CN106285499B - 一种带有电加热功能的连续碳纤维复合材料抽油杆及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带有电加热功能的连续碳纤维复合材料抽油杆，包括碳纤维复合材料抽油杆杆体和埋设在所述抽油杆杆体内部中心的柔性混杂纤维电加热线，所述碳纤维复合材料抽油杆杆体为扁带状或圆形截面，所述杆体为连续长度；所述杆体截面结构为中线内埋入的柔性混杂纤维电加热线，外部为碳纤维复合材料单向包埋结构。本发明在抽油杆原有力学特性和使用寿命不变的基础上增加了电加热功能，通过在碳纤维电加热线中进行混杂纤维的设计，在原有碳纤维远红外加热特性的基础上引入了高性能无机纤维的高模量、高力学压缩强度和耐腐蚀耐高温等优良力学和热学特性，有效提高电热抽油杆的加热持久性，提高了复杂工况条件下的采油效率。

Description

一种带有电加热功能的连续碳纤维复合材料抽油杆及其制备 方法
技术领域
本发明属于采油工程技术领域，具体涉及一种带有电加热功能的连续碳纤维复合材料抽油杆及其制备方法。
背景技术
随着石油开采工业的发展和采用规模的提高，油井的深度和井下环境的复杂性都在不断提高，目前国内采油面临的油井类型也出现了复杂多样的趋势，这促使了传统钢质抽油杆逐渐被复合材料材质的抽油杆所替代。而在井下复杂工况环境中，高集油田的井下环境更为棘手，由于该油田的原油凝固点高，含蜡高，油井结蜡严重，这给油田正常生产作业带来很大困难。因此需要抽油杆自身带有加热特点以有效解决油井清蜡的问题。
发明内容
针对以上问题，本发明提供了一种带有电加热功能的连续碳纤维复合材料抽油杆，从而解决目前稠油井遇到的种种结蜡等采油技术难题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种带有电加热功能的连续碳纤维复合材料抽油杆，包括碳纤维复合材料抽油杆杆体和埋设在所述抽油杆杆体内部中心的柔性混杂纤维电加热线，所述碳纤维复合材料抽油杆杆体为扁带状或圆形截面，所述杆体为连续长度；所述杆体截面结构为中线内埋入的柔性混杂纤维电加热线，外部为碳纤维复合材料单向包埋结构。
优选的，所述的碳纤维复合材料抽油杆杆体采用单向碳纤维预浸树脂胶液拉挤固化成型，所述树脂含量占比15-50％；
优选的，所述的碳纤维为T300、T700、T800中的任意一种或多种，纤维规格和数量根据外型规格灵活调整；
优选的，所述的树脂胶液为环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂中的任意一种。
优选的，所述的柔性混杂纤维电加热线包括内部的柔性束状混杂纤维和包覆内部柔性束状混杂纤维的热塑性树脂基界面层，所述热塑性树脂含量占比15-50％；
优选的，所述柔性束状混杂纤维采用碳纤维与高性能无机纤维混杂编织制备，所述碳纤维规格为1K、3K、6K、12K、24K任意一种单向纤维；所述高性能无机纤维包括碳化硅纤维、氧化铝纤维、氮化硼纤维、碳化硼纤维中的一种或多种组合，所述高性能无机纤维与碳纤维的混杂比例可根据发热功率灵活调整；
所述柔性混杂纤维电加热线设置形状根据加热温度要求灵活调节，优选的，所述柔性混杂纤维电加热线呈U型；
优选的，所述热塑性树脂基界面层厚度在0.2-1mm之间，所述热塑性树脂基界面层所用树脂为热塑性的聚氨酯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯硫醚中的任意一种或多种组合；
本发明还公开了所述带有电加热功能的连续碳纤维复合材料抽油杆的制备方法，制备步骤如下：
(1)将碳纤维与高性能无机纤维根据加热要求进行混杂编织处理制成柔性束状混杂纤维，之后在其表面涂覆一定厚度的热塑性树脂界面层，所述热塑性树脂含量控制在15-50％，整个电加热线为连续长度，之后将电加热线以U型拉紧备用；
(2)将步骤(1)中涂覆界面层柔性混杂纤维电加热线固定在拉挤预定位装置上，将放丝架上的多组碳纤维束引出，在牵引装置的驱动下，碳纤维束进入浸胶槽充分浸渍树脂胶液，所述树脂含量控制在15-50％；
(3)经过充分浸渍树脂胶液的碳纤维束与中心的柔性混杂纤维电加热线一并进入复合材料抽油杆成型模具进行一次固化成型；
(4)经过固化的碳纤维复合材料抽油杆，在牵引装置的驱动下进入冷却装置快速冷却至50℃以下，利用卷绕装置将其卷绕在直径5m的圆盘上。
优选的，所述步骤(2)中牵引装置的牵引速度为400-900mm/分钟；
优选的，所述步骤(3)中固化处理温度为120-150℃，固化处理时间为5-15min。
本发明的有益效果是：
1.本发明提供的带有柔性混杂纤维电加热线的连续碳纤维复合材料抽油杆，所述抽油杆采用碳纤维复合材料制成，其具有较高的强度和模量，具有强耐腐蚀性和强抗疲劳；而线密度小，柔性好，减轻自重同时减少与油管间的摩擦，同时极大减少电力消耗；
2.本发明在原有抽油杆杆体内部中心埋入不同结构类型的混杂纤维电加热线，可以在抽油杆原有力学特性和使用寿命不变的基础上增加了电加热功能，使用温度根据井下原油粘度特性和结蜡情况灵活调整，进一步提高了复杂工况条件下的采油效率，碳纤维电加热线中通过混杂纤维的设计，在原有碳纤维远红外加热特性的基础上引入了高性能无机纤维的高模量、高力学压缩强度和耐腐蚀耐高温等优良力学和热学特性，有效提高电热抽油杆的加热持久性；同时申请人经大量实验研究发现：在柔性混杂纤维电加热线的表面采用热塑性界面层，能够在进一步提升碳纤维柔性电加热线耐磨性能的同时，还可有效降低加热过程中电加热线内埋造成的与杆体基本复合材料结构之间热膨胀系数不匹配而带来的热变形应力，提高整个电热抽油杆的致密性和结构完整性，有利于提高生产稳定性。
附图说明
图1是本发明的生产装置图；
图2是本发明抽油杆杆体剖面结构示意图；
图中，1是放丝架，2是浸胶槽，3是抽油杆杆体成型模具，4是冷却装置，5是牵引装置，6是卷绕装置；7为柔性混杂纤维电加热线，8是碳纤维复合材料抽油杆杆体。
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
带有电加热功能的连续碳纤维复合材料抽油杆的制备：将6K单股柔性碳纤维与氧化铝纤维按2:1体积比混杂编织制成柔性束状混杂纤维，在其表面涂覆厚度为0.6mm聚氨酯树脂胶黏剂(聚氨酯树脂胶黏剂含量为20％)，经过烘干处理后固定在拉挤预定位装置上；从放丝架1上将柔性混杂纤维电加热线与多组12K束状T300碳纤维长丝同时引出，在牵引装置5的牵引驱动下，T300碳纤维束进入浸胶槽2充分浸渍环氧树脂胶液(环氧树脂胶液含量为35％)，牵引装置的牵引速度在500mm/分钟。充分浸渍环氧树脂胶液的T300碳纤维丝束与U型柔性混杂纤维电加热线在牵引装置的动力下，一并进入复合材料抽油杆成型模具3进行固化，固化温度为130℃，时间为10分钟，固化后，在牵引装置5的牵引下进入冷却装置4快速冷却至50℃以下之后，利用卷绕装置6将其卷绕在直径为5m的圆盘上。
实施例2
带有电加热功能的连续碳纤维复合材料抽油杆的制备：将三股3K单股柔性碳纤维与氮化硼纤维、碳化硼纤维按比4:1:1体积比混杂编织制成柔性束状混杂纤维，在其表面涂覆厚度为0.3mm聚丙烯树脂胶黏剂(聚丙烯树脂胶黏剂含量为15％)，经过烘干处理后固定在拉挤预定位装置上；从放丝架1上将柔性混杂纤维电加热线与多组12K束状T700碳纤维长丝同时引出，在牵引装置5的牵引驱动下，T700碳纤维束进入浸胶槽2充分浸渍酚醛树脂胶液(酚醛树脂胶液含量为20％)，牵引装置的牵引速度在400mm/分钟。充分浸渍酚醛树脂胶液的T700碳纤维丝束与U型柔性混杂纤维电加热线在牵引装置的动力下，一并进入复合材料抽油杆成型模具3进行固化，固化温度为150℃，时间为5分钟，固化后，在牵引装置5的牵引下进入冷却装置4快速冷却至50℃以下之后，利用卷绕装置6将其卷绕在直径为5m的圆盘上。
实施例3
带有电加热功能的连续碳纤维复合材料抽油杆的制备：将四股1K单股柔性碳纤维与碳化硅纤维按质量比5:1的体积比混杂编织制成柔性束状混杂纤维，在其表面涂覆厚度为0.8mm聚氨酯树脂胶黏剂(聚氨酯树脂胶黏剂含量为45％)，经过烘干处理后固定在拉挤预定位装置上；从放丝架1上将柔性混杂纤维电加热线与多组6K束状T800碳纤维长丝同时引出，在牵引装置5的牵引驱动下，T800碳纤维束进入浸胶槽2充分浸渍胶液，牵引装置的牵引速度在600mm/分钟。充分浸渍环氧树脂胶液的T800碳纤维丝束与U型柔性混杂纤维电加热线在牵引装置的动力下，一并进入复合材料抽油杆成型模具3进行固化，固化温度为120℃，时间为15分钟，固化后，在牵引装置5的牵引下进入冷却装置4快速冷却至50℃以下之后，利用卷绕装置6将其卷绕在直径为5m的圆盘上。
实施例4
带有电加热功能的连续碳纤维复合材料抽油杆的制备：将四股3K单股柔性碳纤维与碳化硅纤维、碳化硼纤维按2:1:1的体积比混杂编织制成柔性束状混杂纤维，在其表面涂覆厚度为0.7mm聚氨酯树脂胶黏剂(聚氨酯树脂胶黏剂含量为40％)，经过烘干处理后固定在拉挤预定位装置上；从放丝架1上将柔性混杂纤维电加热线与多组3K束状T700碳纤维长丝同时引出，在牵引装置5的牵引驱动下，T700碳纤维束进入浸胶槽2充分浸渍环氧树脂胶液(环氧树脂含量为50％)，牵引装置的牵引速度在800mm/分钟。充分浸渍环氧树脂胶液的T700碳纤维丝束与U型柔性混杂纤维电加热线在牵引装置的动力下，一并进入复合材料抽油杆成型模具3进行固化，固化温度为120℃，时间为15分钟，固化后，在牵引装置5的牵引下进入冷却装置4快速冷却至50℃以下之后，利用卷绕装置6将其卷绕在直径为5m的圆盘上。
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 (8)

1.一种带有电加热功能的连续碳纤维复合材料抽油杆，其特征在于，包括碳纤维复合材料抽油杆杆体和埋设在所述抽油杆杆体内部中心的柔性混杂纤维电加热线，所述碳纤维复合材料抽油杆杆体为扁带状或圆形截面，所述杆体为连续长度；所述杆体截面结构为中线内埋入的柔性混杂纤维电加热线，外部为碳纤维复合材料单向包埋结构；
所述的柔性混杂纤维电加热线包括内部的柔性束状混杂纤维和包覆内部柔性束状混杂纤维的热塑性树脂基界面层，所述热塑性树脂含量占比15-50％；
所述柔性束状混杂纤维采用碳纤维与高性能无机纤维混杂编织制备；
所述碳纤维规格为1K、3K、6K、12K、24K任意一种单向纤维；
所述高性能无机纤维包括碳化硅纤维、氧化铝纤维、氮化硼纤维、碳化硼纤维中的一种或多种组合。
2.如权利要求1所述的带有电加热功能的连续碳纤维复合材料抽油杆，其特征在于，所述的碳纤维复合材料抽油杆杆体采用单向碳纤维预浸树脂胶液拉挤固化成型，所述树脂含量占比15-50％。
3.如权利要求1所述的带有电加热功能的连续碳纤维复合材料抽油杆，其特征在于，所述碳纤维为T300、T700、T800中的任意一种或多种。
4.如权利要求2所述的带有电加热功能的连续碳纤维复合材料抽油杆，其特征在于，所述的树脂胶液为环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂中的任意一种。
5.如权利要求1所述的带有电加热功能的连续碳纤维复合材料抽油杆，其特征在于，所述柔性混杂纤维电加热线呈U型。
6.如权利要求1所述的带有电加热功能的连续碳纤维复合材料抽油杆，其特征在于，所述热塑性树脂基界面层厚度在0.2-1mm之间，所述热塑性树脂基界面层所用树脂为热塑性的聚氨酯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯硫醚中的任意一种或多种组合。
7.如权利要求1-6任一项所述的带有电加热功能的连续碳纤维复合材料抽油杆的制备方法，其特征在于，制备步骤如下：
(1)将碳纤维与高性能无机纤维根据加热要求进行混杂编织处理制成柔性束状混杂纤维，之后在其表面涂覆一定厚度的热塑性树脂界面层，所述热塑性树脂含量控制在15-50％，整个电加热线为连续长度，之后将电加热线以U型拉紧备用；
(2)将步骤(1)中涂覆界面层柔性混杂纤维电加热线固定在拉挤预定位装置上，将放丝架上的多组碳纤维束引出，在牵引装置的驱动下，碳纤维束进入浸胶槽充分浸渍树脂胶液，所述树脂含量控制在15-50％；
(3)经过充分浸渍树脂胶液的碳纤维束与中心的柔性混杂纤维电加热线一并进入复合材料抽油杆成型模具进行一次固化成型；
(4)经过固化的碳纤维复合材料抽油杆，在牵引装置的驱动下进入冷却装置快速冷却至50℃以下，利用卷绕装置将其卷绕在直径5m的圆盘上。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中牵引装置的牵引速度为400-900mm/分钟；所述步骤(3)中固化处理温度为120-150℃，固化处理时间为5-15min。
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