碳纤维复合材料连续抽油杆的特点及应用前景

/012/ 抽油杆的结构
碳纤维复合材料或称碳纤维增强塑料连续抽油 杆 （ /34567 08594 1987:64;9< 2=3>?8; /67?87@6@> A@;B. 94 16< ） 简 称 为 /012/ 抽 油 杆， 呈 带 状， 可 缠 绕 到滚 筒 上 （ 见 图 * ） ，它的横 截 面 为 矩 形 （ 见 图 -） 。增强材 料： 心 部 为 碳 纤 维； 上 下 表 面 覆 盖 玻 璃纤维布，以 提 高 /012/ 抽 油 杆 的 横 向 强 度； 左 右两侧面和棱角覆盖芳纶纤维布或玻璃纤维布，以
0
." ; 次载荷循环后 的剩余强度 （ # ） !" $" $" %"
"/ 0" = ." 0
5 5 还对 *+,-* 抽 油 杆 试 样 进 行 了 模 拟 井 下 环 境 的腐蚀试验。为了优选端部加强带的粘接剂，对用 不同粘接剂粘接的端部进行了剪切试验。为了保证 每根 *+,-* 抽油 杆 的 制 造 质 量， 还 进 行 了 短 梁 剪 切强度试验和 <"? 弯曲强度试验。 %/ 采用 *+,-* 油井作业设备 采用 *+,-* 抽油杆的油井作业设备见图 !
# 吴则中，教授级高级工程师，生于 *)") 年，*)#- 年毕业于北京航空 学 院 飞 行 器 结 构 力 学 与 强 度 计 算 专 业，现 从 事 石 油 机 械 研 制 工 作，
本刊特邀作者。地址： （ *+++%" ） 北京市学院路。电话： （ +*+ ） #-+)O-+O （ 办） 或 #-")%+C+ （ 宅） 。 H P &38= ： QLRR%+C+SKT >873$ ;6& 。 （ 收稿日期：-++* P +C P +) ）
［8］
。
加重杆。其软件设计也是采用 &-E ,-..F 抽油杆柱 设计方法，其区别仅在于混合抽油杆柱 相当 于 由 两 种密度和弹性系数不同的弹簧组成，区别 仅是 这 两
［;， >］ 个系统的总刚度和总密度不同 。钢抽油杆和加重
。
图 )# 生产 $%&’$ 抽油杆的拉挤工艺
( —纱架；" —纤维束；! —梳理板；) —树脂 槽； ;—成型模； <—固化模； =—滚筒
# # 注：有效直径为横截面积与矩形横截面积相等的圆棒的直径； # # 表面积为 ( 00 长的真实表面积； # # 圆棒的表面积为有效直径计算的 (00 长的圆棒的表面积； # # 表面积之比值 F 真实表面积 E 圆棒的表面积。
［;］ A> 年代初研制的 $%&’$ 抽油杆有两种型号 ：
图 !# $%&’$ 抽油杆的端部连接结构
( — $%&’$ 抽油杆；" —加强带；! —螺钉；) —钢接头
美国 $%&’$ 抽油杆研制及应用情况
目前 美 国 有 两 个 $%&’$ 抽 油 杆 制 造 厂： *’ +,-. （ /01-1 公司） 和 2345543 678 91185 。 (: $%&’$ 抽油杆 $%&’$ 抽油杆采用 拉 挤 工 艺 生 产 （ 图 ) ） 。置 于纱架上的连续碳纤维束、玻璃纤维布、芳纶纤维 布，经过梳理板进入树脂槽，浸渍乙烯树脂后在牵 引力作用下，通过成型模和固化模，就可以连续不 断地生产出 $%&’$ 抽油杆，并卷到滚筒上
! ! （ 胜利油田有限公司孤岛采油厂） ! ! ! （ 华北油田分公司第四采油厂）
! ! 摘要 ! 碳纤维复合材料 连 续 抽 油 杆 的 外 形 呈 带 状，横 截 面 为 矩 形 （ 通 常 的 尺 寸 为 "#$ %"&& ’ ($ "%&& ） ，长度可 达 )*(& 以 上， 中 间 没 有 接 箍， 仅 两 端 各 有 一 个 钢 接 头， 可 缠 绕 到 直 径 为 "$ +(& 、宽为 +$ *(& 的 滚 筒 上。 它 具 有 密 度 小、 弹 性 较 好、 耐 腐 蚀、 抗 疲 劳 性 能 好、 活 塞 效 应 小、起下作业速度快等优点；同时存在两端部与钢接头连接部位的疲劳强度较低、最大工作温度 仅为 #+, 、不能受压缩应力、不耐磨和价格较贵的缺点。合理利 用碳 纤维复 合材料 连续抽 油杆， 可达到增产、节电、延长 检 泵 周 期、 降 低 采 油 成 本 的 目 的。 它 扩 大 了 有 杆 泵 抽 油 系 统 的 应 用 范 围，可用于高含水油井、深井、超深井和腐蚀井的原油开采，具有广阔的应用前景。 ! ! 关键词 ! 连续抽油杆 ! 碳纤维复合材料 ! 矿场试验 ! ! ! 为了克服普通钢抽油杆质量大、耗能高、失效 频繁、活塞效应大、起下作业速度慢、易偏磨的缺 点
万方数据
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# # # # # #
石# 油# 机# 械
">>" 年 # 第 !> 卷 # 第 " 期
［"， !］ 钢接头的槽中，用 ! 个螺钉固定 。
图 "# $%&’$ 抽油杆的横截面
( —碳纤维；" —玻璃纤维布；! —芳纶纤维布或玻璃纤维布
图 ;# $%&’$ 抽油杆的拼接接头
"> 世 纪 ?> 年 代 初 研 制 的 $%&’$ 抽 油 杆， 适 用于泵挂 深 度 为 (;")0 的 油 井， 其 横 截 面 的 宽 度 为 !;: ;<00 ，适用于 @;>: ?00 （ " 英 寸 ） 的 油 管。 根据碳纤维的不同弹性模量，其厚度有两种：碳纤 维 的 弹 性 模 量 为 !: =A B (> ; C’D 时， 厚 度 为 (: ?00 ；碳纤维 的 弹 性 模 量 为 ": "? B (> ; C’D 时， 厚度 为 ": ;)00 。 相 应 的 许 用 工 作 应 力 分 别 为 )()C’D 和 !);C’D 。 一 根 $%&’$ 抽 油 杆 的 长 度 达 ((!>0 。
$%&’$ 抽 油 杆 的 增 强 相 为 9G13,48 9C 9 H !>> ("I 碳纤维，基体相为乙烯树脂，上下表 面覆 盖 玻 璃纤维布，左右两侧 面 和 棱 角 包 覆 芳 纶 纤 维 布。 ) 种抽油杆材料的物理性能见表 " 。 $%&’$ 抽油 杆 的 密度最小，强度最高，弹性模量介于钢抽油杆和玻 璃钢抽油杆之间。经过 (> = 次 载 荷 循 环 后 （ 如 果 抽 油机的 冲 数 为 ("07, H ( ， 一 天 运 转 ")G ， 一 个 月 为 !>J ，则 (> = 次载荷循环相 当于运 行 (: ;D ） ， $%&’$
［*］
性能分析
提高抽油杆的耐磨性能。基体为乙烯树脂，采用拉 挤工艺生产。
，美国利用独特 的 航 空 航 天 设 计 和 材 料 技 术，
经过 *+ 多年的 努 力，于 -+ 世 纪 )+ 年 代 初 研 制 成 功碳纤维复合材料连续抽油杆、专用的油井作业设 备和碳纤维பைடு நூலகம்复 合 材 料 连 续 抽 油 杆 .钢 抽 油 杆 的 混 合 抽油杆柱设计软件，并进行了矿场试验。试验结果 表明：碳纤维复合材料连续抽油杆是一种很有发展 前途的特种抽油杆。
，试样长 ./ %%’ ，两端部增强后安装钢接
头，最小试验载荷为 $$$01 ，最大载 荷取 光 杆的 最 大载 荷， 载 荷 波 形 为 正 弦 波， 试 验 频 率 为 0 2 ."34 ，试验一个月就相当于模拟抽油 0 年。
表 %5 $ 种抽油杆材料的物理性能
抽油杆的种类 *+,-* 抽油杆 普通钢抽油杆 钢连续抽油杆 玻璃钢抽油杆 密度 （ 6 7 )’ 8 ） ./ 0< >/ 0% ;/ >8 %/ 8> 弹性模量 （ 9-: ） ./ .! = ." 0 %/ ." = ." 0 %/ "" = ."
［!］
另一种油井作业设备结构与图 ! 相似，其主 要 差别在于增加了两个支承轮：固定支承轮和可摆动 的支承轮，两个支承轮各由一个电动机通过链条来 驱动。摆动支承轮的支架铰接在车身上，通过液压 控制柱塞的 伸 缩， 使 摆 动 支 承 轮 摆 动， 以 便 *+,@ -* 抽油 杆 对 准 井 口。 根 据 油 田 作 业 的 不 同 要 求， 有两种不同提升能力的卷动系统：第一种卷动系统 的提升高度为 <.$’ ，提升力 为 88A1 ，只 需一 个 支 承轮 （ 摆动支承轮） ；第 二 种 卷 动 系 统 的 提 升 高 度 为 .8;.’ ，提升力为 $$/ 0A1 ，需要两个支承轮。 安装抽油杆柱时，先用普通油井作业设备将一 定长 度 的 钢 抽 油 杆 或 加 重 杆 下 入 井 内， 接 着 将 *+,-* 抽油杆下 端 的 钢 接 头 与 钢 抽 油 杆 或 加 重 杆 相连接，再用 *+,-* 抽 油 杆 的 油 井 作 业 设 备， 以 8"/ 0’ 7 ’BC 的 速 度 将 *+,-* 抽 油 杆 下 入 井 内， 最 后将普通光杆与 *+,-* 抽油杆的上端钢接头相连。 8D 混合抽油杆柱设计软件 *+,-* 抽油杆 @钢抽油杆的混合抽油杆柱的结构 与玻璃钢抽油杆 @钢抽油杆的混合抽油杆柱相似，上 部为 *+,-* 抽油杆，下部为一定长度的钢抽油杆或
万方数据
%""% 年 5 第 8" 卷 5 第 % 期
吴则中等：碳纤维复合材料连续抽油杆的特点及应用前景
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抽油杆的 剩 余 强 度 为 原 来 强 度 的 !"# ， 而 钢 抽 油 杆和玻璃钢抽油杆的剩余强度分别为原来各自强度 的 $"# 和 %"# 。 &’()( 公司对 *+,-* 抽 油 杆 进 行 了 实 验 室 疲 劳试验
# # 虽然 $%&’$ 抽 油 杆 可 拉 挤 得 很 长， 但 有 时 两 根 $%&’$ 抽油杆 需 要 拼 接。 对 于 拼 接 接 头 有 两 个 要求：一要有足够的连接强度；二要有一定的柔韧 性，以便缠绕到滚筒上去。图 ; 所示的结构满足了 以上要求，两根 $%&’$ 抽 油 杆 的 端 部 都 削 成 很 长 的斜面，两个斜面粘接在一起，在拼接接头的上下 两表面各粘贴一条薄的加强带。加强带采用弹性模 量比 $%&’$ 抽油 杆 低 的 碳 纤 维 复 合 材 料， 加 强 带 的两端也都削成斜面，两端面呈锯齿形。
! ! -++- 年 ! 第 "+ 卷 ! 第 - 期 ! 国外石油机械 "
石! 油! 机! 械
/FEGD 2HI1JKHLM MD/FEGH1N
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碳纤维复合材料连续抽油杆的特点及应用前景
! ! ! ! 吴则中 ! 田 ! 丰 ! 郑永生
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张海宴 ! ! ! 郑银强
! ! ! ! ! ! ! （ 石油勘探开发科学研究院机械所） （ 中原油田分公司采油工程事业部）
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名义尺 寸 为 (": =00 （ ! " 英 寸） 和 (;: ??00 （ # $英 寸） 。所谓名义尺寸 是 指 横 截 面 积 与 矩 形 横 截 面 积 相同的圆棒 的 直 径。 两 种 型 号 的 $%&’$ 抽 油 杆 的 几何尺 寸 见 表 ( 。 一 根 拉 挤 成 的 $%&’$ 抽 油 杆， 长度可达 );="0 ，并被卷到滚筒上，使用时根 据 设 计需要的长度切下来，两端部予以加强，再安装钢 接头。
图 *! 缠绕在滚筒上的 /012/ 抽油杆
* —转轴；- —支承环；" —滚筒；C — /012/ 抽油杆
! ! /012/ 抽油杆两端部 的连 接结构 见图 " ，其 两 表面上各贴一条用碳纤维复合材料 做的加 强带，并 打 " 个螺钉孔。钢接头的一端符合 D2E 抽油杆规范， 以便和钢抽油杆、抽油光杆相 连接；另一 端开 一 个 槽，有 " 个内螺纹孔。将 /012/ 抽油杆的端部插入
表 (# $%&’$ 抽油杆的几何尺寸
$%&’$ 抽油杆的型号（ 00 ） 厚度（ 00 ） 宽度 （ 00 ） 横截面积 （ 00 " ） 有效直径 （ 00 ） 表面积（ 00 " E 00 ） 圆棒的表面积（ 00 " E 00 ） 表面积之比值 (": => !: !! !;: ;< ((?: >< (": "= ==: == !?: ;< ": >" (;: ?? ;: !? !<: ?! (A?: >< (;: A> ?): )! )A: A( (: <A