高　煜，尹文波，王新峰，曲　剛，李亞偉

（中石化勝利石油工程公司鉆井工藝研究院，山東東營(yíng)257017）

復(fù)合材料連續(xù)管檢測(cè)系統(tǒng)研究

高煜*，尹文波，王新峰，曲剛，李亞偉

（中石化勝利石油工程公司鉆井工藝研究院，山東東營(yíng)257017）

為了促進(jìn)我國(guó)連續(xù)管技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料連續(xù)管的應(yīng)用，需要對(duì)連續(xù)管的檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行研究，介紹了國(guó)外連續(xù)管檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀，及國(guó)內(nèi)連續(xù)管檢測(cè)設(shè)備的發(fā)展，為連續(xù)管技術(shù)的發(fā)展提出建議。

復(fù)合材料；連續(xù)管；檢測(cè)

連續(xù)管又稱撓性管［1］，連續(xù)管鉆井在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，特別是在加拿大和美國(guó)已經(jīng)得到了推廣應(yīng)用，連續(xù)管鉆井在提高鉆井速度、保障鉆井安全、減少環(huán)境污染、提高鉆井自動(dòng)化程度等方面具有常規(guī)鉆井無法比擬的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。金屬連續(xù)管強(qiáng)度足夠完成承載能力的增強(qiáng)和連續(xù)管的長(zhǎng)度增長(zhǎng)，但它的纏繞半徑過大，抗腐蝕能力不足限制了它的應(yīng)用。復(fù)合材料連續(xù)管有著良好的力學(xué)性能、柔韌性和抗蝕能力，其結(jié)構(gòu)布置傳輸線便利，產(chǎn)業(yè)化投資小，使用壽命長(zhǎng)，能完美地解決金屬連續(xù)管的應(yīng)用缺陷，是未來連續(xù)管的發(fā)展方向［2］。復(fù)合材料連續(xù)管性能檢測(cè)和缺陷補(bǔ)救，是連續(xù)管應(yīng)用推廣的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是保證連續(xù)管鉆井的可靠性和高效性的有效手段。國(guó)外對(duì)于連續(xù)管的性能檢測(cè)研究已相對(duì)成熟，而國(guó)內(nèi)在此方面的研究尚屬起步階段。

1　國(guó)外研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)80年代后期至90年代，國(guó)外連續(xù)管制造商通過理論研究與試驗(yàn)，建立連續(xù)管壽命預(yù)測(cè)模型，完成對(duì)連續(xù)管的疲勞壽命預(yù)測(cè)。國(guó)外主要有Southwestern Pipe（西南管材公司）、美國(guó)Tulsa（塔爾薩）大學(xué)、和Stevenson（史蒂文森）3家公司對(duì)連續(xù)管性能進(jìn)行檢測(cè)。連續(xù)管的性能測(cè)試主要為：（1）內(nèi)、外壓抗壓測(cè)試；（2）彎曲疲勞測(cè)試；（3）軸向拉伸測(cè)試。

20世紀(jì)90年代中期，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家開始復(fù)合材料連續(xù)管的研究，該技術(shù)已十分成熟，在石油工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。美國(guó)Fi-berspar公司和荷蘭Airborne公司是復(fù)合材料連續(xù)管領(lǐng)域的兩大杰出代表［3］。

2　連續(xù)管失效分析

復(fù)合材料連續(xù)管現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用受力狀況十分復(fù)雜，除受拉力、彎曲應(yīng)力、內(nèi)外壓力、摩擦力、接觸力外還受到各種附加作用力。為便于研究，忽略次要載荷，重點(diǎn)分析主要影響作用的載荷（軸向拉力、內(nèi)外流體壓力在滾筒上的彎曲以及這幾種載荷的組合情況）。

連續(xù)管應(yīng)用中管材內(nèi)部充有高壓液體或氣體，管材彎曲屈服曲率半徑大于工作過程中的各個(gè)彎曲半徑，為塑性彎曲變形。內(nèi)壓載荷和彎曲載荷所構(gòu)成的復(fù)合載荷是連續(xù)管主要的工作復(fù)合載荷［4］。

連續(xù)管由于其工作環(huán)境的惡劣性，與受力情況的復(fù)雜性，致使其失效形式多樣，主要?dú)w納起為以下3大類型。

2.1變形失效

正常工作時(shí)，管材的彎曲變形遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于許用彎曲半徑，發(fā)生的彎曲變形為瞬時(shí)塑性彎曲變形。當(dāng)實(shí)際彎曲半徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于許用彎曲半徑時(shí)，連續(xù)管的永久性彎曲變形將會(huì)發(fā)生。其他的變性失效形式主要有壓癟或壓扁現(xiàn)象和拉伸頸縮性現(xiàn)象等。

復(fù)合材料連續(xù)管在一定的彎曲半徑下彎曲，其變形是屬于彈性變形。在彈性極限內(nèi)，復(fù)合管能承受最小彎曲半徑可按下式計(jì)算：

式中：E——復(fù)合管的彈性模量；

D——復(fù)合管外徑；

δS——復(fù)合管的屈服點(diǎn)應(yīng)力。

2.2斷裂失效

斷裂，特別是疲勞斷裂，是連續(xù)管失效的主要形式之一。主要斷裂形式有：①過載斷裂；②低應(yīng)力脆斷；③應(yīng)力腐蝕斷裂；④氫脆斷裂；⑤疲勞斷裂和腐蝕疲勞斷裂。

2.3表面損傷失效

表面損傷主要包括2個(gè)方面：①磨損，主要為連續(xù)管與導(dǎo)向架或注入頭夾緊塊之間的磨損和連續(xù)管與生產(chǎn)油管或套管之間的磨損等；②機(jī)械損傷，包括連續(xù)管在運(yùn)輸中表面碰傷、在清蠟作業(yè)中的刮蠟器劃傷和在注入過程中夾持產(chǎn)生的表面壓痕等。

研究分析表明，連續(xù)管失效的主因是內(nèi)壓作用下的彎曲疲勞。連續(xù)管的疲勞最終引發(fā)微裂紋形成，通過裂紋擴(kuò)展穿越管壁，直至形成穿透，造成壓力的完全喪失。

3　檢測(cè)設(shè)備研制

連續(xù)管地面施工作業(yè)中，地面主要作業(yè)設(shè)備包括液壓操作控制室、連續(xù)管盤管裝置、連續(xù)管夾持注入頭裝置、井口防噴器裝置、地面液壓動(dòng)力站等。其中涉及連續(xù)管管件受力部件主要是連續(xù)管盤管裝置和注入頭裝置。

下入井中連續(xù)管主要受力包括：①軸向拉力載荷；②內(nèi)、外壓力載荷；③扭轉(zhuǎn)載荷；④考慮井中溫度影響。

所需配備檢測(cè)設(shè)備：彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)、拉壓試驗(yàn)機(jī)及試驗(yàn)高溫箱、管材內(nèi)、外壓力試驗(yàn)機(jī)和連續(xù)管夾持注入試驗(yàn)裝置。

3.1彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)

連續(xù)管主要圍繞滾筒進(jìn)行存放，當(dāng)其工作通過滾筒時(shí)，會(huì)引起連續(xù)管的損傷。疲勞損傷會(huì)隨著工作累積，量變引發(fā)質(zhì)變，最終引發(fā)連續(xù)管的失效。連續(xù)管的疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)，通過增壓泵為連續(xù)管內(nèi)部提供高壓液體，模擬工作環(huán)境，通過彎曲疲勞測(cè)試獲得連續(xù)管的失效時(shí)間，進(jìn)而對(duì)連續(xù)管進(jìn)行疲勞指標(biāo)的預(yù)測(cè)考核。見表1。

表1　試驗(yàn)機(jī)技術(shù)指標(biāo)

3.2拉壓試驗(yàn)機(jī)及試驗(yàn)高溫箱

試驗(yàn)機(jī)采取臥式框架結(jié)構(gòu)，由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制伺服閥等部件完成控制動(dòng)作，通過單出桿雙作用活塞缸施加試驗(yàn)力，試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過負(fù)荷傳感器精確采集傳輸，由控制系統(tǒng)自動(dòng)分析處理并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)。外部配套高溫環(huán)境箱，實(shí)現(xiàn)不同溫度下的拉、壓實(shí)驗(yàn)測(cè)試。見表2。

表2　拉壓試驗(yàn)機(jī)技術(shù)指標(biāo)

3.3管材內(nèi)、外壓力試驗(yàn)機(jī)

設(shè)備主要采用三級(jí)升壓控制，第一級(jí)是低壓補(bǔ)液泵將油箱內(nèi)的高溫油補(bǔ)充到試件內(nèi)部，排出試件內(nèi)部的空氣，第二級(jí)大流量低壓泵將試樣內(nèi)部的壓力提升到30MPa，第三極通過超高壓增壓泵將試件的壓力提升到爆破壓力，最高達(dá)到200MPa。該設(shè)備用于測(cè)試連續(xù)管管材內(nèi)、外壓相關(guān)性能。

3.4連續(xù)管夾持注入試驗(yàn)裝置

注入頭是連續(xù)管應(yīng)用的關(guān)鍵部件，通過其動(dòng)作完成連續(xù)管的下入和起出。其基本原理是用夾緊機(jī)構(gòu)推動(dòng)夾持塊進(jìn)而實(shí)現(xiàn)夾持塊對(duì)連續(xù)管的壓緊，通過同步運(yùn)行的鏈條帶動(dòng)夾持塊最終實(shí)現(xiàn)連續(xù)管的起升動(dòng)作［5］。連續(xù)管夾持注入試驗(yàn)裝置主要用來模擬復(fù)合材料連續(xù)管實(shí)際作業(yè)時(shí)的受力情況，用來測(cè)試管件在通過注入頭，在徑向壓力和軸向拉力同時(shí)作用時(shí)所發(fā)生的變化。

4　實(shí)驗(yàn)測(cè)試

中石化集團(tuán)公司2011年開始委托勝利鉆井院開展復(fù)合材料連續(xù)管技術(shù)研究，到目前，已初步形成復(fù)合材料連續(xù)管材料優(yōu)選、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及連續(xù)成型工藝技術(shù)研究，試制了部分試件，并通過檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)力學(xué)性能檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如下。見表3。

表3　檢測(cè)結(jié)果

樣件的測(cè)試表明，該測(cè)試系統(tǒng)能夠完全滿足復(fù)合材料連續(xù)管各種力學(xué)性能和電學(xué)性能測(cè)試要求，復(fù)合材料連續(xù)管的各項(xiàng)性能能夠達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的要求。

4　總結(jié)

復(fù)合材料連續(xù)管在防腐性能、彎曲疲勞壽命、內(nèi)置導(dǎo)線等方面相比于金屬連續(xù)管有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。通過對(duì)符合材料連續(xù)管的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)檢測(cè)，可以判斷管件是否能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，也為連續(xù)管的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考，使連續(xù)管最終可以滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用要求。大力開展具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的連續(xù)管檢測(cè)設(shè)備的研究，實(shí)現(xiàn)對(duì)連續(xù)管性能的綜合掌握，將進(jìn)一步推進(jìn)符合連續(xù)管在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用與推廣。

［1］李文彬，蘇歡，王珂，等.連續(xù)管無損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展［J］.無損檢測(cè)，2010（6）：475-478.

［2］于京閣,董懷榮,江正清,安慶寶.復(fù)合材料連續(xù)管設(shè)計(jì)技術(shù)研究［J］.石油鉆探技術(shù)，2011，39（3）：114-117.

［3］宿振國(guó)，尹文波，呂妍妍.復(fù)合材料連續(xù)管技術(shù)研究進(jìn)展及應(yīng)用現(xiàn)狀［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2014，43（4）：85-90.

［4］李小影，石凱.連續(xù)管失效及疲勞壽命的研究現(xiàn)［J］.內(nèi)蒙古石油化工，2008（20）：7-10.

［5］施志輝,劉航,許立.連續(xù)管在注入頭多種夾持方式下的受力分析［J］.石油機(jī)械，2011,39（12）：32-34.

TE921

A

1004-5716（2016）01-0037-03

2015-09-07

2015-09-08

市級(jí)項(xiàng)目“復(fù)合材料連續(xù)管檢測(cè)系統(tǒng)技術(shù)研究”；項(xiàng)目編號(hào)：SKZ1303。

高煜（1989-），男（漢族），山東諸城人，助理工程師，現(xiàn)從事石油機(jī)械方面相關(guān)技術(shù)工作。