聚酰胺內(nèi)襯非金屬復合連續(xù)管機械及防腐性能研究

侯澤寧，張海龍，邢希金，張磊，李準，齊致遠

中海油研究總院有限責任公司（北京 100028）

0 引言

非金屬復合連續(xù)管是在連續(xù)油管的基礎(chǔ)上演變而來的，油田使用的連續(xù)油管一般外徑小于50.8 mm（2"），主要用于修井作業(yè)中的打撈、沖砂，生產(chǎn)時的氣舉排液、誘噴，以及連續(xù)油管酸化或者氮氣泡沫調(diào)剖等后期調(diào)整作業(yè)[1]。非金屬復合連續(xù)管相較于傳統(tǒng)連續(xù)油管有著更為廣泛的用途，可以替代傳統(tǒng)油管，其有著智能（內(nèi)嵌電纜或光纖，可實現(xiàn)井下數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)油井智能化），便捷（不需修井機即可完成修井作業(yè)，適用于邊際油田、無人平臺），高效（內(nèi)嵌電纜，無需逐根連接油管，降低電纜損壞風險，提高作業(yè)效率），防垢、防蠟等諸多優(yōu)點[2]。目前第一代產(chǎn)品已在長慶油田、大慶油田和華北油田等陸上油田現(xiàn)場應用[3]，而海上油田比陸地油田更為苛刻，對其有更高的性能要求。

目前國內(nèi)外對復合連續(xù)管已開展了一些相關(guān)研究，主要為技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和增強結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬研究，未涉及復合連續(xù)管的機械及防腐性能的研究：于京閣等[4]從結(jié)構(gòu)設(shè)計和強度計算兩方面對復合材料連續(xù)管設(shè)計技術(shù)進行了研究；張辛[5]、丁楠等[6]和Kevin Cox 等[7]均通過數(shù)值模擬對非金屬復合連續(xù)管的增強層進行了力學特性研究；吉效科等[8]針對非金屬復合連續(xù)管生產(chǎn)系統(tǒng)進行了研究和現(xiàn)場試驗，指出該系統(tǒng)可實現(xiàn)遠程監(jiān)控和自動調(diào)參，并可有效延長結(jié)蠟和結(jié)垢周期；談建平等[9]設(shè)計了一套配合非金屬連續(xù)管使用的沖砂工具，實現(xiàn)了高速可調(diào)旋轉(zhuǎn)、水力拉拽、脈沖射流功能；吳金鑫等[10]對非金屬復合管開展了渦激振動數(shù)值模擬分析；王力等[11]對復合連續(xù)管的力學性能研究現(xiàn)狀與發(fā)展進行了綜述和分析。

因此，本文針對聚酰胺內(nèi)襯的非金屬復合連續(xù)管機械性能及防腐性能開展了一系列試驗研究，驗證其性能是否滿足海上作業(yè)要求，以及在不同腐蝕環(huán)境下的適應能力。

1 非金屬復合連續(xù)管結(jié)構(gòu)

非金屬復合連續(xù)管由三層結(jié)構(gòu)構(gòu)成：智能內(nèi)襯層、纖維增強層以及外保護層[12]（圖1）。

圖1 非金屬復合連續(xù)管結(jié)構(gòu)示意圖

智能內(nèi)襯層為管體提供電源動力和信號傳輸功能，同時起防滲漏、防腐蝕、抗結(jié)垢結(jié)蠟的作用，是輸送油氣的屏蔽層。

纖維增強層為非金屬連續(xù)管提供主要的力學性能，材料的選擇需要兼顧強度和柔韌性，同時也要保證較高的耐疲勞性。增強層的纖維主要有兩種：芳綸纖維和玻璃纖維，選用的纖維均經(jīng)過熱塑性樹脂的完全浸潤。

外保護層的材料選用和內(nèi)襯層材料一致，保護管材，起到防腐蝕、防磨損等作用。

2 非金屬復合連續(xù)管機械性能評價

2.1 試驗對象

機械性能評價試驗主要針對非金屬復合連續(xù)管整體進行試驗，管體樣件外徑98.85 mm，內(nèi)徑50.55 mm，公稱壓力為20 MPa，內(nèi)襯層和外保護層為聚酰胺（又稱尼龍），增強層為玻璃纖維和芳綸纖維（圖2）。

圖2 機械性能試驗樣件

2.2 試驗標準

非金屬復合連續(xù)管機械性能評價試驗按照標準SY/T 6662.6—2014《石油天然氣工業(yè)用非金屬復合管第6部分：井下用柔性復合連續(xù)管及接頭》[13]開展，其中抗拉試驗依據(jù)GB/T 5349—2005《纖維增強熱固性塑料管軸向拉伸性能試驗方法》[14]開展；抗內(nèi)壓試驗依據(jù)GB/T 15560—1995《流體輸送用塑料管材液壓瞬時爆破和耐壓試驗方法》[15]開展；抗外擠試驗依據(jù)SY/T 6662.6—2014 開展；循環(huán)內(nèi)壓疲勞試驗依據(jù)ASTM D 2143—2015《增強熱固塑料管耐周期性壓力強度的標準試驗方法》[16]開展；最小彎曲半徑試驗依據(jù)SY/T 6662.6—2014、SY/T 6794—2018《可盤繞式增強塑料管線管》[17]和GB/T 6111—2018《流體輸送用熱塑性塑料管道系統(tǒng)耐內(nèi)壓性能的測定》[18]開展；扭轉(zhuǎn)試驗依據(jù)GB/T 21267—2017《石油天然氣工業(yè)套管及油管螺紋連接試驗程序》[19]開展?？紤]到海上油田一般儲層溫度環(huán)境條件，試驗溫度設(shè)定為80 ℃。

2.3 試驗結(jié)果

經(jīng)試驗，非金屬復合連續(xù)管最大拉伸載荷為740 kN，爆破壓力為64.7 MPa，抗外擠壓力為26.2 MPa，最小彎曲半徑為1 m，最大扭矩為7 564 N·m，可滿足海上常規(guī)作業(yè)要求（表1）。

表1 非金屬復合管機械性能試驗結(jié)果

3 非金屬復合連續(xù)管防腐性能評價

高分子材料的腐蝕與金屬腐蝕有本質(zhì)的區(qū)別。金屬是導體，在常溫下的水溶液中，腐蝕多以金屬離子溶解進入電解液的形式發(fā)生，因此在大多數(shù)情況下可用電化學過程來說明；而高分子材料一般不導電，也不以離子形式溶解，因此其腐蝕過程難以用電化學規(guī)律說明。對于高分子材料，其周圍的試劑（氣體、液體等）向材料內(nèi)滲透擴散是腐蝕的主要原因[20]。對于非金屬材料的腐蝕程度評價方法通常采用質(zhì)量法和機械性能比較法。

3.1 試驗內(nèi)容及方法

3.1.1 試驗對象

防腐性能評價試驗主要針對非金屬復合連續(xù)管內(nèi)襯層材料進行試驗，內(nèi)襯層為聚酰胺，將其按照標準制成II型拉伸試樣和沖擊試樣（圖3）。

圖3 防腐性能試驗樣件

3.1.2 試驗標準

非金屬復合連續(xù)管內(nèi)襯層材料聚酰胺（PA）防腐抗老化性能評價試驗按照標準GB/T 34903.1—2017《石油、石化與天然氣工業(yè)與油氣開采相關(guān)介質(zhì)接觸的非金屬材料第1部分：熱塑性塑料》[21]進行開展，其中拉伸強度測試依據(jù)GB/T 8804.1—2003《熱塑性塑料管材拉伸性能測定第1部分試驗方法總則》[22]開展；沖擊強度測試依據(jù)GB/T 1043.1—2008《塑料簡支梁沖擊性能的測定第1部分非儀器化沖擊試驗》[23]開展；硬度測試依據(jù)GB/T 2411—2008《塑料和硬橡膠使用硬度計測定壓痕硬度（邵氏硬度）》[24]開展；維卡軟化溫度的測試依據(jù)GB/T 1633—2000《熱塑性塑料維卡軟化溫度（VST）的測定》[25]開展。

3.1.3 試驗條件

CO2環(huán)境老化試驗：模擬渤海油田常規(guī)生產(chǎn)井井底溫度80 ℃、CO2分壓6 MPa 工況（13Cr 油井條件工況），采用0號柴油模擬原油介質(zhì)。試驗時間分為12、24、36、48 d、4組，表征內(nèi)襯層材料聚酰胺試驗前后的質(zhì)量變化、拉伸性能、沖擊性能、邵氏硬度、維卡軟化溫度性能參數(shù)變化情況。

H2S 環(huán)境老化試驗：模擬渤海油田常規(guī)生產(chǎn)井井底溫度80 ℃、H2S 分壓0.1 MPa 工況，采用0 號柴油模擬原油介質(zhì)。試驗時間分為12、24、36、48 d 4組，表征內(nèi)襯層材料聚酰胺試驗前后的質(zhì)量變化、拉伸性能、沖擊性能、邵氏硬度、維卡軟化溫度性能參數(shù)變化情況。

含O2環(huán)境老化試驗：模擬渤海油田常規(guī)注水井井底溫度80 ℃、H2S 分壓0.01 MPa、CO2分壓0.2 MPa工況、含氧量300×10-9，采用含氯水模擬輸送介質(zhì)，Cl-濃度為25 000 mg/L。試驗時間分為12、24、36、48 d 4 組，表征內(nèi)襯層材料聚酰胺試驗前后的質(zhì)量變化、拉伸性能、沖擊性能、邵氏硬度、維卡軟化溫度性能參數(shù)變化情況。

3.2 試驗結(jié)果

3.2.1 CO2環(huán)境腐蝕試驗

經(jīng)12、24、36、48 d CO2環(huán)境腐蝕試驗后，非金屬復合連續(xù)管內(nèi)襯層試驗樣品表面均無溶解傾向、無開裂、無氣泡和物理變形，各項測試結(jié)果與空白對照樣品測試結(jié)果之間的變化率數(shù)據(jù)見表2。

表2 CO2環(huán)境腐蝕試驗結(jié)果

試驗結(jié)果顯示，非金屬復合連續(xù)管內(nèi)襯層（聚酰胺）在CO2環(huán)境下，質(zhì)量略微增加，拉伸強度變大，沖擊強度變小，反映出材料韌性下降，脆性增加的趨勢。其中質(zhì)量變化滿足GB/T 34903.1—2017 要求，質(zhì)量變化率小于5%；拉伸強度變化滿足GB/T 34903.1—2017要求，變化率小于20%；沖擊強度、邵氏硬度、維卡軟化溫度變化標準中未作要求，整體來說非金屬復合連續(xù)管內(nèi)襯層（聚酰胺）在80 ℃、CO2環(huán)境下適應性較好，具有較好的抗CO2腐蝕能力。

3.2.2 H2S環(huán)境腐蝕試驗

經(jīng)12、24、36、48 d H2S 腐蝕試驗后，內(nèi)襯層試驗樣品表面均無溶解傾向、無開裂、無氣泡和物理變形，各項測試結(jié)果與空白對照樣品測試結(jié)果之間的變化率數(shù)據(jù)見表3。

表3 H2S環(huán)境腐蝕試驗結(jié)果

試驗結(jié)果顯示，內(nèi)襯層（聚酰胺）在H2S 環(huán)境下的性能變化結(jié)果與CO2環(huán)境下相近，質(zhì)量增加不明顯，拉伸強度變大，沖擊強度變小，同樣呈現(xiàn)出韌性下降，脆性增加的趨勢。其中質(zhì)量變化率、拉伸強度變化率均滿足標準要求，整體來說非金屬復合連續(xù)管內(nèi)襯層（聚酰胺）在80 ℃、H2S 環(huán)境下適應性較好，具有較好的抗H2S腐蝕能力。

3.2.3 含O2環(huán)境老化試驗

經(jīng)12、24、36、48 d 含O2腐蝕試驗后，內(nèi)襯層試驗樣品表面與其他2組試驗相同，均無溶解傾向、無開裂、無氣泡和物理變形，各項測試結(jié)果與空白對照樣品測試結(jié)果之間的變化率數(shù)據(jù)見表4。

表4 含O2環(huán)境腐蝕試驗結(jié)果

試驗結(jié)果顯示，內(nèi)襯層（聚酰胺）在含O2、含Cl-水環(huán)境中的性能變化比較明顯，其中沖擊強度變化率僅12 d 后就下降93.54%，質(zhì)量變化率、拉伸強度變化率等性能也較另外2組試驗變化明顯。

根據(jù)調(diào)研，在GB/T 34903.1—2017[21]中推薦聚酰胺在鹽水、海水中的適用溫度為0～70 ℃，如果溫度更高，則會發(fā)生水解。而老化試驗的溫度為80 ℃，非金屬復合連續(xù)管內(nèi)襯層材料可能發(fā)生了部分水解，造成拉伸、沖擊等性能衰減。并且有文獻報道，O2和Cl-的存在會催化聚酰胺的水解反應[26-27]。因此，建議非金屬復合連續(xù)管在高于80 ℃的含O2、含Cl-水環(huán)境下慎重使用。

4 結(jié)論

1）非金屬復合連續(xù)管在80 ℃條件下最大拉伸載荷為740 kN，爆破壓力為64.7 MPa，抗外擠壓力為26.2 MPa，最小彎曲半徑1 m，最大扭矩為7 564 N·m，試驗結(jié)果滿足SY/T 6662.6—2014 標準要求，機械性能基本滿足常規(guī)海上作業(yè)環(huán)境條件。

2）在3 種腐蝕環(huán)境中，非金屬連續(xù)管內(nèi)襯層材料聚酰胺的宏觀形貌變化、質(zhì)量變化、拉伸強度變化試驗結(jié)果滿足GB/T 34903.1—2017 要求，其中在CO2腐蝕環(huán)境和H2S腐蝕環(huán)境下表現(xiàn)良好。

3）在80 ℃，含O2、含Cl-水環(huán)境中，內(nèi)襯層材料聚酰胺出現(xiàn)韌性下降、脆性增加的趨勢，建議聚酰胺內(nèi)襯的非金屬復合連續(xù)管在高于80 ℃的含O2、含Cl-水環(huán)境下慎重使用。