楊 峰，明爾揚，遲 花，于志猛，劉 輝，李洪浩，于春振

(1.滄州明珠塑料股份有限公司 河北 滄州 061000; 2.中國石油勘探開發(fā)研究院采油采氣裝備研究所 北京 100083)

0 引 言

近年來，油田不斷加大勘探開發(fā)力度，對于采油管和注水管的需求量不斷攀升。傳統(tǒng)的金屬管道因易結(jié)垢、易腐蝕的特點導(dǎo)致其使用壽命較短，所以國內(nèi)外一些管材制造商積極研發(fā)非金屬及復(fù)合材料管道，用于代替金屬管道[1-3]。本文研究的是一種非金屬連續(xù)纖維增強熱塑性復(fù)合管道，由于管材基體材料為熱塑性塑料，所以在拉力、內(nèi)壓和高溫環(huán)境下，管材會出現(xiàn)形變，同時由于抗壓層和抗拉層的存在，其形變不同于均一材質(zhì)的管道。目前國內(nèi)對于該類型復(fù)合管在組合載荷下的性能研究主要基于理論和有限元計算，張尹對纖維纏繞增強復(fù)合管在軸對稱載荷下的力學(xué)行為進行了理論和有限元建模分析[4]，王諾思對纖維纏繞增強復(fù)合管外壓及組合荷載下的屈曲性能進行了試驗和有限元計算研究[5]。

本文結(jié)合復(fù)合管在油田分層精細注水時的使用工況，設(shè)計了一系列模擬試驗，通過對比試驗前后管材尺寸和力學(xué)性能變化，分析了其性能的變化規(guī)律，為更好地了解該類型復(fù)合管用于井下時的性能提供參考依據(jù)。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗材料采用內(nèi)徑50 mm，公稱壓力為25 MPa的復(fù)合管。復(fù)合管由內(nèi)襯層、抗壓層、智能層、抗拉層和外保護層組成，各層之間為全融合結(jié)構(gòu)，其中內(nèi)外層為普通高密度聚乙烯，增強層為乙烯基預(yù)浸漬連續(xù)纖維增強帶。

1.2 試驗方法

復(fù)合管應(yīng)用于井下分層注水時，主要經(jīng)歷管材放卷、管柱下井、測井、動管柱、測井、洗井等過程。本文選取了中石油吉林油田某油井作為研究對象，該井井深1 000 m，井口溫度20 ℃，溫度梯度3 ℃/100 m，正常注水壓力25 MPa。考慮復(fù)合管在使用過程中，環(huán)境溫度和復(fù)合管受力情況隨井深改變，選取0 m，500 m和1 000 m三處典型位置進行研究，主要工況參數(shù)見表1。

根據(jù)表1確定復(fù)合管在各過程的主要受力情況，用上部試樣、中部試樣和下部試樣分別代表注水井0 m、500 m和1 000 m處管材，進行溫度、拉力和內(nèi)壓等組合載荷的模擬試驗。試驗過程中測量管材尺寸變化，研究其變形規(guī)律。試驗完成后對其進行破壞性試驗，通過對比3個試驗結(jié)果，得出管材性能折減情況。

表1 井下工況參數(shù)

試驗過程中使用的試驗設(shè)備主要包括：100 MPa爆破試驗機、50 MPa壓潰試驗系統(tǒng)、50 MPa靜液壓試驗機、50 t拉伸試驗機以及恒溫循環(huán)水箱。

2 試驗結(jié)果及分析討論

2.1 自然伸長率試驗(模擬下井)

通過模擬試驗，測量復(fù)合管因自重引起的長度變化，得到了不同溫度下3個試樣的伸長率與復(fù)合管長度曲線，如圖1所示。

圖1 自然伸長率試驗曲線對比圖

由圖1可看出，隨著載荷增大，不同溫度下復(fù)合管的伸長率與拉力近似成線性關(guān)系。另外40 ℃和60 ℃時伸長率較為接近，并且復(fù)合管長度超過300 m時，常溫伸長率高于40 ℃和60 ℃復(fù)合管伸長率。

2.2 坐封憋壓試驗(模擬下井)

3個試樣的伸長率曲線如圖2所示?？梢钥闯鰞?nèi)部壓力對于管材的伸長具有一定的抑制作用，且在拉力作用下內(nèi)壓與伸長率具有線性規(guī)律。

圖2 坐封憋壓試驗伸長率曲線

2.3 拉力、溫度組合試驗(模擬測井)

3個試樣在相應(yīng)的拉力、溫度持續(xù)作用下，伸長率曲線如圖3所示?？梢钥闯鰪?fù)合管在前期伸長率稍有增加，半小時后伸長率基本不再變化。

圖3 拉力、溫度試驗伸長率曲線

2.4 拉力、溫度和內(nèi)壓組合試驗(模擬測井)

3個試樣在相應(yīng)的拉力、溫度和內(nèi)壓持續(xù)下，伸長率曲線如圖4所示?？梢钥闯鰪?fù)合管在組合載荷下伸長率很穩(wěn)定，隨時間增長幾乎不再變化。

圖4 拉力、溫度和內(nèi)壓試驗伸長率曲線

2.5 自然伸長率試驗(模擬動管柱)

3個試樣的伸長率與復(fù)合管長度曲線如圖5所示。隨著載荷增大，不同溫度下復(fù)合管的伸長率與拉力近似成線性關(guān)系。

圖5 自然伸長率試驗伸長率曲線

2.6 坐封憋壓試驗(模擬動管柱)

3個試樣的伸長率曲線如圖6所示。可以看出內(nèi)部壓力對于管材的伸長具有抑制作用，且60 ℃時抑制作用最明顯。

圖6 坐封憋壓試驗伸長率曲線

2.7 拉力、溫度組合試驗(模擬測井)

3個試樣在相應(yīng)的拉力、溫度持續(xù)作用下，伸長率曲線如圖7所示。前半小時內(nèi)伸長率稍有增加，伸長率穩(wěn)定后幾乎不隨時間變化；與第一次模擬試驗相比，常溫時伸長率變小，40 ℃時伸長率變大，60 ℃試樣無拉力故伸長率為0。

圖7 坐封憋壓試驗伸長率曲線

2.8 拉力、溫度和內(nèi)壓組合試驗(模擬測井)

3個試樣在相應(yīng)的拉力、溫度和內(nèi)壓持續(xù)下，伸長率曲線如圖8所示?？梢钥闯鰪?fù)合管伸長率很穩(wěn)定，與第一次模擬試驗相比，常溫下伸長率變小，40 ℃和60 ℃下伸長率變大。

圖8 坐封憋壓試驗伸長率曲線

2.9 破壞性試驗

拉伸試驗、爆破試驗和壓潰試驗結(jié)果見表2，試樣圖片如圖9、圖10和圖11所示?？梢钥闯鰷囟取⒗蛢?nèi)壓組合載荷會導(dǎo)致復(fù)合管耐壓能力、抗拉能力有不同程度的降低。其中溫度對爆破性能影響較大，而拉力對抗外壓能力影響較大。

表2 拉伸試驗結(jié)果

圖9 爆破試樣

圖10 拉伸試樣

圖11 壓潰試樣

3 結(jié) 論

通過試驗結(jié)果可看出，溫度對于內(nèi)壓的影響較為明顯，溫度越高，爆破壓力下降越明顯；通過上、中、下3部分模擬測試對比發(fā)現(xiàn)，在某一溫度范圍內(nèi)，溫度對于拉伸性能的影響比較明顯，這主要是由于PE材料受溫度影響比較明顯；通過伸長率測試發(fā)現(xiàn)，單純軸向力對于伸長率有明顯作用，內(nèi)壓對于伸長率有抑制作用，隨后管材還是會在軸向力作用下逐漸伸長。由此可見，復(fù)合管在井下使用時所受到的載荷較為復(fù)雜，且管材在使用時隨時間會產(chǎn)生蠕變，進而導(dǎo)致性能衰減。因此，用于井下注水或采油的復(fù)合管在設(shè)計之初應(yīng)考慮足夠的安全系數(shù)。