注水井用非金屬復(fù)合材料油管試驗檢測與評價

胡美艷，申曉莉，于九政，畢福偉

（1．低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，西安 710018；2．長慶油田分公司油氣工藝研究院，西安 710018）

注水井用非金屬復(fù)合材料油管試驗檢測與評價

胡美艷1，2，申曉莉1，2，于九政1，2，畢福偉1，2

（1．低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，西安 710018；2．長慶油田分公司油氣工藝研究院，西安 710018）

非金屬復(fù)合材料油管在油田注水井中使用時，各項性能指標(biāo)要求有所不同。對內(nèi)徑50 mm、4層結(jié)構(gòu)的非金屬復(fù)合材料油管進行了力學(xué)性能、耐溫性能、抗腐蝕性能室內(nèi)試驗。該種復(fù)合材料油管抗內(nèi)壓為24 MPa，拉力110 k N時伸長率為5．4%，最小彎曲半徑為350 mm，耐溫70℃，對H2S、CO2等物質(zhì)具有較好的防腐作用。檢測結(jié)果表明：該種非金屬復(fù)合材料油管能夠在井深2 000 m以內(nèi)的注水井中正常工作，在污水回注井中具有較好的適應(yīng)性。

注水井；非金屬復(fù)合材料油管；力學(xué)性能；耐溫性能；抗腐蝕；試驗檢測

非金屬復(fù)合材料油管作為一種新型管材，在油田生產(chǎn)尤其是地面輸送方面得到了廣泛的應(yīng)用。近幾年隨著其力學(xué)性能、耐溫能力的提高，加上較好的抗腐蝕特性，該種管材在油水井井下也逐漸開始試驗［1-4］。目前國內(nèi)非金屬管在井下的應(yīng)用主要集中在注水井中，且尚處于起步階段，相關(guān)的理論、試驗檢測及評價研究較少［5-8］。本文針對一種用于油田注水井的非金屬復(fù)合材料油管進行室內(nèi)試驗，測試其力學(xué)性能、耐溫性能及抗腐蝕能力，評價其在注水井中的適應(yīng)性，為現(xiàn)場應(yīng)用提供一定的參考。

1 非金屬復(fù)合材料油管本體結(jié)構(gòu)

設(shè)計的非金屬復(fù)合材料油管由聚合物內(nèi)層、增強抗壓層、抗拉層、外保護層4層材料構(gòu)成（如圖1），其選材及工藝如表1。

圖1 非金屬復(fù)合材料油管本體結(jié)構(gòu)

表1 非金屬復(fù)合材料油管結(jié)構(gòu)選材及工藝

2 力學(xué)性能評價

非金屬復(fù)合材料油管作為注水管柱時，除要承受內(nèi)外壓力外，還要承受更大的軸向拉力。在定向井中應(yīng)用，還要考慮其在井眼中最大曲率處的彎曲能力及通過性能。因此，需要對管柱進行力學(xué)性能檢測，主要包括抗內(nèi)壓強度、爆破強度、拉伸強度以及最小彎曲半徑［9-14］。

2．1 抗內(nèi)壓強度測試

采用增加靜水壓力的方法，測試非金屬復(fù)合材料油管抗內(nèi)壓性能指標(biāo)。測試樣品為3件，內(nèi)徑50 mm，長度為1 m。測試時溫度為室溫，利用加壓泵對管材單向加壓，另一側(cè)安裝的壓力傳感器顯示壓力值。試驗過程中，以1 MPa為差值，管材內(nèi)壓逐漸加至公稱壓力16 MPa的1．5倍，即24 MPa，穩(wěn)壓24 h，壓力降為2%，小于標(biāo)準(zhǔn)要求的4%［15］。

2．2 爆破強度試驗

在抗內(nèi)壓強度測試的基礎(chǔ)上，繼續(xù)加液壓直到管材破裂。試驗過程中液壓接近50 MPa時，壓力上升速度明顯變慢，當(dāng)達到50 MPa時管體爆破，破裂處的各結(jié)構(gòu)層均被破壞。

2．3 拉伸強度測試

足夠的抗拉強度是非金屬復(fù)合材料油管能夠在井下應(yīng)用的必要條件，以保證井下工作安全。使用拉力試驗機對樣品進行抗拉強度測試，裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1） 在樣品中段，沿軸向標(biāo)記2點A、B，間距為500 mm。

2） 將測試樣品一端固定在測試機的固定端，另一端連接到測試機的可動端。

3） 以10 mm／min的速率對管道拉伸。

4） 拉伸過程中，在對應(yīng)拉力下記錄A、B點間距，并計算伸長率。

測試結(jié)果表明：該非金屬復(fù)合材料油管在拉力110 k N時，變形率為5．4%，達到了標(biāo)準(zhǔn)的要求［16］，如表2所示。

圖2 拉力試驗機示意

表2 非金屬油管拉伸試驗數(shù)據(jù)

2．4 最小彎曲半徑測試

在定向井中應(yīng)用時，需要確定非金屬復(fù)合材料油管的最小彎曲半徑，以滿足不同井眼曲率的需要。測試樣品為1根兩端連接有接頭的非金屬復(fù)合材料油管，樣品長為2 m。試驗溫度為環(huán)境溫度，彎曲剛度測試裝置如圖3所示。

1） 將柔性復(fù)合油管繞在1個弧形砧座上，砧座的曲率半徑比要測試的曲率半徑略小。

2） 在柔性復(fù)合油管的兩端加載。

3） 在管道的兩端施加垂直向下且相等的載荷，使柔性復(fù)合油管彎曲。在柔性管道彎曲時要保證油管與弧形砧座接觸。

4） 保持12 h后緩慢卸載，加壓測試檢漏。測試的最小彎曲半徑為350 mm。

圖3 彎曲裝置示意

3 耐溫性能測試

良好的耐溫性能是非金屬復(fù)合材料油管在井下正常工作的重要保證，因此必須考慮并測試其耐溫性能，以確定其井下適應(yīng)性。測試樣品為3根長（200±20）mm的油管。測試內(nèi)容為縱向回縮縮率及維卡軟化溫度。

3．1 縱向回縮率測試

使用劃線器在3根試樣上劃2條相距100 mm的圓周標(biāo)線，并使其中1條標(biāo)線距另一段10 mm。試樣在（23±2）℃下至少放置2 h進行預(yù)處理。在（23±2）℃下，測量標(biāo)線間距L0。

將烘箱溫度調(diào)節(jié)至（110±2）℃，試樣放置其中120 min。從烘箱中取出試樣，平放于光滑平面上，待完全冷卻至（23±2）℃時，在試樣表面沿母線測量標(biāo)線間最大或最小距離Li。

管材的縱向回縮率為

式中：ΔL＝｜L0－Li｜；L0為放入烘箱前試樣2條標(biāo)線間距離，mm；Li為試驗后沿母線測量的2條標(biāo)線間距離，mm。

縱向回縮率測試數(shù)據(jù)如表3。

表3 縱向回縮率測試數(shù)據(jù)

3．2 維卡軟化溫度測試

使用維卡軟化點測試設(shè)備、熱變形溫度測試儀對樣品進行測試分析。樣品加載荷為50 N，加熱速率為50℃／h。測試3根樣品的維卡軟化溫度平均值為70．7／℃。

縱向回縮縮率及維卡軟化溫度測試結(jié)果表明，測試的非金屬復(fù)合材料油管能夠在溫度為70℃以內(nèi)的井下工作。

4 耐腐蝕性能測試［17］

非金屬復(fù)合材料油管比較突出的特點是其良好的防腐性能。在井下工作時，主要要求其對高礦化度、H2S、CO2等腐蝕性強的物質(zhì)具有較好的抵抗性能。

4．1 抗腐蝕試驗一

將非金屬復(fù)合材料油管試樣放入高壓高溫釜溶液中，其含飽合H2S，通入CO2氣體，壓力維持2 MPa，在恒溫65．6℃條件下浸泡168 h，試驗前后試樣質(zhì)量無明顯變化；試驗前后試樣顏色及浸泡的水溶液顏色無明顯變化。試驗結(jié)果如表4。

表4 抗腐蝕試驗一測試結(jié)果

4．2 抗腐蝕試驗二

將NaCl、CaSO4、MgSO4、Na2SO4、NH4NO3及尿素等按照一定的量加入水中制成浸泡液，各種物質(zhì)的質(zhì)量濃度滿足：ρ（NaCl）＝298 g／L、ρ（CaSO4）＝1．8 g／L、ρ（MgSO4）＝0．05 g／L、ρ（Na2SO4）＝6．0 g／L、ρ（NH4NO3）＝3．5 mg／L。

把樣品首先在恒溫23℃的浸泡液中浸泡168 h，前后稱重，再在56℃的恒溫水中加熱10 h后稱重。試驗結(jié)果如表5。

表5 抗腐蝕試驗二測試結(jié)果

5 結(jié)論

1） 設(shè)計的非金屬復(fù)合材料油管抗內(nèi)壓24 MPa，爆破壓力達到50 MPa，抗拉強度110 k N，最小彎曲半徑350 mm。

2） 測試結(jié)果顯示：非金屬復(fù)合材料油管對高礦化度、含H2S及CO2的液體具有較好的耐腐蝕特性，可以在70℃以內(nèi)的井內(nèi)正常工作，較金屬油管能夠更長時間在井下工作而不發(fā)生腐蝕。

3） 非金屬復(fù)合材料油管具有良好的力學(xué)性能、耐溫特性及防腐性能，其在注水井中應(yīng)用較金屬油管具有明顯的優(yōu)勢。

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Testing and Experiment of Nonmetal Compound Material Tubing for Injection Well

H U Mei-yan1，2，SHEN Xiao-li1，2，YU Jiu-zheng1，2，BI Fu-wei1，2?
（1．National Engineering Laboratory for Exploration and Development of Low-permeability Oil&Gas Fields，Xi’an 710018，China；2．Oil&Gas Technology Research Institute，Changing Oilfield Company，Xi’an 710018，China）

When nonmetal compound material tubing used for water injection well，every performance figure is different．Some experiments for one nonmetal compound material tubing were tested，this kind of tubing has 4-layer structure，inner diameter is 50mm，and the experiments include mechanics，temperature and corrosion proof abilities．This tubing can hold 24 MPa internal pressure，when stretching at 110 k N，the length growth rate is 5．4%，the minimum bending radius is 350 mm，temperature tolerance is 70℃，it has corrosion prevention for H2S and CO2．The result of all tests and experiments prove that this nonmetal compound material tubing can be used on depth in 2 000 m injection well，especially on produced water reinjection well．

water injection well；nonmetal compound material tubing；mechanics ability；temperature ability；corrosion proof ability；experiment and test

TE931．2

A

1001-3482（2014）01-0049-04

2013-07-16

胡美艷（1971-），女，陜西乾縣人，高級工程師，主要從事油田注水工藝和提高采收率技術(shù)研究，E-mail：humy_cq＠petrochina．com．cn。