CN201705215U - 一种碳纤维复合材料增强的套管 - Google Patents
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Abstract
碳纤维复合材料增强的套管，应用于油气田完井。主要由套管本体、环氧粘结剂层和碳纤维层组成。在套管本体的外表面上均匀涂敷有环氧粘结剂层，在环氧粘结剂层的外部缠绕有碳纤维层；环氧粘结剂层的厚度在0.1～0.35mm之间，碳纤维层的厚度在0.4～0.65mm之间，并且环氧粘结剂层与碳纤维层的厚度之和不大于1mm。效果是：在不改变其余力学性能的前提下提高套管抗内压能力；环氧粘结剂结合力强，层间结合力＞10MPa。
Description
技术领域
本实用新型涉及油气田开发技术领域，特别涉及油气井完井套管，是一种采用碳纤维复合增强材料制成的套管。
背景技术
套管是石油开发中极其重要的井下管材，主要用于封隔油、气、水层，防止地层坍塌，保护井壁，为油气生产提供安全通道，套管主要承受的外部载荷有外挤力、内压力和轴向拉伸力。
目前，国内外广泛采用美国石油学会(API)标准来生产和使用套管，根据套管本体材料的最低屈服强度，套管分为4组，17个钢级。不同等级的管材其机械性能也不同，一般来说，等级越高，力学性能越好，管材成本也相应地增加。
在实际生产过程中经常会出现管体抗拉强度、抗挤毁能力满足使用要求，但在井底部分井段抗内压能力却不够的情况，这样就必须选择高等级或管壁加厚管材，因此就需要重新组织供货，并导致钻井成本增加。
实用新型内容
本实用新型的目的是：提供一种碳纤维复合材料增强的套管，实现低等级套管增强处理，达到提高抗内压能力。在不改变套管等级、尺寸和规格的基础上，通过复合材料的增强作用提高套管的抗内压能力。
本实用新型采用的技术方案是：碳纤维复合材料增强的套管，主要由套管本体、环氧粘结剂层和碳纤维层组成。其特征在于：在套管本体的外表面上均匀涂敷有环氧粘结剂层，在环氧粘结剂层的外部缠绕有碳纤维层；环氧粘结剂能使连接套管本体和碳纤维紧密固化在一起。环氧粘结剂层的厚度在0.1～0.35mm之间，碳纤维层的厚度在0.4～0.65mm之间，并且环氧粘结剂层与碳纤维层的厚度之和不大于1mm。
环氧粘结剂选用的是高性能环氧类树脂，市场有产品销售；碳纤维选用高性能的碳纤维复合材料，选用进口材料，两种材料的性能指标见表1。
表1碳纤维材料与环氧粘胶剂主要性能指标
| 序号 | 材料 | 弹性模量(MPa) | 拉伸强度(MPa) | 压缩强度(MPa) | 弯曲强度(MPa) |
| 1 | 碳纤维 | 2.55×105 | 4341 | / | 854.8 |
| 2 | 粘结剂 | 358 | 44.5 | 72.2 | 66.2 |
碳纤维增强复合材料(CFRP)是目前高端的高性能结构材料，其比强度和比模量分别达到了11.2×106cm和8.0×108cm。碳纤维材料在纤维方向具有优异的力学性能，碳纤维材料的抗拉强度是N80钢名义屈服强度的8倍左右，弹性模量也高于钢质管材。
因此，如果钢质套管本体外表复合高性能的碳纤维材料，能提高钢质套管的力学性能。
纤维复合材料增强技术利用增强碳纤维在套管本体外形成碳纤维复合材料补强层，分担套管承受的载荷，限制由内压引起的径向膨胀和环向拉伸应力，从而达到增强的目的，提高套管抗内压的能力。
本实用新型的有益效果：本实用新型碳纤维复合材料增强的套管，在不改变其余力学性能的前提下提高套管抗内压能力；环氧粘结剂结合力强，层间结合力＞10MPa。
附图说明
图1是本实用新型碳纤维复合材料增强的套管结构剖面示意图。
图中，1.套管本体，2.环氧粘结剂层，3.碳纤维层。
具体实施方式
实施例1：以一根51/2″(139.7×9.17mm)N80碳纤维复合材料增强的套管为例，对本实用新型作进一步详细说明。
参阅图1。本实用新型碳纤维复合材料增强的套管，主要由套管本体1、环氧粘结剂层2和碳纤维层3组成。套管本体1采用51/2″(139.7×9.17mm)N80套管。在套管本体1的外表面上均匀涂敷有环氧粘结剂层2，在环氧粘结剂层2的外部缠绕有碳纤维层3；环氧粘结剂层2的厚度为0.15mm，碳纤维层3的厚度为0.5mm，并且环氧粘结剂层2与碳纤维层3的厚度之和为0.65mm。
本实用新型的制作工艺过程：
本实用新型碳纤维复合材料增强的套管制作的工艺流程如下：取气田用普通51/2″(139.7×9.17mm)N80套管一根，通过碳纤维复合材料增强，使之抗内压能力达到P110钢等级。
139.7×9.17mm N80抗内压强度为63.6MPa，同规格的P110抗内压强度为87.2MPa，两者相差23.6MPa，即碳纤维复合材料需要承受的压力23.6MPa。
(1)基层处理：对套管外表面进行喷砂除锈或抛丸除锈，达到Sa2.5的表面处理等级；
(2)清洗剂清洗套管表面，使其充分干燥。
(3)涂刷环氧粘结剂。
(4)缠绕碳纤维复合材料，要求套管本体和碳纤维材料之间不残留空气和空鼓。
(5)固化4-8小时。
标准螺纹扣139.7×9.17mm N80管材接箍外径为153.67mm，接箍厚度16.17mm，其抗内压能力为101.96MPa，在139.7×9.17mm N80管体抗内压能力从63.6MPa提高到87.2MPa时，接箍仍是安全的。室内验证试验表明增强后管体的抗内压能力达到设计要求。
使用方法：
(1)运输吊装：为了确保增强复合材料的完整性，采用3/4″钢丝绳，穿高压胶管制作的专用吊带进行吊装。
(2)下井过程：139.7×9.17mm N80管材接箍外径为153.67mm，接箍与管体台阶厚为7mm，环氧粘结剂层2和碳纤维层3总厚度不到1mm，不影响正常吊装和下井。
Claims (1)
1.一种碳纤维复合材料增强的套管，主要由套管本体(1)、环氧粘结剂层(2)和碳纤维层(3)组成；其特征在于：在套管本体(1)的外表面上均匀涂敷有环氧粘结剂层(2)，在环氧粘结剂层(2)的外部缠绕有碳纤维层(3)；环氧粘结剂层(2)的厚度在0.1～0.35mm之间，碳纤维层(3)的厚度在0.4～0.65mm之间，并且环氧粘结剂层(2)与碳纤维层(3)的厚度之和不大于1mm。
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