根据注水管柱的功能及性能要求, 提出了井下柔性复合管设计依据^[6-7]。设计参数为:工作压力16 MPa, 工作温度≤90 ℃, 注水井注水量≤50 m³/d, 洗井排水量≤30 m³/h, 使用寿命≥10年。注水井套管内径一般为124.26 mm。

抗压公式为

式中, p为柔性管的抗内压强度, MPa; N为柔性管总根数; K为单根纤维丝的抗拉强度, kg/根; D为平均直径, cm; ε为断裂伸长率; C为修正系数(1层C=0.9、2层C=0.8、3层C=0.75、4层C = 0.7);n为不同压力计算系数(当压力 < 12 MPa时, n=0.735;当压力 > 16 MPa时, n=1.103)。

抗拉伸力公式为

式中, T为柔性管抗拉强度, kN; σ为管柱轴向应力, MPa; A为柔性管截面积, m²; n_i为第i层纤维的数量, 根。结合设计参数, 最终设计出管径为DN40和DN50的2种井下柔性复合管, 具体结构如图 1所示, 性能参数见表 1。

图  1  新型井下柔性复合管结构

Figure 1.  Structure of downhole flexible

表 1  井下柔性复合管性能参数

Table 1.  Property parameters of downhole flexible composite pipe

该油管由内层、增强抗压层、抗拉层、外保护层等结构组成, 材料选择主要考虑:满足使用环境的要求、满足操作及安装条件的要求、满足相关功能的要求、满足服务寿命的要求、满足管体内部结构兼容性的要求、具有较合适的经济性^[8]。

1.2.1  内层和外保护层材料的选择  由于井下柔性复合管内层、外保护层应具有防腐蚀、防渗、耐磨、沿程摩阻小、抗蠕变、抗内压等性能, 初选出内层、外保护层高分子材料见表 2。

表 2  高分子材料应用范围与工作温度

Table 2.  Application scope and working temperature of highpolymer materials

综合考虑其应用范围及工作温度, 当工作温度≤60 ℃, 内层、外保护层材料选用高密度聚乙烯; 工作温度≤90 ℃, 选用交联聚乙烯。2种材料性能相同, 耐温等级不同, 其成本存在差异。

1.2.2  增强层和抗拉层材料的选择  考虑增强层、抗拉层在柔性复合管中主要起到增强作用, 提供抗拉性能及抗压性能。增强纤维具有高强度、高模量以及优异的热稳定性和耐高温性能。目前常用的增强纤维主要性能参数见表 3。由于井下柔性管的工作压力为16 MPa, 考虑增强纤维的经济性, 选用涤纶纤维作为增强材料。

表 3  玻璃纤维、碳纤维、凯芙拉（Kevlar）纤维性能参数对比

Table 3.  Comparisons of property parameters between glass fiber, carbon fiber and Kevlar fiber

1.3.1  有限元分析  通过ANSYS软件对井下柔性复合管进行有限元模拟, 计算管道抗拉伸、抗内压等性能。将井下柔性复合管底部全部约束, 在2个对称面施加对称边界条件, 顶端施加拉伸力。将1 MPa载荷均匀施加在复合管自由端面的节点上, 应力初步分析结果如图 2所示。从图中可以看出, 柔性复合油管的轴向压力主要分布在抗拉层和增强抗压层。

图  2  复合管应力分布

Figure 2.  Distribution of stress in composite pipe

此外还利用ANSYS软件模拟了90 kN、60 kN和30 kN拉力下井下柔性复合管管体的应力和位移。模拟结果表明, 拉力90 kN时井下柔性复合管管体最大位移为67 mm, 最大应力为123 MPa; 拉力为60 kN时井下柔性复合管管体最大位移为51 mm, 最大应力为94 MPa; 拉力为30 kN时井下柔性复合管管体最大位移为21 mm, 最大应力为39 MPa, 均出现在抗拉层。同时, 当应变达到2.6%时, 拉力可达到100 kN, 此时抗拉刚度为3.8×10⁶N, 满足井下柔性复合管注水要求承受载荷。

1.3.2  室内实验  选取DN40和DN50均长为1 m的井下柔性复合管, 分别进行静水压强度、爆破强度、抗拉伸、防腐蚀等性能室内评价实验^[9-11]。测试结果见表 4, 各项性能指标均能满足柔性复合管作为井下注水管柱的设计要求。

表 4  井下柔性复合管室内性能评价结果

Table 4.  Indoors property evaluation results of downhole flexible composite pipe

在注水井井筒内, 采用井下柔性复合油管作为内管, 并配套相关井下附件, 连续下入目的层进行笼统注水。当管柱下至预定位置, 将井下柔性复合管通过转换接头连接提升短节和注水井口。由于井下柔性复合管具有连接接头少、管柱连接方便的特点, 可大幅降低人员劳动强度, 提高起下作业效率。

为便于井下柔性复合管与井口、配重管及其他井下附件的相互连接, 配套了连接接头, 一端采用油管螺纹连接注水井口和井下附件, 另一端采用扣压式连接井下柔性复合管。具体结构如图 3所示。

图  3  连接接头结构及组成部分

Figure 3.  Structure and components of connection joint

根据不同的注水工程需求以及功能要求, 形成了不同井下柔性复合管注水工艺管柱系列, 如图 4所示。

图  4  井下柔性复合管注水工艺管柱

Figure 4.  Water injection process of downhole flexible composite pipe

管柱1:提升短节+井下柔性复合管+不锈钢配重管+斜尖。由于前期研制的井下柔性复合管自身密度较小, 与采出水密度接近, 下井时需进行配重才能下入。

管柱2:提升短节+井下柔性复合管+斜尖。用于规模现场推广。

管柱3:提升短节+井下柔性复合管+钢制防腐油管+斜尖。用于后期与钢制油管进行性能对比。

管柱4:提升短节+套保封隔器+井下柔性复合管+斜尖。用于射孔段以上套管不能带压作业的注水井, 保护套管, 避免套管带压生产。

2011年以来, 在长庆油田采出水回注井开展现场试验32口井, 施工成功率100%, 最大井深2 743 m, 最大井斜45.3°, 截至2016年5月试验井的最长注水时间4年, 目前仍正常注水, 预期使用寿命在10年以上。同时, 2 000 m井深柔性复合管的作业时间较钢制油管缩短2 h, 作业效率提高30%。

开展了4口同井不同材质油管防腐性能试验, 通过定期截取不同材质样管进行性能检测, 表明在相同水质条件下, 井下柔性复合管防腐性能最好, CQFF03次之, 普通涂料油管防腐性能最差, 如图 5所示。同时, 同批次入井的钢制防腐油管因腐蚀穿孔已更换2次, 而井下柔性复合管仍完好。

图  5  3种管柱使用半年后取样外观图及内壁扫描电镜图

Figure 5.  Appearance and internal wall SEM of samples taken from three strings after half a year's service

开展了7口试验井8井次取样性能检测。结果表明, 超过2 000 m井深时, 井下柔性复合管受临界温度影响性能急剧下降(见表 5); 在2000 m以内的采出水回注井上使用性能稳定(见表 6)。

表 5  江73-55柔性复合管取样自检结果对比

Table 5.  Self-check result comparisons of samples taken from Jiang 73-55 flexible composite pipe

表 6  在用柔性复合管取样送检结果对比

Table 6.  Test result comparisons of samples taken from in-service downhole flexible composite pipes

(1) 井下柔性复合管具有良好的防腐性能, 可有效提高注水管柱使用寿命, 与钢制防腐油管相比, 能有效延长管柱使用寿命2倍以上。

(2) 矿场试验表明, 井下柔性复合管可以满足2000 m以内的采出水回注井注水要求, 具有较好的应用前景。

(3) 井下柔性复合管注水技术可有效降低作业强度和生产成本, 随着采出水井的不断增加, 具有广阔的推广应用前景。