油田采出水在役柔性复合管性能变化_赵苗苗.pdf

应用研究摘 要 采用万能力学试验机、差示扫描量热仪、维卡软化温度测定仪研究了油田柔性复合管内衬层高密度聚乙烯PE100在含油量高的Type A和矿化度高的Type B采出水服役的力学性能、维卡软化温度、氧化诱导期变化情况，采用70 MPa静水压试验系统研究了柔性复合管在承压状态下管体膨胀率和伸长率变化规律。结果表明：PE100耐热性能和抗氧化性能保持良好，油田集输管线内部油水分层导致Type A采出水中油质分子不同程度渗透浸入PE100内部，导致力学性能发生不均匀老化，断裂伸长率差异高达96.72%；柔性复合管在37.5 MPa压力下保压200 h后管体膨胀率和伸长率分别为1.67%和1.92%，在保压48 h内膨胀率和伸长率增幅最大，可达1.46%和1.78%。关键词 柔性复合管 油田采出水 内衬层 力学性能 耐热性能中图分类号 TE 973 DOI：10.16759/ki.issn.1007-7251.2023.08.003Performance Changes of Flexible Composite Pipes In-service for Oilfield Produced WaterZHAO Miaomiao SUN Yuxin LIU Yaming DENG Liangguang ZHANG Ayu LIANG Hang LIU Dejun Abstract:The mechanical properties,Vicat softening temperature,and changes in oxidation induction period of high-density polyethylene PE100 with high oil content and high mineralization type B produced water were studied using a universal mechanical testing machine,differential scanning calorimeter,and Vicat softening temperature tester for the inner lining layer of flexible composite pipes in oil fields.The 70 MPa hydrostatic test system was used to study the changes in the expansion rate and elongation of flexible composite pipes under pressure.The results showed that the heat resistance and antioxidant performance of PE100 remained good.The internal oil-water stratification of the oil field gathering and transportation pipeline led to varying degrees of infiltration of oil molecules in the produced water of Type A into the interior of PE100,resulting in uneven aging of mechanical properties,with a difference in elongation at break of up to 96.72%.After holding at 37.5 MPa for 200 hours,the expansion rate and elongation rate of the flexible composite pipe were 1.67%and 1.92%.Within 48 hours of holding,the expansion rate and elongation rate increased the most,reaching 1.46%and 1.78%.Key words:Flexible composite pipe;Oilfield produced water;Inner lining;Mechanical properties;Heat resistance赵苗苗*1，2，3 孙玉新4 刘亚明1，2，3 邓良广4 张阿昱1，2，3 梁 航1，2，3 刘德俊1，2，3（1.中油国家石油天然气管材工程技术研究中心有限公司 2.宝鸡石油钢管有限责任公司 3.陕西省重点试验室 4.中石油长庆油田第十一采油厂）油田采出水在役柔性复合管性能变化*赵苗苗，女，1993年生，硕士研究生，助理工程师。西安市，710018化工装备技术8第 44 卷第 4 期 2023 年 8 月2023 年 8 月90 引言目前长庆油田主产区为典型的低渗透和超低渗透油气藏，油井采出水成分复杂，有机化合物含量达 2 0005 000 mg/L，矿化度高达 5104 mg/L，且富含油质及腐蚀性介质1-2。柔性复合管（RTP）具有耐腐蚀、抗结垢结蜡、开发成本低等优势，已成为解决油田地面集输管线腐蚀问题的有效手段 3。但加热加压输送后管材发生不均匀老化，导致 RTP 剩余强度难以预测4-5，因此研究油田采出水在役 RTP 的性能变化情况十分必要。近年来，Prabhakara 等6研究了复合管在不同服役环境下耐久性和腐蚀变化规律，蔡亮学等7-8针对长庆油田模拟工况研究证实了聚乙烯在油田集输环境的适用性，刘青山等9研究了聚乙烯管和交联聚乙烯管在塔河油田模拟工况下的性能和化学结构等变化规律。然而油田管道存在普遍不能实现满输、存在油水分层等情况，使得内衬管性能衰减不均匀则鲜有报道10。本文选取涤纶增强 PE100 柔性复合管为研究对象，研究其内衬管在两种油田采出水服役后的力学性能、耐热性能、氧化诱导期的变化情况及整管长期静水压评价后管体膨胀率及伸长率的变化规律。1 实验部分1.1 原材料选 用 DN80 mm、PN25 MPa 的 涤 纶 缠 绕 增 强PE100 柔性复合管，公称压力为 25 MPa。1.2 设备及仪器实验仪器主要包括：日本岛津公司的 AGS-10KN万能拉伸试验机；梅特勒托利多公司的 DSC1 型 DSC差示扫描量热仪；承德金建有限公司的 XRW-300E6维卡软化温度测定仪；承德精密试验机有限公司的70 MPa 静水压试验系统。1.3 测试与表征筛选出长庆油田含油量较高的采出水 Type A 和矿化度较高的采出水 Type B，集输压力为 25 MPa，集输温度为 30，将涤纶增强 PE100 柔性复合管分别使用 15 000 h 后取出，解剖出内衬管。依据 GB/T 1040.22018塑料 接伸性能的测定 第 2 部分：模塑和挤塑塑料的试验条件进行力学性能测试，在内衬管制取拉伸试样，拉伸速度为 50 mm/min。依据 GB/T 16332000塑料 维卡软化温度标准中的 B50 法维卡软化温度测试，在内衬管制取 10 mm10 mm 的正方形试样。依据 GB/T 19466.62009塑料 差示扫描量热法（DSC）第 6部分：氧化渗导时间（等温 OIT）和氧化诱导温度（动态 OIT）的测定进行氧化诱导时间测试，在用刀片切取内衬管样品质量 10 mg，OIT 的测试温度设定为210，O2的体积流量为 50 mL/min，试验的升温速率为 20 /min。依据 GB/T 61112018流体输送用热塑性塑料管道系统内压性能的测定进行静水压试验，截取 6根试验管段，长度均为 1 200 mm，采用自主研发扣压接头密封试验管段两端。加压介质为水-水环境，设置环境箱温度为 25，测试压力 37.5 MPa，测试时间为 200 h；试验前试验管段经 24 h 状态调节。2 结果与讨论2.1 宏观形貌图 1 给出了不同采出水服役 15 000 h 后 PE100内衬管宏观形貌。由图 1 可看出，PE100 管服役后颜色变化显著。Type A 采出水服役后 PE100 呈不规则黄色分布，这有两方面原因：一是油质分子经扩散、渗透进入材料内部，在温度和压力的共同作用下材料内外产生浓度差和压力差，致使油质分子持续向内部扩散导致材料颜色发黄；二是油水分层造成油质层接触 PE100 不连续导致接触油层区域颜色变黄。Type B 采出水服役后 PE100 呈乳白色，这可能是由于输送介质中的水分子扩散、渗透进入 PE100 材料内部，使其光泽感消失，颜色变深，并在 PE100 管内壁出现了致密结垢层。这是由于温度升高，PE100 内衬材料表面能高，催化了成垢离子的结晶，使其在管内壁赵苗苗，等：油田采出水在役柔性复合管性能变化a）Type A b）Type B 图 1 Type A和Type B采出水服役后PE100内衬管宏观形貌图第 44 卷第 4 期化工装备技术10析出沉淀，形成黑褐色的垢层。2.2 耐热性能维卡软化温度（VST）是衡量热塑性塑料耐热性能的关键。从表 1 可以看出，在 Type A 采出水服役后 PE100 未发黄区域的 VST 为 69.7，发黄区域的VST 为 63.1，性能下降 9.47%，造成 PE00 内衬管不同区域耐热性能相差较大的原因一方面可能是油质分子的不均匀渗透导致材料内部大分子间的次价键破坏、分子链降解，降低了分子缠结结构对油质分子扩散的阻碍；另一方面是在加温、加压作用下，分子链运动加剧，进一步促进了油质分子的渗透，使内衬材料软化加剧，导致 VST 降低。在 Type B 采出水服役后，PE100 未结垢区域和结垢区域的 VST 分别为 70.7 和 68.1，相差 2.6。根据 ISO9080：2003 标准要求，管道输送最高温度应至少低于内衬层 VST 15。Type A 和 Type B 采出水服役 15 000 h后 PE100 的 VST 均大于工作温度 15 以上，表明PE100 的耐热性能完全满足 RTP 长期服役要求。表 1 Type A和Type B采出水服役后PE100VST变化试样状态Type A采出水Type B采出水未发黄发黄变化率/%未结垢结垢变化率/%维卡软化温度/69.763.1-9.4770.768.1-3.682.3 力学性能Type A 和 Type B 采出水服役后 PE100 力学性能测试结果可见表 2，在 Type A 采出水服役后，PE100内衬管断裂伸长率从 525.95%下降至 17.25%，降幅为 508.69%，性能衰减 96.72%，屈服强度区别最小，相差 1.24 MPa，性能下降 6.21%，拉伸强度性能相差29.85%。在 Type B 采出水服役后 PE100 的力学性能保持相对稳定，拉伸强度区别最小，性能下降 0.54%，断裂伸长率降幅最大，性能下降 34.66%，屈服强度性能下降 4.17%。虽然 PE100 内衬管耐热性能降幅较小，但是力学性能降幅显著，这可能是油质分子对PE100 内部分子链排列结构造成严重破坏，结晶区、无定形区都产生了大量的断链，材料内部无序链段急剧增加，随着油质分子渗透程度加剧，断链现象也不断加剧，晶体结构不再致密，导致材料力学性能大幅衰减。Type A 采出水服役 15 000 h 后 PE100 内衬管发黄区域 PE100 断裂伸长率为 17.26%，拉伸强度为 18.71 MPa，在役 RTP 内衬材料力学性能极不稳定，使得整个管道的承载性能难以保证。2.4 氧化诱导期从图 2 可知，内衬管在 Type A 和 Type B 采出水服役 15 000 h 后的 OIT 均满足 PE100 级专用树脂的标准要求（20 min）。Type A 采出水服役后未发黄区域 OIT 为 32.03 min，发黄区域 OIT 为 60.65 min，造成这种差异的原因有可能是发黄区域 PE100 材料内部产生大量断链和游离基，由于油质分子与聚烯烃分子极性相近，PE100 对烃类物质产生吸附作用，使添加其中的抗氧剂溶于基体中作为捕捉剂，捕捉生成的游离基因而阻止自氧化链反应过程，从而抑制了氧化过程。Type B 采出水中未结垢和结垢区域 OIT降幅较小，下降 3.97 min，这可能是因为 PE100 无定形区、晶区对自由体积更小的水分子的抗渗透作用更小，水分子扩散导致分子的部分交联结构被破坏，链段的活性增大，OIT 降低。时间/min发黄区域 OIT 60.65 min未发黄区域 OIT 32.03 min0 20 40 60 80 100热流/mW结垢区域 OIT 33.42 min未结垢区域 OIT 37.39 min时间/min0 20 40 60 80 100热流/mW a）Type A b）Type B 图 2 Type A和Type B采出水服役后PE100氧化诱导期（210）变化2.5 静水压试验图 3 为 6 根柔性复合管样管在 25 下进行 200 h静水压保压试验，在保压试验过程中试验管段均未出现变形、裂纹等缺陷，管体两端的密封接头连接良好，压力波动均在 4%范围内。表 2 Type A和Type B采出水服役后PE100力学性能变化试样状态Type A采出水Type B采出水未发黄发黄变化率/%未结垢结垢变化率/%拉伸强度/MPa26.6618.71-29.8525.5325.39-0.54屈服强度/MPa19.8918.66-6.2123.0222.06-4.17断裂伸长率/%525.9517.25-96.72703.72 459.88-34.662023 年 8 月11 a）裸管 b）试验前 c）试验后图 3 柔性复合管静水压试验（25）从图 4 可以看出，在 37.5 MPa 静水压保压 200 h内 6 根样管的管体膨胀率和伸长率都呈增长趋势，管体平均伸长率为 1.92%，管体平均膨胀率为 1.67%，管体膨胀量和伸长率在耐压 48 h 内增长最快，分别增长 1.46%和 1.78%，168 h 后基本维持不变。该柔性复合管管体为非粘接结构，试验压力施加后，增强层纤维拉紧，内外层聚乙烯材料因片晶、无定形分子链在内压作用下沿着受力方向发生取向排列，分子链的运动能力大大增强，折叠链向伸直链转化，使链滑移、晶体剪切滑移变得更加容易，致使柔性复合管管体发生轻微膨胀和伸长。管体在承压状态下 48 h 内管体伸长变化最明显，现场敷设需严格控制和优化相关技术参数。2448721682001.01.21.41.61.82.02.22.4管体膨胀量/%静水压试验时间/h 1号管 2号管 3号管 4号管 5号管 6号管2448721682001.41.61.82.02.22.42.6管体伸长率/%静水压试验时间/h 1号管 2号管 3号管 4号管 5号管 6号管 a）管体膨胀率 b）管体伸长率图 4 保压200 h后柔性复合管管体膨胀率与伸长率变化3 结语（1）油田采出水中油质分子在 PE100 内部渗透扩散会大幅削减材料力学性能，断裂伸长率损失高达96.72%，这对 RTP 整体承载能力产生较大影响。（2）PE100 服役后 VST 均高于管材的服役温度15 以上，氧化诱导期均 20 min，满足 RTP 长期服役要求。（3）柔性复合管在静水压保压试验 48 h 内管体膨胀率和伸长率增幅最大，200 h 后管体平均膨胀率为 1.67%，伸长率为 1.92%。参考文献1 王大鹏,孙岩,张友强,等.增强热塑性塑料复合管的现状及进展J.塑料,2017,46(4):69-72.2 雷博,杨雅文,李耀龙,等.长庆油田某作业区采出水腐蚀及新型缓蚀剂的复配研究J.化学工程师,2022,36(2):43-46.3 魏斌,戚东涛,李厚补,等.增强热塑性复合管在酸性环境下的耐蚀性能J.天然气工业,2015,35(6):87-92.4 王登勇,吴念.增强热塑性塑料复合管国内外发展比较J.国外塑料,2011,29(5):44-49.5 李厚补,李鹤林,戚东涛,等.油田集输管网用非金属管存在问题分析及建议J.石油管材与仪器,2014,28(6):4-8.6 PRABHAKARA M M,RAJINIA N,AYRILMISB N,et al.An overview of burst,buckling,durability and corrosion analysis of lightweight FRP composite pipes and their applicabilityJ.Composite Structures,230(15):111419.7 蔡亮学,雷鸣,杜鑫,等.油田常温集输环境下聚乙烯适用性研究J.塑料工业,2020,48(11):100-104.8 蔡亮学,朱国承,池坤,等.长庆油田4731B型非金属集输管道老化特性实验研究J.中国安全生产科学技术,2020,16(6):16-22.9 刘青山,肖雯雯,葛鹏莉,等.聚乙烯复合管在油田苛刻环境的适用性J.工程塑料应用,2020,48(10):122-128.10 徐广丽,田雨,黄俊虎,等.国产高密度聚乙烯内衬材料在油井热洗工况的适用性J.工程塑料应用,2021,49(7):118-125.（收稿日期：2022-07-18）赵苗苗，等：油田采出水在役柔性复合管性能变化