文|星揽史说
编辑|星揽史说
碳纤维复合材料因其密度低、强度高，以及耐腐蚀、耐疲劳等优异性能而备受关注，以碳纤维复合材料研制的碳纤维连续抽油杆及其相关领域的研究是一项系统工程，涉及诸多方面。
但仍存在成本高、基础理论研究不足等问题，还需要进一步深入研究。碳纤维连续抽油杆应用范围拓展以及结合人工智能、大数据等新技术是未来的发展趋势。
概述
碳纤维取材于石油，以其为主要材料的连续抽油杆在石油开采中应用效果良好，具有密度低、强度高以及耐腐蚀、耐疲劳等优势特征。
碳纤维复合材料连续抽油杆（以下简称碳纤维连续抽油杆）的出现并非偶然，其出现的最根本原因是油田现场的应用需求。
常规钢质抽油杆存在密度大、强度低、抗腐蚀性能较差等问题，导致失效频繁，失效分布情况所示，不能满足深井、超深井、腐蚀井等特殊油井原油开采的需要，一直是有杆泵抽油系统中的薄弱环节。
为克服常规钢质抽油杆的缺点，西方一些发达国家走在前列，研制出了柔性连续抽油杆，碳纤维连续抽油杆也因此应运而生。
碳纤维连续抽油杆最早起源于美国，20世纪80年代初美国开始研制碳纤维抽油杆，美国Henlan公司于20世纪90年代初利用航天技术中的高级石墨合成材料成功研制成一种非金属带状抽油杆，为验证石墨带抽油杆的可行性。
该公司1981年和1983年分别在1219.2m和1524m深的油井中对该种抽油杆进行了现场试验，试用效果良好，就此开启了碳纤维连续抽油杆研制及应用的大门。
我国拥有大庆油田、胜利油田、华北油田等近20个大型油田，油井总数超过35万口，以平均每口油井需要抽油杆约1500m计算，我国抽油杆年需求量约为525000km，市场空间巨大。
同时，为努力实现“碳中和”和“碳达峰”的“双碳”目标，进一步减少抽油过程所需能耗，从抽油杆入手，将传统的钢质材料替换为碳纤维复合材料可以节约能量50%以上。
同时能够有效减少二氧化碳气体排放。因此，开展以碳纤维为主要增强材料的连续抽油杆研究具有重要意义。
现有研究基础
国外从20世纪80年代初已经开始研究碳纤维连续抽油杆，并取得了一定的成果。
以“carbonfibercompositecontinuoussuckerrod”“carbonfibercontinuoussuckerrod”和“compositecontinuoussuckerrod”为关键词，在Googe学术数据库中检索到外文论文及专利文献共12519篇（截至2021年12月）。
从1980年到1990年这10年间国外平均每年发表文献100篇，处于起步研发阶段；1990年之后文献发表数量呈指数型快速增长的态势；2020年文献发表数量达到顶峰，达到817篇。
这足以说明国外对碳纤维连续抽油杆研究越来越重视。随着研究的深入，目前国外碳纤维连续抽油杆研究的重点和难点主要包括三个方面：
一是扩大碳纤维连续抽油杆的温度、强度等的可适用范围，通过新材料、新工艺等进一步提高其性能，降低作业过程中的风险性。
二是碳纤维连续抽油杆的无损检测方面，因其结构和材料的复杂性，具有不均质和各向异性的特点，传统无损检测技术难以处理。
如换能器无法具有相当高的耦合度，超声波方法很难实施，涡流法不适用于外层非导电玻璃纤维层，X射线技术操作简单，但存在健康安全和成本问题等。
三是碳纤维连续抽油杆复合材料的修复问题，在现场作业过程中碳纤维连续抽油杆会存在刮痕、凹坑等缺陷，CO2、H2S等井下复杂环境会加速其腐蚀。
降低碳纤维连续抽油杆强度，缩短使用寿命。解决了这些难点问题，必然会进一步加速碳纤维连续抽油杆的推广和应用。
据中国知网统计，1990年—2021年碳纤维材料在材料科学、有机化工等领域应用非常广泛，占比50%以上。尽管碳纤维材料在石油天然气工业中的相关研究只占所有学科领域的0.82%。
与材料科学、有机化工以及建筑科学与工程等学科领域相去甚远，但碳纤维材料由于其优异的性能，在石油天然气工业中具有广阔的应用前景。
我国20世纪90年代开始引进、研制碳纤维连续抽油杆。在对碳纤维连续抽油杆二十多年的研究过程中，我国许多学者发表了相关文章、申请了专利，为我国连续抽油杆事业的发展奠定了基础。
以“碳纤维复合材料连续抽油杆”“碳纤维连续抽油杆”和“复合材料连续抽油杆”为关键词，在Google学术数据库中检索到中文论文及专利文献1725篇（截至2021年12月）。
从图中可以看出，1980年至1990年，我国基本没有碳纤维连续抽油杆相关文献的发表，1990年之后才有一些学者开展相关研究，证实了我国20世纪90年代才开始引进、研制碳纤维连续抽油杆。
观察分析年度数据线可知，自1990年至2014年，我国碳纤维连续抽油杆相关文献发表数量虽然存在波动，但总体呈增长趋势。
2014年中文文献发表数量达到210篇，2014年之后，我国发表的碳纤维连续抽油杆相关领域文献逐渐减少。
对比国内和国外文献发表情况，国外文献发表数量多，增长迅猛，国内2014年最多文献数量仅达到国外平均水平，只占国外最多文献数量的1/4。
依据中国知网数据，1990年—2021年国内碳纤维连续抽油杆研究文献来源分布，我国碳纤维连续抽油杆相关领域论文文献的发表主要集中于《石油机械》《石油石化节能》与《高科技纤维与应用》等期刊，其中《石油机械》占比为26.09%，占比最高。
国内对碳纤维连续抽油杆相关领域的研究主要集中于石油企业与石油院校，据中国知网统计，1990年—2021年发表碳纤维连续抽油杆相关领域文献数量占比排名前十的国内研究机构。
其中胜利石油管理局工程机械总厂、西安石油大学以及中国石油大学（华东）所开展的研究工作最多，胜利石油管理局工程机械总厂发表文献占比22.91%。
主要研究进展
碳纤维连续抽油杆的研究是一个系统工程，涉及诸多方面。现从碳纤维连续抽油杆标准制定与发展、材料及成型工艺发展、与常规抽油杆差异性研究、现有成果总结等进行论述。
自20世纪90年代以来，我国逐步开展了碳纤维连续抽油杆研制，但是研制的规格和性能等存在差异，不利于大范围推广应用，需要规范化。
因此，我国于2003年首次发布了关于碳纤维连续抽油杆的石油天然气行业标准，即由胜利石油管理局工程机械总厂及北京化工大学起草的SY/T6585—2003《碳纤维复合材料连续抽油杆》。
随着科研工作者的不懈努力和科技水平不断进步，碳纤维连续抽油杆的研制逐渐趋于成熟，2013年发布新标准SY/T6585—2013《连续抽油杆》替代2003年发布的旧标准。
标准中增加了两条关于纤维复合材料连续抽油杆的术语和定义，截面形状和规格尺寸依旧沿用2003年旧标准，改变了规格表示方法。
该标准由胜利油田高原石油装备有限责任公司、胜利油田孚瑞特石油装备有限责任公司等联合起草。除了石油天然气行业标准之外，一些石油企业也根据自身和用户需求公布了自己的企业标准。
2019年发布新的行业标准SY/T6585—2019《连续抽油杆》，起草单位包括胜利油田高原石油装备有限责任公司、国家电动潜油泵质量监督检验中心等。
新标准中，增加了圆形复合纤维材料连抽油杆的分类、型号、规格及结构尺寸等相关内容。
现行行业标准中碳纤维连续抽油杆有两种截面形状，圆形和扁长形。圆形截面和扁长形截面各有优势，实际应用时结合现场工况优选。碳纤维连续抽油杆规格尺寸，扁长形截面3种规格，圆形截面5种规格。
碳纤维连续抽油杆杆体的性能指标见表2，在设计生产时需要满足规格尺寸要求，同时也要达到杆体的性能指标，扁长形截面和圆形截面碳纤维连续抽油杆杆体性能指标略有不同。
碳纤维复合材料具有良好的耐高温性能，碳纤维连续抽油杆杆体最高工作温度情况。目前的碳纤维连续抽油杆最高工作温度已经能够达到210℃。
而正常地温梯度为3~5℃/100m，计算可知碳纤维连续抽油杆最大工作深度可达4200～7000m。由表3可知最低玻璃化温度≥140℃，即至少在4600m左右地层深度使用，碳纤维连续抽油杆杆体不会出现玻璃化。
目前碳纤维连续抽油杆相关标准还停留在企业标准和行业标准的层次上，后期需要继续完善，制定国家标准，甚至牵头制定国际标准。
碳纤维连续抽油杆的制备一般包括以碳纤维为主的增强材料、树脂基体、固化剂、促进剂、脱模剂等材料。其中树脂基体可将以碳纤维为主的增强材料结成一个整体，起到传递和均衡载荷的作用。
因其重要作用，我国一些学者以树脂基体为方向，开展了碳纤维连续抽油杆的研制开发以及改良研究。
结语
对比国内外文献发表情况，国外文献发表数量多。依据中国知网数据，我国碳纤维连续抽油杆相关领域论文文献的发表主要集中于《石油机械》《石油石化节能》等期刊。
国内对碳纤维连续抽油杆相关领域的研究主要集中于石油企业与石油院校，其中胜利石油管理局工程机械总厂、西安石油大学等所开展的研究工作最多。
碳纤维连续抽油杆及其相关领域的研究是一个系统工程，涉及碳纤维连续抽油杆标准制定与发展、材料及成型工艺发展、碳纤维与常规抽油杆差异性研究等。
我国经过二十多年的发展，碳纤维连续抽油杆技术已经趋于成熟，产品规格也逐渐规范化，发布了相应的企业标准和行业标准，取得了一些显著的先进成果。
碳纤维连续抽油杆在国外经历了四十多年的发展，在我国也经历了二十多年的发展，碳纤维连续抽油杆及其相关领域的研究目前仍然处在“朝阳”期，在材料、理论基础、应用范围和与新技术相结合等方面还存在诸多难点，具有广阔的发展前景。
参考文献
1. 严彬涛.碳纤维材料在石油行业中的应用［J］.金属世界，2013，20（5）：8-10.
2. 石亚超.冷拔和热处理对30CrMo钢抽油杆组织和性能的影响［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2021.
3. 张紫檀，张宝安.碳纤维复合材料连续抽油杆的特点及应用［J］.石化技术，2019，26（5）：79，83.
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