油管內(nèi)襯層性能試驗(yàn)及其內(nèi)癟分析

曹　峰，劉　琰，姚　歡，蘇　杭，蔣承君

(中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院　陜西　西安　710077)

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油管內(nèi)襯層性能試驗(yàn)及其內(nèi)癟分析

曹峰，劉琰，姚歡，蘇杭，蔣承君

(中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院陜西西安710077)

摘要:某煤層氣公司所用的內(nèi)襯油管頻繁地出現(xiàn)內(nèi)襯層內(nèi)癟問題。對超高分子聚乙烯材料使用前后性能進(jìn)行了檢測，結(jié)果表明其無明顯變化且符合標(biāo)準(zhǔn)要求;通過對內(nèi)襯油管的失效過程調(diào)查、對失效內(nèi)襯管宏觀、微觀分析，以及內(nèi)襯材料特性綜合分析，表明內(nèi)襯材料與油管線膨脹系數(shù)差異、井內(nèi)外溫度差異、內(nèi)襯層的偏磨、地層水竄入夾層形成的負(fù)壓差共同導(dǎo)致內(nèi)襯層內(nèi)癟，對內(nèi)襯油管生產(chǎn)與使用提出了建議。

關(guān)鍵詞:煤層氣;內(nèi)襯油管;偏磨;負(fù)壓差;內(nèi)襯內(nèi)癟

1　基本情況

1.1失效過程

某煤層氣公司采用有桿泵排水的方式進(jìn)行采氣作業(yè)。某定向井泵掛深度761.9 m，沖次每分鐘3.14次，排量5.9 m3/d，井底壓力1.66 MPa，井內(nèi)溫度30℃～40℃。在排采過程中因泵出現(xiàn)故障進(jìn)行修井作業(yè)，在修井作業(yè)中抽油桿、油管起出過程未見異常。排除了泵的故障后將油管、抽油桿下入井中，在下入抽油桿的過程中遇阻，再次將抽油桿、油管起出，觀察發(fā)現(xiàn)其中1支油管靠近外螺紋端內(nèi)襯層塌陷，經(jīng)查證得知該支油管距井口約400 m，服役時(shí)間為113 d。

1.2失效內(nèi)襯管形貌

將失效的內(nèi)襯層從油管中取出，發(fā)現(xiàn)內(nèi)襯管沿縱向出現(xiàn)塌陷并產(chǎn)生裂紋，裂紋長度約1.5 m，內(nèi)襯翻邊區(qū)域、內(nèi)襯管外壁殘留煤粉，如圖1所示。

圖1　送檢樣失效形貌

參考標(biāo)準(zhǔn)QB/T 2668－2004高分子量聚乙烯襯管［1］，對圖1中所示的失效樣管進(jìn)行形貌觀察。剖開內(nèi)襯管后發(fā)現(xiàn)塌陷處存在沿軸向磨痕及壁厚減薄現(xiàn)象(圖2)，這可能是由于抽油桿對內(nèi)襯層內(nèi)壁摩擦作用造成的。

2　材質(zhì)分析

為了驗(yàn)證內(nèi)襯材料的質(zhì)量是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求以及是否因內(nèi)襯管長時(shí)間服役導(dǎo)致性能降低，選取試樣進(jìn)行試驗(yàn)，見表1。舊管為失效的內(nèi)襯管，新管為與舊管同批次未使用過的內(nèi)襯管。

圖2　超高分子量聚乙烯內(nèi)襯管塌陷處形貌

2.1環(huán)拉伸試驗(yàn)

超高分子量聚乙烯內(nèi)襯管環(huán)拉伸試驗(yàn)方法參考標(biāo)準(zhǔn)QB/T 2668－2004，在室溫條件下進(jìn)行。試驗(yàn)所用試樣為管環(huán)，其中舊管取樣位置為周向未失效端。試驗(yàn)設(shè)備為SHT4106電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)，如圖3所示，拉伸速度為10 mm/min，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

圖3　環(huán)拉伸測試

對比新舊管環(huán)拉伸強(qiáng)度，前后數(shù)值無明顯變化，可知服役前后管材強(qiáng)度基本無變化。

表1　樣品情況

表2　環(huán)拉伸測試結(jié)果

2.2砂漿磨損率試驗(yàn)

砂漿磨損率試驗(yàn)檢測方法參考標(biāo)準(zhǔn)QB/T 2668－2004，在室溫條件下進(jìn)行。試驗(yàn)主要設(shè)備為EUROSTAR 60 digital頂置式電子攪拌器和電子天平，攪拌器轉(zhuǎn)速為670 r/min。試驗(yàn)樣品見圖4，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

圖4　磨損率測試后樣品

表3　砂漿磨損率測試結(jié)果

新舊管服役前后砂漿磨損率平均值相同，并且均滿足標(biāo)準(zhǔn)QB/T 2668－2004超高分子量聚乙烯管材的要求。

2.3維卡軟化溫度

維卡軟化溫度檢測參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8802－2001塑料軟化溫度測定［2］，試驗(yàn)設(shè)備為XRD－300DL維卡軟化點(diǎn)和熱變形溫度測試儀。載荷為50 N，加熱速率為50℃/h。測試結(jié)果見表4。

未使用(新管)、使用113天(舊管)的超高分子量聚乙烯管平均值相差不大，分別為77.5℃和74.1℃。表明內(nèi)襯耐熱性能沒有發(fā)生明顯變化。

3　綜合分析

通過對新、舊內(nèi)襯管的環(huán)拉試驗(yàn)、砂漿磨損率試驗(yàn)、維卡軟化溫度測定發(fā)現(xiàn)新、舊內(nèi)襯管材質(zhì)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，且使用前后性能未見明顯變化，可以排除因內(nèi)襯材料的長期服役而性能降低最終導(dǎo)致內(nèi)襯層塌陷。

通過對本次內(nèi)襯層失效事故發(fā)生的過程調(diào)查可知，在檢修泵前的113d，該井未見異常情況發(fā)生，抽油桿能順暢上下運(yùn)動(dòng)，在修井作業(yè)過程中抽油桿能順利從井里起出，而修井結(jié)束后再次下入抽油桿時(shí)遇阻，也即內(nèi)襯層塌陷發(fā)生在地面。

在失效事故發(fā)生的當(dāng)天，井內(nèi)溫度為30℃～40℃，室外溫度為10℃左右，超高分子聚乙烯材料的線膨脹系數(shù)為2.0×10－4m/(m·k)3，油管鋼材的線膨脹系數(shù)為1.21×10－5m/(m·k)3，兩者相差約20倍，在這種情況下內(nèi)襯層有較高的塌陷風(fēng)險(xiǎn)。

通過對塌陷內(nèi)襯管的宏觀分析可知，塌陷區(qū)域存在明顯的磨損痕跡且壁厚減薄，內(nèi)襯層的偏磨更進(jìn)一步提高了內(nèi)襯層塌陷的可能。

由圖1可知內(nèi)襯管塌陷區(qū)域位于外螺紋端部附近，觀察翻邊、內(nèi)襯塌陷區(qū)域外壁發(fā)現(xiàn)殘留有大量的煤粉。據(jù)此得出在內(nèi)襯層塌陷前有地層流體通過內(nèi)襯翻邊區(qū)域進(jìn)入內(nèi)襯管夾層之間。油管從井里移到井外后，內(nèi)襯層失去了地層水的支撐作用，導(dǎo)致夾層與管內(nèi)產(chǎn)生壓差，地層水通過翻邊進(jìn)入環(huán)空使壓差增大，從而加劇了塌陷的可能。

內(nèi)襯油管在降低管桿磨阻、耐腐蝕性方面性能顯著，有效降低了管桿磨損和斷脫，檢泵周期明顯增加［4，5］。同時(shí)一些新的問題也不容忽視，如在存放過程中出現(xiàn)的內(nèi)襯鼓包、伸長問題，在使用過程中出現(xiàn)的內(nèi)襯塌陷失效事故、地層流體進(jìn)入夾層引起的腐蝕問題。針對這些問題，應(yīng)從內(nèi)襯管制造質(zhì)量、內(nèi)襯材料與鋼制油管材料熱脹冷縮性能差異、操作不當(dāng)引起生產(chǎn)中出現(xiàn)的負(fù)壓現(xiàn)象入手，找出引起內(nèi)襯管鼓包、塌陷的原因，同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)質(zhì)量控制力度優(yōu)化抽檢方案，結(jié)合問題制定應(yīng)對措施，如在本井的內(nèi)襯塌陷發(fā)生在油管二次入井前，那么如果在油管二次入井前增加一道通徑檢驗(yàn)工序則可有效降低修井費(fèi)用。

4　結(jié)論

1)失效油管內(nèi)襯質(zhì)量服役前后性能無明顯變化且符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2)內(nèi)襯管與鋼制油管的線膨脹系數(shù)差距大、井外溫度遠(yuǎn)低于井內(nèi)溫度增大了內(nèi)襯管縮徑、塌陷的風(fēng)險(xiǎn)，內(nèi)襯偏磨進(jìn)一步提高了內(nèi)襯塌陷的可能，此外油管從井里移到井外后，內(nèi)襯層失去了地層水的支撐作用導(dǎo)致夾層與管內(nèi)產(chǎn)生壓差，地層水通過翻邊進(jìn)入環(huán)空使壓差增大，該壓差達(dá)到并超過內(nèi)襯層耐擊潰壓力時(shí)便造成了內(nèi)襯層在壁厚減薄處的坍塌。

參考文獻(xiàn)

［1］中國輕工業(yè)聯(lián)合會.QB/T 2668－2004高分子量聚乙烯襯管［S］.北京:中國輕工業(yè)出版社，2004.

［2］中國輕工業(yè)聯(lián)合會.GB/T 8802－2001熱塑料性塑料管材、管件維卡軟化溫度的測定塑料軟化溫度測定［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2004.

［3］王海文，楊峰，趙輝，等.油管中塑料內(nèi)襯管的伸長原因及控制措施［J］.石油礦場機(jī)械，2014，43(8): 61－64.

［4］潘智勇.超高分子內(nèi)襯油管技術(shù)研究與應(yīng)用［J］.承德石油高等專科學(xué)校學(xué)報(bào)，2012，14(4): 40－43.

［5］浦斌.油管偏磨腐蝕與耐磨防腐內(nèi)襯油管研究［D］.東營:中國石油大學(xué)(華東)，2007.

·儀器設(shè)備與應(yīng)用·

Tubing Inner Liner Performance Test and Collapse Analysis

CAO Feng，LIU Yan，YAO Huan，SU Hang，JIANG Chengjun
(CNPC Tubular Goods Research Institute，Xi'an，Shaanxi 710077，China)

Abstract:The lining layer collapse problems occurred frequently in one coal bed methane company.The properties of ultra high molecular weight polyethylene were tested，and the results showed that the properties can meet the requirements of the standard without significant changes before and after use.The failure process was investigated，the macro and micro properties and the comprehensive material characteristics of the tubing inner liner were analysed，it showed that the lining collapse of tubing inner liner resulted in negative pressure difference in lining layer of flat，which formed by combined actions of the difference of expansion coefficient between lining material and pipe line，and the temperature difference between the outside and the inside of the well and also the lining layer of eccentric wear and the formation of water channeling into the interlayer.The suggestions on the production and use of the inner liner pipe were given.

Key words:coal bed methane; liner tubing; eccentric wear; negative pressure difference; lining collapse

(收稿日期:2015－10－20編輯:屈憶欣)

第一作者簡介:曹峰，男，1984年生，工程師，2009年畢業(yè)于西安石油大學(xué)油氣井工程專業(yè)，主要從事石油專用管材產(chǎn)品科研、質(zhì)量監(jiān)督工作及工程技術(shù)服務(wù)工作。E-mail: caofeng003@ cnpc.com.cn

中圖法分類號:TE931

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:2096－0077(2016)01－0050－03