玻璃鋼管在油田注水井中的應用現狀及展望

連倩　郭陽陽　茍丹　潘登　周勇

摘 要：玻璃鋼管道以其耐腐蝕、材質輕等優點廣泛運用于石油行業。隨著玻璃鋼注水管的大范圍使用，其連接問題也凸顯出來，阻礙了其在油田的推廣和發展。本文主要結合國內外玻璃鋼注水管的使用情況，分析玻璃鋼注水管使用過程中存在的主要問題，為玻璃鋼管在石油注水中的應用決策提供解決方案。

關鍵詞：玻璃鋼管 注水井 應用現狀 發展前景

中圖分類號：TB324 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）04（c）-0084-02

近年來，隨著油田開發的不斷持續，我國大部分油田進入二次采油和三次采油階段，為增加油田的產量，通常需要對地層進行注水作業。由于我國的淡水資源匱乏，注水的工藝多采用污水循環回注，這樣就加大了對管材的腐蝕。特別是一些酸性油田，地層水中含有H2S、CO2、Cl-和硫酸鹽還原菌（SRB），對油、套管腐蝕十分嚴重，最短在1年左右發生腐蝕斷裂，造成內部堵塞，壓力下降，產量下降。據初步分析，注水井套管的維持費逐年增大，油管、抽油桿、泵等設備的更換，每年更換費用約為2.5億元。中油田因水質偏酸性且極不穩定引發腐蝕造成的直接經濟損失每年約7000萬元，間接經濟損失約2億元[1～3]。

近年來，雖然發明了很多防止或減慢注水油管腐蝕的方法，但都不能從根本上解決腐蝕帶來的問題，而高壓玻璃鋼管耐腐蝕，使用壽命可達15～20年，是普通油管的4～5倍[4]。隨著井下高壓玻璃鋼油管的不斷研制和發展，玻璃鋼油管在國內注水作業中的應用越來越廣泛。

1 玻璃鋼管在油田注水井中的應用現狀

20世紀50年代初，美國手糊的聚酯玻璃鋼管首次用于油田的油氣集輸管線。50年代中期，羅克埃蘭德（Rock Is Land）石油和精煉公司引進了纖維纏繞玻璃鋼高壓油管和油井套管生產線。管子采用螺紋連接，專用于石油工業。1970年以后，國外各大石油公司開始在注水管中大量應用玻璃鋼管道或管柱，如EXXON公司，注水管線除了管徑較大處使用內涂層管材外，其余區域大部分運用的是玻璃鋼管，使用12年基本無損壞。至20世紀90年代，殼牌殼牌公司在注水方面使用玻璃鋼管長度使用已超過600 km[1]。

我國玻璃鋼產業起步較晚，開始于20世紀70年代，主要用于地面用鉆井水管線，隨后在污水輸送、原油集輸、注水管線也相繼應用。1995年，來自全國七大油田的15人，赴美國德克薩斯油田、AMCO石油公司等考察玻璃鋼管道在油田上的使用情況，考察報告充分肯定了玻璃鋼管在污水處理、注水、采油、集油、集水等方面有著極好的使用效益和市場。其中勝利油田引進了10 km高壓玻璃鋼管道，分別在兩口抽油井和三口注水井上試用（井深平均2000 m），結果證明高壓玻璃鋼管技術是先進的，產品性能是優越的。從1995年起，國內為了解決了含硫氣井的生產管柱的腐蝕，在川中磨溪等氣田應用的7000 m玻璃鋼油管獲得成功。1998年4月為了對玻璃鋼油管使用性能進行評價，對M71井進行特別壓井作業，檢查玻璃鋼油管內外表面，除有少量結垢外，玻璃鋼油管本體及絲扣基本完好無損，入井上扣時涂的密封脂尚在，全部油管試壓15 MPa，穩壓15 min不泄露[5]。2000年以后，玻璃鋼油管開始大量使用，2008年開始在海洋石油分層注水中應用[6]。截至2013年，國內外在油田注水領域已累計應用玻璃鋼管達幾十萬km，并且以每年5%～10%的速度遞增。

隨著國內各油田的開采相繼進入中后期，注水開采成為提高采收率的主要工藝，注水管的腐蝕問題日益突出，對中、高壓玻璃鋼管的需求量不斷增加。據統計，遼河油田每年需求高壓玻璃鋼注水管600 km以上；勝利油田每年需求高壓玻璃鋼注水管 1000 km以上；大港、中原、長慶、延長等油田對高壓玻璃鋼管的需求量也在逐年增加。我國油田系統每年玻璃鋼管的總需求量達6000 km以上，工程投資達9億元。另外，井下玻璃鋼油（套）管的市場需求量更大，市場潛力巨大。據預測，2010年至2020年是玻璃鋼管的使用高峰期。

2 玻璃鋼注水管的應用特點及存在的主要問題

2.1 玻璃鋼的特點

由于玻璃鋼管優越的特點及性能，玻璃鋼管在油田中得到廣泛應用，并且逐漸取代現有的金屬管材[7～8]。其特點主要表現在以下方面：

（1）質輕、經濟。玻璃鋼密度小，密度為1.8～2.0 kg/cm3，僅為鋼的1/4，比強度高，運輸方便，在安裝過程中節省大量的人力、物力、財力。（2）摩阻小，抗腐蝕性好。玻璃鋼管的內表面非常光滑，粗糙度為0.005，摩擦因數為0.016，摩擦阻力小，不易結垢、結蠟，輸送能力高，可輸送大多數流體，同時，玻璃鋼管的內、外壁均可抵抗眾多化學流體的侵蝕，抗腐蝕性能優異。（3）設計靈活，產品適應性強。電、熱絕緣性好，可以通過設計來改變制造中的各種規格，壓力等級、剛度等級等，從而滿足不同用戶的要求。（4）工程綜合效益好。玻璃鋼管管徑越大，成本越低，使用年限長，設計使用壽命可達到30～50年。

2.2 存在的主要問題

（1）脫扣。

玻璃鋼油管本體的最大拉伸強度為100 MPa左右，但接頭的連接強度只能達到本體材料的85%左右。由于玻璃鋼油管在使用過程中會受到各種力的影響，如油管自身重力、液柱力、油管和套管之間的摩擦力等，在這些力的綜合作用下，易造成內螺紋牙根處失效，造成脫扣現象[9]。

（2）接頭的泄露與滲漏。

井下玻璃鋼管的連接一般采用螺紋連接，由于玻璃鋼管接頭密封性差，一般采用膠密封或金屬密封。采用嵌入式金屬接頭結構雖可以保證密封性能，但由于易腐蝕正在逐漸被淘汰。膠密封接頭在受到恒定載荷或交變載荷的作用易發生蠕變破壞和疲勞破壞，易造成接頭局部損傷，最終導致接頭的泄露與滲漏，甚至斷裂[10～11]。

（3）適用溫度較低。endprint

玻璃鋼管的基體樹脂是高分子材料，在高溫下容易發生樹脂大分子氧化、水解等老化現象，使材料強度明顯降低，也易導致失效。因此，玻璃鋼管一般只能在-50℃～100℃的范圍內長期使用，相比于其他的金屬材料，使用溫度低，不能在深井中使用。

（4）抗擠壓、疲勞性能差。

玻璃鋼管的環向彈性模量是鋼管的 1/10，環向壓縮及彎曲性能較差，一般適合井斜低于30°的油井使用，另外玻璃鋼管獨特的層狀結構，導致疲勞性能下降。Huseyin Arikan[12]研究發現，玻璃鋼的疲勞斷裂過程中會出現三個階段的變化：第一階段表面泛白，出現界面脫離或層狀剝落；第二階段出現微孔和裂紋；第三階段出現疲勞斷裂。層間剝落導致疲勞裂紋容易產生，而裂紋引起的應力集中會切斷玻璃纖維，進而導致玻璃鋼失效。玻璃鋼管一旦破裂，修復（相對鋼管）難度大，維修時間長[13]。

（5）接頭重復使用率低。

為了防止玻璃鋼注水管的泄漏問題，一般采用膠密封，但當井下作業起柱時，膠密封式的螺紋連接容易造成牙型損傷，導致接頭連接失效，因此，接頭的重復使用率明顯低于鋼質接頭。

（6）生產、檢測不規范。

我國在玻璃鋼管道的設計和選型上主要依據制造商提供的相關資料，缺少權威的標準，產品質量差別大。另外，我國玻璃鋼管道產品檢驗的方法、標準尚不完善，產品質量難以保證。

3 應用前景及展望

從近年的調查情況來看，作為新型耐腐蝕，壽命長、質輕的玻璃鋼材料在與金屬材料的競爭中，逐漸顯示出它的優勢，已越來越受到油田的重視。但隨著石油工業的高速發展，油田生產對玻璃鋼管的耐高溫、高壓等性能和復雜井況及分層注水等工藝的要求也越來越高，玻璃鋼管在注水方面的應用需要解決以下幾個問題。

（1）玻璃鋼管接頭的連接問題。目前使用的螺紋連接、承插式等連接都不能解決很好的解決密封及連接強度的問題，因此，在接頭的結構或材料的選擇上進行研究，設計一種連接強度高、密封性好、易拆卸的接頭型式。（2）提高玻璃鋼管的強度。在井下，玻璃鋼管的應用還不太廣泛，主要原因是玻璃鋼管的壓縮強度遠低于其抗拉強度。在注水井中復雜的工況條件以及頻繁的井下作業、新的注水工藝等都會對玻璃鋼管的強度提出更高的要求。目前高強玻璃纖維、硼纖維、晶須等增強材料以及改良的環氧樹脂已研制成功，因此，通過改良、優化工藝生產高強玻璃鋼管已成為可能。（3）研制耐高溫玻璃鋼管。目前一般玻璃鋼管都在100 ℃以下使用，適用井深低于2000 m，而鋼管在這個溫度和深度腐蝕十分嚴重，如果能研制超過150 ℃的耐高溫玻璃鋼管，則應用前景更加廣泛。（4）統一標準，完善體系。目前國內玻璃鋼管市場混亂，僅靠企業、行業的標準很難保證玻璃鋼管的質量，因此，國家應根據玻璃鋼管的生產，制定相應的生產、檢驗及產品規格等標準，保證產品質量，規范玻璃鋼管的研制、生產及應用環節，使玻璃鋼在油田注水方面得到更好的推廣應用。

參考文獻

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