井下柔性复合管注水技术及应用

王薇王俊涛魏向军胡改星申晓莉

1.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室；2.中国石油长庆油田分公司油气工艺研究院；3. 中国石油长庆油田分公司第三采油厂

井下柔性复合管注水技术及应用

王薇1，2王俊涛1，2魏向军3胡改星1，2申晓莉1，2

1.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室；2.中国石油长庆油田分公司油气工艺研究院；3. 中国石油长庆油田分公司第三采油厂

目前长庆油田采出水腐蚀结垢严重，导致钢制防腐油管使用寿命较短。通过力学计算及结构材料优选，研发了不同管径的井下柔性复合管并进行了相关的管柱强度校核、有限元分析及室内性能评价，形成了适用于采出水回注井的井下柔性复合管注水工艺管柱系列。现场试验32口井，试验成功率100%，截至2016年5月试验井的最长注水时间已达4年。开展了12井次的取样性能检测，表明井下柔性复合管具有良好的防腐性能，可有效提高注水管柱使用寿命，预计使用寿命达10年以上，是钢制防腐油管使用寿命的2倍以上，同时该工艺可有效降低作业强度和生产成本，具有广阔的推广应用前景。

长庆油田；污水回注；柔性复合管；腐蚀结垢；注水管柱

长庆油田处于注水开发阶段，环境保护要求油田采出水全部回注，而油田采出水中含油、成垢阴离子、SRB和TGB等，腐蚀结垢性强，钢制防腐油管平均使用寿命3～5年［1-2］。随着采出水井数的不断增多，注水油管更换数量及频次也在快速增长，增大了开发成本，制约了油田高效开发。为此，借鉴地面集输上应用成熟、防腐性能良好的柔性复合管线［3-5］，研发井下柔性复合管注水技术，提高注水管柱防腐性能、延长使用寿命。

1 井下柔性复合油管研制

Development of downhole flexible composite tubing

1.1 结构设计

Structural design

根据注水管柱的功能及性能要求，提出了井下柔性复合管设计依据［6-7］。设计参数为：工作压力16 MPa，工作温度≤90 ℃，注水井注水量≤50 m3/d，洗井排水量≤30 m3/h，使用寿命≥10年。注水井套管内径一般为124.26 mm。

抗压公式为

式中，p为柔性管的抗内压强度，MPa；N为柔性管总根数；K为单根纤维丝的抗拉强度，kg/根；D为平均直径，cm；ε为断裂伸长率；C为修正系数（1层C=0.9、2层C=0.8、3层C=0.75、4层C = 0.7）；n为不同压力计算系数（当压力＜12 MPa时，n=0.735；当压力＞16 MPa时，n=1.103）。

抗拉伸力公式为

式中，T为柔性管抗拉强度，kN；σ为管柱轴向应力，MPa；A为柔性管截面积，m2；ni为第i层纤维的数量，根。结合设计参数，最终设计出管径为DN40和DN50的2种井下柔性复合管，具体结构如图1所示，性能参数见表1。

图1 新型井下柔性复合管结构Fig. 1 Structure of downhole flexible

表1 井下柔性复合管性能参数Table 1 Property parameters of downhole flexible composite pipe

1.2 各层材料的优选

Material selection for each layer

该油管由内层、增强抗压层、抗拉层、外保护层等结构组成，材料选择主要考虑：满足使用环境的要求、满足操作及安装条件的要求、满足相关功能的要求、满足服务寿命的要求、满足管体内部结构兼容性的要求、具有较合适的经济性［8］。

1.2.1 内层和外保护层材料的选择 由于井下柔性复合管内层、外保护层应具有防腐蚀、防渗、耐磨、沿程摩阻小、抗蠕变、抗内压等性能，初选出内层、外保护层高分子材料见表2。

表2 高分子材料应用范围与工作温度Table 2 Application scope and working temperature of highpolymer materials

综合考虑其应用范围及工作温度，当工作温度≤60 ℃，内层、外保护层材料选用高密度聚乙烯；工作温度≤90 ℃，选用交联聚乙烯。2种材料性能相同，耐温等级不同，其成本存在差异。

1.2.2 增强层和抗拉层材料的选择 考虑增强层、抗拉层在柔性复合管中主要起到增强作用，提供抗拉性能及抗压性能。增强纤维具有高强度、高模量以及优异的热稳定性和耐高温性能。目前常用的增强纤维主要性能参数见表3。由于井下柔性管的工作压力为16 MPa，考虑增强纤维的经济性，选用涤纶纤维作为增强材料。

表3 玻璃纤维、碳纤维、凯芙拉（Kevlar）纤维性能参数对比Table 3 Comparisons of property parameters between glass fiber, carbon fiber and Kevlar fiber

1.3 室内性能评价

Indoors property evaluation

1.3.1 有限元分析 通过ANSYS软件对井下柔性复合管进行有限元模拟，计算管道抗拉伸、抗内压等性能。将井下柔性复合管底部全部约束，在2个对称面施加对称边界条件，顶端施加拉伸力。将1 MPa载荷均匀施加在复合管自由端面的节点上，应力初步分析结果如图2所示。从图中可以看出，柔性复合油管的轴向压力主要分布在抗拉层和增强抗压层。

图2 复合管应力分布Fig. 2 Distribution of stress in composite pipe

此外还利用ANSYS软件模拟了90 kN、60 kN和30 kN拉力下井下柔性复合管管体的应力和位移。模拟结果表明，拉力90 kN时井下柔性复合管管体最大位移为67 mm，最大应力为123 MPa；拉力为60 kN时井下柔性复合管管体最大位移为51 mm，最大应力为94 MPa；拉力为30 kN时井下柔性复合管管体最大位移为21 mm，最大应力为39 MPa，均出现在抗拉层。同时，当应变达到2.6%时，拉力可达到100 kN，此时抗拉刚度为3.8×106N，满足井下柔性复合管注水要求承受载荷。

1.3.2 室内实验 选取DN40和DN50均长为1 m的井下柔性复合管，分别进行静水压强度、爆破强度、抗拉伸、防腐蚀等性能室内评价实验［9-11］。测试结果见表4，各项性能指标均能满足柔性复合管作为井下注水管柱的设计要求。

表4 井下柔性复合管室内性能评价结果Table 4 Indoors property evaluation results of downhole flexible composite pipe

2 井下柔性复合油管注水工艺

Water injection process of downhole flexible composite tubing

2.1 工艺原理

Technical principle

在注水井井筒内，采用井下柔性复合油管作为内管，并配套相关井下附件，连续下入目的层进行笼统注水。当管柱下至预定位置，将井下柔性复合管通过转换接头连接提升短节和注水井口。由于井下柔性复合管具有连接接头少、管柱连接方便的特点，可大幅降低人员劳动强度，提高起下作业效率。

为便于井下柔性复合管与井口、配重管及其他井下附件的相互连接，配套了连接接头，一端采用油管螺纹连接注水井口和井下附件，另一端采用扣压式连接井下柔性复合管。具体结构如图3所示。

图3 连接接头结构及组成部分Fig. 3 Structure and components of connection joint

2.2 管柱结构

String structure

根据不同的注水工程需求以及功能要求，形成了不同井下柔性复合管注水工艺管柱系列，如图4所示。

管柱1：提升短节+井下柔性复合管+不锈钢配重管+斜尖。由于前期研制的井下柔性复合管自身密度较小，与采出水密度接近，下井时需进行配重才能下入。

管柱2：提升短节+井下柔性复合管+斜尖。用于规模现场推广。

管柱3：提升短节+井下柔性复合管+钢制防腐油管+斜尖。用于后期与钢制油管进行性能对比。

管柱4：提升短节+套保封隔器+井下柔性复合管+斜尖。用于射孔段以上套管不能带压作业的注水井，保护套管，避免套管带压生产。

图4 井下柔性复合管注水工艺管柱Fig. 4 Water injection process of downhole flexible composite pipe

3 现场试验

Field test

2011年以来，在长庆油田采出水回注井开展现场试验32口井，施工成功率100%，最大井深2 743 m，最大井斜45.3°，截至2016年5月试验井的最长注水时间4年，目前仍正常注水，预期使用寿命在10年以上。同时，2 000 m井深柔性复合管的作业时间较钢制油管缩短2 h，作业效率提高30%。

开展了4口同井不同材质油管防腐性能试验，通过定期截取不同材质样管进行性能检测，表明在相同水质条件下，井下柔性复合管防腐性能最好，CQFF03次之，普通涂料油管防腐性能最差，如图5所示。同时，同批次入井的钢制防腐油管因腐蚀穿孔已更换2次，而井下柔性复合管仍完好。

图5 3种管柱使用半年后取样外观图及内壁扫描电镜图Fig. 5 Appearance and internal wall SEM of samples taken from three strings after half a year’s service

开展了7口试验井8井次取样性能检测。结果表明，超过2 000 m井深时，井下柔性复合管受临界温度影响性能急剧下降（见表5）；在2000 m以内的采出水回注井上使用性能稳定（见表6）。

表5 江73-55柔性复合管取样自检结果对比Table 5 Self-check result comparisons of samples taken from Jiang 73-55 flexible composite pipe

表6 在用柔性复合管取样送检结果对比Table 6 Test result comparisons of samples taken from in-service downhole flexible composite pipes

4 结论

Conclusions

（1）井下柔性复合管具有良好的防腐性能，可有效提高注水管柱使用寿命，与钢制防腐油管相比，能有效延长管柱使用寿命2倍以上。

（2）矿场试验表明，井下柔性复合管可以满足2000 m以内的采出水回注井注水要求，具有较好的应用前景。

（3）井下柔性复合管注水技术可有效降低作业强度和生产成本，随着采出水井的不断增加，具有广阔的推广应用前景。

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（修改稿收到日期 2016-11-18）

〔编辑 李春燕〕

Water injection technology based on downhole flexible composite pipe and its application

WANG Wei1,2, WANG Juntao1,2, WEI Xiangjun3, HU Gaixing1,2, SHEN Xiaoli1,2

1. National Engineering Laboratory of Low-permeability Oil & Gas Exploration and Development, Xi’an 710018, Shaanxi, China; 2. Oil and Gas Technology Institute, CNPC Changqing Oilfield Company, Xi’an 710018, Shaanxi, China; 3. No.3 Oil Production Plant, CNPC Changqing Oilfield Company, Yulin 718600, Shaanxi, China

In Changqing Oilfield, the produced water currently presents serious corrosion and scaling behavior, shortening the service life of anti-corrosion steel tubing. In this paper, flexible composite pipes were developed for wells with different pipe diameters by carrying out mechanical calculation and structured material optimization. Then, string strength verification, finite element analysis and indoors performance evaluation were performed on the pipes, and a series of water injection strings were developed, which based on downhole flexible composite pipe and suitable for reinjection wells of produced water. They were tested on site in 32 wells, and the success ratio is 100%. So far, the longest water injection period is 4 years. Performance test was carried out by 12 well times. It is indicated that downhole flexible composite pipes have good anti-corrosion property, and they can increase the service life of water injection strings significantly. It is expected that the service life can be up to 10 years, which is 2 folds that of anti-corrosion steel tubing. And besides, the operation intensity and production cost can be decreased effectively. Therefore, this technology is promising in popularization and application.

Changqing Oilfield; sewage recycle; flexible composite pipe; corrosion and scaling; water injection string

王薇，王俊涛，魏向军，胡改星，申晓莉.井下柔性复合管注水技术及应用［J］ .石油钻采工艺，2017，39（1）：83-87.

TE357

A

1000 – 7393（ 2017 ） 01 – 0083 – 05

10.13639/j.odpt.2017.01.016

:WANG Wei, WANG Juntao, WEI Xiangjun, HU Gaixing, SHEN Xiaoli. Water injection technology based on downhole flexible composite pipe and its application［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2017, 39(1): 83-87.

中国石油低碳关键技术研究“低渗透油气田节能节水关键技术研究”（编号：2011E-2402）资助。

王薇（1986-）， 2008年毕业于西安石油大学石油工程专业，现主要从事油田注水方面的研究工作，工程师。通讯地址：（710018）陕西省西安市未央区长庆油田新技术开发中心。电话：029-86590813。E-mail：wangwei4_cq@petrochina.com.cn