復合材料連續(xù)管檢測系統(tǒng)研究

高　煜，尹文波，王新峰，曲　剛，李亞偉

（中石化勝利石油工程公司鉆井工藝研究院，山東東營257017）

復合材料連續(xù)管檢測系統(tǒng)研究

高煜*，尹文波，王新峰，曲剛，李亞偉

（中石化勝利石油工程公司鉆井工藝研究院，山東東營257017）

為了促進我國連續(xù)管技術的發(fā)展，實現(xiàn)復合材料連續(xù)管的應用，需要對連續(xù)管的檢測系統(tǒng)進行研究，介紹了國外連續(xù)管檢測技術現(xiàn)狀，及國內(nèi)連續(xù)管檢測設備的發(fā)展，為連續(xù)管技術的發(fā)展提出建議。

復合材料；連續(xù)管；檢測

連續(xù)管又稱撓性管［1］，連續(xù)管鉆井在歐美發(fā)達國家，特別是在加拿大和美國已經(jīng)得到了推廣應用，連續(xù)管鉆井在提高鉆井速度、保障鉆井安全、減少環(huán)境污染、提高鉆井自動化程度等方面具有常規(guī)鉆井無法比擬的技術優(yōu)勢。金屬連續(xù)管強度足夠完成承載能力的增強和連續(xù)管的長度增長，但它的纏繞半徑過大，抗腐蝕能力不足限制了它的應用。復合材料連續(xù)管有著良好的力學性能、柔韌性和抗蝕能力，其結(jié)構(gòu)布置傳輸線便利，產(chǎn)業(yè)化投資小，使用壽命長，能完美地解決金屬連續(xù)管的應用缺陷，是未來連續(xù)管的發(fā)展方向［2］。復合材料連續(xù)管性能檢測和缺陷補救，是連續(xù)管應用推廣的關鍵環(huán)節(jié)，是保證連續(xù)管鉆井的可靠性和高效性的有效手段。國外對于連續(xù)管的性能檢測研究已相對成熟，而國內(nèi)在此方面的研究尚屬起步階段。

1　國外研究現(xiàn)狀

20世紀80年代后期至90年代，國外連續(xù)管制造商通過理論研究與試驗，建立連續(xù)管壽命預測模型，完成對連續(xù)管的疲勞壽命預測。國外主要有Southwestern Pipe（西南管材公司）、美國Tulsa（塔爾薩）大學、和Stevenson（史蒂文森）3家公司對連續(xù)管性能進行檢測。連續(xù)管的性能測試主要為：（1）內(nèi)、外壓抗壓測試；（2）彎曲疲勞測試；（3）軸向拉伸測試。

20世紀90年代中期，歐美發(fā)達國家開始復合材料連續(xù)管的研究，該技術已十分成熟，在石油工程領域得到廣泛應用。美國Fi-berspar公司和荷蘭Airborne公司是復合材料連續(xù)管領域的兩大杰出代表［3］。

2　連續(xù)管失效分析

復合材料連續(xù)管現(xiàn)場應用受力狀況十分復雜，除受拉力、彎曲應力、內(nèi)外壓力、摩擦力、接觸力外還受到各種附加作用力。為便于研究，忽略次要載荷，重點分析主要影響作用的載荷（軸向拉力、內(nèi)外流體壓力在滾筒上的彎曲以及這幾種載荷的組合情況）。

連續(xù)管應用中管材內(nèi)部充有高壓液體或氣體，管材彎曲屈服曲率半徑大于工作過程中的各個彎曲半徑，為塑性彎曲變形。內(nèi)壓載荷和彎曲載荷所構(gòu)成的復合載荷是連續(xù)管主要的工作復合載荷［4］。

連續(xù)管由于其工作環(huán)境的惡劣性，與受力情況的復雜性，致使其失效形式多樣，主要歸納起為以下3大類型。

2.1變形失效

正常工作時，管材的彎曲變形遠遠小于許用彎曲半徑，發(fā)生的彎曲變形為瞬時塑性彎曲變形。當實際彎曲半徑遠遠大于許用彎曲半徑時，連續(xù)管的永久性彎曲變形將會發(fā)生。其他的變性失效形式主要有壓癟或壓扁現(xiàn)象和拉伸頸縮性現(xiàn)象等。

復合材料連續(xù)管在一定的彎曲半徑下彎曲，其變形是屬于彈性變形。在彈性極限內(nèi)，復合管能承受最小彎曲半徑可按下式計算：

式中：E——復合管的彈性模量；

D——復合管外徑；

δS——復合管的屈服點應力。

2.2斷裂失效

斷裂，特別是疲勞斷裂，是連續(xù)管失效的主要形式之一。主要斷裂形式有：①過載斷裂；②低應力脆斷；③應力腐蝕斷裂；④氫脆斷裂；⑤疲勞斷裂和腐蝕疲勞斷裂。

2.3表面損傷失效

表面損傷主要包括2個方面：①磨損，主要為連續(xù)管與導向架或注入頭夾緊塊之間的磨損和連續(xù)管與生產(chǎn)油管或套管之間的磨損等；②機械損傷，包括連續(xù)管在運輸中表面碰傷、在清蠟作業(yè)中的刮蠟器劃傷和在注入過程中夾持產(chǎn)生的表面壓痕等。

研究分析表明，連續(xù)管失效的主因是內(nèi)壓作用下的彎曲疲勞。連續(xù)管的疲勞最終引發(fā)微裂紋形成，通過裂紋擴展穿越管壁，直至形成穿透，造成壓力的完全喪失。

3　檢測設備研制

連續(xù)管地面施工作業(yè)中，地面主要作業(yè)設備包括液壓操作控制室、連續(xù)管盤管裝置、連續(xù)管夾持注入頭裝置、井口防噴器裝置、地面液壓動力站等。其中涉及連續(xù)管管件受力部件主要是連續(xù)管盤管裝置和注入頭裝置。

下入井中連續(xù)管主要受力包括：①軸向拉力載荷；②內(nèi)、外壓力載荷；③扭轉(zhuǎn)載荷；④考慮井中溫度影響。

所需配備檢測設備：彎曲疲勞試驗機、拉壓試驗機及試驗高溫箱、管材內(nèi)、外壓力試驗機和連續(xù)管夾持注入試驗裝置。

3.1彎曲疲勞試驗機

連續(xù)管主要圍繞滾筒進行存放，當其工作通過滾筒時，會引起連續(xù)管的損傷。疲勞損傷會隨著工作累積，量變引發(fā)質(zhì)變，最終引發(fā)連續(xù)管的失效。連續(xù)管的疲勞試驗系統(tǒng)，通過增壓泵為連續(xù)管內(nèi)部提供高壓液體，模擬工作環(huán)境，通過彎曲疲勞測試獲得連續(xù)管的失效時間，進而對連續(xù)管進行疲勞指標的預測考核。見表1。

表1　試驗機技術指標

3.2拉壓試驗機及試驗高溫箱

試驗機采取臥式框架結(jié)構(gòu)，由計算機控制系統(tǒng)控制伺服閥等部件完成控制動作，通過單出桿雙作用活塞缸施加試驗力，試驗數(shù)據(jù)通過負荷傳感器精確采集傳輸，由控制系統(tǒng)自動分析處理并對試驗結(jié)果進行存儲。外部配套高溫環(huán)境箱，實現(xiàn)不同溫度下的拉、壓實驗測試。見表2。

表2　拉壓試驗機技術指標

3.3管材內(nèi)、外壓力試驗機

設備主要采用三級升壓控制，第一級是低壓補液泵將油箱內(nèi)的高溫油補充到試件內(nèi)部，排出試件內(nèi)部的空氣，第二級大流量低壓泵將試樣內(nèi)部的壓力提升到30MPa，第三極通過超高壓增壓泵將試件的壓力提升到爆破壓力，最高達到200MPa。該設備用于測試連續(xù)管管材內(nèi)、外壓相關性能。

3.4連續(xù)管夾持注入試驗裝置

注入頭是連續(xù)管應用的關鍵部件，通過其動作完成連續(xù)管的下入和起出。其基本原理是用夾緊機構(gòu)推動夾持塊進而實現(xiàn)夾持塊對連續(xù)管的壓緊，通過同步運行的鏈條帶動夾持塊最終實現(xiàn)連續(xù)管的起升動作［5］。連續(xù)管夾持注入試驗裝置主要用來模擬復合材料連續(xù)管實際作業(yè)時的受力情況，用來測試管件在通過注入頭，在徑向壓力和軸向拉力同時作用時所發(fā)生的變化。

4　實驗測試

中石化集團公司2011年開始委托勝利鉆井院開展復合材料連續(xù)管技術研究，到目前，已初步形成復合材料連續(xù)管材料優(yōu)選、結(jié)構(gòu)設計及連續(xù)成型工藝技術研究，試制了部分試件，并通過檢測系統(tǒng)進行了相關力學性能檢測，檢測結(jié)果如下。見表3。

表3　檢測結(jié)果

樣件的測試表明，該測試系統(tǒng)能夠完全滿足復合材料連續(xù)管各種力學性能和電學性能測試要求，復合材料連續(xù)管的各項性能能夠達到現(xiàn)場應用的要求。

4　總結(jié)

復合材料連續(xù)管在防腐性能、彎曲疲勞壽命、內(nèi)置導線等方面相比于金屬連續(xù)管有著獨特的優(yōu)勢。通過對符合材料連續(xù)管的各項性能指標進行系統(tǒng)檢測，可以判斷管件是否能夠達到設計要求，也為連續(xù)管的進一步優(yōu)化設計提供參考，使連續(xù)管最終可以滿足現(xiàn)場實際使用要求。大力開展具有自主知識產(chǎn)權的連續(xù)管檢測設備的研究，實現(xiàn)對連續(xù)管性能的綜合掌握，將進一步推進符合連續(xù)管在各個領域的應用與推廣。

［1］李文彬，蘇歡，王珂，等.連續(xù)管無損檢測技術的應用發(fā)展［J］.無損檢測，2010（6）：475-478.

［2］于京閣,董懷榮,江正清,安慶寶.復合材料連續(xù)管設計技術研究［J］.石油鉆探技術，2011，39（3）：114-117.

［3］宿振國，尹文波，呂妍妍.復合材料連續(xù)管技術研究進展及應用現(xiàn)狀［J］.石油礦場機械，2014，43（4）：85-90.

［4］李小影，石凱.連續(xù)管失效及疲勞壽命的研究現(xiàn)［J］.內(nèi)蒙古石油化工，2008（20）：7-10.

［5］施志輝,劉航,許立.連續(xù)管在注入頭多種夾持方式下的受力分析［J］.石油機械，2011,39（12）：32-34.

TE921

A

1004-5716（2016）01-0037-03

2015-09-07

2015-09-08

市級項目“復合材料連續(xù)管檢測系統(tǒng)技術研究”；項目編號：SKZ1303。

高煜（1989-），男（漢族），山東諸城人，助理工程師，現(xiàn)從事石油機械方面相關技術工作。