打開一片新天地-自主研發(fā)碳纖維抽油桿
近日,，經(jīng)勝利油田,、大港油田、中原油田,、遼河油田等多個(gè)油田先期實(shí)驗(yàn)應(yīng)用表明,，由山東大學(xué)自主研發(fā)的“扁帶式柔性連續(xù)碳纖維復(fù)合材料抽油桿”（下稱碳纖維抽油桿）連續(xù)運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)超過5年，技術(shù)達(dá)國(guó)際領(lǐng)先水平,，同時(shí)“扁帶式柔性連續(xù)碳纖維復(fù)合材料抽油桿及其接頭”獲得了中國(guó)發(fā)明專利權(quán),，“碳纖維復(fù)合材料在石油開采中的應(yīng)用”項(xiàng)目獲得國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。
技術(shù)國(guó)際領(lǐng)先
一排排牢固的鋼架上,，一個(gè)個(gè)扇形鐵塊在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下像打鐵般往復(fù)運(yùn)動(dòng),，帶動(dòng)著抽油桿將石油從地下源源不斷抽出，這是在許多采油區(qū)都可看到的抽油機(jī)工作時(shí)的情景,。由于抽油桿時(shí)常處于運(yùn)動(dòng)摩擦之中,，對(duì)強(qiáng)度、韌性,、耐腐蝕性等性能要求很高,，研究者們一直希望找到一種符合要求的材料。
“碳纖維抽油桿的研制成功,，克服了以往鋼制抽油桿易損易腐,、壽命短等許多不足，取得了較為理想的實(shí)用效果,。”國(guó)家“863”碳纖維專項(xiàng)研究項(xiàng)目課題負(fù)責(zé)人,、山東大學(xué)教授朱波在接受中國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)報(bào)記者采訪時(shí)表示，碳纖維抽油桿不僅強(qiáng)度高,、耐腐蝕,，而且重量輕，是同長(zhǎng)度鋼制抽油桿重量的1/20，截面積僅為鋼制抽油桿的1/5,，這就相對(duì)減少了抽油桿工作時(shí)的阻力,，使4000米以上的超深井采油成為可能；長(zhǎng)度連續(xù),，避免了采油過程中的活塞效應(yīng),，極大降低了接頭斷脫幾率，延長(zhǎng)了抽油桿的使用壽命,。
“所有這些優(yōu)點(diǎn),，是由于碳纖維材料本身的特性決定的。”北京化工大學(xué)教授趙東林向中國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)報(bào)記者介紹說,，從專業(yè)角度講,，當(dāng)有機(jī)纖維或低分子烴氣體原料加熱至1500℃時(shí)，形成的含碳量93%以上的纖維狀碳材料就稱為碳纖維,。因此,，碳纖維及其復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、低密度,、耐高溫,、耐腐蝕等特性。特別是與其他材料“嫁接”復(fù)合后,，不僅可減輕重量,，還可體現(xiàn)出“遺傳基因”的優(yōu)秀綜合性能。
“碳纖維抽油桿柔韌性非常好,，最小彎曲半徑僅0.35米,，在生產(chǎn)和運(yùn)輸中可進(jìn)行盤繞，節(jié)省空間,。”朱波表示,，除了材料本身的優(yōu)點(diǎn),，使用碳纖維抽油桿還有利于機(jī)械化作業(yè),，節(jié)省工作時(shí)間，降低勞動(dòng)強(qiáng)度,，對(duì)于提高自動(dòng)化管理水平和勞動(dòng)效率有積極的意義,。目前，我國(guó)自主研發(fā)的碳纖維抽油桿項(xiàng)目已經(jīng)具備了優(yōu)良的綜合系統(tǒng)集成特性,，綜合技術(shù)達(dá)國(guó)際領(lǐng)先水平,。
產(chǎn)業(yè)化前景廣闊
從輕巧耐用的網(wǎng)球拍到采油生產(chǎn)的抽油桿，碳纖維制品正從科研機(jī)構(gòu)的“深閨”走入大眾的生活與工作,。趙東林介紹,，碳纖維廣泛應(yīng)用于航空航天、文體用品、紡織機(jī)械,、醫(yī)療器械,、生物工程、建筑材料等方面,。目前,，世界上只有日本、美國(guó),、德國(guó),、俄羅斯和中國(guó)等少數(shù)國(guó)家具備碳纖維材料的研發(fā)和生產(chǎn)能力。國(guó)際市場(chǎng)對(duì)碳纖維需求逐年上升,，價(jià)格從幾年前的每磅5美元上漲到現(xiàn)在的20多美元,，提高了近4倍。據(jù)統(tǒng)計(jì),，2007年,，全球碳纖維產(chǎn)量總計(jì)為3萬(wàn)噸，而我國(guó)進(jìn)口量高達(dá)8000多噸,，超過世界總量的25%,。因此，碳纖維材料及其制備工藝核心技術(shù)的自主研發(fā)顯得十分迫切,。
朱波談到,，為給采油設(shè)備提供綜合解決方案，在碳纖維抽油桿技術(shù)系統(tǒng)的研發(fā)過程中,，課題組還自主研發(fā)了配套的碳纖維復(fù)合材料扶正器,、多種可靠聯(lián)接頭及其裝配操作臺(tái)，并結(jié)合油井地礦條件,、抽油機(jī)械的規(guī)格及碳纖維抽油桿的特性,，自主研發(fā)了相應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)及系統(tǒng)優(yōu)化軟件，并開發(fā)了較為完善的生產(chǎn)工藝,，具備了產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ),。
目前，碳纖維抽油桿的實(shí)用價(jià)值已在應(yīng)用中顯現(xiàn),。朱波表示,，碳纖維抽油桿先期實(shí)驗(yàn)應(yīng)用油井累計(jì)數(shù)百口，實(shí)驗(yàn)井深最深2800米,，在油田的高腐蝕油井中,，碳纖維抽油桿壽命比鋼制抽油桿壽命高5倍至8倍。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明,，使用碳纖維抽油桿,，節(jié)電可達(dá)30%以上,，產(chǎn)油量提高1/3以上，經(jīng)濟(jì)效益顯著,，而且生產(chǎn)過程無(wú)污染,，碳纖維抽油桿廢桿還可回收再利用。
說起碳纖維抽油桿的應(yīng)用前景,，朱波信心十足,，我國(guó)正在開采和尚未開采的油井大約有30萬(wàn)口，碳纖維抽油桿的應(yīng)用率按10%計(jì)算,，則需3萬(wàn)根,，按每根使用壽命3年計(jì)算，則每年需要1萬(wàn)根,。如果建設(shè)年產(chǎn)1000根,、每根2000米的抽油桿生產(chǎn)裝置，則年產(chǎn)值將超過1億元,。碳纖維抽油桿如果能在油田系統(tǒng)大量使用,，則可帶動(dòng)和促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，創(chuàng)造可觀的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益,。
據(jù)朱波介紹,，“對(duì)碳纖維材料的研究，重要的還在于突破國(guó)外封鎖,，不斷拓展應(yīng)用領(lǐng)域,，形成自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，發(fā)展民族產(chǎn)業(yè),。目前,，包括參與先期實(shí)驗(yàn)的油田以及大慶、江漢,、新疆等多家油田負(fù)責(zé)人均表示,，希望應(yīng)用自主研發(fā)的國(guó)產(chǎn)碳纖維抽油桿。”
