（石油与天然气工程专业论文）玻璃钢油管在油水井应用技术研究.pdf

l i no i la n dw a t e rw e l l m g at h e s i ss u b m i t t e df o rt h e d e g r e eo fe n g i n e e r i n gm a s t e r c a n d i d a t e ：t o n g b i n s u p e r v i s o r ：w a n gh a i w e n c o l l e g eo f p e t r o l e u me n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s t c h i n a ) m舭l82 洲6 7 舢8i1i哪y 关于学位论文的独创性声明 所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 i 学位论文作者签名： 盏到雯 日期：汐71 年6 月7 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交、赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名： 虿型支日期：沙i 年厶月7 日 指导教师签名： 王歪复殳日期：加j f 年 占月1 日 摘要 在油田开发过程中，腐蚀始终是困扰油井开发生产的难题。玻璃钢油管是由高树脂 含量的防渗层、纤维缠绕加强层及外表面层组成，其主要原材料是高分子不饱和聚酯树 脂和玻璃纤维，能有效抵抗酸、碱、盐等腐蚀介质的侵蚀，将玻璃钢油管应用于油水井 能够解决油管腐蚀问题。由于玻璃钢油管与钢质油管机械性能具有较大差异，将玻璃钢 油管应用与油水井尚有很多需要研究解决的问题。论文对玻璃钢油管性能进行了分析研 究，根据油井、注水井压力场和温度场的特点，分析了把玻璃钢油管应用于油井、注水 井和油井套管的方案设计、作业和维护配套技术，建立了玻璃钢油管在油水井中受力和 变形的计算模型。论文研究了将玻璃钢油管用于抽油机井的配套技术，通过现场试验井 生产测试数据的分析，论证了液柱载荷造成油管变形是泵效降低的因素，提出了采用压 力式油管锚解决玻璃钢油管变形技术，使用油管锚还能消除交变应力及管柱振动水锤问 题，提高了泵效和管柱寿命，为了解决底部油管受压问题，提出了按油管浮力与配重尾 管的重量相等的方式设计配重尾管的设计方法。论文分析了在套管腐蚀严重无法修复的 井内下入玻璃钢小直径套管技术，解决因套管腐蚀无法投产的问题。论文对玻璃钢油管 应用于油井、注水井和油井套管现场试验实例井进行了进行理论和技术分析。 关键词：油井，注水井，玻璃钢，油管，腐蚀 d i r e c t e db yp r o f e s s o rw a n gh a i w e 咀- a n ds e n i o r - e n g i n e e rz h a oj i a n w e i a b s t r a c t i nt h ep r o c e s so fo i l f i e l dd e v e l o p m e n t ，c o r r u p t i o ni st h ep r o b l e mt op u z z l et h ep r o d u c e f r o mb e g i n n i n gt oe n d t e m p e r e dg l a s sm b i n gi sm a d eu po fm u c hr e s i ni m p e r v i o u sb a r r i e r 、 f i l a m e n tw i n d i n ge n f o r c e db a r r i e ra n do u t s i d eb a r r i e r i t sm a i nc r u d em a t e r i a la r eh i g h m o l e c u l a rn o n s a t u r a b l ep o l y e s t e rr e s i na n dg l a s sf i b r e ，w h i c hc o u l de f f e c t i v e l yr e s i s tt h e c o r r u p t i o no f c o r r o s i v em e d i u ms u c ha sa c i d 、a l c a l i 、s a l t t h u s ，t e m p e r e dg l a s sm b i n gi su s e d t oo i la n dw a t e rw e l lt or e s o l v et h ec o r r u p t i o no fm b i n g b e c a u s eo ft h el a r g ed i f f e r e n c eo f t e m p e r e dg l a s st u b i n ga n ds t e e lt u b i n ga b o u tm e c h a n i c a lf e a t u r e s ，t h e r ea r em o r eq u e s t i o nt o s t u d yi ft e m p e r e dg l a s st u b i n gi su s e dt oo i la n dw a t e rw e l ls u c c e s s f u l l y t h ep a p e ra n a l y s e a n ds t u d i e dt h et e m p e r e dg l a s st u b i n gc h a r a c t e r a c c o r d i n gt ot h ep r e s s u r ef i e l da n d t e m p e r a t u r ef i e l do fo i la n d w a t e rw e l l ，t h a tt e m p e r e dg l a s st u b i n gw a su s e dt oo i la n dw a t e r w e l lw a sr e s e a r c h e d t h e no i lw e l lc a s i n gp r o g r a ma n dm a t c h i n gt e c h n o l o g ya b o u to p e r a t i o n a n dm a i n t e n a n c ew e r es t u d i e d c o m p u t a t i o nm o d u l eo fs t r a i n e da n dd e f o r m a t i o no ft e m p e r e d g l a s st u b i n gi no i la n dw a t e rw e l lw a se s t a b l i s h e d b ym e a n so fa n a l y s i so fp r o d u c t i o nt e s t d a t ao ft e s tw e l li i lf i e l d ，i tw a sp r o v e dt h a tt u b i n gd e f o r m a t i o nb e c a u s eo ff l u i dc o l u m n l o a d i n gc o u l db em a i ne l e m e m so fd e c r e a s i n gp u m pe f f i c i e n c y t h ep a p e rd e v e l o p e dm e t h o d t h a tt e m p e r e dg l a s st u b i n gd e f o r m a t i o nw a sr e s o l v e db yu s eo fp r e s s u r et y p et u b i n ga n c h o r m e a n w h i l et h eq u e s t i o n sa b o u ta l t e r a n t es t r e s sa n dc o l u m uv i b r a t i o nw a t e rh a m m e rw e r e r e m o v e d ，p u m pe f f i c i e n c ya n dc o l u m ue n d u r a n c ew e r el i f t e d i no r d e rt or e s o l v eb e a r i n g q u e n t i o no fb o t t o mt u b i n g ，b o t t o mt u b i n gw a sd i s i g n n e db a s e do nt h a tt u b i n gb u o y a n c yw a s e q u a lt ob a l a n c ew e i g h to fb o t t o mt u b i n g f i n a l ，t h et e c h n o l o g yo ft r i p p i n gi 1 1t e m p e r e dg l a s s t u b i n gm i n o rd i a m e t e rc a s i n gi nd a m a g eb e y o n dr e p a i rw e l lb e c a u s eo fg r a v ec o r r u p t i o n c a s i n gw a sa n a l y s e dt of i g u r eo u tp u t t i n gi n op r o d u c t i o n f i e l de x p e r i m e n tt h a tt e m p e r e dg l a s s t u b i n gw a su s e dt oo i la n dw a t e r t h e nm a t c h i n gs t u d yw a sd e v e l o p e d k e yw o r d s ：o i lw e l l ，i n j e c t i o nw e l l ，t e m p e r e dg l a s s ，t u b i n g ，c o r r u p t i o n 目录 1 1 j ：! 发展2 第二章玻璃钢油管性能研究7 2 1 玻璃钢油管性能7 2 1 1 耐腐蚀性能7 2 1 2 水力学性能：7 2 1 3 化学结构稳定9 2 1 4 热力学与电性能9 2 1 5 机械性能与结构参数1 0 2 2 高压玻璃钢管制造工艺1 2 2 2 1 材料选择1 2 2 2 2 工艺流程13 第三章玻璃钢油管在油井上的应用1 6 3 1 玻璃钢油管油水井作业工艺1 6 3 1 1 玻璃钢油管适用及限制条件1 6 3 1 2 玻璃钢油管作业时注意事项1 6 3 1 3 配套玻璃钢井后期管理事项17 3 2 高压玻璃钢管适应油井分析1 7 3 3 玻璃钢油管在油井内的受力与变形研究1 8 3 3 1 油井温度场1 8 3 3 2 油井压力场2 1 3 3 3 玻璃钢油管在油井内受力与变形计算模型2 1 3 4 玻璃钢油管用于抽油机井采油技术2 4 3 4 1 前期试验2 4 3 5 现场应用实例分析2 8 第四章玻璃钢油管在注水井上的应用3 7 4 1 玻璃钢油管在水井内的受力与变形研究3 7 4 1 1 水井温度场3 7 4 1 2 水井压力场4 1 4 1 3 玻璃钢油管在水井内受力与变形计算模型4 3 4 2 玻璃钢油管用于注井配套技术5 0 4 3 玻璃钢油管用于注水井实例井分析5 2 第五章高压玻璃钢管在油井套管上的应用5 4 5 1 玻璃钢套管在国内的试验5 4 5 2 油井下小直径玻璃钢套管技术分析5 5 5 3 应用实例分析5 5 5 3 1 辛1 0 9 斜1 3 9 井应用实例分析5 5 5 3 2 辛4 7 4 8 井应用实例分析5 6 第六章结论5 9 参考文献6 0 致谢6 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第一章前言 内外油管现状 内外油田使用的油管和套管大多是钢材制成的，油管和套管在油气田勘探开发中 发挥着重要的作用。油管和套管的用量大、费用高，管材的质量、性能对石油工业意义 重大，随着石油科技的不断创新和发展，各大石油公司对油管和套管的质量要求不断提 高，很多都已经超过了a p is p e c5c t 标准。油管和套管工作时不但要承受拉伸力、压 缩力、内压力和外压力，在腐蚀环境下，还有承受腐蚀介质的作用，工作条件极为恶劣， 因此对油管的综合机械性能、几何尺寸、防腐能力和连接丝扣等要求越来越高。 随着油田的不断开发，原油含水不断上升，已处于高含水开发期。特别是油田开发 到中后期，地下动态、井筒状况、地面管汇等都发生了很大的变化。为了提高产液量、 产油量，采用高压注水补充地层能量。由于注入水矿化度高，且含有h ：s 、c o ：及高含 量c l - ，加剧了钢质油管的腐蚀，使水质受n - 次污染，铁离子又会使聚合物发生降解， 严重影响了注采效果。钢制油管因其金属特性，在目前工艺技术条件下，还不能很好的 解决这个问题。因此，全行业迫切需要一种抗腐蚀，能适应复杂井下状况的新型产品， 高压玻璃钢油管正是适应这种情况的一种可能的部分替代产品，国内油气田已有成功应 用的实例，显示了这种管材的优越性与先进性【1 1 。 在2 0 世纪5 0 年代中期，纤维缠绕环氧玻璃钢管开始在美国的一些油田应用，相继 用于输送管线、下井套管和油管。8 0 年代初，美国石油协会先后制定了高压玻璃钢管线 管、油管、套管等相应的a p i 规范。这些规范对石油工业用玻璃钢的材料选用、成型方 法等都作了相应的规定，标志着石油行业对高压玻璃钢管的认可，促进了高压玻璃钢管 的应用和发展。 2 0 世纪6 0 年代到8 0 年代是美国油田应用玻璃钢管的高峰期。只要玻璃钢管能承受 的压力和温度的场合，玻璃钢都最大限度地取代了钢质管道。目前，每年世界石油工业 应用高压玻璃钢管道达数千公里。 起初国内使用的玻璃钢管道主要依靠进口和外企合资。近年来国内高压玻璃钢井下 管的生产厂家由原来哈尔滨斯达玻璃钢有限公司( 外企) 一家，发展到连云港中复连众， 大庆汉维长桓和山东胜利新大实业集团等几家。由于国内需求量增加，特别是中石化系 统的胜利、中原、江汉、江苏、河南、塔河等油田，每年的维修更新量很大，为了满足 油田市场的需求，对高压玻璃钢管的研发制造更为迫切。 第一章前言 随着国内石油工业开发技术的不断进步，对材料的要求越来越高，同时，开发决策 者和广大工程技术人员对玻璃钢管在油田的应用得到认可，“玻璃钢管的研制和应用”已 列入国家科技攻关计划项目 2 1 。 总体来讲，高压玻璃钢管应用于油田防腐技术，在发达国家已经是应用非常成功。 对国内油田来说，是非常有前景的新型产品。 1 2 钢质油管存在的问题 在油水井上，由于井筒中的杆管泵及地面管道和井下配套工具因偏磨、腐蚀、结垢 等诸多因素的影响，导致油井开井时率偏低，水井注水时率偏低，层段合格率低，维护 作业工作量大，材料损耗严重。如何减缓杆管泵及井下工具的偏磨、腐蚀、结垢，延长 其使用寿命，是油田工作者急需解决的难题和研究对象。 为解决腐蚀结垢问题，多年来在钢制管道的内防腐技术上，不断地进行研究和试验， 采用了多种防腐措施，如水泥砂浆衬里、h 8 7 涂料、玻璃鳞片、镍磷镀、渗氮油管及各 种衬里等，见到了一定的效果，但由于多种原因，如：材料的质量、预制和施工质量、 管线接头部位处理等原因，防腐质量好坏差别很大，使管道的内防腐虽有效果但不理想， 所以研制和使用既能耐高压，又能耐腐蚀的玻璃钢管道势在必行。 钢质油管具有以下一些特点： ( 1 ) 钢管是传统管材，强度高、韧性好，可以承受较高内压，制作使用机动灵活，并 且能适应复杂或恶劣的地质情形。 ( 2 ) 钢质油管在使用过程中存在较大弊端，主要是内外防腐处理麻烦。其内外防腐质 量的好坏直接影响其使用寿命。 ( 3 ) 水力性能差、能耗高。钢管的管内糙率系数在0 0 1 3 - 4 ) 0 1 4 之间，这样对于同样 输入量，同等管径的管线，其沿程摩擦阻力大，需要增大泵压和提高扬程，这样增大初 期投资，同时运行费用高耗电量大。 ( 4 ) 管道存在对水锤作用承载能力差的弊端。 ， ( 5 ) 整体造价较高1 3 】。 1 3 玻璃钢油管技术现状与发展 ， 在油田开发过程中集输采油注水管道因腐蚀结垢严重等原因经常引发穿孔破裂，会 造成环境污染和经济损失的严重后果。鉴于上述现状，更显出玻璃钢管在油田应用的重 要性和迫切性。 2 1 9 6 0 年 钢管抗腐蚀的 短期良好成绩后，在c r a n ec o u n t r y 油田安装了研究用的两条玻璃钢埋地管线，管径6 1 0 m l n ，使用条件是连续输送表压为2 7 6 k p a - - - 4 1 4 k p a ，温度2 7 c 的盐水、酸性原油和天 然气。试验结果表明，试验管在这种使用条件下正常运行超过2 5 年。1 9 8 1 年美国应用 玻璃钢管达到高峰并坚持到1 9 8 6 年，随后美国产油量下滑，应用量也随之下降。1 9 8 4 年e x x o n 公司进入大规模应用玻璃钢管的新阶段，压力等级大幅提高，使用范围也扩 大。到1 9 9 0 年，壳牌公司使用的玻璃钢管总长度已超过6 0 0 k m ，最高压力达9 5 m p a ， 最高温度大约是1 0 0 ( 2 。在陆上油田，玻璃钢管主要用作出油管线和注水管线，工作压 力达到9 5 m p a ，工作温度达到6 5 。在海上油田，玻璃钢管主要用于各种水管，如冷 却水管、注水管和污水处理管。玻璃钢管作为集输注水用管，效果不错，被世界各石油 公司认可【4 】。玻璃钢管在井下施工的应用还不太广泛，因为玻璃钢管的压缩强度小于其 抗拉强度。在井中因长时间受压缩应力和c o ，以及打捞油管、射孔方法等都会对玻璃钢 管在井下产生影响。 玻璃钢管迅速发展的原因主要有以下几点： ( 1 ) 抗腐蚀性。玻璃钢管耐内、外腐蚀，可输送大多数流体，不需附加内衬和涂层； ( 2 ) 耐久性。玻璃钢有优良的机械性能，比传统材料具有更长的使用期，因而也更经 济； ( 3 ) 重量轻。玻璃钢比强度高，重量是传统材料的m 1 6 ； ( 4 ) 安装方便、经济。玻璃钢管重量轻，需要的安装设备和人力少； ( 5 ) 产品适应性强。标准的玻璃钢管直径从2 5i 姗到3 6 0 0 m m ，小口径管压力可达 2 8 m 田a 以上； ( 6 ) 较大的流量。玻璃钢管有非常光滑的内表面，h a z e n - w i l l i a n s 系数高达1 5 0 ，在 相同直径和压力下，比传统钢管流量大，在运行过程中，玻璃钢管能保持原来的光滑表 面，它可提高流速或减小泵的能耗； ( 7 ) 不污染输送介质，无杂质剥离和脱落，没有腐蚀结垢，不产生微生物、铁细菌、 铁锰等离子，因而对输送介质不产生任何污染； ( 8 ) 符合验收标准，玻璃钢管符合出版的a s t ma w w a 、a p i 和a s n e 标准； ( 9 ) 降低工程总投资。 3 第一章前言 目前，高压玻璃钢管道主要在国外油田的以下几个方面应用： ( 1 ) 原油或天然气采集和输送； ( 2 ) 化学废水污水处理管线； ( 3 ) 中、高压流体输送管线； ( 4 ) 盐水注入等； ( 5 ) c o 回收管线； ( 6 ) 具有压力、温度要求的其它管线【5 】。 二十世纪八十年代，在美国，玻璃钢管线成功地解决了n a g g i n g 油m - - 次采油中盐 水注入和处理井的腐蚀问题，玻璃钢油管在l1 0 0 m 深的油井中使用2 3 年后提出检查， 其管道表面完好如初。目前世界有报导的高压玻璃钢管最高使用压力可达3 0 m p a ，耐 热温度高达1 8 0 。 国外高压玻璃钢管线、油管、套管早已商品化，早在1 9 8 1 年美国油田的玻璃钢管 线油管、套管的实际用量就达1 5 7 5 0t ，价值几亿美元的高压玻璃钢管已应用多年，运 行正常。大口径玻璃钢套管还在印度、巴基期坦、利比亚、埃及、委内瑞拉等国的数百 口井中成功地使用。据介绍，美国的高压玻璃钢管已占油田注水管的5 0 以上、注c o 的 1 0 0 、油管的1 0 - - - 1 5 ，1 9 8 8 年a m e r o l l 公司在1 9 个油田工程和工业工程上使用了 直径5 0 m m 6 0 0 r a m 的中高压玻璃钢管，同年e g s 公司仅在油田就有2 9 口井上安装了 直径1 4 0 r a m 的玻璃钢套管，s m i t h 公司目前年产3 5 0 0 k m 的各种玻璃钢管道，7 0 万件 的管配件，其中大约有1 2 0 0 k m 的玻璃钢管道用于油田1 6 1 。 高压玻璃钢管道是由在缠绕设备上浸渍了高粘结能力的低黏度树脂基体的高强度 玻璃纤维按设定的角度和铺层缠绕于芯模上，经固化、脱模、加工制得。其最大特点是 优良的耐腐蚀性能、高耐久性和轻质高强。玻璃钢管在油田防腐蚀方面的应用，与其它 防腐蚀措施对比，综合成本低，技术经济效益好。 在国内纤维缠绕环氧玻璃钢管研究开发起步较晚，但近几年呈迅速上升之势。九十 年代中期，我国首次在三次采油工艺中采用高压玻璃钢管道，目前国内各油田在三次采 油、注水管道和注水井的井下管柱中，高压玻璃钢管线越来越多地被采用。 我国油田正在大力推广玻璃钢管，从已有的工程中收到了客观的经济效益。1 9 7 6 年首次铺设的一条玻璃钢管线，爆破压力达到1 2m p a 以上，在最大6 5m p a 压力下的循 环耐压试验在2 1 1 6 次以上仍然良好。该管线在唐山大地震中经受住了考验，使用年限 超过2 0 年。胜利油田较早的引进应用了玻璃钢管，早在1 9 7 4 年就将玻璃钢管用于钻井 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 水管线，并且在原油集输、污水输送、注水管线也相继应用。19 9 0 年4 月在现河污水站 建设了一座设计污水处理能力为2 0 0 0 0 m 3 d 的污水处理站，采用5 0 m m - 5 0 0 m m 玻璃 钢管2 4 4 0 m 及管配件1 7 8 个，1 9 9 1 年1 0 月试验投产成功。随后扩大应用。1 9 9 5 年开 始试用高压玻璃钢管，试用3 年后注水井井1 2 1 压力最高1 1 v p r ，总计注水3 6 x1 0 4 m 3 ， 使用情况良好。从1 9 9 5 年开始，国内其他油田如四川石油管理局在川中磨溪等气田成 功应用了7 0 0 0 m 玻璃钢油管，基本解决了含硫气井的生产管柱的腐蚀。川中含硫气井 的井下条件为：气井深度2 7 0 0 m 2 8 0 0 m 、井底温度8 7 ( 2 、地层压力3 0 m p a , - - 3 1m p a 、 天然气中h 2 s 含量2 5 9 m 3 2 9 9 m 3 ，地层水中c l - 含量( 1 2 - 1 8 ) x1 0 4 m g l 、硫酸盐还 原菌( s r a ) 含量1 0 3 1 0 6 个m l 。玻璃钢油管安装在气井下部腐蚀严重井段，油管柱上 部采用了n t 8 0 s s 抗硫油管。1 9 9 8 年4 月为了对玻璃钢管油管使用性能进行评价，对 m 7 1 井进行特别压井作业，检查玻璃钢管油管内外表面，有少量结垢，除去垢物仍可见 玻璃钢管油管光滑的本体，检查丝扣完好无损，入井上扣时涂的密封脂尚在。全部油管 试压1 5 1 v i p a ，稳压1 5 m i n 不泄露【7 】。 胜利油田大部分区块都已进入高含水期开发阶段，综合含水率已达9 2 3 左右，含 c 0 2 和h 2 s 等腐蚀性介质，对金属管道的内壁腐蚀非常严重。而东辛油田地层水矿化度 高，在4 0 0 0 0 m g l , - , 7 0 0 0 0 m g l ，属于腐蚀严重开发区。在未采取防腐措施的情况下， 新管线投产半年左右就开始穿孔，使用一年左右就停产大修。金属管道的腐蚀穿孔不仅 给油田的生产管理带来了巨大麻烦，同时也造成了大量的资金浪费和环境污染。 另外，含水升高到一定程度后，会加剧杆管偏磨。研究表明含水率上升与偏磨加剧 的相关性为0 9 2 ，当井液含水大于7 5 ，偏磨程度急剧增加。当油井产出液含水大于 7 4 0 2 时，产出液换相，由油包水型转换为水包油型，杆管表面失去了原油的保护作用， 摩擦的润滑剂由原油变为产出水，失去了原油的润滑作用，抽油杆和油管内壁磨损速度 加快，偏磨严重。另外井深轨迹不规则，泵挂过造斜点都会增加管杆偏剧羽。近年来东 辛采油厂每年作业的偏磨井在7 0 0 井次左右，每年治理的腐蚀结垢在1 2 0 井次左右，致 使油井开井时率偏低，维护工作量大，材料损耗严重。 玻璃钢管是由高树脂含量的防渗层、纤维缠绕加强层及外表面层组成，其主要原材 料是高分子不饱和聚酯树脂和玻璃纤维，能有效抵抗酸、碱、盐等腐蚀介质的侵蚀。高 压玻璃钢管在生产过程中采用钢芯模外缠绕成型，处于保证脱模的需要，模具的加工精 度非常高，制作前采用脱模剂反复处理，因此高压玻璃钢管的内表面极其光洁，粗糙度 是0 0 0 1 5m m , - 9 0 1m m ，而新的无缝钢管内表面粗糙度为0 0 4 6 m m ，旧的钢管为0 6 m m 。 第一犟前百 一一一_ - - _ l - _ _ _ _ - _ - i _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ l _ _ - _ _ l _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ - - - - _ _ - _ - _ - - _ _ _ 一 因此可以减少杆管之间的摩擦损失，提高防偏磨性能。由于其内壁光洁，其沿程阻力系 数为0 0 0 9 5 左右，仅为钢质管材的一半左右，可以降低原油与油管内壁的水利损失，提 高系统效率 9 1 。 综上所述，利用玻璃钢油管采油注水能减缓腐蚀结垢，提高防偏磨性能，延长杆管 的使用寿命，具有良好的应用前景和发展空间。 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第二章玻璃钢油管性能研究 2 1 玻璃钢油管性能 2 1 1 耐腐蚀性能 高压玻璃钢油管耐腐蚀性能好，使用寿命长，其设计使用寿命可达到3 0 年至5 0 年； 钢管、铸铁管在储存、使用过程中，会因化学、电化学的作用产生局部电池反应，表面 极易生锈，对输送介质往往会产生污染。因此，需要对其表面进行特殊防锈、除锈处理； 纤维缠绕玻璃钢管道由于是非金属材料制成，电极电位高，表面不会发生氧化锈蚀，无 需处理，不会污染水质。与钢质管道相比，具有优越得多的耐腐蚀性能，如对各种强酸 强碱、各种无机盐的溶液、氧化介质、硫化氢、二氧化碳、各种表面活性剂、聚合物溶 液、各种有机溶剂等n o l 。只要选择好树脂基体，玻璃钢管都可以长期耐受。 表2 - 1 酸酐环氧玻璃钢井下油管耐腐蚀性能表 最高推荐最高推荐最高推荐 化学环境使用温度化学环境使用温度化学环境使用温度 苯1 0 2 1 盐酸3 2 4 二甲苯不推荐 c 0 2 干态 2 1 盐酸1 0 不推荐甲烷 6 6 c 0 2 湿态 6 6 硫酸3 2 4 乙二醇 8 0 氢氧化铵2 8 不推荐硫酸1 0 不推荐甲醇2 0 3 8 醋酸2 0 不推荐 氢氟酸不推荐庚烷1 0 0 5 2 原油( 含硫、脱硫) 7 7 卤水、盐水 8 0 二氯甲烷1 0 不推荐 柴油1 0 0 6 6 硫化氢( 干态) 1 0 0 6 6 乙烷1 0 0 2 4 乙醇1 0 0 2 1 硫化氢( 湿态) 1o o 5 2 矿物酒精 2 4 燃料油 6 6 硬水 8 0 异丙醇1 0 3 8 汽油各类型 6 6 航空油1 0 0 6 6 石油精 3 8 氧化水l o o p p m 7 7 海水 8 0 三乙醇胺1 0 0 不推荐 氢氧化钠 蒸馏水、软化水 3 8 煤油 6 6 不推荐 5 5 0 甲苯1 0 0 不推荐柠檬酸2 5 6 6 2 1 2 水力学性能 玻璃钢管水力学性能优良，内壁十分光滑，粗糙度为0 0 0 5 3 ，摩擦系数为0 0 1 6 ， 介质的流动性好，远小于钢管及铸铁管的内壁粗糙度，属水力学光滑管。不容易结垢， 7 第二章玻璃钢油管性能研究 不容易结蜡，由于玻璃钢管内壁光洁度高及其特殊的化学结构，故蜡微晶非常难以在玻 璃钢管内表面析出和长大。其水力学指标h a z e n w i l l i a n s 系数为1 5 0 。内壁光洁可以降 低泵送功率，节约输送能耗，降低管道的运行及维护费用。对缠绕玻璃钢管道和铸铁管 进行计算比较：当管内流体流速为1 o m s 2 0 m s 时，管径d n 3 0 0 1 1 1 1 1 1 6 0 0 m m 的缠 绕玻璃钢管道输送流体时引起的压头损失约为同口径铸铁管的2 3 - 1 2 【l 。 高压玻璃钢管与钢管的流体性能对比见图2 1 。 高压玻璃钢管内防腐新钢管无内防腐新钢管f 日钢管已腐蚀钢管 图2 - 1高压玻璃钢管与钢管哈森威廉姆斯系数( c 值) 对比 f 磁- 1t h eh a z e n - w i l l i a m sc o e f f i c i e n tc o n t r a s tb e t w e e nh i g hp r e s s u r ef r pp i p e sa n ds t e e lp i p e s 图2 2 是辛5 0 斜1 0 5 井玻璃钢管结垢照片，从图看出，由于玻璃钢管内表面光滑 及高分子材料特性，解决了钢管道内表面严重结蜡、结垢，引起的管线压力升高、压力 不稳定等问题，不必进行清蜡、清垢，节省了管线的运行与维护费用。图2 3 是辛1 0 0 斜2 5 井钢管结垢情况图，从图看出，钢管的内表面粗糙，流体阻力大，易结蜡、易结 垢，易引起管线压力升高，压力不稳定等问题，造成停抽停注，使维护作业费用增加。 图2 - 2 辛5 0 - 斜1 0 5 玻璃钢管结垢情况图 f i 9 2 2x i n5 0 1 0 5i n c l i n e dw e l lf r pp i p es c a l i n gs i t u a t i o n 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 图2 _ 3 辛1 0 0 - 斜2 5 井钢管结垢情况图 f i 9 2 - 3x i n1 0 0 - 2 5w e l ls t e e lp i p es c a l i n gs i t u a t i o n 2 1 3 化学结构稳定 玻璃钢管化学结构稳定，输送介质没有二次污染；玻璃钢管内壁洁净光滑，难以被 海水或污水中的甲贝、菌类等微生物玷污蛀附。而钢管、铸铁管或钢筋混凝土管内表面 却很轻易被甲贝、牡蛎等附蛀寄生，且极难清除，增大粗糙率，使有效管径缩小，同时 增大流动阻力，减少过水断面积。 胜利油田开发4 0 多年。现已处于高含水开发阶段，采出水中含有氯离子、溶解氧、 二氧化碳、硫化物等多种腐蚀性物质，还含有硫酸盐还原菌等，这些有害成份严重腐蚀 钢质管网管线，经常出现集输注水管线穿孔，造成污染，影响生产。 为了解决腐蚀穿孔引起的污染，在集输注水系统中进行了玻璃钢管应用试验，1 9 9 6 年从国外引进了5 0 m m 高压玻璃钢注水管道，分别装在9 口注水井的井口流程中，工作 压力为1 6 5l e a ，安装投产一次成功，效果也不错。 因此，使用玻璃钢管道输送污水优越于普通钢管，并能减缓普通钢管因腐蚀结垢等 原因造成频繁穿孔所造成污染，延长管道的使用寿命，降低成本。 2 1 4 热力学与电性能 玻璃钢管导热系数小，保温性能好，导热系数为0 3 6w “m ) ( 。k ) ，仅为钢的1 ； 表2 2 是玻璃钢管与钢制钢管的热力学性能表。 表2 - 2 玻璃钢管与钢管热力学性能参数表 性能参数 导热系数w 一1热膨胀系依一1 轴向热应变之比轴向热应力之比 玻璃钢管道 0 2 71 1 2 x1 0 钢管 6 2 81 2 3 x1 0 1 6 7 1 1 1 l 有耐温性能局限，正常工作温度在3 0 g 1l o o c 之间，能部分满足采油注水等工 艺要求；耐高压性能好，正常工作压力为1 6 m p a - 2 5 m p a ；就目前来说，世界所有商品 玻璃钢管的长期使用温度还没有超过11 5 ( 玻璃化转变温度1 6 0 。c 左右) ，短期使用温 9 第二章玻璃钢油管性能研究 度没有超过1 3 5 ( a m e r o n 技术) 。相对钢质管道来说，耐温性能低得多，是其劣势。 但与其他非金属管道相比还算耐热性能好的。据了解，我国现有可以生产玻璃化转变温 度2 3 0 的高压管道的技术贮备，可将玻璃钢管的长期耐热温度突跃提高到 1 6 0 1 7 0 。从而大大扩展其应用范围，很好地解决深井等使用中急需解决的难题。 高绝缘性能往往是与低导热性能相伴的，玻璃钢管是电的不良导体，钢管、铸铁管 均为电的良导体，玻璃钢管道却是绝缘体，击穿电压为1 2 k v m m 一1 6 k v m m ，体积电 阻率为1 0 1 4 f 2 m ，表面电阻率为1 0 1 1q m ，绝缘性能优良，这一特性使得玻璃钢油 管能够安全地应用于输电、电信线路密集区和多雷区【1 2 1 。 2 1 5 机械性能与结构参数 ( 1 ) 性能可设计性 玻璃钢管品适用性强，可根据使用工况，设计成耐高温( 一般最高可达1 2 0 ，选择 合适的树脂体系可达到1 6 0 ( 2 ) ，耐高压( 一般最高可达2 5m p a ，经过特殊设计，部分型 号可达到3 2m p a ) ，满足腐蚀性能要求；根据具体使用情况，可对管道的具体性能及外 形进行设计：a 可对缠绕时的缠绕角进行设计，以使管道具有不同的纵、环向强度分配； b 可对管道壁厚进行设计，以使管道可以承受不同的内外压；c 可对材料进行设计，以 达到不同的耐腐蚀目的、阻燃目的、介电目的等；d 可对接头方式进行设计，适用不同 的安装条件，以提高工程安装速度：e 可对产品外形进行设计，以满足具体的外形需要。 ( 2 ) 连接方式 高压玻璃钢管采用a p l 5 b 标准8 扣油管圆螺纹接头进行安装连接( 2 i i l 以下采用l o 扣油管圆螺纹) ，接头少、连接方式多样灵活，方便快捷，可靠性好。缠绕玻璃钢管道 单管长度6 m 1 2 m ，甚至更长，在长距离管线安装时，所需接头少，既能使流动水阻 降低，也减少了施工费用，同时，管线因接头多而发生渗漏的可能性也较钢管大为降低。 另外，缠绕玻璃钢管道的接头方式有多种，主要包括：承插胶接、平端对接、法兰连接、 o 形圈连接、螺纹连接等，可根据具体施工条件，灵活选择接头方式，从而提高了工程 的可靠性。 ( 3 ) 比强度 比强度是按单位质量计算的材料强度，其值等于材料强度与其表观密度之比。它是 衡量材料轻质高强性能的重要指标。 玻璃钢管道比强度高、力学性能合理。比重约为1 6 左右，仅是钢管或铸铁管的1 4 - 1 5 ，实际应用表明，在承受同样内压的前提下，同口径、同长度的玻璃钢管道，其重量 1 0 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 为钢管的3 0 左右。正因如此，玻璃钢管道在运输时可套装运输，节省油耗及其它费 ：安装时，对中小1 2 1 径的玻璃钢管道一般不需用重型机械，有的甚至可通过人工搬运， 高了安装速度。缠绕玻璃钢管道轴向拉伸强度为1 6 0 m p a 一3 2 0 m p a ，接近于钢管，比 强度更高，在结构设计时，管材自重可大幅度减轻，安装十分轻易【1 3 1 。 热应变及热应力之比均为假设玻璃钢管道与钢管管长相同、管道两端介质温差相同 情况下所推得的结果。玻璃钢管道的导热系数低，仅为钢管的o 4 ，因而具有较好的 保温性能，输送介质时可以降低热能损耗。当玻璃钢管道与钢管两端有相同的热温差时， 线胀系数略大于钢管的玻璃钢管道将产生较大的热应变，但由于玻璃钢管道的轴向拉伸 模量约11 2g p a ，钢管的模量为2 1 0g p a ，所以，温差在玻璃钢管道上产生的热应力仅 约为钢管的1 11 【1 4 】。也就是说，在实际使用中，钢管需增加膨胀接头以消除管线上的热 应力集中，玻璃钢管一般却可以不予考虑。玻璃钢管道的热线胀系数使得它具有良好的 抗热耐寒特性，可在地表、地下、架空、海底、沙漠、冰冻、潮湿等各种恶劣环境中使 用。表2 3 是玻璃钢管与其他材料管性能参数对比表。 r 表2 - 3 玻璃钢管与其它材料管性能参数表。 材料比重拉伸强度i 1 1 比强度a 高级合金钢 8 1 28 0 16 0 a 3 钢 7 8 54 0 05 0 铸铁 7 4 24 03 2 缠绕玻璃钢 1 6 1 6 0 3 2 01 0 0 2 0 0 p v c1 4 5 0 - 6 0 3 6 8 ( 4 ) 物理特性 玻璃钢油管通过在油水井上的试验和成功应用，其垂向抗拉强度、耐内压、耐外压、 耐温等基本性能都得到了验证。 现研制开发的中高压玻璃钢管产品，其主要物理特性指标都已达到下井要求。玻璃 钢油管的直径范围d n 5 0 m m 8 0 m m ，工作压力范围1 6 m p a - 2 5 m p a ，其中酸酐类玻璃 钢油管工作介质使用温度为3 0 8 0 。胺类玻璃钢油管工作介质使用温度为 3 0 1 1 0 。表2 4 是酸酐类和胺类玻璃钢管的物理特性。 第二章玻璃钢油管性能研究 表2 4 酸酐类和胺类玻璃钢管的物理特性 特性测试方法常温2 0 常压0 1 a 极限应力轴向拉伸- a s t md 2 1 0 51 3 8 设计应力轴向拉伸- a s t md 2 1 0 5 4 4 8 弹性模量轴向拉4 * - a s t md 2 1 0 5 2 0 0 7 0 0 极限应力 轴向拉伸- a s t md 6 9 5 9 6 5 设计应力 轴向拉伸a s t md 6 9 5 2 4 。l 。极限环向拉伸应力静水压爆破试验a s t md15 9 91 7 2 密度 静水压爆破试验- a s t md 15 9 9 1 9 6 9 e m 3 线胀系数线胀系数a s t md 6 9 61 5 7 m m 1 0 0 m 轴向拉伸 线胀系数a s t md 6 9 6o 1 6 哈森威廉斯系数线胀系数- a s t md 6 9 61 5 0 导热系数导热系数a s t md 1 7 7 0 3 6w ( m ) ( o k ) ( 5 ) 酸酐类和胺类玻璃钢油管结构参数 在国