CN107187138A - 一种井下工具用高强度复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及油气田井下工具技术领域，特别涉及一种井下工具用高强度复合材料及其制备方法。该井下工具用高强度复合材料的制备方法所制得的井下工具用高强度复合材料包括若干层由内向外依次交替叠加的第一增强纤维织物层和第二增强纤维织物层，在第一增强纤维织物层和第二增强纤维织物层上均浸设有第一树脂和第二树脂混合胶液。该井下工具用高强度复合材料耐高温、抗拉、抗压等力学性能好、磨铣性能突出、耐腐蚀性能优异，与传统金属材料相比，具有更快的磨铣速度和耐腐蚀性能。

Description

一种井下工具用高强度复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及油气田井下工具技术领域，特别涉及一种井下工具用高强度复合材料及其制备方法。
背景技术
目前油田用井下工具主体部分多为金属材料，由于金属材料自身具有易腐蚀、硬度高、耐磨、密度大等特点，因此在进行分层作业，注水作业以及海上作业时，存在诸如易遇卡、钻磨困难、腐蚀严重等问题，严重制约了工艺的进步，增加了开发成本。
国内将高强度复合材料应用于石油领域的研究较晚，与国外有很大的差距，仍处于起步阶段，随着泵送可钻桥塞分段压裂技术在国内的应用，开始了将高强度复合材料用于石油领域井下工具的研究，形成了复合式可钻桥塞。但是目前国内并未掌握生产桥塞所用的高强度复合材料的核心技术，需要引进国外原材料，价格昂贵，大大增加了开发成本，并且由于复合桥塞在井下工作时主要受压力作用，这种生产桥塞的材料抗拉强度比较低，不能满足工作过程中受拉力作用的井下工具的要求，因此这种用于制造桥塞的复合材料并未在油田井下工具中进行进一步应用。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足，目的之一是提供一种耐高温、抗拉、抗压等力学性能好、磨铣性能突出、耐腐蚀性能优异的井下工具用高强度复合材料；目的之二是为实现目的之一的井下工具用高强度复合材料的制备方法。
本发明的目的之一可通过如下技术方案来实现：
该井下工具用高强度复合材料包括若干层由内向外依次交替叠加的第一增强纤维织物层和第二增强纤维织物层，在第一增强纤维织物层和第二增强纤维织物层上均浸设有第一树脂和第二树脂混合胶液。
本发明的目的之一还可通过如下技术方案来实现：
所述第一增强纤维织物层为无机纤维织物层，所述无机纤维织物层为T300-3K双向碳纤维织物或低碱玻璃纤维织物；所述第二增强纤维织物层为有机纤维织物层，所述有机纤维织物层为超高分子量聚乙烯纤维或聚酯纤维。
所述第一树脂为环氧树脂、酚醛树脂或不饱和聚酯；所述第二树脂为结晶性树脂或液晶性树脂。
所述结晶性树脂为聚乙烯、聚丙烯、聚间苯二甲酸丁二酯、聚对苯二甲酸丁二酯中的一种；所述液晶性树脂为环氧丙醚或乙烯醚。
所述环氧丙醚为4-甲基二苯乙烯环氧丙醚、4-苯甲酰苯基环氧丙醚、4-联苯基环氧丙醚、4-苯甲亚胺基环氧丙醚或4-偶氮苯环氧丙醚；所述乙烯醚为4-甲基二苯乙烯乙烯醚、4-苯甲酰苯基乙烯醚、4-联苯基乙烯醚、4-苯甲亚胺基乙烯醚或4-偶氮苯乙烯醚。
本发明的目的之二可通过如下技术方案(一)来实现：
一种实现目的之一的井下工具用高强度复合材料的制备方法包括如下操作步骤：
(1)将第一增强纤维织物和第二增强纤维织物分别加置到放卷轴；
(2)调配第一树脂，按第一树脂：第二树脂＝100：5～50质量份配比，将第二树脂加热溶解到第一树脂中得胶液；
(3)准备收放卷装置、调节张力系统；
(4)将步骤(1)加置到放卷轴的第一增强纤维织物和第二增强纤维织物分别浸入步骤(2)配制的胶液中，通过挤胶辊，控制第一增强纤维织物和第二增强纤维织物的预浸胶液量质量份数均为30％－70％；
(5)将步骤(4)浸有胶液的第一增强纤维织物和第二增强纤维织物在石膏芯模上叠加缠绕，当成型直径达到所需要尺寸时，停机取下缠绕有上述增强纤维织物的石膏芯模；
(6)将步骤(5)所得缠绕有上述增强纤维织物的石膏芯模置于硫化机内加热成型，其中，成型温度60-250℃、固化时间10-400min，固化完成后，冷却，钻除石膏芯模，即得；
所述第一增强纤维织物为无机纤维织物；所述第二增强纤维织物为有机纤维织物；
所述第一树脂为环氧树脂、酚醛树脂或不饱和聚酯；所述第二树脂为聚乙烯、聚丙烯、聚间苯二甲酸丁二酯、聚对苯二甲酸丁二酯、环氧丙醚或乙烯醚的一种。
本发明的目的之二还可通过如下技术方案(一)来实现：
所述无机纤维织物为T300-3K双向碳纤维织物或低碱玻璃纤维织物；所述有机纤维织物为超高分子量聚乙烯纤维或聚酯纤维。
本发明的目的之二可通过如下技术方案(二)来实现：
一种目的之一所述的井下工具用高强度复合材料的制备方法包括如下操作步骤：
(1)按第一树脂：第二树脂＝100：5～50质量份配比，将第一树脂和第二树脂充分混合制备成混合树脂；
(2)按第一增强短切纤维：第二增强短切纤维＝1：5-5：1的质量份配比混合，然后加入到步骤(1)的混合树脂中，制备成预浸料，其中，第一增强纤维短切纤维和第二增强短切纤维占预浸料的质量份数为30-70％；
(3)将步骤(2)制得的预浸料加入涂有脱膜剂的模具中，使用模压机，模压成型，成型温度60-200℃，压力20-40MPa，模压时间10-400min；模压成型后，脱膜，即得。
本发明的目的之二还可通过如下技术方案(二)来实现：
所述第一增强短切纤维为无机纤维，所述无机纤维为T300-3K双向碳纤维或低碱玻璃纤维；所述第二增强短切纤维为有机纤维，所述有机纤维为超高分子量聚乙烯纤维或聚酯纤维；所述第一树脂为环氧树脂、酚醛树脂或不饱和聚酯；所述第二树脂为聚乙烯、聚丙烯、聚间苯二甲酸丁二酯、聚对苯二甲酸丁二酯、环氧丙醚或乙烯醚的一种。
本发明的有益效果是：
本发明方法制备工艺，通过将第一增强纤维织物和第二增强纤维织物浸渍按一定比例混合的混合树脂胶液，并采用挤胶辊控制第一增强纤维织物和第二增强纤维织物的预浸胶液质量分数，然后将浸有胶液的第一增强纤维织物和第二增强纤维织物在石膏芯模上叠加缠绕、加热成型，整个过程各原料及原料间比例控制严格、工艺独特、操作简单易得。制得井下工具用复合材料为若干层由内向外依次交替叠加的第一增强纤维织物层和第二增强纤维织物层，在第一增强纤维织物层和第二增强纤维织物层上均浸设有第一树脂和第二树脂混合胶液，该结构的井下工具用复合材料具有优异的耐热性能、机械性能和易加工性，与传统金属材料相比，具有更快的磨铣速度和耐腐蚀性能。
附图说明
图1为本发明井下工具用复合材料缠绕成型结构示意图；
图2为本发明井下工具用复合材料模压成型结构示意图。
其中，1第一增强纤维织物、2第二增强纤维织物、3第一树脂、4第二树脂、5第一增强短切纤维、6第二增强短切纤维。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于此。
实施例1：
如附图1所示，一种井下工具用高强度复合材料，包括若干层由内向外依次交替叠加的第一增强纤维织物层和第二增强纤维织物层，在第一增强纤维织物层和第二增强纤维织物层上均浸设有第一树脂和第二树脂混合胶液。
所述第一增强纤维织物层为无机纤维织物层；所述无机纤维织物层为T300-3K双向碳纤维织物。
所述第二增强纤维织物层为有机纤维织物层；所述有机纤维织物层为超高分子量聚乙烯纤维。
所述第一树脂为环氧树脂；所述第二树脂为结晶性树脂，所述结晶性树脂为聚丙烯。
上述井下工具用高强度复合材料的制备方法，采用如下操作步骤：
(1)将T300-3K双向碳纤维织物和超高分子量聚乙烯纤维织物分别加置到放卷轴；
(2)调配环氧树脂，按环氧树脂：聚丙烯＝100：5～50质量份配比，同时将聚丙烯加热溶解到环氧树脂中得胶液；
(3)准备收放卷装置、调节张力系统；
(4)将步骤(1)加置到放卷轴的T300-3K双向碳纤维织物和超高分子量聚乙烯纤维织物分别浸入步骤(2)配制的胶液中，通过挤胶辊压力，控制T300-3K双向碳纤维织物和超高分子量聚乙烯纤维织物的预浸料胶液量均为40％；
(5)将浸有胶液的T300-3K双向碳纤维织物和超高分子量聚乙烯纤维织物在石膏芯模上依次交替缠绕，当成型直径达0.2m时，停机取下缠绕上述纤维织物的石膏芯模；
(6)将步骤(5)所得缠绕有上述纤维织物的石膏芯模置于硫化机内加热固化，其中，成型温度120℃、固化时间400min，固化完成后，冷却，钻除石膏芯模，即得井下工具用高强度复合材料，其机械性能如下表1。
表1实施例1的井下工具用高强度复合材料产品的机械性能
序号 项目 单位 实测值
1 拉伸强度 MPa 200
2 拉伸模量 MPa 4500
3 压缩强度 MPa 135
4 磨铣时间 min/m 30
5 热变形温度 ℃ 156
实施例2：
如附图2，一种模压成型的井下工具用高强度复合材料的制备方法，采用如下操作步骤：
(1)将不饱和聚酯TM199和联苯型液晶环氧充分混合，制备成混合树脂，冷却；
(2)将玻璃纤维和聚酯纤维按照1:5的质量份配比加入到上述混合树脂中，制备成预浸料，其中，玻璃纤维和聚酯纤维占预浸料的质量份数为60％；
(3)将步骤(2)制得的预浸料加入涂有脱膜剂的模具中，使用模压机，模压成型，成型温度60℃，压力30MPa，模压时间0.5h；模压成型后，脱膜即得复合材料，其机械性能如下表2。
表2实施例2的井下工具用高强度复合材料产品的机械性能
序号 项目 单位 实测值
1 拉伸强度 MPa 180
2 拉伸模量 MPa 3200
3 压缩强度 MPa 112
4 磨铣时间 min/m 24
5 热变形温度 ℃ 128
实施例3
如实施例1的一种井下工具用高强度复合材料，所不同的是，所述第一树脂为酚醛树脂；所述第二树脂为聚乙烯。
上述井下工具用高强度复合材料的制备方法，采用如下操作步骤：
(1)将T300-3K双向碳纤维织物和超高分子量聚乙烯纤维织物分别加置到放卷轴；
(2)调配酚醛树脂，按配酚醛树脂：聚乙烯＝100：5～50质量份配比，同时将聚乙烯加热溶解到酚醛树脂中得胶液；准备收放卷装置、调节张力系统；
(3)将步骤(1)加置到放卷轴的T300-3K双向碳纤维织物和超高分子量聚乙烯纤维织物分别浸入步骤(2)配制的胶液中，通过挤胶辊压力，控制T300-3K双向碳纤维织物和超高分子量聚乙烯纤维织物的预浸料胶液量均为30％；
(4)将浸有胶液的T300-3K双向碳纤维织物和超高分子量聚乙烯纤维织物在石膏芯模上依次交替缠绕，当成型直径达0.2m时，停机取下缠绕上述纤维织物的石膏芯模；
(5)将步骤(4)所得缠绕有上述纤维织物的石膏芯模置于硫化机内加热固化，其中，成型温度60℃、固化时间10min，固化完成后，冷却，钻除石膏芯模，即得井下工具用高强度复合材料。
实施例4
如实施例1的一种井下工具用高强度复合材料，所不同的是，所述第一树脂为不饱和聚酯树脂；所述第二树脂为聚间苯二甲酸丁二酯。
上述井下工具用高强度复合材料的制备方法，采用如下操作步骤：
(1)将低碱玻璃纤维织物和聚酯纤维织物分别加置到放卷轴；
(2)调配不饱和聚酯树脂，按不饱和聚酯树脂：聚间苯二甲酸丁二酯＝100：5～50质量份配比，同时将聚间苯二甲酸丁二酯加热溶解到不饱和聚酯树脂中得胶液；
(3)准备收放卷装置、调节张力系统；
(4)将步骤(1)加置到放卷轴的低碱玻璃纤维织物和聚酯纤维织物分别浸入步骤(2)配制的胶液中，通过挤胶辊压力，控制低碱玻璃纤维织物和聚酯纤维织物的预浸料胶液量均为70％；
(5)将浸有胶液的低碱玻璃纤维织物和聚酯纤维织物在石膏芯模上依次交替缠绕，当成型直径达0.2m时，停机取下缠绕上述纤维织物的石膏芯模；
(6)将步骤(5)所得缠绕有上述纤维织物的石膏芯模置于硫化机内加热固化，其中，成型温度250℃、固化时间200min，固化完成后，冷却，钻除石膏芯模，即得井下工具用高强度复合材料。
实施例5
如实施例4的一种井下工具用高强度复合材料，所不同的是，所述第二树脂为聚对苯二甲酸丁二酯。
上述井下工具用高强度复合材料的制备方法，采用如下操作步骤：
(1)将低碱玻璃纤维织物和聚酯纤维织物分别加置到放卷轴；
(2)调配不饱和聚酯树脂，按不饱和聚酯树脂：聚对苯二甲酸丁二酯＝100：5～50质量份配比，同时将聚对苯二甲酸丁二酯加热溶解到不饱和聚酯树脂中得胶液；
(3)准备收放卷装置、调节张力系统；
(4)将步骤(1)加置到放卷轴的低碱玻璃纤维织物和聚酯纤维织物分别浸入步骤(2)配制的胶液中，通过挤胶辊压力，控制低碱玻璃纤维织物和聚酯纤维织物的预浸料胶液量均为70％；
(5)将浸有胶液的低碱玻璃纤维织物和聚酯纤维织物在石膏芯模上依次交替缠绕，当成型直径达0.2m时，停机取下缠绕上述纤维织物的石膏芯模；
(6)将步骤(5)所得缠绕有上述纤维织物的石膏芯模置于硫化机内加热固化，其中，成型温度250℃、固化时间200min，固化完成后，冷却，钻除石膏芯模，即得井下工具用高强度复合材料。
实施例6
如实施例2的一种井下工具用高强度复合材料，所不同的是，所述第二树脂为环氧丙醚，所述环氧丙醚为4-甲基二苯乙烯环氧丙醚、4-苯甲酰苯基环氧丙醚、4-联苯基环氧丙醚、4-苯甲亚胺基环氧丙醚或4-偶氮苯环氧丙醚。
上述井下工具用高强度复合材料的制备方法，采用如下操作步骤：
(1)将不饱和聚酯TM199和环氧丙醚按质量比充分混合，制备成混合树脂，冷却；
(2)将玻璃纤维和聚酯纤维按照5:1的质量份配比加入到上述混合树脂中，制备成预浸料，其中，玻璃纤维和聚酯纤维占预浸料的质量份数为30％；
(3)将步骤(2)制得的预浸料加入涂有脱膜剂的模具中，使用模压机，模压成型，成型温度200℃，压力40MPa，模压时间400min；模压成型后，脱膜即得复合材料。
实施例7
如实施例2的一种井下工具用高强度复合材料，所不同的是，所述第二树脂为乙烯醚，所述乙烯醚为4-甲基二苯乙烯乙烯醚、4-苯甲酰苯基乙烯醚、4-联苯基乙烯醚、4-苯甲亚胺基乙烯醚或4-偶氮苯乙烯醚。
上述井下工具用高强度复合材料的制备方法，采用如下操作步骤：
(1)将不饱和聚酯TM199和乙烯醚按质量比充分混合，制备成混合树脂，冷却；
(2)将玻璃纤维和聚酯纤维按照3:1的质量份配比加入到上述混合树脂中，制备成预浸料，其中，玻璃纤维和聚酯纤维的质量份数为70％；
(3)将步骤(2)制得的预浸料加入涂有脱膜剂的模具中，使用模压机，模压成型，成型温度60℃，压力20MPa，模压时间10min；模压成型后，脱膜即得复合材料。

Claims (9)

1.一种井下工具用高强度复合材料，其特征是：包括若干层由内向外依次交替叠加的第一增强纤维织物层和第二增强纤维织物层，在第一增强纤维织物层和第二增强纤维织物层上均浸设有第一树脂和第二树脂混合胶液。
2.根据权利要求1所述的一种井下工具用高强度复合材料，其特征是：所述第一增强纤维织物层为无机纤维织物层，所述无机纤维织物层为T300-3K双向碳纤维织物或低碱玻璃纤维织物；所述第二增强纤维织物层为有机纤维织物层，所述有机纤维织物层为超高分子量聚乙烯纤维或聚酯纤维。
3.根据权利要求1所述的一种井下工具用高强度复合材料，其特征是：所述第一树脂为环氧树脂、酚醛树脂或不饱和聚酯；所述第二树脂为结晶性树脂或液晶性树脂。
4.根据权利要求3所述的一种井下工具用高强度复合材料，其特征是：所述结晶性树脂为聚乙烯、聚丙烯、聚间苯二甲酸丁二酯、聚对苯二甲酸丁二酯中的一种；所述液晶性树脂为环氧丙醚或乙烯醚。
5.根据权利要求4所述的一种井下工具用高强度复合材料，其特征是：所述环氧丙醚为4-甲基二苯乙烯环氧丙醚、4-苯甲酰苯基环氧丙醚、4-联苯基环氧丙醚、4-苯甲亚胺基环氧丙醚或4-偶氮苯环氧丙醚；所述乙烯醚为4-甲基二苯乙烯乙烯醚、4-苯甲酰苯基乙烯醚、4-联苯基乙烯醚、4-苯甲亚胺基乙烯醚或4-偶氮苯乙烯醚。
6.一种权利要求1的井下工具用高强度复合材料的制备方法，其特征是：包括如下操作步骤：
(1)将第一增强纤维织物和第二增强纤维织物分别加置到放卷轴；
(2)调配第一树脂，按第一树脂：第二树脂＝100：5～50质量份配比，将第二树脂加热溶解到第一树脂中得胶液；
(3)准备收放卷装置、调节张力系统；
(4)将步骤(1)加置到放卷轴的第一增强纤维织物和第二增强纤维织物分别浸入步骤(2)配制的胶液中，通过挤胶辊，控制第一增强纤维织物和第二增强纤维织物的预浸胶液量质量份数均为30％－70％；
(5)将步骤(4)浸有胶液的第一增强纤维织物和第二增强纤维织物在石膏芯模上叠加缠绕，当成型直径达到所需要尺寸时，停机取下缠绕有上述增强纤维织物的石膏芯模；
(6)将步骤(5)所得缠绕有上述增强纤维织物的石膏芯模置于硫化机内加热成型，其中，成型温度60-250℃、固化时间10-400min，固化完成后，冷却，钻除石膏芯模，即得；所述第一增强纤维织物为无机纤维织物；所述第二增强纤维织物为有机纤维织物；
所述第一树脂为环氧树脂、酚醛树脂或不饱和聚酯；所述第二树脂为聚乙烯、聚丙烯、聚间苯二甲酸丁二酯、聚对苯二甲酸丁二酯、环氧丙醚或乙烯醚的一种。
7.根据权利要求6所述的一种井下工具用高强度复合材料的制备方法，其特征是：所述无机纤维织物为T300-3K双向碳纤维织物或低碱玻璃纤维织物；所述有机纤维织物为超高分子量聚乙烯纤维或聚酯纤维。
8.一种权利要求1的井下工具用高强度复合材料的制备方法，其特征是：包括如下操作步骤：
(1)按第一树脂：第二树脂＝100：5～50质量份配比，将第一树脂和第二树脂充分混合制备成混合树脂；
(2)按第一增强短切纤维：第二增强短切纤维＝1：5-5：1的质量份配比混合，然后加入到步骤(1)的混合树脂中，制备成预浸料，其中，第一增强纤维短切纤维和第二增强短切纤维占预浸料的质量份数为30-70％；
(3)将步骤(2)制得的预浸料加入涂有脱膜剂的模具中，使用模压机，模压成型，成型温度60-200℃，压力20-40MPa，模压时间10-400min；模压成型后，脱膜，即得。
9.根据权利要求8所述的一种井下工具用高强度复合材料的制备方法，其特征是：所述第一增强短切纤维为无机纤维，所述无机纤维为T300-3K双向碳纤维或低碱玻璃纤维；所述第二增强短切纤维为有机纤维，所述有机纤维为超高分子量聚乙烯纤维或聚酯纤维；所述第一树脂为环氧树脂、酚醛树脂或不饱和聚酯；所述第二树脂为聚乙烯、聚丙烯、聚间苯二甲酸丁二酯、聚对苯二甲酸丁二酯、环氧丙醚或乙烯醚的一种。
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