碳纖維是一種纖維狀的碳材料，最大的特點(diǎn)就是輕質(zhì)高強(qiáng)，密度不到鋼的1/4，但拉伸強(qiáng)度是普通鋼的7～9倍。具有優(yōu)異的耐腐蝕性和耐高溫性，并且還具有與銅相似的導(dǎo)電性能，是集優(yōu)良的電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)性能于一體的新型材料。碳纖維是在1000℃以上的惰性氣體中，利用高溫分解法對(duì)有機(jī)纖維(聚丙烯腈、瀝青等)進(jìn)行燒制，去除纖維中除碳以外的其他元素即得到碳纖維。碳纖維一般不單獨(dú)使用，而是作為增強(qiáng)材料，添加到樹脂、金屬、陶瓷或者是混凝土當(dāng)中構(gòu)成復(fù)合材料，其中應(yīng)用最多的是碳纖維增強(qiáng)樹脂。碳纖維從誕生到現(xiàn)在，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天、高端工程裝備、重大基礎(chǔ)建設(shè)結(jié)構(gòu)工程、壓力容器以及體育休閑用品等領(lǐng)域。
在抽油桿中的應(yīng)用
在油氣開采業(yè)中，抽油桿是采油系統(tǒng)的主要部件，傳統(tǒng)的鋼制抽油桿在柔韌性和抗腐蝕性方面存在不足，在開采“三高井”或超深井時(shí)損耗較大，相比之下，碳纖維材料抽油桿由于其出色的力學(xué)性能和機(jī)械強(qiáng)度，在油氣開采業(yè)正得到廣泛應(yīng)用。目前，碳纖維抽油桿已經(jīng)在國(guó)內(nèi)很多油田得到廣泛應(yīng)用，中國(guó)石油集團(tuán)大港油田、中國(guó)石化集團(tuán)勝利油田等油田都開展了碳纖維抽油桿技術(shù)推廣。2015年，由中國(guó)石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院江漢機(jī)械研究所研制開發(fā)的碳纖維連續(xù)抽油桿作業(yè)機(jī)在新疆油田完成首次下井試驗(yàn)。試驗(yàn)在位于新疆油田采油二廠五區(qū)553 井區(qū)的克503井進(jìn)行，該井深2068 m，設(shè)計(jì)使用碳纖維連續(xù)抽油桿1080m，泵掛深度1799.47m，下入抽油泵后反復(fù)循環(huán)抽水作為模擬抽油試驗(yàn)。試驗(yàn)的成功有望解決深井、超深井和腐蝕井的開采難題，對(duì)于降低抽油井能耗和提高抽油效率具有重大意義。
在超高壓連續(xù)管中的應(yīng)用
碳纖維復(fù)合連續(xù)管由碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)層和熱塑性內(nèi)襯構(gòu)成，外部由耐磨熱塑性材料包覆。目前，2in常規(guī)連續(xù)管QT-1000的破裂壓力僅為140MPa，不能滿足超高壓水射流鉆井技術(shù)的需要。而商業(yè)應(yīng)用的碳纖維復(fù)合管破裂壓力能夠達(dá)到207MPa，滿足超高壓水射流作業(yè)要求，如圖1所示。內(nèi)壓為83MPa的條件下，2inQT-1000 連續(xù)管起下鉆16次后即失效，QUALITY TUBING公司的Incoloy-625連續(xù)管的疲勞壽命為70次，而FIBERSPAR SPOOLABLE PRODUCTS 公司的碳纖維復(fù)合連續(xù)管的疲勞壽命超過2000次，如圖2所示。
圖1 2in不同材質(zhì)連續(xù)管破裂壓力對(duì)比
圖2 82MPa壓力下2in不同連續(xù)管疲勞壽命（起下鉆次數(shù)）（3）在海洋平臺(tái)中的應(yīng)用
海洋中蘊(yùn)藏著豐富的油氣資源，油氣勘探開發(fā)正在由陸地向海洋，由淺海大陸架逐漸向深海延伸。然而，海洋中環(huán)境復(fù)雜多變，復(fù)雜的海水含鹽量很高，對(duì)設(shè)備設(shè)施具有極強(qiáng)的腐蝕性，很多設(shè)備設(shè)施都是以鋼材料為主，這就無形中增加了開采成本，同時(shí)也加大了作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。碳纖維材料的低密度、高性能、高強(qiáng)度能夠有效緩解鋼制材料在深海環(huán)境所承受的重量和壓力載荷。在深海油田所使用的平臺(tái)臍帶纜、錨固纜繩和油井口連接到平臺(tái)的管材（立管）都可以用碳纖維材料部分代替，這樣能夠有效降低平臺(tái)的重量以及所承受的壓力，節(jié)約成本。一個(gè)1500 m的深海作業(yè)平臺(tái)，鋼制纜繩使用量大約為6500t，如果用碳纖維材料纜繩替代能夠減少1/6的重量，并且相比于鋼制材料，碳纖維材料的使用深度能提高一倍，而且碳纖維材料的柔韌性也更便于運(yùn)輸和施工作業(yè)。
碳纖維及其復(fù)合材料在石油工程領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，國(guó)內(nèi)制約碳纖維發(fā)展的決定性因素是生產(chǎn)技術(shù)瓶頸，產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)量和成本導(dǎo)致缺乏市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，因此亟待解決技術(shù)問題，發(fā)展高級(jí)別產(chǎn)品。只有在技術(shù)上取得突破，才能提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，打破國(guó)際壟斷。石油企業(yè)應(yīng)與相關(guān)高校和科研院所加強(qiáng)合作，聯(lián)合開展碳纖維復(fù)合材料的攻關(guān)研究。同時(shí)，國(guó)家應(yīng)當(dāng)加大對(duì)碳纖維行業(yè)的扶持力度，鼓勵(lì)石油企業(yè)研發(fā)和生產(chǎn)碳纖維材料，提高企業(yè)的自主創(chuàng)新能力，使企業(yè)能夠擁有自主技術(shù)和知識(shí)產(chǎn)權(quán)。(來源：石油工程科技動(dòng)態(tài))
聯(lián)系客服
