油田注水用復(fù)合管受力性能研究

楊 峰，明爾揚(yáng)，遲 花，于志猛，劉 輝，李洪浩，于春振

(1.滄州明珠塑料股份有限公司 河北 滄州 061000; 2.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院采油采氣裝備研究所 北京 100083)

0 引 言

近年來(lái)，油田不斷加大勘探開發(fā)力度，對(duì)于采油管和注水管的需求量不斷攀升。傳統(tǒng)的金屬管道因易結(jié)垢、易腐蝕的特點(diǎn)導(dǎo)致其使用壽命較短，所以國(guó)內(nèi)外一些管材制造商積極研發(fā)非金屬及復(fù)合材料管道，用于代替金屬管道[1-3]。本文研究的是一種非金屬連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合管道，由于管材基體材料為熱塑性塑料，所以在拉力、內(nèi)壓和高溫環(huán)境下，管材會(huì)出現(xiàn)形變，同時(shí)由于抗壓層和抗拉層的存在，其形變不同于均一材質(zhì)的管道。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于該類型復(fù)合管在組合載荷下的性能研究主要基于理論和有限元計(jì)算，張尹對(duì)纖維纏繞增強(qiáng)復(fù)合管在軸對(duì)稱載荷下的力學(xué)行為進(jìn)行了理論和有限元建模分析[4]，王諾思對(duì)纖維纏繞增強(qiáng)復(fù)合管外壓及組合荷載下的屈曲性能進(jìn)行了試驗(yàn)和有限元計(jì)算研究[5]。

本文結(jié)合復(fù)合管在油田分層精細(xì)注水時(shí)的使用工況，設(shè)計(jì)了一系列模擬試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)前后管材尺寸和力學(xué)性能變化，分析了其性能的變化規(guī)律，為更好地了解該類型復(fù)合管用于井下時(shí)的性能提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料采用內(nèi)徑50 mm，公稱壓力為25 MPa的復(fù)合管。復(fù)合管由內(nèi)襯層、抗壓層、智能層、抗拉層和外保護(hù)層組成，各層之間為全融合結(jié)構(gòu)，其中內(nèi)外層為普通高密度聚乙烯，增強(qiáng)層為乙烯基預(yù)浸漬連續(xù)纖維增強(qiáng)帶。

1.2 試驗(yàn)方法

復(fù)合管應(yīng)用于井下分層注水時(shí)，主要經(jīng)歷管材放卷、管柱下井、測(cè)井、動(dòng)管柱、測(cè)井、洗井等過(guò)程。本文選取了中石油吉林油田某油井作為研究對(duì)象，該井井深1 000 m，井口溫度20 ℃，溫度梯度3 ℃/100 m，正常注水壓力25 MPa?？紤]復(fù)合管在使用過(guò)程中，環(huán)境溫度和復(fù)合管受力情況隨井深改變，選取0 m，500 m和1 000 m三處典型位置進(jìn)行研究，主要工況參數(shù)見表1。

根據(jù)表1確定復(fù)合管在各過(guò)程的主要受力情況，用上部試樣、中部試樣和下部試樣分別代表注水井0 m、500 m和1 000 m處管材，進(jìn)行溫度、拉力和內(nèi)壓等組合載荷的模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)量管材尺寸變化，研究其變形規(guī)律。試驗(yàn)完成后對(duì)其進(jìn)行破壞性試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比3個(gè)試驗(yàn)結(jié)果，得出管材性能折減情況。

表1 井下工況參數(shù)

試驗(yàn)過(guò)程中使用的試驗(yàn)設(shè)備主要包括：100 MPa爆破試驗(yàn)機(jī)、50 MPa壓潰試驗(yàn)系統(tǒng)、50 MPa靜液壓試驗(yàn)機(jī)、50 t拉伸試驗(yàn)機(jī)以及恒溫循環(huán)水箱。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析討論

2.1 自然伸長(zhǎng)率試驗(yàn)(模擬下井)

通過(guò)模擬試驗(yàn)，測(cè)量復(fù)合管因自重引起的長(zhǎng)度變化，得到了不同溫度下3個(gè)試樣的伸長(zhǎng)率與復(fù)合管長(zhǎng)度曲線，如圖1所示。

圖1 自然伸長(zhǎng)率試驗(yàn)曲線對(duì)比圖

由圖1可看出，隨著載荷增大，不同溫度下復(fù)合管的伸長(zhǎng)率與拉力近似成線性關(guān)系。另外40 ℃和60 ℃時(shí)伸長(zhǎng)率較為接近，并且復(fù)合管長(zhǎng)度超過(guò)300 m時(shí)，常溫伸長(zhǎng)率高于40 ℃和60 ℃復(fù)合管伸長(zhǎng)率。

2.2 坐封憋壓試驗(yàn)(模擬下井)

3個(gè)試樣的伸長(zhǎng)率曲線如圖2所示?？梢钥闯鰞?nèi)部壓力對(duì)于管材的伸長(zhǎng)具有一定的抑制作用，且在拉力作用下內(nèi)壓與伸長(zhǎng)率具有線性規(guī)律。

圖2 坐封憋壓試驗(yàn)伸長(zhǎng)率曲線

2.3 拉力、溫度組合試驗(yàn)(模擬測(cè)井)

3個(gè)試樣在相應(yīng)的拉力、溫度持續(xù)作用下，伸長(zhǎng)率曲線如圖3所示?？梢钥闯鰪?fù)合管在前期伸長(zhǎng)率稍有增加，半小時(shí)后伸長(zhǎng)率基本不再變化。

圖3 拉力、溫度試驗(yàn)伸長(zhǎng)率曲線

2.4 拉力、溫度和內(nèi)壓組合試驗(yàn)(模擬測(cè)井)

3個(gè)試樣在相應(yīng)的拉力、溫度和內(nèi)壓持續(xù)下，伸長(zhǎng)率曲線如圖4所示。可以看出復(fù)合管在組合載荷下伸長(zhǎng)率很穩(wěn)定，隨時(shí)間增長(zhǎng)幾乎不再變化。

圖4 拉力、溫度和內(nèi)壓試驗(yàn)伸長(zhǎng)率曲線

2.5 自然伸長(zhǎng)率試驗(yàn)(模擬動(dòng)管柱)

3個(gè)試樣的伸長(zhǎng)率與復(fù)合管長(zhǎng)度曲線如圖5所示。隨著載荷增大，不同溫度下復(fù)合管的伸長(zhǎng)率與拉力近似成線性關(guān)系。

圖5 自然伸長(zhǎng)率試驗(yàn)伸長(zhǎng)率曲線

2.6 坐封憋壓試驗(yàn)(模擬動(dòng)管柱)

3個(gè)試樣的伸長(zhǎng)率曲線如圖6所示。可以看出內(nèi)部壓力對(duì)于管材的伸長(zhǎng)具有抑制作用，且60 ℃時(shí)抑制作用最明顯。

圖6 坐封憋壓試驗(yàn)伸長(zhǎng)率曲線

2.7 拉力、溫度組合試驗(yàn)(模擬測(cè)井)

3個(gè)試樣在相應(yīng)的拉力、溫度持續(xù)作用下，伸長(zhǎng)率曲線如圖7所示。前半小時(shí)內(nèi)伸長(zhǎng)率稍有增加，伸長(zhǎng)率穩(wěn)定后幾乎不隨時(shí)間變化；與第一次模擬試驗(yàn)相比，常溫時(shí)伸長(zhǎng)率變小，40 ℃時(shí)伸長(zhǎng)率變大，60 ℃試樣無(wú)拉力故伸長(zhǎng)率為0。

圖7 坐封憋壓試驗(yàn)伸長(zhǎng)率曲線

2.8 拉力、溫度和內(nèi)壓組合試驗(yàn)(模擬測(cè)井)

3個(gè)試樣在相應(yīng)的拉力、溫度和內(nèi)壓持續(xù)下，伸長(zhǎng)率曲線如圖8所示?？梢钥闯鰪?fù)合管伸長(zhǎng)率很穩(wěn)定，與第一次模擬試驗(yàn)相比，常溫下伸長(zhǎng)率變小，40 ℃和60 ℃下伸長(zhǎng)率變大。

圖8 坐封憋壓試驗(yàn)伸長(zhǎng)率曲線

2.9 破壞性試驗(yàn)

拉伸試驗(yàn)、爆破試驗(yàn)和壓潰試驗(yàn)結(jié)果見表2，試樣圖片如圖9、圖10和圖11所示。可以看出溫度、拉力和內(nèi)壓組合載荷會(huì)導(dǎo)致復(fù)合管耐壓能力、抗拉能力有不同程度的降低。其中溫度對(duì)爆破性能影響較大，而拉力對(duì)抗外壓能力影響較大。

表2 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

圖9 爆破試樣

圖10 拉伸試樣

圖11 壓潰試樣

3 結(jié) 論

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可看出，溫度對(duì)于內(nèi)壓的影響較為明顯，溫度越高，爆破壓力下降越明顯；通過(guò)上、中、下3部分模擬測(cè)試對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在某一溫度范圍內(nèi)，溫度對(duì)于拉伸性能的影響比較明顯，這主要是由于PE材料受溫度影響比較明顯；通過(guò)伸長(zhǎng)率測(cè)試發(fā)現(xiàn)，單純軸向力對(duì)于伸長(zhǎng)率有明顯作用，內(nèi)壓對(duì)于伸長(zhǎng)率有抑制作用，隨后管材還是會(huì)在軸向力作用下逐漸伸長(zhǎng)。由此可見，復(fù)合管在井下使用時(shí)所受到的載荷較為復(fù)雜，且管材在使用時(shí)隨時(shí)間會(huì)產(chǎn)生蠕變，進(jìn)而導(dǎo)致性能衰減。因此，用于井下注水或采油的復(fù)合管在設(shè)計(jì)之初應(yīng)考慮足夠的安全系數(shù)。