纤维增强连续复合管在油田井下注水方面的应用

毕婷婷，连洪正，孙云鹏（.威海鸿通管材股份有限公司 ； .天润曲轴股份有限公司，山东 威海 64400）



纤维增强连续复合管在油田井下注水方面的应用

毕婷婷1，连洪正1，孙云鹏2
（1.威海鸿通管材股份有限公司 ； 2.天润曲轴股份有限公司，山东 威海 264400）

摘 要：纤维增强连续复合管采用非金属非粘结结构，具有优良的流体性能，防腐蚀性能，耐温性能，能盘卷（有挠性），抗动态载荷和方便快捷的安装性能等特点在陆地输气、井下注水和海洋油气开发等方面都得到了推广应用。本文对纤维增强连续复合管的结构性能以及作业设备和作业施工流程等进行分析说明。结果表明，该复合管能够满足井下注水作业要求。

关键词：纤维增强连续复合管；注水管；作业设备；施工作业

0　引言

注水采油技术是国内各大油田提高原油采收率的主要方法，随着油田开采时间的增长，注水水质的不断恶化，硫酸盐氧化还原菌的不断增多，油田井下管柱和输油管线的腐蚀及结垢问题一直是困扰油气开采和输送的顽症，并且传统井下注水管柱还存在质量重，单根长度短，作业施工工序繁琐等诸多问题影响作业施工效率。纤维增强连续复合管则很好的解决了这些问题，该复合管具有抗拉强度高、承压高、抗腐蚀能力强、能盘卷（有挠性）、质量轻等优点。本文对纤维增强连续复合管的结构性能以及作业设备和作业施工流程等进行分析说明。

1　纤维增强连续复合管的结构与性能

1.1纤维增强连续复合管结构

纤维增强连续复合管的结构分为六层，由内向外依次为内衬层、环向增强层、骨架层、右旋纵向拉伸层、左旋纵向拉伸层、外保护层组成。各结构层之间非粘结，允许层间相对运动。

各层材质及作用。内衬层——内衬层材料：根据不同要求可选用PE、PERT、PA12、PVDF等。 内衬层作用：1）防渗；2）防腐蚀；3）耐冲击；4）不结垢；5）沿程摩阻小。

环向增强层——环向增强层材料：树脂、高强度纤维。环向增强层作用：保护内衬层、增加内衬层强度、承受环向应力。

骨架层——骨架层材料：高强度纤维和树脂。骨架层作用：骨架层是整个柔性管的受力基础，整个管材的径向受力包括（内压、外压、拉伸产生的压力、管材轴向压缩的力等）全部作用在骨架层上。骨架不允许有张力。

纵向拉伸层——纵向拉伸层是由左右螺旋层组成。纵向拉伸层材料：树脂和高度纤维。纵向拉伸层作用：扭曲平衡，承受轴向拉力。

外保护层——外保护层材料：高分子材料PE。外保护层作用：防腐蚀、耐磨、防外渗漏、保护管材。

1.2纤维增强连续复合管性能分析

纤维增强连续复合管特性：

（1）抗拉强度高。空管拉伸强度不低于35t。

（2）承内压强度高，爆破压力不小于3倍使用压力。

（3）外压溃强度高，外压溃强度大于井深所产生的外压溃。

（4）连续管，一口井一根管，中间无接头。

（5）不结蜡、不结垢。

1.2.1耐腐蚀性能

传统金属注水管腐蚀现象严重，管线的更换周期不足3年，最短的仅3～4个月，所报废的注水管柱中有90%以上是因腐蚀、结垢而造成的。更换管柱、管线影响作业并且给生产带来巨大的经济损失。

纤维增强连续复合管为非金属材料根据一定的结构形式分层缠绕而成。其主要材料为PE（聚乙烯）（内衬层、外保护层）和玻璃纤维热固性增强塑料（FRP，俗称玻璃钢）（环向增强层、骨架层、左右旋纵向拉伸层），因此复合管的耐腐蚀性能主要受这两种材料耐酸碱腐蚀性能的影响。

（1）PE（内衬层、外保护层）的耐腐蚀性能。PE（聚乙烯）材料在酸、碱性溶液中有良好的耐腐蚀性能，且在酸性溶液中有轻微的溶胀现象，按照均匀腐蚀计算出的酸、碱平均腐蚀速率分别为-0.0938、0.0206mm/a。

（2）玻璃钢（环向增强层、骨架层、纵向拉伸层）的耐腐蚀性能。玻璃钢的耐蚀性能主要取决于树脂， 根据相关文献显示，树脂在酸、碱性环境溶胀为有限溶胀，即溶胀进行到一定程度，以后无论与溶剂接触多久吸入的溶剂量都不再增加而达到平衡，体系保持两相状态。而与酸、碱的腐蚀类型属于表面型腐蚀，在实验过程中发现试样失光、溶液中有微量的沉淀物生成，检查试样表面，没有裂纹产生。

环氧树脂玻璃钢材料在酸性环境中具有较强的耐蚀性，72小时的长期腐蚀数据显示，单位时间的质量减少率小于0.01%，并且随着时间的延长在逐步减少并趋于平缓；在碱性环境中主要以溶胀为主，质量溶胀增加，约在0.082%-0.17%之间。

1.2.2力学性能

（1）拉伸强度。复合管的承拉性能很好，纤维增强连续复合管的极限拉伸强度为38t，满足井下作业的使用要求。

（2）内压强度。管材的爆破试验压力为75MPa，远高于注水作业时使用运行压力，满足使用要求。

（3）压溃强度。管材的压溃强度17Mpa满足井下作业的使用要求。

1.2.3耐磨性能

按井深2000米，润滑条件为干摩擦的试验条件下，PE材料的平均磨损量为3.57 mg，磨损量为0.003754 cm3，平均摩擦系数为0.2911，磨损量≤0.01 cm3，材料的耐磨损性能较好，满足下井作业的要求。

2　纤维增强连续复合管作业设备

传统油管作业设备包括通井机，起下设备。

通井机是目前各油田修井作业中最常用的一种动力设备。作用是用于起下油管、钻杆（抽油杆）以及井下打捞、抽汲等施工作业。

起下设备由井架和提升系统组成。提升系统由游动系统（包括天车.游动滑车、大钩、钢丝绳）和吊环、吊卡组成。

井架是用来支持游动系统，进行起下作业的设备。井架的用途主要是装置天车，支撑整个提升设备，以便悬吊井下设备、工具和进行各种起下作业。

纤维增强连续复合管作业设备包括升下井装置和管线收放装置。

2.1升下井装置的基本组成及相关参数

2.1.1基本组成

图1　纤维增强连续复合管升下井装置示意图

升下井装置主要由1—导向摆，2—履带，3—锁紧丝杠，4—支承导向柱，5—液压夹紧油缸，6—底架，7—动力及制动机构，8—收放线盘，9—收放线机组成

2.2升下井装置工作原理及可靠性分析

2.2.1工作原理

施工作业时盘卷在线盘上的管线通过导向摆引入升下井装置的履带，通过履带上安装的夹紧块来夹持管线为管线升降提供牵引力。履带由液压夹紧油缸和锁紧丝杠提供夹紧力，液压夹紧油缸为电动控制，锁紧丝杠采用手动锁紧，能够为升下井装置提供稳定可靠的夹紧力，使管材的夹持牢固可靠。升下井动力由一台伺服电机提供，由伺服电机通过减速箱带动履带正反方向运动，实现升下井功能。底架是实现整套设备与井口的对接和支撑，以保证设备与井口同心。

2.2.2可靠性分析

（1）升下井装置采用伺服电机提供动力，伺服电机具有响应快、扭矩大、控制精度高、运转平稳等特性，具有很强的负载能力，这使得电机在满载的情况下依然能够实现精确控制平稳运行。同时它也具有恒扭矩，静止和运转时电机的正反驱动力相等的特性，即电机在运行过程中同时存在一个与转动方向相反大小相等的反向扭力。这一特性使得电机在运转过程中即使出现正负载荷交变的情况依然能够匀速运行，从而确保设备升、下管线安全可靠，速度可控。

（2）升下井装置安装的液压夹紧油缸和锁紧丝杠，液压油缸为履带夹紧管线提供夹紧力，履带的有效夹紧长度达到了1800mm ，这些措施能够有效防止装置运转过程中管线与履带间出现打滑现象。锁紧丝杠可以在液压夹紧装置失效时保持夹紧力不变，是履带夹持管线的有效保护措施。

（3）升下井装置的履带与管材的接触面是金属圆弧面且带有网纹，能够与充满油污的管材表面产生足够的摩擦力，从而能够提供可靠稳定的牵引提升力。

（4）升下井装置的最大牵引提升力为15 t，以管线总长按1.5公里为例计算，管材的重量为5.1 kg/m，则1.5公里管线的总重量为7.65 t，远大于管线的总重量。因此升下井装置能为管线升降提供足够的牵引力。

升下井装置设有意外断电制动机构，该机构能够在断电瞬间自动制动。能够避免突然断电时动力控制系统无法提供牵引力致使的管线下落。

管线收放线设备采用力矩电机提供恒张力卷取，保证收放卷管线伸展整齐。

3　纤维增强连续复合管下井作业施工流程

传统金属管不是连续的，其单根长度短。整个下井施工作业过程需要4～5名施工人员操作各种机械，施工人员工作强度高，且安装效率低。纤维增强连续复合管作业设备安装便捷，操作简单。下井过程只需一名施工人员控制控制柜即可，大大减轻了施工人员的劳动强度，节省了人力物力。而且作业速度快，提高工作效率。

3.1履带式升下井装置底架与井口装置的对接

（1）由施工人员配合汽车吊将底架搬运至井口处，将双闸门防喷器的法兰与底架的法兰连接板对正连接。

（2）调整底架四个支脚的高度保证与地面均匀受力。

3.2履带式升下井装置主体与底座的连接

用吊车将升下井装置吊运到底架上方，对齐底座上的导向限位块，座于底架上用螺栓连接固定。

3.3履带式升下井装置的组装及调试

（1）安装缆风绳

（2）安装履带式升下井装置的护栏及逃生滑梯，逃生滑梯安装在井架相对的另一侧。

（3）用吊车将导向摆座于升下井装置的转轴上方，由施工人员对齐止口用螺栓固定。

（4）安装电机控制线，查看履带是否需要张紧，调试检查电机运转是否正常。

3.4管线收放装置的安放与线盘的安装

（1）地滚式收放线机安放于距离履带式升下井装置8～9米远处。

（2）用吊车将线盘座于收放线机上，注意管线的旋向，放管时管线从线盘下方引入摆线架进入夹紧牵引机构。

（3）将线盘架起，夹紧刹车盘将线盘的包扎带松开。

3.5管线引入履带式升下井装置

（1）用吊车将管线端部吊起，升至下井装置平台上方，由工作平台上的施工人员将管线引入履带中。

（2）当端部接头移出履带后，控制液压夹紧油缸夹紧管线，夹紧油缸的压力控制在20Mpa以下。

（3）将锁紧丝杠紧固。

3.6下井

（1）启动履带式升下井装置，逐步提高牵引速度，时刻观察电机运行是否正常，电流是否超载。放管过程中无关人员要远离施工现场，以免发生危险。

（2）放管到线盘最后一层时停止设备，将固定接头的夹板松开，启动升下井装置使接头缓慢从大盘接头固定槽中移出。

3.7接头悬挂器与井口大四通的连接

（1）当管材接头移动到升下井装置平台上方时，将升下井装置的牵引速度调至零。

（2）由升下井装置工作平台上的施工人员配合吊车将导向摆移走。

（3）连接悬挂器和管材下井吊具，然后用专用吊绳将下井吊具与井架吊钩连接。

（4）提升井架吊钩使吊绳张紧，松开锁紧丝杠，张开履带将接头移动至双闸门防喷器处。

（5）用接头固定卡板将接头固定于双闸门防喷器上方，松开吊钩，卸掉缆风绳及履带式升下井装置与底架之间的固定螺栓，用吊车将升下井装置移走。

（6）松开双闸门防喷器与底架间的紧固螺栓，由施工人员配合吊车移走底架。

（7）用吊车吊起悬挂器，移出接头固定卡板。卸掉双闸门防喷器，将悬挂器安装到井口大四通上，卸掉下井吊具，加装井口装置，完成下井的整个操作。

参考文献：

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