注水井用非金属复合材料油管试验检测与评价

胡美艳，申晓莉，于九政，毕福伟

（1．低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，西安 710018；2．长庆油田分公司油气工艺研究院，西安 710018）

注水井用非金属复合材料油管试验检测与评价

胡美艳1，2，申晓莉1，2，于九政1，2，毕福伟1，2

（1．低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，西安 710018；2．长庆油田分公司油气工艺研究院，西安 710018）

非金属复合材料油管在油田注水井中使用时，各项性能指标要求有所不同。对内径50 mm、4层结构的非金属复合材料油管进行了力学性能、耐温性能、抗腐蚀性能室内试验。该种复合材料油管抗内压为24 MPa，拉力110 k N时伸长率为5．4%，最小弯曲半径为350 mm，耐温70℃，对H2S、CO2等物质具有较好的防腐作用。检测结果表明：该种非金属复合材料油管能够在井深2 000 m以内的注水井中正常工作，在污水回注井中具有较好的适应性。

注水井；非金属复合材料油管；力学性能；耐温性能；抗腐蚀；试验检测

非金属复合材料油管作为一种新型管材，在油田生产尤其是地面输送方面得到了广泛的应用。近几年随着其力学性能、耐温能力的提高，加上较好的抗腐蚀特性，该种管材在油水井井下也逐渐开始试验［1-4］。目前国内非金属管在井下的应用主要集中在注水井中，且尚处于起步阶段，相关的理论、试验检测及评价研究较少［5-8］。本文针对一种用于油田注水井的非金属复合材料油管进行室内试验，测试其力学性能、耐温性能及抗腐蚀能力，评价其在注水井中的适应性，为现场应用提供一定的参考。

1 非金属复合材料油管本体结构

设计的非金属复合材料油管由聚合物内层、增强抗压层、抗拉层、外保护层4层材料构成（如图1），其选材及工艺如表1。

图1 非金属复合材料油管本体结构

表1 非金属复合材料油管结构选材及工艺

2 力学性能评价

非金属复合材料油管作为注水管柱时，除要承受内外压力外，还要承受更大的轴向拉力。在定向井中应用，还要考虑其在井眼中最大曲率处的弯曲能力及通过性能。因此，需要对管柱进行力学性能检测，主要包括抗内压强度、爆破强度、拉伸强度以及最小弯曲半径［9-14］。

2．1 抗内压强度测试

采用增加静水压力的方法，测试非金属复合材料油管抗内压性能指标。测试样品为3件，内径50 mm，长度为1 m。测试时温度为室温，利用加压泵对管材单向加压，另一侧安装的压力传感器显示压力值。试验过程中，以1 MPa为差值，管材内压逐渐加至公称压力16 MPa的1．5倍，即24 MPa，稳压24 h，压力降为2%，小于标准要求的4%［15］。

2．2 爆破强度试验

在抗内压强度测试的基础上，继续加液压直到管材破裂。试验过程中液压接近50 MPa时，压力上升速度明显变慢，当达到50 MPa时管体爆破，破裂处的各结构层均被破坏。

2．3 拉伸强度测试

足够的抗拉强度是非金属复合材料油管能够在井下应用的必要条件，以保证井下工作安全。使用拉力试验机对样品进行抗拉强度测试，装置结构如图2所示。

1） 在样品中段，沿轴向标记2点A、B，间距为500 mm。

2） 将测试样品一端固定在测试机的固定端，另一端连接到测试机的可动端。

3） 以10 mm／min的速率对管道拉伸。

4） 拉伸过程中，在对应拉力下记录A、B点间距，并计算伸长率。

测试结果表明：该非金属复合材料油管在拉力110 k N时，变形率为5．4%，达到了标准的要求［16］，如表2所示。

图2 拉力试验机示意

表2 非金属油管拉伸试验数据

2．4 最小弯曲半径测试

在定向井中应用时，需要确定非金属复合材料油管的最小弯曲半径，以满足不同井眼曲率的需要。测试样品为1根两端连接有接头的非金属复合材料油管，样品长为2 m。试验温度为环境温度，弯曲刚度测试装置如图3所示。

1） 将柔性复合油管绕在1个弧形砧座上，砧座的曲率半径比要测试的曲率半径略小。

2） 在柔性复合油管的两端加载。

3） 在管道的两端施加垂直向下且相等的载荷，使柔性复合油管弯曲。在柔性管道弯曲时要保证油管与弧形砧座接触。

4） 保持12 h后缓慢卸载，加压测试检漏。测试的最小弯曲半径为350 mm。

图3 弯曲装置示意

3 耐温性能测试

良好的耐温性能是非金属复合材料油管在井下正常工作的重要保证，因此必须考虑并测试其耐温性能，以确定其井下适应性。测试样品为3根长（200±20）mm的油管。测试内容为纵向回缩缩率及维卡软化温度。

3．1 纵向回缩率测试

使用划线器在3根试样上划2条相距100 mm的圆周标线，并使其中1条标线距另一段10 mm。试样在（23±2）℃下至少放置2 h进行预处理。在（23±2）℃下，测量标线间距L0。

将烘箱温度调节至（110±2）℃，试样放置其中120 min。从烘箱中取出试样，平放于光滑平面上，待完全冷却至（23±2）℃时，在试样表面沿母线测量标线间最大或最小距离Li。

管材的纵向回缩率为

式中：ΔL＝｜L0－Li｜；L0为放入烘箱前试样2条标线间距离，mm；Li为试验后沿母线测量的2条标线间距离，mm。

纵向回缩率测试数据如表3。

表3 纵向回缩率测试数据

3．2 维卡软化温度测试

使用维卡软化点测试设备、热变形温度测试仪对样品进行测试分析。样品加载荷为50 N，加热速率为50℃／h。测试3根样品的维卡软化温度平均值为70．7／℃。

纵向回缩缩率及维卡软化温度测试结果表明，测试的非金属复合材料油管能够在温度为70℃以内的井下工作。

4 耐腐蚀性能测试［17］

非金属复合材料油管比较突出的特点是其良好的防腐性能。在井下工作时，主要要求其对高矿化度、H2S、CO2等腐蚀性强的物质具有较好的抵抗性能。

4．1 抗腐蚀试验一

将非金属复合材料油管试样放入高压高温釜溶液中，其含饱合H2S，通入CO2气体，压力维持2 MPa，在恒温65．6℃条件下浸泡168 h，试验前后试样质量无明显变化；试验前后试样颜色及浸泡的水溶液颜色无明显变化。试验结果如表4。

表4 抗腐蚀试验一测试结果

4．2 抗腐蚀试验二

将NaCl、CaSO4、MgSO4、Na2SO4、NH4NO3及尿素等按照一定的量加入水中制成浸泡液，各种物质的质量浓度满足：ρ（NaCl）＝298 g／L、ρ（CaSO4）＝1．8 g／L、ρ（MgSO4）＝0．05 g／L、ρ（Na2SO4）＝6．0 g／L、ρ（NH4NO3）＝3．5 mg／L。

把样品首先在恒温23℃的浸泡液中浸泡168 h，前后称重，再在56℃的恒温水中加热10 h后称重。试验结果如表5。

表5 抗腐蚀试验二测试结果

5 结论

1） 设计的非金属复合材料油管抗内压24 MPa，爆破压力达到50 MPa，抗拉强度110 k N，最小弯曲半径350 mm。

2） 测试结果显示：非金属复合材料油管对高矿化度、含H2S及CO2的液体具有较好的耐腐蚀特性，可以在70℃以内的井内正常工作，较金属油管能够更长时间在井下工作而不发生腐蚀。

3） 非金属复合材料油管具有良好的力学性能、耐温特性及防腐性能，其在注水井中应用较金属油管具有明显的优势。

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Testing and Experiment of Nonmetal Compound Material Tubing for Injection Well

H U Mei-yan1，2，SHEN Xiao-li1，2，YU Jiu-zheng1，2，BI Fu-wei1，2?
（1．National Engineering Laboratory for Exploration and Development of Low-permeability Oil&Gas Fields，Xi’an 710018，China；2．Oil&Gas Technology Research Institute，Changing Oilfield Company，Xi’an 710018，China）

When nonmetal compound material tubing used for water injection well，every performance figure is different．Some experiments for one nonmetal compound material tubing were tested，this kind of tubing has 4-layer structure，inner diameter is 50mm，and the experiments include mechanics，temperature and corrosion proof abilities．This tubing can hold 24 MPa internal pressure，when stretching at 110 k N，the length growth rate is 5．4%，the minimum bending radius is 350 mm，temperature tolerance is 70℃，it has corrosion prevention for H2S and CO2．The result of all tests and experiments prove that this nonmetal compound material tubing can be used on depth in 2 000 m injection well，especially on produced water reinjection well．

water injection well；nonmetal compound material tubing；mechanics ability；temperature ability；corrosion proof ability；experiment and test

TE931．2

A

1001-3482（2014）01-0049-04

2013-07-16

胡美艳（1971-），女，陕西乾县人，高级工程师，主要从事油田注水工艺和提高采收率技术研究，E-mail：humy_cq＠petrochina．com．cn。