碳纤维复合材料在石油工程中的应用

碳纤维是一种纤维状的碳材料，最大的特点就是轻质高强，密度不到钢的1/4，但拉伸强度是普通钢的7～9倍。具有优异的耐腐蚀性和耐高温性，并且还具有与铜相似的导电性能，是集优良的电学、热学和力学性能于一体的新型材料。碳纤维是在1000℃以上的惰性气体中，利用高温分解法对有机纤维(聚丙烯腈、沥青等)进行烧制，去除纤维中除碳以外的其他元素即得到碳纤维。碳纤维一般不单独使用，而是作为增强材料，添加到树脂、金属、陶瓷或者是混凝土当中构成复合材料，其中应用最多的是碳纤维增强树脂。碳纤维从诞生到现在，已经广泛应用于航空航天、高端工程装备、重大基础建设结构工程、压力容器以及体育休闲用品等领域。

在抽油杆中的应用

在油气开采业中，抽油杆是采油系统的主要部件，传统的钢制抽油杆在柔韧性和抗腐蚀性方面存在不足，在开采“三高井”或超深井时损耗较大，相比之下，碳纤维材料抽油杆由于其出色的力学性能和机械强度，在油气开采业正得到广泛应用。目前，碳纤维抽油杆已经在国内很多油田得到广泛应用，中国石油集团大港油田、中国石化集团胜利油田等油田都开展了碳纤维抽油杆技术推广。2015年，由中国石油集团钻井工程技术研究院江汉机械研究所研制开发的碳纤维连续抽油杆作业机在新疆油田完成首次下井试验。试验在位于新疆油田采油二厂五区553 井区的克503井进行，该井深2068 m，设计使用碳纤维连续抽油杆1080m，泵挂深度1799.47m，下入抽油泵后反复循环抽水作为模拟抽油试验。试验的成功有望解决深井、超深井和腐蚀井的开采难题，对于降低抽油井能耗和提高抽油效率具有重大意义。

在超高压连续管中的应用

碳纤维复合连续管由碳纤维增强环氧树脂结构层和热塑性内衬构成，外部由耐磨热塑性材料包覆。目前，2in常规连续管QT-1000的破裂压力仅为140MPa，不能满足超高压水射流钻井技术的需要。而商业应用的碳纤维复合管破裂压力能够达到207MPa，满足超高压水射流作业要求，如图1所示。内压为83MPa的条件下，2inQT-1000 连续管起下钻16次后即失效，QUALITY TUBING公司的Incoloy-625连续管的疲劳寿命为70次，而FIBERSPAR SPOOLABLE PRODUCTS 公司的碳纤维复合连续管的疲劳寿命超过2000次，如图2所示。

图1 2in不同材质连续管破裂压力对比

图2 82MPa压力下2in不同连续管疲劳寿命（起下钻次数）（3）在海洋平台中的应用

海洋中蕴藏着丰富的油气资源，油气勘探开发正在由陆地向海洋，由浅海大陆架逐渐向深海延伸。然而，海洋中环境复杂多变，复杂的海水含盐量很高，对设备设施具有极强的腐蚀性，很多设备设施都是以钢材料为主，这就无形中增加了开采成本，同时也加大了作业风险。碳纤维材料的低密度、高性能、高强度能够有效缓解钢制材料在深海环境所承受的重量和压力载荷。在深海油田所使用的平台脐带缆、锚固缆绳和油井口连接到平台的管材（立管）都可以用碳纤维材料部分代替，这样能够有效降低平台的重量以及所承受的压力，节约成本。一个1500 m的深海作业平台，钢制缆绳使用量大约为6500t，如果用碳纤维材料缆绳替代能够减少1/6的重量，并且相比于钢制材料，碳纤维材料的使用深度能提高一倍，而且碳纤维材料的柔韧性也更便于运输和施工作业。

碳纤维及其复合材料在石油工程领域具有广阔的应用前景，国内制约碳纤维发展的决定性因素是生产技术瓶颈，产品质量产量和成本导致缺乏市场竞争力，因此亟待解决技术问题，发展高级别产品。只有在技术上取得突破，才能提高市场竞争力，打破国际垄断。石油企业应与相关高校和科研院所加强合作，联合开展碳纤维复合材料的攻关研究。同时，国家应当加大对碳纤维行业的扶持力度，鼓励石油企业研发和生产碳纤维材料，提高企业的自主创新能力，使企业能够拥有自主技术和知识产权。