油管中塑料內(nèi)襯管的伸長原因及控制措施

王海文，楊 峰，趙 輝，米海杰

（1.中國石油大學（華東），山東青島266580；2.中石化勝利油田分公司東辛采油廠，山東東營257094；3.甘肅省地礦局第二地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，蘭州730020）①

油管中塑料內(nèi)襯管的伸長原因及控制措施

王海文1，楊 峰2，趙 輝2，米海杰3

（1.中國石油大學（華東），山東青島266580；2.中石化勝利油田分公司東辛采油廠，山東東營257094；3.甘肅省地礦局第二地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，蘭州730020）①

塑料內(nèi)襯油管的塑料管在高溫下會伸長，導(dǎo)致該塑料管損壞，油管報廢。建立了管柱受外力和溫度變化情況下塑料管的應(yīng)力分析模型，分別對20℃和80℃條件下制造的塑料內(nèi)襯油管進行塑料管的內(nèi)應(yīng)力分析。在20℃條件下生產(chǎn)的塑料內(nèi)襯油管，通過油井內(nèi)高溫的作用，塑料管處于壓應(yīng)力狀態(tài)，從油井內(nèi)提出時會發(fā)生伸長現(xiàn)象；在80℃條件下生產(chǎn)的塑料內(nèi)襯油管，其塑料管處于拉應(yīng)力狀態(tài)，從油井內(nèi)提出時不會發(fā)生伸長現(xiàn)象。因此，鋼材和塑料性質(zhì)差異、地面和油井內(nèi)溫度差異是造成塑料管伸長的主要因素。利用塑料的記憶特性，采取預(yù)應(yīng)力技術(shù)加工塑料內(nèi)襯油管，能夠解決塑料管伸長的問題。

油管；塑料管；伸長；預(yù)防措施

塑料內(nèi)襯油管在國內(nèi)外油田獲得較好的應(yīng)用效果［1-2］。據(jù)不完全統(tǒng)計，2013年勝利油田在用井數(shù)超過3 000口，塑料內(nèi)襯油管的使用量約3×106m，成為解決桿管偏磨問題的最主要技術(shù)。塑料內(nèi)襯油管在現(xiàn)場應(yīng)用中也存在一些問題，例如塑料管破損、耐溫較低、易結(jié)蠟、內(nèi)徑減小、抽油桿腐蝕斷裂加劇、泵殼腐蝕穿孔加劇和塑料管伸長現(xiàn)象等。塑料管伸長現(xiàn)象是指當油井作業(yè)時，從井內(nèi)提出的塑料內(nèi)襯油管出現(xiàn)了塑料管從油管內(nèi)伸長出來的現(xiàn)象，伸出最多的達到50 m m。這種現(xiàn)象不是很常見，有些批次的塑料內(nèi)襯油管不出現(xiàn)塑料管伸長現(xiàn)象，有些出現(xiàn)該現(xiàn)象的油井也不是所有塑料管都伸長。筆者對塑料內(nèi)襯油管的制造、儲存和應(yīng)用過程中受力情況進行分析，研究塑料管伸長現(xiàn)象的機理，提出了制造工藝的改進方法，從而解決了塑料管伸長問題，為進一步提高內(nèi)襯油管質(zhì)量和使用效果提供參考。

1 塑料管伸長現(xiàn)象及危害

塑料內(nèi)襯油管是一種復(fù)合材料油管，由外部的A PI標準油管和內(nèi)襯的塑料管構(gòu)成［3］。塑料管一般采用H D PE（高密度聚乙烯）加工，也可采用改性或其他材質(zhì)的塑料，以改善其耐溫、耐磨等性能。加入塑料內(nèi)襯的油管既保持了油管的機械強度，又具有塑料管的優(yōu)點。H D PE塑料管具有較好的耐磨性能和親油性能，用在油井內(nèi)，即使在高含水條件下，其與抽油桿及抽油桿接箍之間的耐磨損性能優(yōu)異［4］，解決了近些年來困擾高含水油井抽油機和螺桿泵采油遇到的桿管偏磨問題，工業(yè)應(yīng)用價值巨大。

內(nèi)襯的塑料管在兩頭有翻邊結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)約束了塑料管，使其不能縮進油管，在油管伸長時，油管頂著翻邊使塑料管隨之伸長。在井下時，由于有接箍的錐形內(nèi)螺紋和翻邊的約束，塑料管隨油管等長度伸縮。當油井作業(yè)提出油管卸扣后，接箍的錐形內(nèi)螺紋對塑料管的約束被取消，如果塑料管處于被壓縮狀態(tài)，塑料管將伸長，伸出油管。出現(xiàn)伸長現(xiàn)象的塑料管在卸開絲扣前應(yīng)該處于較大的壓應(yīng)力狀態(tài)，伸長出來的塑料管在井場放置幾小時后，有些能縮回一點，但一般無法全部縮回，仍有些外露。有些油田采取報廢伸長管的制度，有些采取切割掉伸長部分繼續(xù)下井使用的處理方法，切割后缺少了塑料管兩頭翻邊，塑料管能軸向自由竄動，兩根管之間縫隙加大，成為塑料管損壞的誘因。

出現(xiàn)塑料管伸長現(xiàn)象的井必然會發(fā)生塑料管破損的情況。處于軸向被壓縮狀態(tài)的塑料管，容易破壞內(nèi)襯塑料管與油管內(nèi)壁緊密貼合狀態(tài)，尤其是在管柱處于彎曲狀態(tài)時，內(nèi)襯塑料管與油管內(nèi)壁之間出現(xiàn)間隙，在抽油桿上下沖程反復(fù)刮壓下易破損。

例如，勝利油田某井配套塑料內(nèi)襯油管前采用?56 m m泵，下泵深度1 400 m，沖程3 m，沖次4 min-1，泵以上900 m井段都能觀察到偏磨，因桿管偏磨嚴重，檢泵周期僅75 d。針對該情況，在泵上配套塑料內(nèi)襯油管920 m，連續(xù)生產(chǎn)177 d后停產(chǎn)上作業(yè)，該井作業(yè)原因是塑料管破損。由于破損塑料管阻擋，撞擊泄油器不充分，作業(yè)時從第50根油管內(nèi)見液，而這口井的動液面位置處于第103根油管。從第50根油管開始每卸開一根油管都要放出里面的液體，由于油管里有液體，使提出來的油管還有較高的溫度。該井作業(yè)過程中有11根H D P E塑料管伸長出20～40 m m，均處于第50根油管以下。這個井例提示，在油管還處于較高溫度的情況下卸開油管，增加了塑料管伸長出來的可能性。

2 管柱伸縮因素分析

塑料管伸長的內(nèi)因是其處于壓應(yīng)力狀態(tài)，外因可能有多個。本文研究外力和溫度變化對塑料管伸長的影響。

2.1 油管受拉伸力變形分析

塑料內(nèi)襯油管在生產(chǎn)和儲存時處于水平放置狀態(tài)，認為其軸向不受外力。在油井內(nèi)時，為簡便起見，忽略油管與套管內(nèi)壁的摩擦力、流體的摩阻力和井內(nèi)液體浮力等，認為井眼軌跡是豎直的，分析某個油管受軸向力時只考慮其以下油管、泵、其他井下工具和液柱等的重力載荷。

塑料內(nèi)襯油管的外螺紋與A PI標準油管相同，兩根塑料內(nèi)襯油管依靠接箍連接起來，接箍的結(jié)構(gòu)與A PI標準相同或在中部加長，這種連接方式，使管柱的軸向拉力仍由油管承擔，塑料管依附于油管內(nèi)，其重力由油管承載，可以忽略塑料管自身重力對長度的影響。從井口開始，第i根油管承受其以下管柱重力為：

式中：Pi為第i根油管承受其以下管柱重力，N；H為塑料內(nèi)襯油管下入深度，m；Lzi為第i根塑料內(nèi)襯油管下入深度，m；Wy為油管線重，N／m；Ws為塑料管線重，N／m；Pw為塑料內(nèi)襯油管以下泵、井下工具和液柱載荷等的總重力，N。

塑料內(nèi)襯油管在其以下管柱重力作用下的伸長量為：

式中：Δ Li為第i根塑料內(nèi)襯油管在其以下管柱重力作用下的拉伸量，m；Li為第i根油管長度，m；E為油管鋼材的彈性模量，2.06×1011Pa；Ay為油管鋼材部分橫截面積；m2。Es為塑料（H D P E）的彈性模量，6.89×108Pa；As為塑料管塑料部分橫截面積；m2。

由于塑料的彈性模量遠小于鋼材，式（2）可以簡化為：

公稱直徑73.0 m m（27/8英寸）和88.9 m m（31/2英寸）的塑料內(nèi)襯油管參數(shù)如表1。

表1 2種規(guī)格塑料內(nèi)襯油管的參數(shù)

分別假設(shè)塑料內(nèi)襯油管下入1 000、1 500、2 000 m 3種情況。泵、尾管等的總重力為5 000 N。內(nèi)徑54.8 m m內(nèi)襯油管的液柱載荷分別為23 102、34 653、46 204 N。內(nèi)徑67.8 m m內(nèi)襯油管的液柱載荷分別為35 363、53 045、70 726 N。單根油管長度為8.5 m，下入井的油管與在地面相比，拉伸量計算結(jié)果如圖1。由于54.8 m m和67.8 m m內(nèi)徑2種情況的計算結(jié)果非常相近，繪制的曲線重合，因此圖1中只繪制了內(nèi)徑67.8 m m單根油管在不同下入深度情況下的拉伸量曲線。

圖1 單根內(nèi)襯油管在不同下入深度時塑料管的伸長量

由圖1可以看出，靠近井口的上部油管受力大，應(yīng)變大，單根塑料管的伸長量大；下部油管受力小，應(yīng)變小，單根塑料管的伸長量小。同一深度位置的單根油管在1 000、1 500、2 000 m 3種下入深度的管柱中拉伸量依次增大，2 000 m管柱在井口附近單根塑料管的伸長量為8.9 m m。

2.2 溫度變化對油管長度的影響

管材溫度變化引起的軸向變形：

式中：T0、T為管材溫度變化前、后的溫度，K；α為管材的線膨脹系數(shù)，m／（m·k）；L為管材的長度，m。

材料的線膨脹系數(shù)在不同溫度下不是恒定值，為簡便分析，油管鋼材的線膨脹系數(shù)取1.21×10-5m／（m·K），H D PE的線膨脹系數(shù)取2.0×10-4m／（m·K），兩種材料約有20倍的差異，因此，當溫度變化時，塑料管和油管會出現(xiàn)不同的伸縮量。

根據(jù)式（4），計算1根8.5 m長的油管和塑料管溫度從20℃升高到40、60、80℃3種情況的伸長量。如果油管和塑料管兩端都受到約束而不允許其伸長，則溫度變化會在油管和塑料管內(nèi)產(chǎn)生壓應(yīng)力，計算結(jié)果如表2。

表2 溫度升高過程中油管和塑料管的伸長量

由表3可見，同樣溫度變化，鋼質(zhì)油管的伸長量遠小于塑料管。如果塑料內(nèi)襯油管是在20℃環(huán)境溫度下生產(chǎn)的，在20℃環(huán)境溫度存儲時，油管、塑料管皆處于自由狀態(tài)，軸向不受力。下入油井后，管柱在井筒內(nèi)升溫。假設(shè)地溫度梯度為3℃／100 m，恒溫層溫度為20℃，則井下2 000 m處的溫度為80℃，此處的油管由于溫度升高導(dǎo)致塑料管承受7.8 M Pa的壓應(yīng)力。

綜合受力和溫度變化2方面因素，在井筒內(nèi)的塑料管的應(yīng)力如圖2。

圖2 塑料管在井下不同深度的應(yīng)力

由圖2中20℃制造數(shù)據(jù)線可以看出，在井口附近，塑料管處于拉應(yīng)力狀態(tài)，井下170 m深度以下塑料管處于壓應(yīng)力狀態(tài)，到2 000 m深度時，塑料管的應(yīng)力達到-7.68 M Pa。

2.3 塑料管伸長現(xiàn)象的機理

油井作業(yè)上提油管到達井口時，塑料管仍有余溫，這時卸開絲扣后的塑料管會在壓應(yīng)力的作用下伸長。如果上提油管速度快，余溫高會增加伸長量。如果油管泄油不充分，油管中見液，油管降溫更慢，這種情況下出現(xiàn)伸長現(xiàn)象的情況會更加嚴重。

塑料管與油管內(nèi)壁之間的摩擦力會阻止塑料管伸長，實際伸長量小于理論計算值。同理，摩擦力也會阻止塑料管縮回去。

3 預(yù)應(yīng)力塑料內(nèi)襯油管

H D PE的分子是長鏈線形結(jié)構(gòu)或支鏈結(jié)構(gòu)，具有結(jié)晶性，結(jié)晶度為80%～90%，力學性能與其分子質(zhì)量、支化度和結(jié)晶度關(guān)系密切，結(jié)晶度大，其力學性質(zhì)就好，記憶性能好。

利用H D PE的記憶特性，在近似井筒溫度下加工生產(chǎn)塑料內(nèi)襯油管，在常溫時塑料管處于拉應(yīng)力狀態(tài)，下入井內(nèi)使用時避免或減輕塑料管處于壓應(yīng)力狀態(tài)，這種預(yù)應(yīng)力管能夠解決伸長問題。

改進的預(yù)應(yīng)力塑料內(nèi)襯油管加工制造工藝步驟：

1） 油管置于溫度80℃隧道爐里加溫1 h以上。

2） 把塑料管縮徑并插入加溫的油管。

3） 繼續(xù)置于溫度80℃隧道爐里加溫2 h以上。

4） 從隧道爐里取出，立即把塑料管雙向向外拖拽。

5） 盡快加熱兩頭塑料管達到塑料軟化溫度，手工或機器進行塑料管翻邊整形。

步驟1）給鋼質(zhì)油管加熱，便于步驟2）向油管內(nèi)插入塑料管，塑料管縮徑后插入油管，由其記憶特性恢復(fù)原來直徑，能夠使其在油管內(nèi)處于過盈狀態(tài)，使塑料管不易在油管內(nèi)軸向竄動，步驟3）的時間一定要充足，使塑料管均勻達到80℃，有足夠時間熱膨脹并釋放內(nèi)應(yīng)力，步驟4）是為了進一步釋放內(nèi)應(yīng)力，步驟5）一定要快，以免降溫太多達不到預(yù)期效果。

完成步驟5）后，置于常溫下儲存，塑料管處于拉應(yīng)力狀態(tài)。加工溫度選擇80℃是一個比較通用的折中溫度，可根據(jù)油管下入油井的溫度場分布情況做調(diào)整。在80℃情況下加工的塑料內(nèi)襯油管處于不同儲存環(huán)境溫度下的塑料管拉應(yīng)力如表3。

表3 塑料管在不同儲存環(huán)境溫度下的預(yù)應(yīng)力

由表3可以看出，儲存環(huán)境溫度越低，塑料管的拉應(yīng)力越大，在溫度-40℃時，拉應(yīng)力為15.7 M Pa，仍小于H D P E的拉伸強度，處于安全范圍，但過低的儲存溫度有可能使其產(chǎn)生永久變形，因此預(yù)應(yīng)力管儲存環(huán)境溫度不宜過低。

由圖2中80℃制造數(shù)據(jù)線可以看出，采用80℃生產(chǎn)的預(yù)應(yīng)力塑料內(nèi)襯油管，下入2 000 m油井后，整個井下塑料管都處于拉應(yīng)力狀態(tài)。油管取出后溫度降低，仍處于拉應(yīng)力狀態(tài)，這樣就解決塑料管伸長問題。

目前塑料內(nèi)襯油管的生產(chǎn)廠家較多，生產(chǎn)工藝不盡相同。勝利油田大部分油井使用預(yù)應(yīng)力管，未出現(xiàn)塑料管伸長問題。塑料管處于拉應(yīng)力狀態(tài)還有利于塑料管貼緊油管內(nèi)壁，減少了塑料管破損問題的發(fā)生。

4 結(jié)論

1） 塑料內(nèi)襯油管是復(fù)合材料油管，鋼材和塑料的性質(zhì)差異、地面和油井內(nèi)溫度差異是造成塑料管伸長的主要因素。

2） 利用H D P E塑料的記憶特性，采取預(yù)應(yīng)力技術(shù)加工塑料內(nèi)襯油管，使塑料管在地面和井下都處于拉應(yīng)力狀態(tài)，解決了塑料管伸長問題。

［1］ 杜現(xiàn)飛，李力行，梁玉凱，等.勝利油田斜井機械采油技術(shù)新進展［J］.石油礦場機械，2008，37（5）：68-72.

［2］ 石藝.華北油田應(yīng)用耐磨防腐內(nèi)襯油管技術(shù)顯成效［J］.石油鉆采工藝，2012，34（3）：72.

［3］ 王海文，趙雷，楊峰，等.H D P E內(nèi)襯油管防治抽油機井桿管偏磨研究［J］.石油礦場機械，2008，37（2）：74-77.

［4］ 付強，付路長，周宏斌，等.內(nèi)襯管偏磨治理工藝的研究與應(yīng)用［J］.石油礦場機械，2008，37（1）：84-87.

Cause of Plastic Pipe Elongation and Control M easures of its Plastic Lined Tubing

W A N G H ai-wen1，Y A N G Feng2，Z H A O H ui2，M I H ai-jie3
（1．China University of Petroleu m，Qingdao266580，China；2．Dongxin Oil Production Factory，Shengli Oilfield Com pany，SI N O P E C，Dongying257094，China；3．N o．2Institute of Geology and Mineral E xploration，Gansu Bureau of Geology and Mineral Resources，Lanzhou730020，China）

T he plastic pipe of the plastic lined tubing elongates at high tem perature，this pheno menon will lead to plastic pipe destroyed and even tubing scrapped.Plastic tubing stress analysis m odel was established under the external forces and tem perature variations.T he stress analysis m odelis used to analyze the plastic lined tubing，w hich is made under the 20℃and 80℃conditions.The plastic tubing made under the 20℃is in co m pressive stress by the high tem perature effectin the well，the elongation pheno menon occurs w hen itis taken out fro m the well.H owever，the plastic tubing made under the 80℃is in tensile stress in the well，elongation pheno menon does not occur w hen itis taken out fro m the well.T herefore，the steel and plastic nature difference and the tem perature difference between on the ground and in the well are the main factors of plastic pipe elongation.Using plastic mem ory characteristic and taking the prestressed technology to processing plastic lined tubing can solve the problem of plastic pipe elongation.

tubing；plastic pipe；elongation；preventive measure

T E931.207

B

10.3969／j.issn.1001-3482.2014.08.013

1001-3482（2014）08-0061-04

2014-02-17

王海文（1965-），男，山東臨沂人，教授，博士，2001年畢業(yè)于石油大學（華東），現(xiàn)從事石油工程專業(yè)的教學和科研工作，E-mail：w h w＠upc.edu.cn。