碳纖維連續抽油桿夾持技術*

袁文才 楊 高 劉壽軍 楊志敏 胡志強 柳慶仁

(中石油江漢機械研究所有限公司)

0 引 言

碳纖維連續抽油桿(以下簡稱碳纖維桿)是一種心部采用高性能碳纖維為增強體，表層覆蓋玻璃纖維布，采用拉擠成形工藝制成的外形呈帶狀、截面為矩形、長度1 000 m以上，可纏繞在滾筒上的一類新型抽油桿。碳纖維桿具有質量輕、強度高、無接箍、運輸簡單和耐腐蝕等特點，適用于深井、超深井和腐蝕性油井，能夠節約用電、提高采油效率，減少事故發生率，大大降低采油成本[1-2]。

20世紀90年代，美國成功研制了碳纖維桿和碳纖維桿專用作業設備，經過十幾年的室內和現場試驗改進，碳纖維桿及專用作業裝備已在美國的油井中廣泛應用。國內自2000年起，開始了碳纖維桿的制造和作業工藝及裝備的研究工作，在碳纖維桿的裝備配套方面先后研制了第一代和第二代碳纖維桿作業機。第一代作業機采用滾筒纏繞驅動方式進行碳纖維桿的起下作業，該作業機可滿足1 000 多m的碳纖維桿作業需求，但因提升能力不夠，不能滿足2 000多m深的復雜工況油井作業需求。為解決第一代作業機對碳纖維桿提升能力不足的問題，研制了第二代作業機。第二代作業機將碳纖維桿的起下桿裝置由纏繞式驅動改為夾緊摩擦式驅動，解決了滾筒纏繞盤驅動扭矩過大的問題[3-5]。為避免碳纖維桿的夾持傷桿問題，第二代作業機起下桿裝置的夾持塊采用了工程塑料+碳纖維的復合材料作為摩擦副材料，但在現場作業提升遇到介質時，還是經常會碰到夾持提升力不足和打滑的問題。在打滑時，作業現場需要通過特殊手段在夾持表面添加異物，以不計后果地將碳纖維桿起出，這樣就容易產生碳纖維桿的傷桿和斷桿問題。

針對國內碳纖維桿應用中起下桿提升力不夠的關鍵技術問題，在第三代新型碳纖維桿作業機的裝備配套研制過程中[6]，本文結合連續管注入頭的夾持摩擦驅動方式，通過對碳纖維桿本體的抗夾持擠壓及抗拉性能進行檢測，為碳纖維桿夾持技術開發提供前期基礎數據。根據作業機的夾持配套設計要求，筆者進行了碳纖維桿夾持摩擦副的材料開發、夾持表面結構設計、環境介質影響分析及注入頭無損夾持改進設計。研究結果為碳纖維桿技術在油田的推廣應用奠定了基礎。

1 碳纖維桿夾持技術分析

1.1 總體研究技術方案

依據碳纖維桿的自身特點和連續管注入頭夾持技術進行研究評價，開發與其相適應的夾持塊產品，在注入頭提供的正壓力范圍內，對碳纖維桿的夾持性能達標，且不得對碳纖維桿桿體造成明顯的破壞及性能的損傷。對碳纖維桿夾持技術的總體開發思路如下：碳纖維桿基礎性能評價→夾持摩擦副材料開發→表面結構及介質影響研究→注入頭碳纖維桿夾持試驗評估→現場應用評價。

1.2 碳纖維桿基本技術參數

碳纖維桿規格尺寸如表1所示。

表1 碳纖維桿規格尺寸Table 1 Specification and dimension of carbon fiber rod

桿體表層包覆玻璃纖維布的碳纖維桿試樣橫截面形狀如圖1所示。圖中d為碳纖維桿厚度，b為寬度，R為圓角半徑。

圖1 碳纖維桿試樣橫截面形狀示意圖Fig.1 Schematic cross-section shape of carbon fiber rod

1.3 碳纖維桿夾持技術要求

設計注入力270 kN，設計最大夾緊壓力17 MPa，無介質時夾持摩擦因數μ≥0.25，油蠟介質下夾持摩擦因數μ≥0.10，對碳纖維桿無影響桿體性能的夾持損傷。

2 碳纖維桿力學性能研究

目前文獻對碳纖維桿的性能研究主要集中在彎曲和拉伸力學方面，對影響夾持性能的擠壓和剪切等關鍵參數未開展研究。為了更好地開展碳纖維桿的夾持技術研究，有必要開展其力學性能研究。

2.1 碳纖維桿抗拉強度試驗

根據作業機配套選用山東大學研制生產的CYGT 32×4.2規格碳纖維桿進行性能評價試驗。采用自制碳纖維桿夾具，對碳纖維桿試樣進行桿體抗拉強度測試試驗，試驗方式為利用萬能試驗機的卡瓦夾住碳纖維桿夾具進行拉伸試驗。碳纖維桿試樣裝夾及斷裂后形貌如圖2所示。

圖2 無損傷碳纖維桿拉伸后斷裂形貌Fig.2 Breaking morphology of undamaged carbon fiber rod after tension test

從試驗結果來看，碳纖維桿從桿體部位斷裂，夾具部位并沒有拉脫，桿體呈絲狀斷裂，團簇發散狀外觀，其中外表面的包覆帶對桿體有一定的保護作用。從試驗后的拉伸曲線可以看出，載荷并沒有下降，直到拉斷，結合桿體截面面積計算桿體抗拉強度，其值約為2 140 MPa。

2.2 碳纖維桿損傷后抗拉強度試驗

考慮到碳纖維桿在實際應用中可能會出現偏磨或夾持損傷的情況，為了盡可能地模擬實際夾持產生的各種損傷，對桿體厚度進行人為損傷的均勻減薄，然后對損傷后的碳纖維桿進行抗拉強度測試，考察其強度是否會發生變化。具體碳纖維桿樣品損傷值Δd設置為a、b、c、d和e，一個夾持塊長度約100 mm。樣品損傷形式及斷裂形貌如圖3所示。碳纖維桿試樣的桿體抗拉強度試驗結果如表2所示。從試驗結果看，即使桿體均勻偏磨損傷0.6 mm后抗拉強度仍達到2 000 MPa以上，降幅不明顯。從桿體斷裂均呈絲狀爆炸斷裂形式來看，桿體的抗拉協同性較好，保證了材料在拉伸過程中即使部分破壞也不至于截面積驟減而影響強度。綜合判斷，碳纖維桿試樣的桿體具有一定的耐損傷性能。

圖3 碳纖維桿損傷形式及斷裂形貌Fig.3 Damage form and breaking morphology of carbon fiber rod

表2 碳纖維桿試樣桿體抗拉強度Table 2 Tensile strength of carbon fiber rod sample

2.3 碳纖維桿抗壓強度測試

碳纖維桿在使用過程中主要靠夾持塊的靜摩擦力作用來夾持，在夾持塊的夾持正壓力下只要不壓潰桿體材料，桿體強度和性能就不會受到影響。碳纖維桿桿體能承受多大壓力，需要通過桿體抗壓載荷試驗來評價。抗壓載荷測試試驗方法為：準備長度50 mm的碳纖維桿試樣4個，試驗前用游標卡尺分別檢測桿體寬度并記錄，將試樣分別放入萬能試驗機壓盤下進行正壓載荷分別為0、300、400和500 kN的壓載試驗。壓載試驗完畢后分別檢測每個桿體試樣的截面壓潰壓裂情況和桿體寬度變化。壓載試驗后桿體截面情況如圖4所示。

圖4 碳纖維桿桿體壓載試驗后截面形貌Fig.4 Section morphology of carbon fiber rod after compressive loading test

由圖4可以看出：在300 kN的正壓載荷下桿體截面并無裂紋產生，寬度也未發生明顯變化；在400和500 kN的正壓載荷下，試樣桿體在寬度方向尺寸發生明顯變化，并在截面上出現鋸齒形的壓裂裂紋，裂紋有明顯的規律性。桿體承受的抗壓強度和截面寬度測量結果如表3所示。

表3 碳纖維桿試樣桿體抗壓試驗數據Table 3 Compression test data of carbon fiber rod sample

通過以上試驗結果可以判斷，碳纖維桿試樣的抗壓性良好，在300 kN的正壓載荷作用下也不會壓潰桿體。而注入頭設計的最大夾緊壓力為17 MPa，遠小于可將碳纖維桿壓扁的抗壓強度(184 MPa)。綜合結果可判斷，即使將夾持塊的夾持接觸表面設置為溝槽或網紋形式，一定程度地減小夾持塊與碳纖維桿之間的夾持接觸面積，在注入頭的夾緊壓力范圍內，夾持塊也不會壓潰碳纖維桿桿體，即不會對碳纖維桿性能產生影響。

3 夾持塊材料及表面結構研究

3.1 夾持摩擦副材料開發

3.1.1 夾持摩擦副材料選擇

由于碳纖維桿體表面為樹脂材料，夾持塊作為直接接觸表面，表面硬度不能太高。結合第二代碳纖維桿作業機采用非金屬材料作為夾持摩擦副材料的前期經驗，對碳纖維桿夾持摩擦副材料進行多樣選擇，以摩擦因數大、抗壓變形能力強、使用壽命長和材料的可加工性好作為參考標準進行優化選擇。

通過篩選，初步選擇用作碳纖維桿摩擦副的夾持塊材料有如下5種：摩阻復合材料(A)、碳纖維增強塑料(B)、玻纖增強尼龍(C)、改性工程塑料(D)和碳鋼(S)。分別將上述材料加工成尺寸(長×寬×高)為108 mm×70 mm×20 mm的板狀夾持塊試樣，與碳纖維桿樣品進行夾持摩擦試驗。部分夾持塊試樣如圖5所示。

圖5 復合材料夾持塊試樣Fig.5 Sample of composite material gripping block

3.1.2 摩擦副材料夾持試驗對比

對上述夾持摩擦副材料試塊分別進行碳纖維桿夾持摩擦測試試驗。所采用的試驗裝置包括萬能試驗機、夾持性能試驗裝置、壓力傳感器、儀表和500 mm長度的碳纖維桿試樣若干。試驗開展方式如圖6所示[7]，對每種摩擦副材料的試樣分別進行夾緊力N為10、20、30和40 kN的夾持性能測試試驗，每種材料的摩擦試驗重復1次。記錄在各夾緊力下的打滑最大拉力F，對應的當量摩擦因數分別用μ1、μ2、μ3和μ4表示，當量摩擦因數按μ=F/(2N)計算。

圖6 夾持摩擦示意圖Fig.6 Sketch of gripping friction

3.1.3 試驗結果

各種摩擦副材料對應不同夾緊力的當量摩擦因數試驗結果如表4所示。

表4 各摩擦副材料的當量摩擦因數Table 4 Equivalent friction coefficient of different friction pair materials

試驗后由碳纖維桿試樣表面損傷情況和各材料試樣的夾持接觸區域可以看出，所有碳纖維桿試樣表面均無明顯的接觸損傷痕跡，但玻纖增強尼龍材料(C)在試驗后表面與碳纖維桿接觸部位有不可恢復的壓凹變形，其他材料試樣在試驗后表面狀態良好。從試驗結果來看，B、C和D 3種材料對碳纖維桿的夾持摩擦性能均偏低，但A和S對碳纖維桿的夾持摩擦匹配性較好，摩擦因數在0.3～0.4之間初步達到試驗預期，后續重點針對摩阻復合材料和鋼制材料開展進一步研究評價工作。

3.2 夾持表面結構及介質對碳纖維桿夾持的影響

在碳纖維桿的采油作業中，碳纖維桿表面不可避免地出現油、蠟等介質，雖然刮泥膠芯能阻擋一部分油泥介質，但桿體表面的介質膜層很難徹底清除干凈。結合前期連續管夾持塊的研究經驗，桿體石蠟介質膜層的存在會對夾持性能造成不利的影響。因此，要想提高碳纖維桿的夾持性能，必須通過改變夾持表面結構形式的方式，盡可能破壞碳纖維桿表面的介質膜層來提高夾持性能[8-9]。

3.2.1 夾持表面結構設計

結合鋼制夾持塊的研究經驗和碳纖維桿抗壓性能特點，對碳纖維桿的夾持表面分別設計齒槽和網紋兩種表面形式并與光面形式進行對比。將尺寸為108 mm×70 mm×20 mm的板狀摩阻復合材料(A)和碳鋼(S)加工成不同表面結構形式的夾持塊試樣。夾持塊試樣的夾持表面結構形式如表5所示。

表5 不同的夾持表面結構形式Table 5 Different forms of gripping surface structure

不同表面結構形式的部分試樣如圖7所示。

圖7 部分不同表面結構形式的試樣Fig.7 Some samples with different forms of surface structure

3.2.2 無介質下的夾持試驗對比

按夾持摩擦的試驗方式開展部分表面形式夾持塊試樣的碳纖維桿夾持摩擦試驗。兩種材料不同表面結構形式的無介質狀態下的當量摩擦因數試驗結果如表6所示。

表6 無介質時不同表面結構的當量摩擦因數Table 6 Equivalent friction coefficient of different surface structure without medium

由表6試驗數據可以看出：在無介質狀態下，與光面結構形式相比，隨著表面結構形式的改變，復合摩阻材料的當量摩擦因數逐漸減小，判斷其夾持性能與夾持接觸面積有正相關的關系；鋼制材料的當量摩擦因數隨著表面結構形式的改變也有較小的降低，但總體相差不大，不同表面結構形式的當量摩擦因數均能達到0.3以上，比較平穩。

3.2.3 石蠟介質下的夾持試驗對比評價

將石蠟塊通過硬涂的方式均勻涂抹在碳纖維桿桿體表面，保證碳纖維桿表面有一層均勻的石蠟膜層(厚度約為0.3 mm)。將所有表面形式的夾持塊試樣與涂抹有石蠟膜層的碳纖維桿樣品進行夾持摩擦試驗。在石蠟介質狀態下各種表面結構形式的當量摩擦因數試驗結果如表7所示。由表7數據可以看出：復合摩阻材料夾持塊的當量摩擦因數在石蠟介質下均大幅下降，降低幅度達到60%～90%，表面網紋結構形式對石蠟介質的夾持適應性要好于光面和溝槽形式，但夾持塊試樣表面的網紋齒面在正壓力作用下，也很容易被壓潰；鋼制材料夾持塊的當量摩擦因數在石蠟介質下也有較大幅度下降，表面光面形式的當量摩擦因數下降幅度達85%，溝槽表面形式隨著齒寬和槽寬的變窄夾持適應性逐步提高，網紋表面形式在石蠟介質下當量摩擦因數下降幅度只有50%，為所有表面結構形式中石蠟介質下夾持適應性最好的。

表7 石蠟介質下不同表面結構的當量摩擦因數Table 7 Equivalent friction coefficient of different surface structure with paraffin as the medium

3.2.4 碳纖維桿表面正壓夾持損傷評價

由于改變夾持表面結構形式可以提高對介質環境的夾持適應性，但也會因減小了夾持塊與碳纖維桿桿體之間的接觸面積，可能會對碳纖維桿桿體表面造成夾持損傷，所以有必要評價優選出來的夾持表面形式在不同正壓力下是否會壓潰或者壓壞碳纖維桿表面。

在碳纖維桿試樣表面以108 mm長度分段用記號筆做標記，分別標上4、6、8。將碳纖維桿不同段分別放在優選的網紋表面形式夾持塊之間對齊，在萬能試驗機壓盤下分別采用40、60和80 kN正壓力作用于夾持塊背面，保持壓力10 s。試驗完后觀察碳纖維桿表面的接觸狀態，并評估夾持損傷情況，如圖8所示。

從正壓夾持試驗后碳纖維桿的表面狀態可以看出，網紋齒面即使在最大正壓力作用下都不會壓潰或者壓傷碳纖維桿表面，與碳纖維桿抗壓試驗的結果預期一致。

綜上所述，要想破壞表面石蠟潤滑膜層，夾持表面需設計一定的網紋或齒面形式，且夾持材料的本體必須要具有如鋼材般的抗壓強度，避免夾持表面被壓潰。試驗結果表明，鋼制材料可以用于對碳纖維桿的夾持，選擇合理的表面結構形式，既不會夾壞夾傷碳纖維桿，又能提高石蠟介質下對碳纖維桿的夾持適應性。

4 夾持系統優化

通過前期碳纖維桿夾持技術的開發工作，配套研制的碳纖維桿夾持塊用于碳纖維桿作業機時，還需結合配套設備的試驗應用情況，解決碳纖維桿的夾持問題。

4.1 注入頭碳纖維桿夾持防咬桿技術

目前的連續管注入頭取消了同步齒輪，在起下碳纖維桿時，兩邊夾持鏈條上的夾持塊不同步，易出現錯位夾持[10]，從而造成碳纖維桿咬桿問題。

經過對碳纖維桿夾持塊配套在注入頭上的夾持運轉試驗發現，造成碳纖維桿咬桿或斷桿的根本原因是鏈條單側上安裝的上、下夾持塊之間存在切入角及切入角間隙。夾持塊的切入角及切入角間隙如圖9所示。

圖9 上、下夾持塊切入角及切入角間隙示意圖Fig.9 Schematic cutting angle of upper and lower gripping block and its clearance

注入頭碳纖維桿夾持運轉試驗中的咬桿和斷桿情況如圖10所示。

由圖10可看出，注入頭夾持碳纖維桿運轉會發生兩側夾持塊不同步的問題，當兩邊夾持塊切入角間隙處于錯位狀態時，就容易發生碳纖維桿夾持塊切入角咬桿問題。在碳纖維桿夾持塊切入角為半徑8 mm的倒角時，切入角錯位的間隙處碳纖維桿會被咬彎，破壞了碳纖維桿的本體性能。在碳纖維桿夾持塊切入角為半徑18 mm的倒角時，切入角錯位間隙顯著增大，處于該位置的碳纖維桿就會被強行咬斷。經分析，在注入頭上夾持咬桿斷桿的主要原因是碳纖維桿的抗彎剛度不夠和兩側夾持塊切入角間隙過大。

圖10 注入頭碳纖維桿夾持時咬桿和斷桿情況Fig.10 Rod biting and breaking while the carbon fiber rod is gripped in the injection head

針對夾持塊錯位時的咬桿問題，對夾持塊切入角進行了優化研究。通過多次調整試驗對比后發現，采取將碳纖維桿夾持塊的本體長度增加，減小切入角，縮小注入頭上、下相鄰夾持塊之間的切入角間隙，可徹底解決注入頭碳纖維桿夾持時切入角處的咬桿問題，具體實施后如圖11所示。

圖11 注入頭碳纖維桿夾持塊切入角間隙改進Fig.11 Improvement of the cutting angle clearance between gripping blocks of injection head

4.2 注入頭碳纖維桿夾持防磕碰損傷技術

注入頭在運轉時，鏈條會存在一定程度的抖動。夾持塊進入推板內夾持碳纖維桿時，夾持塊切入角部位在與碳纖維桿表面夾持接觸前會因為抖動對碳纖維桿產生磕碰損傷。要解決碳纖維桿夾持的磕碰損傷問題，可對碳纖維桿夾持塊的切入角部位采用噴涂軟合金涂層或內嵌尼龍塊的方式，如圖12所示。

圖12 碳纖維桿夾持塊切入角處理方式Fig.12 Treatment on the cutting angle of carbon fiber rod gripping block

5 現場試驗及應用

2015年6月13日，新型碳纖維桿作業機在新疆某井首次應用，成功將抽油泵下入井中，碳纖維桿下入長度1 083 m，下端連接703 m鋼制抽油桿作為配重。截止到2017年12月，該作業機在新疆油田累計完成5口井14井次的碳纖維桿的作業。新疆油田的多次作業效果證明：開發的碳纖維桿夾持塊在現場使用效果良好，無夾持磕碰傷桿、咬桿和斷桿問題的發生，夾持能力滿足注入頭提升力的設計要求，且在介質狀態下夾持性能穩定可靠。采用碳纖維桿夾持技術，成功解決了以前碳纖維桿在國內應用中普遍存在的提升力不足、容易傷桿或斷桿等技術難題，為碳纖維桿及作業機裝備在油田的成功推廣應用打下了良好的基礎。

6 結 論

(1)明確了鋼制材料可作為碳纖維桿的夾持摩擦材料，在夾持表面合理設計網紋結構可顯著提高石蠟介質狀態下對碳纖維桿的夾持適應性，且不會夾持傷桿。

(2)通過減小碳纖維桿夾持塊夾持接觸面之間的切入角間隙并在切入角部位設置合適的軟體材料，可解決夾持塊配套連續管注入頭應用時的磕碰咬桿問題。

(3)開發的碳纖維桿夾持技術符合設計要求，解決了碳纖維桿應用中存在的夾持提升力不足、傷桿和咬桿的關鍵技術難題。