碳纤维连续抽油杆温度的研究

摘 要：根据碳纤维抽油杆的特性，碳纤维连续抽油杆适合于深井、超深井、腐蚀井、超载井和高含水井。与其他抽油杆相比，使用碳纤维抽油杆的投资最少。总之，连续抽油杆有着普通抽油杆无法比拟的优越性，能够较好地解决普通抽油杆无法解决的问题，将逐渐替代普通抽油杆，特别对于解决斜井、深井、腐蚀井及低渗透井等有着十分重要的现实意义，具有广泛的发展前途。

关键词：碳纤维 抽油杆 特性

一、引言

随着国内油田事业的发展，使碳纤维连续抽油杆的需求和应用日益广泛，国内已有四家投入生产碳纤维杆，但是没有与之配套使用的作业设备。碳纤维连续抽油杆作业车是设计用于碳纤维抽油杆的配套专业设备，而作业过程中碳纤维连续抽油杆的起下夹持问题是必须要解决的问题之一，因为它关系到缠绕盘的扭矩和碳纤维杆在起下过程中的受力状态。碳纤维抽油杆在起下装置中所承受的载荷很大，导致抽油杆在被提升的过程中受到拉力很大，使得杆柱缠绕盘负载驱动扭矩过大，严重降低了作业车作业过程中的自动化程度，减缓了作业速度，降低了作业设备对井场环境的适应性，增加了易损件，而且不便于维修，加大了对作业车及其他设备的投资，减少持续作业时间。要解决上述问题，必须先解决缠绕盘驱动扭矩过大的问题，而直接导致扭矩过大是碳纤维抽油杆起下夹持装置的设计模式。

二、国内外碳纤维连续抽油杆现状

碳纤维连续抽油杆起源于20世纪90年代，由美国首先研制成功，并进行了矿场试验，取得较好效果。1991年5月～1995年11月美国在33口抽油井中使用了碳纤维连续抽油杆，平均泵挂深度为1444m，平均泵径为50.5mm，7口井的平均冲数为10.5n/min，平均冲程为3.94m，碳纤维连续抽油杆的长度占整个抽油杆柱长度的平均比例为56.8%，井底平均温度为42.7摄氏度，井液平均含氺88.8%，平均日产液91.7t。其中一口井正常运行了四年，另一口井含有硫化氢正常运行了三年，还有几口井正常运行了三年多。这33口井在四年半的矿场中作业共45次，最主要的失败形式是钢接头疲劳断裂和碳纤维连续抽油杆端部连接失效，其次是由于碳纤维柔性连续抽油杆受压应力引起的失效。试验表明了，碳纤维连续抽油杆具有足够的抗疲劳强度，可以达到延长检泵周期和节电的目的。

我国在20世纪90年代开始研制，引进碳纤维连续抽油杆。2000年陈厚等介绍了以环氧树脂作为树脂基体，以碳纤维作为增强材料，采用拉挤成型工艺生产树脂基碳纤维杆，并分析和讨论了该连续生产过程中容易出现的问题。他们提出的工艺科连续成型，自动化程度高，且成型制品力学性能优异，是生产连续抽油杆一种较好的工艺方法。2000年开始，顾学林和杨小平等开始碳纤维杆的制造和作业工艺及装备的研究，以制备出耐温等级为90摄氏度，120摄氏度和150摄氏度的碳纤维杆，其中等级为90的已经正常生产并投入现场使用。薛承谨针对国内石油开采的抽油杆长期耐温使用的需要，研究了四种不同树脂基体的碳纤维拉伸复合材料的抽油杆样品，采用了DSC分析了四种树脂基体的固化特征，通过力学性能和动态热机械分析了所得的四种碳纤维抽油杆的力学性能和耐热性能，并初步进行了碳纤维抽油杆的动态服役和实验室模拟的介质腐蚀静态试验。结果表明：制备的四种具有不同耐温等级的碳纤维连续抽油杆，可满足国内深井和超深井石油开采的抽油杆的耐温要求，具有良好的耐温和力学性能。李仲伟根据文献提出简易公式法的基本原理，建立了直井中碳纤维抽油杆的简易公式法数学模型，编制出碳纤维钢混合抽油杆设计软件，该软件计算精度能够满足工程需要。

三、碳纤维连续抽油杆特性

碳纤维抽油杆与常规抽油杆相比，具备许多优良特性，它具有传统抽油杆所不具有的特性，大大提高了采油量，增加了经济效益，这就使得碳纤维抽油杆作业车起下夹持装置有了一定的必要性。为了克服普通钢抽油杆质量大、耗能高、失效频繁、活塞效应大、起下作业速度慢、易偏磨的缺点，20 世纪 80年代初美国利用独特的航空航天材料和工程技术，开始研制碳纤维抽油杆。经过10多年的努力，于90年代初研制成功碳纤维抽油杆、专用的油井作业设备和碳纤维抽油杆 — 钢抽油杆混合抽油杆柱设计软件，并进行了矿场试验，试验效果较好。

碳纤维抽油杆作业车起下夹持装置是由液压电动机齿轮链轮链和液压缸等组成的一个有针对性的装置，碳纤维连续抽油杆作业车采用计算机控制，作业过程全程自动监控，设计集机、电、液一体化，可用于起下泵、修井、采油的各个作业阶段。本设计针对碳纤维杆的特点将缠绕式起下改进为夹紧摩擦式起下，解决了缠绕盘驱动扭矩过大的问题，同时大大改善了碳纤维杆在起下过程中的受力状态，其主要特点是：起下载荷能力大，起下作业时杆柱受力状况改善，杆柱缠绕盘负载扭矩大幅降低，作业过程自动化程度高、速度快，设备对井场环境的适应性强，易损件少，便于维修，兼顾杆的运输和作业两项功能，减少设备投资，持续作业时间长，大大提高了该装置的工作效率和经济性。

碳纤维抽油杆的结构碳纤维复合材料或称碳纤维增强塑料连续抽油杆（简称：CFRPC抽油杆），呈带状，可缠绕到滚筒上，它的横截面为矩形。增强材料：心部为碳纤维；上下表面覆盖玻璃纤维布，以提高碳纤维抽油杆的横向强度；左右两侧面和棱角覆盖芳纶纤维布或玻璃纤维布，以提高抽油杆的耐磨性能。基体为乙烯树脂，采用拉挤工艺生产。

四、结语

碳纤维抽油杆在胜利油田、大港油田、中原油田等的使用总数已接近50口油井。使用中暴露出很多问题，需要以后更深入的研究和开发。而我国与碳纤维抽油杆采油配套技术的研究与碳纤维抽油杆的研究同步，但是大部分配套技术的研究起步较晚，尤其是配套的理论研究才刚刚起步。