一、引言
隨著國內(nèi)油田事業(yè)的發(fā)展，使碳纖維連續(xù)抽油桿的需求和應用日益廣泛，國內(nèi)已有四家投入生產(chǎn)碳纖維桿，但是沒有與之配套使用的作業(yè)設備。碳纖維連續(xù)抽油桿作業(yè)車是設計用于碳纖維抽油桿的配套專業(yè)設備，而作業(yè)過程中碳纖維連續(xù)抽油桿的起下夾持問題是必須要解決的問題之一，因為它關系到纏繞盤的扭矩和碳纖維桿在起下過程中的受力狀態(tài)。碳纖維抽油桿在起下裝置中所承受的載荷很大，導致抽油桿在被提升的過程中受到拉力很大，使得桿柱纏繞盤負載驅動扭矩過大，嚴重降低了作業(yè)車作業(yè)過程中的自動化程度，減緩了作業(yè)速度，降低了作業(yè)設備對井場環(huán)境的適應性，增加了易損件，而且不便于維修，加大了對作業(yè)車及其他設備的投資，減少持續(xù)作業(yè)時間。要解決上述問題，必須先解決纏繞盤驅動扭矩過大的問題，而直接導致扭矩過大是碳纖維抽油桿起下夾持裝置的設計模式。
二、國內(nèi)外碳纖維連續(xù)抽油桿現(xiàn)狀
碳纖維連續(xù)抽油桿起源于20世紀90年代，由美國首先研制成功，并進行了礦場試驗，取得較好效果。1991年5月～1995年11月美國在33口抽油井中使用了碳纖維連續(xù)抽油桿，平均泵掛深度為1444m，平均泵徑為50.5mm，7口井的平均沖數(shù)為10.5n/min，平均沖程為3.94m，碳纖維連續(xù)抽油桿的長度占整個抽油桿柱長度的平均比例為56.8%，井底平均溫度為42.7攝氏度，井液平均含氺88.8%，平均日產(chǎn)液91.7t。其中一口井正常運行了四年，另一口井含有硫化氫正常運行了三年，還有幾口井正常運行了三年多。這33口井在四年半的礦場中作業(yè)共45次，最主要的失敗形式是鋼接頭疲勞斷裂和碳纖維連續(xù)抽油桿端部連接失效，其次是由于碳纖維柔性連續(xù)抽油桿受壓應力引起的失效。試驗表明了，碳纖維連續(xù)抽油桿具有足夠的抗疲勞強度，可以達到延長檢泵周期和節(jié)電的目的。
我國在20世紀90年代開始研制，引進碳纖維連續(xù)抽油桿。2000年陳厚等介紹了以環(huán)氧樹脂作為樹脂基體，以碳纖維作為增強材料，采用拉擠成型工藝生產(chǎn)樹脂基碳纖維桿，并分析和討論了該連續(xù)生產(chǎn)過程中容易出現(xiàn)的問題。他們提出的工藝科連續(xù)成型，自動化程度高，且成型制品力學性能優(yōu)異，是生產(chǎn)連續(xù)抽油桿一種較好的工藝方法。2000年開始，顧學林和楊小平等開始碳纖維桿的制造和作業(yè)工藝及裝備的研究，以制備出耐溫等級為90攝氏度，120攝氏度和150攝氏度的碳纖維桿，其中等級為90的已經(jīng)正常生產(chǎn)并投入現(xiàn)場使用。薛承謹針對國內(nèi)石油開采的抽油桿長期耐溫使用的需要，研究了四種不同樹脂基體的碳纖維拉伸復合材料的抽油桿樣品，采用了DSC分析了四種樹脂基體的固化特征，通過力學性能和動態(tài)熱機械分析了所得的四種碳纖維抽油桿的力學性能和耐熱性能，并初步進行了碳纖維抽油桿的動態(tài)服役和實驗室模擬的介質(zhì)腐蝕靜態(tài)試驗。結果表明：制備的四種具有不同耐溫等級的碳纖維連續(xù)抽油桿，可滿足國內(nèi)深井和超深井石油開采的抽油桿的耐溫要求，具有良好的耐溫和力學性能。李仲偉根據(jù)文獻提出簡易公式法的基本原理，建立了直井中碳纖維抽油桿的簡易公式法數(shù)學模型，編制出碳纖維鋼混合抽油桿設計軟件，該軟件計算精度能夠滿足工程需要。
三、碳纖維連續(xù)抽油桿特性
碳纖維抽油桿與常規(guī)抽油桿相比，具備許多優(yōu)良特性，它具有傳統(tǒng)抽油桿所不具有的特性，大大提高了采油量，增加了經(jīng)濟效益，這就使得碳纖維抽油桿作業(yè)車起下夾持裝置有了一定的必要性。為了克服普通鋼抽油桿質(zhì)量大、耗能高、失效頻繁、活塞效應大、起下作業(yè)速度慢、易偏磨的缺點，20 世紀 80年代初美國利用獨特的航空航天材料和工程技術，開始研制碳纖維抽油桿。經(jīng)過10多年的努力，于90年代初研制成功碳纖維抽油桿、專用的油井作業(yè)設備和碳纖維抽油桿 — 鋼抽油桿混合抽油桿柱設計軟件，并進行了礦場試驗，試驗效果較好。
碳纖維抽油桿作業(yè)車起下夾持裝置是由液壓電動機齒輪鏈輪鏈和液壓缸等組成的一個有針對性的裝置，碳纖維連續(xù)抽油桿作業(yè)車采用計算機控制，作業(yè)過程全程自動監(jiān)控，設計集機、電、液一體化，可用于起下泵、修井、采油的各個作業(yè)階段。本設計針對碳纖維桿的特點將纏繞式起下改進為夾緊摩擦式起下，解決了纏繞盤驅動扭矩過大的問題，同時大大改善了碳纖維桿在起下過程中的受力狀態(tài)，其主要特點是：起下載荷能力大，起下作業(yè)時桿柱受力狀況改善，桿柱纏繞盤負載扭矩大幅降低，作業(yè)過程自動化程度高、速度快，設備對井場環(huán)境的適應性強，易損件少，便于維修，兼顧桿的運輸和作業(yè)兩項功能，減少設備投資，持續(xù)作業(yè)時間長，大大提高了該裝置的工作效率和經(jīng)濟性。
碳纖維抽油桿的結構碳纖維復合材料或稱碳纖維增強塑料連續(xù)抽油桿（簡稱：CFRPC抽油桿），呈帶狀，可纏繞到滾筒上，它的橫截面為矩形。增強材料：心部為碳纖維；上下表面覆蓋玻璃纖維布，以提高碳纖維抽油桿的橫向強度；左右兩側面和棱角覆蓋芳綸纖維布或玻璃纖維布，以提高抽油桿的耐磨性能。基體為乙烯樹脂，采用拉擠工藝生產(chǎn)。
四、結語
碳纖維抽油桿在勝利油田、大港油田、中原油田等的使用總數(shù)已接近50口油井。使用中暴露出很多問題，需要以后更深入的研究和開發(fā)。而我國與碳纖維抽油桿采油配套技術的研究與碳纖維抽油桿的研究同步，但是大部分配套技術的研究起步較晚，尤其是配套的理論研究才剛剛起步。
隨著國內(nèi)油田事業(yè)的發(fā)展，使碳纖維連續(xù)抽油桿的需求和應用日益廣泛，國內(nèi)已有四家投入生產(chǎn)碳纖維桿，但是沒有與之配套使用的作業(yè)設備。碳纖維連續(xù)抽油桿作業(yè)車是設計用于碳纖維抽油桿的配套專業(yè)設備，而作業(yè)過程中碳纖維連續(xù)抽油桿的起下夾持問題是必須要解決的問題之一，因為它關系到纏繞盤的扭矩和碳纖維桿在起下過程中的受力狀態(tài)。碳纖維抽油桿在起下裝置中所承受的載荷很大，導致抽油桿在被提升的過程中受到拉力很大，使得桿柱纏繞盤負載驅動扭矩過大，嚴重降低了作業(yè)車作業(yè)過程中的自動化程度，減緩了作業(yè)速度，降低了作業(yè)設備對井場環(huán)境的適應性，增加了易損件，而且不便于維修，加大了對作業(yè)車及其他設備的投資，減少持續(xù)作業(yè)時間。要解決上述問題，必須先解決纏繞盤驅動扭矩過大的問題，而直接導致扭矩過大是碳纖維抽油桿起下夾持裝置的設計模式。
二、國內(nèi)外碳纖維連續(xù)抽油桿現(xiàn)狀
碳纖維連續(xù)抽油桿起源于20世紀90年代，由美國首先研制成功，并進行了礦場試驗，取得較好效果。1991年5月～1995年11月美國在33口抽油井中使用了碳纖維連續(xù)抽油桿，平均泵掛深度為1444m，平均泵徑為50.5mm，7口井的平均沖數(shù)為10.5n/min，平均沖程為3.94m，碳纖維連續(xù)抽油桿的長度占整個抽油桿柱長度的平均比例為56.8%，井底平均溫度為42.7攝氏度，井液平均含氺88.8%，平均日產(chǎn)液91.7t。其中一口井正常運行了四年，另一口井含有硫化氫正常運行了三年，還有幾口井正常運行了三年多。這33口井在四年半的礦場中作業(yè)共45次，最主要的失敗形式是鋼接頭疲勞斷裂和碳纖維連續(xù)抽油桿端部連接失效，其次是由于碳纖維柔性連續(xù)抽油桿受壓應力引起的失效。試驗表明了，碳纖維連續(xù)抽油桿具有足夠的抗疲勞強度，可以達到延長檢泵周期和節(jié)電的目的。
我國在20世紀90年代開始研制，引進碳纖維連續(xù)抽油桿。2000年陳厚等介紹了以環(huán)氧樹脂作為樹脂基體，以碳纖維作為增強材料，采用拉擠成型工藝生產(chǎn)樹脂基碳纖維桿，并分析和討論了該連續(xù)生產(chǎn)過程中容易出現(xiàn)的問題。他們提出的工藝科連續(xù)成型，自動化程度高，且成型制品力學性能優(yōu)異，是生產(chǎn)連續(xù)抽油桿一種較好的工藝方法。2000年開始，顧學林和楊小平等開始碳纖維桿的制造和作業(yè)工藝及裝備的研究，以制備出耐溫等級為90攝氏度，120攝氏度和150攝氏度的碳纖維桿，其中等級為90的已經(jīng)正常生產(chǎn)并投入現(xiàn)場使用。薛承謹針對國內(nèi)石油開采的抽油桿長期耐溫使用的需要，研究了四種不同樹脂基體的碳纖維拉伸復合材料的抽油桿樣品，采用了DSC分析了四種樹脂基體的固化特征，通過力學性能和動態(tài)熱機械分析了所得的四種碳纖維抽油桿的力學性能和耐熱性能，并初步進行了碳纖維抽油桿的動態(tài)服役和實驗室模擬的介質(zhì)腐蝕靜態(tài)試驗。結果表明：制備的四種具有不同耐溫等級的碳纖維連續(xù)抽油桿，可滿足國內(nèi)深井和超深井石油開采的抽油桿的耐溫要求，具有良好的耐溫和力學性能。李仲偉根據(jù)文獻提出簡易公式法的基本原理，建立了直井中碳纖維抽油桿的簡易公式法數(shù)學模型，編制出碳纖維鋼混合抽油桿設計軟件，該軟件計算精度能夠滿足工程需要。
三、碳纖維連續(xù)抽油桿特性
碳纖維抽油桿與常規(guī)抽油桿相比，具備許多優(yōu)良特性，它具有傳統(tǒng)抽油桿所不具有的特性，大大提高了采油量，增加了經(jīng)濟效益，這就使得碳纖維抽油桿作業(yè)車起下夾持裝置有了一定的必要性。為了克服普通鋼抽油桿質(zhì)量大、耗能高、失效頻繁、活塞效應大、起下作業(yè)速度慢、易偏磨的缺點，20 世紀 80年代初美國利用獨特的航空航天材料和工程技術，開始研制碳纖維抽油桿。經(jīng)過10多年的努力，于90年代初研制成功碳纖維抽油桿、專用的油井作業(yè)設備和碳纖維抽油桿 — 鋼抽油桿混合抽油桿柱設計軟件，并進行了礦場試驗，試驗效果較好。
碳纖維抽油桿作業(yè)車起下夾持裝置是由液壓電動機齒輪鏈輪鏈和液壓缸等組成的一個有針對性的裝置，碳纖維連續(xù)抽油桿作業(yè)車采用計算機控制，作業(yè)過程全程自動監(jiān)控，設計集機、電、液一體化，可用于起下泵、修井、采油的各個作業(yè)階段。本設計針對碳纖維桿的特點將纏繞式起下改進為夾緊摩擦式起下，解決了纏繞盤驅動扭矩過大的問題，同時大大改善了碳纖維桿在起下過程中的受力狀態(tài)，其主要特點是：起下載荷能力大，起下作業(yè)時桿柱受力狀況改善，桿柱纏繞盤負載扭矩大幅降低，作業(yè)過程自動化程度高、速度快，設備對井場環(huán)境的適應性強，易損件少，便于維修，兼顧桿的運輸和作業(yè)兩項功能，減少設備投資，持續(xù)作業(yè)時間長，大大提高了該裝置的工作效率和經(jīng)濟性。
碳纖維抽油桿的結構碳纖維復合材料或稱碳纖維增強塑料連續(xù)抽油桿（簡稱：CFRPC抽油桿），呈帶狀，可纏繞到滾筒上，它的橫截面為矩形。增強材料：心部為碳纖維；上下表面覆蓋玻璃纖維布，以提高碳纖維抽油桿的橫向強度；左右兩側面和棱角覆蓋芳綸纖維布或玻璃纖維布，以提高抽油桿的耐磨性能。基體為乙烯樹脂，采用拉擠工藝生產(chǎn)。
四、結語
碳纖維抽油桿在勝利油田、大港油田、中原油田等的使用總數(shù)已接近50口油井。使用中暴露出很多問題，需要以后更深入的研究和開發(fā)。而我國與碳纖維抽油桿采油配套技術的研究與碳纖維抽油桿的研究同步，但是大部分配套技術的研究起步較晚，尤其是配套的理論研究才剛剛起步。
魯ICP備2021047099號