碳纖維連續抽油桿生產工藝技術

徐國民（大慶油田有限責任公司第六采油廠）

碳纖維連續抽油桿是碳纖維、樹脂等原材料按照合適配比，經拉擠工藝生產制造而成的線型復合材料制品，呈條帶狀，橫截面為矩形、橢圓型或圓型，可纏繞于專門設計的滾筒之上[1]。美國最早研制成功碳纖維連續抽油桿，并應用于人工舉升技術，有效解決鋼制抽油桿偏磨斷脫比例高、周期短的問題。近年來，國內各大油田均開始研制并應用碳纖維連續抽油桿，取得了降低抽油機井懸點載荷、提高桿柱耐磨、抗拉強度以抗腐蝕性能，降低能耗，延長檢泵周期，實現抽油機井高效、低成本運行。

1 拉擠工藝技術

拉擠工藝是指在拉力作用下擠注成形的一種生產工藝技術，利用其原理，將碳纖維等原材料均勻分布并穿越穿紗板，然后經過樹脂槽浸膠、出樹脂槽脫膠預成型后進入模具，進而加熱固化成型，再經牽引機收卷于收卷盤。同時結合碳纖維細長、浸膠方便、容易交聯的優點，實現了將碳纖維等原材料連續生產成為線型復合材料制品（工藝流程見圖1），可以連續生產任意長度的碳纖維連續抽油桿[2-3]。

工藝流程中的模具為生產碳纖維連續抽油桿的關鍵工藝流程[4]，碳纖維等原材料進入模具，經改模具固化后方可能出模成為線型復合材料制品。流程中模具分為預熱區、凝膠區和固化區三個區域，拉擠工藝模具三段溫區[5]如圖2 所示。

圖1 連續纖維拉擠工藝流程示意圖

圖2 拉擠工藝模具溫區

2 原材料的選擇

碳纖維連續抽油桿是由碳纖維、樹脂纖維等原材料經拉擠工藝成型為復合材料制品性，其抗拉強度、拉伸彈性模量、彎曲強度、彎曲強度模量、層間剪切強度、疲勞壽命、最高工作溫度、破斷拉力和巴柯爾硬度等性能指標，主要取決于原材料的力學性能及各自配比。由此可見，碳纖維、樹脂纖維的選擇直接影響著碳纖維連續桿的關鍵性能。

2.1 碳纖維原料

目前市場主要應用的碳纖維材料有兩種公司生產的T700S 和HTA-W12K，對上述兩種原材料抗拉強度、彈性模量等性能（表1）進行對比，所以選用T700S。

表1 碳纖維性能對比

2.2 樹脂原料

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

2.3 其它原料

2.3.1 脫模劑

環氧樹脂拉擠生產過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，添加量僅為樹脂的1%～2%就能達到很好的脫模作用，并且制品無殘留，不會影響二次加工。

2.3.2 納米SiO2

納米SiO2可以改善復合材料的表面質量，并對復合材料起到增強增韌、提高耐熱性的作用，因此在碳纖維連抽油桿生產過程中加入納米SiO2，以提高其力學性能和熱穩定性能[6]。選用比表面積為160 m2/g 納米 SiO2。

3 技術特點

3.1 耐疲勞性、耐磨性、抗拉性能好

室內模擬井況實驗：將碳纖維連續抽油桿下入油管內，設置沖程為2.5 m，頻率為75 次/min，經107次疲勞實驗后，剩余強度仍有90%，同樣條件下，鋼制桿的剩余強度僅為30%～40%；磨損實驗1 100 萬次，碳纖維連續抽油桿外壁稍有磨損痕跡；拉力實驗時拉力達20 t，碳纖維連續抽油桿未斷，滿足現場試驗要求。從各項技術參數對比看（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 碳纖維連續抽油桿和鋼制抽油桿的技術參數對比

3.2 耐腐蝕性強

高礦化度的地層水含有腐蝕介質，對鋼材會產生強大的腐蝕作用，降低使用壽命。碳纖維連續抽油桿是以高分子復合材料為主體，在90 ℃的酸堿溶液和原油中浸泡3 個月，無任何變化，具有較強的耐腐蝕性能。

3.3 柔性好

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

3.4 重量輕

以規格φ25 mm 為例，碳纖維連續抽油桿每米質量0.5 kg，而鋼制抽油桿每米質量高達4.0 kg，鋼絲繩連續抽油桿每米質量1.5 kg。碳纖維連續抽油桿單位長度重量約為鋼制抽油桿的1/8，鋼絲繩連續抽油桿的1/3，質量輕具有節能降耗的效果，同時可以實現同等條件下降低抽油機機型，減少設備投資。

4 實踐應用

采用拉擠工藝技術生產的碳纖維連續抽油桿目前已經在大慶油田試驗應用168 口井，平均產液增加 4.4 t/d； 最 大 懸 點 載 荷 下 降 9.52 kN，下 降21.06%；系統效率提高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的7 口井為例，平均產液增加6 t/d、泵效增加7.4%、交變載荷下降11.98 kN，試驗井初期效果對比情況見表3，碳纖維連續桿平均免修期1 818 天，最長運行2 114 天。

現場試驗表明，該技術具有很好的降載和節能效果，較好地適應抽油機井舉升工藝技術，有力推動該工藝技術高效、節能發展[9-10]。

表3 試驗井初期效果對比情況

5 結論

1）成熟的拉擠工藝技術是碳纖維連續抽油桿成功生產并應用到現場的基礎保障，拉擠工藝合理調控是生產出高性能碳纖維連續抽油桿的重要基礎。

2）通過大量實驗，優選出適合油井生產使用的碳纖維、樹脂等原材料，實現了碳纖維連續抽油桿具備耐疲勞性、耐磨性、抗拉性能好，耐腐蝕性強，柔性好，質量輕等優勢。

3）碳纖維連續抽油桿有效緩解了鋼制桿的桿管偏磨、斷脫問題，同時具有節能降耗的優勢，適用于抽油機井舉升工藝技術。