碳纤维及其复合材料在油气田领域的应用及展望

摘要

碳纤维因其优异性能在油气田领域得到广泛应用。在国家政策支持下，碳纤维产业取得突破性发展。碳纤维在抽油杆、气瓶、管道补强、保温技术等方面有重要应用，短切碳纤维在桥塞、压裂技术等领域的应用也日益增多。碳纤维的高强度和大比表面积在其他领域也有潜力。随着海洋油气资源的开发，碳纤维复合材料的需求将进一步扩大，其研发和产业化正迎来重大创新期。

正文

碳纤维及其复合材料在油气田领域的应用及展望

作者：张 敏1，2，朱礼斌1，朱 波2，李洪俊1，杨先辉1

1. 中国石油集团渤海钻探工程有限公司，天津 300457；

2. 山东大学 碳纤维工程技术研究中心，济南 250061

关键词:碳纤维复合材料；油气田；应用；展望

中图分类号: TQ327.3

文献标识码: A

文章编号: 1007-9815（2017）03-0001-06

碳纤维作为一种新型材料在各个行业被广泛应用，其最大优点在于质轻、高强、高模、低密度、耐高温、抗腐蚀等，有“新材料之王”的美誉。“十二五”期间，国家政策的支持使得碳纤维产业取得突破性发展。如何更好地应用碳纤维是“十三五”期间的研究重点。碳纤维生产取材于石油，而碳纤维复合材料正被广泛地应用于油气田领域。

1.1 抽油杆

有杆泵抽油技术是国内外应用最广泛的机械采油技术，抽油杆是其关键部件之一。目前国内外使用的抽油杆主要是钢质的，它具有较高的疲劳强度，并且运输操作方便和价廉。但因其自身质大、强度低和抗腐蚀性能较差，无法满足深井、超深井、腐蚀井等的开采需要。在油田经济高效开发以及低油价的背景下，以及在油田开发现状的需求及节能降耗的要求等条件下，新材料抽油杆的研发就成为必须要解决的现实问题。尤其在当前国际原油价格持续低位的情况下，该项目的推进有助于油田企业降低生产成本，应对“寒冬”。

碳纤维抽油杆问世于1990年代初的美国，我国从1999年开始研制。碳纤维抽油杆具有质量轻、比模量高、比强度高、耐磨性和耐腐蚀性好、抗疲劳性能优等特点，其结构连续，只有上下两个接头，可以部分避免钢质抽油杆在采油过程中的局限性，并且可以延长检泵周期，降低采油成本。我国自主研发的碳纤维抽油杆进行了矿场试验，减载和增产效果明显，但应用过程中也出现了一些问题，例如管理不规范、杆柱设计不合理等，限制了其良好特性的发挥。针对这些缺陷和问题，研究人员一直在不懈地试验和努力，开发出了相关配套设施和技术，并探索了不同井况的下井工艺。

胜利油田试验井井况为：泵挂在直井段，井斜角＜5°，油粘度＜2 000 MPa˙s。摸索了钢杆和碳纤维杆的组合设计，开发了相应的软件，矿场试验证明计算结果与实测值比较吻合，对相近井况中碳纤维抽油杆的应用具有指导作用。大庆油田的现场应用展示了碳纤维抽油杆在节能、深抽、耐腐蚀等方面的优势。辽河油田将碳纤维连续抽油杆技术引入低孔低渗石油地质，增加了泵挂深度，提高了沉没度和单井产量，缓解了偏磨。

另外，研发人员研制了热稳定性好和耐摩擦的碳纤维扶正器、接头、连接器等配套工装，开发了能够顺利起下碳纤维连续抽油杆的配套作业车，更好的完成了碳纤维抽油杆的矿场作业任务，为碳纤维抽油杆的应用推广提供了保障。

1.2 压缩天然气气瓶

在油田开发过程中，天然气伴随着石油从井口管道的涌出随之喷出，但因为技术的原因，很多天然气要么被白白燃烧掉，要么被回注到地下。天然气价格实惠并且燃烧后产生的污染少，在国家经济和环境两手抓的背景下，需求越来越大，是近年来全球能源发展的趋势和热点。世界范围内，天然气储量与石油储量在同一数量级上，但储运一直是难题。压缩天然气（Compressed Natural Gas，CNG）气瓶是实现油田天然气的高效、低成本储存和运输的最佳载体之一。传统金属材料制成的压力气瓶由于材质本身的强度低、密度大、车载吨位等因素，导致气瓶容积受限。长度达几十米和直径达几米的大型碳纤维复合材料CNG气瓶呼之欲出，该种CNG气瓶具有质轻、比强度高、比模量高、破损安全性、节约能源、方便运输等优点，可以在保证容器承压能力的前提下，大幅度降低容器的质量。国内外很多企业很早就致力于该方面的研究，例如挪威的CETech公司，加拿大的TransOceanGas公司，美国的Lincoln公司、HydrosPin公司、SCI公司等，技术走在行业的前列。我国在该方面的研究起步较晚，应该多借鉴和学习国外的先进技术，为国产碳纤维复合材料CNG气瓶提供技术支持，以实现中国自主创新的国产碳纤维复合材料CNG气瓶生产工业化。

近年来，随着陆地油气田资源的过度开采，陆地油气资源面临着产能不足的严峻挑战，对海洋资源的开采越来越重视，如何储存海洋油田天然气并将之高效的运输到陆地，已成为海洋能源工业发展必须要解决的关键性问题之一。另外，美国油页岩产量急增和天然气价格的下降使得CNG气瓶的需求越来越大。大容积、质轻高强的碳纤维CNG气瓶的工业化生产将极大推动海洋天然气的开发，缓解我国油气资源短缺的情况，同时为改善环境出一份力。

1.3 管道及其配套技术

1.3.1 管道

管道在油气田资源的开采和储运过程中发挥着重要的作用，例如注水、注醇、注汽、污水输送、油气集输、电缆护套等。国内的油气开采领域中，90%的管道系统仍然是金属材质。金属管道具有耐高温、耐高压、抗刮擦等优点，但存在笨重、不易弯曲、管壁粗糙、易生锈、易腐蚀等缺点。为了克服金属管道本身的缺陷，研究人员开发了非金属管道，但仍存在强度低、抗刮擦性能差、耐热性不足等问题。可以同时克服金属管道和塑料管道各自缺点的复合管道应运而生，碳纤维复合材料因其优异的力学性能而被应用。碳纤维复合材料管道耐腐蚀、耐高压、质轻、运输安装便捷等优点明显，成为当前研究的热点。例如，美国Fiberspar公司研制的碳纤维复合材料智能管、荷兰Airborne公司推出的连续管、Magma Global公司推出的“M管”即碳纤维柔性立管等。在国外，该研究起步较早，现已在陆地和海洋的油气田领域推广应用。因为该类管道结构相对复杂，在我国研究与应用时间较晚，虽然国内部分企业已经取得了很大的进步，但和国外的产品相比还存在很大差距。

另外，碳纤维复合材料管的成型技术、管材之间的连接、连接的可靠性等对系统的正常运行起着至关重要的作用，而管道的高效运行不但关系着企业自身的发展，也关系着国家发展能源供应的安全。中国石油和化学工业联合会提出的《关于我国石油和化学工业“十三五”发展规划的建议（上）》中提到，“十三五”期间要稳步推进原油管道建设，加快成品油管道建设以及天然气管网设施建设。另一方面，海底深处油气资源的开采也逐渐由浅水区走向深蓝水域，而管道是油气集输的重中之重，对管道提出了更高的要求，这意味着油气管道建设市场将迎来新的挑战和机遇，因此，实现国内复合材料管技术的创新和突破，最大限度的推动本土化，对推动我国油气田资源勘探和开发意义重大。

1.3.2 管道补强

随着油气管道在役时间的增加，再加上敷设地区周围环境复杂多变，管道形成了各种各样的缺陷，严重影响了油气管道的运行安全，必须对其进行修复。通常情况下，管道修复使用的是碳钢。修复前必须停运管道，变更工艺流程；修复时需要动火焊接；修复后必须完成管道吹扫等，工作繁琐，耗时很长。

碳纤维补强加固工艺是利用碳纤维的高强度特性在服役管道外包覆一个加固层，与管道形成一体，分担管道承受的内压，从而达到对管道补强加固的目的。它的优势是修复时不动火，安全性好，施工简便，施工周期短，力学性能优良，适用于压强要求较高和大面积缺陷补强的情况。碳纤维补强加固技术已经广泛应用于陆地油气输送管线维修中，其优越性得到充分验证。从经济效益分析，比更换管道经济，但价格远远高于焊补，所以更适合应用于位置重要和不能轻易停产的管道修复。碳纤维复合材料管道在海洋油气田开发领域应用相对较晚，现场应用实例较少。

1.3.3 管道保温

随着油层温度和压力逐渐下降，原油在举升中将不断脱气和降温，导致井筒采出的原油粘度升高，流动阻力增大，结蜡区增多，严重影响原油产量，因此，管道保温对粘度大、结蜡严重的油气输送尤为重要。电加热集油工艺是采用井口电加热器将井口产液加热至进站温度，然后通过电加热保温管道将井口产液输送至转油站或阀组间的一种集油工艺。碳纤维电加热管是目前油田上正在使用的电加热技术之一。

大庆油田的徐深气田采气管道应用碳纤维电加热管道来保持输油管道管壁温度高于管内油品温度，管内壁几乎不结蜡，并且发热效率高、升温速度快和节能。张娜以每千米管径60 mm的管道为例，对比了老式碳纤维维温、新式碳纤维维温、串联式陶瓷材料电热带维温、并联式聚合物电热带维温这4 种电加热管道的投资和能耗，总结出老式和新式的碳纤维维温的电加热管道投资相差不大，碳纤维维温电加热管道的建设投资及运行费用最低。碳纤维维温系统也存在明显缺点，即接头多。接头的密封防水要求高，温控装置复杂，故障率高，施工管理以及现场维修难度大，所以在实际应用中存在局限性。

1.4 复合芯导线

我国油田对于电力的需求是巨大的，而且用电负荷还在不断增加，而走廊资源相对比较短缺。现有的输电线路已不堪承受传输容量快速扩容的需求，由于过负荷造成的停电、断电故障频频发生，电力传输进入了“技术瓶颈”阶段。新型的复合芯导线采用碳纤维复合材料棒材取代原有的钢芯，优势主要表现为：

①质量轻，大大减轻了导线质量；

②抗拉强度大，可有效减少导线架设杆塔的数量，保证线路安全运行；

③载流量大，输送容量更大，更节能；

④碳纤维复合芯是非铁磁性材料，通过交流电流时，不会产生磁滞和涡流损耗，线损低；

⑤耐疲劳性好，耐腐蚀，寿命长；

⑥现有的杆、塔等构件不必改造，可避免了原有线路改建的繁琐， 缩短工期，节省施工成本等。

郑伟研究了利用旧杆塔更换新型碳纤维复合芯导线实现增容改造的可行性，并对各方面的性能及费用进行了对比。张鹏等人对比了不同规格型号导线的性能、运行损耗、全寿命周期成本、一次性投资费用等，结果表明碳纤维复合芯导线一次性投资成本较高，但各种性能指标明显，从建设、运行、维护和退役的全过程来看，经济性较好。未来，在油田输电线路的改造工程中，碳纤维复合芯导线将发挥很大的作用。

2.1 桥塞

桥塞是利用电缆、油管、钻杆等工具投放到油层套管中，对油井进行封层，以达到分层作业目的的一种井下工具。压裂施工结束后，桥塞要在合理的工作压差和钻压作用下被切削，因此其性能既要满足坐封要求，又要方便钻除。桥塞多数部件采用了易钻除的复合材料，碳纤维是复合桥塞的组成原料之一。   

2.2 压裂球

压裂球是决定压裂是否成功的主要因素，压裂球的材质是其应用领域及工艺复杂程度的先决条件。张磊等人以碳纤维和聚醚芳酮为原料，采用挤出造粒的方法制备了高性能复合材料压裂球，发现碳纤维质量分数约为25%时，拉伸强度、剪切强度及弯曲强度的指标良好。尚晓峰等人运用ANSYS软件分析了3 种金属材质空心压裂球和一种碳纤维实心压裂球的受力及数值模拟模型，并分析了不同端面斜角时球与球座的应力和变形、球座斜面棱角处结构改变前后压裂球的数值分析，证明采用碳纤维复合材料制备的实心压裂球性能良好，强度试验也验证了可以满足各种复杂地质条件下压裂时对压裂球强度的要求。

2.3 纤维混注加砂压裂技术

纤维混注加砂压裂技术是将短切碳纤维加入到压裂液中，纤维在压裂液中依靠搭接、缠绕构成一种类似网状的互绕结构，该结构的存在限制了裂缝中支撑剂的自由运动。碳纤维的作用是增强防砂滤砂层的结构强度，提高防砂墙的抗拉和抗压能力。皇飞等人分析了不同长度、不同加量和不同交联温度的碳纤维对压裂液沉降高度和交联时间的影响，优选出最佳配比。刘琦等人进行了该技术的室内和现场试验。室内实验证明，加入碳纤维可以减缓支撑剂的沉降速度，提高悬砂性能，改善裂缝铺砂剖面，提高改造效果，且减少了聚合物等增粘剂的加入量，更有利于保护储层，优化导流能力，提高产量。该技术在海拉尔油田贝301区块进行了现场试验，结果表明具有较好的防砂效果。章敬等人根据克拉玛依油田克拉玛依组油藏具备低渗、水敏性强、岩性松软脆等特点，将纤维混注加砂压裂技术应用于其中的25井层，结果表明该工艺既可满足施工时携砂和固砂需要，且对裂缝长期导流能力影响甚微。

另外，刘强鸿等人采用碳纤维和有机交联剂作网架结构研制了新型的化学封窜堵漏剂，其原理与纤维混注加砂压裂技术类似。室内性能测试结果：封固剂的挤入深度随挤注压差的提高而提高，但均在20 cm以内，施工中合理控制封固剂量和施工压力，可在实现封固的同时有效保护储层。该技术在塔里木油田进行了现场应用，成功率100%，有效期均在一年以上。

2.4 补贴套筒

刘景豪等人采用碳纤维增强树脂制成补贴套筒，施工中补贴套筒在井下膨胀紧贴在油管或套管内壁上，通过电缆加热树脂材料产生热聚合，从而形成一个坚硬的永久性补贴套筒，且这种补贴材料不会发生腐蚀。这种修补技术的优点是：停井时间短、无需采取压井和防腐措施，修补后井径变化最小，大大节省成本。

2.5 水泥浆

牛萌等人在水泥混凝土中掺入碳纤维，以提高其抗弯强度和降低干缩率，同时提高水泥固化物的抗拉强度和变形能力，改善其韧性和抗冲击性。室内实验研究了纤维含量对水泥浆稠化时间、浆体稠度、流变性能、水泥石韧性等的影响，并将优选的水泥浆体系应用于延长油田中西部采油厂几口水平井，固井质量合格率均达到100%。高书文等人采用扫描电镜观察到短切碳纤维在浆液中的分布具有随机性以及碳纤维复合浆液不同龄期的水化产物状态。

碳纤维强度高、比表面积大，碳纤维复合材料比强度和比模量高、无磁性、高温和化学稳定性好、耐腐蚀，研究人员根据其特点开发了其他的应用。张翼等人将碳纤维用作生物转盘中生物膜附着的载体，研究了生物挂膜性能及对油田污水处理效果分析，结果发现COD去除效果好，可以增大日处理量，降级能耗和投资成本。兰凯等人开发了碳纤维复合材料钻杆。该钻杆是由复合材料管和钢接头组成，复合材料管是用碳纤维环氧树脂基复合材料采用缠绕工艺制成，并在其外涂耐磨材料并安装扶正器。已完成多口超短半径水平井的现场施工，使用过程中表现突出。罗小东等人利用碳纤维复合材料制成等强度悬臂梁对FBG进行封装，制作了一种FBG加速度传感器，试验表明该方案可行。随着海洋油气资源的开发，碳纤维在耐压耐腐蚀管道类、脐带式软管和锚固缆绳等方面正受到广泛关注。

⑴ 节能降耗是未来油气田发展的重要目标之一，要实现该目标，新材料的应用成为必然。碳纤维优点很多，但各向异性，如何在新产品研发过程中最大程度发挥其优越性能并规避其不足，是设计和研发人员重点考虑的问题。

⑵ 碳纤维复合材料现有的成型技术主要是二维成型，存在抗冲击性能差、层间强度低、容易分层等缺点，并且结构简单、可设计性差。可克服现有成型缺陷的成型技术的开发已成为复合材料研究的新热点。新的成型技术将更好推动碳纤维复合材料的应用。

⑶ 海洋现已成为资源争夺的焦点。随着海洋资源的开发，对新材料新技术的需求极具扩大，随着对碳纤维复合材料研究的不断深入，碳纤维复合材料的应用领域将会不断扩展。碳纤维及其复合材料的研发和产业化现已进入重大创新期，抓住机遇，挑战未来。