)計性能。成本的降低主要是通過使用玻璃纖維與碳層壓板加固和高密度聚乙烯（HDPE）材料所取得的，而不是用聚偏氟乙?。≒VDF）作為內(nèi)壓壓板。2002年底，一個采用新的設(shè)計制成的1 524 m長、直徑38.1 mm（1.5 in）的管柱被部署在德克薩斯南部，已被用于修井和完井工作。其規(guī)?；a(chǎn)成本大約是同類連續(xù)油管的1.5倍，該管柱的規(guī)范見表1中第Ⅱ列。與第Ⅰ列所示的連續(xù)管設(shè)計相比，其壓爆和拉伸強度明顯降低，成本降低大約70%。應(yīng)變由2%提高至3.5%，可纏繞性明顯提高，這將降低運輸成本和設(shè)備成本。

表1 復(fù)合連續(xù)管技術(shù)參數(shù)

修井和完井工作是快速、重復(fù)的，它可提供觀察管柱在很短的時間內(nèi)運行的最佳機會。第一個月運行過程中，平均每天都完成近一個井的工作，管柱處于良好的狀態(tài)，這驗證了復(fù)合連續(xù)油管柱比普通連續(xù)油管工作壽命長。

干預(yù)管柱也繼續(xù)進行更高性能的工作，例如連續(xù)油管壓裂和注入腐蝕性液體（過氧化氫和二甲苯等）。這包括管柱采用纖維的幾何形狀、多層加固材料和使用的熱塑性工程塑料（如聚苯硫醚外套的創(chuàng)新混合設(shè)計）。直徑38.1 mm（1.5 in）的干預(yù)管柱在2003年第3季度進行了現(xiàn)場試驗，該管柱的規(guī)范見表1的第Ⅲ列。

4.2 用于智能鉆井的智能管（smart pipe）

1998年，F(xiàn)iberspar被委托為一種先進的連續(xù)油管鉆井系統(tǒng)設(shè)計并建造帶導(dǎo)體實時功率和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膹?fù)合連續(xù)油管。第一代設(shè)計升級版（表1，第I列31，層壓板）建立了包含碳加固材料和嵌入式導(dǎo)體。該管直徑為73 mm(27/8in)，50 MPa設(shè)計壓力，并進行了廣泛的試驗，然后在兩個實鉆情況（試驗井）中運行。經(jīng)過幾輪設(shè)計，該管最終達到要求的性能指標。這個智能管開發(fā)的亮點主要包括：

（1）生產(chǎn)工藝被證明是優(yōu)異的，最終生產(chǎn)出了兩個連續(xù)長度超過6 400 m的智能管；

（2）經(jīng)過多次設(shè)計，開發(fā)出了一個簡單、可靠的方法，是在線安裝6個20#AWG導(dǎo)體。該工藝被證明非常可靠；

（3）數(shù)據(jù)導(dǎo)體在現(xiàn)場從未出現(xiàn)過任何性能問題；

（4）在項目開發(fā)的后期，關(guān)鍵點是在一個完整的外擠壓力情況下，智能管必須保持完整性。這是通過在熱塑性外部流體外套上添加薄的玻璃纖維耐磨層來實現(xiàn)的；

（5）其中一個要求是，該管可以在普通連續(xù)油管上運行，由于設(shè)備互動，該管的外表產(chǎn)生一些磨損。對幾種不同的外部耐磨材料進行了測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)一個外部粘合的聚丙烯材料具有優(yōu)良的耐磨性能，可以提供必要的外部氣體外套以保證來自外部流體的抗壓潰性能。

4.3 復(fù)合連續(xù)油管鉆井

為滿足先進的連續(xù)油管鉆井系統(tǒng)而設(shè)計的高性能復(fù)合連續(xù)管設(shè)計成本高，當進行常規(guī)作業(yè)時，與普通連續(xù)油管沒有競爭力?？蛻粜畔⒈砻?，連續(xù)管鉆井行業(yè)需要較大直徑的連續(xù)管以擴大使用范圍， 而89 mm（3.5 in）， 101.6 mm（4 in）和114.3 mm（4.5 in）的普通連續(xù)油管很難卷繞和運輸。

從上述用于輸送以及井口干預(yù)復(fù)合連續(xù)管生產(chǎn)經(jīng)驗中可知，更低成本的直徑89 mm （3.5 in）玻璃纖維增強材料復(fù)合連續(xù)油管已被設(shè)計開發(fā)、制造和試驗，并用于鉆井作業(yè)。該管規(guī)格見表1第Ⅳ列，該管具有優(yōu)良的抗疲勞壽命，且以3.5%的應(yīng)變纏繞，成本約為相同尺寸的普通連續(xù)油管的1.5倍。

配備必要的現(xiàn)場機械設(shè)備，該管已成功用于16口井的鉆探。出于商業(yè)原因該試驗被停止，但被認為是成功的，因為此復(fù)合連續(xù)油管表現(xiàn)出了良好的性能，并保持了全壓的完整性。

4.4 井下永久性設(shè)施

兩個井下永久性裝置已試制完成。1999年在加拿大直徑38.1 mm（1.5 in）連續(xù)油管管柱作為加熱器管柱被安裝。該裝置是干預(yù)及連續(xù)油管協(xié)會（ICoTA）1999年論文的主題。該結(jié)構(gòu)是聚偏氟乙稀帶玻璃纖維加強結(jié)構(gòu)層內(nèi)襯。較低熱傳導(dǎo)性的復(fù)合連續(xù)油管與鋼制材料相比，其重要的材料性能保證了溫度較高的液體被輸送到井底。

1998年，外徑60.3 mm（23/8in）的復(fù)合尾管延長段被裝進北海南部的3口氣井里。該裝置被迅速完成，最初的井口表現(xiàn)令人滿意，但一年后，所有的井口最終停止生產(chǎn)。隨后的調(diào)查表明，排氣管安裝在93.3℃（200°F）的生產(chǎn)區(qū)。從模擬實驗室測試結(jié)果看出，在潮濕的環(huán)境且在此溫度下長時間暴曬后，這些延伸段所使用的樹脂材料性能大幅下降。Fiberspar公司現(xiàn)已限制在65.6℃（150°F）下使用環(huán)氧樹脂，并已經(jīng)引入了一個適用于82.2℃（180°F）操作的新的環(huán)氧樹脂系統(tǒng)。并繼續(xù)將更多的精力投放到開發(fā)低成本、高溫應(yīng)用領(lǐng)域的替代樹脂系統(tǒng)。

5 未來發(fā)展方向

連續(xù)油管技術(shù)具有很多優(yōu)點，其中最主要的是在許多井下應(yīng)用中的投入成本較低。普通連續(xù)油管將不斷推出其新的應(yīng)用，但其有一些固有的局限性，例如，疲勞壽命、較大尺寸的運輸困難及防腐性能，這些都是目前商業(yè)或技術(shù)上的難題。復(fù)合連續(xù)油管將會克服這些缺點，并使其應(yīng)用范圍不斷擴大。

在復(fù)合連續(xù)油管的研究中也存在一些難題，例如，低軸強度和剛度以及一些還需要充分掌握的技術(shù)問題。這些問題都是可能導(dǎo)致壓扁、氣體滲透和化學作用的單獨應(yīng)用程序的參數(shù)，所有這些參數(shù)都受井身溫度的影響。這就要求仔細選擇應(yīng)用并注意應(yīng)用設(shè)計。另外，質(zhì)量輕、耐腐蝕性能也是研究重點。

在已經(jīng)完成的工作的基礎(chǔ)上，F(xiàn)iberspar公司將繼續(xù)發(fā)展適合鉆井環(huán)境的復(fù)合連續(xù)管技術(shù)。最終，這些管柱將通過銅導(dǎo)體或光纖波導(dǎo)實現(xiàn)數(shù)據(jù)和電力網(wǎng)絡(luò)合并。同時將生產(chǎn)大直徑連續(xù)管，以便擴大其在大斜度井中潛在深度和廣度的應(yīng)用。將繼續(xù)研發(fā)復(fù)合連續(xù)管的外部磨損問題，產(chǎn)品的最終目標是達到同等級普通連續(xù)管成本的1.5倍，但其使用壽命要達到普通連續(xù)管的3倍。

譯自：Michael Feechan,Chris Makselon,Stephen Nolet.Field Experience with Composite Coiled Tubing［C］//Presentation at the SPE/ICoTA Coiled Tubing Conference.Houston Texas， USA： [s.n.]， 2003.