柔性复合油管注水管柱的设计与试验

申晓莉 胡美艳 于九政 罗必林 毕福伟

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

柔性复合油管注水管柱的设计与试验

申晓莉1，2胡美艳1，2于九政1，2罗必林1，2毕福伟1，2

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

油田采出水中含有大量的硫酸盐还原菌、腐生菌、铁细菌等，其腐蚀性强，引起采出水回注井井筒注水管柱严重腐蚀，在满足现有注水管柱工作参数条件下，通过改变注水管柱材质、结构的方法，设计出一种抗腐蚀性能强的柔性复合油管。进行了油管强度校核、室内性能评价实验、注水管柱组合设计和现场试验研究。试验表明：柔性复合油管在现有注水工作参数条件下，使用寿命可达15 a以上，达到了钢质油管寿命的3倍以上，为油田注水井井筒防腐提供了一种新方法。

柔性复合油管；注水管柱；抗腐蚀；油管强度；试验

目前国内大多数油田处于注水开发阶段，油田注水依然是补充地层能量、提高采收率的重要手段。采出水主要对注水管柱产生化学腐蚀、细菌腐蚀，且腐蚀性随着矿化度的增加而增强，具体表现为管柱腐蚀穿孔、结垢。目前对注水管柱的防腐主要是通过对钢质油管喷涂防腐涂层。注水管柱可靠性分析及寿命评估表明，采出水注水管柱的使用寿命只有3年［1-2］。频繁更换注水管柱不仅造成油管费用增大，同时也增加了现场作业费用，不利于油田低成本、高效益开发，需要通过对注水管柱材质、结构等方面进行研究，提高注水管柱在采出水回注井上的适应性。

1 柔性复合油管

1.1 结构

在满足油田注水管柱强度要求条件下，利用非金属复合材料抗腐蚀性能良好的特点，设计柔性复合油管，提高注水管柱的防腐蚀性能，延长注水管柱使用寿命。

设计参数如下：工作压力≤16 MPa；温度≤90 ℃；井斜≤35°；注水量≤50 m3/d；洗井排量≥30 m3/h；油层套管内径124.26 mm；使用寿命≥15 a。

根据设计参数要求，设计出内径为40.5 mm、外径为76.3 mm、壁厚为17.9 mm的柔性复合油管结构，如图1所示。

图1 柔性复合油管结构示意图

该油管由内层、增强抗压层、抗拉层和外防护层组成，各层材料、加工工艺及功能见表1。由于受现场运输条件的限制，一般单根柔性复合油管长度不超过2 000 m。

表1 柔性复合油管结构、选材、加工工艺、功能

1.2 性能评价

注水管柱在注水过程中需要承受注入液体的压力、油管自重及管壁与液体的摩擦力［3］，结合设计工艺，其抗压公式为［4］

式中，N为增强层上纤维丝的总根数；K为纤维丝的单根强度，kg/根；D为增强层平均直径，cm；ε为纤维丝断裂伸长率；C为缠绕层数影响缠绕不均性的修正系数（1层C=0.9、2层C=0.8、3层C=0.75、4层C= 0.7）；n为不同压力计算系数（压力＜12 MPa时，n=0.735；压力 ＞16 MPa时，n=1.103）。

抗拉公式为［4］

式中，σ为纤维带轴向应力；A为纤维带截面积；n为第i层纤维带数量。

根据式（1）、式（2），计算出 DN40 长度 2 000 m的柔性复合油管在不同工作压力下的载荷，见表2。

表2 DN40长度2000 m的柔性复合油管在不同工作压力下载荷

由表2可以看出，柔性复合油管设计载荷是在位载荷的1.5倍以上，一般注水管柱安全系数为1.3，可以满足注水管柱强度要求。

对设计出的DN40、PN16柔性复合油管进行了抗内压、抗拉、抗腐蚀等室内评价实验。

选取1.3 m柔性复合油管，固定在加压实验装置上进行加压，当压力达到24.5 MPa时，停止加压，保持24 h，观察压力下降情况。实验结果：压力为24.0 MPa保持24 h，24 h压降为2.0 %，达到了标准［5］规定的1.5倍公称压力（16 MPa）、24 h后压降小于4%要求。

选取1.6 m柔性复合油管，固定在拉伸实验装置上进行拉伸实验，当拉力达到25 T时管体被拉断，符合标准［6］规定的最小拉力不小于24 T的要求。

在模拟注入压力、温度条件下，开展柔性复合油管抗H2S、CO2等腐蚀性物质的室内实验，实验介质采用模拟处理后的油田采出水。在压力9.0 MPa、温度70 ℃恒定条件下，将其浸泡168 h后称重，计算出增重率为2.08%，符合标准［7］增重率不大于2.3%要求。

同时，对柔性复合油管进行了其他性能测试评价，测试结果显示：柔性复合油管密度为1.02 g/cm3、爆破压力为57 MPa、纵向回缩率为1.2 %、最小弯曲半径为450 mm，均满足国家相关标准，达到了油田注水管柱要求。

2 柔性复合油管注水管柱

柔性复合油管应用在注水井上的关键问题是必需能够与现有注水井口、普通钢质油管相连接，形成注水工艺管柱。为了便于相互连接，研制了连接转换接头，其特点是一端为螺纹式，用于连接普通钢质油管，一端为压扣式，用于连接柔性复合油管，并带有防脱装置，如图2所示。结合现有注水管柱特点，形成了柔性复合油管注水工艺管柱，管柱组合为：提升短接+连接接头+柔性复合油管+连接接头+加重油管（内防腐涂料油管）+斜尖。如图3所示。

图2 柔性复合油管注水工艺管柱连接转换接头结构

图3 柔性复合油管注水工艺管柱

3 现场试验

2011年11月至2012年1月在长庆陇东油田采出水回注井上试验4口井，目前4口井正常注水。以2号井为例，该井位于陇东油田采出水腐蚀严重区域，更换柔性复合注水管前，下入的普通涂料油管的使用寿命为2～3 a，柔性复合注水管使用寿命为15 a以上。柔性复合注水管柱组合结构简单，连接方便，首次下入该工艺管柱仅用4 h，大大提高了作业效率。

4 结论

柔性复合油管用作注水管柱是可行的，在合注井上应用前景良好，但由于其抗内压较好，抗外压能力较弱，不适用于分层注水管柱，下一步需开展结构优化，增强其抗外压能力，使其适应分层注水管柱。

［1］ 王艳红，付路长，王旱祥.注水管柱可靠性分析与寿命评估［J］.石油矿场机械，2008，37（6）：75-77.

［2］ 李文印，郝长生，曹兴东，等.对注水井油管防腐机理的分析与探讨［J］.石油钻采工艺，1994，16（3）：93-97.

［3］ 孙爱军，徐英娜，李洪洌，等.注水管柱的受力分析及理论计算［J］.钻采工艺，2003，26（3）：55-57.

［4］ 于洋洋，张公社，段渊.高压注水管柱变形及强度校核研究［J］.断块油气田，2007，14（3）：75-76.

［5］ GB/T 6111—2003，流体输送用热塑性塑料管材耐内压试验方法［S］.

［6］ GB/T 8804.3—2003，热塑性塑料管材拉伸性能测定［S］.

［7］ GB/T 11547—2008，塑料耐液体化学试剂性能的测定［S］.

Designing and experiment of flexible composite water injection string

SHEN Xiaoli1,2, HU Meiyan1,2, YU Jiuzheng1,2, LUO Bilin1,2, BI Fuwei1,2
（1. Oil&Gas Technology Research Institute,Changqing Oil Field Company,Xi’an710018,China;2. National Engineering Laboratory of Tight Oil&Gas Field Exploration and Development,Xi’an710018,China）

there are lots of sulfate reducing bacteria (SRB), saprophytic bacteria and iron bacteria in oil field produced water which is highly corrosive substances. So the corrosion in produced water injection well is severe. Under the conditions of meeting the existing water injection well string working parameters, the anti-corrosion flexible composite injection string was developed by changing the material and structure of water injection well string. The pipe strength check, indoor performance evaluation experimental, injection string combination design and field application study were done to test the flexible composite pipe behavior. The results showed that the flexible composite pipe can be used for more than15 years in existing water injection working conditions, which is more than three times of steel tubing life. Successfully application means a breakthrough and supplies a new method for corrosion resistance of injection well string.

flexible composite pipe; water injection string; corrosion resistance; pipe strength; experiment

申晓莉，胡美艳，于九政，等.柔性复合油管注水管柱的设计与试验 ［J］. 石油钻采工艺，2013，35（4）：111-113.

TE934+.1

：B

1000–7393（2013） 04–0111–03

中国石油低碳关键技术研究“低渗透油气田节能节水关键技术研究”（编号：2011E-2402）资助。

申晓莉，1980年生。2004年毕业于石油大学（华东）石油工程专业，现主要从事油田注水和提高采收率技术研究工作。电话：029-86590771。E-mail：sxli_cq@petrochina.com.cn。

2013-04-08）

〔编辑 景 暖〕