井下柔性復(fù)合管注水技術(shù)及應(yīng)用

王薇王俊濤魏向軍胡改星申曉莉

1.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室；2.中國石油長慶油田分公司油氣工藝研究院；3. 中國石油長慶油田分公司第三采油廠

井下柔性復(fù)合管注水技術(shù)及應(yīng)用

王薇1，2王俊濤1，2魏向軍3胡改星1，2申曉莉1，2

1.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室；2.中國石油長慶油田分公司油氣工藝研究院；3. 中國石油長慶油田分公司第三采油廠

目前長慶油田采出水腐蝕結(jié)垢嚴重，導(dǎo)致鋼制防腐油管使用壽命較短。通過力學(xué)計算及結(jié)構(gòu)材料優(yōu)選，研發(fā)了不同管徑的井下柔性復(fù)合管并進行了相關(guān)的管柱強度校核、有限元分析及室內(nèi)性能評價，形成了適用于采出水回注井的井下柔性復(fù)合管注水工藝管柱系列?，F(xiàn)場試驗32口井，試驗成功率100%，截至2016年5月試驗井的最長注水時間已達4年。開展了12井次的取樣性能檢測，表明井下柔性復(fù)合管具有良好的防腐性能，可有效提高注水管柱使用壽命，預(yù)計使用壽命達10年以上，是鋼制防腐油管使用壽命的2倍以上，同時該工藝可有效降低作業(yè)強度和生產(chǎn)成本，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

長慶油田；污水回注；柔性復(fù)合管；腐蝕結(jié)垢；注水管柱

長慶油田處于注水開發(fā)階段，環(huán)境保護要求油田采出水全部回注，而油田采出水中含油、成垢陰離子、SRB和TGB等，腐蝕結(jié)垢性強，鋼制防腐油管平均使用壽命3～5年［1-2］。隨著采出水井數(shù)的不斷增多，注水油管更換數(shù)量及頻次也在快速增長，增大了開發(fā)成本，制約了油田高效開發(fā)。為此，借鑒地面集輸上應(yīng)用成熟、防腐性能良好的柔性復(fù)合管線［3-5］，研發(fā)井下柔性復(fù)合管注水技術(shù)，提高注水管柱防腐性能、延長使用壽命。

1 井下柔性復(fù)合油管研制

Development of downhole flexible composite tubing

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

Structural design

根據(jù)注水管柱的功能及性能要求，提出了井下柔性復(fù)合管設(shè)計依據(jù)［6-7］。設(shè)計參數(shù)為：工作壓力16 MPa，工作溫度≤90 ℃，注水井注水量≤50 m3/d，洗井排水量≤30 m3/h，使用壽命≥10年。注水井套管內(nèi)徑一般為124.26 mm。

抗壓公式為

式中，p為柔性管的抗內(nèi)壓強度，MPa；N為柔性管總根數(shù)；K為單根纖維絲的抗拉強度，kg/根；D為平均直徑，cm；ε為斷裂伸長率；C為修正系數(shù)（1層C=0.9、2層C=0.8、3層C=0.75、4層C = 0.7）；n為不同壓力計算系數(shù)（當壓力＜12 MPa時，n=0.735；當壓力＞16 MPa時，n=1.103）。

抗拉伸力公式為

式中，T為柔性管抗拉強度，kN；σ為管柱軸向應(yīng)力，MPa；A為柔性管截面積，m2；ni為第i層纖維的數(shù)量，根。結(jié)合設(shè)計參數(shù)，最終設(shè)計出管徑為DN40和DN50的2種井下柔性復(fù)合管，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示，性能參數(shù)見表1。

圖1 新型井下柔性復(fù)合管結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of downhole flexible

表1 井下柔性復(fù)合管性能參數(shù)Table 1 Property parameters of downhole flexible composite pipe

1.2 各層材料的優(yōu)選

Material selection for each layer

該油管由內(nèi)層、增強抗壓層、抗拉層、外保護層等結(jié)構(gòu)組成，材料選擇主要考慮：滿足使用環(huán)境的要求、滿足操作及安裝條件的要求、滿足相關(guān)功能的要求、滿足服務(wù)壽命的要求、滿足管體內(nèi)部結(jié)構(gòu)兼容性的要求、具有較合適的經(jīng)濟性［8］。

1.2.1 內(nèi)層和外保護層材料的選擇 由于井下柔性復(fù)合管內(nèi)層、外保護層應(yīng)具有防腐蝕、防滲、耐磨、沿程摩阻小、抗蠕變、抗內(nèi)壓等性能，初選出內(nèi)層、外保護層高分子材料見表2。

表2 高分子材料應(yīng)用范圍與工作溫度Table 2 Application scope and working temperature of highpolymer materials

綜合考慮其應(yīng)用范圍及工作溫度，當工作溫度≤60 ℃，內(nèi)層、外保護層材料選用高密度聚乙烯；工作溫度≤90 ℃，選用交聯(lián)聚乙烯。2種材料性能相同，耐溫等級不同，其成本存在差異。

1.2.2 增強層和抗拉層材料的選擇 考慮增強層、抗拉層在柔性復(fù)合管中主要起到增強作用，提供抗拉性能及抗壓性能。增強纖維具有高強度、高模量以及優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和耐高溫性能。目前常用的增強纖維主要性能參數(shù)見表3。由于井下柔性管的工作壓力為16 MPa，考慮增強纖維的經(jīng)濟性，選用滌綸纖維作為增強材料。

表3 玻璃纖維、碳纖維、凱芙拉（Kevlar）纖維性能參數(shù)對比Table 3 Comparisons of property parameters between glass fiber, carbon fiber and Kevlar fiber

1.3 室內(nèi)性能評價

Indoors property evaluation

1.3.1 有限元分析 通過ANSYS軟件對井下柔性復(fù)合管進行有限元模擬，計算管道抗拉伸、抗內(nèi)壓等性能。將井下柔性復(fù)合管底部全部約束，在2個對稱面施加對稱邊界條件，頂端施加拉伸力。將1 MPa載荷均勻施加在復(fù)合管自由端面的節(jié)點上，應(yīng)力初步分析結(jié)果如圖2所示。從圖中可以看出，柔性復(fù)合油管的軸向壓力主要分布在抗拉層和增強抗壓層。

圖2 復(fù)合管應(yīng)力分布Fig. 2 Distribution of stress in composite pipe

此外還利用ANSYS軟件模擬了90 kN、60 kN和30 kN拉力下井下柔性復(fù)合管管體的應(yīng)力和位移。模擬結(jié)果表明，拉力90 kN時井下柔性復(fù)合管管體最大位移為67 mm，最大應(yīng)力為123 MPa；拉力為60 kN時井下柔性復(fù)合管管體最大位移為51 mm，最大應(yīng)力為94 MPa；拉力為30 kN時井下柔性復(fù)合管管體最大位移為21 mm，最大應(yīng)力為39 MPa，均出現(xiàn)在抗拉層。同時，當應(yīng)變達到2.6%時，拉力可達到100 kN，此時抗拉剛度為3.8×106N，滿足井下柔性復(fù)合管注水要求承受載荷。

1.3.2 室內(nèi)實驗 選取DN40和DN50均長為1 m的井下柔性復(fù)合管，分別進行靜水壓強度、爆破強度、抗拉伸、防腐蝕等性能室內(nèi)評價實驗［9-11］。測試結(jié)果見表4，各項性能指標均能滿足柔性復(fù)合管作為井下注水管柱的設(shè)計要求。

表4 井下柔性復(fù)合管室內(nèi)性能評價結(jié)果Table 4 Indoors property evaluation results of downhole flexible composite pipe

2 井下柔性復(fù)合油管注水工藝

Water injection process of downhole flexible composite tubing

2.1 工藝原理

Technical principle

在注水井井筒內(nèi)，采用井下柔性復(fù)合油管作為內(nèi)管，并配套相關(guān)井下附件，連續(xù)下入目的層進行籠統(tǒng)注水。當管柱下至預(yù)定位置，將井下柔性復(fù)合管通過轉(zhuǎn)換接頭連接提升短節(jié)和注水井口。由于井下柔性復(fù)合管具有連接接頭少、管柱連接方便的特點，可大幅降低人員勞動強度，提高起下作業(yè)效率。

為便于井下柔性復(fù)合管與井口、配重管及其他井下附件的相互連接，配套了連接接頭，一端采用油管螺紋連接注水井口和井下附件，另一端采用扣壓式連接井下柔性復(fù)合管。具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 連接接頭結(jié)構(gòu)及組成部分Fig. 3 Structure and components of connection joint

2.2 管柱結(jié)構(gòu)

String structure

根據(jù)不同的注水工程需求以及功能要求，形成了不同井下柔性復(fù)合管注水工藝管柱系列，如圖4所示。

管柱1：提升短節(jié)+井下柔性復(fù)合管+不銹鋼配重管+斜尖。由于前期研制的井下柔性復(fù)合管自身密度較小，與采出水密度接近，下井時需進行配重才能下入。

管柱2：提升短節(jié)+井下柔性復(fù)合管+斜尖。用于規(guī)?，F(xiàn)場推廣。

管柱3：提升短節(jié)+井下柔性復(fù)合管+鋼制防腐油管+斜尖。用于后期與鋼制油管進行性能對比。

管柱4：提升短節(jié)+套保封隔器+井下柔性復(fù)合管+斜尖。用于射孔段以上套管不能帶壓作業(yè)的注水井，保護套管，避免套管帶壓生產(chǎn)。

圖4 井下柔性復(fù)合管注水工藝管柱Fig. 4 Water injection process of downhole flexible composite pipe

3 現(xiàn)場試驗

Field test

2011年以來，在長慶油田采出水回注井開展現(xiàn)場試驗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月試驗井的最長注水時間4年，目前仍正常注水，預(yù)期使用壽命在10年以上。同時，2 000 m井深柔性復(fù)合管的作業(yè)時間較鋼制油管縮短2 h，作業(yè)效率提高30%。

開展了4口同井不同材質(zhì)油管防腐性能試驗，通過定期截取不同材質(zhì)樣管進行性能檢測，表明在相同水質(zhì)條件下，井下柔性復(fù)合管防腐性能最好，CQFF03次之，普通涂料油管防腐性能最差，如圖5所示。同時，同批次入井的鋼制防腐油管因腐蝕穿孔已更換2次，而井下柔性復(fù)合管仍完好。

圖5 3種管柱使用半年后取樣外觀圖及內(nèi)壁掃描電鏡圖Fig. 5 Appearance and internal wall SEM of samples taken from three strings after half a year’s service

開展了7口試驗井8井次取樣性能檢測。結(jié)果表明，超過2 000 m井深時，井下柔性復(fù)合管受臨界溫度影響性能急劇下降（見表5）；在2000 m以內(nèi)的采出水回注井上使用性能穩(wěn)定（見表6）。

表5 江73-55柔性復(fù)合管取樣自檢結(jié)果對比Table 5 Self-check result comparisons of samples taken from Jiang 73-55 flexible composite pipe

表6 在用柔性復(fù)合管取樣送檢結(jié)果對比Table 6 Test result comparisons of samples taken from in-service downhole flexible composite pipes

4 結(jié)論

Conclusions

（1）井下柔性復(fù)合管具有良好的防腐性能，可有效提高注水管柱使用壽命，與鋼制防腐油管相比，能有效延長管柱使用壽命2倍以上。

（2）礦場試驗表明，井下柔性復(fù)合管可以滿足2000 m以內(nèi)的采出水回注井注水要求，具有較好的應(yīng)用前景。

（3）井下柔性復(fù)合管注水技術(shù)可有效降低作業(yè)強度和生產(chǎn)成本，隨著采出水井的不斷增加，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

References:

［1］ 申曉莉，胡美艷，于九政，羅必林，畢福偉. 柔性復(fù)合油管注水管柱的設(shè)計與試驗［J］. 石油鉆采工藝，2013，35（4）：111-113. SHEN Xiaoli, HU Meiyan, YU Jiuzheng, LUO Bilin, BI Fuwei. Designing and experiment of flexible composite water injection string ［J］. Oil Driling & Productin Technology, 2013, 35（4）: 111-113.

［2］ 王艷紅，付路長，王旱祥. 注水管柱可靠性分析與壽命評估［J］. 石油礦場機械，2008，37（6）： 75-77. WANG Yanhong, FU Luchang, WANG Hanxiang. The reliability analysis and life evaluation on water injection casing ［J］. Oil Field Equipment, 2008, 37（6）: 75-77.

［3］ 郭強，孫陽洋. 非金屬管在油田的應(yīng)用及探討［J］. 天然氣與石油，2012，30（6）：19-21. GUO Qiang, Sun Yangyang. Application of nonmetallic pipes in oil fields ［J］. Natural Gas and Oil, 2012, 30（6）: 19-21.

［4］ 羅貞禮. 柔性復(fù)合管在油氣田中的開發(fā)應(yīng)用探討［J］.新材料產(chǎn)業(yè)，2011，13（6）：55-57. LUO Zhenli. Application of flexible composite pipe in the development of oil and gas fields ［J］. Advanced Materials Industry, 2011, 13（6）: 55-57.

［5］ 趙小兵. 非金屬管材在油田集輸系統(tǒng)的應(yīng)用探討［J］.油氣田地面工程，2010，29（8）：55-56. ZHAO Xiaobing. Nonmetallic tubing explore the application of oil gathering system ［J］. Oil-Gasfield Surface Engineering, 2010, 29（8）: 55-56.

［6］ 孫愛軍，徐英娜，李洪冽. 注水管柱受力分析及理論計算［J］. 鉆采工藝，2003，26（3）：55-57. SUN Aijun, XU Yingna, LI Honglie. Calculation of water injection string［J］. Drilling & Production Technology, 2003, 26（3）: 55-57.

［7］ 于洋洋，張公社，段淵. 高壓注水管柱變形及強度校核研究［J］. 斷塊油氣田，2007，14（3）：75-76. YU Yangyang, ZHANG Gongshe, DUAN Yuan. Research on pipe string distortion and hardness check in water injection well with high pressure ［J］. Fault-Block Oil & Gas Field, 2007, 14（3）: 75-76.

［8］ 陳立人. 國外連續(xù)管材料技術(shù)及其新進展［J］. 石油機械，2006，14（3）：127-130. CHEN Liren. Advances in technology and new materials abroad continuous tube［J］. China Petroleum Machinery, 2006, 14（3）: 127-130.

［9］ 胡美艷，申曉莉，于九政，畢福偉. 注水井用非金屬復(fù)合材料油管試驗檢測與評價［J］. 石油礦場機械，2014，43（1）：49-52. HU Meiyan, SHEN Xiaoli, YU Jiuzheng, BI Fuwei . Testing and experiment of nonmetal compound material tubing for injection well ［J］. Oil Field Equipment, 2014, 43（1）: 49-52.

［10］ 流體輸送用熱塑性塑料管材耐內(nèi)壓試驗方法：GB/T 6111—2003 ［S］. Thermoplastics pipes for the conveyance of fluidsresistance to internalpressure-test method: GB/T 6111—2003［S］.

［11］ 塑料 耐液體化學(xué)試劑性能的測定：GB/T 11547—2008［S］. Plastic-methods of test for the determination of the effects of immersion in liquid chemicals: GB/T 11547—2008 ［S］.

（修改稿收到日期 2016-11-18）

〔編輯 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，王俊濤，魏向軍，胡改星，申曉莉.井下柔性復(fù)合管注水技術(shù)及應(yīng)用［J］ .石油鉆采工藝，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.

中國石油低碳關(guān)鍵技術(shù)研究“低滲透油氣田節(jié)能節(jié)水關(guān)鍵技術(shù)研究”（編號：2011E-2402）資助。

王薇（1986-）， 2008年畢業(yè)于西安石油大學(xué)石油工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事油田注水方面的研究工作，工程師。通訊地址：（710018）陜西省西安市未央?yún)^(qū)長慶油田新技術(shù)開發(fā)中心。電話：029-86590813。E-mail：wangwei4_cq@petrochina.com.cn