聚酰胺内衬非金属复合连续管机械及防腐性能研究

侯泽宁，张海龙，邢希金，张磊，李准，齐致远

中海油研究总院有限责任公司（北京 100028）

0 引言

非金属复合连续管是在连续油管的基础上演变而来的，油田使用的连续油管一般外径小于50.8 mm（2"），主要用于修井作业中的打捞、冲砂，生产时的气举排液、诱喷，以及连续油管酸化或者氮气泡沫调剖等后期调整作业[1]。非金属复合连续管相较于传统连续油管有着更为广泛的用途，可以替代传统油管，其有着智能（内嵌电缆或光纤，可实现井下数据传输，实现油井智能化），便捷（不需修井机即可完成修井作业，适用于边际油田、无人平台），高效（内嵌电缆，无需逐根连接油管，降低电缆损坏风险，提高作业效率），防垢、防蜡等诸多优点[2]。目前第一代产品已在长庆油田、大庆油田和华北油田等陆上油田现场应用[3]，而海上油田比陆地油田更为苛刻，对其有更高的性能要求。

目前国内外对复合连续管已开展了一些相关研究，主要为技术发展现状和增强结构的数值模拟研究，未涉及复合连续管的机械及防腐性能的研究：于京阁等[4]从结构设计和强度计算两方面对复合材料连续管设计技术进行了研究；张辛[5]、丁楠等[6]和Kevin Cox 等[7]均通过数值模拟对非金属复合连续管的增强层进行了力学特性研究；吉效科等[8]针对非金属复合连续管生产系统进行了研究和现场试验，指出该系统可实现远程监控和自动调参，并可有效延长结蜡和结垢周期；谈建平等[9]设计了一套配合非金属连续管使用的冲砂工具，实现了高速可调旋转、水力拉拽、脉冲射流功能；吴金鑫等[10]对非金属复合管开展了涡激振动数值模拟分析；王力等[11]对复合连续管的力学性能研究现状与发展进行了综述和分析。

因此，本文针对聚酰胺内衬的非金属复合连续管机械性能及防腐性能开展了一系列试验研究，验证其性能是否满足海上作业要求，以及在不同腐蚀环境下的适应能力。

1 非金属复合连续管结构

非金属复合连续管由三层结构构成：智能内衬层、纤维增强层以及外保护层[12]（图1）。

图1 非金属复合连续管结构示意图

智能内衬层为管体提供电源动力和信号传输功能，同时起防渗漏、防腐蚀、抗结垢结蜡的作用，是输送油气的屏蔽层。

纤维增强层为非金属连续管提供主要的力学性能，材料的选择需要兼顾强度和柔韧性，同时也要保证较高的耐疲劳性。增强层的纤维主要有两种：芳纶纤维和玻璃纤维，选用的纤维均经过热塑性树脂的完全浸润。

外保护层的材料选用和内衬层材料一致，保护管材，起到防腐蚀、防磨损等作用。

2 非金属复合连续管机械性能评价

2.1 试验对象

机械性能评价试验主要针对非金属复合连续管整体进行试验，管体样件外径98.85 mm，内径50.55 mm，公称压力为20 MPa，内衬层和外保护层为聚酰胺（又称尼龙），增强层为玻璃纤维和芳纶纤维（图2）。

图2 机械性能试验样件

2.2 试验标准

非金属复合连续管机械性能评价试验按照标准SY/T 6662.6—2014《石油天然气工业用非金属复合管第6部分：井下用柔性复合连续管及接头》[13]开展，其中抗拉试验依据GB/T 5349—2005《纤维增强热固性塑料管轴向拉伸性能试验方法》[14]开展；抗内压试验依据GB/T 15560—1995《流体输送用塑料管材液压瞬时爆破和耐压试验方法》[15]开展；抗外挤试验依据SY/T 6662.6—2014 开展；循环内压疲劳试验依据ASTM D 2143—2015《增强热固塑料管耐周期性压力强度的标准试验方法》[16]开展；最小弯曲半径试验依据SY/T 6662.6—2014、SY/T 6794—2018《可盘绕式增强塑料管线管》[17]和GB/T 6111—2018《流体输送用热塑性塑料管道系统耐内压性能的测定》[18]开展；扭转试验依据GB/T 21267—2017《石油天然气工业套管及油管螺纹连接试验程序》[19]开展。考虑到海上油田一般储层温度环境条件，试验温度设定为80 ℃。

2.3 试验结果

经试验，非金属复合连续管最大拉伸载荷为740 kN，爆破压力为64.7 MPa，抗外挤压力为26.2 MPa，最小弯曲半径为1 m，最大扭矩为7 564 N·m，可满足海上常规作业要求（表1）。

表1 非金属复合管机械性能试验结果

3 非金属复合连续管防腐性能评价

高分子材料的腐蚀与金属腐蚀有本质的区别。金属是导体，在常温下的水溶液中，腐蚀多以金属离子溶解进入电解液的形式发生，因此在大多数情况下可用电化学过程来说明；而高分子材料一般不导电，也不以离子形式溶解，因此其腐蚀过程难以用电化学规律说明。对于高分子材料，其周围的试剂（气体、液体等）向材料内渗透扩散是腐蚀的主要原因[20]。对于非金属材料的腐蚀程度评价方法通常采用质量法和机械性能比较法。

3.1 试验内容及方法

3.1.1 试验对象

防腐性能评价试验主要针对非金属复合连续管内衬层材料进行试验，内衬层为聚酰胺，将其按照标准制成II型拉伸试样和冲击试样（图3）。

图3 防腐性能试验样件

3.1.2 试验标准

非金属复合连续管内衬层材料聚酰胺（PA）防腐抗老化性能评价试验按照标准GB/T 34903.1—2017《石油、石化与天然气工业与油气开采相关介质接触的非金属材料第1部分：热塑性塑料》[21]进行开展，其中拉伸强度测试依据GB/T 8804.1—2003《热塑性塑料管材拉伸性能测定第1部分试验方法总则》[22]开展；冲击强度测试依据GB/T 1043.1—2008《塑料简支梁冲击性能的测定第1部分非仪器化冲击试验》[23]开展；硬度测试依据GB/T 2411—2008《塑料和硬橡胶使用硬度计测定压痕硬度（邵氏硬度）》[24]开展；维卡软化温度的测试依据GB/T 1633—2000《热塑性塑料维卡软化温度（VST）的测定》[25]开展。

3.1.3 试验条件

CO2环境老化试验：模拟渤海油田常规生产井井底温度80 ℃、CO2分压6 MPa 工况（13Cr 油井条件工况），采用0号柴油模拟原油介质。试验时间分为12、24、36、48 d、4组，表征内衬层材料聚酰胺试验前后的质量变化、拉伸性能、冲击性能、邵氏硬度、维卡软化温度性能参数变化情况。

H2S 环境老化试验：模拟渤海油田常规生产井井底温度80 ℃、H2S 分压0.1 MPa 工况，采用0 号柴油模拟原油介质。试验时间分为12、24、36、48 d 4组，表征内衬层材料聚酰胺试验前后的质量变化、拉伸性能、冲击性能、邵氏硬度、维卡软化温度性能参数变化情况。

含O2环境老化试验：模拟渤海油田常规注水井井底温度80 ℃、H2S 分压0.01 MPa、CO2分压0.2 MPa工况、含氧量300×10-9，采用含氯水模拟输送介质，Cl-浓度为25 000 mg/L。试验时间分为12、24、36、48 d 4 组，表征内衬层材料聚酰胺试验前后的质量变化、拉伸性能、冲击性能、邵氏硬度、维卡软化温度性能参数变化情况。

3.2 试验结果

3.2.1 CO2环境腐蚀试验

经12、24、36、48 d CO2环境腐蚀试验后，非金属复合连续管内衬层试验样品表面均无溶解倾向、无开裂、无气泡和物理变形，各项测试结果与空白对照样品测试结果之间的变化率数据见表2。

表2 CO2环境腐蚀试验结果

试验结果显示，非金属复合连续管内衬层（聚酰胺）在CO2环境下，质量略微增加，拉伸强度变大，冲击强度变小，反映出材料韧性下降，脆性增加的趋势。其中质量变化满足GB/T 34903.1—2017 要求，质量变化率小于5%；拉伸强度变化满足GB/T 34903.1—2017要求，变化率小于20%；冲击强度、邵氏硬度、维卡软化温度变化标准中未作要求，整体来说非金属复合连续管内衬层（聚酰胺）在80 ℃、CO2环境下适应性较好，具有较好的抗CO2腐蚀能力。

3.2.2 H2S环境腐蚀试验

经12、24、36、48 d H2S 腐蚀试验后，内衬层试验样品表面均无溶解倾向、无开裂、无气泡和物理变形，各项测试结果与空白对照样品测试结果之间的变化率数据见表3。

表3 H2S环境腐蚀试验结果

试验结果显示，内衬层（聚酰胺）在H2S 环境下的性能变化结果与CO2环境下相近，质量增加不明显，拉伸强度变大，冲击强度变小，同样呈现出韧性下降，脆性增加的趋势。其中质量变化率、拉伸强度变化率均满足标准要求，整体来说非金属复合连续管内衬层（聚酰胺）在80 ℃、H2S 环境下适应性较好，具有较好的抗H2S腐蚀能力。

3.2.3 含O2环境老化试验

经12、24、36、48 d 含O2腐蚀试验后，内衬层试验样品表面与其他2组试验相同，均无溶解倾向、无开裂、无气泡和物理变形，各项测试结果与空白对照样品测试结果之间的变化率数据见表4。

表4 含O2环境腐蚀试验结果

试验结果显示，内衬层（聚酰胺）在含O2、含Cl-水环境中的性能变化比较明显，其中冲击强度变化率仅12 d 后就下降93.54%，质量变化率、拉伸强度变化率等性能也较另外2组试验变化明显。

根据调研，在GB/T 34903.1—2017[21]中推荐聚酰胺在盐水、海水中的适用温度为0～70 ℃，如果温度更高，则会发生水解。而老化试验的温度为80 ℃，非金属复合连续管内衬层材料可能发生了部分水解，造成拉伸、冲击等性能衰减。并且有文献报道，O2和Cl-的存在会催化聚酰胺的水解反应[26-27]。因此，建议非金属复合连续管在高于80 ℃的含O2、含Cl-水环境下慎重使用。

4 结论

1）非金属复合连续管在80 ℃条件下最大拉伸载荷为740 kN，爆破压力为64.7 MPa，抗外挤压力为26.2 MPa，最小弯曲半径1 m，最大扭矩为7 564 N·m，试验结果满足SY/T 6662.6—2014 标准要求，机械性能基本满足常规海上作业环境条件。

2）在3 种腐蚀环境中，非金属连续管内衬层材料聚酰胺的宏观形貌变化、质量变化、拉伸强度变化试验结果满足GB/T 34903.1—2017 要求，其中在CO2腐蚀环境和H2S腐蚀环境下表现良好。

3）在80 ℃，含O2、含Cl-水环境中，内衬层材料聚酰胺出现韧性下降、脆性增加的趋势，建议聚酰胺内衬的非金属复合连续管在高于80 ℃的含O2、含Cl-水环境下慎重使用。