侯澤寧，張海龍，邢希金，張磊，李準(zhǔn)，齊致遠(yuǎn)

中海油研究總院有限責(zé)任公司（北京 100028）

0 引言

非金屬?gòu)?fù)合連續(xù)管是在連續(xù)油管的基礎(chǔ)上演變而來(lái)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(shí)的氣舉排液、誘噴，以及連續(xù)油管酸化或者氮?dú)馀菽{(diào)剖等后期調(diào)整作業(yè)[1]。非金屬?gòu)?fù)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(shí)現(xiàn)井下數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)油井智能化），便捷（不需修井機(jī)即可完成修井作業(yè)，適用于邊際油田、無(wú)人平臺(tái)），高效（內(nèi)嵌電纜，無(wú)需逐根連接油管，降低電纜損壞風(fēng)險(xiǎn)，提高作業(yè)效率），防垢、防蠟等諸多優(yōu)點(diǎn)[2]。目前第一代產(chǎn)品已在長(zhǎng)慶油田、大慶油田和華北油田等陸上油田現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用[3]，而海上油田比陸地油田更為苛刻，對(duì)其有更高的性能要求。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)復(fù)合連續(xù)管已開(kāi)展了一些相關(guān)研究，主要為技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬研究，未涉及復(fù)合連續(xù)管的機(jī)械及防腐性能的研究：于京閣等[4]從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度計(jì)算兩方面對(duì)復(fù)合材料連續(xù)管設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行了研究；張辛[5]、丁楠等[6]和Kevin Cox 等[7]均通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)非金屬?gòu)?fù)合連續(xù)管的增強(qiáng)層進(jìn)行了力學(xué)特性研究；吉效科等[8]針對(duì)非金屬?gòu)?fù)合連續(xù)管生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行了研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，指出該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和自動(dòng)調(diào)參，并可有效延長(zhǎng)結(jié)蠟和結(jié)垢周期；談建平等[9]設(shè)計(jì)了一套配合非金屬連續(xù)管使用的沖砂工具，實(shí)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(duì)非金屬?gòu)?fù)合管開(kāi)展了渦激振動(dòng)數(shù)值模擬分析；王力等[11]對(duì)復(fù)合連續(xù)管的力學(xué)性能研究現(xiàn)狀與發(fā)展進(jìn)行了綜述和分析。

因此，本文針對(duì)聚酰胺內(nèi)襯的非金屬?gòu)?fù)合連續(xù)管機(jī)械性能及防腐性能開(kāi)展了一系列試驗(yàn)研究，驗(yàn)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(yīng)能力。

1 非金屬?gòu)?fù)合連續(xù)管結(jié)構(gòu)

非金屬?gòu)?fù)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(qiáng)層以及外保護(hù)層[12]（圖1）。

圖1 非金屬?gòu)?fù)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(dòng)力和信號(hào)傳輸功能，同時(shí)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(qiáng)層為非金屬連續(xù)管提供主要的力學(xué)性能，材料的選擇需要兼顧強(qiáng)度和柔韌性，同時(shí)也要保證較高的耐疲勞性。增強(qiáng)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(guò)熱塑性樹(shù)脂的完全浸潤(rùn)。

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

2 非金屬?gòu)?fù)合連續(xù)管機(jī)械性能評(píng)價(jià)

2.1 試驗(yàn)對(duì)象

機(jī)械性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)主要針對(duì)非金屬?gòu)?fù)合連續(xù)管整體進(jìn)行試驗(yàn)，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(hù)層為聚酰胺（又稱尼龍），增強(qiáng)層為玻璃纖維和芳綸纖維（圖2）。

圖2 機(jī)械性能試驗(yàn)樣件

2.2 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

非金屬?gòu)?fù)合連續(xù)管機(jī)械性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)按照標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6662.6—2014《石油天然氣工業(yè)用非金屬?gòu)?fù)合管第6部分：井下用柔性復(fù)合連續(xù)管及接頭》[13]開(kāi)展，其中抗拉試驗(yàn)依據(jù)GB/T 5349—2005《纖維增強(qiáng)熱固性塑料管軸向拉伸性能試驗(yàn)方法》[14]開(kāi)展；抗內(nèi)壓試驗(yàn)依據(jù)GB/T 15560—1995《流體輸送用塑料管材液壓瞬時(shí)爆破和耐壓試驗(yàn)方法》[15]開(kāi)展；抗外擠試驗(yàn)依據(jù)SY/T 6662.6—2014 開(kāi)展；循環(huán)內(nèi)壓疲勞試驗(yàn)依據(jù)ASTM D 2143—2015《增強(qiáng)熱固塑料管耐周期性壓力強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》[16]開(kāi)展；最小彎曲半徑試驗(yàn)依據(jù)SY/T 6662.6—2014、SY/T 6794—2018《可盤(pán)繞式增強(qiáng)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(cè)定》[18]開(kāi)展；扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)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(yàn)程序》[19]開(kāi)展?？紤]到海上油田一般儲(chǔ)層溫度環(huán)境條件，試驗(yàn)溫度設(shè)定為80 ℃。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)試驗(yàn)，非金屬?gòu)?fù)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?gòu)?fù)合管機(jī)械性能試驗(yàn)結(jié)果

3 非金屬?gòu)?fù)合連續(xù)管防腐性能評(píng)價(jià)

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(dǎo)體，在常溫下的水溶液中，腐蝕多以金屬離子溶解進(jìn)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(xué)過(guò)程來(lái)說(shuō)明；而高分子材料一般不導(dǎo)電，也不以離子形式溶解，因此其腐蝕過(guò)程難以用電化學(xué)規(guī)律說(shuō)明。對(duì)于高分子材料，其周?chē)脑噭怏w、液體等）向材料內(nèi)滲透擴(kuò)散是腐蝕的主要原因[20]。對(duì)于非金屬材料的腐蝕程度評(píng)價(jià)方法通常采用質(zhì)量法和機(jī)械性能比較法。

3.1 試驗(yàn)內(nèi)容及方法

3.1.1 試驗(yàn)對(duì)象

防腐性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)主要針對(duì)非金屬?gòu)?fù)合連續(xù)管內(nèi)襯層材料進(jìn)行試驗(yàn)，內(nèi)襯層為聚酰胺，將其按照標(biāo)準(zhǔn)制成II型拉伸試樣和沖擊試樣（圖3）。

圖3 防腐性能試驗(yàn)樣件

3.1.2 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

非金屬?gòu)?fù)合連續(xù)管內(nèi)襯層材料聚酰胺（PA）防腐抗老化性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 34903.1—2017《石油、石化與天然氣工業(yè)與油氣開(kāi)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(jìn)行開(kāi)展，其中拉伸強(qiáng)度測(cè)試依據(jù)GB/T 8804.1—2003《熱塑性塑料管材拉伸性能測(cè)定第1部分試驗(yàn)方法總則》[22]開(kāi)展；沖擊強(qiáng)度測(cè)試依據(jù)GB/T 1043.1—2008《塑料簡(jiǎn)支梁沖擊性能的測(cè)定第1部分非儀器化沖擊試驗(yàn)》[23]開(kāi)展；硬度測(cè)試依據(jù)GB/T 2411—2008《塑料和硬橡膠使用硬度計(jì)測(cè)定壓痕硬度（邵氏硬度）》[24]開(kāi)展；維卡軟化溫度的測(cè)試依據(jù)GB/T 1633—2000《熱塑性塑料維卡軟化溫度（VST）的測(cè)定》[25]開(kāi)展。

3.1.3 試驗(yàn)條件

CO2環(huán)境老化試驗(yàn)：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(hào)柴油模擬原油介質(zhì)。試驗(yàn)時(shí)間分為12、24、36、48 d、4組，表征內(nèi)襯層材料聚酰胺試驗(yàn)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(yàn)：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(hào)柴油模擬原油介質(zhì)。試驗(yàn)時(shí)間分為12、24、36、48 d 4組，表征內(nèi)襯層材料聚酰胺試驗(yàn)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(yàn)：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(yàn)時(shí)間分為12、24、36、48 d 4 組，表征內(nèi)襯層材料聚酰胺試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果

3.2.1 CO2環(huán)境腐蝕試驗(yàn)

經(jīng)12、24、36、48 d CO2環(huán)境腐蝕試驗(yàn)后，非金屬?gòu)?fù)合連續(xù)管內(nèi)襯層試驗(yàn)樣品表面均無(wú)溶解傾向、無(wú)開(kāi)裂、無(wú)氣泡和物理變形，各項(xiàng)測(cè)試結(jié)果與空白對(duì)照樣品測(cè)試結(jié)果之間的變化率數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 CO2環(huán)境腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果顯示，非金屬?gòu)?fù)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(qiáng)度變大，沖擊強(qiáng)度變小，反映出材料韌性下降，脆性增加的趨勢(shì)。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(qiáng)度變化滿足GB/T 34903.1—2017要求，變化率小于20%；沖擊強(qiáng)度、邵氏硬度、維卡軟化溫度變化標(biāo)準(zhǔn)中未作要求，整體來(lái)說(shuō)非金屬?gòu)?fù)合連續(xù)管內(nèi)襯層（聚酰胺）在80 ℃、CO2環(huán)境下適應(yīng)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(yàn)

經(jīng)12、24、36、48 d H2S 腐蝕試驗(yàn)后，內(nèi)襯層試驗(yàn)樣品表面均無(wú)溶解傾向、無(wú)開(kāi)裂、無(wú)氣泡和物理變形，各項(xiàng)測(cè)試結(jié)果與空白對(duì)照樣品測(cè)試結(jié)果之間的變化率數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 H2S環(huán)境腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)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(qiáng)度變大，沖擊強(qiáng)度變小，同樣呈現(xiàn)出韌性下降，脆性增加的趨勢(shì)。其中質(zhì)量變化率、拉伸強(qiáng)度變化率均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，整體來(lái)說(shuō)非金屬?gòu)?fù)合連續(xù)管內(nèi)襯層（聚酰胺）在80 ℃、H2S 環(huán)境下適應(yīng)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(yàn)

經(jīng)12、24、36、48 d 含O2腐蝕試驗(yàn)后，內(nèi)襯層試驗(yàn)樣品表面與其他2組試驗(yàn)相同，均無(wú)溶解傾向、無(wú)開(kāi)裂、無(wú)氣泡和物理變形，各項(xiàng)測(cè)試結(jié)果與空白對(duì)照樣品測(cè)試結(jié)果之間的變化率數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 含O2環(huán)境腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)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(qiáng)度變化率僅12 d 后就下降93.54%，質(zhì)量變化率、拉伸強(qiáng)度變化率等性能也較另外2組試驗(yàn)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(huì)發(fā)生水解。而老化試驗(yàn)的溫度為80 ℃，非金屬?gòu)?fù)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(xiàn)報(bào)道，O2和Cl-的存在會(huì)催化聚酰胺的水解反應(yīng)[26-27]。因此，建議非金屬?gòu)?fù)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?gòu)?fù)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(yàn)結(jié)果滿足SY/T 6662.6—2014 標(biāo)準(zhǔn)要求，機(jī)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(qiáng)度變化試驗(yàn)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(shì)，建議聚酰胺內(nèi)襯的非金屬?gòu)?fù)合連續(xù)管在高于80 ℃的含O2、含Cl-水環(huán)境下慎重使用。