玻璃鋼管在油田注水井中的應(yīng)用現(xiàn)狀及展望

連倩　郭陽(yáng)陽(yáng)　茍丹　潘登　周勇

摘 要：玻璃鋼管道以其耐腐蝕、材質(zhì)輕等優(yōu)點(diǎn)廣泛運(yùn)用于石油行業(yè)。隨著玻璃鋼注水管的大范圍使用，其連接問(wèn)題也凸顯出來(lái)，阻礙了其在油田的推廣和發(fā)展。本文主要結(jié)合國(guó)內(nèi)外玻璃鋼注水管的使用情況，分析玻璃鋼注水管使用過(guò)程中存在的主要問(wèn)題，為玻璃鋼管在石油注水中的應(yīng)用決策提供解決方案。

關(guān)鍵詞：玻璃鋼管 注水井 應(yīng)用現(xiàn)狀 發(fā)展前景

中圖分類號(hào)：TB324 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）04（c）-0084-02

近年來(lái)，隨著油田開(kāi)發(fā)的不斷持續(xù)，我國(guó)大部分油田進(jìn)入二次采油和三次采油階段，為增加油田的產(chǎn)量，通常需要對(duì)地層進(jìn)行注水作業(yè)。由于我國(guó)的淡水資源匱乏，注水的工藝多采用污水循環(huán)回注，這樣就加大了對(duì)管材的腐蝕。特別是一些酸性油田，地層水中含有H2S、CO2、Cl-和硫酸鹽還原菌（SRB），對(duì)油、套管腐蝕十分嚴(yán)重，最短在1年左右發(fā)生腐蝕斷裂，造成內(nèi)部堵塞，壓力下降，產(chǎn)量下降。據(jù)初步分析，注水井套管的維持費(fèi)逐年增大，油管、抽油桿、泵等設(shè)備的更換，每年更換費(fèi)用約為2.5億元。中油田因水質(zhì)偏酸性且極不穩(wěn)定引發(fā)腐蝕造成的直接經(jīng)濟(jì)損失每年約7000萬(wàn)元，間接經(jīng)濟(jì)損失約2億元[1～3]。

近年來(lái)，雖然發(fā)明了很多防止或減慢注水油管腐蝕的方法，但都不能從根本上解決腐蝕帶來(lái)的問(wèn)題，而高壓玻璃鋼管耐腐蝕，使用壽命可達(dá)15～20年，是普通油管的4～5倍[4]。隨著井下高壓玻璃鋼油管的不斷研制和發(fā)展，玻璃鋼油管在國(guó)內(nèi)注水作業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

1 玻璃鋼管在油田注水井中的應(yīng)用現(xiàn)狀

20世紀(jì)50年代初，美國(guó)手糊的聚酯玻璃鋼管首次用于油田的油氣集輸管線。50年代中期，羅克埃蘭德（Rock Is Land）石油和精煉公司引進(jìn)了纖維纏繞玻璃鋼高壓油管和油井套管生產(chǎn)線。管子采用螺紋連接，專用于石油工業(yè)。1970年以后，國(guó)外各大石油公司開(kāi)始在注水管中大量應(yīng)用玻璃鋼管道或管柱，如EXXON公司，注水管線除了管徑較大處使用內(nèi)涂層管材外，其余區(qū)域大部分運(yùn)用的是玻璃鋼管，使用12年基本無(wú)損壞。至20世紀(jì)90年代，殼牌殼牌公司在注水方面使用玻璃鋼管長(zhǎng)度使用已超過(guò)600 km[1]。

我國(guó)玻璃鋼產(chǎn)業(yè)起步較晚，開(kāi)始于20世紀(jì)70年代，主要用于地面用鉆井水管線，隨后在污水輸送、原油集輸、注水管線也相繼應(yīng)用。1995年，來(lái)自全國(guó)七大油田的15人，赴美國(guó)德克薩斯油田、AMCO石油公司等考察玻璃鋼管道在油田上的使用情況，考察報(bào)告充分肯定了玻璃鋼管在污水處理、注水、采油、集油、集水等方面有著極好的使用效益和市場(chǎng)。其中勝利油田引進(jìn)了10 km高壓玻璃鋼管道，分別在兩口抽油井和三口注水井上試用（井深平均2000 m），結(jié)果證明高壓玻璃鋼管技術(shù)是先進(jìn)的，產(chǎn)品性能是優(yōu)越的。從1995年起，國(guó)內(nèi)為了解決了含硫氣井的生產(chǎn)管柱的腐蝕，在川中磨溪等氣田應(yīng)用的7000 m玻璃鋼油管獲得成功。1998年4月為了對(duì)玻璃鋼油管使用性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)M71井進(jìn)行特別壓井作業(yè)，檢查玻璃鋼油管內(nèi)外表面，除有少量結(jié)垢外，玻璃鋼油管本體及絲扣基本完好無(wú)損，入井上扣時(shí)涂的密封脂尚在，全部油管試壓15 MPa，穩(wěn)壓15 min不泄露[5]。2000年以后，玻璃鋼油管開(kāi)始大量使用，2008年開(kāi)始在海洋石油分層注水中應(yīng)用[6]。截至2013年，國(guó)內(nèi)外在油田注水領(lǐng)域已累計(jì)應(yīng)用玻璃鋼管達(dá)幾十萬(wàn)km，并且以每年5%～10%的速度遞增。

隨著國(guó)內(nèi)各油田的開(kāi)采相繼進(jìn)入中后期，注水開(kāi)采成為提高采收率的主要工藝，注水管的腐蝕問(wèn)題日益突出，對(duì)中、高壓玻璃鋼管的需求量不斷增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，遼河油田每年需求高壓玻璃鋼注水管600 km以上；勝利油田每年需求高壓玻璃鋼注水管 1000 km以上；大港、中原、長(zhǎng)慶、延長(zhǎng)等油田對(duì)高壓玻璃鋼管的需求量也在逐年增加。我國(guó)油田系統(tǒng)每年玻璃鋼管的總需求量達(dá)6000 km以上，工程投資達(dá)9億元。另外，井下玻璃鋼油（套）管的市場(chǎng)需求量更大，市場(chǎng)潛力巨大。據(jù)預(yù)測(cè)，2010年至2020年是玻璃鋼管的使用高峰期。

2 玻璃鋼注水管的應(yīng)用特點(diǎn)及存在的主要問(wèn)題

2.1 玻璃鋼的特點(diǎn)

由于玻璃鋼管優(yōu)越的特點(diǎn)及性能，玻璃鋼管在油田中得到廣泛應(yīng)用，并且逐漸取代現(xiàn)有的金屬管材[7～8]。其特點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下方面：

（1）質(zhì)輕、經(jīng)濟(jì)。玻璃鋼密度小，密度為1.8～2.0 kg/cm3，僅為鋼的1/4，比強(qiáng)度高，運(yùn)輸方便，在安裝過(guò)程中節(jié)省大量的人力、物力、財(cái)力。（2）摩阻小，抗腐蝕性好。玻璃鋼管的內(nèi)表面非常光滑，粗糙度為0.005，摩擦因數(shù)為0.016，摩擦阻力小，不易結(jié)垢、結(jié)蠟，輸送能力高，可輸送大多數(shù)流體，同時(shí)，玻璃鋼管的內(nèi)、外壁均可抵抗眾多化學(xué)流體的侵蝕，抗腐蝕性能優(yōu)異。（3）設(shè)計(jì)靈活，產(chǎn)品適應(yīng)性強(qiáng)。電、熱絕緣性好，可以通過(guò)設(shè)計(jì)來(lái)改變制造中的各種規(guī)格，壓力等級(jí)、剛度等級(jí)等，從而滿足不同用戶的要求。（4）工程綜合效益好。玻璃鋼管管徑越大，成本越低，使用年限長(zhǎng)，設(shè)計(jì)使用壽命可達(dá)到30～50年。

2.2 存在的主要問(wèn)題

（1）脫扣。

玻璃鋼油管本體的最大拉伸強(qiáng)度為100 MPa左右，但接頭的連接強(qiáng)度只能達(dá)到本體材料的85%左右。由于玻璃鋼油管在使用過(guò)程中會(huì)受到各種力的影響，如油管自身重力、液柱力、油管和套管之間的摩擦力等，在這些力的綜合作用下，易造成內(nèi)螺紋牙根處失效，造成脫扣現(xiàn)象[9]。

（2）接頭的泄露與滲漏。

井下玻璃鋼管的連接一般采用螺紋連接，由于玻璃鋼管接頭密封性差，一般采用膠密封或金屬密封。采用嵌入式金屬接頭結(jié)構(gòu)雖可以保證密封性能，但由于易腐蝕正在逐漸被淘汰。膠密封接頭在受到恒定載荷或交變載荷的作用易發(fā)生蠕變破壞和疲勞破壞，易造成接頭局部損傷，最終導(dǎo)致接頭的泄露與滲漏，甚至斷裂[10～11]。

（3）適用溫度較低。endprint

玻璃鋼管的基體樹(shù)脂是高分子材料，在高溫下容易發(fā)生樹(shù)脂大分子氧化、水解等老化現(xiàn)象，使材料強(qiáng)度明顯降低，也易導(dǎo)致失效。因此，玻璃鋼管一般只能在-50℃～100℃的范圍內(nèi)長(zhǎng)期使用，相比于其他的金屬材料，使用溫度低，不能在深井中使用。

（4）抗擠壓、疲勞性能差。

玻璃鋼管的環(huán)向彈性模量是鋼管的 1/10，環(huán)向壓縮及彎曲性能較差，一般適合井斜低于30°的油井使用，另外玻璃鋼管獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致疲勞性能下降。Huseyin Arikan[12]研究發(fā)現(xiàn)，玻璃鋼的疲勞斷裂過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)三個(gè)階段的變化：第一階段表面泛白，出現(xiàn)界面脫離或?qū)訝顒兟?；第二階段出現(xiàn)微孔和裂紋；第三階段出現(xiàn)疲勞斷裂。層間剝落導(dǎo)致疲勞裂紋容易產(chǎn)生，而裂紋引起的應(yīng)力集中會(huì)切斷玻璃纖維，進(jìn)而導(dǎo)致玻璃鋼失效。玻璃鋼管一旦破裂，修復(fù)（相對(duì)鋼管）難度大，維修時(shí)間長(zhǎng)[13]。

（5）接頭重復(fù)使用率低。

為了防止玻璃鋼注水管的泄漏問(wèn)題，一般采用膠密封，但當(dāng)井下作業(yè)起柱時(shí)，膠密封式的螺紋連接容易造成牙型損傷，導(dǎo)致接頭連接失效，因此，接頭的重復(fù)使用率明顯低于鋼質(zhì)接頭。

（6）生產(chǎn)、檢測(cè)不規(guī)范。

我國(guó)在玻璃鋼管道的設(shè)計(jì)和選型上主要依據(jù)制造商提供的相關(guān)資料，缺少權(quán)威的標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品質(zhì)量差別大。另外，我國(guó)玻璃鋼管道產(chǎn)品檢驗(yàn)的方法、標(biāo)準(zhǔn)尚不完善，產(chǎn)品質(zhì)量難以保證。

3 應(yīng)用前景及展望

從近年的調(diào)查情況來(lái)看，作為新型耐腐蝕，壽命長(zhǎng)、質(zhì)輕的玻璃鋼材料在與金屬材料的競(jìng)爭(zhēng)中，逐漸顯示出它的優(yōu)勢(shì)，已越來(lái)越受到油田的重視。但隨著石油工業(yè)的高速發(fā)展，油田生產(chǎn)對(duì)玻璃鋼管的耐高溫、高壓等性能和復(fù)雜井況及分層注水等工藝的要求也越來(lái)越高，玻璃鋼管在注水方面的應(yīng)用需要解決以下幾個(gè)問(wèn)題。

（1）玻璃鋼管接頭的連接問(wèn)題。目前使用的螺紋連接、承插式等連接都不能解決很好的解決密封及連接強(qiáng)度的問(wèn)題，因此，在接頭的結(jié)構(gòu)或材料的選擇上進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)一種連接強(qiáng)度高、密封性好、易拆卸的接頭型式。（2）提高玻璃鋼管的強(qiáng)度。在井下，玻璃鋼管的應(yīng)用還不太廣泛，主要原因是玻璃鋼管的壓縮強(qiáng)度遠(yuǎn)低于其抗拉強(qiáng)度。在注水井中復(fù)雜的工況條件以及頻繁的井下作業(yè)、新的注水工藝等都會(huì)對(duì)玻璃鋼管的強(qiáng)度提出更高的要求。目前高強(qiáng)玻璃纖維、硼纖維、晶須等增強(qiáng)材料以及改良的環(huán)氧樹(shù)脂已研制成功，因此，通過(guò)改良、優(yōu)化工藝生產(chǎn)高強(qiáng)玻璃鋼管已成為可能。（3）研制耐高溫玻璃鋼管。目前一般玻璃鋼管都在100 ℃以下使用，適用井深低于2000 m，而鋼管在這個(gè)溫度和深度腐蝕十分嚴(yán)重，如果能研制超過(guò)150 ℃的耐高溫玻璃鋼管，則應(yīng)用前景更加廣泛。（4）統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，完善體系。目前國(guó)內(nèi)玻璃鋼管市場(chǎng)混亂，僅靠企業(yè)、行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)很難保證玻璃鋼管的質(zhì)量，因此，國(guó)家應(yīng)根據(jù)玻璃鋼管的生產(chǎn)，制定相應(yīng)的生產(chǎn)、檢驗(yàn)及產(chǎn)品規(guī)格等標(biāo)準(zhǔn)，保證產(chǎn)品質(zhì)量，規(guī)范玻璃鋼管的研制、生產(chǎn)及應(yīng)用環(huán)節(jié)，使玻璃鋼在油田注水方面得到更好的推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉洋，董事?tīng)?，劉倩，?玻璃鋼管的應(yīng)用現(xiàn)狀及展望[J].產(chǎn)品視點(diǎn)，2011，30（4）：98-99.

[2] 馬來(lái)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] 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.

[4] 張玉春，田晶.油田井下用高壓玻璃鋼管的研究[J].纖維復(fù)合材料，2003，42（2）：42-44.

[5] 冷興武，王榮秋.纖維纏繞玻璃鋼夾砂管道的發(fā)展前景[J].纖維復(fù)合材料，1998，18（2）：66-69.

[6] 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，2003，39（9）：55-57.

[7] 杜秋平，李開(kāi)達(dá)，張貴喜.高壓玻璃鋼管道的性能特點(diǎn)及其在油田的應(yīng)用[J]. 承德石油高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2005，7（4）：28-30.

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

[9] Stooci A. Physical and water aging of fiber-reinforced plastic pipers[J].Composite Interface，2006，13（8/9）：685-697.

[10] 黃宇，劉新紅.玻璃鋼管特點(diǎn)性能及應(yīng)用[J].內(nèi)江科技，2007（1）：102-103.

[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] Arikan H. Failure analysis of（±55度）filament wound composite pipes with an inclined surface crack under static internal pressure[J].Composite Structures，2010（92）：182-187.

[13] 禇洪金.高壓玻璃鋼管漏失原因、處理方法及防治措施[J].江漢石油職工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，23（5）：39-41.endprint