復合連續油管現場應用經驗

楊社民 編譯

（中國石油集團東南亞管道有限公司，北京100028）

1 復合連續管概述

在美國conoco公司所做工作的基礎上,美國Fiberspar公司通過7年的時間，開發出了可纏繞式復合連續管。早期的開發，作為鋼制連續油管的替代產品，集中用于井下低抗疲勞和耐腐蝕環境。但在最初的開發期之后，由于受市場拉動，研究重新專注于地面的應用技術，該技術于1999年首次商業化用于地面集輸管線，目前大多數在北美洲應用。該技術已被證明是一個可靠并節省成本的技術,特別是對任何腐蝕性環境，這項技術是一項很好的替代方案，并且安裝快速，安全，節省人力。針對小直徑連續管施工行業的安裝速度和可靠性，制定了新的標準?？衫p繞式復合連續油管作為現有防腐蝕的解決方案，比如鋼內襯和玻璃纖維加強管，隨著技術的發展和成熟，應用范圍將越來越廣。

連續管技術，特別是制造工藝的發展，受益于這種商業上的成功應用和批量生產。當這種技術首先被開發出來時，許多業內專家認為，建立一個商業而不是一個技術上成功的最大風險，將是企業制造出始終保持高質量標準的較長連續油管的能力?，F在，產品通常制造的長度達六、七千米，偶爾在一個高度自動化的24 h連續制造工藝下會生產出更長的產品。這個工藝不是勞動密集型的，而是高度的自動化。連續管長度的限制取決于產品包裝的結果，而不是工藝的可靠性。

在連續管開發初期，井下應用雖然不是最優先的開發目的，但后來井下應用有了一些持續發展。其地面應用達到了成熟的地步，現在研究將會對井下市場進行更多的關注。雖然地面和井下應用的基本技術是大致相同的，但為了連續油管能夠適于這些應用，已經進行了一些改進?，F場試驗以及實驗室都進行了測試，筆者將回顧這些現場的經驗，也將簡要介紹擴大井下應用技術的戰略計劃和重點領域，以期進一步擴大復合連續油管的能力及應用。

2 復合連續管的設計

可纏繞式復合連續管的基本設計包括內部流體屏套（通常熱塑性擠出）和加強層，在屏套上的加強纏繞是一個連續的工藝（如圖1所示）。

圖1 可纏繞式復合連續管的設計結構

加強層壓板材料包括多層和反向纏繞的纖維層，在環氧樹脂基體中，通常是玻璃纖維或碳纖維，或兩者的混合體。連續管在隧道爐里固化，其成品管被纏繞到卷筒上。連續管的特有工藝確保了襯套被化學鍵結合到加強結構上，以延長產品的使用壽命。該工藝完全自動化，并通過工藝窗口來嚴格控制，以保證產品質量的一致性和低成本。連續管所生產的長度，不是受技術的限制，而是受商業應用的驅動。所有管線，大多數為井下管道設計，就是使用光纖的幾何形狀，以便以最大3.5%的應變進行纏繞，卷筒直徑相當于連續管外徑的28倍 （如圖2所示）。這些高卷繞應變和較低單位質量的連續管，使用專門設計的拖車，可以實現卡車陸路運輸。

圖2 卡車陸路運輸的較大尺寸和長度的復合連續油管

對于較高軸向負荷的井下用管，一般設計使用2%～3%的應變進行纏繞。對于特定的應用要求，雖然連續管基本結構保持不變，但設計上的變化可以安排在相同的工藝生產線上完成。例如：①纖維幾何形狀的加強層可以設計特定的性能，比如拉伸強度；②較高溫度額定值可用于不同的樹脂配方；③光纖或銅導線可以嵌入到電力和數據通信矩陣（smart pipe）；④熱塑性流體屏套可以選擇特定的性能；⑤外部粘結或無粘結流體屏套可以增加適合外粘和內壓的性能；⑥零滲透的屏套可以合并。

3 質量保證

用于輸送的符合連續管系列產品已經設計并通過試驗，滿足各種現有的行業標準，如API 15 HR和CSA Z-662。針對可纏繞式復合連續管，該行業組織目前正在制定一項新的API推薦作法。然而，這些標準，都是特定于地面應用，對井下應用沒有相應的標準，而行業要求在每次應用程序的基礎上已逐步發展。

用于輸送的符合連續管按照ISO 9001兼容的設備進行制造，且該工藝是完全自動化的，以確保產品的可靠性和可重復結果，并采用了嚴格的質量控制和檢測系統。

4 井下應用

復合連續管的井下應用包括永久性設施，如生產油管、速度管柱和注射管柱，尤其適用于腐蝕性環境，如連續油管干預和鉆井。

4.1 干預管柱

復合連續管第一代的設計開發都采用多層和可變幾何層壓板的碳纖維加強材料，以及優化的軸向性能和疲勞壽命，同時保持了合理的可纏繞性。雖然這些設計有高成本的缺點，并對制造業提出了一些挑戰，但最終被證明其性能滿足所有要求。1998年，1 524 m長、直徑38.1 mm（1.5 in）的復合連續管被制造出來。圖3所示為在德克薩斯西南部使用常規的連續油管設備生產出的管柱。這根管柱的現場性能在以前的《干預和連續油管協會》的論文6（ICoTA paper 6）中發表過，其規范見表1的第Ⅰ列。

圖3 1 980 m長、直徑3.8 mm（1.5 in）復合連續油管的現場應用試驗

直徑38.1 mm（1.5 in）的復合連續管性能優異，但和小直徑連續油管相比，并沒有顯示出明顯的商業優勢。本次試驗主要是為了提供一些現場經驗，這方面的經驗已應用于鉆井所需的大直徑管柱。經過最初的應用試驗后，直徑38.1 mm（1.5 in）復合連續管管柱研發被停止，從而努力集中開發一個先進的連續油管鉆井系統所用的智能管（smart pipe），將在下文中敘述。

2002年，設計了一種新的復合連續油管并已通過現場試驗。本設計是基于類似于如今已成功的管線設計所用的施工技術、纖維的幾何形狀和材料，但與早期的產品設計以及智能管（smart pipe）的設計有著明顯不同。新的復合連續油管采用了更低的成本，并提高了可纏繞性，同時保留了大部分的設計性能。成本的降低主要是通過使用玻璃纖維與碳層壓板加固和高密度聚乙烯（HDPE）材料所取得的，而不是用聚偏氟乙稀（PVDF）作為內壓壓板。2002年底，一個采用新的設計制成的1 524 m長、直徑38.1 mm（1.5 in）的管柱被部署在德克薩斯南部，已被用于修井和完井工作。其規模化生產成本大約是同類連續油管的1.5倍，該管柱的規范見表1中第Ⅱ列。與第Ⅰ列所示的連續管設計相比，其壓爆和拉伸強度明顯降低，成本降低大約70%。應變由2%提高至3.5%，可纏繞性明顯提高，這將降低運輸成本和設備成本。

表1 復合連續管技術參數

修井和完井工作是快速、重復的，它可提供觀察管柱在很短的時間內運行的最佳機會。第一個月運行過程中，平均每天都完成近一個井的工作，管柱處于良好的狀態，這驗證了復合連續油管柱比普通連續油管工作壽命長。

干預管柱也繼續進行更高性能的工作，例如連續油管壓裂和注入腐蝕性液體（過氧化氫和二甲苯等）。這包括管柱采用纖維的幾何形狀、多層加固材料和使用的熱塑性工程塑料（如聚苯硫醚外套的創新混合設計）。直徑38.1 mm（1.5 in）的干預管柱在2003年第3季度進行了現場試驗，該管柱的規范見表1的第Ⅲ列。

4.2 用于智能鉆井的智能管（smart pipe）

1998年，Fiberspar被委托為一種先進的連續油管鉆井系統設計并建造帶導體實時功率和數據傳輸的復合連續油管。第一代設計升級版（表1，第I列31，層壓板）建立了包含碳加固材料和嵌入式導體。該管直徑為73 mm(27/8in)，50 MPa設計壓力，并進行了廣泛的試驗，然后在兩個實鉆情況（試驗井）中運行。經過幾輪設計，該管最終達到要求的性能指標。這個智能管開發的亮點主要包括：

（1）生產工藝被證明是優異的，最終生產出了兩個連續長度超過6 400 m的智能管；

（2）經過多次設計，開發出了一個簡單、可靠的方法，是在線安裝6個20#AWG導體。該工藝被證明非?？煽浚?/p>

（3）數據導體在現場從未出現過任何性能問題；

（4）在項目開發的后期，關鍵點是在一個完整的外擠壓力情況下，智能管必須保持完整性。這是通過在熱塑性外部流體外套上添加薄的玻璃纖維耐磨層來實現的；

（5）其中一個要求是，該管可以在普通連續油管上運行，由于設備互動，該管的外表產生一些磨損。對幾種不同的外部耐磨材料進行了測試，結果發現一個外部粘合的聚丙烯材料具有優良的耐磨性能，可以提供必要的外部氣體外套以保證來自外部流體的抗壓潰性能。

4.3 復合連續油管鉆井

為滿足先進的連續油管鉆井系統而設計的高性能復合連續管設計成本高，當進行常規作業時，與普通連續油管沒有競爭力?？蛻粜畔⒈砻鳎B續管鉆井行業需要較大直徑的連續管以擴大使用范圍， 而89 mm（3.5 in）， 101.6 mm（4 in）和114.3 mm（4.5 in）的普通連續油管很難卷繞和運輸。

從上述用于輸送以及井口干預復合連續管生產經驗中可知，更低成本的直徑89 mm （3.5 in）玻璃纖維增強材料復合連續油管已被設計開發、制造和試驗，并用于鉆井作業。該管規格見表1第Ⅳ列，該管具有優良的抗疲勞壽命，且以3.5%的應變纏繞，成本約為相同尺寸的普通連續油管的1.5倍。

配備必要的現場機械設備，該管已成功用于16口井的鉆探。出于商業原因該試驗被停止，但被認為是成功的，因為此復合連續油管表現出了良好的性能，并保持了全壓的完整性。

4.4 井下永久性設施

兩個井下永久性裝置已試制完成。1999年在加拿大直徑38.1 mm（1.5 in）連續油管管柱作為加熱器管柱被安裝。該裝置是干預及連續油管協會（ICoTA）1999年論文的主題。該結構是聚偏氟乙稀帶玻璃纖維加強結構層內襯。較低熱傳導性的復合連續油管與鋼制材料相比，其重要的材料性能保證了溫度較高的液體被輸送到井底。

1998年，外徑60.3 mm（23/8in）的復合尾管延長段被裝進北海南部的3口氣井里。該裝置被迅速完成，最初的井口表現令人滿意，但一年后，所有的井口最終停止生產。隨后的調查表明，排氣管安裝在93.3℃（200°F）的生產區。從模擬實驗室測試結果看出，在潮濕的環境且在此溫度下長時間暴曬后，這些延伸段所使用的樹脂材料性能大幅下降。Fiberspar公司現已限制在65.6℃（150°F）下使用環氧樹脂，并已經引入了一個適用于82.2℃（180°F）操作的新的環氧樹脂系統。并繼續將更多的精力投放到開發低成本、高溫應用領域的替代樹脂系統。

5 未來發展方向

連續油管技術具有很多優點，其中最主要的是在許多井下應用中的投入成本較低。普通連續油管將不斷推出其新的應用，但其有一些固有的局限性，例如，疲勞壽命、較大尺寸的運輸困難及防腐性能，這些都是目前商業或技術上的難題。復合連續油管將會克服這些缺點，并使其應用范圍不斷擴大。

在復合連續油管的研究中也存在一些難題，例如，低軸強度和剛度以及一些還需要充分掌握的技術問題。這些問題都是可能導致壓扁、氣體滲透和化學作用的單獨應用程序的參數，所有這些參數都受井身溫度的影響。這就要求仔細選擇應用并注意應用設計。另外，質量輕、耐腐蝕性能也是研究重點。

在已經完成的工作的基礎上，Fiberspar公司將繼續發展適合鉆井環境的復合連續管技術。最終，這些管柱將通過銅導體或光纖波導實現數據和電力網絡合并。同時將生產大直徑連續管，以便擴大其在大斜度井中潛在深度和廣度的應用。將繼續研發復合連續管的外部磨損問題，產品的最終目標是達到同等級普通連續管成本的1.5倍，但其使用壽命要達到普通連續管的3倍。

譯自：Michael Feechan,Chris Makselon,Stephen Nolet.Field Experience with Composite Coiled Tubing［C］//Presentation at the SPE/ICoTA Coiled Tubing Conference.Houston Texas， USA： [s.n.]， 2003.