CN106089123A - 一种混杂纤维三维编织热固性树脂基复合材料抽油杆扶正器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种混杂纤维三维编织热固性树脂基复合材料抽油杆扶正器，包括抽油杆扶正器主体和设置在所述抽油杆扶正器主体外表面的防磨棱以及包覆在所述防磨棱表面的耐磨层；所述抽油杆扶正器主体、防磨棱和耐磨层均由纤维三维编织物与改性热固性树脂浸渍而成；所述抽油杆扶正器主体为对插式两半结构，在单个结构单元的对合滑槽位置内嵌入若干金属凸球，在对合端内嵌入金属卡扣，所述抽油杆扶正器主体通过滑槽和卡扣设计固定成统一整体；所述抽油杆扶正器主体内侧为抽油杆夹持腔，所述夹持腔内设置有之字形摩擦条和球形储胶槽。本发明有效解决扶正器主体结构的界面缺陷，有效提高扶正器整体力学强度、刚度、耐磨性、耐腐蚀性和使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于采油工程技术领域，具体涉及一种混杂纤维三维编织热固性树脂基复合材料抽油杆扶正器。
背景技术
抽油杆是采油领域工程设备中的重要部件，抽油杆的正常工作直接影响着采用效率和质量。而传统的金属材质的抽油杆自重较大、耐腐蚀特性较差，高分子材质的抽油杆密度低、重量小且耐腐蚀特性强，已经成为目前油田工程的重要替代品，然而由于油田稠油、稀油、高凝油开发生产中的井液普遍存在高含水、高矿化度等物理化学特性及井身结构的不合理设置所造成油井杆管偏磨问题，一直是传统和新型抽油杆的难点。
为此，科研人员提出了一种扶正器配套附件，以保证抽油杆井下的正常作业。目前的扶正器主要采用金属材质或者注塑成型的高分子复合材料材质，这两种材料的扶正器存在各自的优点但也有不可避免的问题，其中金属扶正器的摩擦磨损仍然受材质限制，高分子复合材料扶正器的注塑工艺必然使得增强纤维必须为短切形态，当井下的高温高压往复摩擦时，必然带来扶正器主体结构内部的纤维界面结合不佳，长期使用必然引起扶正器的缺陷或裂纹出现。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供一种混杂纤维三维编织热固性树脂基复合材料抽油杆扶正器，本发明采用连续纤维三维编织结构制备扶正器主体部件，有效解决扶正器主体结构的界面缺陷，有效提高扶正器的整体力学强度、刚度、耐磨性、耐腐蚀性和使用寿命。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种混杂纤维三维编织热固性树脂基复合材料抽油杆扶正器，包括抽油杆扶正器主体和设置在所述抽油杆扶正器主体外表面的防磨棱以及包覆在所述防磨棱表面的耐磨层；所述抽油杆扶正器主体、防磨棱和耐磨层均由纤维三维编织物与改性热固性树脂浸渍而成；所述抽油杆扶正器主体为对插式两半结构，在单个结构单元的对合滑槽位置内嵌入若干金属凸球，在对合端内嵌入金属卡扣，所述抽油杆扶正器主体通过滑槽和卡扣设计固定成统一整体；
所述抽油杆扶正器主体内侧为抽油杆夹持腔，所述夹持腔内设置有之字形摩擦条和球形储胶槽，所述夹持腔与抽油杆的对合压紧是通过之字形摩擦条的摩擦压紧固定以及球形储胶槽内粘合剂的粘接固定实现。
优选的，所述抽油杆扶正器主体及防磨棱采用纤维三维编织物作为增强主体，以改性热固性树脂为基体，所用纤维为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、UHMWPE纤维、玄武岩纤维中的任意一种或多种，所述三维织物形式包括三维四向、三维五向、三维六向、三维七向以及其他三维多向不同编织结构；所述改性热固性树脂为热固性树脂改性的环氧、酚醛、聚四氟乙烯、不饱和聚酯、聚酰亚胺树脂中任意一种或多种；
优选的，所述防磨棱为四个，所述防磨棱宽度为8-20mm，高度为10-25mm；
优选的，所述耐磨层采用纤维三维编织物作为增强主体，以改性热固性树脂为基体，所用纤维为硼纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、玄武岩纤维中的一种或多种，所述三维织物形式包括三维四向、三维五向、三维六向、三维七向以及其他三维多向不同编织结构；所述改性热固性树脂为热固性树脂改性的环氧、酚醛、聚四氟乙烯、不饱和聚酯、聚酰亚胺树脂中任意一种或多种。
本发明还提供了所述抽油杆扶正器的制备方法，包括步骤如下：
(1)将碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、UHMWPE纤维、玄武岩纤维中的任意一种或多种进行三维编织成纤维织物，在对合滑槽位置内嵌入若干金属凸球，在对合端嵌入金属卡扣，通过真空导入工艺将所述纤维织物浸渍改性热固性树脂胶液制备所述抽油杆扶正器主体及防磨棱，树脂含量控制在15-50％；
(2)将硼纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、玄武岩纤维中的任意一种或多种进行三维编织成纤维织物，通过真空导入工艺将所述纤维织物浸渍改性热固性树脂胶液制备所述耐磨层，树脂含量控制在15-50％；
(3)将步骤(1)、(2)制备得到所述抽油杆扶正器主体、防磨棱及耐磨层通过热固化成型方式形成整体。
优选的，所述步骤(1)、(2)中真空导入过程中的真空度为0.05-0.1MPa；
优选的，所述步骤(1)、(2)中三维编织形式包括三维四向、三维五向、三维六向、三维七向以及其他三维多向不同编织形式；
优选的，所述步骤(1)、(2)中改性热固性树脂为热固性树脂改性的环氧、酚醛、聚四氟乙烯、不饱和聚酯、聚酰亚胺树脂中任意一种或多种；
进一步优选的，所述改性热固性树脂改性方式采用将无机粉体物理共混引入热固性树脂树脂中进行改性，所述无机粉体改性剂为碳化硅、氧化铝、氮化硼、碳化硼、二氧化硅粉体中的一种或多种，所述无机粉体改性剂用量为树脂重量的0-10％。
最后，本发明公开了一种抽油杆，所述抽油杆设置有上述抽油杆扶正器。
本发明的一种混杂纤维三维编织增强热固性复合材料抽油杆扶正器与传统金属、塑料材质及注塑成型复合材料扶正器相比具有如下优点：
第一，采用三维织物结构和真空导入工艺成型，连续长度的三维纤维织物使得扶正器自身的层间结合力学强度刚度有较大提高，耐腐蚀性和寿命也得以提高；
第二，采用防磨棱的特种三维结构复合材料耐磨表面层，有效提高扶正器的井下耐磨特性，提高使用寿命；
第三，采用夹持腔内的储胶球形槽和之字形凸起摩擦条设计，有效提高扁带式复合材料抽油杆抱合力，同时提高胶液连接强度，提高扶正器夹持稳定性；
第四，对合部位的凸球式滑槽设计，增加对合后整体的压紧力和整体配合。
附图说明
图1复合材料扶正器的外侧结构示意图，两半对称结构通过金属凸球滑槽1对合，通过金属卡扣2固定，外侧带有耐磨层7的防磨棱6；
图2是复合材料扶正器内侧结构示意图，2为卡扣式固定装置，内侧是夹持腔3，在夹持腔上带有球形储胶槽4和之字形凸起摩擦条5；
图3是复合材料扶正器侧面示意图。
具体实施方式
结合实施例对本发明作进一步的说明，应该说明的是，下述说明仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。
实施例1
基于本发明的新型三维编织复合材料扶正器的具体结构实施方式如下：
混杂三维编织纤维增强热固性树脂复合材料抽油杆扶正器采用对插两半式结构，在扶正器的一侧设有金属凸球滑槽和一对金属卡钉，当对合时，金属卡钉完成两半分体结构的对合，扶正器沿着凸球金属滑槽移动保证精确定位。
扶正器对合定位后，内侧表面为厚度6mm、宽度13mm、长度在115mm的夹持腔与扁带式碳纤维复合材料抽油杆紧密接触，夹持腔内设有之字形摩擦条，在之字形摩擦条之间有多组球形储胶槽，保证抽油杆与夹持腔的摩擦与胶合固定。
扶正器对合整体后的外侧表面为宽度为12mm、高度22mm的四组防磨棱，防磨棱表面采用玄武岩纤维的三维六向编织结构、采用环氧树脂灌注制备耐磨表面层，最终表面耐磨层的厚度为6mm。
扶正器主体采用连续T800碳纤维和芳纶纤维按1:5混杂的三维四向织物制备，将三维织物真空导入预浸含量为30％的环氧树脂，环氧树脂加入4％的氮化硼粉末进行改性，真空导入之前在对合特定部位埋入凸球滑槽和卡扣，将三维织物导入树脂后将其放入固化炉中加温加压，加热温度为150℃，热压时间为3小时，之后冷却脱模，形成最终三维复合材料抽油杆扶正器制品。
实施例2
基于本发明的新型复合材料扶正器的具体结构实施方式如下：
混杂三维编织纤维增强热固性树脂复合材料抽油杆扶正器采用对插两半式结构，在扶正器的一侧设有金属凸球滑槽和一对金属卡钉，当对合时，金属卡钉完成两半分体结构的对合，扶正器沿着凸球金属滑槽移动保证精确定位。
扶正器对合定位后，内侧表面为厚度在10mm、宽度40mm，长度100mm的夹持腔与扁带式碳纤维复合材料抽油杆紧密接触，夹持腔内设有之字形摩擦条，在之字形摩擦条之间有多组球形储胶槽，保证抽油杆与夹持腔的摩擦与胶合固定。
扶正器对合整体后的外侧表面为宽度为20mm、高度为22mm的四组防磨棱，防磨棱表面采用氧化铝纤维的三维六向编织结构、采用环氧树脂灌注制备耐磨表面层，最终表面耐磨层的厚度为7mm。
扶正器主体采用连续T700碳纤维和芳纶纤维按5:1进行混杂的三维四向织物制备，将三维织物真空导入预浸含量为20％的环氧树脂，环氧树脂加入3％的氧化铝粉末进行改性，真空导入之前在对合特定部位埋入凸球滑槽和卡扣，将三维织物导入树脂后将其放入固化炉中加温加压，加热温度为120℃，热压时间为5小时，之后冷却脱模，形成最终三维复合材料抽油杆扶正器制品。
实施例3
基于本发明的新型复合材料扶正器的具体结构实施方式如下：
混杂三维编织纤维增强热固性树脂复合材料抽油杆扶正器采用对插两半式结构，在扶正器的一侧设有金属凸球滑槽和一对金属卡钉，当对合时，金属卡钉完成两半分体结构的对合，扶正器沿着凸球金属滑槽移动保证精确定位。
扶正器对合定位后，内侧表面为厚度在8mm、宽度在40mm，长度在200mm的夹持腔与扁带式碳纤维复合材料抽油杆紧密接触，夹持腔内设有之字形摩擦条，在之字形摩擦条之间有多组球形储胶槽，保证抽油杆与夹持腔的摩擦与胶合固定。
扶正器对合整体后的外侧表面为宽度20mm、高度为25mm的四组防磨棱，防磨棱表面采用碳化硅纤维的三维七向编织结构、采用环氧树脂灌注制备耐磨表面层，最终表面耐磨层的厚度为6mm。
扶正器主体采用连续T300碳纤维和玻璃纤维按1:4混杂的三维四向织物制备，将三维织物真空导入预浸含量为20％的聚四氟乙烯树脂，聚四氟乙烯树脂加入4％的氧化铝粉末进行改性，真空导入之前在对合特定部位埋入凸球滑槽和卡扣，将三维织物导入树脂后将其放入固化炉中加温加压，加热温度为110℃，热压时间为4小时，之后冷却脱模，形成最终三维复合材料抽油杆扶正器制品。
实施例4
基于本发明的新型复合材料扶正器的具体结构实施方式如下：
混杂三维编织纤维增强热固性树脂复合材料抽油杆扶正器采用对插两半式结构，在扶正器的一侧设有金属凸球滑槽和一对金属卡钉，当对合时，金属卡钉完成两半分体结构的对合，扶正器沿着凸球金属滑槽移动保证精确定位。
扶正器对合定位后，内侧表面为厚度在10mm、宽度40mm，长度在200mm的夹持腔与扁带式碳纤维复合材料抽油杆紧密接触，夹持腔内设有之字形摩擦条，在之字形摩擦条之间有多组球形储胶槽，保证抽油杆与夹持腔的摩擦与胶合固定。
扶正器对合整体后的外侧表面为宽度为20mm、高度为25mm的四组防磨棱，防磨棱表面采用硼纤维的三维五向编织结构、采用环氧树脂灌注制备耐磨表面层，最终表面耐磨层的厚度为5mm。
扶正器主体采用连续T800碳纤维的三维四向织物制备，将三维织物真空导入预浸含量为20％的酚醛树脂，酚醛树脂加入4％的碳化硅粉末进行改性，真空导入之前在对合特定部位埋入凸球滑槽和卡扣，将三维织物导入树脂后将其放入固化炉中加温加压，加热温度为130℃，热压时间为4小时，之后冷却脱模，形成最终三维复合材料抽油杆扶正器制品。
上述虽然结合实施例对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种混杂纤维三维编织热固性树脂基复合材料抽油杆扶正器，其特征在于，包括抽油杆扶正器主体和设置在所述抽油杆扶正器主体外表面的防磨棱以及包覆在所述防磨棱表面的耐磨层；所述抽油杆扶正器主体、防磨棱和耐磨层均由纤维三维编织物与改性热固性树脂浸渍而成；所述抽油杆扶正器主体为对插式两半结构，在单个结构单元的对合滑槽位置内嵌入若干金属凸球，在对合端内嵌入金属卡扣，所述抽油杆扶正器主体通过滑槽和卡扣设计固定成统一整体；
所述抽油杆扶正器主体内侧为抽油杆夹持腔，所述夹持腔内设置有之字形摩擦条和球形储胶槽。
2.如权利要求1所述的一种混杂纤维三维编织热固性树脂基复合材料抽油杆扶正器，其特征在于，所述抽油杆扶正器主体及防磨棱采用纤维三维编织物作为增强主体，以改性热固性树脂为基体，所用纤维为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、UHMWPE纤维、玄武岩纤维中的任意一种或多种，所述三维织物形式包括三维四向、三维五向、三维六向、三维七向以及其他三维多向不同编织结构；所述改性热固性树脂为热固性树脂改性的环氧、酚醛、聚四氟乙烯、不饱和聚酯、聚酰亚胺树脂中任意一种或多种。
3.如权利要求1所述的一种混杂纤维三维编织热固性树脂基复合材料抽油杆扶正器，其特征在于，所述防磨棱为四个，所述防磨棱宽度为8-20mm，高度为10-25mm。
4.如权利要求1所述的一种混杂纤维三维编织热固性树脂基复合材料抽油杆扶正器，其特征在于，所述耐磨层采用纤维三维编织物作为增强主体，以改性热固性树脂为基体，所用纤维为硼纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、玄武岩纤维中的一种或多种，所述三维织物形式包括三维四向、三维五向、三维六向、三维七向以及其他三维多向不同编织结构；所述改性热固性树脂为热固性树脂改性的环氧、酚醛、聚四氟乙烯、不饱和聚酯、聚酰亚胺树脂中任意一种或多种。
5.如权利要求1～4任意一项所述的抽油杆扶正器的制备方法，其特征在于，包括步骤如下：
(1)将碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、UHMWPE纤维、玄武岩纤维中的任意一种或多种进行三维编织成纤维织物，在对合滑槽位置内嵌入若干金属凸球，在对合端嵌入金属卡扣，通过真空导入工艺将所述纤维织物浸渍改性热固性树脂胶液制备所述抽油杆扶正器主体及防磨棱，树脂含量控制在15-50％；
(2)将硼纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、玄武岩纤维中的任意一种或多种进行三维编织成纤维织物，通过真空导入工艺将所述纤维织物浸渍改性热固性树脂胶液制备所述耐磨层，树脂含量控制在15-50％；
(3)将步骤(1)、(2)制备得到所述抽油杆扶正器主体、防磨棱及耐磨层通过热固化成型方式形成整体。
6.如权利要求5所述的一种抽油杆扶正器的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)、(2)中真空导入过程中的真空度为0.05-0.1MPa。
7.如权利要求5所述的一种抽油杆扶正器的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)、(2)中三维编织形式包括三维四向、三维五向、三维六向、三维七向以及其他三维多向不同编织形式。
8.如权利要求5所述的一种抽油杆扶正器的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)、(2)中改性热固性树脂为热固性树脂改性的环氧、酚醛、聚四氟乙烯、不饱和聚酯、聚酰亚胺树脂中任意一种或多种。
9.如权利要求8所述的一种抽油杆扶正器的制备方法，其特征在于，所述改性热固性树脂改性方式为将无机粉体物理共混引入热固性树脂树脂中进行改性，所述无机粉体改性剂为碳化硅、氧化铝、氮化硼、碳化硼、二氧化硅粉体中的一种或多种，所述无机粉体改性剂用量为树脂重量的0-10％。
10.一种抽油杆，所述抽油杆上设置有权利要求1～4任意一项所述抽油杆扶正器。
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