【摘 要】
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有杆泵抽油是应用最为广泛的采油技术,因开采深度的增加,油井环境不断恶化,普遍采用的钢制抽油杆频繁发生腐蚀断裂等失效问题,严重影响了抽油效率,限制了有杆泵抽油技术在深井、超深井和腐蚀井中的应用。近年发展的碳纤维/玻璃纤维混合增强复合材料连续抽油杆（简称“CFRP/GFRP复合材料抽油杆）具有轻质、高强、耐腐蚀等性能优势,应用于深井、腐蚀井的开采可发挥巨大优势,但由于油井环境复杂（高温/高压/交变荷载
【基金项目】
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山东省自然科学基金项目“碳-钢混合杆柱抽油系统动态性能评价与多目标优化设计方法研究”（编号:ZR2018PEE009）,2018.03-2020.03； 山东省高等学校科技计划项目“碳纤维—钢混合杆柱优化设计与系统效率研究”（编号:ZR2018PEE009）,2017.05-2020.05；
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有杆泵抽油是应用最为广泛的采油技术,因开采深度的增加,油井环境不断恶化,普遍采用的钢制抽油杆频繁发生腐蚀断裂等失效问题,严重影响了抽油效率,限制了有杆泵抽油技术在深井、超深井和腐蚀井中的应用。近年发展的碳纤维/玻璃纤维混合增强复合材料连续抽油杆（简称“CFRP/GFRP复合材料抽油杆）具有轻质、高强、耐腐蚀等性能优势,应用于深井、腐蚀井的开采可发挥巨大优势,但由于油井环境复杂（高温/高压/交变荷载/腐蚀溶液耦合作用）,CFRP/GFRP复合材料抽油杆的长期服役性能演化规律与机理尚无定论。开展复杂服役环境下杆体耐久性能退化机理和寿命评价研究是加快CFRP/GFRP复合材料抽油杆推广应用进程中亟需解决的关键问题。论文采用试验测试、有限元模拟和数值分析等方法,系统地研究了CFRP/GFRP复合材料抽油杆的结构优化、在复杂服役环境下的力学性能和热机械性能退化规律、微观结构变化规律和内部损伤机理,建立了温度、压强、交变荷载、腐蚀溶液耦合的复杂环境下CFRP/GFRP复合材料抽油杆长期寿命预测模型。主要研究内容与结论如下:（1）CFRP/GFRP复合材料抽油杆杆体结构优化。通过力学分析、有限元模拟与试验验证,分析了碳纤维/玻璃纤维组分、结构型式、纤维体积比对各纤维层应力、应变分布的影响,得到了杆体截面形状、碳纤维和玻璃纤维含量比和杆体尺寸等对杆体力学性能的影响规律,确定了受载合理、性能优化的杆体结构和纤维含量,为CFRP/GFRP复合材料抽油杆的杆体设计和生产制备建立了理论基础。（2）复杂油井环境下CFRP/GFRP复合材料抽油杆的热力性能演化规律。试验研究了实际服役井深条件下,CFRP/GFRP复合材料抽油杆层间剪切强度、弯曲强度、玻璃化转变温度（Tg）、储能模量和损耗因子的关键影响因素及其随服役周期的推移对杆体的作用规律;确定了影响杆体热、力学性能退化的关键因素,提出了实际服役环境下CFRP/GFRP复合材料抽油杆耐久性能评价方法。（3）典型服役工况下CFRP/GFRP复合材料抽油杆损伤劣化机理。采用热失重分析、密度测试、扫描电镜和超声导波等测试方法,研究了典型服役工况下杆体微观结构变化、组分和孔隙率变化、内部缺陷及其分布规律。研究结果表明:在服役过程中CFRP/GFRP复合材料抽油杆剪切强度和弯曲强度均呈现先下降后上升最后维持在一定水平上的变化规律,且服役温度越高压力越大,杆体强度保留率越小。在此基础上,基于Fick定律及水分子扩散理论,定量分析了杆体内部自由水与结合水含量,揭示了复杂服役环境下杆体水吸收特性、树脂基体老化、孔隙率和裂纹损伤等对杆体耐久性能的影响机理,提出了基于界面剪切强度的杆体长期性能演化预测方法。（4）复杂油井环境下CFRP/GFRP复合材料抽油杆长期疲劳寿命评价。研究了井筒温度对CFRP/GFRP复合材料抽油杆杆体弹性模量的影响,尤其是高温环境下杆体弹性模量的变化规律。研究结果表明:与钢制抽油杆不同,其弹性模量受井深温度的影响呈三阶段非线性变化趋势。通过DMA动态热力学性能试验获得了复合材料抽油杆弹性模量与温度之间的非线性函数关系,建立了更精确的复合材料抽抽油杆柱纵向振动方程和复杂油井环境下任意井深处复合材料抽油杆疲劳寿命评价模型,据此可预测不同型号复合材料抽油杆在任意泵径和下泵深度处的残余疲劳寿命,具有较强的工程应用价值,为油田加快深井、超深井以及腐蚀井开采具有重要现实意义。
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