CN105172169B - 耐高温碳纤维增强复合材料连续抽油杆及制备装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种耐高温碳纤维增强复合材料连续抽油杆及制备装置和方法。其技术方案是由内到外依次是沿杆体轴向的增强纤维碳纤维（A），纤维缠绕增强层芳纶1414纤维（B）；沿杆体轴向的增强纤维高强玻璃纤维（C），纤维编织增强层芳纶1414纤维（D），在最外层的纤维编织增强层芳纶1414纤维（D）外注入多官能团环氧树脂，四层结构同时固化成型，其Tg值达到210℃以上，制成的杆体的连续长度为300～5000m。有益效果是：赋予了抽油杆优异的耐温性能和耐偏磨性能，优异的径向、轴向抗压性能，较小的收卷直径，一次成型的制品生产效率高，操作简便，性能稳定。
Description
技术领域
本发明涉及一种连续抽油杆及制备装置和方法，特别涉及一种耐高温碳纤维增强复合材料连续抽油杆及制备装置和方法。
背景技术
由于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。因为具备轻质高强耐腐蚀的特点，所以复合材料抽油杆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大类。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，1、抽油杆耐偏磨性不好；2、疲劳强度不够；3、玻璃钢抽油杆均定长，两端各有一个金属接头，根与根之间采用金属抽油杆应用的金属接箍进行连接，由于结构复杂，加工难度大，价格昂贵。每一根玻璃钢抽油杆用两个金属接头，这两个金属接头的成本远高于一根玻璃钢杆体的成本；另外与传统金属抽油杆相比较，除了杆体部分更换了材质，整个抽油杆柱的其他部分并无改变，传统金属抽油杆柱接头多，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。中国专利CN1417449公开了一种防磨抽油杆的制备方法，该方法是在已成型的抽油杆本体上二次注塑成型尼龙等材质的防磨块，减少使用的包覆材料，降低连续包覆成本和工艺复杂性，但其注塑防磨块尺寸较小，相对独立的分布于杆体，经常发生防磨块与杆体脱离，出现“糖葫芦”现象。另外，其杆体定长，不能解决传统金属抽油杆接头多，断脱事故率大，活塞效应大等缺陷；而且尺寸较小的杆体上加装防偏磨块是不能解决金属接头和接箍与油管之间的偏磨问题的，而这才是抽油杆、管偏磨需要解决的重点。CN101396874公开了一种防偏磨复合材料抽油杆的制备方法及装置，其制备方法是在已成型的复合材料抽油杆杆体上，利用浸渍过树脂胶液的芳纶、高分子量聚乙烯等耐磨纤维连续缠绕成型螺旋筋状的防偏磨层，以达到防偏磨效果。其螺旋筋状的防偏磨层，由于是以耐磨纤维增强热固性树脂，因此虽然纤维是具有耐磨特性的，但与热固性树脂形成复合材料后，其耐磨性能下降很多，寿命并不能延长多少。除了其具备螺旋筋状的防偏磨层之外，其缺点与普通的玻璃钢抽油杆一样。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，其结构存在径向压缩性能较差，热塑性耐磨层硬度不高，耐磨性能较差等缺陷，无法满足长期使用及作业要求。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种耐高温碳纤维增强复合材料连续抽油杆及制备装置和方法，以解决油田采油生产中的腐蚀和偏磨问题，解决高温洗井对杆体的影响、解决深井超深井采油问题为主要目的，制备出耐腐蚀和耐偏磨性能好、活塞效应小、作业使用方便的抽油杆。
本发明提到的一种耐高温碳纤维增强复合材料连续抽油杆，由内到外依次是沿杆体轴向的增强纤维碳纤维（A），纤维缠绕增强层芳纶1414纤维（B）；沿杆体轴向的增强纤维高强玻璃纤维（C），纤维编织增强层芳纶1414纤维（D），在所述的增强纤维碳纤维（A）的外侧缠绕一层纤维缠绕增强层芳纶1414纤维（B），再通过增强纤维高强玻璃纤维（C）包覆进行预固化，在外层使用编织机编织一层纤维编织增强层芳纶1414纤维（D）；最后在最外层的纤维编织增强层芳纶1414纤维（D）外注入多官能团环氧树脂，四层结构同时固化成型，其Tg值达到210℃以上，制成的杆体的连续长度为300～5000m。
本发明提到的耐高温碳纤维增强复合材料连续抽油杆的制备装置，包括放丝架（1）、预热系统（2）、缠绕机（3）、预成型（4）、编织机（5）、模具冷却装置（6）、拉挤模具（7）、模具加热装置（8）、控制部分（9）、后固化加热炉（10）、牵引装置（11）、卷绕装置（12）、注射机（13）和注射模具（14）组成，所述的放丝架（1）内放置碳纤维，多束碳纤维，在牵引装置（11）的牵引下经过注射模具（14），在注射模具（14）的前端依次设有预热系统（2）、缠绕机（3）、预成型（4）、编织机（5），后端依次设有模具冷却装置（6）、拉挤模具（7）、模具加热装置（8）、后固化加热炉（10）和牵引装置（11），在所述的增强纤维碳纤维（A）的外侧缠绕一层纤维缠绕增强层芳纶1414纤维（B），再通过增强纤维高强玻璃纤维（C）包覆进行预固化，在外层使用编织机编织一层纤维编织增强层芳纶1414纤维（D）；且所述的注射模具（14）的一侧设有注射机（13），使用高压向注射模具（14）内部注入树脂基体胶液；经注射模具（14）内胶液浸渍的多束碳纤维再经过拉挤模具（7）固化成型，拉挤模具（7）的入口处设有模具冷却装置（6），分布有模具加热装置（8），再进行多段加热，呈梯度升温方式，拉挤出复合材料杆体；拉挤出的复合材料杆体进入后固化加热炉（9）进行热应力处理及后固化，后固化结束，通过牵引装置（11），将其卷绕在圆盘（12）上。
上述的增强纤维碳纤维（A）、纤维缠绕增强层芳纶1414纤维（B）、增强纤维高强玻璃纤维（C）、纤维编织增强层芳纶1414纤维（D），上述四层结构同时固化成型。
上述的注射模具（14）包括直线导轨（14a）、纤维走向（14b）、加热管（14c）、内芯模（14d）、滑动调节块（14e）、注胶孔（14f）、树脂流道（14g）、外模（14h），所述的外模（14h）的前端为内芯模（14d），二者之间设有树脂流道（14g），且外模（14h）的顶部设有注胶孔（14f），注胶孔（14f）与树脂流道（14g）连通，所述的内芯模（14d）的内部设有加热管（14c），在内芯模（14d）和外模（14h）的下端设有直线导轨（14a），直线导轨（14a）上布设有多个滑动调节块（14e），可通过调整滑块（14e）在滑轨（14a）上的位置调整内模芯（14d）和外模（14h）之间的树脂流道（14g）的宽度及树脂注入量。
上述的树脂流道（14g）为螺旋状导流槽结构。
上述的编织机（5）包括控制系统（5a）、伺服电机（5b）、减速机（5c）、主轴驱动系统（5d）、纤维轴驱动系统（5e）、张紧装置（5f）、纤维放置轴（5g）、编织机纤维轴运行轨迹槽（5h），所述的伺服电机（5b）通过减速机（5c）连接主轴驱动系统（5d），主轴驱动系统（5d）连接到纤维轴驱动系统（5e），所述的纤维轴驱动系统（5e）通过张紧装置（5f）连接纤维放置轴（5g），并按照编织机纤维轴运行轨迹槽（5h）运行。
上述的多段加热是采用三段加热，且后续的固化温度在155～230℃之间，呈梯度升温方式，拉挤速度在0.2～0.4米/分钟之间。
本发明提到的一种耐高温碳纤维增强复合材料连续抽油杆的制备方法，包括以下步骤：
（a）从放丝架（1）引出多束碳纤维，在牵引装置（11）的牵引下经过注射模具（14），注射模具（14）内充满注射机（13）注入的树脂基体胶液，树脂基体为多官能团环氧树脂；
（b）在内层增强纤维碳纤维（A）的外侧，使用缠绕机（3）缠绕一层1～2mm厚度，交叉角度为55～85°的缠绕层；之后通过增强纤维高强玻璃纤维（C）将内两层均匀包覆；经过编织机（5）编织一层1～2mm厚度，交叉角度为55～75°的编织层；以上四层纤维同步进入注射模具（14）；
（c）经注射模具（14）内胶液浸渍的纤维束再经过拉挤模具（7）固化成型，拉挤模具（7）的入口处设有模具冷却装置（6），用于降低模具入口温度，避免模具温度传导至注射模具（14）；在拉挤模具（7）周围、模具冷却装置（6）的后面，分布有模具加热装置（8），在3段加热，固化温度在155～230℃之间，呈梯度升温方式，拉挤速度在0.2～0.4米/分钟之间，拉挤出复合材料杆体；拉挤出的复合材料杆体进入后固化加热炉（9）进行热应力处理及后固化，后固化结束，通过牵引装置（11），将其卷绕在圆盘（12）上。
上述的步骤（b）中的缠绕层和编织层使用芳纶1414纤维，其厚度为1~2mm。
上述的编织机（5）在主轴驱动系统旋转过程中，纤维放置轴沿设定的编织机纤维轴运行轨迹槽运转，使纤维编织成为一层网状保护层。
本发明的有益效果是：本发明的抽油杆，在碳纤维连续抽油杆拉挤工艺基础上增加了缠绕层和编织层，增加了径向和轴向抗压强度，提高了弯曲性能，降低了弯曲直径；缠绕层、编织层使用芳纶1414纤维赋予抽油杆优异的耐腐蚀和耐偏磨、弯曲疲劳性能，同时由于四层结构一次固化成型，降低了工艺难度，提高生产效率，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；
利用本发明提供的制备方法，采用编织、缠绕拉挤、注射拉挤组合成型工艺，可以大幅提高耐高温碳纤维增强复合材料连续抽油杆杆体生产的连续稳定性，保证了一次成型，生产效率高，层间结合强度大，避免了分层、剥落现象的发生。全新设计的注射胶槽代替传统拉挤工艺中开放式的浸胶槽，改为注射机注射胶液至注射模具型腔内，纤维直接进入注射模具内，与模具型腔内的具有一定压力的胶液混合浸渍，避免了环境因素对胶液的影响及新旧胶液混合不均对工艺和产品质量的影响，保证了生产所用胶液的新鲜度，同时胶液因压力作用可提高浸润速度和浸透率，提高了生产的连续稳定性和生产效率，螺旋形的胶液流道更利于胶液的流动和浸润；
本发明的装置实现了本发明的方法，并且生产效率高，操作简便。
附图说明
附图1是本发明的耐高温碳纤维增强复合材料连续抽油杆的结构示意图；
附图2是本发明的制备装置的流程示意图；
附图3是本发明的注射拉挤工艺中注射模具的结构示意图；
附图4是本发明的编织拉挤工艺中编织机的结构示意图；
附图5是本发明的编织拉挤工艺中编织机的正面示意图；
上图中：A为沿杆体轴向的增强纤维碳纤维，B为纤维缠绕增强层芳纶1414纤维；C为沿杆体轴向的增强纤维高强玻璃纤维，D为纤维编织增强层芳纶1414纤维；
放丝架1、预处理加热炉2、缠绕机3，预成型4、编织机5、模具冷却装置6、拉挤模具7、模具加热装置8、控制部分9、后固化加热炉10、牵引装置11、卷绕装置12、注射机13、注射模具14；
5a控制系统，5b伺服电机，5c减速机，5d主轴驱动系统，5e纤维轴驱动系统，5f张紧装置，5g纤维放置轴，5h编织机纤维轴运行轨迹槽；
14a直线导轨、14b纤维走向、14c加热管、14d内芯模、14e滑动调节块，14f注胶孔、14g树脂流道，14h外模。
具体实施方式
结合附图1，本发明提到的一种耐高温碳纤维增强复合材料连续抽油杆，由内到外依次是沿杆体轴向的增强纤维碳纤维A，纤维缠绕增强层芳纶1414纤维B；沿杆体轴向的增强纤维高强玻璃纤维C，纤维编织增强层芳纶1414纤维D，在所述的增强纤维碳纤维A的外侧缠绕一层纤维缠绕增强层芳纶1414纤维B，再通过增强纤维高强玻璃纤维C包覆进行预固化，在外层使用编织机编织一层纤维编织增强层芳纶1414纤维D；最后在最外层的纤维编织增强层芳纶1414纤维D外注入多官能团环氧树脂，四层结构同时固化成型，其Tg值达到210℃以上，制成的杆体的连续长度为300～5000m。
参照附图2，本发明提到的耐高温碳纤维增强复合材料连续抽油杆的制备装置，包括放丝架1、预热系统2、缠绕机3、预成型4、编织机5、模具冷却装置6、拉挤模具7、模具加热装置8、控制部分9、后固化加热炉10、牵引装置11、卷绕装置12、注射机13和注射模具14组成，所述的放丝架1内放置碳纤维，多束碳纤维，在牵引装置11的牵引下经过注射模具14，在注射模具14的前端依次设有预热系统2、缠绕机3、预成型4、编织机5，后端依次设有模具冷却装置6、拉挤模具7、模具加热装置8、后固化加热炉10和牵引装置11，在所述的增强纤维碳纤维A的外侧缠绕一层纤维缠绕增强层芳纶1414纤维B，再通过增强纤维高强玻璃纤维C包覆进行预固化，在外层使用编织机编织一层纤维编织增强层芳纶1414纤维D；且所述的注射模具14的一侧设有注射机13，使用高压向注射模具14内部注入树脂基体胶液；经注射模具14内胶液浸渍的多束碳纤维再经过拉挤模具7固化成型，拉挤模具7的入口处设有模具冷却装置6，分布有模具加热装置8，再进行多段加热，呈梯度升温方式，拉挤出复合材料杆体；拉挤出的复合材料杆体进入后固化加热炉9进行热应力处理及后固化，后固化结束，通过牵引装置11，将其卷绕在圆盘12上。
另外，增强纤维碳纤维A、纤维缠绕增强层芳纶1414纤维B、增强纤维高强玻璃纤维C、纤维编织增强层芳纶1414纤维D，上述四层结构同时固化成型。
参照附图3，本发明提到的注射模具14包括直线导轨14a、纤维走向14b、加热管14c、内芯模14d、滑动调节块14e、注胶孔14f、树脂流道14g、外模14h，所述的外模14h的前端为内芯模14d，二者之间设有树脂流道14g，且外模14h的顶部设有注胶孔14f，注胶孔14f与树脂流道14g连通，所述的内芯模14d的内部设有加热管14c，在内芯模14d和外模14h的下端设有直线导轨14a，直线导轨14a上布设有多个滑动调节块14e，可通过调整滑块（14e）在滑轨（14a）上的位置调整内模芯（14d）和外模（14h）之间的树脂流道（14g）的宽度及树脂注入量。
上述的树脂流道14g为螺旋状导流槽结构，其流动方向与纤维的移动方向相反，在一定的压力下，确保了树脂的浸润效果。
内芯模可通过调节块沿着直线导轨的前后移动调节注胶腔内空间的大小，从而调节树脂含量和合理的纤维走速可以使半开放式模具的内外模具之间没有树脂流出，树脂胶液全部浸润带走；
内心模可通过加热管加热，温度可在15～55℃之间准确调节，调节间隔为0.1℃，以使纤维与树脂具有相同的温度，优化浸润效果，减少浸润时间。
参照附图4和5，编织机5包括控制系统5a、伺服电机5b、减速机5c、主轴驱动系统5d、纤维轴驱动系统5e、张紧装置5f、纤维放置轴5g、编织机纤维轴运行轨迹槽5h，所述的伺服电机5b通过减速机5c连接主轴驱动系统5d，主轴驱动系统5d连接到纤维轴驱动系统5e，所述的纤维轴驱动系统5e通过张紧装置5f连接纤维放置轴5g，并按照编织机纤维轴运行轨迹槽5h运行。
上述的多段加热是采用三段加热，其固化温度为180℃，200℃，220℃，且后续的固化温度在155～230℃之间，呈梯度升温方式，拉挤速度在0.2～0.4米/分钟之间。
本发明提到的一种耐高温碳纤维增强复合材料连续抽油杆的制备方法，包括以下步骤：
（a）从放丝架1引出多束碳纤维，在牵引装置11的牵引下经过注射模具14，注射模具14内充满注射机13注入的树脂基体胶液，树脂基体为多官能团环氧树脂；
（b）在内层增强纤维碳纤维A的外侧，使用缠绕机3缠绕一层1～2mm厚度，交叉角度为55～85°的缠绕层；之后通过增强纤维高强玻璃纤维C将内两层均匀包覆；经过编织机5编织一层1～2mm厚度，交叉角度为55～75°的编织层；以上四层纤维同步进入注射模具14；
（c）经注射模具14内胶液浸渍的纤维束再经过拉挤模具7固化成型，拉挤模具7的入口处设有模具冷却装置6，用于降低模具入口温度，避免模具温度传导至注射模具14；在拉挤模具7周围、模具冷却装置6的后面，分布有模具加热装置8，在3段加热，固化温度在155～230℃之间，呈梯度升温方式，拉挤速度在0.2～0.4米/分钟之间，拉挤出复合材料杆体；拉挤出的复合材料杆体进入后固化加热炉9进行热应力处理及后固化，后固化结束，通过牵引装置11，将其卷绕在直径为2.5m～3.5m的圆盘12上。
其中，步骤b中的缠绕层和编织层使用芳纶1414纤维，其厚度为1~2mm。
另外，编织机5在主轴驱动系统旋转过程中，纤维放置轴沿设定的编织机纤维轴运行轨迹槽运转，使纤维编织成为一层网状保护层。
综合来说，本发明是将碳纤维、高强玻璃纤维与芳纶1414纤维通过缠绕、编织、注射拉挤成型工艺与树脂基体复合，制备复合材料抽油杆杆体经过同时固化后，最终形成耐高温碳纤维增强复合材料耐磨连续抽油杆。
以上所述，仅是本发明的部分较佳实施例，任何熟悉本领域的技术人员均可能利用上述阐述的技术方案加以修改或将其修改为等同的技术方案。因此，依据本发明的技术方案所进行的任何简单修改或等同置换，尽属于本发明要求保护的范围。
Claims (5)
1.一种耐高温碳纤维增强复合材料连续抽油杆的制备装置，其特征是：包括放丝架（1）、预热系统（2）、缠绕机（3）、预成型（4）、编织机（5）、模具冷却装置（6）、拉挤模具（7）、模具加热装置（8）、控制部分（9）、后固化加热炉（10）、牵引装置（11）、卷绕装置（12）、注射机（13）和注射模具（14）组成，所述的放丝架（1）内放置碳纤维，多束碳纤维，在牵引装置（11）的牵引下经过注射模具（14），在注射模具（14）的前端依次设有预热系统（2）、缠绕机（3）、预成型（4）、编织机（5），后端依次设有模具冷却装置（6）、拉挤模具（7）、模具加热装置（8）、后固化加热炉（10）和牵引装置（11），在所述的增强纤维碳纤维（A）的外侧缠绕一层纤维缠绕增强层芳纶1414纤维（B），再通过增强纤维高强玻璃纤维（C）包覆进行预固化，在外层使用编织机编织一层纤维编织增强层芳纶1414纤维（D）；且所述的注射模具（14）的一侧设有注射机（13），使用高压向注射模具（14）内部注入树脂基体胶液；经注射模具（14）内胶液浸渍的多束碳纤维再经过拉挤模具（7）固化成型，拉挤模具（7）的入口处设有模具冷却装置（6），分布有模具加热装置（8），再进行多段加热，呈梯度升温方式，拉挤出复合材料杆体；拉挤出的复合材料杆体进入后固化加热炉（9）进行热应力处理及后固化，后固化结束，通过牵引装置（11），将其卷绕在圆盘（12）上；
所述的注射模具（14）包括直线导轨（14a）、加热管（14c）、内芯模（14d）、滑动调节块（14e）、注胶孔（14f）、树脂流道（14g）、外模（14h），所述的外模（14h）的前端为内芯模（14d），二者之间设有树脂流道（14g），且外模（14h）的顶部设有注胶孔（14f），注胶孔（14f）与树脂流道（14g）连通，所述的内芯模（14d）的内部设有加热管（14c），在内芯模（14d）和外模（14h）的下端设有直线导轨（14a），直线导轨（14a）上布设有多个滑动调节块（14e），可通过调整滑块（14e）在滑轨（14a）上的位置调整内模芯（14d）和外模（14h）之间的树脂流道（14g）的宽度及树脂注入量。
2.根据权利要求1所述的耐高温碳纤维增强复合材料连续抽油杆的制备装置，其特征是：所述的增强纤维碳纤维（A）、纤维缠绕增强层芳纶1414纤维（B）、增强纤维高强玻璃纤维（C）、纤维编织增强层芳纶1414纤维（D），上述四层结构同时固化成型。
3.根据权利要求1所述的耐高温碳纤维增强复合材料连续抽油杆的制备装置，其特征是：所述的树脂流道（14g）为螺旋状导流槽结构。
4.根据权利要求1所述的耐高温碳纤维增强复合材料连续抽油杆的制备装置，其特征是：所述的编织机（5）包括控制系统（5a）、伺服电机（5b）、减速机（5c）、主轴驱动系统（5d）、纤维轴驱动系统（5e）、张紧装置（5f）、纤维放置轴（5g）、编织机纤维轴运行轨迹槽（5h），所述的伺服电机（5b）通过减速机（5c）连接主轴驱动系统（5d），主轴驱动系统（5d）连接到纤维轴驱动系统（5e），所述的纤维轴驱动系统（5e）通过张紧装置（5f）连接纤维放置轴（5g），并按照编织机纤维轴运行轨迹槽（5h）运行。
5.根据权利要求1所述的耐高温碳纤维增强复合材料连续抽油杆的制备装置，其特征是：所述的多段加热是采用三段加热，且后续的固化温度在155～230℃之间，呈梯度升温方式，拉挤速度在0.2～0.4米/分钟之间。
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