碳纖維復合材料連續抽油桿研究進展與展望*

劉少胡，黃 瑞，吳遠燈

（1.長江大學 機械工程學院，湖北 荊州 434023；2.長江大學 油氣鉆采工程湖北省重點實驗室，武漢 430100）

1 概 述

碳纖維取材于石油[1]，是含碳量在90%以上的高強度高模量纖維，屬于力學性能較為優異的新型材料，具有紡織纖維的柔軟可加工性，以其為主要材料的連續抽油桿在石油開采中應用效果良好，具有密度低、強度高以及耐腐蝕、耐疲勞等優勢特征[2-3]。碳纖維復合材料連續抽油桿（以下簡稱碳纖維連續抽油桿）的出現并非是偶然，其出現的最根本原因是油田現場的應用需求。常規鋼質抽油桿存在密度大、強度低、抗腐蝕性能較差等問題，導致失效頻繁，失效分布情況如圖1[4]所示，不能滿足深井、超深井、腐蝕井等特殊油井原油開采的需要，一直是有桿泵抽油系統中的薄弱環節[5]。

圖1 抽油桿失效情況統計圖

為克服常規鋼質抽油桿的缺點，西方一些發達國家走在前列，研制出了柔性連續抽油桿，如圖2 所示，碳纖維連續抽油桿也因此應運而生。碳纖維連續抽油桿最早起源于美國[6-11]，20 世紀80 年代初美國開始研制碳纖維抽油桿，美國Henlan 公司于20 世紀90 年代初利用航天技術中的高級石墨合成材料成功研制成一種非金屬帶狀抽油桿，為驗證石墨帶抽油桿的可行性，該公司1981年和1983年分別在1 219.2 m和1 524 m深的油井中對該種抽油桿進行了現場試驗，試用效果良好，就此開啟了碳纖維連續抽油桿研制及應用的大門[12]。

圖2 柔性連續抽油桿應用示意圖

我國擁有大慶油田、勝利油田、華北油田等近20 個大型油田，油井總數超過35 萬口，以平均每口油井需要抽油桿約1 500 m 計算，我國抽油桿年需求量約為525 000 km，市場空間巨大。同時，為努力實現“碳中和”和“碳達峰”的“雙碳”目標，進一步減少抽油過程所需能耗，從抽油桿入手，將傳統的鋼質材料替換為碳纖維復合材料可以節約能量50%以上，同時能夠有效減少二氧化碳氣體排放。因此，開展以碳纖維為主要增強材料的連續抽油桿研究具有重要意義。

2 現有研究基礎

2.1 國外研究情況

國外從20 世紀80 年代初已經開始研究碳纖維連續抽油桿，并取得了一定的成果。以“carbon fiber composite continuous sucker rod”、“carbon fiber continuous sucker rod”和“composite continuous sucker rod”為關鍵詞，在Google 學術數據庫中檢索到外文論文及專利文獻共12 519篇（截止到2021 年12 月）。歷年文獻發表情況如圖3 所示，從1980 年到1990 年這10 年間國外平均每年發表文獻100 篇，處于起步研發階段；1990 年之后文獻發表數量呈指數型快速增長的態勢；2020 年文獻發表數量達到頂峰，達到817 篇。這足以說明國外對碳纖維連續抽油桿研究越來越重視。

圖3 1980年—2021年間國外碳纖維連續抽油桿研究文獻發表情況

隨著研究的深入，目前國外碳纖維連續抽油桿研究的重點和難點主要包括三個方面：一是擴大碳纖維連續抽油桿的溫度、強度等的可適用范圍[13-14]，通過新材料、新工藝等進一步提高其性能，降低作業過程中的風險性；二是碳纖維連續抽油桿的無損檢測方面[15-16]，因其結構和材料的復雜性，具有不均質和各向異性的特點，傳統無損檢測技術難以處理，如換能器無法具有相當高的耦合度，超聲波方法很難實施，渦流法不適用于外層非導電玻璃纖維層，X 射線技術操作簡單，但存在健康安全和成本問題等；三是碳纖維連續抽油桿復合材料的修復問題[17-18]，在現場作業過程中碳纖維連續抽油桿會存在刮痕、凹坑等缺陷，CO2、H2S 等井下復雜環境會加速其腐蝕，降低碳纖維連續抽油桿強度，縮短使用壽命。解決了這些難點問題，必然會進一步加速碳纖維連續抽油桿的推廣和應用。

2.2 國內研究情況

據中國知網統計，1990 年—2021 年碳纖維材料在材料科學、有機化工等領域應用非常廣泛，占比50%以上，統計結果如圖4所示。盡管碳纖維材料在石油天然氣工業中的相關研究只占所有學科領域的0.82%，與材料科學、有機化工以及建筑科學與工程等學科領域相去甚遠，但碳纖維材料由于其優異的性能，在石油天然氣工業中具有廣闊的應用前景。

圖4 碳纖維研究學科領域分布

我國20 世紀90 年代開始引進、研制碳纖維連續抽油桿。在對碳纖維連續抽油桿二十多年的研究過程中，我國許多學者發表了相關文章、申請了專利，為我國連續抽油桿事業的發展奠定了基礎。以“碳纖維復合材料連續抽油桿”、“碳纖維連續抽油桿”和“復合材料連續抽油桿”為關鍵詞，在Google學術數據庫中檢索到中文論文及專利文獻1 725 篇（截止到2021 年12 月），歷年文獻發表情況如圖5 所示。從圖中可以看出，1980 年至1990 年，我國基本沒有碳纖維連續抽油桿相關文獻的發表，1990 年之后才有一些學者開展相關研究，證實了我國20 世紀90 年代才開始引進、研制碳纖維連續抽油桿。觀察分析年度數據線可知，自1990 年至2014 年，我國碳纖維連續抽油桿相關文獻發表數量雖然存在波動，但總體呈增長趨勢。2014 年中文文獻發表數量達到210篇，2014年之后，我國發表的碳纖維連續抽油桿相關領域文獻逐漸減少。對比國內和國外文獻發表情況，國外文獻發表數量多，增長迅猛，國內2014 年最多文獻數量僅達到國外平均水平，只占國外最多文獻數量的1/4。

圖5 1980年—2021年間國內碳纖維連續抽油桿研究文獻發表情況

依據中國知網數據，1990 年—2021 年國內碳纖維連續抽油桿研究文獻來源分布如圖6 所示，我國碳纖維連續抽油桿相關領域論文文獻的發表主要集中于《石油機械》、《石油石化節能》與《高科技纖維與應用》等期刊，其中《石油機械》占比為26.09%，占比最高。

圖6 國內碳纖維連續抽油桿研究文獻來源分布

2.3 國內主要研究機構

國內對碳纖維連續抽油桿相關領域的研究主要集中于石油企業與石油院校，據中國知網統計，1990 年—2021 年發表碳纖維連續抽油桿相關領域文獻數量占比排名前十的國內研究機構如圖7 所示，其中勝利石油管理局工程機械總廠、西安石油大學以及中國石油大學（華東）所開展的研究工作最多，勝利石油管理局工程機械總廠發表文獻占比22.91%。

圖7 國內碳纖維連續抽油桿主要研究機構

3 主要研究進展

碳纖維連續抽油桿的研究是一個系統工程，涉及到諸多方面。現從碳纖維連續抽油桿標準制定與發展、材料及成型工藝發展、與常規抽油桿差異性研究、現有成果總結等進行論述。

3.1 標準制定與發展

自20 世紀90 年代以來，我國逐步開展了碳纖維連續抽油桿研制，但是研制的規格和性能等存在差異，不利于大范圍推廣應用，需要規范化。因此，我國于2003 年首次發布了關于碳纖維連續抽油桿的石油天然氣行業標準[19]，即由勝利石油管理局工程機械總廠及北京化工大學起草的 SY/T 6585—2003《碳纖維復合材料連續抽油桿》。隨著科研工作者的不懈努力和科技水平不斷進步，碳纖維連續抽油桿的研制逐漸趨于成熟，2013 年發布新標準SY/T 6585—2013 《連續抽油桿》[20]替代2003 年發布的舊標準，標準中增加了兩條關于纖維復合材料連續抽油桿的術語和定義，截面形狀和規格尺寸依舊沿用2003 年舊標準，改變了規格表示方法。該標準由勝利油田高原石油裝備有限責任公司、勝利油田孚瑞特石油裝備有限責任公司等聯合起草。

除了石油天然氣行業標準之外，一些石油企業也根據自身和用戶需求公布了自己的企業標準，如勝利油田新大管業科技發展有限責任公司2016年發布的 Q/SXD 025—2016《碳纖維復合材料連續抽油桿》以及大慶市華禹石油機械制造有限公司2017 年發布的Q/DHY 001—2017《碳纖維連續抽油桿》等，為后續版本行業標準的發布提供了幫助。2019 年發布新的行業標準SY/T 6585—2019《連續抽油桿》[21]，起草單位包括勝利油田高原石油裝備有限責任公司、國家電動潛油泵質量監督檢驗中心等。新標準中，增加了圓形復合纖維材料連續抽油桿的分類、型號、規格及結構尺寸等相關內容。

現行行業標準中碳纖維連續抽油桿有兩種截面形狀，圓形和扁長形，如圖8所示。圓形截面和扁長形截面各有優勢，實際應用時結合現場工況優選。碳纖維連續抽油桿規格尺寸見表1，扁長形截面3種規格，圓形截面5種規格[21]。

表1 碳纖維連續抽油桿規格尺寸

圖8 碳纖維連續抽油桿截面形狀

碳纖維連續抽油桿桿體的性能指標[21]見表2，在設計生產時需要滿足規格尺寸要求，同時也要達到桿體的性能指標，扁長形截面和圓形截面碳纖維連續抽油桿桿體性能指標略有不同。

表2 碳纖維連續抽油桿桿體性能指標

碳纖維復合材料具有良好的耐高溫性能[22-23]，碳纖維連續抽油桿桿體最高工作溫度情況[21]見表3。目前的碳纖維連續抽油桿最高工作溫度已經能夠達到210 ℃，而正常地溫梯度為3～5 ℃/100 m，計算可知碳纖維連續抽油桿最大工作深度可達4 200～7 000 m。由表3 可知最低玻璃化溫度≥ 140 ℃，即至少在4 600 m左右地層深度使用，碳纖維連續抽油桿桿體不會出現玻璃化。

表3 碳纖維連續抽油桿桿體最高工作溫度

目前碳纖維連續抽油桿相關標準還停留在企業標準和行業標準的層次上，后期需要繼續完善，制定國家標準，甚至牽頭制定國際標準。

3.2 材料及成型工藝發展

碳纖維連續抽油桿的制備一般包括以碳纖維為主的增強材料、樹脂基體、固化劑、促進劑、脫模劑等材料。其中樹脂基體可將以碳纖維為主的增強材料結成一個整體，起到傳遞和均衡載荷的作用。因其重要作用，我國一些學者以樹脂基體為方向，開展了碳纖維連續抽油桿的研制開發以及改良研究。

2000年—2003年，先后有一批學者[24-30]，分別以環氧樹脂[31-32]和乙烯基脂樹脂[33]為基體材料對碳纖維連續抽油桿開展了改良研究。經過試驗及現場應用，發現以環氧樹脂為基體的碳纖維連續抽油桿，其強度完全勝任油田作業，但耐溫性能稍差，耐腐蝕性能一般，適合井深不超過1 500 m的機械采油；乙烯基脂樹脂碳纖維抽油桿纖維間結合力稍差，該類抽油桿耐溫性能適中，適合井深不超過2 500 m的機械采油。2004年，張強等[34]對酚醛樹脂基碳纖維連續抽油桿的特性開展了研究，得出了酚醛樹脂碳纖維抽油桿耐溫性能優異，耐腐蝕性能好，適合井深2 500 m 以上的機械采油，但以純酚醛樹脂為基體的復合材料存在韌性差、抗沖擊強度低等問題；同時提出可以考慮對酚醛樹脂進行改性處理，提高其韌性及抗沖擊能力。2006年朱波等[35]對酚醛改性碳纖維復合材料抽油桿特性展開了研究，利用羥基硅油改性后抽油桿性能變化平緩，高溫性能穩定，當羥基硅油含量為1%左右時有較好的綜合改性效果，碳纖維連續抽油桿的韌性和抗沖擊能力得到了增強，碳纖維連續抽油桿的研制趨于成熟。

拉擠成型工藝可生產任意長度的各種桿棒、平板、空心管及型材，具有高效率、高原材料利用率以及所需輔料少等多項優勢[36]。該工藝于1951 年首次在美國注冊專利，前期發展緩慢，我國也起步較晚，但隨著拉擠專用樹脂的引進，20 世紀90 年代之后我國拉擠成型工藝進入快速發展時期，應用也隨之增多。

目前，碳纖維連續抽油桿在生產過程中廣泛采用拉擠成型工藝，其簡要工藝流程如圖9 所示。將以碳纖維為主的增強材料從排紗架上引出集束，集束過程中需保證碳纖維束平直且受力均衡，避免因碳纖維束間張力變化致使連續抽油桿扭曲變形。之后通過導向裝置將碳纖維束導入樹脂浸潤槽，槽中混合有一定比例的樹脂、固化劑以及促進劑等，浸潤過程應控制好混膠的粘度，浸潤時間，浸潤溫度，確保碳纖維束完全潤濕，干纖維的存在會導致制成后的碳纖維連續抽油桿存在缺陷。被浸潤的纖維束進行加熱固化之前應采取預熱工藝，即對浸潤后的碳纖維束預加熱，減小碳纖維束和固化模具之間的溫差，避免直接固化導致碳纖維束表面與內部溫度不均產生缺陷。同時固化模具加熱溫度將直接影響到碳纖維連續抽油桿成品的品質，應保證適宜溫度且受熱均勻。固化時熱量傳遞至碳纖維束后與樹脂復合體系發生交聯反應，樹脂逐步由復合材料的周邊向中心固化成型。交聯反應會使復合材料收縮，可在牽引裝置作用下直接脫模，脫出后的碳纖維連續抽油桿盤繞到滾筒上儲存[37]。

圖9 碳纖維連續抽油桿拉擠成型工藝流程圖

3.3 與常規抽油桿差異性研究

碳纖維連續抽油桿相較于常規抽油桿，在材料性能、振動以及現場應用等都存在較大的差異。

（1）材料性能差異。相較于常規鋼質抽油桿，碳纖維連續抽油桿優勢明顯[38-39]：①高模量、高強度。在相同橫截面積的情況下，碳纖維連續抽油桿比常規鋼質抽油桿具有更大的承載能力。②耐腐蝕。由于特殊成因，原油中含有大量的酸、堿、鹽以及其他物質，它們的存在會對鋼材產生強大的腐蝕作用，縮短常規鋼質抽油桿的使用壽命，而以高分子碳纖維復合材料制成的碳纖維連續抽油桿對上述物質有很強的耐腐蝕作用。③密度小，質量輕。常規鋼質抽油桿每千米質量可達4 000 kg，而碳纖維連續抽油桿的質量僅為常規鋼質抽油桿的1/20，每千米質量僅有200 kg，可以大幅度降低光桿載荷，節能節電效果明顯。④柔韌性好。碳纖維連續抽油桿是柔性連續抽油桿，無中間接頭限制且彎曲半徑較小，可盤繞于滾筒運輸，節省空間。⑤耐疲勞。Delmonte 等對碳纖維復合材料進行了107次疲勞性能試驗，結果顯示其仍有90%的疲勞剩余強度，遠高于常規鋼質抽油桿。

（2）振動的差異。抽油桿在作業過程中不可避免的產生振動[40-41]。但是碳纖維連續抽油桿從本身材質上與常規抽油桿存在較大的不同，相關理論研究公式、結果也不可直接套用，一些學者專門針對碳纖維連續抽油桿在井下工作時會產生橫向及縱向振動[42-43]等問題開展了相關研究。彭惠芬等[44]認為碳纖維連續抽油桿屬于細長桿，服役期間會與油管碰撞產生附加動反力等，將嚴重影響碳纖維連續抽油桿的使用壽命，因此利用機械振動理論，推導了復合材料抽油桿橫向振動動力學方程[45]，對碳纖維連續抽油桿進行橫向振動分析。依據此模型可以確定不同規格碳纖維連續抽油桿的各階橫向振動固有頻率以及振幅，為碳纖維抽油桿結構的合理性設計提供理論依據。

考慮碳纖維材料易受壓失穩，油田現場實際應用過程中，常在碳纖維連續抽油桿下端連接一段加重鋼桿形成兩級桿柱模型（碳纖維連續抽油桿現場應用如圖10所示）。鑒于桿柱模型不同，且碳纖維連續抽油桿材料異于常規，導致傳統鋼質抽油桿的振動計算方法不適用于碳纖維連續抽油桿作業過程中產生的縱向振動，張健等[46]通過重新構建碳纖維抽油桿的結構模型，推導計算得到了適用于碳纖維連續抽油桿的振動方程，并提出了縱向振動[47]共振條件。以此為理論基礎，可以避免碳纖維連續抽油桿在作業過程中產生共振。

圖10 碳纖維連續抽油桿現場應用示意圖

（3）現場應用的差異。碳纖維連續抽油桿標準制定、材料及成型工藝發展以及相關理論的研究，最終的目的都是服務現場應用[48]。作為最早研制成功碳纖維連續抽油桿的國家，美國最為有名的碳纖維連續抽油桿應用范例是1991 年—1995 年間在33 口油井中使用了碳纖維抽油桿，平均泵掛深度近1 500 m，平均日產液量91.7 t，共作業45 井次，在一些井中得到了較好的應用效果[49-51]。我國于20 世紀90 年代開始逐步引進、研制碳纖維連續抽油桿，其中勝利油田孚瑞特石油裝備有限公司及龍口博德復合材料有限公司等3家企業在2000年前后成功研制出碳纖維連續抽油桿[52]，先后在勝利、中原、大港等油田進行了16 口井的試驗[53-55]，試驗表現出良好的應用前景。2001年6月勝利油田的勝利采油廠、東幸采油廠等5 家采油廠開始采用碳纖維連續抽油桿，進行了共計50口油井的現場應用[49]。應用結果表明，與常規鋼質抽油桿相比，碳纖維連續抽油桿具有耐疲勞、節能、耐腐蝕、作業速度快、可增加產液量等多項明顯優勢。在提高抽油效率，減少抽油桿偏磨、降低結蠟等方面也具有明顯的效果。基于其良好的應用效果，2015 年，勝利油田先后在多家采油廠進行了102 口井的現場試驗[56]。在相同沖速下，相比于常規鋼質抽油桿，碳纖維連續抽油桿平均電流降低3.1 A，單井平均日產液量增加1.9 t，日產油量增加0.3 t，每噸油液提升千米平均耗電減少20.6 kW·h，平均系統效率也提高了7.19%，增產節能效果明顯，應用對比見表4[56]。

表4 勝利油田102口井應用對比

盡管碳纖維連續抽油桿目前成本是常規鋼質抽油桿的4～6 倍，達到180～200 元/m，但其整體應用費用較常規鋼質抽油桿更低，隨著碳纖維產業的發展，成本也還有進一步壓縮的空間。以7-P261井的試驗為例，截止2019年，碳纖維連續抽油桿整體比常規鋼質抽油桿節省費用7.80萬元，主要體現在檢泵維護和能耗兩方面，費用對比見表5[57]。

表5 7-P261井不同抽油桿費用對比

碳纖維連續抽油桿在現場展現出了良好的應用前景，同時也暴露出一些問題。在美國33 口油井中，碳纖維連續抽油桿在使用時會發生失效，主要表現為鋼質接頭疲勞斷裂和抽油桿端部連接部位失效，其次是受壓應力引起失效；除此之外，在我國一些油田的應用過程中，還出現了沖程損失大、桿體不耐磨、卡泵后難以處理以及投資成本高等問題。高軍、賈紅梅等[58-59]根據碳纖維連續抽油桿在油田現場的應用情況，全面分析了其失效現象及失效因素，并提出了一些防止其失效的對策。

3.4 國內現有成果

2000 年前后，我國開始自主研制碳纖維連續抽油桿并對相關領域開展了研究，經過眾多學者及科研人員的不懈努力，取得了一系列的成果。根據2000 年—2021 年中國知網數據，山東大學出產成果最多，山東省陽信豐源科技有限公司的一項成果“高強高韌碳纖維連續抽油桿制造技術研究與應用”達到國內領先水平，勝利油田新大管業科技發展有限責任公司的兩項成果“碳纖維增強復合材料防偏磨連續抽油桿關鍵技術研究”以及“多層結構碳纖維/玻璃纖維復合材料連續抽油桿制備與應用系統”已經達到國際先進水平，各項成果及第一完成單位見表6。

表6 國內碳纖維連續抽油桿相關領域科技成果

除了科技成果之外，在2019年9月舉辦的第二十一屆中國國際工業博覽會上，由上海石化、勝利油田、勝利油田新大管業三家共同申報的“以碳纖維及其連續抽油桿研制為核心的新型高效機采系統”，獲工業博覽會首次設立的中國國際工業博覽會大獎，成為以開發、應用碳纖維新材料提升傳統采油產業的成功案例。

4 研究難點及展望

碳纖維連續抽油桿在國外經歷了四十多年的發展，在我國也經歷了二十多年的發展，在此期間取得了一些成果，也遇到了一些難題，相關技術仍需攻克。

（1）成本高是碳纖維連續抽油桿大范圍推廣應用的巨大障礙。目前我國在碳纖維復合材料生產研究領域仍面臨被國外“卡脖子”的問題，同時碳纖維復合材料技術也是一個復雜的系統工程，如何通過提高碳纖維復合材料的性能、優化生產工藝、做好回收再利用等來降低成本值得深入研究。

（2）碳纖維復合材料理論研究還需要進一步加強。碳纖維連續抽油桿材料是典型的各向異性材料，相對于拉伸強度，其抗壓性能過低，壓拉比基本上小于0.5，而金屬材料的壓拉比基本上都接近1，如何改善拉壓性能不平衡問題是當前碳纖維連續抽油桿及其相關領域研究的一個重點和難點。同時如何最大程度發揮其優越性能并規避其不足，進一步完善適用于碳纖維連續抽油桿的相關力學理論亦必須且急需攻克。

（3）拓展碳纖維復合材料在油氣開采領域的應用范圍。目前在石油天然氣行業，碳纖維復合材料在碳纖維連續抽油桿上的應用依然占據大頭，且也多在陸地上，而海洋中有著更加豐富的油氣資源等待探明和開發，如何適應海上的復雜多變環境，充分利用碳纖維復合材料的優勢去拓展應用范圍也是未來的研究方向。

（4）碳纖維連續抽油桿技術與新技術結合。“人工智能”、“大數據”是目前的研究熱點，涉及到各個行業和各個方面，如何將碳纖維連續抽油桿的生產和應用與“人工智能”、“大數據”有機結合是難點，也是未來碳纖維連續抽油桿技術發展的一條必由之路。

5 結束語

（1）對比國內外文獻發表情況，國外文獻發表數量多。依據中國知網數據，我國碳纖維連續抽油桿相關領域論文文獻的發表主要集中于《石油機械》、《石油石化節能》等期刊；國內對碳纖維連續抽油桿相關領域的研究主要集中于石油企業與石油院校，其中勝利石油管理局工程機械總廠、西安石油大學等所開展的研究工作最多。

（2）碳纖維連續抽油桿及其相關領域的研究是一個系統工程，涉及碳纖維連續抽油桿標準制定與發展、材料及成型工藝發展、碳纖維與常規抽油桿差異性研究等。我國經過二十多年的發展，碳纖維連續抽油桿技術已經趨于成熟，產品規格也逐漸規范化，發布了相應的企業標準和行業標準，取得了一些顯著的先進成果。

（3）碳纖維連續抽油桿在國外經歷了四十多年的發展，在我國也經歷了二十多年的發展，碳纖維連續抽油桿及其相關領域的研究目前仍然處在“朝陽”期，在材料、理論基礎、應用范圍和與新技術相結合等方面還存在諸多難點，具有廣闊的發展前景。