打開一片新天地-自主研發碳纖維抽油桿
近日，經勝利油田、大港油田、中原油田、遼河油田等多個油田先期實驗應用表明，由山東大學自主研發的“扁帶式柔性連續碳纖維復合材料抽油桿”（下稱碳纖維抽油桿）連續運行時間最長超過5年，技術達國際領先水平，同時“扁帶式柔性連續碳纖維復合材料抽油桿及其接頭”獲得了中國發明專利權，“碳纖維復合材料在石油開采中的應用”項目獲得國家科技進步二等獎。
技術國際領先
一排排牢固的鋼架上，一個個扇形鐵塊在電機驅動下像打鐵般往復運動，帶動著抽油桿將石油從地下源源不斷抽出，這是在許多采油區都可看到的抽油機工作時的情景。由于抽油桿時常處于運動摩擦之中，對強度、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用效果。”國家“863”碳纖維專項研究項目課題負責人、山東大學教授朱波在接受中國知識產權報記者采訪時表示，碳纖維抽油桿不僅強度高、耐腐蝕，而且重量輕，是同長度鋼制抽油桿重量的1/20，截面積僅為鋼制抽油桿的1/5，這就相對減少了抽油桿工作時的阻力，使4000米以上的超深井采油成為可能；長度連續，避免了采油過程中的活塞效應，極大降低了接頭斷脫幾率，延長了抽油桿的使用壽命。
“所有這些優點，是由于碳纖維材料本身的特性決定的。”北京化工大學教授趙東林向中國知識產權報記者介紹說，從專業角度講，當有機纖維或低分子烴氣體原料加熱至1500℃時，形成的含碳量93%以上的纖維狀碳材料就稱為碳纖維。因此，碳纖維及其復合材料具有高強度、低密度、耐高溫、耐腐蝕等特性。特別是與其他材料“嫁接”復合后，不僅可減輕重量，還可體現出“遺傳基因”的優秀綜合性能。
“碳纖維抽油桿柔韌性非常好，最小彎曲半徑僅0.35米，在生產和運輸中可進行盤繞，節省空間。”朱波表示，除了材料本身的優點，使用碳纖維抽油桿還有利于機械化作業，節省工作時間，降低勞動強度，對于提高自動化管理水平和勞動效率有積極的意義。目前，我國自主研發的碳纖維抽油桿項目已經具備了優良的綜合系統集成特性，綜合技術達國際領先水平。
產業化前景廣闊
從輕巧耐用的網球拍到采油生產的抽油桿，碳纖維制品正從科研機構的“深閨”走入大眾的生活與工作。趙東林介紹，碳纖維廣泛應用于航空航天、文體用品、紡織機械、醫療器械、生物工程、建筑材料等方面。目前，世界上只有日本、美國、德國、俄羅斯和中國等少數國家具備碳纖維材料的研發和生產能力。國際市場對碳纖維需求逐年上升，價格從幾年前的每磅5美元上漲到現在的20多美元，提高了近4倍。據統計，2007年，全球碳纖維產量總計為3萬噸，而我國進口量高達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的自主研發顯得十分迫切。
朱波談到，為給采油設備提供綜合解決方案，在碳纖維抽油桿技術系統的研發過程中，課題組還自主研發了配套的碳纖維復合材料扶正器、多種可靠聯接頭及其裝配操作臺，并結合油井地礦條件、抽油機械的規格及碳纖維抽油桿的特性，自主研發了相應的現場作業及系統優化軟件，并開發了較為完善的生產工藝，具備了產業化基礎。
目前，碳纖維抽油桿的實用價值已在應用中顯現。朱波表示，碳纖維抽油桿先期實驗應用油井累計數百口，實驗井深最深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。實驗測試結果表明，使用碳纖維抽油桿，節電可達30%以上，產油量提高1/3以上，經濟效益顯著，而且生產過程無污染，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用前景，朱波信心十足，我國正在開采和尚未開采的油井大約有30萬口，碳纖維抽油桿的應用率按10%計算，則需3萬根，按每根使用壽命3年計算，則每年需要1萬根。如果建設年產1000根、每根2000米的抽油桿生產裝置，則年產值將超過1億元。碳纖維抽油桿如果能在油田系統大量使用，則可帶動和促進相關產業的快速發展，創造可觀的社會效益和經濟效益。
據朱波介紹，“對碳纖維材料的研究，重要的還在于突破國外封鎖，不斷拓展應用領域，形成自主知識產權，發展民族產業。目前，包括參與先期實驗的油田以及大慶、江漢、新疆等多家油田負責人均表示，希望應用自主研發的國產碳纖維抽油桿。”
