聚酰胺內襯非金屬復合連續管機械及防腐性能研究

侯澤寧，張海龍，邢希金，張磊，李準，齊致遠

中海油研究總院有限責任公司（北京 100028）

0 引言

非金屬復合連續管是在連續油管的基礎上演變而來的，油田使用的連續油管一般外徑小于50.8 mm（2"），主要用于修井作業中的打撈、沖砂，生產時的氣舉排液、誘噴，以及連續油管酸化或者氮氣泡沫調剖等后期調整作業[1]。非金屬復合連續管相較于傳統連續油管有著更為廣泛的用途，可以替代傳統油管，其有著智能（內嵌電纜或光纖，可實現井下數據傳輸，實現油井智能化），便捷（不需修井機即可完成修井作業，適用于邊際油田、無人平臺），高效（內嵌電纜，無需逐根連接油管，降低電纜損壞風險，提高作業效率），防垢、防蠟等諸多優點[2]。目前第一代產品已在長慶油田、大慶油田和華北油田等陸上油田現場應用[3]，而海上油田比陸地油田更為苛刻，對其有更高的性能要求。

目前國內外對復合連續管已開展了一些相關研究，主要為技術發展現狀和增強結構的數值模擬研究，未涉及復合連續管的機械及防腐性能的研究：于京閣等[4]從結構設計和強度計算兩方面對復合材料連續管設計技術進行了研究；張辛[5]、丁楠等[6]和Kevin Cox 等[7]均通過數值模擬對非金屬復合連續管的增強層進行了力學特性研究；吉效科等[8]針對非金屬復合連續管生產系統進行了研究和現場試驗，指出該系統可實現遠程監控和自動調參，并可有效延長結蠟和結垢周期；談建平等[9]設計了一套配合非金屬連續管使用的沖砂工具，實現了高速可調旋轉、水力拉拽、脈沖射流功能；吳金鑫等[10]對非金屬復合管開展了渦激振動數值模擬分析；王力等[11]對復合連續管的力學性能研究現狀與發展進行了綜述和分析。

因此，本文針對聚酰胺內襯的非金屬復合連續管機械性能及防腐性能開展了一系列試驗研究，驗證其性能是否滿足海上作業要求，以及在不同腐蝕環境下的適應能力。

1 非金屬復合連續管結構

非金屬復合連續管由三層結構構成：智能內襯層、纖維增強層以及外保護層[12]（圖1）。

圖1 非金屬復合連續管結構示意圖

智能內襯層為管體提供電源動力和信號傳輸功能，同時起防滲漏、防腐蝕、抗結垢結蠟的作用，是輸送油氣的屏蔽層。

纖維增強層為非金屬連續管提供主要的力學性能，材料的選擇需要兼顧強度和柔韌性，同時也要保證較高的耐疲勞性。增強層的纖維主要有兩種：芳綸纖維和玻璃纖維，選用的纖維均經過熱塑性樹脂的完全浸潤。

外保護層的材料選用和內襯層材料一致，保護管材，起到防腐蝕、防磨損等作用。

2 非金屬復合連續管機械性能評價

2.1 試驗對象

機械性能評價試驗主要針對非金屬復合連續管整體進行試驗，管體樣件外徑98.85 mm，內徑50.55 mm，公稱壓力為20 MPa，內襯層和外保護層為聚酰胺（又稱尼龍），增強層為玻璃纖維和芳綸纖維（圖2）。

圖2 機械性能試驗樣件

2.2 試驗標準

非金屬復合連續管機械性能評價試驗按照標準SY/T 6662.6—2014《石油天然氣工業用非金屬復合管第6部分：井下用柔性復合連續管及接頭》[13]開展，其中抗拉試驗依據GB/T 5349—2005《纖維增強熱固性塑料管軸向拉伸性能試驗方法》[14]開展；抗內壓試驗依據GB/T 15560—1995《流體輸送用塑料管材液壓瞬時爆破和耐壓試驗方法》[15]開展；抗外擠試驗依據SY/T 6662.6—2014 開展；循環內壓疲勞試驗依據ASTM D 2143—2015《增強熱固塑料管耐周期性壓力強度的標準試驗方法》[16]開展；最小彎曲半徑試驗依據SY/T 6662.6—2014、SY/T 6794—2018《可盤繞式增強塑料管線管》[17]和GB/T 6111—2018《流體輸送用熱塑性塑料管道系統耐內壓性能的測定》[18]開展；扭轉試驗依據GB/T 21267—2017《石油天然氣工業套管及油管螺紋連接試驗程序》[19]開展。考慮到海上油田一般儲層溫度環境條件，試驗溫度設定為80 ℃。

2.3 試驗結果

經試驗，非金屬復合連續管最大拉伸載荷為740 kN，爆破壓力為64.7 MPa，抗外擠壓力為26.2 MPa，最小彎曲半徑為1 m，最大扭矩為7 564 N·m，可滿足海上常規作業要求（表1）。

表1 非金屬復合管機械性能試驗結果

3 非金屬復合連續管防腐性能評價

高分子材料的腐蝕與金屬腐蝕有本質的區別。金屬是導體，在常溫下的水溶液中，腐蝕多以金屬離子溶解進入電解液的形式發生，因此在大多數情況下可用電化學過程來說明；而高分子材料一般不導電，也不以離子形式溶解，因此其腐蝕過程難以用電化學規律說明。對于高分子材料，其周圍的試劑（氣體、液體等）向材料內滲透擴散是腐蝕的主要原因[20]。對于非金屬材料的腐蝕程度評價方法通常采用質量法和機械性能比較法。

3.1 試驗內容及方法

3.1.1 試驗對象

防腐性能評價試驗主要針對非金屬復合連續管內襯層材料進行試驗，內襯層為聚酰胺，將其按照標準制成II型拉伸試樣和沖擊試樣（圖3）。

圖3 防腐性能試驗樣件

3.1.2 試驗標準

非金屬復合連續管內襯層材料聚酰胺（PA）防腐抗老化性能評價試驗按照標準GB/T 34903.1—2017《石油、石化與天然氣工業與油氣開采相關介質接觸的非金屬材料第1部分：熱塑性塑料》[21]進行開展，其中拉伸強度測試依據GB/T 8804.1—2003《熱塑性塑料管材拉伸性能測定第1部分試驗方法總則》[22]開展；沖擊強度測試依據GB/T 1043.1—2008《塑料簡支梁沖擊性能的測定第1部分非儀器化沖擊試驗》[23]開展；硬度測試依據GB/T 2411—2008《塑料和硬橡膠使用硬度計測定壓痕硬度（邵氏硬度）》[24]開展；維卡軟化溫度的測試依據GB/T 1633—2000《熱塑性塑料維卡軟化溫度（VST）的測定》[25]開展。

3.1.3 試驗條件

CO2環境老化試驗：模擬渤海油田常規生產井井底溫度80 ℃、CO2分壓6 MPa 工況（13Cr 油井條件工況），采用0號柴油模擬原油介質。試驗時間分為12、24、36、48 d、4組，表征內襯層材料聚酰胺試驗前后的質量變化、拉伸性能、沖擊性能、邵氏硬度、維卡軟化溫度性能參數變化情況。

H2S 環境老化試驗：模擬渤海油田常規生產井井底溫度80 ℃、H2S 分壓0.1 MPa 工況，采用0 號柴油模擬原油介質。試驗時間分為12、24、36、48 d 4組，表征內襯層材料聚酰胺試驗前后的質量變化、拉伸性能、沖擊性能、邵氏硬度、維卡軟化溫度性能參數變化情況。

含O2環境老化試驗：模擬渤海油田常規注水井井底溫度80 ℃、H2S 分壓0.01 MPa、CO2分壓0.2 MPa工況、含氧量300×10-9，采用含氯水模擬輸送介質，Cl-濃度為25 000 mg/L。試驗時間分為12、24、36、48 d 4 組，表征內襯層材料聚酰胺試驗前后的質量變化、拉伸性能、沖擊性能、邵氏硬度、維卡軟化溫度性能參數變化情況。

3.2 試驗結果

3.2.1 CO2環境腐蝕試驗

經12、24、36、48 d CO2環境腐蝕試驗后，非金屬復合連續管內襯層試驗樣品表面均無溶解傾向、無開裂、無氣泡和物理變形，各項測試結果與空白對照樣品測試結果之間的變化率數據見表2。

表2 CO2環境腐蝕試驗結果

試驗結果顯示，非金屬復合連續管內襯層（聚酰胺）在CO2環境下，質量略微增加，拉伸強度變大，沖擊強度變小，反映出材料韌性下降，脆性增加的趨勢。其中質量變化滿足GB/T 34903.1—2017 要求，質量變化率小于5%；拉伸強度變化滿足GB/T 34903.1—2017要求，變化率小于20%；沖擊強度、邵氏硬度、維卡軟化溫度變化標準中未作要求，整體來說非金屬復合連續管內襯層（聚酰胺）在80 ℃、CO2環境下適應性較好，具有較好的抗CO2腐蝕能力。

3.2.2 H2S環境腐蝕試驗

經12、24、36、48 d H2S 腐蝕試驗后，內襯層試驗樣品表面均無溶解傾向、無開裂、無氣泡和物理變形，各項測試結果與空白對照樣品測試結果之間的變化率數據見表3。

表3 H2S環境腐蝕試驗結果

試驗結果顯示，內襯層（聚酰胺）在H2S 環境下的性能變化結果與CO2環境下相近，質量增加不明顯，拉伸強度變大，沖擊強度變小，同樣呈現出韌性下降，脆性增加的趨勢。其中質量變化率、拉伸強度變化率均滿足標準要求，整體來說非金屬復合連續管內襯層（聚酰胺）在80 ℃、H2S 環境下適應性較好，具有較好的抗H2S腐蝕能力。

3.2.3 含O2環境老化試驗

經12、24、36、48 d 含O2腐蝕試驗后，內襯層試驗樣品表面與其他2組試驗相同，均無溶解傾向、無開裂、無氣泡和物理變形，各項測試結果與空白對照樣品測試結果之間的變化率數據見表4。

表4 含O2環境腐蝕試驗結果

試驗結果顯示，內襯層（聚酰胺）在含O2、含Cl-水環境中的性能變化比較明顯，其中沖擊強度變化率僅12 d 后就下降93.54%，質量變化率、拉伸強度變化率等性能也較另外2組試驗變化明顯。

根據調研，在GB/T 34903.1—2017[21]中推薦聚酰胺在鹽水、海水中的適用溫度為0～70 ℃，如果溫度更高，則會發生水解。而老化試驗的溫度為80 ℃，非金屬復合連續管內襯層材料可能發生了部分水解，造成拉伸、沖擊等性能衰減。并且有文獻報道，O2和Cl-的存在會催化聚酰胺的水解反應[26-27]。因此，建議非金屬復合連續管在高于80 ℃的含O2、含Cl-水環境下慎重使用。

4 結論

1）非金屬復合連續管在80 ℃條件下最大拉伸載荷為740 kN，爆破壓力為64.7 MPa，抗外擠壓力為26.2 MPa，最小彎曲半徑1 m，最大扭矩為7 564 N·m，試驗結果滿足SY/T 6662.6—2014 標準要求，機械性能基本滿足常規海上作業環境條件。

2）在3 種腐蝕環境中，非金屬連續管內襯層材料聚酰胺的宏觀形貌變化、質量變化、拉伸強度變化試驗結果滿足GB/T 34903.1—2017 要求，其中在CO2腐蝕環境和H2S腐蝕環境下表現良好。

3）在80 ℃，含O2、含Cl-水環境中，內襯層材料聚酰胺出現韌性下降、脆性增加的趨勢，建議聚酰胺內襯的非金屬復合連續管在高于80 ℃的含O2、含Cl-水環境下慎重使用。