油管内衬层性能试验及其内瘪分析

曹　峰，刘　琰，姚　欢，苏　杭，蒋承君

(中国石油集团石油管工程技术研究院　陕西　西安　710077)



油管内衬层性能试验及其内瘪分析

曹峰，刘琰，姚欢，苏杭，蒋承君

(中国石油集团石油管工程技术研究院陕西西安710077)

摘要:某煤层气公司所用的内衬油管频繁地出现内衬层内瘪问题。对超高分子聚乙烯材料使用前后性能进行了检测，结果表明其无明显变化且符合标准要求;通过对内衬油管的失效过程调查、对失效内衬管宏观、微观分析，以及内衬材料特性综合分析，表明内衬材料与油管线膨胀系数差异、井内外温度差异、内衬层的偏磨、地层水窜入夹层形成的负压差共同导致内衬层内瘪，对内衬油管生产与使用提出了建议。

关键词:煤层气;内衬油管;偏磨;负压差;内衬内瘪

1　基本情况

1.1失效过程

某煤层气公司采用有杆泵排水的方式进行采气作业。某定向井泵挂深度761.9 m，冲次每分钟3.14次，排量5.9 m3/d，井底压力1.66 MPa，井内温度30℃～40℃。在排采过程中因泵出现故障进行修井作业，在修井作业中抽油杆、油管起出过程未见异常。排除了泵的故障后将油管、抽油杆下入井中，在下入抽油杆的过程中遇阻，再次将抽油杆、油管起出，观察发现其中1支油管靠近外螺纹端内衬层塌陷，经查证得知该支油管距井口约400 m，服役时间为113 d。

1.2失效内衬管形貌

将失效的内衬层从油管中取出，发现内衬管沿纵向出现塌陷并产生裂纹，裂纹长度约1.5 m，内衬翻边区域、内衬管外壁残留煤粉，如图1所示。

图1　送检样失效形貌

参考标准QB/T 2668－2004高分子量聚乙烯衬管［1］，对图1中所示的失效样管进行形貌观察。剖开内衬管后发现塌陷处存在沿轴向磨痕及壁厚减薄现象(图2)，这可能是由于抽油杆对内衬层内壁摩擦作用造成的。

2　材质分析

为了验证内衬材料的质量是否符合标准要求以及是否因内衬管长时间服役导致性能降低，选取试样进行试验，见表1。旧管为失效的内衬管，新管为与旧管同批次未使用过的内衬管。

图2　超高分子量聚乙烯内衬管塌陷处形貌

2.1环拉伸试验

超高分子量聚乙烯内衬管环拉伸试验方法参考标准QB/T 2668－2004，在室温条件下进行。试验所用试样为管环，其中旧管取样位置为周向未失效端。试验设备为SHT4106电液伺服万能试验机，如图3所示，拉伸速度为10 mm/min，试验结果见表2。

图3　环拉伸测试

对比新旧管环拉伸强度，前后数值无明显变化，可知服役前后管材强度基本无变化。

表1　样品情况

表2　环拉伸测试结果

2.2砂浆磨损率试验

砂浆磨损率试验检测方法参考标准QB/T 2668－2004，在室温条件下进行。试验主要设备为EUROSTAR 60 digital顶置式电子搅拌器和电子天平，搅拌器转速为670 r/min。试验样品见图4，试验结果见表3。

图4　磨损率测试后样品

表3　砂浆磨损率测试结果

新旧管服役前后砂浆磨损率平均值相同，并且均满足标准QB/T 2668－2004超高分子量聚乙烯管材的要求。

2.3维卡软化温度

维卡软化温度检测参考标准GB/T 8802－2001塑料软化温度测定［2］，试验设备为XRD－300DL维卡软化点和热变形温度测试仪。载荷为50 N，加热速率为50℃/h。测试结果见表4。

未使用(新管)、使用113天(旧管)的超高分子量聚乙烯管平均值相差不大，分别为77.5℃和74.1℃。表明内衬耐热性能没有发生明显变化。

3　综合分析

通过对新、旧内衬管的环拉试验、砂浆磨损率试验、维卡软化温度测定发现新、旧内衬管材质均符合标准要求，且使用前后性能未见明显变化，可以排除因内衬材料的长期服役而性能降低最终导致内衬层塌陷。

通过对本次内衬层失效事故发生的过程调查可知，在检修泵前的113d，该井未见异常情况发生，抽油杆能顺畅上下运动，在修井作业过程中抽油杆能顺利从井里起出，而修井结束后再次下入抽油杆时遇阻，也即内衬层塌陷发生在地面。

在失效事故发生的当天，井内温度为30℃～40℃，室外温度为10℃左右，超高分子聚乙烯材料的线膨胀系数为2.0×10－4m/(m·k)3，油管钢材的线膨胀系数为1.21×10－5m/(m·k)3，两者相差约20倍，在这种情况下内衬层有较高的塌陷风险。

通过对塌陷内衬管的宏观分析可知，塌陷区域存在明显的磨损痕迹且壁厚减薄，内衬层的偏磨更进一步提高了内衬层塌陷的可能。

由图1可知内衬管塌陷区域位于外螺纹端部附近，观察翻边、内衬塌陷区域外壁发现残留有大量的煤粉。据此得出在内衬层塌陷前有地层流体通过内衬翻边区域进入内衬管夹层之间。油管从井里移到井外后，内衬层失去了地层水的支撑作用，导致夹层与管内产生压差，地层水通过翻边进入环空使压差增大，从而加剧了塌陷的可能。

内衬油管在降低管杆磨阻、耐腐蚀性方面性能显著，有效降低了管杆磨损和断脱，检泵周期明显增加［4，5］。同时一些新的问题也不容忽视，如在存放过程中出现的内衬鼓包、伸长问题，在使用过程中出现的内衬塌陷失效事故、地层流体进入夹层引起的腐蚀问题。针对这些问题，应从内衬管制造质量、内衬材料与钢制油管材料热胀冷缩性能差异、操作不当引起生产中出现的负压现象入手，找出引起内衬管鼓包、塌陷的原因，同时应加强质量控制力度优化抽检方案，结合问题制定应对措施，如在本井的内衬塌陷发生在油管二次入井前，那么如果在油管二次入井前增加一道通径检验工序则可有效降低修井费用。

4　结论

1)失效油管内衬质量服役前后性能无明显变化且符合标准要求。

2)内衬管与钢制油管的线膨胀系数差距大、井外温度远低于井内温度增大了内衬管缩径、塌陷的风险，内衬偏磨进一步提高了内衬塌陷的可能，此外油管从井里移到井外后，内衬层失去了地层水的支撑作用导致夹层与管内产生压差，地层水通过翻边进入环空使压差增大，该压差达到并超过内衬层耐击溃压力时便造成了内衬层在壁厚减薄处的坍塌。

参考文献

［1］中国轻工业联合会.QB/T 2668－2004高分子量聚乙烯衬管［S］.北京:中国轻工业出版社，2004.

［2］中国轻工业联合会.GB/T 8802－2001热塑料性塑料管材、管件维卡软化温度的测定塑料软化温度测定［S］.北京:中国标准出版社，2004.

［3］王海文，杨峰，赵辉，等.油管中塑料内衬管的伸长原因及控制措施［J］.石油矿场机械，2014，43(8): 61－64.

［4］潘智勇.超高分子内衬油管技术研究与应用［J］.承德石油高等专科学校学报，2012，14(4): 40－43.

［5］浦斌.油管偏磨腐蚀与耐磨防腐内衬油管研究［D］.东营:中国石油大学(华东)，2007.

·仪器设备与应用·

Tubing Inner Liner Performance Test and Collapse Analysis

CAO Feng，LIU Yan，YAO Huan，SU Hang，JIANG Chengjun
(CNPC Tubular Goods Research Institute，Xi'an，Shaanxi 710077，China)

Abstract:The lining layer collapse problems occurred frequently in one coal bed methane company.The properties of ultra high molecular weight polyethylene were tested，and the results showed that the properties can meet the requirements of the standard without significant changes before and after use.The failure process was investigated，the macro and micro properties and the comprehensive material characteristics of the tubing inner liner were analysed，it showed that the lining collapse of tubing inner liner resulted in negative pressure difference in lining layer of flat，which formed by combined actions of the difference of expansion coefficient between lining material and pipe line，and the temperature difference between the outside and the inside of the well and also the lining layer of eccentric wear and the formation of water channeling into the interlayer.The suggestions on the production and use of the inner liner pipe were given.

Key words:coal bed methane; liner tubing; eccentric wear; negative pressure difference; lining collapse

(收稿日期:2015－10－20编辑:屈忆欣)

第一作者简介:曹峰，男，1984年生，工程师，2009年毕业于西安石油大学油气井工程专业，主要从事石油专用管材产品科研、质量监督工作及工程技术服务工作。E-mail: caofeng003@ cnpc.com.cn

中图法分类号:TE931

文献标识码:A

文章编号:2096－0077(2016)01－0050－03