王薇王俊濤魏向軍胡改星申曉莉

1.低滲透油氣田勘探開(kāi)發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室；2.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司油氣工藝研究院；3. 中國(guó)石油長(zhǎng)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(kāi)發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室；2.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司油氣工藝研究院；3. 中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第三采油廠

目前長(zhǎng)慶油田采出水腐蝕結(jié)垢嚴(yán)重，導(dǎo)致鋼制防腐油管使用壽命較短。通過(guò)力學(xué)計(jì)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(jìn)行了相關(guān)的管柱強(qiáng)度校核、有限元分析及室內(nèi)性能評(píng)價(jià)，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(chǎng)試驗(yàn)32口井，試驗(yàn)成功率100%，截至2016年5月試驗(yàn)井的最長(zhǎng)注水時(shí)間已達(dá)4年。開(kāi)展了12井次的取樣性能檢測(cè)，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(jì)使用壽命達(dá)10年以上，是鋼制防腐油管使用壽命的2倍以上，同時(shí)該工藝可有效降低作業(yè)強(qiáng)度和生產(chǎn)成本，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

長(zhǎng)慶油田；污水回注；柔性復(fù)合管；腐蝕結(jié)垢；注水管柱

長(zhǎng)慶油田處于注水開(kāi)發(fā)階段，環(huán)境保護(hù)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(qiáng)，鋼制防腐油管平均使用壽命3～5年［1-2］。隨著采出水井?dāng)?shù)的不斷增多，注水油管更換數(shù)量及頻次也在快速增長(zhǎng)，增大了開(kāi)發(fā)成本，制約了油田高效開(kāi)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(zhǎng)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(jì)

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(jì)依據(jù)［6-7］。設(shè)計(jì)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(qiáng)度，MPa；N為柔性管總根數(shù)；K為單根纖維絲的抗拉強(qiáng)度，kg/根；D為平均直徑，cm；ε為斷裂伸長(zhǎng)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(jì)算系數(shù)（當(dāng)壓力＜12 MPa時(shí)，n=0.735；當(dāng)壓力＞16 MPa時(shí)，n=1.103）。

抗拉伸力公式為

式中，T為柔性管抗拉強(qiáng)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(jì)參數(shù)，最終設(shè)計(jì)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(jiàn)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(qiáng)抗壓層、抗拉層、外保護(hù)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(jì)性［8］。

1.2.1 內(nèi)層和外保護(hù)層材料的選擇 由于井下柔性復(fù)合管內(nèi)層、外保護(hù)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(hù)層高分子材料見(jiàn)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(dāng)工作溫度≤60 ℃，內(nèi)層、外保護(hù)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(jí)不同，其成本存在差異。

1.2.2 增強(qiáng)層和抗拉層材料的選擇 考慮增強(qiáng)層、抗拉層在柔性復(fù)合管中主要起到增強(qiáng)作用，提供抗拉性能及抗壓性能。增強(qiáng)纖維具有高強(qiáng)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(qiáng)纖維主要性能參數(shù)見(jiàn)表3。由于井下柔性管的工作壓力為16 MPa，考慮增強(qiáng)纖維的經(jīng)濟(jì)性，選用滌綸纖維作為增強(qiáng)材料。

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

1.3 室內(nèi)性能評(píng)價(jià)

Indoors property evaluation

1.3.1 有限元分析 通過(guò)ANSYS軟件對(duì)井下柔性復(fù)合管進(jìn)行有限元模擬，計(jì)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(gè)對(duì)稱面施加對(duì)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(diǎn)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(qiáng)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)，當(dāng)應(yīng)變達(dá)到2.6%時(shí)，拉力可達(dá)到100 kN，此時(shí)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(shí)驗(yàn) 選取DN40和DN50均長(zhǎng)為1 m的井下柔性復(fù)合管，分別進(jìn)行靜水壓強(qiáng)度、爆破強(qiáng)度、抗拉伸、防腐蝕等性能室內(nèi)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)［9-11］。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4，各項(xiàng)性能指標(biāo)均能滿足柔性復(fù)合管作為井下注水管柱的設(shè)計(jì)要求。

表4 井下柔性復(fù)合管室內(nèi)性能評(píng)價(jià)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(jìn)行籠統(tǒng)注水。當(dāng)管柱下至預(yù)定位置，將井下柔性復(fù)合管通過(guò)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(diǎn)，可大幅降低人員勞動(dòng)強(qiáng)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(shí)需進(jìn)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(chǎng)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(jìn)行性能對(duì)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(hù)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(chǎng)試驗(yàn)

Field test

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

開(kāi)展了4口同井不同材質(zhì)油管防腐性能試驗(yàn)，通過(guò)定期截取不同材質(zhì)樣管進(jìn)行性能檢測(cè)，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(shí)，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(kāi)展了7口試驗(yàn)井8井次取樣性能檢測(cè)。結(jié)果表明，超過(guò)2 000 m井深時(shí)，井下柔性復(fù)合管受臨界溫度影響性能急劇下降（見(jiàn)表5）；在2000 m以內(nèi)的采出水回注井上使用性能穩(wěn)定（見(jiàn)表6）。

表5 江73-55柔性復(fù)合管取樣自檢結(jié)果對(duì)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(duì)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(zhǎng)管柱使用壽命2倍以上。

（2）礦場(chǎng)試驗(yàn)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(qiáng)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。

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（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(guó)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(hào)：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(zhǎng)慶油田新技術(shù)開(kāi)發(fā)中心。電話：029-86590813。E-mail：wangwei4_cq@petrochina.com.cn