CN101903613A - 具有聚合物衬管的井管 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种井管，特别是油井管，具有改进的抗磨损、抗腐蚀性能。井管包括许多管段，每个管段都具有管孔和内径，其中至少部分管段具有置于所述管段的所述管孔内的聚合物衬管，特征在于所述聚合物衬管由交联聚乙烯组成。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有改进的抗磨损、抗腐蚀性能的井管。特别地，本发明涉及包括许多管段的油井管，每个管段都具有管孔和内径，其中至少部分管段具有置于所述管段的所述管孔内的聚合物衬管。
背景技术
本发明涉及井用管柱，特别是在油井中使用，管柱由杆泵送操作，这是从地下储层泵送油的传统技术。在地面上，电机驱动游梁，游梁和光杆连接，光杆依次和抽油杆柱相连，抽油杆柱向下延伸到井眼以支撑井下泵。随着电机的运转，游梁升降光杆和抽油杆柱，从而使得泵将液体从储层提升到地面。
过去，用传统杆泵单元凿出的井存在管和/或杆或杆联接器失效的显著问题，原因在于杆柱的往复运动引起杆和管壁上的杆联接器之间的磨损。由于腐蚀性元素的存在和/或钻井中的井眼偏离或由于下沉都可能会加速这些失效。
本发明进一步涉及井管，特别是油井管，进一步涉及通过使用螺杆泵(PCP)从地下储层提升石油的主要方法。当石油里包含一定量的能引起高磨损的沙子时，使用螺杆泵(PCP)是优选的泵送方法。
全世界成千上万的油井都在开采，大多数油井使用了上面提到的方法中的一种。腐蚀和磨损的存在使得必须定期更换管柱。这将导致高的维修费用和产量的损失。
为了减少维修的频率/维护的间隔时间，曾试图更换具有聚合物衬管的管段的衬管。聚合物材料必须抗磨损和具有低的摩擦系数。另外，聚合物必须耐受产出的流体特别是原油和油/水的混合物和杂质。
过去用于更换油井管衬管的材料优选是聚烯烃，诸如聚丙烯和聚乙烯。如在US2006/0124308A1中披露的使用包括聚丙烯的衬管。在US5511619中披露的使用包括聚乙烯的衬管。
直到现在，高密度的聚乙烯，超高密度的聚乙烯和超高分子量的聚乙烯仍然是优选的用于更换衬管的聚乙烯种类。
然而据观察，这些材料的抗磨损性能通常并不令人满意。生产石蜡油中出现了进一步的问题。如果产出的油的温度低于石蜡馏分中蜡的温度，这些馏分将会离析，这就需要进行干预。每天可能就需要多达两次的干预，从而导致费用增加和产油量下降。
发明内容
因此本发明的目的是提供一种具有改进的抗磨损性能的油井管。进一步，生产石蜡油的管子的适宜性将被改进。更进一步，至少保持聚烯烃类衬管的抗腐蚀性。
包括许多管段的油井管能达到上述的目的，每个管段都具有管孔和内径，其中至少部分管段具有置于所述管段的所述管孔内的聚合物衬管，其特征在于所述聚合物衬管由交联聚乙烯组成。
本发明所提到的一种井管，特别是一种油井管，在采油和/或采气领域是众所周知的。特别的，本发明的井管是用于地下抽油杆泵的井管。因此井管，特别是油井管，包括许多管段，每个管段都具有管孔和内径。管段被互相连接在一起，以致管段的管孔共同形成一个管子，管子从地面向井下延伸。进一步，每个管段具有置于其管孔内的聚合物衬管。
令人惊讶的发现由交联聚乙烯组成的聚合物衬管能够达到上面提到的要求。交联聚乙烯衬管供增强关于研磨介质、例如含有沙子的原油的耐用性，同样能抵抗泵送杆的磨损作用。随着抗磨损性的增强，相对于非交联聚乙烯来说，交联聚乙烯的抗腐蚀性也随之增强。衬管耐用性的增强也增加了井管材料本身的寿命。相对于非交联聚乙烯衬管来说，交联聚乙烯衬管在温度升高时也表现出了改进的力学参数。这使得交联聚乙烯衬管适于在较高的温度下生产原油。
本发明的概念也适用于气井和注水井，进一步的适用于煤层甲烷的开采。本发明的概念能用于通过管子从地下提升流体的所有实例，其中流体中包含固体和磨损性颗粒，因此流体具有磨损性和/或腐蚀性。
由于聚合物管的保温(insulation)作用和较低的表面能量，更容易生产出石蜡油，因为离析被阻止。然而，如果用蒸汽处理干预，管子将被施加高温；相对于标准的非交联聚乙烯的管子来说，交联聚乙烯表现出抗高温性能。
由于同样的作用将减少沥青质的沉淀。
进一步，也观察到引起一系列干预的结垢问题。由于交联聚乙烯管的保温作用和较低的表面能，例如碳酸钙的离析将减少。
气井的常见问题是气体水合物的积聚，这种水合物需要用甲醇来处理。通过使用具有交联聚乙烯衬管的管子，由于如上所述同样的作用这些问题将减少。
具有衬管的管段的使用也使得提升原油所消耗的能量减少。据观察最高能节省20％的电能。
本发明中，衬管是“紧密配合”的，即，当安装时衬管的外径和管孔的内径大小完全相同。
现有技术中存在许多在管子中安装聚乙烯衬管的工艺技术。例如WO00/15411中提及的，该篇文献引用在此作为参考。WO00/15411披露了将圆形衬管变形为具有充分更小的整体尺寸的几何形状的方法，将变形的衬管插入到现有管中并重新使衬管恢复为圆形。最终，衬管膨胀到现有管子的内表面上然后进行交联。
进一步的参考可参见GB2272038，该篇文献引用在此作为参考。GB2272038披露了通过轴向扭曲管状衬管衬砌管线的方法，所述管状衬管由交联聚乙烯制成，在将衬管插入管线的同时保持衬管的轴向扭曲构造，最后停止解扭衬管，从而膨胀衬管使得衬管和管线的内表面接触。
进一步的方法包括众所周知的“型锻衬砌”(swagelining)和“下卷”(rolldown)，其中衬管的外径暂时减小，使得在恢复衬管的直径到管子的管孔之前衬管容易拉入管子内。这些方法确保衬管如所需要的紧密配合在管子内部。
上面提到的所有方法都适用于生产本发明的油井管。通常，将交联形态或非交联形态的聚乙烯衬管插入管子里是可能的。如果插入非交联的聚乙烯衬管，必须随后通过合适的方法，即暴露于辐射或高温的水或蒸汽，进行交联化。
根据优选的实施方案，本发明所使用的衬管具有0.5-10mm的厚度。低于0.5mm时，衬管的寿命和因此管子本身的耐用性没有足够的提高。厚度达到10mm和以上时，耐用性和抗腐蚀性能够满足所有的要求，但是，厚度高于10mm以上时，管子运送流体的能力已经不利地下降了。
较优选的是衬管的厚度为2-8mm，更为优选的是衬管的厚度为3-6mm。
通常，所使用的聚乙烯的密度并不非常严格。优选的是使用的聚乙烯的密度至少为920kg/m3。上限通常为964kg/m3(乙烯同聚物)。申请人认为密度低于920kg/m3的聚乙烯对于本申请来说太软。
相应地，更优选的是交联聚乙烯是密度为940-964kg/m3的交联高密度聚乙烯(HDPE)。本发明的优选实施方案中交联聚乙烯的交联度为20-90％。
通常，优选的是所使用的交联聚乙烯具有至少20％的交联度，以确保衬管能够满足关于在较高温度下的抗磨损性和维持力学性质的要求。交联度高于90％也能使用，但是发现交联度在20-90％之间通常就足够了。优选的是交联度为30-80％，较为优选的为40-80％，更为优选的为50-80％。特别优选的是交联度大约为65％。
通过下面提到的三种方法中的一种就能生产交联聚乙烯：
1.化学交联(Engels/Azo法)
2.辐射
3.硅烷接枝和水解
1.化学交联
Engels法使用包含高浓度有机过氧化物的聚乙烯。在被长压管内挤塑后，聚乙烯在升高的温度下被挤出和保持一段时间。在这期间过氧化物分解成自由基，所述自由基和聚合物发生反应，在聚乙烯链之间形成碳-碳键。
自从二十世纪五六十年代当第一次交联聚乙烯在商业上开发之后，随着挤塑设备的广泛应用，该方法所需要的挤塑设备的高资本费用得到降低。
产生的交联结构(在PE链之间碳和碳直接交联)是以二维的/平面的为特征，其最终影响不如硅烷接枝结构。它也受限于挤塑过程。
Azo法和Engels法实质上类似，使用偶氮化合物而不是过氧化物。偶氮化合物在非常高的温度下分解，通常地在下游的链管上，再一次形成自由基以和聚乙烯链交联在一起。
2.辐射
聚乙烯成型件或挤出物穿过加速的电子束(β或γ射线)，这在聚合物中形成自由基，将聚乙烯的链直接连接。产生的结构和在过氧化物(化学)交联系统中一样是平面的。所使用的聚乙烯包含“活性助剂”，这增加了原材料的成本。
3.硅烷接枝和水解
在这个方法中有机硅烷的短支链接枝到主聚乙烯结构上，形成可交联的接枝共聚物。所得聚合物仍然是热塑性的。接枝法通常由高剪切挤出机来实现。这通常在复合运动捏合机(Ko Kneader)或共旋转双螺杆挤出机上进行，使用的挤出机作为化学反应器。然后造型机或挤出机将该接枝聚合物和催化剂母料混合，然后挤出仍然为热塑性的材料以形成最终产品。
在这个阶段，例如管挤出，注塑没有或仅有低水平的交联发生。交联通过之后管子和湿气的反应实现，所述湿气来自于热水浴或蒸汽室。
水分子散播到聚乙烯中，在水和有机硅烷的侧链端基之间发生化学反应。这个反应形成硅氧烷交联，直接加到了聚乙烯链中。存在的催化剂加快了交联的速率，使得获得经济可行的交联时间。重要地，任一硅烷侧链的末端能够和三个不同的临近硅烷侧链形成交联。这形成具有三维框架结构的束状交联结构。通常这种最后的交联网络比通过过氧化物辐射路线得到的平面结构更能抵抗热量和压力的变化。
优选地，本发明所使用的交联聚乙烯是由硅烷接枝和水解得到的。
根据本发明的一个优选实施例，根据ISO1133确定，交联聚乙烯在交联之前具有0.1-4g/10min的MFR(190℃，2.16°kg)。
本发明的一个优选实施方案中所使用的聚合物衬管由多于一层组成，其中至少里层包含交联聚乙烯。
根据另一种实施方案，聚合物衬管为单层。
根据本发明的一个优选实施方案，具有交联聚乙烯衬管的井管用于杆泵送系统，其中抽油杆被置于每个井管中。
像上面已经概述的，本发明的一个特别优选的实施方案是井管，该井管为油井管。
根据本发明的一个更为优选的实施方案，用于连接抽油杆所包括的单个杆部分的接头的表面粗糙度≤2.8μm。
对于本发明的一个基本实施方案，抽油杆部分的材料特性和抽油杆接头不相关，即单独使用交联聚乙烯衬管已经观察到显著增加的寿命，甚至当仍然使用具有传统碳钢抽油杆接头的抽油杆时也是如此。
然而，当使用具有非常光滑的表面粗糙度的特定的杆接头时，能进一步改善正面的影响。用表面粗糙度Ra来表示的表面的光滑度≤2.8μm。较优选的是表面粗糙度Ra≤1.6μm，更为优选的是表面粗糙度Ra≤1.0μm，更为优选的是表面粗糙度Ra≤0.6μm，最为优选的是表面粗糙度Ra≤0.2μm。表面粗糙度Ra的特别优选值为大约0.1μm。
根据更为优选的实施方案，接头的表面硬度HV200≥300，较为优选的是表面硬度HV200≥450，更为优选的是表面硬度HV200≥595。
高的表面硬度确保接头在长时间使用时其光滑的表面仍然保持平滑。
将非常光滑的表面(表面粗糙度≤2.8μm)和在特定范围内的表面硬度相结合证明能产生最好的效果。根据本发明的一个优选实施方案，杆接头包括接头外表面上的耐磨层，该耐磨层包括热熔在外表面上的喷涂金属。
通过热喷涂覆在基质上施加喷涂金属。热喷涂覆涉及使用焊炬加热粉末状或线状材料，从而达到熔融或临近熔融的状态，使用气体将材料推进到目标基质上，形成完全新的表面。涂层材料可能为单一的元素，具有独特物理特性的合金或化合物，在多数情况下，只可通过热喷涂工艺得到。
对于将优越的特性和性能质量施加到给定的工程表面上来说，热喷涂涂层是高成本的，但也是直接的方法。通过热喷涂强化的各种涂层和产品几乎是无限制的。涂层通常为金属，陶瓷，碳化物或这些材料的组合来满足一系列的物理标准。
作为相关工艺族，每种热喷涂工序带来独特的优点。这给满足大量的应用和产品需求提供了很高的灵活度。这些工艺包括：大气等离子喷涂，Champro
受控的大气等离子喷涂，HVOF(超音速火焰)喷涂，使用气体或液体作为燃烧燃料，Combustion Powder Thermospray
燃烧线材喷涂和电弧线材喷涂。
由于喷涂金属层，接头具有非常的抗腐蚀性和表现出几乎不怕任何一般的腐蚀(油田流体的一般腐蚀率＜1μm/年)。
通常，通过接头(包括具有和不具有喷涂金属层的接头)的点蚀深度来测量，抗腐蚀性在0℃时优选为≤0.025mm，在10℃时优选为≤0.025mm，在20℃时较优选为≤0.025mm，在30℃时较优选为≤0.025mm，在＞30℃时，例如50℃最优选为≤0.025mm。该腐蚀测验根据ASTM G48-03执行(镍基和铬轴承合金根据方法C，不锈钢根据方法E)。
根据本发明的特别优选实施方案，使用的杆接头具有包含喷涂金属的外耐磨层，接头的表面粗糙度Ra≤0.2μm，优选大约为0.1μm，表面硬度HV200≥595。
适合抽油杆接头的喷涂金属涂层的组成定义在美国石油协会(API)的规范内(“抽油杆规范”，API规范11B，第26版，1998年1月1日；第6页，表7)。
相应地，耐磨层优选包含0.50-1.00重量％的碳，3.50-5.50重量％的硅，12.00-18.00重量％的铬，2.50-4.5重量％的硼，3.00-5.5重量％的铁，余量为镍。
可能存在有少量的磷(≤0.02重量％)，硫(≤0.02重量％)，钴(≤0.10重量％)，钛(≤0.05重量％)，铝(≤0.05重量％)和锆(≤0.05重量％)。
本发明的特定实施方案是杆泵送系统，包括一个或多个井管，其中每个井管包括许多管段，每个管段都具有管孔和内径，其中至少部分管段具有置于所述管段的管孔内的聚合物衬管，其中聚合物衬管由交联聚乙烯组成，其中抽油杆置于每个井管中，每个抽油杆包括许多杆部分，单个杆部分通过接头互相连接，根据ASTMG48-03，方法C或E测定接头在0℃时具有≤0.025mm的表面抗腐蚀性。
本发明更进一步的特定实施方案是杆泵送系统，包括一个或多个井管，其中每个井管包括许多管段，每个管段都具有管孔和内径，其中至少部分管段具有置于所述管段的管孔内的聚合物衬管，其中聚合物衬管由交联聚乙烯组成，其中抽油杆置于每个井管中，每个抽油杆包括许多杆部分，单个杆部分通过接头互相连接，接头的表面粗糙度Ra≤2.8μm。
具体实施方式
实施例
测量方法
MFR，熔体流动速率
根据ISO1133测定聚乙烯在190℃时具有2.16kg负荷时的熔体流动速率。
密度
密度根据ISO1183确定。
交联度
聚乙烯的交联度根据ISO10147确定。
硬度
喷涂金属的硬度作为维氏硬度HV200根据ASTM E 384确定。碳钢的硬度作为洛氏硬度HRA根据DIN EN ISO 6508确定。
表面粗糙度：
表面粗糙度作为粗糙度Ra根据ISO 4288和ISO 4287确定。
抗腐蚀性
抗腐蚀性根据ASTM G48-03的方法C确定(方法E应用于不锈钢接头)。
磨损速率
根据本发明使用的抽油杆接头对聚乙烯材料的磨损速率由下面的实验装置和工序确定。
测试装置模拟在实际条件下抽油杆接头相对于聚合物衬砌管串的往复运动。为了缩短实验的时间，运动从往复改变成旋转运动和更高的旋转速度。
为了模拟运动(旋转)，使用具有可变旋转速度的箱柱钻。钻井机被安装在装满测试液体的盆内。聚合物测试样品固定在不锈钢板上，不锈钢板和动力钻连接。因为水和油不相混溶，在整个测试过程中使用循环泵混合流体。由于模拟实际条件的必要性，使用加热元件维持流体的温度不变(50℃)。为了防止流体的蒸发，给盆盖上盖子是必要的，从而避免了流体的损失，进而保特了水和油之间的比例不变。
通过竖锯将聚合物样品板切割成圆形。这些圆形板用两个金属环(内环和外环)固定在钢板的下面。两个接头置于箱柱钻的底部被牢牢固定，使得在测试操作期间它们不松动。为了使聚合物板能接触到每个接头，调整钻井机的高度。钻井机的杠杆负载有选定的铅重量。盆内装满了原油/水混合物，循环泵开始混合和分配介质。当达到预定温度时启动加热元件，聚合物板和接头浸在均匀的油/水混合物中时启动箱柱钻。
田场操作中抽油杆泵的冲击速率大约为每分钟8次(依赖于流入泵中的介质的速率)。这意味着，接头每分钟16次经过管的相同的位置。设置箱形钻的旋转速度为345rpm，运行5天21小时。因此，该测试过程模拟田场中127天。对于测试对应的聚合物/非合金钢接头，负载为65千克(分开在两个接头或定中心装置上)，这与田场中7°的井偏离关联。如果是聚合物/喷涂金属接头，负载加倍。
通过加热单元保持和控制流体温度为50℃，以模拟现有的油井中存在的相当条件。
下面的表显示了介质组分的比例，介质包括水，油和盐(氯化钠)。
| 介质 | 体积[1] | 体积[％] |
| 水 | 290 | 94.7 |
| 原油 | 12.75 | 4.2 |
| 盐 | 3.5 | 1.1(11000ppm) |
| 总计 | 306.25 | 100 |
磨损实验完成以后，用InfiniteFocus 2.0.1
光学3D测量工具分析聚合物板表面的表面形貌。
InfiniteFocus 2.0.1
提供不同的测量能力。从3D点自动计算基准面和使用体积分析(计算空隙和突起部的体积)，计算聚合物板的面积磨损速率[mm3/127天]。
聚合物性能
PE1是接枝有乙烯基三甲氧基硅烷(VTMS)的高密度聚乙烯，包含2重量％的VTMS。
PE1的密度为948kg/m3。MFR＝2g/10min(2.16kg，190℃)。
交联母料是1.8重量％的二月桂酸二辛基锡、0.4重量％的Irganox 1010和HDPE(MFR＝4g/10min(2.16kg，190℃))的共混物。
聚乙烯板的生产
厚度为5mm的板是由95重量％的PE1和5重量％的交联母料混合生产而成。
使用了下面的设备：
K60-30D型Kuhne挤出机，平模的宽度为860mm。
Kuhne Kalander GA 3/900：3个辊，每个的直径为300mm，长度为900mm。
Kuhne Take-Off BAW Z/1-900
挤出机的输出量为100千克/小时，熔融温度为223℃，模具前的熔融压力为61bar，启动速度为0.78米/分钟。
板被切割成320×320×5mm大小的单片。
为了交联，板在温度为95℃的水中储存16小时。
测得的交联度为：64.7％
实施例1使用了交联聚乙烯的板。实施例2的板是未交联的。
接头
以下的接头用于这些实施例：
1.喷涂金属接头(SMC)：
喷涂金属接头从Tenaris获得。
使用的接头的表面粗糙度Ra为0.1μm，0.4μm，0.8μm和1.6μm。使用的喷涂金属接头具有传统的碳钢基质，其上有喷涂金属层。使用的接头上的喷涂金属层的厚度为300μm。
商业上获得的接头的表面粗糙度Ra根据ISO4288和ISO4287确定。
使用的接头的表面硬度作为维氏硬度HV200根据ASTM E 384确定。使用的接头的表面硬度HV200为600。
喷涂金属接头的抗腐蚀性根据ASTM G 48-03的方法C测定。测试温度为0℃，10℃，20℃和30℃时，观察到的点蚀深度低于0.025mm。
2.碳钢接头
碳钢接头从Schoeller Bleckmann(SBS)市售获得。
碳钢接头的表面粗糙度Ra为3μm。碳钢接头的表面硬度为HRA60。
结果
Claims (17)
1.一种井管，包括许多管段，每个管段都具有管孔和内径，其中至少部分管段具有置于在所述管段的所述管孔内的聚合物衬管，特征在于所述聚合物衬管由交联聚乙烯组成。
2.如权利要求1所述的井管，其特征在于所述衬管的厚度为0.5-10mm。
3.如前述任一权利要求所述的井管，其特征在于交联聚乙烯的密度至少为920kg/m3。
4.如权利要求3所述的井管，其特征在于交联聚乙烯是高密度交联聚乙烯(HDPE)，其密度为940-964kg/m3。
5.如前述任一权利要求所述的井管，其特征在于交联聚乙烯的交联度为20-90％。
6.如前述任一权利要求所述的井管，其特征在于根据ISO1133确定的交联聚乙烯在交联之前具有0.1-4g/10min的MFR(190℃，2.16°kg)。
7.如前述任一权利要求所述的井管，其特征在于聚合物衬管由多于一层组成，其中至少里层包含交联聚乙烯。
8.如权利要求1-6任一项所述的井管，其特征在于聚合物衬管是单层的。
9.如前述任一权利要求所述的井管，其特征在于井管为油井管。
10.一种杆泵送系统，包括如前述任一权利要求所述的一个或多个井管，抽油杆置于每个井管中。
11.如权利要求10所述的杆泵送系统，其中每个抽油杆包括许多杆部分，单个杆部分通过接头互相连接，其特征在于根据ASTM G48-03方法C或E确定，接头在0℃时的表面抗腐蚀性≤0.025mm。
12.如权利要求10所述的杆泵送系统，其中每个抽油杆包括许多杆部分，单个杆部分通过接头互相连接，其特征在于接头的表面硬度Ra≤2.8μm。
13.如权利要求10或11所述的杆泵送系统，其特征在于接头的表面硬度HV200≥300。
14.如权利要求10-13任一项所述的杆泵送系统，其特征在于接头包括在接头外表面上的耐磨层，该耐磨层包含热熔在外表面上的喷涂金属。
15.如权利要求14所述的杆泵送系统，其特征在于耐磨层包含0.50-1.00重量％的碳，3.50-5.50重量％的硅，12.00-18.00重量％的铬，2.50-4.5重量％的硼，3.00-5.5重量％的铁，余量为镍。
16.一种杆泵送系统，包括一个或多个井管，其中每个井管包括许多管段，每个管段都具有管孔和内径，其中至少部分管段具有置于所述管段的所述管孔内的聚合物衬管，其中聚合物衬管由交联聚乙烯组成，抽油杆置于每个井管中，每个抽油杆包括许多杆部分，单个杆部分通过接头互相连接，根据ASTM G48-03，方法C或E测定，接头在0℃时具有≤0.025mm的表面抗腐蚀性。
17.一种杆泵送系统，包括一个或多个井管，其中每个井管包括许多管段，每个管段都具有管孔和内径，其中至少部分管段具有置于所述管段的所述管孔内的聚合物衬管，其中聚合物衬管由交联聚乙烯组成，抽油杆置于每个井管中，每个抽油杆包括许多杆部分，单个杆部分通过接头互相连接，接头的表面粗糙度Ra≤2.8μm。
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