碳纖維是一種纖維狀的碳材料，最大的特點就是輕質高強，密度不到鋼的1/4，但拉伸強度是普通鋼的7～9倍。具有優異的耐腐蝕性和耐高溫性，并且還具有與銅相似的導電性能，是集優良的電學、熱學和力學性能于一體的新型材料。碳纖維是在1000℃以上的惰性氣體中，利用高溫分解法對有機纖維(聚丙烯腈、瀝青等)進行燒制，去除纖維中除碳以外的其他元素即得到碳纖維。碳纖維一般不單獨使用，而是作為增強材料，添加到樹脂、金屬、陶瓷或者是混凝土當中構成復合材料，其中應用最多的是碳纖維增強樹脂。碳纖維從誕生到現在，已經廣泛應用于航空航天、高端工程裝備、重大基礎建設結構工程、壓力容器以及體育休閑用品等領域。
在抽油桿中的應用
在油氣開采業中，抽油桿是采油系統的主要部件，傳統的鋼制抽油桿在柔韌性和抗腐蝕性方面存在不足，在開采“三高井”或超深井時損耗較大，相比之下，碳纖維材料抽油桿由于其出色的力學性能和機械強度，在油氣開采業正得到廣泛應用。目前，碳纖維抽油桿已經在國內很多油田得到廣泛應用，中國石油集團大港油田、中國石化集團勝利油田等油田都開展了碳纖維抽油桿技術推廣。2015年，由中國石油集團鉆井工程技術研究院江漢機械研究所研制開發的碳纖維連續抽油桿作業機在新疆油田完成首次下井試驗。試驗在位于新疆油田采油二廠五區553 井區的克503井進行，該井深2068 m，設計使用碳纖維連續抽油桿1080m，泵掛深度1799.47m，下入抽油泵后反復循環抽水作為模擬抽油試驗。試驗的成功有望解決深井、超深井和腐蝕井的開采難題，對于降低抽油井能耗和提高抽油效率具有重大意義。
在超高壓連續管中的應用
碳纖維復合連續管由碳纖維增強環氧樹脂結構層和熱塑性內襯構成，外部由耐磨熱塑性材料包覆。目前，2in常規連續管QT-1000的破裂壓力僅為140MPa，不能滿足超高壓水射流鉆井技術的需要。而商業應用的碳纖維復合管破裂壓力能夠達到207MPa，滿足超高壓水射流作業要求，如圖1所示。內壓為83MPa的條件下，2inQT-1000 連續管起下鉆16次后即失效，QUALITY TUBING公司的Incoloy-625連續管的疲勞壽命為70次，而FIBERSPAR SPOOLABLE PRODUCTS 公司的碳纖維復合連續管的疲勞壽命超過2000次，如圖2所示。
圖1 2in不同材質連續管破裂壓力對比
圖2 82MPa壓力下2in不同連續管疲勞壽命（起下鉆次數）（3）在海洋平臺中的應用
海洋中蘊藏著豐富的油氣資源，油氣勘探開發正在由陸地向海洋，由淺海大陸架逐漸向深海延伸。然而，海洋中環境復雜多變，復雜的海水含鹽量很高，對設備設施具有極強的腐蝕性，很多設備設施都是以鋼材料為主，這就無形中增加了開采成本，同時也加大了作業風險。碳纖維材料的低密度、高性能、高強度能夠有效緩解鋼制材料在深海環境所承受的重量和壓力載荷。在深海油田所使用的平臺臍帶纜、錨固纜繩和油井口連接到平臺的管材（立管）都可以用碳纖維材料部分代替，這樣能夠有效降低平臺的重量以及所承受的壓力，節約成本。一個1500 m的深海作業平臺，鋼制纜繩使用量大約為6500t，如果用碳纖維材料纜繩替代能夠減少1/6的重量，并且相比于鋼制材料，碳纖維材料的使用深度能提高一倍，而且碳纖維材料的柔韌性也更便于運輸和施工作業。
碳纖維及其復合材料在石油工程領域具有廣闊的應用前景，國內制約碳纖維發展的決定性因素是生產技術瓶頸，產品質量產量和成本導致缺乏市場競爭力，因此亟待解決技術問題，發展高級別產品。只有在技術上取得突破，才能提高市場競爭力，打破國際壟斷。石油企業應與相關高校和科研院所加強合作，聯合開展碳纖維復合材料的攻關研究。同時，國家應當加大對碳纖維行業的扶持力度，鼓勵石油企業研發和生產碳纖維材料，提高企業的自主創新能力，使企業能夠擁有自主技術和知識產權。
來源：石油工程科技動態
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