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從制作抽油桿到修復(fù)集輸管道、儲罐，近年來，碳纖維復(fù)合材料技術(shù)以其獨(dú)特的性能優(yōu)勢，有效解決了傳統(tǒng)金屬材料在油氣了開發(fā)過程中存在的諸多問題，提升了油田生產(chǎn)的安全性、效率和經(jīng)濟(jì)效益，新材料技術(shù)的應(yīng)用提升采油設(shè)備“強(qiáng)筋壯骨”，助力油氣田高效開發(fā)。
碳纖維抽油桿技術(shù)
 
早在2016年，勝利油田就設(shè)立了碳纖維抽油桿項(xiàng)目，開啟了碳纖維的應(yīng)用之旅，并在扁帶形碳纖維抽油桿基礎(chǔ)上研制出了第一代圓形截面純碳纖維抽油桿。碳纖維抽油桿克服了傳統(tǒng)鋼制抽油桿易腐蝕、壽命短、下深受限、能耗高、起下工作時間長等缺點(diǎn)，防腐延壽、深抽提液、節(jié)能降耗等效果顯著。
 
勝利油田技術(shù)人員作為項(xiàng)目的核心研發(fā)團(tuán)隊(duì)之一，針對評價指標(biāo)和方法體系缺失等問題，經(jīng)過刻苦攻關(guān)，建立了碳纖維復(fù)合材料抽油桿檢測評價指標(biāo)和方法體系，實(shí)現(xiàn)了碳纖維抽油桿連續(xù)在線全截面檢測，為抽油桿的現(xiàn)場應(yīng)用提供了技術(shù)保障。2017年，由勝利油田自主研發(fā)制造的陣列探頭水浸超聲無損檢測方法不僅能夠準(zhǔn)確識別出產(chǎn)品內(nèi)在的毛刺、氣孔、裂紋等缺陷，而且實(shí)現(xiàn)了碳纖維抽油桿連續(xù)在線全截面檢測，填補(bǔ)了國內(nèi)外碳纖維連續(xù)抽油桿在線無損檢測空白，完成了涵蓋理化、力學(xué)、耐溫、制造缺陷等性能的碳纖維連續(xù)抽油桿質(zhì)量指標(biāo)體系及完善的檢測方法、裝備，形成了產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。
圍繞碳纖維抽油桿應(yīng)用中遇到的桿體斷、裂等問題，研發(fā)團(tuán)隊(duì)從碳纖維固化時間、拉擠速度等生產(chǎn)工藝入手，全面測試分析了各項(xiàng)參數(shù)對桿體綜合性能的影響規(guī)律，通過調(diào)整桿體結(jié)構(gòu)、優(yōu)化固化工藝等措施，不斷提升產(chǎn)品性能，斷、裂失效率由36%降為0。
 
碳纖維復(fù)合材料雖然抗腐蝕能力強(qiáng)，但是在井下高溫、高壓、高礦化油水介質(zhì)環(huán)境與交變載荷的共同作用下，也存在老化、損傷現(xiàn)象。為此，勝利油田通過仿真模擬試驗(yàn)，研究出碳纖維抽油桿的力學(xué)性能演化規(guī)律，確定了其在不同油井工況和環(huán)境中的應(yīng)用界限，為碳纖維抽油桿的設(shè)計、選型及維護(hù)提供了科學(xué)依據(jù)。
 
據(jù)統(tǒng)計，目前已有112萬余米碳纖維抽油桿在勝利、西北、中原等油田的961口井實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用，累計增油超17萬噸、節(jié)電超1300萬千瓦時，最長生產(chǎn)周期1526天，腐蝕井平均檢泵周期延長1.5倍，直接經(jīng)濟(jì)效益超3億元。
 
集輸管道碳纖維復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)
 
隨著研究不斷深入，碳纖維的應(yīng)用領(lǐng)域也得到了進(jìn)一步拓展。經(jīng)過持續(xù)攻關(guān)，研發(fā)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新形成了碳纖維補(bǔ)強(qiáng)工藝、3D復(fù)合材料罐頂結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)、原位修復(fù)增強(qiáng)一體化施工工藝等，突破了樹脂體系在水下等潮濕環(huán)境中無法固化的技術(shù)難題，使碳纖維在集輸管道及容器的修復(fù)中大顯身手。
 
該技術(shù)首創(chuàng)了碳纖維修復(fù)穿透型缺陷管道的設(shè)計方法及工藝，開發(fā)出集輸管道碳纖維復(fù)合材料修復(fù)工藝包。該技術(shù)針對不同類型集輸設(shè)備修復(fù)技術(shù)難點(diǎn)，技術(shù)人員經(jīng)過多年的技術(shù)攻關(guān)，研發(fā)了碳纖維補(bǔ)強(qiáng)工藝及碳纖維復(fù)合材料常壓儲罐罐頂制備工藝，以及3D復(fù)合材料罐頂結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)及原位修復(fù)增強(qiáng)一體化施工工藝，形成了罐頂成型工藝配套，以及纖維增強(qiáng)復(fù)合材料罐頂更換技術(shù)，建立了適用于油田的復(fù)合材料修復(fù)工藝與標(biāo)準(zhǔn)體系，配套關(guān)鍵工藝技術(shù)，有效提高了油田集輸設(shè)備的維修效率、修復(fù)效果，形成油田采輸設(shè)備快速修復(fù)及延壽技術(shù)體系，填補(bǔ)了碳纖維修復(fù)技術(shù)在油田集輸設(shè)備領(lǐng)域的空白，為碳纖維復(fù)合材料在現(xiàn)場應(yīng)用奠定技術(shù)保障。
 
碳纖維復(fù)合材料與傳統(tǒng)行業(yè)主流金屬材質(zhì)相比，具有天生對化學(xué)腐蝕的免疫，能有效減緩油井采出液對機(jī)采設(shè)備、集輸管道、容器、儲罐等設(shè)備的腐蝕，且重量輕（重量降低30%）、使用壽命長。新材料的應(yīng)用不僅降低了跑冒滴漏安全環(huán)保事件的發(fā)生概率、減少了材料消耗和作業(yè)費(fèi)用，而且碳纖維加固修復(fù)工藝與傳統(tǒng)修復(fù)工藝相比，無需停輸且修復(fù)效率提升兩倍以上。
 
據(jù)統(tǒng)計，目前，應(yīng)用該技術(shù)已累計修復(fù)油田集輸管道63條，管道長度8220 米，儲罐型容器33 座，置換碳纖維復(fù)合材料罐頂施工5座，有效減少了因設(shè)備本體腐蝕損傷、穿孔泄漏造成的維修更換、賠償費(fèi)用，減少泄漏隱患，累計節(jié)約維修資金達(dá)3500 萬余元。
 
石油化工企業(yè)屬于安全生產(chǎn)高風(fēng)險行業(yè)，而該新技術(shù)屬于本質(zhì)化安全技術(shù)，在油田集輸管道、容器、儲罐修復(fù)過程中無需動火作業(yè)，有效避免了傳統(tǒng)維修作業(yè)需要動火作業(yè)而帶來的安全風(fēng)險。隨著碳纖維復(fù)合材料在油田生產(chǎn)中的深入應(yīng)用，其在提高能源開采效率、降低運(yùn)營成本、促進(jìn)環(huán)境保護(hù)等方面展現(xiàn)出的巨大潛力，開發(fā)的油田集輸工況下碳纖維維修補(bǔ)強(qiáng)及評價技術(shù)，以及碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料罐頂制備新工藝技術(shù)，將進(jìn)一步推動我國油氣行業(yè)向更加智能、高效、綠色的方向發(fā)展。
 
油氣勘探開發(fā)經(jīng)常面臨高溫、高壓、油氣混合高腐蝕等極端環(huán)境，對應(yīng)用材料的耐熱、耐磨、耐腐蝕及長期服役性能都有很高要求。其中，碳纖維復(fù)合材料具備優(yōu)異的耐腐蝕性和耐高溫性，以及出色的力學(xué)性能和長期服役能力，在油田領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，不僅在油氣管道、儲罐、閥門等關(guān)鍵設(shè)備的制造和油井橋塞的強(qiáng)化修復(fù)中發(fā)揮著重要作用，而且在抽油桿、連續(xù)油管等油氣開采的核心部件制備中顯示出獨(dú)特的優(yōu)勢。
 
碳纖維復(fù)合材料輕質(zhì)、高強(qiáng)和出色的耐海水腐蝕能力，隨著碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用技術(shù)不斷進(jìn)步，井下工具和部件的耐溫性能有望得到顯著提升，預(yù)計耐溫能力將達(dá)到300攝氏度，能極大地提高深層超深層油氣勘探開發(fā)能力，也為油氣田高質(zhì)量高效開發(fā)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。