纖維增強連續(xù)復(fù)合管在油田井下注水方面的應(yīng)用

畢婷婷，連洪正，孫云鵬（.威海鴻通管材股份有限公司 ； .天潤曲軸股份有限公司，山東 威海 64400）

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纖維增強連續(xù)復(fù)合管在油田井下注水方面的應(yīng)用

畢婷婷1，連洪正1，孫云鵬2
（1.威海鴻通管材股份有限公司 ； 2.天潤曲軸股份有限公司，山東 威海 264400）

摘 要：纖維增強連續(xù)復(fù)合管采用非金屬非粘結(jié)結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)良的流體性能，防腐蝕性能，耐溫性能，能盤卷（有撓性），抗動態(tài)載荷和方便快捷的安裝性能等特點在陸地輸氣、井下注水和海洋油氣開發(fā)等方面都得到了推廣應(yīng)用。本文對纖維增強連續(xù)復(fù)合管的結(jié)構(gòu)性能以及作業(yè)設(shè)備和作業(yè)施工流程等進(jìn)行分析說明。結(jié)果表明，該復(fù)合管能夠滿足井下注水作業(yè)要求。

關(guān)鍵詞：纖維增強連續(xù)復(fù)合管；注水管；作業(yè)設(shè)備；施工作業(yè)

0　引言

注水采油技術(shù)是國內(nèi)各大油田提高原油采收率的主要方法，隨著油田開采時間的增長，注水水質(zhì)的不斷惡化，硫酸鹽氧化還原菌的不斷增多，油田井下管柱和輸油管線的腐蝕及結(jié)垢問題一直是困擾油氣開采和輸送的頑癥，并且傳統(tǒng)井下注水管柱還存在質(zhì)量重，單根長度短，作業(yè)施工工序繁瑣等諸多問題影響作業(yè)施工效率。纖維增強連續(xù)復(fù)合管則很好的解決了這些問題，該復(fù)合管具有抗拉強度高、承壓高、抗腐蝕能力強、能盤卷（有撓性）、質(zhì)量輕等優(yōu)點。本文對纖維增強連續(xù)復(fù)合管的結(jié)構(gòu)性能以及作業(yè)設(shè)備和作業(yè)施工流程等進(jìn)行分析說明。

1　纖維增強連續(xù)復(fù)合管的結(jié)構(gòu)與性能

1.1纖維增強連續(xù)復(fù)合管結(jié)構(gòu)

纖維增強連續(xù)復(fù)合管的結(jié)構(gòu)分為六層，由內(nèi)向外依次為內(nèi)襯層、環(huán)向增強層、骨架層、右旋縱向拉伸層、左旋縱向拉伸層、外保護層組成。各結(jié)構(gòu)層之間非粘結(jié)，允許層間相對運動。

各層材質(zhì)及作用。內(nèi)襯層——內(nèi)襯層材料：根據(jù)不同要求可選用PE、PERT、PA12、PVDF等。 內(nèi)襯層作用：1）防滲；2）防腐蝕；3）耐沖擊；4）不結(jié)垢；5）沿程摩阻小。

環(huán)向增強層——環(huán)向增強層材料：樹脂、高強度纖維。環(huán)向增強層作用：保護內(nèi)襯層、增加內(nèi)襯層強度、承受環(huán)向應(yīng)力。

骨架層——骨架層材料：高強度纖維和樹脂。骨架層作用：骨架層是整個柔性管的受力基礎(chǔ)，整個管材的徑向受力包括（內(nèi)壓、外壓、拉伸產(chǎn)生的壓力、管材軸向壓縮的力等）全部作用在骨架層上。骨架不允許有張力。

縱向拉伸層——縱向拉伸層是由左右螺旋層組成?？v向拉伸層材料：樹脂和高度纖維?？v向拉伸層作用：扭曲平衡，承受軸向拉力。

外保護層——外保護層材料：高分子材料PE。外保護層作用：防腐蝕、耐磨、防外滲漏、保護管材。

1.2纖維增強連續(xù)復(fù)合管性能分析

纖維增強連續(xù)復(fù)合管特性：

（1）抗拉強度高。空管拉伸強度不低于35t。

（2）承內(nèi)壓強度高，爆破壓力不小于3倍使用壓力。

（3）外壓潰強度高，外壓潰強度大于井深所產(chǎn)生的外壓潰。

（4）連續(xù)管，一口井一根管，中間無接頭。

（5）不結(jié)蠟、不結(jié)垢。

1.2.1耐腐蝕性能

傳統(tǒng)金屬注水管腐蝕現(xiàn)象嚴(yán)重，管線的更換周期不足3年，最短的僅3～4個月，所報廢的注水管柱中有90%以上是因腐蝕、結(jié)垢而造成的。更換管柱、管線影響作業(yè)并且給生產(chǎn)帶來巨大的經(jīng)濟損失。

纖維增強連續(xù)復(fù)合管為非金屬材料根據(jù)一定的結(jié)構(gòu)形式分層纏繞而成。其主要材料為PE（聚乙烯）（內(nèi)襯層、外保護層）和玻璃纖維熱固性增強塑料（FRP，俗稱玻璃鋼）（環(huán)向增強層、骨架層、左右旋縱向拉伸層），因此復(fù)合管的耐腐蝕性能主要受這兩種材料耐酸堿腐蝕性能的影響。

（1）PE（內(nèi)襯層、外保護層）的耐腐蝕性能。PE（聚乙烯）材料在酸、堿性溶液中有良好的耐腐蝕性能，且在酸性溶液中有輕微的溶脹現(xiàn)象，按照均勻腐蝕計算出的酸、堿平均腐蝕速率分別為-0.0938、0.0206mm/a。

（2）玻璃鋼（環(huán)向增強層、骨架層、縱向拉伸層）的耐腐蝕性能。玻璃鋼的耐蝕性能主要取決于樹脂， 根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)顯示，樹脂在酸、堿性環(huán)境溶脹為有限溶脹，即溶脹進(jìn)行到一定程度，以后無論與溶劑接觸多久吸入的溶劑量都不再增加而達(dá)到平衡，體系保持兩相狀態(tài)。而與酸、堿的腐蝕類型屬于表面型腐蝕，在實驗過程中發(fā)現(xiàn)試樣失光、溶液中有微量的沉淀物生成，檢查試樣表面，沒有裂紋產(chǎn)生。

環(huán)氧樹脂玻璃鋼材料在酸性環(huán)境中具有較強的耐蝕性，72小時的長期腐蝕數(shù)據(jù)顯示，單位時間的質(zhì)量減少率小于0.01%，并且隨著時間的延長在逐步減少并趨于平緩；在堿性環(huán)境中主要以溶脹為主，質(zhì)量溶脹增加，約在0.082%-0.17%之間。

1.2.2力學(xué)性能

（1）拉伸強度。復(fù)合管的承拉性能很好，纖維增強連續(xù)復(fù)合管的極限拉伸強度為38t，滿足井下作業(yè)的使用要求。

（2）內(nèi)壓強度。管材的爆破試驗壓力為75MPa，遠(yuǎn)高于注水作業(yè)時使用運行壓力，滿足使用要求。

（3）壓潰強度。管材的壓潰強度17Mpa滿足井下作業(yè)的使用要求。

1.2.3耐磨性能

按井深2000米，潤滑條件為干摩擦的試驗條件下，PE材料的平均磨損量為3.57 mg，磨損量為0.003754 cm3，平均摩擦系數(shù)為0.2911，磨損量≤0.01 cm3，材料的耐磨損性能較好，滿足下井作業(yè)的要求。

2　纖維增強連續(xù)復(fù)合管作業(yè)設(shè)備

傳統(tǒng)油管作業(yè)設(shè)備包括通井機，起下設(shè)備。

通井機是目前各油田修井作業(yè)中最常用的一種動力設(shè)備。作用是用于起下油管、鉆桿（抽油桿）以及井下打撈、抽汲等施工作業(yè)。

起下設(shè)備由井架和提升系統(tǒng)組成。提升系統(tǒng)由游動系統(tǒng)（包括天車.游動滑車、大鉤、鋼絲繩）和吊環(huán)、吊卡組成。

井架是用來支持游動系統(tǒng)，進(jìn)行起下作業(yè)的設(shè)備。井架的用途主要是裝置天車，支撐整個提升設(shè)備，以便懸吊井下設(shè)備、工具和進(jìn)行各種起下作業(yè)。

纖維增強連續(xù)復(fù)合管作業(yè)設(shè)備包括升下井裝置和管線收放裝置。

2.1升下井裝置的基本組成及相關(guān)參數(shù)

2.1.1基本組成

圖1　纖維增強連續(xù)復(fù)合管升下井裝置示意圖

升下井裝置主要由1—導(dǎo)向擺，2—履帶，3—鎖緊絲杠，4—支承導(dǎo)向柱，5—液壓夾緊油缸，6—底架，7—動力及制動機構(gòu)，8—收放線盤，9—收放線機組成

2.2升下井裝置工作原理及可靠性分析

2.2.1工作原理

施工作業(yè)時盤卷在線盤上的管線通過導(dǎo)向擺引入升下井裝置的履帶，通過履帶上安裝的夾緊塊來夾持管線為管線升降提供牽引力。履帶由液壓夾緊油缸和鎖緊絲杠提供夾緊力，液壓夾緊油缸為電動控制，鎖緊絲杠采用手動鎖緊，能夠為升下井裝置提供穩(wěn)定可靠的夾緊力，使管材的夾持牢固可靠。升下井動力由一臺伺服電機提供，由伺服電機通過減速箱帶動履帶正反方向運動，實現(xiàn)升下井功能。底架是實現(xiàn)整套設(shè)備與井口的對接和支撐，以保證設(shè)備與井口同心。

2.2.2可靠性分析

（1）升下井裝置采用伺服電機提供動力，伺服電機具有響應(yīng)快、扭矩大、控制精度高、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)等特性，具有很強的負(fù)載能力，這使得電機在滿載的情況下依然能夠?qū)崿F(xiàn)精確控制平穩(wěn)運行。同時它也具有恒扭矩，靜止和運轉(zhuǎn)時電機的正反驅(qū)動力相等的特性，即電機在運行過程中同時存在一個與轉(zhuǎn)動方向相反大小相等的反向扭力。這一特性使得電機在運轉(zhuǎn)過程中即使出現(xiàn)正負(fù)載荷交變的情況依然能夠勻速運行，從而確保設(shè)備升、下管線安全可靠，速度可控。

（2）升下井裝置安裝的液壓夾緊油缸和鎖緊絲杠，液壓油缸為履帶夾緊管線提供夾緊力，履帶的有效夾緊長度達(dá)到了1800mm ，這些措施能夠有效防止裝置運轉(zhuǎn)過程中管線與履帶間出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。鎖緊絲杠可以在液壓夾緊裝置失效時保持夾緊力不變，是履帶夾持管線的有效保護措施。

（3）升下井裝置的履帶與管材的接觸面是金屬圓弧面且?guī)в芯W(wǎng)紋，能夠與充滿油污的管材表面產(chǎn)生足夠的摩擦力，從而能夠提供可靠穩(wěn)定的牽引提升力。

（4）升下井裝置的最大牽引提升力為15 t，以管線總長按1.5公里為例計算，管材的重量為5.1 kg/m，則1.5公里管線的總重量為7.65 t，遠(yuǎn)大于管線的總重量。因此升下井裝置能為管線升降提供足夠的牽引力。

升下井裝置設(shè)有意外斷電制動機構(gòu)，該機構(gòu)能夠在斷電瞬間自動制動。能夠避免突然斷電時動力控制系統(tǒng)無法提供牽引力致使的管線下落。

管線收放線設(shè)備采用力矩電機提供恒張力卷取，保證收放卷管線伸展整齊。

3　纖維增強連續(xù)復(fù)合管下井作業(yè)施工流程

傳統(tǒng)金屬管不是連續(xù)的，其單根長度短。整個下井施工作業(yè)過程需要4～5名施工人員操作各種機械，施工人員工作強度高，且安裝效率低。纖維增強連續(xù)復(fù)合管作業(yè)設(shè)備安裝便捷，操作簡單。下井過程只需一名施工人員控制控制柜即可，大大減輕了施工人員的勞動強度，節(jié)省了人力物力。而且作業(yè)速度快，提高工作效率。

3.1履帶式升下井裝置底架與井口裝置的對接

（1）由施工人員配合汽車吊將底架搬運至井口處，將雙閘門防噴器的法蘭與底架的法蘭連接板對正連接。

（2）調(diào)整底架四個支腳的高度保證與地面均勻受力。

3.2履帶式升下井裝置主體與底座的連接

用吊車將升下井裝置吊運到底架上方，對齊底座上的導(dǎo)向限位塊，座于底架上用螺栓連接固定。

3.3履帶式升下井裝置的組裝及調(diào)試

（1）安裝纜風(fēng)繩

（2）安裝履帶式升下井裝置的護欄及逃生滑梯，逃生滑梯安裝在井架相對的另一側(cè)。

（3）用吊車將導(dǎo)向擺座于升下井裝置的轉(zhuǎn)軸上方，由施工人員對齊止口用螺栓固定。

（4）安裝電機控制線，查看履帶是否需要張緊，調(diào)試檢查電機運轉(zhuǎn)是否正常。

3.4管線收放裝置的安放與線盤的安裝

（1）地滾式收放線機安放于距離履帶式升下井裝置8～9米遠(yuǎn)處。

（2）用吊車將線盤座于收放線機上，注意管線的旋向，放管時管線從線盤下方引入擺線架進(jìn)入夾緊牽引機構(gòu)。

（3）將線盤架起，夾緊剎車盤將線盤的包扎帶松開。

3.5管線引入履帶式升下井裝置

（1）用吊車將管線端部吊起，升至下井裝置平臺上方，由工作平臺上的施工人員將管線引入履帶中。

（2）當(dāng)端部接頭移出履帶后，控制液壓夾緊油缸夾緊管線，夾緊油缸的壓力控制在20Mpa以下。

（3）將鎖緊絲杠緊固。

3.6下井

（1）啟動履帶式升下井裝置，逐步提高牽引速度，時刻觀察電機運行是否正常，電流是否超載。放管過程中無關(guān)人員要遠(yuǎn)離施工現(xiàn)場，以免發(fā)生危險。

（2）放管到線盤最后一層時停止設(shè)備，將固定接頭的夾板松開，啟動升下井裝置使接頭緩慢從大盤接頭固定槽中移出。

3.7接頭懸掛器與井口大四通的連接

（1）當(dāng)管材接頭移動到升下井裝置平臺上方時，將升下井裝置的牽引速度調(diào)至零。

（2）由升下井裝置工作平臺上的施工人員配合吊車將導(dǎo)向擺移走。

（3）連接懸掛器和管材下井吊具，然后用專用吊繩將下井吊具與井架吊鉤連接。

（4）提升井架吊鉤使吊繩張緊，松開鎖緊絲杠，張開履帶將接頭移動至雙閘門防噴器處。

（5）用接頭固定卡板將接頭固定于雙閘門防噴器上方，松開吊鉤，卸掉纜風(fēng)繩及履帶式升下井裝置與底架之間的固定螺栓，用吊車將升下井裝置移走。

（6）松開雙閘門防噴器與底架間的緊固螺栓，由施工人員配合吊車移走底架。

（7）用吊車吊起懸掛器，移出接頭固定卡板。卸掉雙閘門防噴器，將懸掛器安裝到井口大四通上，卸掉下井吊具，加裝井口裝置，完成下井的整個操作。

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DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.13.073