高强度碳纤维拉挤工艺环氧树脂开发开题报告

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1. 研究目的与意义（文献综述）

目前，我国各油田90%以上的抽油设备采用游梁式抽油机，而游梁式抽油机由于较多的机械传动设备，其系统运行效率相对较低，有关资料统计表明，油田30%的采油成本消耗在游梁式相油机^[1]。特别是对于易腐蚀井，钢质抽油杆因油井腐蚀问题难以解决，造成抽油杆因腐蚀断杆问题时有发生，既影响了油井正常生产，又增加了油井作业维修费用。在油田经济高效开发以及低油价等背景下，金属抽油杆的局限性也越来显著。统计显示，如果杆柱重量降低一半，仅电耗就能降低20% -30%^[2]。因此研究应用高强度、质轻、耐腐、抗磨的新材料替代金属抽油杆就成为必须要解决的现实问题。

碳纤维复合材料与传统材料相比，具有很多出色的优点，如比重轻、比强度和模量高、热膨胀系数小、耐老化、可设计性强、多种载荷作用时抗疲劳性好以及很好的耐腐蚀性，己被广泛应用于国防、航空航天、汽车工业、建筑材料、轻轨列车、能源发电、生物医用器具以及体育运动休闲器材等领域，且在某些领域已经取代传统单质的金属、陶瓷、高分子等材料，因此发展碳纤维连续抽油杆具有十分可观的前景^[3]。

图1 碳杆与钢杆、玻杆性能比较

美国于20世纪80年代初，开始研制碳纤维增强树脂基复合材料抽油杆，主要以航空航天材料和工程技术为基础，将碳纤维材料引入到有杆泵系统采油装备上，经过近10年的研究与改进，主要研制了碳纤维增强树脂基复合材料抽油杆、相配套的油井作业装备和作业软件^[4]。目前，美国Amoco公司和Dresser Oil Tool两家公司制造碳纤维抽油杆，制备过程主要包含连续碳纤维束、玻璃纤维布、芳纶纤维布的梳理部分，树脂浸渍部分，固化成型部分，牵引切割部分。经过室内和现场试验，采用拉挤工艺生产的连续碳纤维增强树脂基复合材料抽油杆己发展成定型产品，并在油井中广泛应用^[5]。

碳纤维增强树脂基复合材料抽油杆的研制在我国起步较晚，国内在1998年左右才开始研制该类产品，并初步制得了碳纤维抽油杆，后对碳纤维复合材料抽油杆的固化体系、成型工艺、界面性能、湿热环境老化性能、电化学腐蚀性能等方面也进行了深入研究^[6-9]。目前，国内主要有胜利石油管理局工程机械总厂、中国石油吉林石化公司、上海石化集团公司具备生产碳纤维抽油杆条件，已经进行了一系列抽油杆应用试验。如胜利油田下属五家采油厂，先后进行了50口油井现场应用，与钢制抽油杆比较，碳纤维抽油杆具有质轻，耐腐蚀、耐疲劳、产液量高等优点。而且所有试验井均未发生腐蚀或疲劳断裂失效，下井深度超过了2800米^[10]。

从2014年起，中国石油启动重大工业化试验项目，重点研究碳纤维抽杆在油田的应用技术，先后设计了专用采油配套设备、碳纤维抽油杆一钢抽油杆混合抽油杆柱设计软件，并进行了现场应用试验。2018年6月16日，中原油田采油一厂技术人员对文220-3井实施了碳纤维连续抽油杆下入。截至7月3日，该井产液量增加1.4 t，日耗电量由实施前的183 kWh下降到120 kWh，初步实现了深抽节能。这是碳纤维连续抽油杆深抽新工艺在国内油田的首次成功应用，为油田效益开发、降耗提效提供了一种新的技术手段。上海石化首次实现了碳纤维连续抽油杆国内自主生产，打破了日本及美国多年的技术垄断，并逐步实现规模化应用。2019年10月14日，在第21届中国国际工业博览会上，由上海石化股份有限公司、胜利油田、胜利油田新大管业三家单位共同申报的“以碳纤维及其连续抽油杆研制为核心的新型高效机采系统”获首次设立的中国国际工业博览会大奖(CIFF大奖)^[11]。

树脂基体是复合材料体系中的主要成分，复合材料成型过程中，树脂将纤维材料结成一个整体传递和均衡载荷，因此，基体树脂的性能决定了碳纤维复合材料抽油杆的主要性能。环氧树脂(EP)是碳纤维抽油杆用树脂基体，因其成型工艺好、固化收缩率低，复合材料制品尺寸稳定，而且价格较低廉，所以得到广泛应用。拉挤型多官能环氧树脂，具有耐温高、收缩率低、稳定性好、机械强度高等特点;但多官能环氧树脂因其特有结构，固化后脆性高，不耐冲击和易开裂，限制了其的推广应用。因此，近年来的研究热点是多官能环氧树脂的增韧改性技术，要求保持耐高温环氧树脂优异性能的同时，增加其韧性^[12]。多官能环氧树脂的增韧目前主要采用橡胶增韧与热塑性树脂增韧这两种方式。对环氧树脂增韧的热塑性树脂主要有聚芳醚系列、聚醚矾系列等高熔点聚合体，但其与EP树脂体系相容性较差，改性困难。目前，市售产品多采用纳米橡胶粒子增韧，虽然可以改善体系韧性，但其耐热性(Tg)有一定程度下降。纳米橡胶粒子//EP树脂体系粘度较大，给成型加工带来困难。新型杂萘联苯聚芳醚腈酮（PPENK）树脂^[13]属热塑性树脂，在杂萘联苯聚芳醚主链结构上引入钢性联苯链段，但其结构非共平面可以旋转，分子链柔顺较好。这样，保证了材料耐热性能，同时韧性、力学性能和加工性能优异。

碳纤维抽油杆需要较高的耐温、耐水和耐腐蚀性能，而决定上述性能的关键材料是复合材料用树脂基体，而目前国内对抽油杆用树脂体系研究不够广泛，碳纤维抽油杆应用推广难。因此，开发耐高温、耐腐蚀树脂，制备碳纤维增强耐高温高性能树脂基复合材料，并将其应用于油田用抽油杆，可以很好地满足部分油田使用需求，市场前景较好。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

从近年来抽油杆的研究成果及工业化生产情况看，碳纤维增强树脂基复合材料抽油杆尚未推广使用的主要原因有:一是采油领域使用环境较复杂，尤其是对于高温采油领域，随着油井井深增加及部分油田稠油井开采，井下采油温度不断高、腐蚀性更强，对碳纤维增强树脂基复合材料的耐热性能要求越来越高。碳纤维增强树脂基复合材料的耐热性能主要是由基体树脂的耐热性能决定，因此，对于超过6000米的深井环境 (井下温度超过1800c )，需要深入研究碳纤维复合材料抽油杆用树脂基体，以提高复合材料采油装备的耐热性能、耐水、耐腐蚀性能以及高温环境下的力学性能。

根据拉挤工艺的特点，要求树脂混合物常温使用周期长，中温固化挤出过程中要求快速固化成型。固化剂与环氧树脂混合后即使在促进剂存在下也有较长的可使用期，以满足生产要求。对于耐温拉挤型环氧树脂，主要组成有多官能耐高温环氧树脂、改性酸酐固化剂及其它助剂，具有混合粘度低、适用期较长、高温固化速度快、拉挤工艺性好等特点。因此，本论文主要研究内容为cf增强复合材料抽油杆用耐高温基体树脂。利用新型杂萘联苯聚芳醚腈酮（ppenk）热塑性树脂改性多官能团环氧树脂（ag-80），提高cf复合材料抽油杆用基体树脂的韧性、耐热性能。探索ppenk/多官能团环氧树脂共混体系的固化条件、力学性能、耐湿热性能;cf增强机理及cf / ppenk/ag-80体系的力学性能、抗疲劳性能、耐老化性能,并探究树脂体系拉挤工艺参数。

3. 研究计划与安排

2020.2.24-3.25 写开题报告

2020.3.26-5.25写阶段性报告

2020.5.31提交论文

4. 参考文献（12篇以上）

[1]石油工业节能节水专业标准委员会油田生产系统能耗测试和计算方法:sy/t 5264-2012[s]北京:石油工业出版社，2012:4-10.

[2]刘希明，刘常友，王效美，等.新型防脱抽油杆的研制与应用[j].石油机械，2004,32(7):35-36.

[3]王飞,李文文,全虎强,梁绍洪,陈旭,张红光.碳纤维连续抽油杆在中原油田的应用[j].内蒙古石油化工,2019,45(03):34-35.