徐國民（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)計的滾筒之上[1]。美國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、周期短的問題。近年來，國內(nèi)各大油田均開始研制并應(yīng)用碳纖維連續(xù)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(xiàn)抽油機井高效、低成本運行。

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)過樹脂槽浸膠、出樹脂槽脫膠預(yù)成型后進(jìn)入模具，進(jìn)而加熱固化成型，再經(jīng)牽引機收卷于收卷盤。同時結(jié)合碳纖維細(xì)長、浸膠方便、容易交聯(lián)的優(yōu)點，實現(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（工藝流程見圖1），可以連續(xù)生產(chǎn)任意長度的碳纖維連續(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(biāo)，主要取決于原材料的力學(xué)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(xù)桿的關(guān)鍵性能。

2.1 碳纖維原料

目前市場主要應(yīng)用的碳纖維材料有兩種公司生產(chǎn)的T700S 和HTA-W12K，對上述兩種原材料抗拉強度、彈性模量等性能（表1）進(jìn)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(yīng)用不飽和聚酯樹酯、環(huán)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(biāo)，碳纖維連續(xù)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(huán)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(fù)合性好等優(yōu)勢，有助于提高碳纖維連續(xù)抽油桿的抗拉強度。

2.3 其它原料

2.3.1 脫模劑

環(huán)氧樹脂拉擠生產(chǎn)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(dá)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(fù)合材料的表面質(zhì)量，并對復(fù)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(chǎn)過程中加入納米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

3.1 耐疲勞性、耐磨性、抗拉性能好

室內(nèi)模擬井況實驗：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(xù)抽油桿外壁稍有磨損痕跡；拉力實驗時拉力達(dá)20 t，碳纖維連續(xù)抽油桿未斷，滿足現(xiàn)場試驗要求。從各項技術(shù)參數(shù)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(xù)抽油桿和鋼制抽油桿的技術(shù)參數(shù)對比

3.2 耐腐蝕性強

高礦化度的地層水含有腐蝕介質(zhì)，對鋼材會產(chǎn)生強大的腐蝕作用，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(xù)的，鋼制抽油桿平均9 m 一個連接接頭，而碳纖維連續(xù)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(yīng)，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(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，同時可以實現(xiàn)同等條件下降低抽油機機型，減少設(shè)備投資。

4 實踐應(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)在大慶油田試驗應(yīng)用168 口井，平均產(chǎn)液增加 4.4 t/d； 最 大 懸 點 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，試驗井初期效果對比情況見表3，碳纖維連續(xù)桿平均免修期1 818 天，最長運行2 114 天。

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

表3 試驗井初期效果對比情況

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）通過大量實驗，優(yōu)選出適合油井生產(chǎn)使用的碳纖維、樹脂等原材料，實現(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，柔性好，質(zhì)量輕等優(yōu)勢。

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