CN104343396A - 一种纤维增强复合材料连续抽油杆的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种纤维增强复合材料连续抽油杆及其制备方法；该抽油杆采用包覆复合结构，内层是碳纤维增强环氧树脂，外层是玻璃纤维平纹织物增强环氧树脂作为包覆层，由玻璃纤维纬纱横向增强抽油杆，该抽油杆经退丝，纤维干燥处理，浸树脂胶，包覆层包覆，预成型，后固化，牵引，盘绕工序制备，提高了抽油杆层间结合力，解决了抽油杆单列、多层盘卷方式造成的外端卷绕半径过大，使卷盘侧向劈裂的问题。

Description

一种纤维增强复合材料连续抽油杆的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种纤维增强复合材料连续抽油杆的制备方法。
背景技术：
有杆泵机械采油是目前国内外应用最广泛的采油技术，抽油杆是该技术的关键部件之一。抽油杆在抽油过程中不但要承受交变载荷、振动载荷和冲击载荷等作用，还要受到酸、碱的强烈腐蚀，近年来我国内陆油藏液面不断加深，对抽油杆的耐腐蚀性能和轻质高强提出了更高的要求。普通的钢质抽油杆耐腐蚀性差，自重大，在深井和超深井的开采中显现出不足，失效频率居高不下，能耗高。
纤维增强复合材料连续抽油杆比传统的钢质抽油杆具有密度小、强度高、耐腐蚀、抗疲劳、可连续盘绕等优异性能，已经成为有杆泵机械采油中抽油杆的发展方向。
中国专利99112384.0公开了一种“柔性连续扁带式碳纤维抽油杆及其接头的制备方法，其方法是将碳纤维和玻璃纤维拉挤复合，没有横向纤维增强，导致层间剪切强度较低，容易在油井中发生复合材料抽油杆纵向劈裂。中国专利00111155.8公开了一种高韧性芳纶碳纤维复合材料拉杆，以芳纶和碳纤维作为增强材料，芳纶与环氧树脂结合力较差，没有解决抽油杆横向强度低的问题，成本较高。中国专利00105168.7公开的一种复合拉杆，采用碳纤维与芳纶纤维编织网套，中间穿有骨架增强纤维，压扁后与树脂复合，难以工业化实现。另外大量使用芳纶纤维也存在成本较高，与环氧树脂结合力较差的问题。美国专利US4416329公开了一种复合材料抽油杆，该专利用芳纶织物（或玻璃纤维）作为包覆层，包覆在增强碳纤维束外，以环氧树脂或乙烯基酯树脂为基体复合而成，用乙烯基酯树脂作为基体用芳纶包覆碳纤维，其界面结合力较差，容易发生包覆层与碳纤维脱层，影响使用寿命。且芳纶织物做包覆，成本较高。该专利虽提出用玻璃纤维做包覆层，但未公开拉挤制备方法。中国专利02117884.4公开了一种纤维增强复合材料连续抽油杆及其制备方法，包覆层横向采用芳纶纤维或超高分子量聚乙烯纤维，增加横向强度，纵向采用玻璃纤维一定程度上增加了树脂的结合力，采用乙烯基酯树脂作为基体，韧性较低，同时芳纶的引入一定程度上增加了制造成本。
以上所述专利都没有采用多列、多层的盘卷方式，抽油杆在盘卷的时候，5000米抽油杆最外层的盘卷直径可达到5米以上，容易导致卷盘外缘发生侧向劈裂，尤其是在作业过程中卷盘发生侧向劈裂时，现场无法处理，给抽油杆产品包装和采油作业增加难度，直径过大超过公路运输的标准，给运输带来困难。
以上所述专利中公布的制备方法中都没有述及碳纤维浸树脂前进行干燥及干燥方法，碳纤维受潮将直接导致与基体树脂结合力变差，降低抽油杆强度。
发明内容：
本发明目的在于研制一种适用于深井和超深井采油的一种纤维增强复合材料连续抽油杆的制备方法，解决长期以来使用钢质抽油杆机械采油效率低，采油成本高的问题，同时尽可能降低制造成本，提高杆体层间结合力，降低产品包装、运输和采油作业的难度。
本发明所述的一种纤维增强复合材料连续抽油杆，由碳纤维和玻璃纤维增强环氧树脂复合材料组成，杆体截面为矩形，采用包覆复合结构，纵向排布的碳纤维为内层，玻璃纤维平纹织物为包覆层，其经纱在抽油杆中纵向排布，纬纱横向排布以起到横向增强抽油杆作用，环氧树脂胶液为基材，原料配比为：
碳纤维：             76～80wt%
玻璃纤维：           1.1～1.3wt%
环氧树脂胶液：       18.7～22.9wt%；
环氧树脂胶液原料重量份数比为：双酚F型环氧树脂：固化剂：促进剂：脱模剂=100：65～80：1～6:0.8～6。
本发明所述的一种纤维增强复合材料连续抽油杆的制备方法，
按如下步骤进行：
（1）将碳纤维由退丝纱架引出，进入干燥区经红外加热管阶梯干燥，温度140℃～160℃，分三段加热，各段温差10℃；
（2）然后进入环氧树脂胶液的浸胶槽浸渍，浸渍后复合上玻璃纤维平纹织物；
（3）进入拉挤机的预成型区分四段加热预成型，第一段为150℃、第二段为165℃、第三段为175℃、第四段为160℃；
（4）接着进入后固化区固化，后固化温度范围是200±2℃～230±2℃；
（5）经连续牵引，将卷盘装于盘卷机构上，通过盘卷机构把抽油杆盘绕到卷盘上，抽油杆在卷盘上呈多列、多层排列，卷盘由丝杠控制可横向移动，卷盘每旋转一周，横向丝杠控制卷盘横向移动与抽油杆宽度相同的距离，并保证抽油杆始终与收卷部位成一条直线。
本发明所述纤维增强复合材料连续抽油杆技术指标为：
拉伸强度：    ≥1800MPa
抗疲劳性能：  频率≥10HZ，107次5±2吨交变载荷后，拉伸强度保持率≥90%
层间剪切强度：  ≥68MPa
弯曲弹性模量：  ≤120GPa
热变形温度：    ≥180℃
密度：          1.6g/cm3
本发明所述纤维增强复合材料连续抽油杆体密度约为钢质抽油杆的1/4，柔性好，连续长度可达5000米，采用多列、多层盘卷的方式，运输方便，避免了卷盘外缘容易侧向劈裂的问题，作业安全可靠，采用了红外加热管对碳纤维进行干燥处理，提高了抽油杆层间结合力，层间剪切强度可以达到68MPa以上，适用于腐蚀性油井、深井和超深井的有杆泵机械采油。
附图说明
图1为本发明的纤维增强复合材料连续抽油杆制备工艺流程图。
图2为发明的纤维增强复合材料连续抽油杆收卷盘图。
图中，1—退丝纱架、2—干燥区、3—浸胶槽、4—预成型区、5—后固化区、6—盘卷机构、7—抽油杆、8—卷盘。
具体实施方式：
实施例：
一种纤维增强复合材料连续抽油杆，由碳纤维和玻璃纤维增强环氧树脂复合材料组成，杆体截面为矩形，采用包覆复合结构，纵向排布的碳纤维为内层，玻璃纤维平纹织物为包覆层，其经纱在抽油杆中纵向排布，纬纱横向排布以起到横向增强抽油杆作用，环氧树脂胶液为基材，原料配比为：
碳纤维：           76～80wt%
玻璃纤维：         1.1～1.3wt%
环氧树脂胶液：     18.7～22.9wt%
环氧树脂胶液原料重量份数比为：双酚F型环氧树脂：固化剂：促进剂：脱模剂=100：65～80：1～6:0.8～6。
上述的一种纤维增强复合材料连续抽油杆的制备方法，按如下步骤进行，将碳纤维由退丝纱架1引出，进入干燥区2经红外加热管阶梯干燥，温度140℃～160℃，分三段加热，各段温差10℃；然后进入环氧树脂胶液的浸胶槽3浸渍后，再复合上玻璃纤维平纹织物；再进入拉挤机的预成型区4分四段加热预成型，第一段为150℃、第二段为165℃、第三段为175℃、第四段为160℃；接着进入后固化区5固化，后固化温度范围是200±2℃～230±2℃；经连续牵引，将卷盘装于盘卷机构6上，通过盘卷机构把抽油杆7盘绕到卷盘8上，抽油杆在卷盘上呈多列、多层排列，卷盘由丝杠控制可横向移动，卷盘每旋转一周，横向丝杠控制卷盘横向移动与抽油杆宽度相同的距离，并保证抽油杆始终与收卷部位成一条直线。
本发明的纤维增强复合材料连续抽油杆性能指标（固化温度为210±2℃）：
拉伸强度：1900MPa
层间剪切强度：72MPa
热变形温度：191℃
最小盘卷直径为1.2米，卷盘宽度0.6米，最大盘卷直径为2.5米。

Claims (4)

1.一种纤维增强复合材料连续抽油杆的制备方法，其特征在于：
按如下步骤进行：
（1）将碳纤维由退丝纱架引出，进入干燥区经红外加热管阶梯干燥，温度140℃～160℃，分三段加热，各段温差10℃；
（2）然后进入环氧树脂胶液的浸胶槽浸渍，浸渍后再复合上玻璃纤维平纹织物；
（3）再进入拉挤机的预成型区分四段加热预成型，第一段为150℃、第二段为165℃、第三段为175℃、第四段为160℃；
（4）接着进入后固化区固化，后固化温度范围是200±2℃～230±2℃；
（5）经连续牵引，将卷盘装于盘卷机构上，通过盘卷机构把抽油杆盘绕到卷盘上，抽油杆在卷盘上呈多列、多层排列，卷盘由丝杠控制可横向移动，卷盘每旋转一周，横向丝杠控制卷盘横向移动与抽油杆宽度相同的距离，并保证抽油杆始终与收卷部位成一条直线。
2.根据权利要求1所述的纤维增强复合材料连续抽油杆的制备方法，其特征在于：环氧树脂胶液原料重量份数比为：双酚F型环氧树脂：固化剂：促进剂：脱模剂=100：65～80：1～6:0.8～6。
3.根据权利要求1所述的纤维增强复合材料连续抽油杆的制备方法，其特征在于：原料配比为：
碳纤维：        76～80wt%
玻璃纤维：      1.1～1.3wt%
环氧树脂胶液：  18.7～22.9wt%。
4.根据权利要求1所述的纤维增强复合材料连续抽油杆的制备方法，其特征在于：制备的杆体截面为矩形，采用包覆复合结构，纵向排布的碳纤维为内层，玻璃纤维平纹织物为包覆层，其经纱在抽油杆中纵向排布，纬纱横向排布以起到横向增强抽油杆作用。
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