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  • 防水套管技術

    【復材應用】碳纖維及其復合材料在油氣田領域的應用及展望

    2018年12月11日 熱度:403 ℃

    摘 要:概述了連續碳纖維在抽油桿、壓力氣瓶、管道、油田電力等方面的開發以及短切碳纖維在油氣田領域的應用及效果,分析了應用中存在的問題,最后對碳纖維及其復合材料在油氣田領域的發展前景進行了展望。

    關鍵詞:碳纖維復合材料;油氣田;應用;展望

    引言

    碳纖維作為一種新型材料在各個行業被廣泛應用,其最大優點在于質輕、高強、高模、低密度、耐高溫、抗腐蝕等,有“新材料之王”的美譽?!笆濉逼陂g,國家政策的支持使得碳纖維產業取得突破性發展。如何更好地應用碳纖維是“十三五”期間的研究重點。碳纖維生產取材于石油,而碳纖維復合材料正被廣泛地應用于油氣田領域。

    1

    連續碳纖維在油氣田領域的應用

    1.1 抽油桿

    有桿泵抽油技術是國內外應用最廣泛的機械采油技術,抽油桿是其關鍵部件之一。目前國內外使用的抽油桿主要是鋼質的,它具有較高的疲勞強度,并且運輸操作方便和價廉。但因其自身質大、強度低和抗腐蝕性能較差,無法滿足深井、超深井、腐蝕井等的開采需要。在油田經濟高效開發以及低油價的背景下,以及在油田開發現狀的需求及節能降耗的要求等條件下,新材料抽油桿的研發就成為必須要解決的現實問題。尤其在當前國際原油價格持續低位的情況下,該項目的推進有助于油田企業降低生產成本,應對“寒冬”。

    碳纖維抽油桿問世于1990年代初的美國,我國從1999年開始研制。碳纖維抽油桿具有質量輕、比模量高、比強度高、耐磨性和耐腐蝕性好、抗疲勞性能優等特點,其結構連續,只有上下兩個接頭,可以部分避免鋼質抽油桿在采油過程中的局限性,并且可以延長檢泵周期,降低采油成本。我國自主研發的碳纖維抽油桿進行了礦場試驗,減載和增產效果明顯,但應用過程中也出現了一些問題,例如管理不規范、桿柱設計不合理等,限制了其良好特性的發揮。針對這些缺陷和問題,研究人員一直在不懈地試驗和努力,開發出了相關配套設施和技術,并探索了不同井況的下井工藝。

    勝利油田試驗井井況為:泵掛在直井段,井斜角<5°,油粘度<2 000 MPa˙s。摸索了鋼桿和碳纖維桿的組合設計,開發了相應的軟件,礦場試驗證明計算結果與實測值比較吻合,對相近井況中碳纖維抽油桿的應用具有指導作用。大慶油田的現場應用展示了碳纖維抽油桿在節能、深抽、耐腐蝕等方面的優勢。遼河油田將碳纖維連續抽油桿技術引入低孔低滲石油地質,增加了泵掛深度,提高了沉沒度和單井產量,緩解了偏磨。

    另外,研發人員研制了熱穩定性好和耐摩擦的碳纖維扶正器、接頭、連接器等配套工裝,開發了能夠順利起下碳纖維連續抽油桿的配套作業車,更好的完成了碳纖維抽油桿的礦場作業任務,為碳纖維抽油桿的應用推廣提供了保障。

    1.2 壓縮天然氣氣瓶

    在油田開發過程中,天然氣伴隨著石油從井口管道的涌出隨之噴出,但因為技術的原因,很多天然氣要么被白白燃燒掉,要么被回注到地下。天然氣價格實惠并且燃燒后產生的污染少,在國家經濟和環境兩手抓的背景下,需求越來越大,是近年來全球能源發展的趨勢和熱點。世界范圍內,天然氣儲量與石油儲量在同一數量級上,但儲運一直是難題。壓縮天然氣(Compressed Natural Gas,CNG)氣瓶是實現油田天然氣的高效、低成本儲存和運輸的最佳載體之一。傳統金屬材料制成的壓力氣瓶由于材質本身的強度低、密度大、車載噸位等因素,導致氣瓶容積受限。長度達幾十米和直徑達幾米的大型碳纖維復合材料CNG氣瓶呼之欲出,該種CNG氣瓶具有質輕、比強度高、比模量高、破損安全性、節約能源、方便運輸等優點,可以在保證容器承壓能力的前提下,大幅度降低容器的質量。國內外很多企業很早就致力于該方面的研究,例如挪威的CETech公司,加拿大的TransOceanGas公司,美國的Lincoln公司、HydrosPin公司、SCI公司等,技術走在行業的前列。我國在該方面的研究起步較晚,應該多借鑒和學習國外的先進技術,為國產碳纖維復合材料CNG氣瓶提供技術支持,以實現中國自主創新的國產碳纖維復合材料CNG氣瓶生產工業化。

    近年來,隨著陸地油氣田資源的過度開采,陸地油氣資源面臨著產能不足的嚴峻挑戰,對海洋資源的開采越來越重視,如何儲存海洋油田天然氣并將之高效的運輸到陸地,已成為海洋能源工業發展必須要解決的關鍵性問題之一。另外,美國油頁巖產量急增和天然氣價格的下降使得CNG氣瓶的需求越來越大。大容積、質輕高強的碳纖維CNG氣瓶的工業化生產將極大推動海洋天然氣的開發,緩解我國油氣資源短缺的情況,同時為改善環境出一份力。

    1.3 管道及其配套技術

    1.3.1 管道

    管道在油氣田資源的開采和儲運過程中發揮著重要的作用,例如注水、注醇、注汽、污水輸送、油氣集輸、電纜護套等。國內的油氣開采領域中,90%的管道系統仍然是金屬材質。金屬管道具有耐高溫、耐高壓、抗刮擦等優點,但存在笨重、不易彎曲、管壁粗糙、易生銹、易腐蝕等缺點。為了克服金屬管道本身的缺陷,研究人員開發了非金屬管道,但仍存在強度低、抗刮擦性能差、耐熱性不足等問題??梢酝瑫r克服金屬管道和塑料管道各自缺點的復合管道應運而生,碳纖維復合材料因其優異的力學性能而被應用。碳纖維復合材料管道耐腐蝕、耐高壓、質輕、運輸安裝便捷等優點明顯,成為當前研究的熱點。例如,美國Fiberspar公司研制的碳纖維復合材料智能管、荷蘭Airborne公司推出的連續管、Magma Global公司推出的“M管”即碳纖維柔性立管等。在國外,該研究起步較早,現已在陸地和海洋的油氣田領域推廣應用。因為該類管道結構相對復雜,在我國研究與應用時間較晚,雖然國內部分企業已經取得了很大的進步,但和國外的產品相比還存在很大差距。

    另外,碳纖維復合材料管的成型技術、管材之間的連接、連接的可靠性等對系統的正常運行起著至關重要的作用,而管道的高效運行不但關系著企業自身的發展,也關系著國家發展能源供應的安全。中國石油和化學工業聯合會提出的《關于我國石油和化學工業“十三五”發展規劃的建議(上)》中提到,“十三五”期間要穩步推進原油管道建設,加快成品油管道建設以及天然氣管網設施建設。另一方面,海底深處油氣資源的開采也逐漸由淺水區走向深藍水域,而管道是油氣集輸的重中之重,對管道提出了更高的要求,這意味著油氣管道建設市場將迎來新的挑戰和機遇,因此,實現國內復合材料管技術的創新和突破,最大限度的推動本土化,對推動我國油氣田資源勘探和開發意義重大。

    1.3.2 管道補強

    隨著油氣管道在役時間的增加,再加上敷設地區周圍環境復雜多變,管道形成了各種各樣的缺陷,嚴重影響了油氣管道的運行安全,必須對其進行修復。通常情況下,管道修復使用的是碳鋼。修復前必須停運管道,變更工藝流程;修復時需要動火焊接;修復后必須完成管道吹掃等,工作繁瑣,耗時很長。

    碳纖維補強加固工藝是利用碳纖維的高強度特性在服役管道外包覆一個加固層,與管道形成一體,分擔管道承受的內壓,從而達到對管道補強加固的目的。它的優勢是修復時不動火,安全性好,施工簡便,施工周期短,力學性能優良,適用于壓強要求較高和大面積缺陷補強的情況。碳纖維補強加固技術已經廣泛應用于陸地油氣輸送管線維修中,其優越性得到充分驗證。從經濟效益分析,比更換管道經濟,但價格遠遠高于焊補,所以更適合應用于位置重要和不能輕易停產的管道修復。碳纖維復合材料管道在海洋油氣田開發領域應用相對較晚,現場應用實例較少。

    1.3.3 管道保溫

    隨著油層溫度和壓力逐漸下降,原油在舉升中將不斷脫氣和降溫,導致井筒采出的原油粘度升高,流動阻力增大,結蠟區增多,嚴重影響原油產量,因此,管道保溫對粘度大、結蠟嚴重的油氣輸送尤為重要。電加熱集油工藝是采用井口電加熱器將井口產液加熱至進站溫度,然后通過電加熱保溫管道將井口產液輸送至轉油站或閥組間的一種集油工藝。碳纖維電加熱管是目前油田上正在使用的電加熱技術之一。

    大慶油田的徐深氣田采氣管道應用碳纖維電加熱管道來保持輸油管道管壁溫度高于管內油品溫度,管內壁幾乎不結蠟,并且發熱效率高、升溫速度快和節能。張娜以每千米管徑60 mm的管道為例,對比了老式碳纖維維溫、新式碳纖維維溫、串聯式陶瓷材料電熱帶維溫、并聯式聚合物電熱帶維溫這4 種電加熱管道的投資和能耗,總結出老式和新式的碳纖維維溫的電加熱管道投資相差不大,碳纖維維溫電加熱管道的建設投資及運行費用最低。碳纖維維溫系統也存在明顯缺點,即接頭多。接頭的密封防水要求高,溫控裝置復雜,故障率高,施工管理以及現場維修難度大,所以在實際應用中存在局限性。

    1.4 復合芯導線

    我國油田對于電力的需求是巨大的,而且用電負荷還在不斷增加,而走廊資源相對比較短缺?,F有的輸電線路已不堪承受傳輸容量快速擴容的需求,由于過負荷造成的停電、斷電故障頻頻發生,電力傳輸進入了“技術瓶頸”階段。新型的復合芯導線采用碳纖維復合材料棒材取代原有的鋼芯,優勢主要表現為:

    ①質量輕,大大減輕了導線質量;

    ②抗拉強度大,可有效減少導線架設桿塔的數量,保證線路安全運行;

    ③載流量大,輸送容量更大,更節能;

    ④碳纖維復合芯是非鐵磁性材料,通過交流電流時,不會產生磁滯和渦流損耗,線損低;

    ⑤耐疲勞性好,耐腐蝕,壽命長;

    ⑥現有的桿、塔等構件不必改造,可避免了原有線路改建的繁瑣, 縮短工期,節省施工成本等。

    鄭偉研究了利用舊桿塔更換新型碳纖維復合芯導線實現增容改造的可行性,并對各方面的性能及費用進行了對比。張鵬等人對比了不同規格型號導線的性能、運行損耗、全壽命周期成本、一次性投資費用等,結果表明碳纖維復合芯導線一次性投資成本較高,但各種性能指標明顯,從建設、運行、維護和退役的全過程來看,經濟性較好。未來,在油田輸電線路的改造工程中,碳纖維復合芯導線將發揮很大的作用。

    2

    ?短切碳纖維在油氣田領域的應用

    2.1 橋塞

    橋塞是利用電纜、油管、鉆桿等工具投放到油層套管中,對油井進行封層,以達到分層作業目的的一種井下工具。壓裂施工結束后,橋塞要在合理的工作壓差和鉆壓作用下被切削,因此其性能既要滿足坐封要求,又要方便鉆除。橋塞多數部件采用了易鉆除的復合材料,碳纖維是復合橋塞的組成原料之一。

    2.2 壓裂球

    壓裂球是決定壓裂是否成功的主要因素,壓裂球的材質是其應用領域及工藝復雜程度的先決條件。張磊等人以碳纖維和聚醚芳酮為原料,采用擠出造粒的方法制備了高性能復合材料壓裂球,發現碳纖維質量分數約為25%時,拉伸強度、剪切強度及彎曲強度的指標良好。尚曉峰等人運用ANSYS軟件分析了3 種金屬材質空心壓裂球和一種碳纖維實心壓裂球的受力及數值模擬模型,并分析了不同端面斜角時球與球座的應力和變形、球座斜面棱角處結構改變前后壓裂球的數值分析,證明采用碳纖維復合材料制備的實心壓裂球性能良好,強度試驗也驗證了可以滿足各種復雜地質條件下壓裂時對壓裂球強度的要求。

    2.3 纖維混注加砂壓裂技術

    纖維混注加砂壓裂技術是將短切碳纖維加入到壓裂液中,纖維在壓裂液中依靠搭接、纏繞構成一種類似網狀的互繞結構,該結構的存在限制了裂縫中支撐劑的自由運動。碳纖維的作用是增強防砂濾砂層的結構強度,提高防砂墻的抗拉和抗壓能力?;曙w等人分析了不同長度、不同加量和不同交聯溫度的碳纖維對壓裂液沉降高度和交聯時間的影響,優選出最佳配比。劉琦等人進行了該技術的室內和現場試驗。室內實驗證明,加入碳纖維可以減緩支撐劑的沉降速度,提高懸砂性能,改善裂縫鋪砂剖面,提高改造效果,且減少了聚合物等增粘劑的加入量,更有利于保護儲層,優化導流能力,提高產量。該技術在海拉爾油田貝301區塊進行了現場試驗,結果表明具有較好的防砂效果。章敬等人根據克拉瑪依油田克拉瑪依組油藏具備低滲、水敏性強、巖性松軟脆等特點,將纖維混注加砂壓裂技術應用于其中的25井層,結果表明該工藝既可滿足施工時攜砂和固砂需要,且對裂縫長期導流能力影響甚微。

    另外,劉強鴻等人采用碳纖維和有機交聯劑作網架結構研制了新型的化學封竄堵漏劑,其原理與纖維混注加砂壓裂技術類似。室內性能測試結果:封固劑的擠入深度隨擠注壓差的提高而提高,但均在20 cm以內,施工中合理控制封固劑量和施工壓力,可在實現封固的同時有效保護儲層。該技術在塔里木油田進行了現場應用,成功率100%,有效期均在一年以上。

    2.4 補貼套筒

    劉景豪等人采用碳纖維增強樹脂制成補貼套筒,施工中補貼套筒在井下膨脹緊貼在油管或套管內壁上,通過電纜加熱樹脂材料產生熱聚合,從而形成一個堅硬的永久性補貼套筒,且這種補貼材料不會發生腐蝕。這種修補技術的優點是:停井時間短、無需采取壓井和防腐措施,修補后井徑變化最小,大大節省成本。

    2.5 水泥漿

    牛萌等人在水泥混凝土中摻入碳纖維,以提高其抗彎強度和降低干縮率,同時提高水泥固化物的抗拉強度和變形能力,改善其韌性和抗沖擊性。室內實驗研究了纖維含量對水泥漿稠化時間、漿體稠度、流變性能、水泥石韌性等的影響,并將優選的水泥漿體系應用于延長油田中西部采油廠幾口水平井,固井質量合格率均達到100%。高書文等人采用掃描電鏡觀察到短切碳纖維在漿液中的分布具有隨機性以及碳纖維復合漿液不同齡期的水化產物狀態。

    3

    ?其他

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    ?總結

    ⑴ 節能降耗是未來油氣田發展的重要目標之一,要實現該目標,新材料的應用成為必然。碳纖維優點很多,但各向異性,如何在新產品研發過程中最大程度發揮其優越性能并規避其不足,是設計和研發人員重點考慮的問題。

    ⑵ 碳纖維復合材料現有的成型技術主要是二維成型,存在抗沖擊性能差、層間強度低、容易分層等缺點,并且結構簡單、可設計性差??煽朔F有成型缺陷的成型技術的開發已成為復合材料研究的新熱點。新的成型技術將更好推動碳纖維復合材料的應用。

    ⑶ 海洋現已成為資源爭奪的焦點。隨著海洋資源的開發,對新材料新技術的需求極具擴大,隨著對碳纖維復合材料研究的不斷深入,碳纖維復合材料的應用領域將會不斷擴展。碳纖維及其復合材料的研發和產業化現已進入重大創新期,抓住機遇,挑戰未來。

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