一種帶有耐磨防護(hù)層的連續(xù)碳纖維抽油桿的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于石油工業(yè)采油設(shè)備領(lǐng)域，具體涉及一種帶有耐磨防護(hù)層的連續(xù)碳纖維抽油桿，所加工的碳纖維復(fù)合材料連續(xù)抽油桿表面具有高硬度無機(jī)顆粒以提高整體耐磨性，可以適用于各種油井不同工況條件，具有較長的使用壽命。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著石油開采工業(yè)的發(fā)展和采用規(guī)模的提高，油井的深度和井下環(huán)境的復(fù)雜性都在不斷提高，目前國內(nèi)采油面臨的油井類型也出現(xiàn)了復(fù)雜多樣的趨勢(shì)，這促使了傳統(tǒng)鋼質(zhì)抽油桿逐漸被復(fù)合材料材質(zhì)的抽油桿所替代。復(fù)合材料屬于多相復(fù)合材質(zhì)，目前國內(nèi)采用的復(fù)合材料抽油桿主要有玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料抽油桿和碳纖維復(fù)合材料抽油桿兩個(gè)主要類別，這兩類復(fù)合材料抽油桿與均質(zhì)金屬抽油桿相比，面臨著井下高腐蝕環(huán)境和抽油過程往復(fù)運(yùn)動(dòng)帶來的偏磨等諸多問題。其中碳纖維復(fù)合材料抽油桿具有比玻纖抽油桿更高的強(qiáng)度、抗腐蝕性，因此其應(yīng)用潛力較為被人們看好，但是抽油桿體與油管接觸所出現(xiàn)的偏磨問題一直是其技術(shù)難點(diǎn)，也是導(dǎo)致碳纖維復(fù)合材料抽油桿應(yīng)用壽命較短的主要原因。
[0003]針對(duì)碳纖維復(fù)合材料抽油桿的偏磨問題，國內(nèi)研究者展開了諸多嘗試性研究，專利CN101396874公開了一種放置復(fù)合材料抽油桿偏磨的方法，其中采用的主要技術(shù)是在復(fù)合材料抽油桿桿體上進(jìn)行芳綸纖維或UHMWPE纖維的螺旋纏繞已制備表面耐偏磨層，然而這種方式采用的表面樹脂基體為熱固性樹脂，基體本身的物理特性導(dǎo)致了整體的耐磨性提高受限。專利CN1461870在碳纖維復(fù)合材料抽油桿表面采用了芳綸纖維或UHMWPE纖維束與玻璃纖維混雜組合而成的耐磨層結(jié)構(gòu)，但是同樣因?yàn)闃渲w采用了熱固性樹脂的原因而限制了耐磨性能的提高。專利CN103075112A提供了一種纖維復(fù)合材料防偏磨連續(xù)抽油桿的制備方法，其主要技術(shù)創(chuàng)新為采用了表面熱塑性樹脂材料和玻纖、碳纖維或玄武巖纖維等纖維混雜的復(fù)合耐磨層，盡管熱塑性樹脂從根本上擺脫了基體弱耐磨的問題，但抽油桿體表面采用的是單純注射成型樹脂的方式，因此耐磨層與復(fù)合材料抽油桿體界面結(jié)合強(qiáng)度不夠，在連續(xù)生產(chǎn)和卷繞工藝中存在表面層脫層的較大隱患。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004]本實(shí)用新型的目的為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，提供了一種帶有耐磨防護(hù)層的連續(xù)碳纖維抽油桿，以解決目前采油設(shè)備中存在的碳纖維復(fù)合材料連續(xù)抽油桿的偏磨問題。
[0005]為了解決以上技術(shù)問題，本實(shí)用新型的技術(shù)方案為:
[0006]—種帶有耐磨防護(hù)層的連續(xù)碳纖維抽油桿，包括抽油桿本體、包覆在抽油桿本體表面的玻璃纖維層以及包覆在玻璃纖維層外側(cè)的耐磨層，所述耐磨層包括纖維增強(qiáng)織物和涂覆在纖維增強(qiáng)織物表面的熱塑性樹脂層，熱塑性樹脂層中均勻混合有硬質(zhì)耐磨顆粒，使得耐磨層的表面均勻分布有所述硬質(zhì)耐磨顆粒。
[0007]在耐磨層預(yù)浸帶中采用了熱塑性樹脂基體同時(shí)采用高耐磨無機(jī)纖維織物增強(qiáng)，在預(yù)浸帶的表面采用預(yù)埋方式均勻分布無機(jī)硬質(zhì)耐磨顆粒，將熱塑性樹脂的自潤滑性與增強(qiáng)纖維和硬質(zhì)耐磨顆粒的高耐磨性相結(jié)合，有效提高抽油桿表面層的防偏磨特性，延長碳纖維復(fù)合材料抽油桿的應(yīng)用壽命。
[0008]優(yōu)選的，所述硬質(zhì)耐磨顆粒為碳化硅、氧化鋁、氮化硼、氮化硅、碳化硼、金剛石中的一種或多種的混合物，硬質(zhì)耐磨顆粒的粒度為0.Ιμ??-0.1mm之間。使用無機(jī)硬質(zhì)顆粒提高抽油桿表面層的防偏磨特性。
[0009]進(jìn)一步優(yōu)選的，所述耐磨層中，硬質(zhì)耐磨顆粒的用量占總重的2-10%，纖維增強(qiáng)織物的用量占總重的60-70 %，熱塑性樹脂基體的用量占總重的30-40 %。
[0010]硬質(zhì)耐磨顆粒均布在纖維增強(qiáng)織物的上表面和下表面，纖維增強(qiáng)織物的下表面與抽油桿本體接觸，硬質(zhì)耐磨顆?？梢耘c抽油桿本體進(jìn)行界面機(jī)械嚙合，防止了耐磨防護(hù)層從抽油桿表面滑脫和分層;纖維增強(qiáng)織物的上表面的硬質(zhì)耐磨顆粒與纖維增強(qiáng)織物之間形成球形滾珠形式，進(jìn)一步強(qiáng)化了抽油桿表面耐磨層的耐偏磨特性。
[ΟΟ??]優(yōu)選的，所述耐磨層的厚度為2-5mm。
[0012]優(yōu)選的，所述耐磨層為平面織物預(yù)浸帶通過螺旋纏繞固化成型。
[0013]進(jìn)一步優(yōu)選的，所述平面織物預(yù)浸帶的寬度為10-100毫米。
[0014]優(yōu)選的，所述耐磨層的熱塑性樹脂基體為聚乙烯、聚氨酯、聚酰胺、聚苯醚、聚砜、聚苯硫醚、聚四氟乙烯、聚甲醛或聚醚醚酮中的一種或多種。
[0015]優(yōu)選的，所述纖維增強(qiáng)織物包括上表面、下表面和中間層，中間層為單層或多層疊加結(jié)構(gòu);所述上表面和下表面為網(wǎng)眼布織物，中間層為單向纖維排布、平紋織物、斜紋織物或緞紋織物中的一種或多種。
[0016]優(yōu)選的，所述纖維增強(qiáng)織物由玻璃纖維、玄武巖纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維、氮化硼纖維或氮化硅纖維中的一種編織而成，或由以上多種纖維混編而成。
[0017]優(yōu)選的，所述的抽油桿本體包括增強(qiáng)纖維和浸漬在增強(qiáng)纖維上的樹脂基體，所述增強(qiáng)纖維為高強(qiáng)型碳纖維(拉伸強(qiáng)度大于3500MPa的碳纖維為高強(qiáng)型碳纖維)，所述的樹脂基體為環(huán)氧樹脂、聚氨酯樹脂、乙烯基酯樹脂或酚醛樹脂中的一種，制成的抽油桿主體的連續(xù)長度為l-5000m。
[0018]上述帶有耐磨防護(hù)層的連續(xù)碳纖維復(fù)合材料抽油桿的制備方法，包括如下步驟:
[0019]制備耐磨層的平面織物預(yù)浸帶的制備；
[0020]將硬質(zhì)耐磨顆粒均勻分散在基體樹脂膠膜中，然后將含有硬質(zhì)耐磨顆粒的膠膜鋪設(shè)于增強(qiáng)纖維織物的上下表面，將樹脂膠膜熔融浸漬于纖維織物中，使硬質(zhì)耐磨顆粒均勻分布在增強(qiáng)纖維織物的上表面和下表面。
[0021]優(yōu)選的，上述帶有耐磨防護(hù)層的連續(xù)碳纖維復(fù)合材料抽油桿的制備方法，還包括如下步驟:
[0022](1)將碳纖維絲束浸漬樹脂膠液，碳纖維絲束的運(yùn)行速度為400-900mm/分鐘；
[0023](2)在浸漬有樹脂膠液的碳纖維絲束的表面進(jìn)行包覆，然后將包覆好的碳纖維絲束進(jìn)行固化成型，固化爐最終溫度為160-180°C，固化時(shí)間為5-10min;
[0024](3)將制備得到的平面織物預(yù)浸帶在固化成型的抽油桿本體的外表面螺旋纏繞，纏繞厚度為2_5mm，纏繞速度為1-10圈/min;
[0025](4)將抽油桿纏繞的平面織物預(yù)浸帶進(jìn)行真空加熱熔融浸漬固化，真空度為0.06-
0.1MPa，最終的耐磨層厚度為l-4mm，得到目標(biāo)抽油桿；
[0026](5)將步驟(4)中得到的抽油桿快速冷卻至50°C以下(快速冷卻到50°C以下，為了保證樹脂硬度)，收集。
[0027]述的帶有耐磨防護(hù)層的連續(xù)碳纖維抽油桿在石油開采中的應(yīng)用。
[0028]一種帶有耐磨防護(hù)層的新型連續(xù)碳纖維抽油桿制備裝置，包括放絲架、浸膠槽、玻纖帶包覆裝置、復(fù)合材料抽油桿成型模具、二次固化爐、預(yù)浸帶耐磨層纏繞裝置、表面防護(hù)層固化裝置、冷卻裝置、牽引裝置及卷繞裝置組成，在碳纖維復(fù)合材料抽油桿桿體的拉擠成型設(shè)備的牽引裝置和卷繞裝置之間設(shè)有預(yù)浸帶耐磨層纏繞裝置和表面耐磨防護(hù)層固化裝置，將預(yù)浸帶耐磨層均勻螺旋纏繞在桿體表面后，通過表面防護(hù)層固化裝置完成熱塑性樹脂基體在桿體表面的固化成型，然后經(jīng)過冷卻裝置處理，形成帶有耐磨防護(hù)層的碳纖維復(fù)合材料連續(xù)抽油桿。
[0029]上述的熱塑性預(yù)浸帶纏繞裝置包括雙向纏繞盤、預(yù)浸帶放絲架、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置三部分組成。帶有硬質(zhì)耐磨顆粒的預(yù)浸窄帶置于預(yù)浸帶放置架上，放絲架固定在雙向纏繞盤表面，通過旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置為雙向纏繞盤提供動(dòng)力以碳纖維復(fù)合材料抽油桿桿體為軸心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，完成耐磨預(yù)浸帶在抽油桿桿體表面的螺旋纏繞。所用的纏繞方法為雙反向纏繞模式，以保證預(yù)浸帶能夠均勻完全地包覆在抽油桿主體表面。
[0030]本實(shí)用新型的有益效果為:
[0031]1、帶有耐磨防護(hù)層的新型連續(xù)碳纖維抽油桿，在碳纖維復(fù)合材料抽油桿表面通過螺旋纏繞技術(shù)制備了一層均勻厚度的無機(jī)耐磨纖維增強(qiáng)的熱塑性樹脂基復(fù)合材料耐磨層，熱塑性樹脂自身帶有較高的自潤滑特性，同時(shí)無機(jī)耐磨纖維既可有效保證熱塑性樹脂整體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有可通過自身較高的硬度賦予復(fù)合材料耐磨層較高的摩擦耐久度。
[0032]抽油桿表面的耐磨防護(hù)層復(fù)合材料中，均勻埋入式分布著硬質(zhì)耐磨顆粒，該硬質(zhì)顆粒與耐磨層纖維網(wǎng)眼織物形成類似軸承結(jié)構(gòu)，通過無機(jī)硬質(zhì)顆粒自身的高硬度高耐磨性和與網(wǎng)眼織物結(jié)構(gòu)形成的球形滾珠形式，進(jìn)一步強(qiáng)化了復(fù)合材料抽油桿表面耐磨層的耐偏磨特性。同時(shí)硬質(zhì)耐磨顆粒在與抽油桿桿體界面接觸的部位也起到了界面機(jī)械嚙合的作用，防止了耐磨防護(hù)層從抽油桿表面的滑脫和分層。
[0033]2、利用本實(shí)用新型提供的耐磨防護(hù)層的表面螺旋纏繞層成型技術(shù)，可以在碳纖維復(fù)合材料抽油桿桿體表面進(jìn)行高耐磨層的連續(xù)纏繞生產(chǎn)，在碳纖維抽油桿桿體連續(xù)生產(chǎn)的基礎(chǔ)上保證了耐磨層的連續(xù)性，二者可同時(shí)完成在線匹配，生產(chǎn)效率高。
【附圖說明】
[0034]圖1是本實(shí)用新型的生產(chǎn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035]圖2是本實(shí)用新型的抽油桿的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0036]圖3是抽油桿耐磨層的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0037]圖4是抽油桿耐磨層的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0038]其中，1、放絲架，2、浸膠槽，3、玻纖帶包覆裝置，4、抽油桿本體成型模具，5、二次固化爐，6、耐磨層預(yù)浸帶纏繞裝置，7、固化裝置，8、冷卻裝置，9、牽引裝置，10、卷繞裝置，11、抽油桿本體，12、玻璃纖維層，13、耐磨層，14、網(wǎng)眼，15、硬質(zhì)耐磨顆粒，16、中間層。
【具體實(shí)施方式】
[0039]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說明，但本實(shí)用新型不限于實(shí)施例。
[0040]如圖2、圖3和圖4所示，一種帶有耐磨防護(hù)層的連續(xù)碳纖維抽油桿，包括抽油桿本體11、包覆在抽油桿本體11表面的玻璃纖維層12以及包覆在玻璃纖維層12外側(cè)的耐磨層13，所述耐磨層13包括纖維增強(qiáng)織物和涂覆在纖維增強(qiáng)織物表面的熱塑性樹脂層，纖維增強(qiáng)織物的上表面和下表面均為網(wǎng)眼14結(jié)構(gòu)，熱塑性樹脂層中均勻混合有硬質(zhì)耐磨顆粒15，使得耐磨層表面的網(wǎng)眼內(nèi)均勻分布有所述硬質(zhì)耐磨顆粒15。
[0041 ] 實(shí)施例1
[0042]耐磨層預(yù)浸帶的制備:預(yù)浸窄帶制備所用增強(qiáng)纖維為玄武巖纖維與氧化鋁纖維的混雜纖維，兩種纖維用量比為2:1，增強(qiáng)纖維織物采用“網(wǎng)眼布/單向布/網(wǎng)眼布”