玻璃钢管在油田注水井中的应用现状及展望

连倩　郭阳阳　苟丹　潘登　周勇

摘 要：玻璃钢管道以其耐腐蚀、材质轻等优点广泛运用于石油行业。随着玻璃钢注水管的大范围使用，其连接问题也凸显出来，阻碍了其在油田的推广和发展。本文主要结合国内外玻璃钢注水管的使用情况，分析玻璃钢注水管使用过程中存在的主要问题，为玻璃钢管在石油注水中的应用决策提供解决方案。

关键词：玻璃钢管 注水井 应用现状 发展前景

中图分类号：TB324 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）04（c）-0084-02

近年来，随着油田开发的不断持续，我国大部分油田进入二次采油和三次采油阶段，为增加油田的产量，通常需要对地层进行注水作业。由于我国的淡水资源匮乏，注水的工艺多采用污水循环回注，这样就加大了对管材的腐蚀。特别是一些酸性油田，地层水中含有H2S、CO2、Cl-和硫酸盐还原菌（SRB），对油、套管腐蚀十分严重，最短在1年左右发生腐蚀断裂，造成内部堵塞，压力下降，产量下降。据初步分析，注水井套管的维持费逐年增大，油管、抽油杆、泵等设备的更换，每年更换费用约为2.5亿元。中油田因水质偏酸性且极不稳定引发腐蚀造成的直接经济损失每年约7000万元，间接经济损失约2亿元[1～3]。

近年来，虽然发明了很多防止或减慢注水油管腐蚀的方法，但都不能从根本上解决腐蚀带来的问题，而高压玻璃钢管耐腐蚀，使用寿命可达15～20年，是普通油管的4～5倍[4]。随着井下高压玻璃钢油管的不断研制和发展，玻璃钢油管在国内注水作业中的应用越来越广泛。

1 玻璃钢管在油田注水井中的应用现状

20世纪50年代初，美国手糊的聚酯玻璃钢管首次用于油田的油气集输管线。50年代中期，罗克埃兰德（Rock Is Land）石油和精炼公司引进了纤维缠绕玻璃钢高压油管和油井套管生产线。管子采用螺纹连接，专用于石油工业。1970年以后，国外各大石油公司开始在注水管中大量应用玻璃钢管道或管柱，如EXXON公司，注水管线除了管径较大处使用内涂层管材外，其余区域大部分运用的是玻璃钢管，使用12年基本无损坏。至20世纪90年代，壳牌壳牌公司在注水方面使用玻璃钢管长度使用已超过600 km[1]。

我国玻璃钢产业起步较晚，开始于20世纪70年代，主要用于地面用钻井水管线，随后在污水输送、原油集输、注水管线也相继应用。1995年，来自全国七大油田的15人，赴美国德克萨斯油田、AMCO石油公司等考察玻璃钢管道在油田上的使用情况，考察报告充分肯定了玻璃钢管在污水处理、注水、采油、集油、集水等方面有着极好的使用效益和市场。其中胜利油田引进了10 km高压玻璃钢管道，分别在两口抽油井和三口注水井上试用（井深平均2000 m），结果证明高压玻璃钢管技术是先进的，产品性能是优越的。从1995年起，国内为了解决了含硫气井的生产管柱的腐蚀，在川中磨溪等气田应用的7000 m玻璃钢油管获得成功。1998年4月为了对玻璃钢油管使用性能进行评价，对M71井进行特别压井作业，检查玻璃钢油管内外表面，除有少量结垢外，玻璃钢油管本体及丝扣基本完好无损，入井上扣时涂的密封脂尚在，全部油管试压15 MPa，稳压15 min不泄露[5]。2000年以后，玻璃钢油管开始大量使用，2008年开始在海洋石油分层注水中应用[6]。截至2013年，国内外在油田注水领域已累计应用玻璃钢管达几十万km，并且以每年5%～10%的速度递增。

随着国内各油田的开采相继进入中后期，注水开采成为提高采收率的主要工艺，注水管的腐蚀问题日益突出，对中、高压玻璃钢管的需求量不断增加。据统计，辽河油田每年需求高压玻璃钢注水管600 km以上；胜利油田每年需求高压玻璃钢注水管 1000 km以上；大港、中原、长庆、延长等油田对高压玻璃钢管的需求量也在逐年增加。我国油田系统每年玻璃钢管的总需求量达6000 km以上，工程投资达9亿元。另外，井下玻璃钢油（套）管的市场需求量更大，市场潜力巨大。据预测，2010年至2020年是玻璃钢管的使用高峰期。

2 玻璃钢注水管的应用特点及存在的主要问题

2.1 玻璃钢的特点

由于玻璃钢管优越的特点及性能，玻璃钢管在油田中得到广泛应用，并且逐渐取代现有的金属管材[7～8]。其特点主要表现在以下方面：

（1）质轻、经济。玻璃钢密度小，密度为1.8～2.0 kg/cm3，仅为钢的1/4，比强度高，运输方便，在安装过程中节省大量的人力、物力、财力。（2）摩阻小，抗腐蚀性好。玻璃钢管的内表面非常光滑，粗糙度为0.005，摩擦因数为0.016，摩擦阻力小，不易结垢、结蜡，输送能力高，可输送大多数流体，同时，玻璃钢管的内、外壁均可抵抗众多化学流体的侵蚀，抗腐蚀性能优异。（3）设计灵活，产品适应性强。电、热绝缘性好，可以通过设计来改变制造中的各种规格，压力等级、刚度等级等，从而满足不同用户的要求。（4）工程综合效益好。玻璃钢管管径越大，成本越低，使用年限长，设计使用寿命可达到30～50年。

2.2 存在的主要问题

（1）脱扣。

玻璃钢油管本体的最大拉伸强度为100 MPa左右，但接头的连接强度只能达到本体材料的85%左右。由于玻璃钢油管在使用过程中会受到各种力的影响，如油管自身重力、液柱力、油管和套管之间的摩擦力等，在这些力的综合作用下，易造成内螺纹牙根处失效，造成脱扣现象[9]。

（2）接头的泄露与渗漏。

井下玻璃钢管的连接一般采用螺纹连接，由于玻璃钢管接头密封性差，一般采用胶密封或金属密封。采用嵌入式金属接头结构虽可以保证密封性能，但由于易腐蚀正在逐渐被淘汰。胶密封接头在受到恒定载荷或交变载荷的作用易发生蠕变破坏和疲劳破坏，易造成接头局部损伤，最终导致接头的泄露与渗漏，甚至断裂[10～11]。

（3）适用温度较低。endprint

玻璃钢管的基体树脂是高分子材料，在高温下容易发生树脂大分子氧化、水解等老化现象，使材料强度明显降低，也易导致失效。因此，玻璃钢管一般只能在-50℃～100℃的范围内长期使用，相比于其他的金属材料，使用温度低，不能在深井中使用。

（4）抗挤压、疲劳性能差。

玻璃钢管的环向弹性模量是钢管的 1/10，环向压缩及弯曲性能较差，一般适合井斜低于30°的油井使用，另外玻璃钢管独特的层状结构，导致疲劳性能下降。Huseyin Arikan[12]研究发现，玻璃钢的疲劳断裂过程中会出现三个阶段的变化：第一阶段表面泛白，出现界面脱离或层状剥落；第二阶段出现微孔和裂纹；第三阶段出现疲劳断裂。层间剥落导致疲劳裂纹容易产生，而裂纹引起的应力集中会切断玻璃纤维，进而导致玻璃钢失效。玻璃钢管一旦破裂，修复（相对钢管）难度大，维修时间长[13]。

（5）接头重复使用率低。

为了防止玻璃钢注水管的泄漏问题，一般采用胶密封，但当井下作业起柱时，胶密封式的螺纹连接容易造成牙型损伤，导致接头连接失效，因此，接头的重复使用率明显低于钢质接头。

（6）生产、检测不规范。

我国在玻璃钢管道的设计和选型上主要依据制造商提供的相关资料，缺少权威的标准，产品质量差别大。另外，我国玻璃钢管道产品检验的方法、标准尚不完善，产品质量难以保证。

3 应用前景及展望

从近年的调查情况来看，作为新型耐腐蚀，寿命长、质轻的玻璃钢材料在与金属材料的竞争中，逐渐显示出它的优势，已越来越受到油田的重视。但随着石油工业的高速发展，油田生产对玻璃钢管的耐高温、高压等性能和复杂井况及分层注水等工艺的要求也越来越高，玻璃钢管在注水方面的应用需要解决以下几个问题。

（1）玻璃钢管接头的连接问题。目前使用的螺纹连接、承插式等连接都不能解决很好的解决密封及连接强度的问题，因此，在接头的结构或材料的选择上进行研究，设计一种连接强度高、密封性好、易拆卸的接头型式。（2）提高玻璃钢管的强度。在井下，玻璃钢管的应用还不太广泛，主要原因是玻璃钢管的压缩强度远低于其抗拉强度。在注水井中复杂的工况条件以及频繁的井下作业、新的注水工艺等都会对玻璃钢管的强度提出更高的要求。目前高强玻璃纤维、硼纤维、晶须等增强材料以及改良的环氧树脂已研制成功，因此，通过改良、优化工艺生产高强玻璃钢管已成为可能。（3）研制耐高温玻璃钢管。目前一般玻璃钢管都在100 ℃以下使用，适用井深低于2000 m，而钢管在这个温度和深度腐蚀十分严重，如果能研制超过150 ℃的耐高温玻璃钢管，则应用前景更加广泛。（4）统一标准，完善体系。目前国内玻璃钢管市场混乱，仅靠企业、行业的标准很难保证玻璃钢管的质量，因此，国家应根据玻璃钢管的生产，制定相应的生产、检验及产品规格等标准，保证产品质量，规范玻璃钢管的研制、生产及应用环节，使玻璃钢在油田注水方面得到更好的推广应用。

参考文献

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