復(fù)合材料連續(xù)管技術(shù)研究進展及應(yīng)用現(xiàn)狀

宿振國，尹文波，呂妍妍

（1.中國石油大學(xué)（華東）a.石油工程學(xué)院；b.機電工程學(xué)院，山東 青島266580；2.勝利石油工程有限公司a.技術(shù)裝備處；b.鉆井工藝研究院，山東 東營257002）①

連續(xù)管又稱撓性管、盤管或連續(xù)油管等。連續(xù)管技術(shù)是石油工程領(lǐng)域研究的熱點，其連續(xù)生產(chǎn)工藝及在油氣田推廣應(yīng)用屬于世界前沿技術(shù)。在歐美等發(fā)達國家，復(fù)合材料連續(xù)管應(yīng)用已相當(dāng)普遍，從最初的地面油氣輸送、連續(xù)油管沖砂、洗井等簡單作業(yè)到連續(xù)管智能采油、氣井排水采氣、水平井分段壓裂、連續(xù)管鉆井及海洋隔水管等高端作業(yè)，無處不見連續(xù)管的身影。國內(nèi)借鑒國外經(jīng)驗并自主創(chuàng)新，在該技術(shù)領(lǐng)域也取得了很大的進步，但與發(fā)達國家相比，在原材料、制造工藝、性能檢測和推廣應(yīng)用等方面尚有較大差距。

為了提高我國復(fù)合材料連續(xù)管技術(shù)應(yīng)用水平，勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院立項開展了復(fù)合材料連續(xù)管相關(guān)技術(shù)研究。

1 復(fù)合材料連續(xù)管技術(shù)簡介

1.1 性能特點

連續(xù)管按照材質(zhì)分為金屬連續(xù)管（或稱鋼質(zhì)連續(xù)管）與非金屬連續(xù)管（或稱復(fù)合材料連續(xù)管），其發(fā)展經(jīng)歷了高強度低合金碳鋼、高強度低合金調(diào)質(zhì)鋼、鈦合金和復(fù)合材料4個階段。復(fù)合材料定義為由兩種或兩種以上具有不同物理、化學(xué)性質(zhì)的材料，以微觀、細(xì)觀或宏觀等不同的結(jié)構(gòu)尺度與層次，經(jīng)過復(fù)雜的空間組合而形成的一個材料系統(tǒng)［1］。顧名思義，復(fù)合材料連續(xù)管就是由兩種或兩種以上的不同材料制成的具有一定強度和韌性的可卷繞的管材。其與金屬連續(xù)管相比，在比強度、耐腐蝕性、彎曲疲勞壽命、管壁內(nèi)置導(dǎo)線等方面具有得天獨厚的技術(shù)優(yōu)勢（如表1）。復(fù)合材料連續(xù)管內(nèi)置的動力線及信號線可用于井下供電及地面與井下信號的高速互傳，這對智能鉆井、智能采油具有重要意義。

1.2 基本結(jié)構(gòu)

復(fù)合材料連續(xù)管一般包括3層結(jié)構(gòu)，從內(nèi)到外依次為內(nèi)襯層、結(jié)構(gòu)層和外保護層（圖1）。內(nèi)襯層主要起防滲漏、防腐蝕及防沖刷的作用；結(jié)構(gòu)層由增強纖維與樹脂（熱塑性或熱固性）復(fù)合制成，承擔(dān)管材主要力學(xué)性能；外保護層保護管材，起到防腐蝕、防磨損等作用。

圖1 復(fù)合材料連續(xù)管結(jié)構(gòu)示意

1.3 制造工藝

復(fù)合材料連續(xù)管一次性生產(chǎn)上千米，甚至幾千米。為了保證其正常使用，幾千米的管子不能出現(xiàn)任何質(zhì)量缺陷，特別是在應(yīng)用要求更高的石油工程和海洋工程領(lǐng)域。因此，其連續(xù)生產(chǎn)過程的質(zhì)量控制要求嚴(yán)格。針對復(fù)合材料連續(xù)管的結(jié)構(gòu)，其連續(xù)生產(chǎn)工藝包括3部分（如圖2），即內(nèi)襯層為螺桿擠出成型，結(jié)構(gòu)層為纖維在線浸膠（或纖維帶）纏繞成型，外保護層為螺桿擠出或包覆成型。根據(jù)要求，敷纜復(fù)合材料連續(xù)管可以在生產(chǎn)過程中將導(dǎo)線敷設(shè)于內(nèi)襯層、結(jié)構(gòu)層或外保護層中。

圖2 復(fù)合材料連續(xù)管生產(chǎn)工藝流程

1.4 連續(xù)管受力分析

以井下作業(yè)為例分析復(fù)合材料連續(xù)管的受力情況。井下作業(yè)時，連續(xù)管有3種狀態(tài)，即纏繞在滾筒上、注入頭注入井內(nèi)或由井中起出、井下工作。不同狀態(tài)下的受力情況各不相同：纏繞在滾筒上的復(fù)合材料連續(xù)管承受“彎曲應(yīng)力＋內(nèi)壓力（管子內(nèi)部循環(huán)高壓流體時存在內(nèi)壓）”；在注入頭中起下時承受注入頭夾持塊徑向夾持力、摩擦力＋內(nèi)壓力＋軸向載荷（連續(xù)管及井下鉆具重力、起下摩擦力等合力）；井下工作時承受“軸向載荷＋內(nèi)外壓力＋扭轉(zhuǎn)載荷（井下作業(yè)驅(qū)動鉆頭時產(chǎn)生反轉(zhuǎn)矩）”。每起下一個循環(huán)，復(fù)合材料連續(xù)管可發(fā)生6次彎曲疲勞（如圖3）。

根據(jù)復(fù)合材料連續(xù)管作業(yè)中的實際受力情況，對其進行力學(xué)分析所采用的理論不同于金屬材料，主要包括復(fù)合材料單層板剛／強度理論、合層板剛／強度理論、非線性理論、黏彈性理論等。

圖3 復(fù)合材料連續(xù)管工作狀態(tài)示意

2 國外研究進展

20世紀(jì)90年代中期，歐美發(fā)達國家開始研究復(fù)合材料連續(xù)管，經(jīng)過近20a的發(fā)展，該技術(shù)已相當(dāng)成熟，在石油工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。美國Fiberspar公司和荷蘭Airborne公司是復(fù)合材料連續(xù)管領(lǐng)域的兩大杰出代表，且其產(chǎn)品各有特點，特別是結(jié)構(gòu)層采用不同的樹脂基體和制造工藝，下面對兩個公司的產(chǎn)品做簡要介紹。

2.1 美國Fiberspar公司的復(fù)合材料連續(xù)管

美國Fiberspar公司生產(chǎn)的復(fù)合材料連續(xù)管結(jié)構(gòu)層為纖維（可為高強玻璃纖維、碳纖維或芳綸等）絲浸漬環(huán)氧樹脂纏繞成型，環(huán)氧樹脂屬于熱固性樹脂，與纖維復(fù)合后具有良好的力學(xué)性能，但其韌性較差，難以滿足連續(xù)管的彎曲性能，因此環(huán)氧樹脂增韌處理是技術(shù)關(guān)鍵。

該公司可生產(chǎn)多種規(guī)格的復(fù)合材料連續(xù)管，其內(nèi)徑50.8～142mm，耐壓5.1～17.2MPa，工作溫度－30～150℃。現(xiàn)已研制出具有動力及信號傳輸功能的智能復(fù)合材料連續(xù)管，其稱之為智能管（SmartPipe），該智能管可耐1.5kV的電壓，傳輸電功率20kW，最大長度為7km。SmartPipe的結(jié)構(gòu)如圖4。

Fiberspar公司是全球最大的復(fù)合材料連續(xù)管生產(chǎn)企業(yè)，其生產(chǎn)的復(fù)合材料連續(xù)管已在200多個大型油氣公司的鉆井、井下作業(yè)及管道輸送等領(lǐng)域應(yīng)用，累計應(yīng)用長度超過800km。目前，該公司與美國?？松凸?、美孚公司等石油巨頭簽訂協(xié)議，對現(xiàn)有的多家石油公司所屬油井的抽油管／桿進行改造，預(yù)計2016年完成，屆時其智能管的累計使用長度將達到20 000km。

圖4 SmartPipe結(jié)構(gòu)示意

2.2 荷蘭Airborne公司的復(fù)合材料連續(xù)管

荷蘭Airborne公司生產(chǎn)的復(fù)合材料連續(xù)管也由內(nèi)襯層、結(jié)構(gòu)層和外保護層3層構(gòu)成。其特點有2個：①3層均采用同一種熱塑性樹脂（如PVDF、HDPE、PP、PEEK等），熱塑性樹脂具有良好的韌性，這樣既保證連續(xù)管各層間的良好粘接，又滿足連續(xù)管的彎曲性能；②結(jié)構(gòu)層為纖維帶纏繞成型，纏繞效率高，其結(jié)構(gòu)層纏繞工藝如圖5所示，中間為熱塑性樹脂復(fù)合纖維帶纏繞機，兩端為2個水平放置的纏繞滾筒，連續(xù)管在2個滾筒之間往復(fù)通過纖維帶纏繞機，每通過一次完成一層纖維帶纏繞，直到達到結(jié)構(gòu)層鋪層設(shè)計要求。

圖5 Airborne公司連續(xù)管纏繞工藝示意

Airborne公司生產(chǎn)的復(fù)合材料連續(xù)管主要用于海上生產(chǎn)立管、海底輸油管線、海底控制管線和速度管柱等，技術(shù)規(guī)格為最小內(nèi)徑25.4mm，最大外徑228.6mm，最高工作壓力34.5MPa。Airborne公司部分連續(xù)管技術(shù)參數(shù)如表2。

表2 Airborne公司部分連續(xù)管技術(shù)參數(shù)

3 國內(nèi)研究進展

由于非金屬管與金屬管相比，具有耐腐蝕性好，安裝、運輸方便，介質(zhì)輸送阻力小，抗結(jié)蠟結(jié)垢性能好，導(dǎo)熱系數(shù)小等優(yōu)勢，非金屬管在我國油氣田也大量應(yīng)用，但90%以上為定長管，而非連續(xù)管，主要包括玻璃鋼管、塑料合金復(fù)合管和鋼骨架增強聚乙烯復(fù)合管等。復(fù)合材料連續(xù)管研發(fā)、生產(chǎn)廠家較少，下面簡要介紹國內(nèi)技術(shù)領(lǐng)先的兩家企業(yè)的復(fù)合材料連續(xù)管研發(fā)情況。

3.1 廣州勵進新技術(shù)有限公司的熱塑性塑料增強連續(xù)管（RTP管）

成立于1988年的廣州勵進新技術(shù)有限公司一直致力于增強連續(xù)管新技術(shù)及設(shè)備的研究，自主開發(fā)了國內(nèi)第1條大型RTP管生產(chǎn)線，取得近40項專利。其生產(chǎn)的RTP管由內(nèi)、外PE防磨保護層和中間增強的纏繞層（如圖6）構(gòu)成，纏繞層為凱夫拉纖維覆塑編織帶纏繞。該管材具有良好的柔韌性和抗內(nèi)壓性能，但抗軸向拉壓載荷、扭轉(zhuǎn)載荷較差，主要用于石油、天然氣、高壓水及特殊流體輸送領(lǐng)域。其RTP管技術(shù)規(guī)格為：外徑50～200mm，最高工作壓力32MPa，常用規(guī)格為76.2mm×15MPa，101.6mm×10MPa，127.0mm×8MPa。

圖6 廣州勵進公司的增強連續(xù)管結(jié)構(gòu)示意

3.2 山東文登鴻通管材有限公司的非粘接型復(fù)合材料連續(xù)管

山東文登鴻通管材有限公司于2008年開始研制復(fù)合材料連續(xù)管，并在非金屬、非粘接型連續(xù)管方面取得突破。該公司生產(chǎn)的非粘接型復(fù)合材料連續(xù)管由內(nèi)外保護層、內(nèi)外拉伸層、防滲層、骨架層、增強層等組成（圖7），各層之間為非粘接型結(jié)構(gòu)，以保證連續(xù)管具有良好的韌性、較強的抗軸向拉壓和內(nèi)外壓力載荷，可用于地面油氣輸送、油氣田井下管和海洋管領(lǐng)域，目前處于研發(fā)初期，相關(guān)技術(shù)尚未成熟。

該公司承擔(dān)了2013年國家863計劃項目“海洋深水非金屬材料復(fù)合管研制”，海洋深水非金屬材料復(fù)合管，是針對國家開發(fā)海洋油氣資源的戰(zhàn)略需要研制的深水油氣開發(fā)重要裝備之一，是半潛式生產(chǎn)平臺、浮式生產(chǎn)儲油輪生產(chǎn)用立管的唯一解決方案。該項目由文登鴻通管材有限公司牽頭，聯(lián)合中海油研究總院、上海利策科技股份有限公司共同承擔(dān)，旨在研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的、適用于水深500m的非金屬海洋復(fù)合連續(xù)管，形成成套的設(shè)計與制造技術(shù)、加工裝備和測試評價體系。

圖7 山東文登鴻通公司的非粘接型連續(xù)管結(jié)構(gòu)示意

4 應(yīng)用實例

在歐美發(fā)達國家，復(fù)合材料連續(xù)管已應(yīng)用于地面輸油、輸氣及注水管線，敷纜復(fù)合材料連續(xù)管下電泵采油，作為工藝管柱，氣井排水采氣，沖砂、洗井、分層酸化及壓裂等作業(yè)，海洋平臺用管，敷纜復(fù)合材料連續(xù)管電驅(qū)鉆井等各個方面。

4.1 在地面集輸管線中應(yīng)用

復(fù)合材料連續(xù)管用于集輸管線（如圖8）是最基本的應(yīng)用，也是用量最大的領(lǐng)域。在集輸管線中應(yīng)用復(fù)合材料連續(xù)管具有4方面優(yōu)勢：

1） 防腐性能好，使用壽命長，在強腐蝕性流體介質(zhì)中使用壽命超過20a，系統(tǒng)成本低。

2） 管材柔性好，可制成盤卷供貨，運輸和長距離鋪設(shè)快速簡便，施工成本極低。

3） 復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)小，且可內(nèi)置伴熱帶（導(dǎo)線）用于原油輸送保溫，可有效預(yù)防原油結(jié)蠟等。

4） 復(fù)合材料連續(xù)管內(nèi)置光纜，可用于管道運行狀態(tài)檢測，及時發(fā)現(xiàn)管道缺陷，減少損失。

圖8 復(fù)合材料連續(xù)管用作地面集輸管線

4.2 在智能采油中應(yīng)用

目前，油田普遍采用地面抽油機采油和井下電潛泵采油2種方式。存在的問題：

1） 兩種采油方式均存在油管腐蝕，抽油機采油還存在油管、抽油桿偏磨問題，特別是在定向井中經(jīng)常發(fā)生油管磨穿，抽油桿斷裂現(xiàn)象。

2） 抽油機采油系統(tǒng)效率低，地面抽油機效率、抽油桿自重及沖程損失和井下泵效率，加在一起系統(tǒng)總效率只有25%。

3） 油管及抽油桿在起下過程中，要反復(fù)連接、拆卸，工作效率低。

針對以上問題，國外油田推廣應(yīng)用了敷纜復(fù)合材料連續(xù)管下電泵采油技術(shù)（如圖9）。該技術(shù)用復(fù)合材料連續(xù)管代替常規(guī)油管將電泵（可為電動離心泵或電動柱塞泵）置于井下，復(fù)合材料連續(xù)管內(nèi)孔用作輸油通道，內(nèi)壁敷設(shè)動力纜及光纜，動力纜為井下電泵供電，光纜用于井下壓力、溫度、流量等參數(shù)測量，再配套地面數(shù)據(jù)監(jiān)測及生產(chǎn)控制系統(tǒng)，即可實現(xiàn)智能化采油。該采油技術(shù)與傳統(tǒng)采油方式相比，具有以下優(yōu)勢：

1） 解決了管、桿腐蝕及偏磨問題，節(jié)約管、桿消耗。

2） 作業(yè)過程連續(xù)起下，工作效率高，勞動強度小。

3） 延長了油水井免修期，降低作業(yè)及維護費用。

4） 是實現(xiàn)油田自動化、智能化采油的有效方案之一。

圖9 敷纜復(fù)合材料連續(xù)管下電泵采油

4.3 在海洋石油工程中應(yīng)用［2］

近年來，隨著海洋石油工業(yè)的發(fā)展，特別是深海石油勘探對平臺無人值守和設(shè)施最小化的要求，加速了樹脂基復(fù)合材料在海上的應(yīng)用進程。在海上油氣開發(fā)中，平臺系統(tǒng)的質(zhì)量、費用及性能是決定其經(jīng)濟性、安全性與可靠性的主要因素，也是復(fù)合材料管在平臺系統(tǒng)中取代鋼管的關(guān)鍵因素，復(fù)合材料管在預(yù)防強海水腐蝕，減輕平臺質(zhì)量方面具有優(yōu)勢。

以碳纖維、芳綸纖維、玻璃纖維及其混雜纖維增強的復(fù)合材料連續(xù)管在海洋平臺上有大量應(yīng)用（如圖10）。高壓小直徑連續(xù)管可作為盤管、速度管柱、毛細(xì)管、海底管道清掃管、海底出油管線以及海底控制管線，同時還用于修井作業(yè)、斜井測井和完井作業(yè)。

圖10 復(fù)合材料連續(xù)管在海上應(yīng)用

4.4 在電驅(qū)鉆井中應(yīng)用［3－4］

復(fù)合材料連續(xù)管井下智能電驅(qū)鉆井為連續(xù)管鉆井發(fā)展的高級階段，連續(xù)管井下智能電驅(qū)鉆井裝備主要包括地面裝備（如圖11）（主要包括固控系統(tǒng)、連續(xù)管卷筒車、連續(xù)管鉆機、監(jiān)控單元及控制系統(tǒng)等）、預(yù)埋動力及信號傳輸導(dǎo)線的復(fù)合材料連續(xù)管和井下電驅(qū)鉆具組合（如圖12）3大部分。“復(fù)合材料連續(xù)管井下智能電驅(qū)鉆井技術(shù)”將鉆頭、信號傳感器（壓力、溫度和振動等）、井下電動馬達、測量儀器及導(dǎo)向系統(tǒng)等綜合形成一體，通過預(yù)埋于復(fù)合材料連續(xù)管中的動力及信號線，與地面上的計算機監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合，最終形成一個精確、完整的閉環(huán)鉆井控制系統(tǒng)，可用于大位移井鉆井、復(fù)雜結(jié)構(gòu)井鉆井等。

圖11 敷纜復(fù)合材料連續(xù)管電驅(qū)鉆井現(xiàn)場

圖12 復(fù)合材料連續(xù)管井下電驅(qū)鉆具組合

5 結(jié)論

1） 與金屬連續(xù)管相比，復(fù)合材料連續(xù)管在防腐性能、彎曲疲勞壽命、內(nèi)置導(dǎo)線等方面具有獨特優(yōu)勢。石油工業(yè)以非金屬連續(xù)管，特別是復(fù)合材料連續(xù)管替代金屬連續(xù)管是大勢所趨。

2） 復(fù)合材料連續(xù)管在油氣田應(yīng)用是一項系統(tǒng)工程，盡管國內(nèi)部分企業(yè)已取得了很大的進步，但尚存在許多不足。例如：制造復(fù)合材料連續(xù)管的原材料（主要是樹脂、增強纖維等）性能不穩(wěn)定，與國外產(chǎn)品相比尚有很大差距；復(fù)合材料連續(xù)管應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)尚未突破，例如連接技術(shù)、破壞機理及施工工藝標(biāo)準(zhǔn)等。因此，建議生產(chǎn)企業(yè)、科研院所及油田用戶緊密結(jié)合，優(yōu)勢互補，共同開發(fā)，以促進復(fù)合材料連續(xù)管在我國油氣田盡快推廣應(yīng)用。

3） 歐美發(fā)達國家在石油工程各個領(lǐng)域成功應(yīng)用復(fù)合材料連續(xù)管多年，借鑒其設(shè)計、制造及推廣等方面的成功經(jīng)驗是盡快提高國內(nèi)復(fù)合材料連續(xù)管技術(shù)水平的必要手段之一。

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［2］潛凌，李培江，張文燕.海洋柔性復(fù)合管發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀［J］.石油礦場機械，2012，41（2）：90－92.

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