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(yīng)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(shè)備。碳纖維連續(xù)抽油桿作業(yè)車是設(shè)計(jì)用于碳纖維抽油桿的配套專業(yè)設(shè)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?yàn)樗P(guān)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(dǎo)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(fù)載驅(qū)動(dòng)扭矩過大，嚴(yán)重降低了作業(yè)車作業(yè)過程中的自動(dòng)化程度，減緩了作業(yè)速度，降低了作業(yè)設(shè)備對井場環(huán)境的適應(yīng)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(shè)備的投資，減少持續(xù)作業(yè)時(shí)間。要解決上述問題，必須先解決纏繞盤驅(qū)動(dòng)扭矩過大的問題，而直接導(dǎo)致扭矩過大是碳纖維抽油桿起下夾持裝置的設(shè)計(jì)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(jì)90年代，由美國首先研制成功，并進(jìn)行了礦場試驗(yàn)，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(gè)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(yùn)行了四年，另一口井含有硫化氫正常運(yùn)行了三年，還有幾口井正常運(yùn)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(yīng)力引起的失效。試驗(yàn)表明了，碳纖維連續(xù)抽油桿具有足夠的抗疲勞強(qiáng)度，可以達(dá)到延長檢泵周期和節(jié)電的目的。
我國在20世紀(jì)90年代開始研制，引進(jìn)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(qiáng)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(dòng)化程度高，且成型制品力學(xué)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(xué)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(jǐn)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(fù)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(xué)性能和動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析了所得的四種碳纖維抽油桿的力學(xué)性能和耐熱性能，并初步進(jìn)行了碳纖維抽油桿的動(dòng)態(tài)服役和實(shí)驗(yàn)室模擬的介質(zhì)腐蝕靜態(tài)試驗(yàn)。結(jié)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(xué)性能。李仲偉根據(jù)文獻(xiàn)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(xué)模型，編制出碳纖維鋼混合抽油桿設(shè)計(jì)軟件，該軟件計(jì)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(jì)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(yīng)大、起下作業(yè)速度慢、易偏磨的缺點(diǎn)，20 世紀(jì) 80年代初美國利用獨(dú)特的航空航天材料和工程技術(shù)，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(shè)備和碳纖維抽油桿 — 鋼抽油桿混合抽油桿柱設(shè)計(jì)軟件，并進(jìn)行了礦場試驗(yàn)，試驗(yàn)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(dòng)機(jī)齒輪鏈輪鏈和液壓缸等組成的一個(gè)有針對性的裝置，碳纖維連續(xù)抽油桿作業(yè)車采用計(jì)算機(jī)控制，作業(yè)過程全程自動(dòng)監(jiān)控，設(shè)計(jì)集機(jī)、電、液一體化，可用于起下泵、修井、采油的各個(gè)作業(yè)階段。本設(shè)計(jì)針對碳纖維桿的特點(diǎn)將纏繞式起下改進(jìn)為夾緊摩擦式起下，解決了纏繞盤驅(qū)動(dòng)扭矩過大的問題，同時(shí)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(diǎn)是：起下載荷能力大，起下作業(yè)時(shí)桿柱受力狀況改善，桿柱纏繞盤負(fù)載扭矩大幅降低，作業(yè)過程自動(dòng)化程度高、速度快，設(shè)備對井場環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)，易損件少，便于維修，兼顧桿的運(yùn)輸和作業(yè)兩項(xiàng)功能，減少設(shè)備投資，持續(xù)作業(yè)時(shí)間長，大大提高了該裝置的工作效率和經(jīng)濟(jì)性。
碳纖維抽油桿的結(jié)構(gòu)碳纖維復(fù)合材料或稱碳纖維增強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度；左右兩側(cè)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(jié)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(shù)的研究與碳纖維抽油桿的研究同步，但是大部分配套技術(shù)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(yīng)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(shè)備。碳纖維連續(xù)抽油桿作業(yè)車是設(shè)計(jì)用于碳纖維抽油桿的配套專業(yè)設(shè)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?yàn)樗P(guān)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(dǎo)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(fù)載驅(qū)動(dòng)扭矩過大，嚴(yán)重降低了作業(yè)車作業(yè)過程中的自動(dòng)化程度，減緩了作業(yè)速度，降低了作業(yè)設(shè)備對井場環(huán)境的適應(yīng)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(shè)備的投資，減少持續(xù)作業(yè)時(shí)間。要解決上述問題，必須先解決纏繞盤驅(qū)動(dòng)扭矩過大的問題，而直接導(dǎo)致扭矩過大是碳纖維抽油桿起下夾持裝置的設(shè)計(jì)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(jì)90年代，由美國首先研制成功，并進(jìn)行了礦場試驗(yàn)，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(gè)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(yùn)行了四年，另一口井含有硫化氫正常運(yùn)行了三年，還有幾口井正常運(yùn)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(yīng)力引起的失效。試驗(yàn)表明了，碳纖維連續(xù)抽油桿具有足夠的抗疲勞強(qiáng)度，可以達(dá)到延長檢泵周期和節(jié)電的目的。
我國在20世紀(jì)90年代開始研制，引進(jìn)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(qiáng)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(dòng)化程度高，且成型制品力學(xué)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(xué)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(jǐn)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(fù)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(xué)性能和動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析了所得的四種碳纖維抽油桿的力學(xué)性能和耐熱性能，并初步進(jìn)行了碳纖維抽油桿的動(dòng)態(tài)服役和實(shí)驗(yàn)室模擬的介質(zhì)腐蝕靜態(tài)試驗(yàn)。結(jié)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(xué)性能。李仲偉根據(jù)文獻(xiàn)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(xué)模型，編制出碳纖維鋼混合抽油桿設(shè)計(jì)軟件，該軟件計(jì)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(jì)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(yīng)大、起下作業(yè)速度慢、易偏磨的缺點(diǎn)，20 世紀(jì) 80年代初美國利用獨(dú)特的航空航天材料和工程技術(shù)，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(shè)備和碳纖維抽油桿 — 鋼抽油桿混合抽油桿柱設(shè)計(jì)軟件，并進(jìn)行了礦場試驗(yàn)，試驗(yàn)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(dòng)機(jī)齒輪鏈輪鏈和液壓缸等組成的一個(gè)有針對性的裝置，碳纖維連續(xù)抽油桿作業(yè)車采用計(jì)算機(jī)控制，作業(yè)過程全程自動(dòng)監(jiān)控，設(shè)計(jì)集機(jī)、電、液一體化，可用于起下泵、修井、采油的各個(gè)作業(yè)階段。本設(shè)計(jì)針對碳纖維桿的特點(diǎn)將纏繞式起下改進(jìn)為夾緊摩擦式起下，解決了纏繞盤驅(qū)動(dòng)扭矩過大的問題，同時(shí)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(diǎn)是：起下載荷能力大，起下作業(yè)時(shí)桿柱受力狀況改善，桿柱纏繞盤負(fù)載扭矩大幅降低，作業(yè)過程自動(dòng)化程度高、速度快，設(shè)備對井場環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)，易損件少，便于維修，兼顧桿的運(yùn)輸和作業(yè)兩項(xiàng)功能，減少設(shè)備投資，持續(xù)作業(yè)時(shí)間長，大大提高了該裝置的工作效率和經(jīng)濟(jì)性。
碳纖維抽油桿的結(jié)構(gòu)碳纖維復(fù)合材料或稱碳纖維增強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度；左右兩側(cè)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(jié)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(shù)的研究與碳纖維抽油桿的研究同步，但是大部分配套技術(shù)的研究起步較晚，尤其是配套的理論研究才剛剛起步。
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