一种耐疲劳复合材料连续抽油杆及制备装置和制备方法

技术领域

本发明涉及油田采油设备领域，具体地说是一种耐疲劳复合材料连续抽油杆及制备装置和制备方法。

背景技术

随着开发的油藏类型越来越复杂，同时井深的不断增加和井矿环境的不断恶化，腐蚀和偏磨问题成为油田采油工艺亟待解决的问题。复合材料抽油杆具备轻质、高强、耐腐蚀等优越性能，已开始逐步取代传统的金属抽油杆。

目前采用的复合材料抽油杆主要包括玻璃钢抽油杆和碳纤维增强复合材料连续抽油杆两类。玻璃钢抽油杆采用玻璃纤维增强热固性树脂的拉挤工艺一次成型制备，已广泛应用，但随着现代采油的可靠性要求不断提高，玻璃钢抽油杆已不能满足要求，主要存在以下问题：耐偏磨性不好，疲劳强度不够，而且玻璃钢抽油杆均定长，两端各有一个金属接头，加工难度大，价格昂贵。另外因接头多，断脱几率高，活塞效应明显，接箍与油管偏磨严重的问题并未得到解决。碳纤维增强复合材料连续抽油杆历经数十年研究，由矩形截面纯碳纤维增强带状结构发展至圆截面多层包覆杆体结构。

中国专利CN1461870公开了一种碳纤维增强复合材料连续抽油杆及制备方法，采用碳纤维为增强材料，并由横向排列的芳纶或超高分子量聚乙烯纤维束和纵向的玻璃纤维组成整体包覆复合，主要解决增强抽油杆横向层间剪切强度，从而避免抽油杆在油井中发生纵向劈裂的问题，同时也提高了杆体的耐偏磨性和强度。但是该抽油杆采用拉挤、包覆的一次整体加工方法(包括放丝-浸树脂胶-包覆层包覆-预成型-固化-盘绕工序)，包覆层为纤维织物增强热固性树脂，不仅加大了材料成本，而且纤维织物包覆层的耐偏磨性不够理想。另外，由于该碳纤维增强复合材料连续抽油杆截面形状为矩形或椭圆形，且其厚度只有3～5mm，在应用专用设备起下井作业时，夹持部分的材料几乎无法选择，而且只能采用两片式夹持，左右方向无法限位，很容易发生杆体偏出夹持部分的现象。因此其专用下井作业设备夹持部分结构及材料开发难度较大，成为碳纤维增强复合材料连续抽油杆应用中的技术瓶颈，限制了该产品大规模推广应用。

发明专利CN200910272324.X公开了一种连续抽油杆，使用单向增强纤维拉挤、包覆热塑性耐磨层的方法，其工艺复杂，无法解决层间结合强度、疲劳问题。

以上公开技术的技术方案以及所要解决的技术问题和产生的有益效果均与本发明不相同，针对本发明更多的技术特征和所要解决的技术问题以及有益效果，以上公开技术文件均不存在技术启示。

发明内容

本发明的目的在于提供一种耐疲劳复合材料连续抽油杆及制备装置和制备方法，以解决油田采油生产中的腐蚀和偏磨问题、深井超深井采油问题为主要目的，制备出层间结合强度高、耐疲劳、作业使用方便的抽油杆。

为了达成上述目的，本发明采用了如下技术方案，一种耐疲劳复合材料连续抽油杆，其横截面结构由内向外依次为碳纤维增强层、层间结合过渡层、玻璃纤维增强层、玻璃纤维布层。

所述层间结合过渡层为碳纤维与玻璃纤维混杂在一起形成的层间结合过渡层。

所述碳纤维增强层自身中的碳纤维按照连续抽油杆杆体轴向排列布置；所述玻璃纤维增强层自身中的玻璃纤维按照连续抽油杆杆体轴向排列布置。

所述碳纤维增强层、层间结合过渡层中所使用的碳纤维模量在220GPa以上，所述层间结合过渡层、玻璃纤维增强层中所使用的玻璃纤维的模量在90GPa以上，所述玻璃纤维布层中所使用的玻璃纤维布为±35°双轴向布或者+45°/0°/-45°三轴向布，克重为150～600g/m

为了达成上述目的，本发明采用了如下技术方案，一种耐疲劳多层渐变复合材料连续抽油杆的制备装置，包括自前至后依次设置的碳纤维胶槽、碳纤维模具、预成型分纱板、展布板、高压注胶盒、自动混料注胶机、外层固化模具，其特征在于，所述碳纤维胶槽、碳纤维模具、预成型分纱板、展布板、高压注胶盒、自动混料注胶机、外层固化模具，上述部件的中心孔在一条直线上，所述展布板上部为弧形结构，下部开设圆孔。

为了达成上述目的，本发明采用了如下技术方案，一种耐疲劳多层渐变复合材料连续抽油杆的制备方法，包括以下步骤：

碳纤维在碳纤维胶槽(1)中浸润环氧树脂，经过碳纤维模具(2)加热与固化；形成碳纤维增强层；

碳纤维与玻璃纤维混杂后经过预成型分纱板(5)中间孔；形成碳纤维增强层外部的层间结合过渡层；

玻璃纤维层经过预成型分纱板(5)外层孔；形成层间结合过渡层外部的玻璃纤维增强层；

外层玻璃纤维布经过展布板(6)，完整包覆后经高压注胶盒(7)浸润树脂，之后经过外层模具(9)加热固化；形成玻璃纤维布层；

由以上步骤最后成型一种耐疲劳多层渐变复合材料连续抽油杆。

在碳纤维胶槽(1)中浸润环氧树脂的碳纤维为160-220束T300-12K碳纤维；碳纤维模具(2)加热温度100-140℃，碳纤维模具长度500mm。

采用20-40束T300-12K碳纤维与10-30束WS3000-2400tex玻璃纤维混杂在一起。

所述玻璃纤维层中的玻璃纤维采用60-100束WS3000-2400tex玻璃纤维。

自动混料注胶机(8)按照树脂:固化剂＝100:120自动混合后，以2MPa压力注入高压注胶盒(7)。

外层模具(9)加热固化温度为130℃-195℃，速度0.25m/min。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明提供了一种连续抽油杆，并针对该抽油杆结构设计出一套完整的工艺设备和工艺流程。通过本发明可生产出一种耐疲劳复合材料连续抽油杆，通过在碳纤维层与玻璃纤维层之间增加过渡层，减小了界面应力差，提高了层间结合强度，降低了弯曲直径，具有质轻、高强、耐疲劳、抗弯能力强等诸多优点；同时高模量玻璃纤维赋予抽油杆优异的抗拉性能连续杆仅两端有两个接头，极大的减少了接头数量，降低了断脱几率和活塞效应。连续抽油杆Tg值120～240℃，制成的杆体的连续长度为300～5000m，杆体直径为12～28mm，最高长期使用温度为80～160℃，拉伸疲劳寿命1000万次以上。

本发明所述的设备工艺操作简单，生产效率高，实现了复合材料连续抽油杆的连续自动化生产。

本发明应用于深井、超深井、腐蚀井举升，可在深抽提液、降载节能、防腐延寿等方面取得显著效果。

附图说明

图1是本发明的耐疲劳多层渐变复合材料连续抽油杆截面结构示意图；

图2为层间结合过渡层的细节图；

图3是本发明的制备装置的示意图；

图4是展布板的主视图；

图5为图4的俯视图；

图6为图4的A向视图。

图中：A为沿杆体轴向的碳纤维增强层，B为碳纤维与玻璃纤维混杂增强形成的层间结合过渡层，B-1为玻璃纤维，B-2为碳纤维，C为沿杆体轴向的玻璃纤维增强层，D为玻璃纤维布；

碳纤维胶槽1，碳纤维模具2，碳纤维与玻璃纤维混杂3，玻璃纤维4，预成型分纱板5，展布板6，高压注胶盒7，自动混料注胶机8，外层固化模具9。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1至图6，本发明提供一种技术方案：

一种耐疲劳复合材料连续抽油杆，其横截面结构由内向外依次为碳纤维增强层A、层间结合过渡层B、玻璃纤维增强层C、玻璃纤维布层D。

所述层间结合过渡层为碳纤维与玻璃纤维混杂在一起形成的层间结合过渡层。

所述碳纤维增强层自身中的碳纤维按照连续抽油杆杆体轴向排列布置；所述玻璃纤维增强层自身中的玻璃纤维按照连续抽油杆杆体轴向排列布置。

所述碳纤维增强层、层间结合过渡层中所使用的碳纤维模量在220GPa以上，所述层间结合过渡层、玻璃纤维增强层中所使用的玻璃纤维的模量在90GPa以上，所述玻璃纤维布层中所使用的玻璃纤维布为±35°双轴向布或者+45°/0°/-45°三轴向布，克重为150～600g/m

根据图3所示，一种耐疲劳多层渐变复合材料连续抽油杆的制备装置，包括自前至后依次设置的碳纤维胶槽1、碳纤维模具2、预成型分纱板5、展布板6、高压注胶盒7、自动混料注胶机8、外层固化模具9，所述碳纤维胶槽、碳纤维模具、预成型分纱板、展布板、高压注胶盒、自动混料注胶机、外层固化模具，上述部件的中心孔在一条直线上，所述展布板上部为弧形结构，下部开设圆孔。可实现圆形完整包覆。

制备装置中涉及到的部件本身、以及所使用到的树脂、固化剂等材料属于本领域的常规技术，直接应用即可。

实施例一：

190束T300-12K碳纤维在碳纤维胶槽(1)中浸润环氧树脂，胶液配比为树脂:固化剂＝100:120，经过碳纤维模具(2)加热，加热温度120℃，模具长度500mm，30束T300-12K碳纤维与20束WS3000-2400tex玻璃纤维混杂层经过预成型分纱板(5)中间孔，80束WS3000-2400tex玻璃纤维层经过预成型分纱板(5)外层孔，外层400g/m

实施例二：

按照实施例一，使用环氧树脂，比例为，树脂:固化剂＝100:100，生产速度20cm/min，碳纤维模具温度100℃，外层模具(9)加热固化,温度为130℃或165℃，成型一种耐疲劳多层渐变复合材料连续抽油杆，直径19mm，Tg125℃。

Tg值是指玻璃转化温度,可以理解为材料软化温度。还有，本领域中的树脂以及固化模具需要固化剂都是常用材料，属于公知技术，在制作同类复合材料时，都属于同样的树脂和固化剂。

本申请中凡是没有展开论述的零部件本身、本申请中的各零部件连接方式均属于本技术领域的公知技术，不再赘述。比如焊接、丝扣式连接等。

在本发明中，术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定。术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；“相连”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或单元必须具有特定的方向、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明的限制。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。