超高分子量聚乙烯內(nèi)襯復(fù)合油管制備工藝技術(shù)

高玉森，張愛華，常大勝，馬貴全，季　峰，季　芳，唐國(guó)峰，張力勇

（1.大安鴻源管業(yè)有限公司，吉林白城131300；2.中國(guó)石油吉林油田公司，吉林松原138000）①

超高分子量聚乙烯內(nèi)襯復(fù)合油管制備工藝技術(shù)

高玉森1，張愛華2，常大勝2，馬貴全2，季峰1，季芳1，唐國(guó)峰2，張力勇2

（1.大安鴻源管業(yè)有限公司，吉林白城131300；2.中國(guó)石油吉林油田公司，吉林松原138000）①

超高分子量聚乙烯內(nèi)襯復(fù)合管在采油作業(yè)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。由于制備過程中超高分子量聚乙烯塑料管材產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，在生產(chǎn)作業(yè)中失效時(shí)有發(fā)生。在超高分子量聚乙烯內(nèi)襯復(fù)合油管制備過程中，采用合理工藝，規(guī)避內(nèi)應(yīng)力，可大幅降低故障率，延長(zhǎng)超高分子量聚乙烯內(nèi)襯復(fù)合油管的服役期。

超高分子量聚乙烯；復(fù)合油管；內(nèi)襯；制備

油管在是石油工業(yè)中用量最大、花費(fèi)最多的石油物資之一［1］。由于抽油桿在油管內(nèi)不間斷地往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使油管損耗很大，當(dāng)任何一個(gè)部位磨損超過壁厚12.5%時(shí)，油管就不能繼續(xù)使用［2］，油管失效主要原因有腐蝕和偏磨［3］。為了延長(zhǎng)油管服役期，有些油田開始使用超高分子量聚乙烯內(nèi)襯復(fù)合管［4］。

粘均分子量大于150萬份的聚乙烯（PE）稱為超高分子量聚乙烯（UH MWPE）。U HMWPE具有耐磨損、自潤(rùn)滑、抗粘附、不結(jié)焦、衛(wèi)生無毒等一系列優(yōu)良的綜合性能，在國(guó)外被授予“驚奇塑料”之稱［5］。UHMWPE在石油開采領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，美國(guó)在十幾年前將U HMWPE應(yīng)用在油管內(nèi)做內(nèi)襯，延長(zhǎng)了油管維護(hù)周期，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。在國(guó)內(nèi)，U HMWPE內(nèi)襯復(fù)合油管也在幾年前開始制造和應(yīng)用，但是由于UHMWPE內(nèi)襯復(fù)合管在制備過程中沒有很好地解決UH MWPE管材內(nèi)應(yīng)力消除問題，使其在采油作業(yè)中產(chǎn)生擠壓凸起，影響抽油桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)；或者UH MWPE內(nèi)襯管拉斷，產(chǎn)生大段油管裸漏，起不到對(duì)油管的保護(hù)作用，縮短了油管服役期［6］。因此，研究U HMWPE管材在復(fù)合油管的制備過程中產(chǎn)生應(yīng)力的起因，以及規(guī)避應(yīng)力的制備工藝是有積極意義的。

1　制備工藝

1.1 原材料選定

1） 隨機(jī)指定經(jīng)前幾道工序處理合格的-73 mm油管（以下簡(jiǎn)稱油管）8件，分別記為1?！?＃，用鋼字頭在油管一端靠近螺紋處分別標(biāo)記1～8，在鋼管另一端靠近螺紋處分別標(biāo)記01～08。

2） 用10 m鋼卷尺測(cè)量8根油管全長(zhǎng)，用－30～50℃溫度計(jì)測(cè)得車間溫度為10℃，油管在車間已經(jīng)存放24 h以上。8根油管長(zhǎng)度如表1。

表1　測(cè)量的油管長(zhǎng)度　mm

3） 取全長(zhǎng)9.6 m超高分子量聚乙烯內(nèi)襯管（以下簡(jiǎn)稱超高管）8根，并在室溫下用10 m鋼卷尺驗(yàn)證其真實(shí)長(zhǎng)度，然后用標(biāo)記筆在超高管外側(cè)以一端為0開始每隔1 m做1個(gè)記號(hào)。

1.2 裝管工序

1） 利用生產(chǎn)線上縮徑裝管機(jī)將超高管在油管標(biāo)記有01～08一側(cè)裝入油管內(nèi)，超高管從設(shè)定“0”端開始。

2） 利用0～30 A高精度電流表和內(nèi)襯管上的標(biāo)記記錄生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)。

3） 超高管裝入油管后形成復(fù)合管。

1.3 復(fù)合管內(nèi)應(yīng)力消除

1） 復(fù)合管形成10 min內(nèi)用300 mm鋼板尺對(duì)超高管相對(duì)油管兩端余量進(jìn)行測(cè)量，如表2。

表2　10 min內(nèi)的超高管相對(duì)油管兩端余量　mm

2） 復(fù)合管形成10d內(nèi)，每間隔12h，在車間10℃環(huán)境下對(duì)超高管相對(duì)油管兩端余量用300mm鋼板尺進(jìn)行測(cè)量，如表3。

表3　每間隔12h超高管相對(duì)油管兩端余量mm

3） 根據(jù)表3數(shù)據(jù)分別計(jì)算出裝管入口端和裝管出口端收縮率。

式中：ηg為超高管收縮率，%；L0為原來長(zhǎng)度，mm；LN為收縮后長(zhǎng)度，mm。

4） 根據(jù)式（1）計(jì)算數(shù)值繪制收縮曲線，如圖1。

由圖1可知：超高管在裝入油管后開始收縮，在168 h后基本穩(wěn)定，復(fù)合管單端翻邊成型也在168 h之后。

圖1　復(fù)合管收縮曲線

2　復(fù)合管模擬井下膨脹試驗(yàn)

復(fù)合管模擬井下膨脹試驗(yàn)分為熱水膨脹試驗(yàn)和油侵膨脹試驗(yàn)2部分。

2.1 熱水膨脹測(cè)試

1） 復(fù)合管內(nèi)應(yīng)力消除后，將出口端通過管端翻邊機(jī)進(jìn)行翻邊作業(yè)，然后將所述翻邊端裝配管箍，并在管箍的另一端裝配短節(jié)。

2） 將復(fù)合管入口端的超高管伸出油管部分截掉，與油管口對(duì)齊。如圖2。

圖2　復(fù)合管結(jié)構(gòu)

3） 將8根復(fù)合管侵入85～90℃熱水槽中，用0～200℃溫度計(jì)監(jiān)控水溫，72 h后起出，立即測(cè)量油管長(zhǎng)度和超高管伸出長(zhǎng)度，數(shù)值如表4。

表4　熱水膨脹后的油管長(zhǎng)度和超高管伸出長(zhǎng)度　mm

4） 測(cè)量超高管伸出長(zhǎng)度后，立即將超高管伸出部分截掉，使其與油管端面平齊。

5） 在車間溫度10℃情況下放置24 h后測(cè)量超高管縮入油管長(zhǎng)度。

6） 將測(cè)試復(fù)合管移至室外，在冬季－10～－25℃環(huán)境下，放置24 h，然后測(cè)量超高管縮入油管長(zhǎng)度。

7） 根據(jù)以上數(shù)據(jù)繪制超高管伸縮范圍，如圖3所示。

圖3　超高管伸縮范圍

圖3反映出不同溫度的存放可以導(dǎo)致超高管縮入油管的程度，生產(chǎn)時(shí)需要根據(jù)不同季節(jié)預(yù)留相應(yīng)尺寸。

2.2 油侵膨脹測(cè)試

1） 用游標(biāo)卡尺測(cè)量外形尺寸為100 mm×20 mm×3.8 mm的聚乙烯塑料測(cè)試塊3個(gè)。3個(gè)試塊長(zhǎng)寬高尺寸盡量一致。其分子量分別為150萬份、75萬份、10萬份，并依次標(biāo)注為A、B、C.

2） 將油浴槽加入足以侵沒3個(gè)試塊的原油，放入恒溫箱；同時(shí)將所述3個(gè)試塊放入恒溫箱油浴槽外（注意：這一步不能放入浴油槽內(nèi)）。

3） 將恒溫箱定溫90℃，達(dá)到溫度后恒溫1 h。

4） 打開恒溫箱前1～2 min，再測(cè)量3個(gè)試塊長(zhǎng)度，并做好記錄。

5） 將3個(gè)試塊侵入原油中，經(jīng)過24 h打開恒溫箱，立刻測(cè)量3個(gè)試塊長(zhǎng)度，并做好記錄。然后將3個(gè)試塊重新侵入原油中。

6） 再次經(jīng)過24 h打開恒溫箱，立刻測(cè)量3個(gè)試塊長(zhǎng)度，并做好記錄。

7） 根據(jù)以上數(shù)據(jù)，按照式（2）計(jì)算出24、48 h試塊油侵膨脹率。

式中：ηs為試塊油侵膨脹率，%；L01為原長(zhǎng)度，mm；Lm為油侵膨脹后的長(zhǎng)度，mm。

8） 油侵膨脹量如圖4所示。

圖4　油侵膨脹量

由圖4可知：聚乙烯塑料分子量達(dá)到150萬份，在生產(chǎn)復(fù)合管截取多余部分超高管的時(shí)候，可以不考慮油侵膨脹，而達(dá)不到150萬份的必須考慮。

3　結(jié)論

1） 超高分子量聚乙烯內(nèi)襯管裝入油管過程中，由于裝入力是不同的，因此油管兩端超高管伸出和留出部分收縮率是不同的。

2） 超高分子量聚乙烯內(nèi)襯管在裝入油管后開始收縮，在168 h后基本穩(wěn)定，復(fù)合管單端翻邊成型也在168 h之后。

3） 復(fù)合管在井下高溫時(shí)會(huì)產(chǎn)生膨脹，為消除膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力，在截取多余超高管時(shí)應(yīng)該留有余量。

4） 在油管內(nèi)加裝聚乙烯內(nèi)襯，選用分子量150萬份以上的UH MWPE比較理想。在制備中，只要按照合理工藝就可以有效規(guī)避內(nèi)襯管應(yīng)力。

［1］ 世交齊，解學(xué)東.油井管的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與質(zhì)量控制［J］.石油化工，2006（10）：62-63.

［2］ GB/T 19830—2005，石油天然氣工業(yè)油氣井套管或油管用鋼管［S］.

［3］ 劉功農(nóng).簡(jiǎn)論油管修復(fù)生產(chǎn)線的技術(shù)改造［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2004，33（6）：123.

［4］ 吳麗萍，吳勝凱，王玉新.不同管材在油田水處理裝置中的應(yīng)用對(duì)比分析［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2009，38（9）：80-83.

［5］ 吳丹，方立明.超高分子量聚乙烯加工中的亞穩(wěn)性現(xiàn)象研究［J］.工程塑料應(yīng)用，2009，37（2）：32.

［6］ 王海文，楊峰，趙輝，等.油管中塑料內(nèi)襯管的伸長(zhǎng)原因及控制措施［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2014，43（8）：61-64.

TE931.2

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2015.07.025

1001-3482（2015）07-0098-04

①2015-01-14

高玉森（1948-），男，吉林大安人，主要從事石油機(jī)械裝備研究，E-mail：13039365643＠126.com。