油田用舊油管修復(fù)技術(shù)現(xiàn)狀及標(biāo)準(zhǔn)化建議

張朋舉，殷志杰，鐘陳，張仙文，王壯壯，陶文

油田用舊油管修復(fù)技術(shù)現(xiàn)狀及標(biāo)準(zhǔn)化建議

張朋舉1，殷志杰1，鐘陳1，張仙文1，王壯壯1，陶文2

（1.中國石油吐哈油田分公司機(jī)械廠，新疆鄯善838202；2.中國石油吐哈油田分公司鄯善采油廠，新疆鄯善838202）

分析了油管的失效形式，即結(jié)蠟、結(jié)垢、偏磨、螺紋黏結(jié)、腐蝕，以及失效原因；歸納總結(jié)了舊油管修復(fù)技術(shù)的3個(gè)階段，即分選+清洗+檢測(cè)階段、二次螺紋加工階段和再制造技術(shù)階段。建議在整合油田現(xiàn)有油管修復(fù)方法的基礎(chǔ)上，制定相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)舊油管的修復(fù)技術(shù)、生產(chǎn)過程、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)化引導(dǎo)。

舊油管；失效原因；修復(fù)技術(shù)；標(biāo)準(zhǔn)；技術(shù)

近幾年，國際油價(jià)持續(xù)在低位徘徊，國內(nèi)多數(shù)油氣田企業(yè)面臨較大經(jīng)營壓力。為了進(jìn)一步提升企業(yè)在低油價(jià)時(shí)代的競爭力，降低油井開采成本，實(shí)現(xiàn)低成本發(fā)展戰(zhàn)略，成為國內(nèi)各大油氣田企業(yè)的選擇。在油井的開采過程中，油井管是油氣勘探開發(fā)中不可缺少的鋼材，約占其鋼材消耗總量的40%［1］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，油田勘探與開發(fā)井每鉆進(jìn)1 m，約需油井管62 kg，其中套管48 kg、油管10 kg、鉆桿3 kg、鉆鋌0.5 kg［2-3］。在油井管中，一次性應(yīng)用的產(chǎn)品為套管，油管、鉆桿和鉆鋌可以反復(fù)使用，在這三大可以反復(fù)使用的油井管產(chǎn)品中，油管所占的比例最大。油管作為油氣生產(chǎn)的主要通道，除了承受原油中各種腐蝕介質(zhì)的侵蝕之外，還要在油井中承受各種外力破壞。一般情況下，在經(jīng)歷一段時(shí)間的生產(chǎn)后，油管的通道容易結(jié)蠟、結(jié)垢，造成主通道的阻塞，桿管偏磨造成油管漏失，影響油井的正常生產(chǎn)；油管在正常生產(chǎn)時(shí)，受到蠕動(dòng)和腐蝕性介質(zhì)的侵蝕，螺紋連接處也容易發(fā)生失效。據(jù)相關(guān)資料顯示，油管端部螺紋處承載最大，油管失效部位99%發(fā)生在此處［4］。對(duì)這些發(fā)生一定程度失效的油管進(jìn)行必要的修復(fù)，可以延長油管使用壽命，降低開采成本。

1 油管失效類型

目前，國內(nèi)使用的油井管大多數(shù)是以API標(biāo)準(zhǔn)為主，還有部分非API油管在油田現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，非API油管主要是非API鋼級(jí)系列、非API規(guī)格系列和非API螺紋系列。當(dāng)前，非API油井管占油井管總量的35%［5］，API標(biāo)準(zhǔn)的油管在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用依然占大多數(shù)。因此，分析和研究API標(biāo)準(zhǔn)油管在油氣田應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的問題，用盡可能的方法延長其使用壽命，可以節(jié)約油井開采成本。

1.1 結(jié)蠟、結(jié)垢

井底的原油由多種組分構(gòu)成，各種烴類的物理性質(zhì)有一定的差異，在人工舉升的過程中，容易形成多相流的形態(tài)。隨著溫度、壓力的變化，氣體的析出，溶解在原油中的石蠟便以結(jié)晶體的形式析出，伴隨結(jié)晶石蠟的還有井底的泥砂、其他修井作業(yè)的介質(zhì)，形成固體結(jié)合物析出在抽油桿的外表面和油管的內(nèi)表面，對(duì)原油舉升通道造成一定的阻塞，生產(chǎn)時(shí)間越長，油管內(nèi)外壁結(jié)蠟、結(jié)垢就更加嚴(yán)重，從而導(dǎo)致油管的過流面積變小，油套環(huán)空過流面積變小，井筒清潔程度降低。油管壁結(jié)蠟、結(jié)垢示意如圖1所示。抽油機(jī)載荷增加，油井檢泵周期變短。用于油田清蠟的工藝技術(shù)眾多，常用的有機(jī)械清蠟、熱洗清防蠟、表面能防蠟、化學(xué)清防蠟、超聲波清防蠟、磁清防蠟和微生物清防蠟技術(shù)等［6］。這些工藝技術(shù)的應(yīng)用都存在一定的局限性，因此結(jié)蠟、結(jié)垢一直是油管功能降低的主要原因之一。

圖1 油管壁結(jié)蠟、結(jié)垢示意

1.2 偏磨

隨著國內(nèi)大多數(shù)油田都進(jìn)入中后期開發(fā)階段，機(jī)械采油井在人工舉升方式中占據(jù)著主導(dǎo)地位。據(jù)相關(guān)資料顯示，有桿采油井占機(jī)械采油井總數(shù)的90%以上，目前有桿采油在采油中仍占主導(dǎo)地位［7］。在機(jī)械采油井的正常生產(chǎn)過程中，抽油桿與油管之間由于井斜和桿柱本身的受力狀態(tài)會(huì)產(chǎn)生一定的相對(duì)磨損，從而造成油管壁減薄，承載能力下降，達(dá)到一定程度會(huì)發(fā)生漏失，導(dǎo)致油井無法正常生產(chǎn)。油管內(nèi)壁磨損如圖2所示，嚴(yán)重磨損產(chǎn)生的犁溝如圖3所示。造成油管偏磨的原因有：自然井斜引起偏磨、地層蠕動(dòng)造成的井斜引起偏磨、“狗腿”變向引起偏磨［8-10］、套管變形引起偏磨、抽油桿“失穩(wěn)”引起偏磨［8-11］。這些偏磨現(xiàn)象容易加劇油管螺紋連接處、管體的內(nèi)外壁機(jī)械損傷，形成井筒漏失、油管通道與套管通道非工藝型連通，為油氣的正常舉升造成困難。

圖2 油管內(nèi)壁磨損

圖3 嚴(yán)重磨損產(chǎn)生的犁溝

1.3 螺紋黏結(jié)

油管螺紋黏結(jié)是油管在使用過程中經(jīng)常發(fā)生的問題。基本的螺紋黏結(jié)原因有兩個(gè)方面：一個(gè)方面是螺紋在加工的過程中由于螺紋加工參數(shù)控制不當(dāng)，加工完成后表面處理沒有達(dá)到理想的狀態(tài)，從而導(dǎo)致螺紋在配合的過程中，螺紋配合面之間出現(xiàn)黏著磨損、冷焊等現(xiàn)象，螺紋黏結(jié)的內(nèi)、外螺紋端如圖4所示；另一個(gè)方面是在現(xiàn)場(chǎng)使用的過程中，螺紋密封脂使用不當(dāng)或者螺紋表面沒有清理干凈，有砂礫、金屬顆粒等，造成螺紋黏結(jié)。在油管的反復(fù)使用過程中，螺紋擰緊與卸載有一定的次數(shù)要求，GB/T 21267—2007《套管及油管螺紋連接試驗(yàn)程序》標(biāo)準(zhǔn)7.2.3節(jié)規(guī)定，油管應(yīng)進(jìn)行9次螺紋擰緊與卸載試驗(yàn)，測(cè)試其抗螺紋黏結(jié)性能。然而，隨著油管使用次數(shù)的增加，油管接頭螺紋的抗螺紋黏結(jié)性能會(huì)呈下降趨勢(shì)。所以螺紋黏結(jié)也一直是油管失效的重要原因之一。

圖4 螺紋黏結(jié)的螺紋端

1.4 腐蝕

隨著油氣開采井生產(chǎn)時(shí)間的推移，采出介質(zhì)中含水程度會(huì)進(jìn)一步增加，導(dǎo)致油管管柱腐蝕加重。在正常生產(chǎn)過程中，采出介質(zhì)一般為多相流狀態(tài)，伴隨著一定含量的各種腐蝕性介質(zhì)（如Cl-、CO2、H2S等），并且平常的油井工藝中（如酸化、壓裂等）也會(huì)使用各種具有一定腐蝕性質(zhì)的介質(zhì)。這些腐蝕性的介質(zhì)容易造成油管管材的腐蝕，形成全面腐蝕和局部腐蝕，使得油管壁厚減薄、穿孔，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成井筒事故，導(dǎo)致無法正常生產(chǎn)。點(diǎn)腐蝕造成的穿孔如圖5所示，大面積腐蝕形成的凹坑如圖6所示。

圖5 點(diǎn)腐蝕造成的穿孔

圖6 大面積腐蝕形成的凹坑

2 現(xiàn)有的舊油管修復(fù)技術(shù)

目前油田現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的油管，根據(jù)使用過后的損壞程度的不同，其修復(fù)技術(shù)有3個(gè)階段：第一個(gè)階段為簡單清潔和檢測(cè)階段，第二個(gè)階段為二次螺紋加工和更換接箍階段，第三個(gè)階段為對(duì)損壞的油管實(shí)現(xiàn)再制造階段。

2.1 分選+清洗+檢測(cè)

（1）分選。舊油管從井筒中起出來后，油管柱是由若干根油管組成的，因此發(fā)生損壞的程度都會(huì)有各種差異，需要對(duì)損壞一致的舊油管進(jìn)行分類。據(jù)相關(guān)資料顯示，有的油氣田企業(yè)為了提高分選效率設(shè)計(jì)了相關(guān)的分選裝置，廢舊油管分選裝置如圖7所示［12］。舊油管的分選基本上都是采用人工和機(jī)械工裝的方式進(jìn)行，以實(shí)現(xiàn)對(duì)舊油管歸類的目的。

圖7 廢舊油管分選裝置示意

（2）清洗。油管的清洗過程是將油管在正常生產(chǎn)過程中內(nèi)外壁的結(jié)蠟、結(jié)垢、鐵屑、油砂堆積進(jìn)行分離的過程。近年來，主要采用加熱清洗、化學(xué)清洗、物理清洗等清洗工藝和方法用于舊油管的清洗［13］。加熱清洗是利用蠟和油污在相變溫度附近加熱，會(huì)導(dǎo)致其流動(dòng)發(fā)生變化，黏結(jié)力下降，這種清洗方法對(duì)在高凝油、稠油井中應(yīng)用的油管效果明顯一些，但是對(duì)于結(jié)垢、結(jié)銹的油管效果不是非常明顯。化學(xué)清洗是利用化學(xué)藥劑與結(jié)垢物、銹蝕的氧化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)以達(dá)到清洗的目的，例如采用一定比例的鹽酸，對(duì)油管進(jìn)行浸泡，可以達(dá)到除垢和除銹的目的。但是化學(xué)清洗的環(huán)境成本較高，廢液處理的難度較大。物理清洗也是一種方式，有用高壓水射流的方式，利用70 MPa的壓力將水壓至旋轉(zhuǎn)射流的接頭處，使水在外力作用下進(jìn)入舊油管內(nèi)腔并移動(dòng)，以達(dá)到清洗油管內(nèi)壁的目的；有的將高壓水射流方式與特殊的鉆頭結(jié)合起來，在油管內(nèi)部依靠刮削和水沖洗清洗油管內(nèi)腔。根據(jù)舊油管的結(jié)垢情況，選擇對(duì)應(yīng)的方法，都能實(shí)現(xiàn)舊油管的清潔。

（3）檢測(cè)。管體按照API Spec 5CT—2011《套管和油管規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)中NDE無損檢測(cè)進(jìn)行檢測(cè)，首先保證管體的完好，其次是螺紋參數(shù)的檢測(cè)，嚴(yán)格按照API Spec 11B—2010《抽油桿規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)螺紋參數(shù)和檢測(cè)方法的要求進(jìn)行檢測(cè)，內(nèi)外螺紋均達(dá)到要求后，按照API Spec 5CT—2011標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行靜水壓試驗(yàn)，認(rèn)為合格后方可流轉(zhuǎn)進(jìn)入成品管理。

2.2 二次螺紋加工

按照API Spec 5CT—2011標(biāo)準(zhǔn)，油管長度可以選擇范圍1為6.10～7.32 m（最大可為8.53 m），范圍2為8.53～9.75 m（最大可為10.36 m），范圍3為11.58～12.80 m（最大可為13.72 m）；所以在長度范圍之內(nèi)，只要保證油管管體完整性良好，可以對(duì)損壞的螺紋端鋸切之后進(jìn)行二次加工，若接箍損壞，可以更換新接箍。此外，相關(guān)資料顯示［12，14］，應(yīng)用摩擦焊接技術(shù)可以解決獨(dú)立加工的螺紋接頭與油管管體的焊接，也成為了另外一種螺紋加工方法，最后按照新油管的加工方法完成后續(xù)的加工檢測(cè)即可。

2.3 再制造技術(shù)

目前，國內(nèi)有部分制造商應(yīng)用自蔓延高溫合成法對(duì)廢舊油管進(jìn)行再制造。自蔓延高溫合成法是近30年來發(fā)展起來制備材料的新技術(shù)，其特點(diǎn)是利用反應(yīng)物內(nèi)部的化學(xué)能來合成材料［15］。在舊油管內(nèi)腔中將Al粉和Fe2O3粉按照一定的比例進(jìn)行混合，在高速旋轉(zhuǎn)的離心機(jī)的作用下，形成鋁熱劑，在管端點(diǎn)燃，式（1）中的反應(yīng)就被引發(fā)了，開始自蔓延至另外一端的管端。

由于這個(gè)反應(yīng)的過程中釋放出大量的熱能，燃燒的最高溫度可以達(dá)到3 428℃，高于生成物Al2O3和Fe的熔點(diǎn)使生成物瞬時(shí)熔化［16］。在高速離心力的作用下，熔融態(tài)的Fe和Al2O3被分離，在冷卻過程中，密度比較大的鐵與油管內(nèi)壁凝固結(jié)合，密度較小的Al2O3在油管的內(nèi)表面形成致密的陶瓷層，自蔓延高溫合成法修復(fù)舊油管工藝過程如圖8所示，這種方法不但修復(fù)了廢舊油管并且提高了油管的防腐、防結(jié)垢性能。

圖8 自蔓延高溫合成法修復(fù)舊油管工藝過程示意

3 討論

通過對(duì)油田在用油管的失效形式進(jìn)行分析，結(jié)蠟、結(jié)垢、偏磨、螺紋黏結(jié)、腐蝕是油管失效的常見形式，油管在正常的使用過程中，存在一定比例的廢舊率。為了延長油管的使用壽命，根據(jù)對(duì)油田現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)查，現(xiàn)有的對(duì)廢舊油管的處理步驟是：首先要對(duì)廢舊油管進(jìn)行歸類管理，將失效類型一致的油管進(jìn)行統(tǒng)一收集；其次采用各種清洗技術(shù)，對(duì)油管進(jìn)行清潔處理，為進(jìn)一步檢測(cè)做好準(zhǔn)備；最后應(yīng)用不同的修復(fù)方式進(jìn)行檢測(cè)修復(fù)。從目前對(duì)在油田上應(yīng)用修復(fù)技術(shù)的分析，尚未形成系統(tǒng)化的修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)，廢舊油管的修復(fù)沒有相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)作為支撐。應(yīng)該形成廢舊油管初選的條件、針對(duì)性的修復(fù)工藝和相應(yīng)的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。例如：判廢標(biāo)準(zhǔn)的建立，在什么情況下油管失去了修復(fù)的可能，是特別嚴(yán)重的變形，還是特別嚴(yán)重的腐蝕；此外，也有相關(guān)材料顯示可以針對(duì)修復(fù)油管進(jìn)行降級(jí)使用，使其成為地面集輸管線［17］。每年國內(nèi)各大油田都有大量的廢舊油管，廢舊油管的再次應(yīng)用可以節(jié)約成本。以西部某油田為例：該油田每年的產(chǎn)量為210萬t，每年新油管的用量為2萬t；現(xiàn)在采用“分選+清洗+檢測(cè)”和“二次螺紋加工”兩種修復(fù)技術(shù)，每年修復(fù)舊油管30 000根，修復(fù)舊油管的總費(fèi)用為540萬元；如果全部更換30 000根新油管需要資金1 311萬，應(yīng)用修復(fù)油管之后每年可以節(jié)約771萬。如果形成統(tǒng)一的舊油管修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)，并在國內(nèi)各大油田進(jìn)行推廣，將會(huì)節(jié)約大量資金，降低大量新油管的應(yīng)用，降低碳排放，進(jìn)一步緩解環(huán)境污染。

4 結(jié)論

（1）分析了油田現(xiàn)有油管在使用過程中容易出現(xiàn)的幾種失效形式，并在此基礎(chǔ)上分析了各種修復(fù)技術(shù)的相關(guān)原理，歸納總結(jié)了舊油管修復(fù)技術(shù)的3個(gè)階段。

（2）建議從現(xiàn)有油管失效形式、修復(fù)技術(shù)、檢驗(yàn)方法、降級(jí)使用條件、報(bào)廢條件為出發(fā)點(diǎn)，整合油田現(xiàn)有油管修復(fù)方法，并形成行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為油管的充分應(yīng)用提供可靠的技術(shù)保障，進(jìn)一步節(jié)約油田開發(fā)成本。

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●簡訊

天津鋼管集團(tuán)股份有限公司首次向古巴國家石油公司供貨［發(fā)布日期：2016-08-22］日前，天津鋼管集團(tuán)有限公司（簡稱天津鋼管）首次供古巴國家石油公司的套管順利完成交貨。該次供應(yīng)的套管包括技術(shù)套管和表層套管，其中半數(shù)以上套管是天津鋼管開發(fā)的有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的抗硫品種。（摘自：天津鋼管集團(tuán)股份有限公司網(wǎng)站）

邯鄲新興特種管材有限公司獲取大規(guī)模油套管產(chǎn)品訂單［發(fā)布日期：2016-09-19］2016年9月12日，邯鄲新興特種管材有限公司與勝利油田孚瑞特石油鋼管有限公司簽訂6 650 t石油套管訂單，規(guī)格為Φ177.8 mm×10.36 mm。

（摘自：新興鑄管股份有限公司網(wǎng)站）

Present Situation of Repairing Technology of Used Oil Field Tubings and Suggestions for Standardization

ZHANG Pengju1，YIN Zhijie1，ZHONG Chen1，ZHANG Xianwen1，WANG Zhuangzhuang1，TAO Wen2

（1.Machinery Plant，CNPC Tuha Oil Field Company，Shanshan 838202，China；2.Shanshan Oil Production Plant，CNPC Tuha Oilfield Company，Shanshan 838202，China）

Analyzed in the paper are various types of and causes for the failures of oil tubings，such as paraffin precipitation，scaling，eccentric wear，galling and corrosion.The repairing technology for used oil tubings is summerized as 3 stages，i.e.the sorting+cleaning+detecting stage，the re-threading stage，and the re-producing stage.It is recommanded to establish a relevant industry standard by integrating the current repairing methods for used oil tubings，so as to provide a standardized guidance to the repairing of used oil tubings，the manufacturing process，and the field application.

used tubing；failure cause；repairing technology；standard；technology

TG335.7；TE931+.2

B

1001-2311（2016）05-0072-05

2016-03-14）

張朋舉（1983-），男，碩士，工程師，從事空心抽油桿的制造與應(yīng)用方面的研究工作。