ГИБКАЯ НАСОСНО-КОМПРЕССОРНАЯ ТРУБА Российский патент 2022 года по МПК F16L11/04 F16L11/08 F16L11/14 

Изобретение относится к нефтегазовой отрасли и предназначено для использования в колтюбинге при технологической обработке нефтяных и газовых скважин.

Известны гибкие насосно-компрессорные трубы из стали для проведения колтюбинговых операций на скважинах.

Недостатками этих труб является, большая масса из-за высокой плотности сталей, а также низкий срок эксплуатации из-за значительной пластической деформации материала трубы и возникновения усталостных микротрещин при периодическом сматывании с барабана и обратной намотки на него. Это обуславливает необходимость периодической замены труб после отработки определенного норматива. Следующим недостатком является низкая коррозионная стойкость стальной трубы, поэтому после кислотной обработки скважины необходимо применять щелочную обработку и сушку очищенным и осушенным азотом. К недостаткам также относится высокая шероховатость внутренней стенки стальной трубы, наплывы на ней от продольного и поперечного сварных швов, что приводит к высоким гидравлическим потерям, для компенсации которых приходится повышать гидравлическое давление на входе трубы. (Вайншток С.М., Молчанов А.Г., Некрасов В.И., Чернобровкин В.И. Подземный ремонт и бурение скважин с применением гибких труб. - М.: Издательство Академии горных наук, 1999, 224 с.).

Известна конструкции гибкой грузонесущей полимерной трубы, стенки которой выполнены из сплошного слоя полимерного термопластичного материала, выполняющего в конструкции функцию связующего компонента, внутри которого размещены продольные армирующие элементы в виде металлической ленты, уложенные под углом 70-85 градусов к оси трубы, и поперечные армирующие элементы в виде двух противоположных повивов металлических проволок, имеющих форму спирали и угол повива к оси трубы 15-30 градусов (Патент РФ № 2315223).

К недостаткам такой полимерной трубы относится то, что по прочностным характеристикам она существенно уступает стальным трубам, и температурный порог их использования ограничен, потому что механическая прочность значительно снижается при повышении температуры. При этом известно, что при выполнении внутрискважинных работ, особенно на больших глубинах, температуры повышаются до 120-150°С. Высокие температуры являются неприемлемыми для термопластов и существенно ограничивают область их применения.

В качестве прототипа предлагаемого технического решения принимается внутрискважинная гибкая насосно-компрессорная труба Fiberspar. Конструкция этой трубы состоит из внутреннего термопластичного слоя, выполненного на основе полиэтилена, связующего слоя между внутренним слоем и конструкционным слоем из армированной высокопрочным стекловолокном полимерной матрицы и внешнего водостойкого термопластичного слоя (www.fiberspar.com, https://fg-rus.ru/products/nasosno-kompressornaya-truba).

Недостатком внутрискважинной гибкой насосно-компрессорной трубы Fiberspar является низкий верхний предел температурного диапазона применения труб, равный 82°С, а также низкий предел рабочего внутреннего избыточного давления, равный 24,1 МПа. Это существенно ограничивает область применения этих труб для колтюбинга при выполнении внутрискважинных работ при температуре выше 100°С и давлении до 90 МПа,

Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание конструкции гибкой насосно-компрессорной трубы для колтюбинга при выполнении внутрискважинных работ в верхнем диапазоне рабочих температур 120 - 150°С и давлении до 90 МПа.

Достигается это тем, что в гибкой насосно-компрессорной трубе, содержащей внутренний термореактивный полимерный слой, конструкционный слой из армированной высокопрочным высокомодульным волокном полимерной матрицы и внешний термореактивный полимерный слой, внутренний полимерный слой выполнен из переплетенных продольных и кольцевых армирующих элементов в виде ровинга высокопрочных и высокомодульных стекловолокон, пропитанных термореактивным полимерным связующим. Линейная плотность продольных армирующих элементов превышает линейную плотность кольцевых армирующих элементов. В качестве термореактивного полимерного связующего используют эпоксидный компаунд, Конструкционный слой расположен между внутренним и внешним полимерными слоями и имеет промежуточную многослойную структуру, сформированную плотной спирально-перекрестной укладкой четного количества промежуточных слоев армирующих элементов - пропитанного термореактивным полимерным связующем ровинга стеклянных и/или углеродных волокон, причем каждый последующий промежуточный слой уложен в противоположном направлении с повышением механического натяжения волокон относительно предыдущего промежуточного слоя и укладкой первоначального слоя на термореактивный полимерный слой, размещенный вдоль оси трубы. Внешний термореактивный полимерный слой калиброван по наружному диаметру и выполнен из термореактивного полимерного связующего, армированного дисперсным наполнителем, например, диоксидом кремния или мелко рубленными стеклянными волокнами.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлено поперечное сечение гибкой насосно-компрессорной трубы.

На фиг. 2 представлен внутренний слой гибкой насосно-компрессорной трубы.

На фиг. 3 представлен конструкционный слой гибкой насосно-компрессорной трубы.

На фиг. 4 представлен общий вид гибкой насосно-компрессорной трубы.

Гибкая насосно-компрессорная труба (фиг. 1) содержит внутренний термореактивный полимерный слой 1, конструкционный слой 2 из армированной высокопрочным высокомодульным волокном полимерной матрицы и внешний термореактивный полимерный слой 3. Внутренний полимерный слой 1 состоит (фиг. 2) из переплетенных продольных 4 и кольцевых 5 нитей высокопрочных высокомодульных волокон, уложенных в один слой и пропитанных термореактивным полимерным связующим 6.

Конструкционный слой 2 из армированной высокопрочным и высокомодульным волокном полимерной матрицы расположен между внутренним полимерным слоем 1 и внешним полимерным слоем 3. Конструкционный слой 2 содержит (фиг. 3) продольный слой 7 и промежуточные слои 8, 9, 10, 11, сформированные плотной без зазора спирально-перекрестной укладкой армирующих элементов, пропитанных термореактивным полимерным связующим. Поверху промежуточного слоя 11 уложен внешний полимерный слой 12. Армирующие элементы продольного слоя 7 уложены поверх внутреннего полимерного слоя 1 параллельно продольной оси трубы равномерным по толщине слоем. Толщина продольного слоя 7 определяется предельной нагрузкой на растяжение, действующей на гибкую насосно-компрессорную трубу, и материалом применяемого ровинга в качестве армирующих элементов.

Сверху конструкционного слоя 2 размещен внешний полимерный слой 3 (фиг. 4), внешняя поверхность которого калибрована по наружному диаметру трубы.

Пример 1.

Заявляемая гибкая насосно-компрессорная труб наружным диаметром 50,8 мм и толщиной стенки 7,1 мм содержит:

внутренний термореактивный полимерный слой толщиной 0,4 мм на основе стекловолокон ВМП ТУ 5952-146-05786904-98 и эпоксидного компаунда, линейная плотность продольных армирующих элементов - 1200 Тэкс, кольцевых - 600 Тэкс;

конструкционный слой толщиной 6,4 мм из продольных, линейной плотностью 1200 Тэкс и 8 кольцевых слоев, линейной плотностью 600 Тэкс, ровинга стекловолокон суммарной толщиной 3,6 мм, пропитанных эпоксидной смолой; при переходе от каждого нижнего промежуточного слоя к верхнему механическое натяжение увеличено на 0,5-1%;

внешний термореактивный полимерный слой толщиной 0,3 мм на основе дисперсного наполнителя - диоксида кремния в количестве 20% от общей массы в эпоксидном компаунде;

Во всех слоях используется эпоксидный компаунд - эпоксидная смола Этал 370Т с отвердителем.

- верхняя рабочая температура - 130°С;

- максимальное рабочее давление - 90 Мпа;

- коэффициент запаса прочности - 2.

Пример 2.

Гибкая насосно-компрессорная труба по Примеру 1 содержит: конструкционный слой толщиной 1,9 мм продольных армирующих элементов - ровинг линейной плотностью 800 Тэкс из углеродного волокна Toray T700SC и 10 кольцевых слоев стекловолокон ВМП ТУ 5952-146-05786904-98 линейной плотностью 600 Тэкс;

- верхняя рабочая температура - 150°С;

- максимальное рабочее давление - 90 Мпа;

- коэффициент запаса прочности - 2,5

Внутренний полимерный слой защищает конструкционный слой от повреждения при прокачке жидкостей с абразивом и упрочняет трубу в процессе многократных операций наматывания и сматывания с барабана при колтюбинге, при которых на внутренние продольные волокна действуют знакопеременные механические напряжения, которые могут привести к расслоению конструкционного слоя. Создание промежуточной многослойной структуры, сформированной плотной спирально-перекрестной укладкой армирующих элементов пропитанных термореактивным полимерным связующим, единым для всех слоев, с повышением механического напряжения волокон промежуточных слоев от слоя к слою, создает эффект корсета для всей конструкции трубы, тем самым предотвращая это явление. Конструкционный слой обеспечивает продольную прочность трубы и возможность выдержать внутреннее избыточное давление при эксплуатации.

Внешний полимерный слой обеспечивает защиту конструкционного слоя от механических повреждений в скважине, наличие дисперсного наполнителя способствует повышению трибологических свойств наружной поверхности трубы, снижает нагрузки на механизмы за счет равномерности распределения внешней нагрузки и обеспечивает надежную герметизацию скважины в случае выполнения колтюбинговых работ под избыточным давлением в скважине. Наличие внешнего полимерного слоя и возможность его восстановления нанесением аналогичного состава при текущем плановом ремонте позволят значительно продлить срок эксплуатации гибкой насосно-компрессорной трубы. Использование единого термореактивного полимерного связующего во всех слоях позволяет исключить возникновение температурных напряжений, следовательно, продольных и поперечных деформаций трубы.

Предлагаемые насосно-компрессорные трубы могут быть изготовлены по непрерывной многостадийной технологии, включающей пултрузию, непрерывную намотку кольцевых нитей ровинга и пултрузию для получения калиброванного внешнего слоя. Технологически возможно получение гибкой насосно-компрессорной трубы неограниченной длины.

Преимущества предлагаемой гибкой насосно-компрессорной трубы по сравнению с прототипом заключаются в следующем.

Предлагаемые гибкие насосно-компрессорные трубы выполнены на основе ровинга нитей высокопрочных и высокомодульных волокон. Поэтому рабочий интервал верхних температур эксплуатации расширен до 130°С. В случае применения модифицированных эпоксидных смол он может превышать 150°С. Прототип не допускает нагрева выше - 82°С.

Предлагаемые гибкие насосно-компрессорные трубы имеют более высокий предел по внутреннему избыточному давлению. По сравнению с прототипом такое превышение по внутреннему рабочему предельному избыточному давлению составляет 3,75 раза.

В предлагаемых гибких насосно-компрессорных трубах при равных характеристиках прочности на растяжение и кручение со стальными трубами, а также предельному внутреннему избыточному давлению в них, снижена масса в четыре раза, многократно повышена коррозионная стойкость и значительно расширен срок эксплуатации по характеристикам усталостной прочности, что снижает эксплуатационные затраты и повышает экологическую безопасность.

Изобретение относится к нефтегазовой отрасли и предназначено для использования в колтюбинге при технологической обработке нефтяных и газовых скважин. Гибкая насосно-компрессорная труба содержит внутренний термореактивный полимерный слой, выполненный из переплетенных продольных и кольцевых армирующих элементов, пропитанных термореактивным полимерным связующим. Линейная плотность продольных армирующих элементов превышает линейную плотность кольцевых армирующих элементов. Конструкционный слой из армированной высокопрочным и высокомодульным волокном полимерной матрицы, расположенный между внутренним и внешним полимерными слоями и имеющий промежуточную многослойную структуру, сформированную плотной без зазора спирально-перекрестной укладкой армирующих элементов, пропитанных термореактивным полимерным связующим. Каждый последующий промежуточный слой уложен в противоположном направлении с повышением механического натяжения волокон относительно предыдущего промежуточного слоя и с укладкой первоначального слоя на термореактивный полимерный слой, размещенный вдоль оси трубы. Внешний термореактивный полимерный слой калиброван по наружному диаметру и выполнен из термореактивного полимерного связующего, армированного дисперсным наполнителем. Техническим результатом заявленного изобретения является создание конструкции гибкой насосно-компрессорной трубы для колтюбинга при выполнении внутрискважинных работ в верхнем диапазоне рабочих температур 120 – 150°С и давлении до 90 МПа. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Гибкая насосно-компрессорная труба, характеризующаяся тем, что содержит внутренний термореактивный полимерный слой, выполненный из переплетенных продольных и кольцевых армирующих элементов, пропитанных термореактивным полимерным связующим, причем линейная плотность продольных армирующих элементов превышает линейную плотность кольцевых армирующих элементов, и конструкционный слой из армированной высокопрочным и высокомодульным волокном полимерной матрицы, расположенный между внутренним и внешним полимерными слоями и имеющий промежуточную многослойную структуру, сформированную плотной без зазора спирально-перекрестной укладкой армирующих элементов, пропитанных термореактивным полимерным связующим, причем каждый последующий промежуточный слой уложен в противоположном направлении с повышением механического натяжения волокон относительно предыдущего промежуточного слоя и с укладкой первоначального слоя на термореактивный полимерный слой, размещенный вдоль оси трубы, а внешний термореактивный полимерный слой калиброван по наружному диаметру и выполнен из термореактивного полимерного связующего, армированного дисперсным наполнителем.

2. Гибкая насосно-компрессорная труба по п.1, отличающаяся тем, что продольные и кольцевые армирующие элементы выполнены из стекловолокон и/или углеродных волокон.

3. Гибкая насосно-компрессорная труба по п.1, отличающаяся тем, что в качестве термореактивного полимерного связующего содержит эпоксидный компаунд.

4. Гибкая насосно-компрессорная труба по п.1, отличающаяся тем, что в качестве дисперсного наполнителя содержит минеральный порошок диоксида кремния.

5. Гибкая насосно-компрессорная труба по п.1, отличающаяся тем, что качестве дисперсного наполнителя содержит мелко рубленные стекло- и/или углеродные волокна.