碳纖維連續(xù)抽油桿生產(chǎn)工藝技術(shù)

徐國(guó)民（大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠）

碳纖維連續(xù)抽油桿是碳纖維、樹(shù)脂等原材料按照合適配比，經(jīng)拉擠工藝生產(chǎn)制造而成的線型復(fù)合材料制品，呈條帶狀，橫截面為矩形、橢圓型或圓型，可纏繞于專門設(shè)計(jì)的滾筒之上[1]。美國(guó)最早研制成功碳纖維連續(xù)抽油桿，并應(yīng)用于人工舉升技術(shù)，有效解決鋼制抽油桿偏磨斷脫比例高、周期短的問(wèn)題。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)各大油田均開(kāi)始研制并應(yīng)用碳纖維連續(xù)抽油桿，取得了降低抽油機(jī)井懸點(diǎn)載荷、提高桿柱耐磨、抗拉強(qiáng)度以抗腐蝕性能，降低能耗，延長(zhǎng)檢泵周期，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)井高效、低成本運(yùn)行。

1 拉擠工藝技術(shù)

拉擠工藝是指在拉力作用下擠注成形的一種生產(chǎn)工藝技術(shù)，利用其原理，將碳纖維等原材料均勻分布并穿越穿紗板，然后經(jīng)過(guò)樹(shù)脂槽浸膠、出樹(shù)脂槽脫膠預(yù)成型后進(jìn)入模具，進(jìn)而加熱固化成型，再經(jīng)牽引機(jī)收卷于收卷盤。同時(shí)結(jié)合碳纖維細(xì)長(zhǎng)、浸膠方便、容易交聯(lián)的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了將碳纖維等原材料連續(xù)生產(chǎn)成為線型復(fù)合材料制品（工藝流程見(jiàn)圖1），可以連續(xù)生產(chǎn)任意長(zhǎng)度的碳纖維連續(xù)抽油桿[2-3]。

工藝流程中的模具為生產(chǎn)碳纖維連續(xù)抽油桿的關(guān)鍵工藝流程[4]，碳纖維等原材料進(jìn)入模具，經(jīng)改模具固化后方可能出模成為線型復(fù)合材料制品。流程中模具分為預(yù)熱區(qū)、凝膠區(qū)和固化區(qū)三個(gè)區(qū)域，拉擠工藝模具三段溫區(qū)[5]如圖2 所示。

圖1 連續(xù)纖維拉擠工藝流程示意圖

圖2 拉擠工藝模具溫區(qū)

2 原材料的選擇

碳纖維連續(xù)抽油桿是由碳纖維、樹(shù)脂纖維等原材料經(jīng)拉擠工藝成型為復(fù)合材料制品性，其抗拉強(qiáng)度、拉伸彈性模量、彎曲強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度模量、層間剪切強(qiáng)度、疲勞壽命、最高工作溫度、破斷拉力和巴柯?tīng)栍捕鹊刃阅苤笜?biāo)，主要取決于原材料的力學(xué)性能及各自配比。由此可見(jiàn)，碳纖維、樹(shù)脂纖維的選擇直接影響著碳纖維連續(xù)桿的關(guān)鍵性能。

2.1 碳纖維原料

目前市場(chǎng)主要應(yīng)用的碳纖維材料有兩種公司生產(chǎn)的T700S 和HTA-W12K，對(duì)上述兩種原材料抗拉強(qiáng)度、彈性模量等性能（表1）進(jìn)行對(duì)比，所以選用T700S。

表1 碳纖維性能對(duì)比

2.2 樹(shù)脂原料

目前市場(chǎng)主要應(yīng)用不飽和聚酯樹(shù)酯、環(huán)氧樹(shù)脂和聚氨酯樹(shù)脂三種樹(shù)脂材料，綜合考慮樹(shù)脂的耐溫性能、耐腐蝕性能等指標(biāo)，碳纖維連續(xù)抽油桿原材料之一的基體樹(shù)脂選用AP-3900A/B 配方組合材料，該樹(shù)脂材料是一種專用于碳纖維拉擠的環(huán)氧樹(shù)脂，混合黏度僅有200～500 mPa·s，澆注體拉伸強(qiáng)度高于75 MPa，拉伸模量高于3 000 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率高于4%，具有黏度低、拉擠速度較快、與碳纖維復(fù)合性好等優(yōu)勢(shì)，有助于提高碳纖維連續(xù)抽油桿的抗拉強(qiáng)度。

2.3 其它原料

2.3.1 脫模劑

環(huán)氧樹(shù)脂拉擠生產(chǎn)過(guò)程中需要專用脫模劑，選用性能較好的21#脫模劑，其脫模效果好，添加量?jī)H為樹(shù)脂的1%～2%就能達(dá)到很好的脫模作用，并且制品無(wú)殘留，不會(huì)影響二次加工。

2.3.2 納米SiO2

納米SiO2可以改善復(fù)合材料的表面質(zhì)量，并對(duì)復(fù)合材料起到增強(qiáng)增韌、提高耐熱性的作用，因此在碳纖維連抽油桿生產(chǎn)過(guò)程中加入納米SiO2，以提高其力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性能[6]。選用比表面積為160 m2/g 納米 SiO2。

3 技術(shù)特點(diǎn)

3.1 耐疲勞性、耐磨性、抗拉性能好

室內(nèi)模擬井況實(shí)驗(yàn)：將碳纖維連續(xù)抽油桿下入油管內(nèi)，設(shè)置沖程為2.5 m，頻率為75 次/min，經(jīng)107次疲勞實(shí)驗(yàn)后，剩余強(qiáng)度仍有90%，同樣條件下，鋼制桿的剩余強(qiáng)度僅為30%～40%；磨損實(shí)驗(yàn)1 100 萬(wàn)次，碳纖維連續(xù)抽油桿外壁稍有磨損痕跡；拉力實(shí)驗(yàn)時(shí)拉力達(dá)20 t，碳纖維連續(xù)抽油桿未斷，滿足現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)要求。從各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)對(duì)比看（表2），碳纖維柔性桿耐磨性、耐疲勞性、抗拉性均好于鋼制抽油桿。

表2 碳纖維連續(xù)抽油桿和鋼制抽油桿的技術(shù)參數(shù)對(duì)比

3.2 耐腐蝕性強(qiáng)

高礦化度的地層水含有腐蝕介質(zhì)，對(duì)鋼材會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的腐蝕作用，降低使用壽命。碳纖維連續(xù)抽油桿是以高分子復(fù)合材料為主體，在90 ℃的酸堿溶液和原油中浸泡3 個(gè)月，無(wú)任何變化，具有較強(qiáng)的耐腐蝕性能。

3.3 柔性好

由于碳纖維抽油桿是柔性連續(xù)的，鋼制抽油桿平均9 m 一個(gè)連接接頭，而碳纖維連續(xù)抽油桿只有兩個(gè)接頭，分別和光桿、下部加重桿連接，大大降低了活塞效應(yīng)，減少了連接接頭斷脫事故概率，延長(zhǎng)了桿的使用壽命[7-8]。

3.4 重量輕

以規(guī)格φ25 mm 為例，碳纖維連續(xù)抽油桿每米質(zhì)量0.5 kg，而鋼制抽油桿每米質(zhì)量高達(dá)4.0 kg，鋼絲繩連續(xù)抽油桿每米質(zhì)量1.5 kg。碳纖維連續(xù)抽油桿單位長(zhǎng)度重量約為鋼制抽油桿的1/8，鋼絲繩連續(xù)抽油桿的1/3，質(zhì)量輕具有節(jié)能降耗的效果，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)同等條件下降低抽油機(jī)機(jī)型，減少設(shè)備投資。

4 實(shí)踐應(yīng)用

采用拉擠工藝技術(shù)生產(chǎn)的碳纖維連續(xù)抽油桿目前已經(jīng)在大慶油田試驗(yàn)應(yīng)用168 口井，平均產(chǎn)液增加 4.4 t/d； 最 大 懸 點(diǎn) 載 荷 下 降 9.52 kN，下 降21.06%；系統(tǒng)效率提高6.75%，總體提高30.35%；百米噸液耗電下降0.35 kWh/(100 m·t)，下降29.17%。以喇嘛甸油田前期試驗(yàn)的7 口井為例，平均產(chǎn)液增加6 t/d、泵效增加7.4%、交變載荷下降11.98 kN，試驗(yàn)井初期效果對(duì)比情況見(jiàn)表3，碳纖維連續(xù)桿平均免修期1 818 天，最長(zhǎng)運(yùn)行2 114 天。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，該技術(shù)具有很好的降載和節(jié)能效果，較好地適應(yīng)抽油機(jī)井舉升工藝技術(shù)，有力推動(dòng)該工藝技術(shù)高效、節(jié)能發(fā)展[9-10]。

表3 試驗(yàn)井初期效果對(duì)比情況

5 結(jié)論

1）成熟的拉擠工藝技術(shù)是碳纖維連續(xù)抽油桿成功生產(chǎn)并應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)的基礎(chǔ)保障，拉擠工藝合理調(diào)控是生產(chǎn)出高性能碳纖維連續(xù)抽油桿的重要基礎(chǔ)。

2）通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，優(yōu)選出適合油井生產(chǎn)使用的碳纖維、樹(shù)脂等原材料，實(shí)現(xiàn)了碳纖維連續(xù)抽油桿具備耐疲勞性、耐磨性、抗拉性能好，耐腐蝕性強(qiáng)，柔性好，質(zhì)量輕等優(yōu)勢(shì)。

3）碳纖維連續(xù)抽油桿有效緩解了鋼制桿的桿管偏磨、斷脫問(wèn)題，同時(shí)具有節(jié)能降耗的優(yōu)勢(shì)，適用于抽油機(jī)井舉升工藝技術(shù)。