CN111119749B - 一种油田用轻质井下油管 - Google Patents
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Abstract
一种油田用轻质井下油管，涉及一种油田用井下油管。目的是解决现有的油田中井下耐腐蚀金属材质油管单位长度质量大和成本高的问题。油田用轻质井下油管由纤维复合材料管、设置在纤维复合材料管两端的金属端管、以及耐腐蚀的内管构成，所述金属端管的一端为具有外螺纹的螺纹端头，另一端为具有沟槽的过渡段；纤维复合材料管的两端分别套设在两个金属端管的过渡段的外表面上。本发明轻质井下油管具有耐高温、耐高压、耐腐蚀，抗拉强度高、单位长度质量轻和成本低的优点。本发明适用于制备井下油管。
Description
技术领域
本发明涉及一种油田用井下油管。
背景技术
随着油田的开采，油井越来越深，当井深超过8000米时，油井中油管所受的压力达100MPa以上，温度也随之越来越高，超过了200℃，且在一些油田(如四川油田、西北油田等)中的井下油管受到CO2、H2S、Cl-等的腐蚀也越来越严重。井下耐腐蚀金属油管中镍基合金钢油管能够承受高温和高压，并且耐腐蚀性能好，但是现有的镍基合金钢油管的价格约为30万元/吨，密度达到7g/cm3以上，由于镍基合金钢油管存在价格昂贵和单位长度的质量重的问题，镍基合金钢油管的使用会造成油田生产和维修成本大幅增加。
发明内容
本发明为了解决现有的油田中井下耐腐蚀金属材质油管单位长度质量大和成本高的问题，提出一种轻质井下油管。
本发明轻质井下油管由纤维复合材料管和设置在其两端的耐腐蚀的金属端管、以及耐腐蚀的金属内管或塑料内管构成；
所述金属端管的一端为具有外螺纹的螺纹端头，另一端为具有沟槽的过渡段；两个金属端管设置在纤维复合材料管的两端，纤维复合材料管的两端分别套设在两个金属端管的过渡段的外表面上。
所述金属内管设置在纤维复合材料管内部，金属内管的两端分别与金属端管中过渡段的端部焊接，金属内管的外表面与纤维复合材料管内表面贴合。
本发明原理及有益效果为：
本发明轻质井下油管中纤维复合材料管为管体，采用了轻质高强纤维和耐腐蚀耐高温的基体树脂为原料，并采用纤维缠绕工艺制备而成，具有耐高温、耐高压、耐腐蚀，抗拉强度高、单位长度质量轻和成本低的优点。采用具有外螺纹的耐腐蚀的金属端管作为轻质井下油管两端的连接，克服了因纤维复合材料管本体剪切强度低导致的纤维复合材料材质制成的螺纹的抗拉强度低的弱点，保证了油管安装和油井维修时油管的吊装需求。具有沟槽结构的过渡段与纤维复合材料管连接显著提高了纤维复合材料管与金属端管的连接强度(抗拉强度和抗扭强度)。金属内管可以有效提高轻质井下油管的抗高内压渗透能力和耐腐蚀水平，避免了因为树脂微裂纹造成的渗漏的发生，因此在纤维复合材料管相同壁厚的情况下有更高的耐内压能力；并且金属内管的壁厚仅为0.1～3mm，属于薄壁管，金属内管的使用并没有显著增高井下油管的重量。
本发明轻质井下油管承受的内压能够达100MPa以上；能够在150～210℃、以及CO2、H2S、Cl-等腐蚀条件下长期使用；成本仅为镍基合金钢油管的60～80％。
本发明轻质井下油管能够承受至少106N的拉力，并且单位长度质量仅为金属油管的1/2至2/3，重量显著减轻，在满足总长度为6000～8000米的油管整体吊装的同时，降低了安装维修费用。
附图说明
图1为实施例1中轻质井下油管的结构示意图；
图2为实施例1中金属端管2的结构示意图；
图3为实施例2中金属端管2的结构示意图；
图4为实施例3中轻质井下油管的结构示意图；
图5为图4中a处放大图；
图6为实施例3中金属端管2的结构示意图；
图7为实施例4中轻质井下油管的结构示意图；
图8为实施例5中轻质井下油管的结构示意图；
图9为实施例6中轻质井下油管的结构示意图；
图10为实施例7中轻质井下油管的结构示意图。
具体实施方式：
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意合理组合。
具体实施方式一：本实施方式轻质井下油管由纤维复合材料管1和设置在其两端的耐腐蚀的金属端管2、以及耐腐蚀的金属内管3构成；
所述金属端管2的一端为具有外螺纹的螺纹端头21，另一端为具有沟槽的过渡段22；两个金属端管2设置在纤维复合材料管1的两端，纤维复合材料管1的两端分别套设在两个金属端管2的过渡段22的外表面上。
所述金属内管3设置在纤维复合材料管1内部，金属内管3的两端分别与金属端管2中过渡段22的端部焊接，金属内管3的外表面与纤维复合材料管1内表面贴合。
本实施方式轻质井下油管中纤维复合材料管1为管体，采用了轻质高强纤维和耐腐蚀耐高温的基体树脂为原料，并采用纤维缠绕工艺制备而成，具有耐高温、耐高压、耐腐蚀，抗拉强度高、单位长度质量轻和成本低的优点。采用具有外螺纹的耐腐蚀的金属端管2作为轻质井下油管两端的连接，克服了因纤维复合材料管本体剪切强度低导致的纤维复合材料材质制成的螺纹的抗拉强度低的弱点，保证了油管安装和油井维修时油管的吊装需求。具有沟槽结构的过渡段22与纤维复合材料管1连接显著提高了纤维复合材料管1与金属端管2的连接强度(抗拉强度和抗扭强度)。金属内管3可以有效提高轻质井下油管的抗高内压渗透能力和耐腐蚀水平，避免了因为树脂微裂纹造成的渗漏的发生，因此在纤维复合材料管相同壁厚的情况下有更高的耐内压能力；并且金属内管3的壁厚仅为0.1～3mm，属于薄壁管，金属内管3的使用并没有显著增高井下油管的重量。
本实施方式轻质井下油管承受的内压能够达100MPa以上；能够在150～210℃、以及CO2、H2S、Cl-等腐蚀条件下长期使用；成本仅为镍基合金钢油管的60～80％。
本实施方式轻质井下油管能够承受至少106N的拉力，并且单位长度质量仅为金属油管的1/2至2/3，重量显著减轻，在满足总长度为6000～8000米的油管整体吊装的同时，降低了安装维修费用。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述塑料内管4设置在纤维复合材料管1和金属端管2的内部，塑料内管4两端的外圆周面上分别设置有凸沿41，凸沿41的内侧壁上设置有环形凹槽，金属端管2的端部设置有环形凸起42，环形凸起42插接在环形凹槽内，塑料内管4的外表面与纤维复合材料管1内表面和金属端管2内表面贴合。其他步骤和参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述纤维复合材料管1的外表面设置有防护层6。其他步骤和参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述轻质井下油管设置有耐腐蚀金属紧固套管5，耐腐蚀金属紧固套管5套设在纤维复合材料管1的两端与过渡段22重叠处。其他步骤和参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述纤维复合材料管1的裸露外表面和耐腐蚀金属紧固套管5的外表面设置有防护层6。其他步骤和参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述沟槽为环向沟槽、轴向沟槽、螺旋向沟槽中的一种或两种以上的组合。其他步骤和参数与具体实施方式一至五之一相同。过渡段22上环向沟槽和螺旋向沟槽的设置能够使金属端管2与纤维复合材料管1之间结合更加牢固，提高轻质井下油管的抗拉能力，防止金属端管2与纤维复合材料管1分离，提高了轻质井下油管的抗拉能力；轴向沟槽的设置能够提高接头处的抗扭强度。螺旋向沟槽既能提高轻质井下油管的抗拉能力，也能提高接头处的抗扭强度。
具体实施方式七：本实施方式与实施方式一至六之一不同的是：所述沟槽的截面为弧形、三角形、四边形等，四边形包括矩形、梯形等。其他步骤和参数与具体实施方式一至六之一相同。多种截面形状的沟槽中，弧形的截面的沟槽构成的过渡段22整体呈波浪形，抗拉能力最好。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：所述纤维复合材料管1中的增强纤维为碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维中的一种或多种按任意比例混合得到的混杂纤维。其他步骤和参数与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：所述纤维复合材料管1中的树脂基体为多官能团环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、氰酸脂树脂、聚醚醚酮(PEEK)、聚苯硫醚(PPS)、聚酰亚胺(PI)、聚醚砜酮(PPESK)、聚醚腈砜(PPENS)等耐热树脂。其他步骤和参数与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：所述金属端管2材质为镍基合金钢。其他步骤和参数与具体实施方式一至九之一相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至十之一不同的是：所述塑料内管4的壁厚为1～10mm。其他步骤和参数与具体实施方式一至十之一相同。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式一至十一之一不同的是：所述金属内管3的壁厚为0.1～3mm。其他步骤和参数与具体实施方式一至十一之一相同。
具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式一至十二之一不同的是：所述纤维复合材料管1的壁厚为3～15mm。其他步骤和参数与具体实施方式一至十二之一相同。
具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式一至十三之一不同的是：所述防护层6的厚度为0.1～3mm。其他步骤和参数与具体实施方式一至十三之一相同。
具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式一至十四之一不同的是：所述塑料内管4材质为聚醚醚酮(PEEK)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚醚砜酮(PPESK)等。其他步骤和参数与具体实施方式一至十四之一相同。
具体实施方式十六：本实施方式与具体实施方式一至十五之一不同的是：所述防护层6的材质为聚醚醚酮、聚四氟乙烯、聚酰亚胺、聚醚砜酮或聚醚腈砜。其他步骤和参数与具体实施方式一至十五之一相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例1：
结合图1和图2说明本实施例，本实施例轻质井下油管由纤维复合材料管1和设置在其两端的耐腐蚀的金属端管2、以及耐腐蚀的金属内管3构成；
所述金属端管2的一端为具有外螺纹的螺纹端头21，另一端为具有沟槽的过渡段22；两个金属端管2设置在纤维复合材料管1的两端，纤维复合材料管1的两端分别套设在两个金属端管2的过渡段22的外表面上。纤维复合材料管1的壁厚为6mm；内径为63mm；
所述金属内管3设置在纤维复合材料管1内部，金属内管3的两端分别与金属端管2中过渡段22的端部焊接，金属内管3的外表面与纤维复合材料管1内表面贴合。所述金属内管3的壁厚为1mm；
本实施例轻质井下油管制备时先将金属内管3的两端分别与金属端管2中过渡段22的端部焊接，然后在过渡段22和金属内管3的外表面采用增强材料和耐高温耐腐蚀树脂基体缠绕得到纤维复合材料管1；纤维复合材料管1中耐高温耐腐蚀树脂基体的质量含量为28％；增强纤维为T700碳纤维；耐高温耐腐蚀树脂基体为多官能团环氧树脂，多官能团环氧树脂为耐高温耐腐蚀树脂；
图1为实施例1中轻质井下油管的结构示意图；图2为实施例1中金属端管2的结构示意图；图中过渡段22上的沟槽为环向沟槽；
本实施例轻质井下油管中纤维复合材料管1为管体，采用了轻质高强纤维和耐腐蚀耐高温的基体树脂为原料，并采用纤维缠绕工艺制备而成，具有耐高温、耐高压、耐腐蚀，抗拉强度高、单位长度质量轻和成本低的优点。采用材质为镍基合金钢的具有外螺纹的耐腐蚀的金属端管2作为轻质井下油管两端的连接，克服了因纤维复合材料管本体剪切强度低导致的纤维复合材料材质制成的螺纹的抗拉强度低的弱点，保证了油管安装和油井维修时油管的吊装需求。具有沟槽结构的过渡段22与纤维复合材料管1连接显著提高了纤维复合材料管1与金属端管2的连接强度(抗拉强度和抗扭强度)。金属内管3可以有效提高轻质井下油管的抗高内压渗透能力和耐腐蚀水平，避免了因为树脂微裂纹造成的渗漏的发生，因此在纤维复合材料管相同壁厚的情况下有更高的耐内压能力；并且金属内管3的壁厚仅为0.1～3mm，属于薄壁管，金属内管3的使用并没有显著增高井下油管的重量。
本实施例轻质井下油管承受的内压能够达100MPa以上；能够在150～210℃、以及CO2、H2S、Cl-等腐蚀条件下长期使用；成本仅为镍基合金钢油管的60～80％。
本实施例轻质井下油管能够承受至少106N的拉力，并且单位长度质量仅为金属油管的1/2至2/3，重量减轻显著降低，在满足总长度为6000～8000米的油管整体吊装的同时，降低了安装维修费用。
实施例2：
结合图3说明本实施例，本实施例与实施例1不同的是：所述过渡段22设置有相交的环向沟槽a和轴向沟槽b。
图3为实施例2中金属端管2的结构示意图；图中过渡段22上的沟槽为环向沟槽a和轴向沟槽b的组合。
实施例3：
结合图4～图6说明本实施例，本实施例与实施例1不同的是：所述轻质井下油管设置有塑料内管4，塑料内管4设置在纤维复合材料管1和金属端管2的内部，塑料内管4两端的外圆周面上分别设置有凸沿41，凸沿41的内侧壁上设置有环形凹槽，金属端管2的端部设置有环形凸起42，环形凸起42插接在环形凹槽内，塑料内管4的外表面与纤维复合材料管1内表面和金属端管2内表面贴合。
所述塑料内管4的材质为聚醚醚酮(PEEK)，壁厚为5mm；
所述过渡段22设置有为环向沟槽a、轴向沟槽b、第一螺旋向沟槽c和第二螺旋向沟槽d，第一螺旋向沟槽c和第二螺旋向沟槽d的旋向相反。
图4为实施例3中轻质井下油管的结构示意图；图5为图4中a处放大图；图6为实施例3中金属端管2的结构示意图；图中过渡段22上的沟槽为环向沟槽a、轴向沟槽b、第一螺旋向沟槽c和第二螺旋向沟槽d的组合；第一螺旋向沟槽c和第二螺旋向沟槽d的旋向相反。
本实施例中，塑料内管4提高了轻质井下油管的耐内压强度。塑料内管4具有耐高温和耐腐蚀性能，耐温达到270℃，能够抵抗CO2、H2S、Cl-等腐蚀，塑料内管4进一步提高了轻质井下油管的抗高内压渗透能力和耐腐蚀水平。
实施例4：
结合图7说明本实施例，本实施例与实施例1不同的是：所述纤维复合材料管1的外表面设置有防护层6。
防护层6的材质为聚醚醚酮(PEEK)，防护层6的厚度为1mm。
防护层6设置在纤维复合材料管1的外表面，能够提高轻质井下油管外壁侧的耐高温腐蚀能力。防护层6可以通过包缠、套薄膜管后抽真空、套热至收缩管等工艺包覆在纤维复合材料管1的外表面，采用外表面的防护层6可起到防护管体冲击和腐蚀的作用。
实施例5：
结合图8说明本实施例，本实施例与实施例1不同的是：所述轻质井下油管设置有耐腐蚀金属紧固套管5，耐腐蚀金属紧固套管5套设在纤维复合材料管1的两端与过渡段22重叠处。
耐腐蚀金属紧固套管5的材质为镍基合金，耐腐蚀金属紧固套管5为封闭环，从两端套入至纤维复合材料管1和过渡段22重叠处后将二者箍紧，能够有效防止纤维复合材料管1和过渡段22在高温受拉工况下发生分离。
实施例6：
结合图9说明本实施例，本实施例与实施例3不同的是：所述轻质井下油管设置有耐腐蚀金属紧固套管5，耐腐蚀金属紧固套管5套设在纤维复合材料管1的两端与过渡段22重叠处。
耐腐蚀金属紧固套管5的材质为镍基合金，耐腐蚀金属紧固套管5为封闭环，从两端套入至纤维复合材料管1和过渡段22重叠处后将二者箍紧，能够有效防止纤维复合材料管1和过渡段22在高温受拉工况下发生分离。
实施例7：
结合图10说明本实施例，本实施例与实施例5不同的是：所述纤维复合材料管1的裸露外表面和耐腐蚀金属紧固套管5的外表面设置有防护层6。防护层6的厚度为1mm。防护层6设置在纤维复合材料管1和耐腐蚀金属紧固套管5的外表面，能够提高轻质井下油管外壁的耐冲击和耐腐蚀能力。
Claims (9)
1.一种油田用轻质井下油管，其特征在于：油田用轻质井下油管由纤维复合材料管(1)和设置在其两端的耐腐蚀的金属端管(2)、以及耐腐蚀的金属内管(3)或塑料内管(4)构成；用于内压达100MPa以上，在150～210℃、以及CO2、H2S、Cl-腐蚀条件下使用；
所述金属端管(2)的一端为具有外螺纹的螺纹端头(21)，另一端为具有沟槽的过渡段(22)；两个金属端管(2)设置在纤维复合材料管(1)的两端，纤维复合材料管(1)的两端分别套设在两个金属端管(2)的过渡段(22)的外表面上；
所述金属内管(3)设置在纤维复合材料管(1)内部，金属内管(3)的两端分别与金属端管(2)中过渡段(22)的端部焊接，金属内管(3)的外表面与纤维复合材料管(1)内表面贴合；
所述沟槽为环向沟槽、轴向沟槽、螺旋向沟槽中的一种或两种以上的组合。
2.根据权利要求1所述的油田用轻质井下油管，其特征在于：所述塑料内管(4)设置在纤维复合材料管(1)和金属端管(2)的内部，塑料内管(4)两端的外圆周面上分别设置有凸沿(41)，凸沿(41)的内侧壁上设置有环形凹槽，金属端管(2)的端部设置有环形凸起(42)，环形凸起(42)插接在环形凹槽内，塑料内管(4)的外表面与纤维复合材料管(1)内表面和金属端管(2)内表面贴合。
3.根据权利要求1或2所述的油田用轻质井下油管，其特征在于：所述纤维复合材料管(1)的外表面设置有防护层(6)；所述防护层(6)的材质为聚醚醚酮、聚四氟乙烯、聚酰亚胺、聚醚砜酮或聚醚腈砜，防护层(6)的厚度为0.1～3mm。
4.根据权利要求1或2所述的油田用轻质井下油管，其特征在于：所述油田用轻质井下油管设置有耐腐蚀金属紧固套管(5)，耐腐蚀金属紧固套管(5)套设在纤维复合材料管(1)的两端与过渡段(22)重叠处。
5.根据权利要求4所述的油田用轻质井下油管，其特征在于：所述纤维复合材料管(1)的裸露外表面和耐腐蚀金属紧固套管(5)的外表面设置有防护层(6)；所述防护层(6)的材质为聚醚醚酮、聚四氟乙烯、聚酰亚胺、聚醚砜酮或聚醚腈砜，防护层(6)的厚度为0.1～3mm。
6.根据权利要求1所述的油田用轻质井下油管，其特征在于：所述纤维复合材料管(1)中的增强纤维为碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维中的一种或多种按任意比例混合得到的混杂纤维。
7.根据权利要求1所述的油田用轻质井下油管，其特征在于：所述纤维复合材料管(1)中的树脂基体为多官能团环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、氰酸脂树脂、聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚酰亚胺、聚醚砜酮或聚醚腈砜。
8.根据权利要求1所述的油田用轻质井下油管，其特征在于：所述塑料内管(4)的壁厚为1～10mm；所述金属内管(3)的壁厚为0.1～3mm；所述纤维复合材料管(1)的壁厚为3～15mm。
9.根据权利要求1所述的油田用轻质井下油管，其特征在于：所述塑料内管(4)材质为聚醚醚酮、聚四氟乙烯或聚醚砜酮。
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