碳纤维复合材料在油气开采中的应用

  深海油气开采属于石油开发中的一大趋势,第三次石油资源评价结果表明,我国海域内发现近40个海上油气田,有着多达150亿吨的石油资源储量,具有非常广阔的海上油气发展前景。近20年来,我国海洋油气生产日渐兴起,原油产量在全国原油产量占比逐年增加,在过去10年间,我国新增石油产量有53%来自海洋,2010年比例接近85%,证明我国海上油气生产的巨大潜力。

  随着我国陆地及浅海石油和天然气资源的急剧减少,陆地及近海油气田勘探已逐渐向深海发展。陆地与海洋环境迥异,深海油气勘探与陆地相比,整体上处于早期阶段,与其他先进国家存在一定差距,故加快深海油气开发已成为我国当前石油战略发展的重要课题。在深海中,传统的金属材料已无法承受高压负荷或安装运输成本剧增,加大了其开采成本,这就需要轻质高强的替代材料。碳纤维复合材料(CFRP)在海底油田领域中主要有以下优点:

  (1)质量轻。CFRP密度大约在1.50-1.60 g/cm3之间,约是钢材的1/5。

  (2)耐疲劳性高。CFRP的耐疲劳强度显著优于钢材,经过107次拉伸后剩余强度仍可达90%左右,减少因管内外压力不平衡而引发的疲劳断裂。

  (3)比强度高。CFRP的比强度约是钢材的7-12倍,可用来制造刚而坚的各种制品。

  (4)耐腐蚀。CFRP 耐酸碱,且不易生锈,所以在海水中使用寿命更长。

  (5)热膨胀系数和导热性低。CFRP的热膨胀系数小,在热态环境中尺寸稳定,就碳纤维而言,可在300C以下的环境中长期使用。

  此外,还有易于修补抗冲击性强、无浮力、运输安装便捷等诸多优点。现有许多由CFRP制成的深海油田开采装备,主要包括张力腿平台(TLP)钻探装置和漂浮生产系统(FPS)等。