油田注水用复合管受力性能研究

杨 峰，明尔扬，迟 花，于志猛，刘 辉，李洪浩，于春振

(1.沧州明珠塑料股份有限公司 河北 沧州 061000; 2.中国石油勘探开发研究院采油采气装备研究所 北京 100083)

0 引 言

近年来，油田不断加大勘探开发力度，对于采油管和注水管的需求量不断攀升。传统的金属管道因易结垢、易腐蚀的特点导致其使用寿命较短，所以国内外一些管材制造商积极研发非金属及复合材料管道，用于代替金属管道[1-3]。本文研究的是一种非金属连续纤维增强热塑性复合管道，由于管材基体材料为热塑性塑料，所以在拉力、内压和高温环境下，管材会出现形变，同时由于抗压层和抗拉层的存在，其形变不同于均一材质的管道。目前国内对于该类型复合管在组合载荷下的性能研究主要基于理论和有限元计算，张尹对纤维缠绕增强复合管在轴对称载荷下的力学行为进行了理论和有限元建模分析[4]，王诺思对纤维缠绕增强复合管外压及组合荷载下的屈曲性能进行了试验和有限元计算研究[5]。

本文结合复合管在油田分层精细注水时的使用工况，设计了一系列模拟试验，通过对比试验前后管材尺寸和力学性能变化，分析了其性能的变化规律，为更好地了解该类型复合管用于井下时的性能提供参考依据。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验材料采用内径50 mm，公称压力为25 MPa的复合管。复合管由内衬层、抗压层、智能层、抗拉层和外保护层组成，各层之间为全融合结构，其中内外层为普通高密度聚乙烯，增强层为乙烯基预浸渍连续纤维增强带。

1.2 试验方法

复合管应用于井下分层注水时，主要经历管材放卷、管柱下井、测井、动管柱、测井、洗井等过程。本文选取了中石油吉林油田某油井作为研究对象，该井井深1 000 m，井口温度20 ℃，温度梯度3 ℃/100 m，正常注水压力25 MPa。考虑复合管在使用过程中，环境温度和复合管受力情况随井深改变，选取0 m，500 m和1 000 m三处典型位置进行研究，主要工况参数见表1。

根据表1确定复合管在各过程的主要受力情况，用上部试样、中部试样和下部试样分别代表注水井0 m、500 m和1 000 m处管材，进行温度、拉力和内压等组合载荷的模拟试验。试验过程中测量管材尺寸变化，研究其变形规律。试验完成后对其进行破坏性试验，通过对比3个试验结果，得出管材性能折减情况。

表1 井下工况参数

试验过程中使用的试验设备主要包括：100 MPa爆破试验机、50 MPa压溃试验系统、50 MPa静液压试验机、50 t拉伸试验机以及恒温循环水箱。

2 试验结果及分析讨论

2.1 自然伸长率试验(模拟下井)

通过模拟试验，测量复合管因自重引起的长度变化，得到了不同温度下3个试样的伸长率与复合管长度曲线，如图1所示。

图1 自然伸长率试验曲线对比图

由图1可看出，随着载荷增大，不同温度下复合管的伸长率与拉力近似成线性关系。另外40 ℃和60 ℃时伸长率较为接近，并且复合管长度超过300 m时，常温伸长率高于40 ℃和60 ℃复合管伸长率。

2.2 坐封憋压试验(模拟下井)

3个试样的伸长率曲线如图2所示。可以看出内部压力对于管材的伸长具有一定的抑制作用，且在拉力作用下内压与伸长率具有线性规律。

图2 坐封憋压试验伸长率曲线

2.3 拉力、温度组合试验(模拟测井)

3个试样在相应的拉力、温度持续作用下，伸长率曲线如图3所示。可以看出复合管在前期伸长率稍有增加，半小时后伸长率基本不再变化。

图3 拉力、温度试验伸长率曲线

2.4 拉力、温度和内压组合试验(模拟测井)

3个试样在相应的拉力、温度和内压持续下，伸长率曲线如图4所示。可以看出复合管在组合载荷下伸长率很稳定，随时间增长几乎不再变化。

图4 拉力、温度和内压试验伸长率曲线

2.5 自然伸长率试验(模拟动管柱)

3个试样的伸长率与复合管长度曲线如图5所示。随着载荷增大，不同温度下复合管的伸长率与拉力近似成线性关系。

图5 自然伸长率试验伸长率曲线

2.6 坐封憋压试验(模拟动管柱)

3个试样的伸长率曲线如图6所示。可以看出内部压力对于管材的伸长具有抑制作用，且60 ℃时抑制作用最明显。

图6 坐封憋压试验伸长率曲线

2.7 拉力、温度组合试验(模拟测井)

3个试样在相应的拉力、温度持续作用下，伸长率曲线如图7所示。前半小时内伸长率稍有增加，伸长率稳定后几乎不随时间变化；与第一次模拟试验相比，常温时伸长率变小，40 ℃时伸长率变大，60 ℃试样无拉力故伸长率为0。

图7 坐封憋压试验伸长率曲线

2.8 拉力、温度和内压组合试验(模拟测井)

3个试样在相应的拉力、温度和内压持续下，伸长率曲线如图8所示。可以看出复合管伸长率很稳定，与第一次模拟试验相比，常温下伸长率变小，40 ℃和60 ℃下伸长率变大。

图8 坐封憋压试验伸长率曲线

2.9 破坏性试验

拉伸试验、爆破试验和压溃试验结果见表2，试样图片如图9、图10和图11所示。可以看出温度、拉力和内压组合载荷会导致复合管耐压能力、抗拉能力有不同程度的降低。其中温度对爆破性能影响较大，而拉力对抗外压能力影响较大。

表2 拉伸试验结果

图9 爆破试样

图10 拉伸试样

图11 压溃试样

3 结 论

通过试验结果可看出，温度对于内压的影响较为明显，温度越高，爆破压力下降越明显；通过上、中、下3部分模拟测试对比发现，在某一温度范围内，温度对于拉伸性能的影响比较明显，这主要是由于PE材料受温度影响比较明显；通过伸长率测试发现，单纯轴向力对于伸长率有明显作用，内压对于伸长率有抑制作用，随后管材还是会在轴向力作用下逐渐伸长。由此可见，复合管在井下使用时所受到的载荷较为复杂，且管材在使用时随时间会产生蠕变，进而导致性能衰减。因此，用于井下注水或采油的复合管在设计之初应考虑足够的安全系数。