碳纤维抽油杆力学性能测试研究

苏腾飞 1 赵功清 2

1中石化中原石油工程有限公司钻井二公司，河南濮阳 457001； 2.中石化中原石油勘探局有限公司车辆管理中心，河南濮阳 457001

摘要：近几年碳纤维连续抽油杆进行了攻关升级，对升级后的碳纤维连续抽油杆开展了拉伸、弯曲、静态老化、动态疲劳等力学性能测试。

关键词：碳纤维 抽油杆 力学性能

碳纤维连续抽油杆近几年进行了攻关升级，从最初的矩形杆体结构升级设计为圆形杆体结构，由碳纤维拉挤层、玻璃纤维缠绕层、玻璃纤维拉挤层从内到外包覆组成，并形成了碳杆热固拉挤成型工艺工业化生产线，已在各油田成功应用上百口井，累计应用长度超过22.7万米。现场应用表明，与钢制抽油杆相比，碳纤维连续抽油在节能降耗、深抽提液、防腐延寿等方面应用有明显的优势。

碳纤维连续抽油杆具有高强度、轻量化、耐腐蚀等特点，密度是钢杆的25%，耐酸碱腐蚀，耐温80-120℃。但碳纤维杆的弹性模量小，弹性伸长量较大，所以在投入现场应用前对其力学性能进行了测试研究。

1 碳纤维连续抽油杆拉伸性能测试研究

测试时，将碳纤维抽油杆试验试样两端连接试验接头，置于卧式材料拉伸试验机上，如图1所示。当测试变形量接近4.3mm时，碳纤维抽油杆发生塑性变形，最外层玻纤首先发生拉伸剪切破坏，裂纹持续向材料内部扩展，如图2所示，测试拉伸强度为1829MPa，是HL钢杆的180%。

图1 碳纤维连续抽油杆拉伸测试照片

图2 碳纤维连续抽油杆测试破断截面照片

2 碳纤维连续抽油杆弯曲性能测试研究

测试时，将碳纤维抽油杆试验试样置于万能材料试验机上，如图3所示。当测试变形量3.5mm时发生塑性变形，屈服强度834MPa；变形量7.3mm时试样破损，弯曲强度1164.6MPa，弯曲模量57.4GPa，与HL钢杆相当。弯曲变形测试曲线如图4所示。

图3 碳纤维连续抽油杆弯曲测试照片

图4 碳纤维连续抽油杆弯曲变形测试曲线

3 碳纤维连续抽油杆静态老化性能测试研究

通过静态老化试验，发现碳纤在长期应力下弹性模量降低、应变增大；碳杆的粘结材料环氧树脂吸水后老化，导致杆体强度降低；碳杆弹性模量降低（蠕变）是影响碳杆老化的主要指标。试验数据如表1所示，试验结果见表2，试验曲线如图5、图6所示。

表1 碳杆静态老化试验数据

碳杆	温度	压力	介质	应力	蠕变时间
外径22m、耐温120℃	40℃、60℃、80℃	20MPa	矿化水（10万、20万）	90、120、150KN	6、12、18M

表2 碳杆杆体应变位移变化表

蠕变时间（M）	载荷水平（KN）	应变位移（%）	弹性模量（GPa）	退化率（%）
6	90	0.67	104.1	1.8
12	90	0.68	103.9	2.0
18	90	0.71	103.7	2.1
6	120	0.70	103.8	2.05
12	120	0.78	103.2	2.6
18	120	0.84	102.9	2.9
6	150	0.7	103.7	2.1
12	150	0.85	102.6	3.2
18	150	0.98	101.5	4.3
标准要求：＞95GPa（碳杆初始值106GPa）
图5 温度、压力、矿化度加速因子随时间的变化曲线 图6 老化后碳杆的抗拉强度

4 碳纤维连续抽油杆动态疲劳性能测试研究

通过动态疲劳试验，在拉-拉高频工况下，碳杆的安全载荷不超过120KN，如表3所示。采用对数回归获得了碳杆疲劳S-N曲线，建立了杆体寿命预测模型，如表4和图7所示。从而预测在拉伸载荷≤120KN工况下碳杆使用寿命为10年。对15井次碳杆进行了检测，测试结果与寿命预测模型相符，如图7所示。

表3 碳杆疲劳寿命室内试验

疲劳工况（拉-拉）	疲劳循环次数（104次）
150/90kN	69.3
120/48kN	108.6
100/36kN	>120
参照钢杆的频率5次/s、100×104次的合格标准，碳杆极限载荷120kN、安全使用载荷100kN

表4 杆体弹性模量长期预测表（120KN、80℃）

蠕变时间（年）	弹性模量（GPa）	退化率（%）
标准要求	＞95	/
原杆值	106.0	0
1	103.3	2.6
2	102.1	3.7
4	98.8	6.8
6	97.3	8.2
8	96.6	8.9
10	95.8	9.4

图7 杆体的疲劳寿命预测模型（载荷120KN）

5 结论

（1）碳纤维连续抽油杆力学性能测试研究验证了其拉伸强度为1829MPa，是HL钢杆的180%；弯曲强度1164.6MPa，弯曲模量57.4GPa，与HL钢杆相当。

（2）测试研究发现碳杆弹性模量降低（蠕变）是影响碳杆老化的主要指标，并预测碳杆在拉伸载荷≤120KN工况下使用寿命为10年。