石油的鉆探與開采逐步由陸地向海洋延伸，海洋也由淺海向深海延伸以滿足市場的需求。陸地與海洋的環境迥異，尤其是海水對開采設施的腐蝕相當嚴重，使其使用壽命大大縮短，加大了開采成本。陸地開采設備大多以鋼材為主，而深海開采用鋼材卻遇到許多技術難題，如海水腐蝕等，希望用碳纖維復合材料（CFRP）或碳纖維與玻璃纖維復合材料（CF/GFRP）、碳纖維與芳綸復合材料（CF/KFRP）予以解決這些難題。

CFRP在海底油田領域中的應用主要凸現其5個方面的特性:

(1)質量輕。
碳纖維密度大約在1.76～1.80 g/cm3之間，所制復合材料密度在1.50～1.60 g/cm3之間，而鋼材約為7.87 g/cm3。顯然，CFRP比鋼材輕得多。

(2)高比強度和高比模量。 123,123
CFRP的比強度約是鋼材的7～12倍，比模量約是3～5倍。所以，CFRP可用來制造輕而強和剛而堅的各種制品。

(3)耐疲勞強度高。
CFRP的耐疲勞強度高, 顯著優于鋼材,使用壽命長。特別是抽油桿的往復運動，管外海水壓力與管內壓力不平衡而引發材料的疲勞，導致疲勞斷裂。利用CFRP抽油桿可解決這一問題。

(4)耐腐蝕。
CFRP耐酸耐堿性強，耐各種環境腐蝕，且不生銹，在海水中使用壽命比鋼制件長得多。

(5)熱性能優異。
CFRP的熱膨脹系數小，軸向熱膨脹系數約為-0.1×10-6/℃，垂直于軸向熱膨脹系數約為+35×10-6/℃。在冷態環境下不脆裂，在熱態環境中尺寸穩定。CFRP的耐熱性很大程度上取決于基體樹脂。就碳纖維的耐熱性而言，可在300 ℃以下的空氣中長期使用。 本文來自123

以上這些綜合性能使CFRP成為開發海底油田的最好選材之一。



尤其是深海油田的開發將發揮更大作用。

一. CFRP在近海油田領域中的應用

CFRP在近海油田領域中的應用主要包括張力腿平臺（TLP）鉆探裝置（MODU）和漂浮生產系統（FPS）等方面。具體的應用構件如下：

生產井管:
生產井管是從海底延伸至鉆井平臺甲板的構件，大多采用直徑為266 mm管狀物。通過設置在其中的配管，油、氣從海底流到儲藏槽。對于近海油田, 可用鋼制井管，但使用壽命短；如果采用CFRP井管, 使用壽命將大大延長。一般鋼制管使用壽命2～3 年, 而CFRP井管可用20～25 年左右。因前者易被海水腐蝕，發生泄漏，不得不修補或更新。
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管材、儲藏槽和甲板:
GFRP可用來制造海水管道、防火防水管道、其他低壓管道以及儲藏槽、格柵框架等。其優點是價格低且耐海水腐蝕，不足之處是絕緣體可能引起靜電火災和爆炸事故。在復合過程中，基體樹脂中加入炭黑或短切碳纖維使其具有一定導電性而杜絕上述事故發生。在這方面所用碳纖維量并不多，但可賦予構件的防靜電功能。用CFRP代替GFRP制造上述構件，整體性能會得到顯著提高，但造價高，投資大。

撓性管和連接管（Umbilicals）:
用CFRP制造撓性管和連接管，即采用拉擠成形工藝制造出同心圓形狀，在聚合物樹脂管上施以增強金屬螺旋層（圓周方向增強層），構成比較薄的兩個層面。表層保持強度，內層賦予耐蝕功能。在變化較大的工作條件下，輸送各種流體。

連接管（Umbilicals）用來捆縛從平臺延伸到海底的液壓控制管線和甲醇輸送管線、熱塑性樹脂柔管、電氣電纜等管線，作為海面下生產及維修手段。為了減輕質量，可用CFRP替代金屬層。制造方法除用拉擠成型工藝外，也可以用纏繞法（FW）。 內容來自123456

平臺的二次結構材料:
平臺的二次結構件主要是指格柵框架、扶梯、輔助平臺、電纜托盤、電纜橋架等，已得到普遍應用。例如，殼牌公司在墨西哥灣的4 個TLP上都采用了格柵框架。此外，在混雜復合材料（CF/GFRP）橫梁的頭與尾突緣上也使用碳纖維。

浮力組件（Buoyancy Modules）:
在制造增強小直徑中空球的復合泡沫體時采用了碳纖維。這種浮力組件可用在1 200 m深海。特別是為了開采1 500～3 000 m深海的油和氣，這種浮力組件顯示出許多優點，用量與日俱增，將會成為碳纖維市場的新增長點。例如，美國復合材料技術公司用CFRP制造的浮力提升器組件，可提供8.6 t的浮力，可把錨從390 m深的水下提起。

槽罐和壓力容器:
用CFRP制造槽罐和壓力容器的顯著特點是輕量化，且制造技術日趨成熟。美國Addax公司用FW法制造CFRP地質勘探取樣器，可在3 000 m以上的深井中承受高溫（149 ℃）及高壓。此外，在煉油廠使用的鋁襯CFRP壓力容器和氣體過濾器也有著良好的應用前景。雖然CFRP壓力容器性能優異，但是要在海底油田得到廣泛應用也遇到成本問題。隨著碳纖維質量提高，產量擴大和成本下降，在這方面的應用將日趨普及。 123,123

二. CFRP在深海油田領域中的應用

CFRP在深海（900～3 000 m）油田中的應用倍受人們的關注，希望用高強度、高模量和質量輕的CFRP代替鋼制品，以減輕張力腿式平臺的自身質量和減輕張力腿支撐結構的負載。例如，在墨西哥灣的1 200 m深海油田用的升降機，升降管采用CF/GFRP混雜復合材料制造，質量輕，與鋼管相比質量減輕45 kg/m，1 200 m可減質量54 t，減重效果十分顯著，可大大減小浮力體的尺寸和投資。





對于深海油田，將平臺錨固到海底用的纜繩（tether）和連接油井口到平臺的管材（riser）是重要組成部分。如果用鋼材制造，質量重，需用大平臺的漂浮尺寸，必將增大投資。如用CFRP制造，自身減質量效果及減質量波及效果十分顯著。

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例如，一個深海1 500 m的作業平臺，用鋼制纜繩（tether）約為6 500 t，用CFRP纜繩（Compteter）僅為1 000 t。同時，前者最大深度只能到1 500 m左右，而后者可用到3 000 m的深海油田。此外，復合材料纜繩可卷繞到直徑為4.4 m的芯軸上，運輸和作業非常方便。圖1是復合材料纜繩，圖2是準備在海面安裝的復合材料管材。

三. 海水腐蝕管線的復合維修

如上所述，海底油田的鉆探和采油設備經常浸泡在海水中而引起腐蝕，尤其是輸送油水的碳鋼管容易被腐蝕而發生泄漏，不得不進行修復。用GF/CFRP的修復方法如圖3所示。維修工序大致如下：第一層是用玻璃纖維包裹層，且用環氧樹脂充分浸透，使其與腐蝕管線緊密接觸，且在固化后生成的GFRP層與管線牢固粘接；第二層是CFRP層，固化后的CFRP層與第一層GFRP成為承載壓力的整體結構。復合修復厚度最小在5 mm以上，在條件允許下最好在10 mm左右。修復后的管線使用年限約25 年，大于鋼材在海水中使用年限，且修復時間僅需3～4 d，在不停產的情況下就可完成。不會對產量造成大的影響。這已引起有關方面的重視。


四. 抽油桿

有桿泵抽油是目前常用的機械采油技術，抽油桿是有桿泵抽油的主要部件之一。目前，絕大多數抽油桿是鋼制件，笨重、磨損和腐蝕使其應用受到一定限制，取而代之的是CFRP抽油桿。早在20世紀90年代，美國開始研制CFRP柔韌性抽油桿。這種新型抽油桿為柔韌性的帶狀，橫截面為矩形，一根沒有接頭的長度可達3 000 m以上，是以不飽和樹脂為基體，碳纖維為增強纖維。