CN107747478B - 一种滑轮结构复合材料抽油杆扶正器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种滑轮结构复合材料抽油杆扶正器，横截面为环状结构，由外至内依次包括表层、缓冲层和滑轮定位层，环状结构中间的通孔与抽油杆配合，滑轮定位层包括环状的中空滑轨通道和若干与中空滑轨通道配合滑轮球，通孔的内壁开设环形缝隙，使中空滑轨通道与环状结构中间的通孔通过环形缝隙连通，从而使中空滑轨通道中的滑轮球的部分球面通过环形缝隙暴漏在通孔内；滑轮球由短切纤维1增强陶瓷材料制备，中空滑轨通道由短切纤维增强热固性树脂基复合材料制备；缓冲层由三维立体结构混杂纤维1增强热塑性树脂复合材料制备；表层由二维纤维缠绕复合热固性树脂复合材料制备。具有强度高、刚度大、耐偏磨、耐腐蚀、使用寿命长等综合优势。

Description

一种滑轮结构复合材料抽油杆扶正器

技术领域

本发明涉及一种采油领域使用的复合材料抽油杆防偏磨装置，特别涉及一种利用混杂高性能纤维增强热固性和热塑性复合树脂基体的复合材料材质的扶正器。

背景技术

目前采油领域主要应用的是有杆往复式抽油设备，在采油设备中的杆体抽油部件为其中的重点部件，而传统的金属材质的抽油杆自重很大，耐腐蚀性能较差，而且在井下复杂的工况环境下的耐冲击、耐撞击等力学耐久度也不高，为了改善和提升采油效率，提高工作寿命，目前运用较多的是复合材料材质的抽油杆，而这种抽油杆也面临着井下的偏磨问题，严重影响了复合材料抽油杆的使用寿命。为了解决这一问题，各种防止偏磨的扶正器工装被施工者和研究者开发。目前普遍使用的扶正器均为热固性树脂基复合材料材质整体成型，虽然可以改善复合材料抽油杆的偏磨问题，但是由于杆体与扶正器接触部位为面接触形式，自身的摩擦问题虽然可以解决，但是在杆体与扶正器的接触和往复运动过程中的摩擦仍然是个棘手的问题。此外，扶正器在复杂井下环境的防撞击、冲击的力学耐久度的提高也是一个重点优化的方面。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明的目的之一是提供一种滑轮结构复合材料抽油杆扶正器，该复合材料扶正器通过中间的热塑性树脂复合材料提供整体的韧性和耐井下冲击缓冲，通过外部的热固性树脂复合材料外套结构提供整体的稳定性和刚度，可广泛适用于不同复杂的油井地下作业，具有强度高、刚度大、耐偏磨、耐腐蚀、使用寿命长等综合优势。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种滑轮结构复合材料抽油杆扶正器，横截面为环状结构，由外至内依次包括表层、缓冲层和滑轮定位层，所述环状结构中间的通孔与抽油杆配合，所述滑轮定位层包括环状的中空滑轨通道和若干与中空滑轨通道配合滑轮球，所述通孔的内壁开设环形缝隙，使中空滑轨通道与环状结构中间的通孔通过所述环形缝隙连通，从而使中空滑轨通道中的滑轮球的部分球面通过所述环形缝隙暴漏在通孔内；

所述滑轮球由短切纤维1增强陶瓷材料制备，所述中空滑轨通道由短切纤维2增强热固性树脂基复合材料制备；所述缓冲层由三维立体结构混杂纤维1增强热塑性树脂复合材料制备；所述表层由二维纤维缠绕复合热固性树脂复合材料制备。

本发明通过滑轮定位层使抽油杆与滑轮球进行接触，避免了抽油杆与扶正器面接触，减少了自身摩擦。同时，本发明表层采用二维纤维缠绕复合热固性树脂复合材料制备，使扶正器耐腐蚀、耐磨擦的性能大大提高，缓冲层采用三维立体结构混杂纤维增强热塑性树脂复合材料，增加了缓冲层的缓冲和耐冲击性能，缓冲层与滑轮定位层的配合进一步增加了扶正器自身的力学强度、刚度，从而具有了强度高、刚度大、耐偏磨、耐腐蚀、使用寿命长等综合优势。

本发明的目的之二是提供一种上述一种滑轮结构复合材料抽油杆扶正器的制备方法，采用短切纤维1增强陶瓷材料烧制滑轮球，采用短切纤维2增强热固性树脂基复合材料在模具中制备中空滑轨通道，并将滑轮球安装至中空滑轨通道内制备得到滑轮定位层，在滑轮定位层边缘采用三维编织将混杂纤维1编织成环状三维立体结构，再将热塑性树脂灌注至三维立体结构内固化成型制备成缓冲层，在缓冲层边缘采用二维编织将混杂纤维2编织成二维编织结构，然后将热固性树脂填充至二维编织结构固化成型制备表层，从而制备获得滑轮结构复合材料抽油杆扶正器。

本发明的目的之三是提供一种上述滑轮结构复合材料抽油杆扶正器在开采石油中的应用。

本发明的目的之四是提供一种抽油装置，采用上述滑轮结构复合材料抽油杆扶正器。

本发明的有益效果为：

1.采用滑轮式定位结构与缓冲、耐冲击结构配合使得扶正器自身的力学强度、刚度有较大提高，耐腐蚀性能、耐摩擦性能和使用寿命得到提高；

2.滑轮结构采用滑轮球和中空滑轨通道，既能对抽油杆进行定位，又保证了整体的往复运动的阻力大幅度降低，提高了抽油杆工作的质量。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为滑轮结构复合材料抽油杆扶正器横截面结构图；

其中，1.滑轮定位层，2.缓冲层，3.表层，4.滑轮球，5.中空滑轨通道。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本申请所述的短切纤维是指长度不超过5cm的纤维。其中，短切纤维1、短切纤维2中的“1、2”仅仅是对短切纤维名称的限定，而不是对短切纤维添加顺序的限定。

本申请所述的混杂纤维是指碳纤维与芳纶纤维、UHMWPE纤维、玄武岩纤维、氧化铝纤维等其他纤维的混合纤维。其中，混杂纤维1、混杂纤维2中的“1、2”仅仅是对混杂纤维名称的限定，而不是对混杂纤维添加顺序的限定。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在杆体与扶正器产生的面摩擦及扶正器无法完全满足复杂井下工作环境的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种滑轮结构复合材料抽油杆扶正器。

本申请的一种典型实施方式，如图1所示，提供了一种滑轮结构复合材料抽油杆扶正器，横截面为环状结构，由外至内依次包括表层3、缓冲层2和滑轮定位层1，所述环状结构中间的通孔与抽油杆配合，所述滑轮定位层1包括环状的中空滑轨通道5和若干与中空滑轨通道配合滑轮球4，所述通孔的内壁开设环形缝隙，使中空滑轨通道5与环状结构中间的通孔通过所述环形缝隙连通，从而使中空滑轨通道5中的滑轮球4的部分球面通过所述环形缝隙暴漏在通孔内；

所述滑轮球4由短切纤维1增强陶瓷材料制备，所述中空滑轨通道5由短切纤维2增强热固性树脂基复合材料制备；所述缓冲层2由三维立体结构混杂纤维1增强热塑性树脂复合材料制备；所述表层1由二维纤维缠绕复合热固性树脂复合材料制备。

本申请通过滑轮定位层使抽油杆与滑轮球进行接触，避免了抽油杆与扶正器面接触，减少了自身摩擦。同时，本申请表层采用二维纤维缠绕复合热固性树脂复合材料制备，使扶正器耐腐蚀、耐磨擦的性能大大提高，缓冲层采用三维立体结构混杂纤维增强热塑性树脂复合材料，增加了缓冲层的缓冲和耐冲击性能，缓冲层与滑轮定位层的配合进一步增加了扶正器自身的力学强度、刚度，从而具有了强度高、刚度大、耐偏磨、耐腐蚀、使用寿命长等综合优势。

优选的，所述短切纤维1的长度为0.5～2cm。

优选的，所述短切纤维1为碳纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维、玄武岩纤维其中的一种或多种。

优选的，所述滑轮球采用的陶瓷材料为碳化硅、碳化硼、氧化铝或氮化硼。

优选的，所述滑轮球采用陶瓷材料的质量为滑轮球总质量的30～50％。

优选的，所述短切纤维2的长度为0.5～2cm。

优选的，所述短切纤维2为碳纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维、玄武岩纤维其中的一种或多种。

本申请所述的短切纤维1与短切纤维2可以相同，也可以不同。

优选的，所述中空滑轨通道采用的热固性树脂为酚醛树脂或环氧树脂。

优选的，所述中空滑轨通道采用热固性树脂的质量为中空滑轨通道总质量的30～50％。

优选的，所述缓冲层采用的混杂纤维1以碳纤维为主体，掺混芳纶纤维、UHMWPE纤维、玄武岩纤维或氧化铝纤维。进一步优选的，主体纤维与掺混纤维的质量比为2～10:1。

优选的，所述缓冲层采用的热塑性树脂为聚乙烯、聚氨酯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚苯硫醚或聚醚醚酮。

优选的，所述缓冲层采用热塑性树脂的质量为缓冲层总质量的30～50％。

优选的，所述表层采用的纤维为混杂纤维2，所述混杂纤维2以碳纤维为主体，掺混芳纶纤维或UHMWPE纤维。进一步优选的，主体纤维与掺混纤维的质量比为2～10:1。

优选的，所述表层采用的热固性树脂为环氧树脂、酚醛树脂或不饱和聚酯树脂。

优选的，所述表层采用热固性树脂的质量为表层总质量的30～50％。

优选的，所述表层二维纤维缠绕形成二维编织结构为平纹、斜纹或缎纹。

本申请的另一种实施方式，提供了一种上述一种滑轮结构复合材料抽油杆扶正器的制备方法，采用短切纤维1增强陶瓷材料烧制滑轮球，采用短切纤维2增强热固性树脂基复合材料在模具中制备中空滑轨通道，并将滑轮球安装至中空滑轨通道内制备得到滑轮定位层，在滑轮定位层边缘采用三维编织将混杂纤维1编织成环状三维立体结构，再将热塑性树脂灌注至三维立体结构内固化成型制备成缓冲层，在缓冲层边缘采用二维编织将混杂纤维2编织成二维编织结构，然后将热固性树脂填充至二维编织结构固化成型制备表层，从而制备获得滑轮结构复合材料抽油杆扶正器。

优选的，将短切纤维1与陶瓷材料混合均匀后，放入球形模具中，烧制即得滑轮球。

优选的，将短切纤维2与用于中空滑轨通道的热固性树脂混合后，放入模具中，加入固化后即得中空滑轨通道。

优选的，所述三维编织的方法为三维四向、三维五向、三维六向或三维七向。

优选的，将热塑性树脂灌注至三维立体结构内进行注塑成型，注塑温度为120～180℃，注塑时间为5～30s。

优选的，热固性树脂填充至二维编织结构固化成型制备表层的方法为真空导入的方式。

进一步优选的，条件为真空度为-0.08～-0.1MPa，温度为100～300℃。

本申请的第三种实施方式，提供了一种上述滑轮结构复合材料抽油杆扶正器在开采石油中的应用。

本申请的第四种实施方式，提供了一种抽油装置，采用上述滑轮结构复合材料抽油杆扶正器。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本申请的技术方案。

实施例1

整个新型滑轮是结构复合材料扶正器的制备包括三部分：

第一，内部滑轮式定位结构由外径3mm的三组基体含量为30％的碳化硅、0.5cm长度的碳纤维、氧化铝纤维混杂纤维复合构成的陶瓷复合材料球和基体含量为30％的酚醛树脂、0.5cm长度的碳纤维、碳化硅纤维混杂纤维复合构成的复合材料滑轨组成。滑轮球和滑轨分别另行加工，将滑轮球和滑轨加工好之后，再组合安装使用。

第二，在内部滑轮是定位结构制备完毕后，在定位结构外部制备碳纤维与改性纤维的比例在2:1的碳纤维与芳纶纤维混杂三维四向织物结构的基体含量为50％的聚乙烯复合材料中间缓冲层，整个缓冲层的厚度控制在5mm范围。首先采用混杂纤维立体编织形成预制体，之后再预制体织物中采用聚乙烯树脂高温注塑成型，注塑温度在150℃，注塑时间为30s。

第三，在中间的复合材料缓冲结构外部制备复合材料耐冲击结构，选用含量为50％的环氧树脂为基体，选用比例为2:1的平纹结构的碳纤维混杂芳纶纤维织物为增强结构，当二维织物缠绕在中间缓冲层之后，采用浸渍环氧树脂，真空度控制在-0.09MPa范围，在130℃进行热固化成型，成型时间为2h。

实施例2

整个新型滑轮是结构复合材料扶正器的制备包括三部分：

第一，内部滑轮式定位结构由外径5mm的四组基体含量为36％的氮化硼、0.8cm长度的碳纤维、碳化硅纤维混杂纤维复合构成的陶瓷复合材料球和基体含量为40％的环氧树脂、0.9cm长度的碳纤维、玄武岩纤维混杂纤维复合构成的复合材料滑轨组成。滑轮球和滑轨分别另行加工，将滑轮球和滑轨加工好之后，再组合安装使用。

第二，在内部滑轮是定位结构制备完毕后，在定位结构外部制备碳纤维与改性纤维的比例在6:1之间的碳纤维与氧化铝纤维混杂三维五向织物结构的基体含量为40％的聚氨酯复合材料中间缓冲层，整个缓冲层的厚度控制在6mm范围。首先采用混杂纤维立体编织形成预制体，之后再预制体织物中采用聚氨酯树脂高温注塑成型，注塑温度在126℃，注塑时间为30s。

第三，在中间的复合材料缓冲结构外部制备复合材料耐冲击结构，选用含量为45％的不饱和聚酯树脂为基体，选用比例为5:1的缎纹结构的碳纤维混杂UHMWPE纤维织物为增强结构，当二维织物缠绕在中间缓冲层之后，采用浸渍酚醛树脂，真空度控制在-0.09MPa范围，在130℃进行热固化成型，成型时间为1h。

实施例3

整个新型滑轮是结构复合材料扶正器的制备包括三部分：

第一，内部滑轮式定位结构由外径5mm的八组基体含量为40％的氧化铝、1cm长度的碳纤维、玄武岩纤维混杂纤维复合构成的陶瓷复合材料球和基体含量为42％的酚醛树脂、2cm长度的碳纤维、碳化硅纤维混杂纤维复合构成的复合材料滑轨组成。滑轮球和滑轨分别另行加工，将滑轮球和滑轨加工好之后，再组合安装使用。

第二，在内部滑轮是定位结构制备完毕后，在定位结构外部制备碳纤维与改性纤维的比例在9:1之间的碳纤维与芳纶纤维、UHMWPE纤维混杂三维七向织物结构的基体含量为40％的聚丙烯复合材料中间缓冲层，整个缓冲层的厚度控制在6mm范围。首先采用混杂纤维立体编织形成预制体，之后再预制体织物中采用聚丙烯树脂高温注塑成型，注塑温度在160℃，注塑时间为5s。

第三，在中间的复合材料缓冲结构外部制备复合材料耐冲击结构，选用含量为44％的酚醛树脂为基体，选用比例为4:1的斜纹结构的碳纤维混杂芳纶纤维织物为增强结构，当二维织物缠绕在中间缓冲层之后，采用浸渍环氧树脂，真空度控制在-0.08MPa范围，在120℃进行热固化成型，成型时间为3h。

实施例4

整个新型滑轮是结构复合材料扶正器的制备包括三部分：

第一，内部滑轮式定位结构由外径7mm的三组基体含量为50％的碳化硅、2cm长度的碳纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维混杂纤维复合构成的陶瓷复合材料球和基体含量为35％的酚醛树脂、0.5cm长度的碳纤维、氧化铝纤维混杂纤维复合构成的复合材料滑轨组成。滑轮球和滑轨分别另行加工，将滑轮球和滑轨加工好之后，再组合安装使用。

第二，在内部滑轮是定位结构制备完毕后，在定位结构外部制备碳纤维与改性纤维的比例在7:1之间的碳纤维与芳纶纤维、玄武岩纤维、氧化铝纤维混杂三维六向织物结构的基体含量为40％的聚醚醚酮复合材料中间缓冲层，整个缓冲层的厚度控制在6mm范围。首先采用混杂纤维立体编织形成预制体，之后再预制体织物中采用聚醚醚酮树脂高温注塑成型，注塑温度在180℃，注塑时间为30s。

第三，在中间的复合材料缓冲结构外部制备复合材料耐冲击结构，选用含量为40％的环氧树脂为基体，选用比例为3:1的缎纹结构的碳纤维混杂芳纶纤维织物为增强结构，当二维织物缠绕在中间缓冲层之后，采用浸渍环氧树脂，真空度控制在-0.09MPa范围，在130℃进行热固化成型，成型时间为2.5h。

实施例1～4制备的扶正器的性能如表1所示。

表1扶正器的性能

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种滑轮结构复合材料抽油杆扶正器的制备方法，其特征是，采用短切纤维1增强陶瓷材料烧制滑轮球，采用短切纤维2增强热固性树脂基复合材料在模具中制备中空滑轨通道，并将滑轮球安装至中空滑轨通道内制备得到滑轮定位层，在滑轮定位层边缘采用三维编织将混杂纤维1编织成环状三维立体结构，再将热塑性树脂灌注至三维立体结构内固化成型制备成缓冲层，在缓冲层边缘采用二维编织将混杂纤维2编织成二维编织结构，然后将热固性树脂填充至二维编织结构固化成型制备表层，从而制备获得滑轮结构复合材料抽油杆扶正器；

将热塑性树脂灌注至三维立体结构内进行注塑成型，注塑温度为120~180℃，注塑时间为5~30s；

热固性树脂填充至二维编织结构固化成型制备表层的方法为真空导入的方式，条件为真空度为-0.08~-0.1MPa，温度为100~300℃；

所制备的滑轮结构复合材料抽油杆扶正器，横截面为环状结构，由外至内依次包括表层、缓冲层和滑轮定位层，所述环状结构中间的通孔与抽油杆配合，所述滑轮定位层包括环状的中空滑轨通道和若干与中空滑轨通道配合的滑轮球，所述通孔的内壁开设环形缝隙，使中空滑轨通道与环状结构中间的通孔通过所述环形缝隙连通，从而使中空滑轨通道中的滑轮球的部分球面通过所述环形缝隙暴漏在通孔内；

所述滑轮球由短切纤维1增强陶瓷材料制备，所述中空滑轨通道由短切纤维2增强热固性树脂基复合材料制备；所述缓冲层由三维立体结构混杂纤维1增强热塑性树脂复合材料制备；所述表层由二维纤维缠绕复合热固性树脂复合材料制备。

2.如权利要求1所述的滑轮结构复合材料抽油杆扶正器的制备方法，其特征是，所述短切纤维1的长度为0.5~2cm；所述短切纤维1为碳纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维、玄武岩纤维其中的一种或多种；所述滑轮球采用的陶瓷材料为碳化硅、碳化硼、氧化铝或氮化硼；

所述短切纤维2的长度为0.5~2cm；所述短切纤维2为碳纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维、玄武岩纤维其中的一种或多种；所述中空滑轨通道采用的热固性树脂为酚醛树脂或环氧树脂。

3.如权利要求1所述的滑轮结构复合材料抽油杆扶正器的制备方法，其特征是，所述缓冲层采用的混杂纤维1以碳纤维为主体，掺混芳纶纤维、UHMWPE纤维、玄武岩纤维或氧化铝纤维；所述缓冲层采用的热塑性树脂为聚乙烯、聚氨酯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚苯硫醚或聚醚醚酮。

4.如权利要求1所述的滑轮结构复合材料抽油杆扶正器的制备方法，其特征是，所述表层采用的纤维为混杂纤维2，所述混杂纤维2以碳纤维为主体，掺混芳纶纤维或UHMWPE纤维；所述表层采用的热固性树脂为环氧树脂、酚醛树脂或不饱和聚酯树脂。

5.如权利要求1所述的滑轮结构复合材料抽油杆扶正器的制备方法，其特征是，所述表层二维纤维缠绕形成二维编织结构为平纹、斜纹或缎纹。

6.如权利要求1所述的制备方法，其特征是，所述三维编织的方法为三维四向、三维五向、三维六向或三维七向。

7.一种权利要求1~5任一所述的制备方法所制备的滑轮结构复合材料抽油杆扶正器在开采石油中的应用。

8.一种抽油装置，其特征是，采用权利要求1~5任一所述的制备方法所制备的滑轮结构复合材料抽油杆扶正器。