CN107761251A - 一种混杂纤维多维结构功能性杆体及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种混杂纤维多维结构功能性杆体及其制备方法。该杆体由内而外依次为中心刚性多维编织芯、中间毡针刺层、表面耐冲击混杂编织层；中心刚性多维编织芯为芯棒结构，芯棒结构以零度纱线为中心骨架，在中心骨架外部采用混杂纤维编织成多维立体编织结构，零度纱线为碳纤维与其他纤维1混合而成，混杂纤维为碳纤维与其他纤维2混合而成；中间毡状针刺层为以碳纤维为主体，配合其他纤维3，采用短切形式制备的层状毡状增强体；表面耐冲击混杂编织层以碳纤维为主体，配合其他纤维4，采用二维混杂纤维编织缠绕方式制成；中心刚性多维编织芯、中间毡状针刺层、表面耐冲击混杂编织层三层之间采用针刺方式进行层间结合，并采用树脂灌注成型。

Description

一种混杂纤维多维结构功能性杆体及其制备方法
技术领域
本发明属于石油开采领域，具体涉及一种采用混杂纤维多维排布结构的、带有耐冲击和整体刚性较大特性的杆体结构，利用该杆体可以制备开发具有不同特性的抽油杆或者其他杆状复合材料构件。
背景技术
随着石油开采工业的发展和采油量的不断提高，各种复杂环境条件的油井的利用也逐渐成为目前采油工业的重点研究工作，而要面对复杂地下环境的油井利用，则需要带有特殊功能特性的抽油装置与之适应，其中抽油杆等杆体工装是井下活动的主要部件，因此面对高压、冲击、高低温多变地质等苛刻环境下的抽油施工，原有的传统金属和传统复合材料抽油杆已经逐渐显现出了性能上的捉襟见肘，因此需要开发一种新型复合材料结构的、整体力学性能稳定同时带有多种特定功能特性的抽油杆，以适应目前油田领域施工设备的要求。
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混杂纤维多维结构功能性杆体，该杆体同时具有整体刚性和韧性兼备的力学特性，同时具有电加热、耐冲击、耐摩擦以及温度和冲击力学感应的多种功能特性，以适应复杂井下环境的要求。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种混杂纤维多维结构功能性杆体，为棒状结构，由内而外依次由中心刚性多维编织芯、中间毡针刺层、表面耐冲击混杂编织层组成；
所述中心刚性多维编织芯为芯棒结构，所述芯棒结构以零度纱线为中心骨架，在中心骨架外部采用混杂纤维编织成多维立体编织结构，所述零度纱线为碳纤维与其他纤维1混合而成，所述混杂纤维为碳纤维与其他纤维2混合而成；
所述中间毡状针刺层为以碳纤维为主体，配合其他纤维3，采用短切形式制备的层状毡状增强体；
所述表面耐冲击混杂编织层以碳纤维为主体，配合其他纤维4，采用二维混杂纤维编织缠绕方式制成的表面层状结构；
所述中心刚性多维编织芯、中间毡状针刺层、表面耐冲击混杂编织层三层之间采用针刺方式进行层间结合，并采用树脂灌注成型。
本发明的目的之二是提供一种上述混杂纤维多维结构功能性杆体的制备方法，
(1)以零度纤维为骨架，在骨架表面采用多维编织形成多维立体编织结构，从而制备获得中心刚性多维编织芯；
(2)采用针刺成型的方式在中心刚性多维编织芯表面制备中间毡状针刺层；
(3)采用针刺的方式将中心刚性多维编织芯与中间毡状针刺层形成整体；
(4)采用二维缠绕成型在步骤(3)获得的结构表面制备表面耐冲击混杂编织层；
(5)采用针刺的方式将表面耐冲击混杂编织层结合在中间毡状针刺层外侧，从而形成预制件；
(6)采用真空灌注成型的方法将树脂灌注至预制件的内部，形成混杂纤维多维结构功能性杆体。
本发明的目的之三是提供一种上述混杂纤维多维结构功能性杆体在石油开采中的应用。
本发明的目的之四是提供一种抽油装置，采用的抽油杆为上述混杂纤维多维结构功能性杆体。
本发明的有益效果是：
1.本发明提供的混杂纤维多维结构功能性杆体，利用中心的多维编织混杂纤维结构芯棒提供整体杆状结构的刚性和韧性。
2.采用中间毡状针刺层配合改性热固性树脂能够提升杆状整体的韧性；同时，该层能够为引线装置的埋入提供位置，利用短切碳纤维的搭接导通原理配合引线通电，给杆体整体提供电加热功能。
3.采用二维缠绕编织混杂纤维结构，配合表面的改性热固性树脂的复合，提供了表面的耐冲击性能的提升；同时在二维编织过程中可以引入光纤混合编织，能够在表面层感知整体杆状结构的冲击状态下的受力状态，实时监控整个杆状体的安全水平。
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为混杂纤维多维结构功能性杆体的横截面图，
其中，1.中心刚性多维编织芯，2.中间毡状针刺层，3.表面耐冲击混杂编织层，4.结合结构。
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。
本申请所述零度纱线为沿着杆体轴向的纱线。
本申请所述的其他纤维是指除碳纤维之外的其他纤维，包括芳纶纤维、玄武岩纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维、UHMWPE纤维等。其中，其他纤维1、其他纤维2、其他纤维3、其他纤维4中的“1、2、3、4”仅仅是对其他纤维名称的限定，而不是对其他纤维添加顺序的限定。
其他纤维1、其他纤维2、其他纤维3、其他纤维4可以相同，也可以不同。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在传统金属和传统复合材料无法满足高压、冲击、高低温多变地质等苛刻环境的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种混杂纤维多维结构功能性杆体及其制备方法。
本申请的一种典型实施方式，如图1所示，提供了一种混杂纤维多维结构功能性杆体，为棒状结构，由内而外依次由中心刚性多维编织芯1、中间毡针刺层2、表面耐冲击混杂编织层3组成；
所述中心刚性多维编织芯1为芯棒结构，所述芯棒结构以零度纱线为中心骨架，在中心骨架外部采用混杂纤维1编织成多维立体编织结构，所述零度纱线为碳纤维与其他纤维1混合而成，所述混杂纤维为碳纤维与其他纤维2混合而成；
所述中间毡状针刺层2为以碳纤维为主体，配合其他纤维3，采用短切形式制备的层状毡状增强体；
所述表面耐冲击混杂编织层3为以碳纤维为主体，配合其他纤维4，采用二维混杂纤维编织缠绕方式制成的表面层状结构；
所述中心刚性多维编织芯1、中间毡状针刺层2、表面耐冲击混杂编织层3三层之间采用针刺方式形成结合结构4进行层间结合，并采用树脂灌注成型。
优选的，所述零度纱线中碳纤维与其他纤维1的质量比为2～10:1。
优选的，所述其他纤维1为芳纶纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维的一种或多种。
优选的，所述混杂纤维中碳纤维与其他纤维2的质量比为2～10:1。
优选的，所述其他纤维2为芳纶纤维、玄武岩纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维的一种或多种。
优选的，所述中间毡状针刺层中碳纤维与其他纤维3的质量比为2～10:1。
优选的，所述其他纤维3为芳纶纤维、玄武岩纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维的一种或多种。
优选的，所述中间毡状针刺层中碳纤维与其他纤维3的纤维长度为1～3cm。
优选的，所述中间毡状针刺层的密度为0.1～0.5g/cm3。
为了使杆体具有电加热功能，本申请优选的，所述中间毡状针刺层中设有引线装置。利用短切碳纤维的搭接导通原理配合引线通电，给杆体整体提供电加热功能。
优选的，所述表面耐冲击混杂编织层中碳纤维与其他纤维4的质量比为2～10:1。
优选的，所述其他纤维4为芳纶纤维、UHMWPE纤维的一种或多种。
为了检测杆体的安全状态，所述表面耐冲击混杂编织层的碳纤维与光纤维进行混合编织。能够使表面层感知整体杆状结构的冲击状态下的受力状态。
优选的，所述树脂为酚醛树脂、环氧树脂、不饱和聚酯树脂中的一种或多种。
优选的，所述树脂的质量为混杂纤维多维结构功能性杆体总质量的30～50％。
本申请的另一种典型实施方式，提供了一种上述混杂纤维多维结构功能性杆体的制备方法，
(1)以零度纤维为骨架，在骨架表面采用多维编织形成多维立体编织结构，从而制备获得中心刚性多维编织芯；
(2)采用针刺成型的方式在中心刚性多维编织芯表面制备中间毡状针刺层；
(3)采用针刺的方式将中心刚性多维编织芯与中间毡状针刺层形成整体；
(4)采用二维缠绕成型在步骤(3)获得的结构表面制备表面耐冲击混杂编织层；
(5)采用针刺的方式将表面耐冲击混杂编织层结合在中间毡状针刺层外侧，从而形成预制件；
(6)采用真空灌注成型的方法将树脂灌注至预制件的内部，形成混杂纤维多维结构功能性杆体。
优选的，步骤(1)所述的多维编织为2.5维编织、三维编织、四维编织或五维编织。
本申请的第三种实施方式，提供了一种上述混杂纤维多维结构功能性杆体在石油开采中的应用。
本申请的第四种实施方式，提供了一种抽油装置，采用的抽油杆为上述混杂纤维多维结构功能性杆体。
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
选用碳纤维与氧化铝纤维、芳纶纤维三种纤维进行混杂编织，其中零度纱线与外围混杂多维编织结构的纤维比例相同，其中碳纤维:芳纶纤维:氧化铝纤维的比例为10:2:2，外围混杂编织结构采用三维四向立体编织，最终形成直径为5mm的中心芯棒结构
选用短切长度在2cm的碳纤维与碳化硅纤维，采用10:1的混杂针刺形式，形成体密度为0.2g/cm3的厚度为1mm中间毡状功能层，在毡状功能层的层间中心埋入电热引线以提供中间的电加热功能。
选用碳纤维与芳纶纤维两种纤维进行二维编织，其中碳纤维与芳纶纤维的混杂比例为3:1，二维编织织物采用缠绕的方式在表面制备厚度为0.5mm的耐冲击层，在碳纤维中间埋入光纤织物(碳纤维和光纤进行混合编织)。
选用T300碳纤维在中心芯棒与中间毡状功能层之间，以及中间毡状功能层与表面二维编织耐冲击层之间进行针刺形成整体杆状结构。
选用不饱和聚酯树脂与环氧树脂配合采用真空导入方式形成杆状复合材料，其中不饱和聚酯树脂与环氧树脂的比例为4:3，依次灌注次序先为不饱和聚酯树脂，之后为环氧树脂，总的树脂含量为45％，最终在120℃，固化2小时形成复合材料杆状结构。
实施例2
选用碳纤维与芳纶纤维三种纤维进行混杂编织，其中零度纱线与外围混杂多维编织结构的纤维比例相同，其中碳纤维:芳纶纤维:的比例为10:2，外围混杂编织结构采用三维四向立体编织，最终形成直径为6mm的中心芯棒结构
选用短切长度在3cm的碳纤维与氧化铝纤维，采用10:1的混杂针刺形式，形成体密度为0.3g/cm3的厚度为1.5mm中间毡状功能层，在毡状功能层的层间中心埋入电热引线以提供中间的电加热功能。
选用碳纤维与UHMWPE纤维两种纤维进行二维编织，其中碳纤维与UHMWPE纤维的混杂比例为3:1，二维编织织物采用缠绕的方式在表面制备厚度为1mm的耐冲击层，在碳纤维中间埋入光纤织物。
选用T700碳纤维在中心芯棒与中间毡状功能层之间，以及中间毡状功能层与表面二维编织耐冲击层之间进行针刺形成整体杆状结构。
选用酚醛树脂与环氧树脂配合采用真空导入方式形成杆状复合材料，其中酚醛树脂与环氧树脂的比例为5:1，依次灌注次序先为酚醛树脂，之后为环氧树脂，总的树脂含量为40％，最终在123℃，固化2小时形成复合材料杆状结构。
实施例3
选用碳纤维与氧化铝纤维三种纤维进行混杂编织，其中零度纱线与外围混杂多维编织结构的纤维比例相同，其中碳纤维:氧化铝纤维的比例为10:1:2，外围混杂编织结构采用三维五向立体编织，最终形成直径为3mm的中心芯棒结构
选用短切长度在2cm的碳纤维与芳纶纤维，采用10:3的混杂针刺形式，形成体密度为0.1g/cm3的厚度为0.5mm中间毡状功能层，在毡状功能层的层间中心埋入电热引线以提供中间的电加热功能。
选用碳纤维与芳纶纤维两种纤维进行二维编织，其中碳纤维与芳纶纤维的混杂比例为5:1，二维编织织物采用缠绕的方式在表面制备厚度为0.6mm的耐冲击层，在碳纤维中间埋入光纤织物。
选用T700碳纤维在中心芯棒与中间毡状功能层之间，以及中间毡状功能层与表面二维编织耐冲击层之间进行针刺形成整体杆状结构。
选用环氧树脂配合采用真空导入方式形成杆状复合材料，总的树脂含量为35％，最终在120℃，固化2小时形成复合材料杆状结构。
实施例4
选用碳纤维与氧化铝纤维、芳纶纤维三种纤维进行混杂编织，其中零度纱线与外围混杂多维编织结构的纤维比例相同，其中碳纤维:芳纶纤维:氧化铝纤维的比例为10:2:7，外围混杂编织结构采用2.5维立体编织，最终形成直径为2mm的中心芯棒结构
选用短切长度在1cm的碳纤维与玄武岩纤维，采用10:3的混杂针刺形式，形成体密度为0.14g/cm3的厚度为1mm中间毡状功能层，在毡状功能层的层间中心埋入电热引线以提供中间的电加热功能。
选用碳纤维与芳纶纤维两种纤维进行二维编织，其中碳纤维与芳纶纤维的混杂比例为3:2，二维编织织物采用缠绕的方式在表面制备厚度为0.3mm的耐冲击层，在碳纤维中间埋入光纤织物。
选用T300碳纤维在中心芯棒与中间毡状功能层之间，以及中间毡状功能层与表面二维编织耐冲击层之间进行针刺形成整体杆状结构。
选用环氧树脂与酚醛树脂配合采用真空导入方式形成杆状复合材料，其中不饱和聚酯树脂与环氧树脂的比例为4:1，依次灌注次序先为环氧树脂，之后为酚醛树脂，总的树脂含量为41％，最终在121℃，固化1.5小时形成复合材料杆状结构。
实施例1～5制备的杆体的性能如表1所示。
表1杆体的性能
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 (10)

1.一种混杂纤维多维结构功能性杆体，其特征是，为棒状结构，由内而外依次由中心刚性多维编织芯、中间毡针刺层、表面耐冲击混杂编织层组成；
所述中心刚性多维编织芯为芯棒结构，所述芯棒结构以零度纱线为中心骨架，在中心骨架外部采用混杂纤维编织成多维立体编织结构，所述零度纱线为碳纤维与其他纤维1混合而成，所述混杂纤维为碳纤维与其他纤维2混合而成；
所述中间毡状针刺层为以碳纤维为主体，配合其他纤维3，采用短切形式制备的层状毡状增强体；
所述表面耐冲击混杂编织层以碳纤维为主体，配合其他纤维4，采用二维混杂纤维编织缠绕方式制成的表面层状结构；
所述中心刚性多维编织芯、中间毡状针刺层、表面耐冲击混杂编织层三层之间采用针刺方式进行层间结合，并采用树脂灌注成型。
2.如权利要求1所述的混杂纤维多维结构功能性杆体，其特征是，所述零度纱线中碳纤维与其他纤维1的质量比为2～10:1；所述混杂纤维中碳纤维与其他纤维2的质量比为2～10:1；所述中间毡状针刺层中碳纤维与其他纤维3的质量比为2～10:1；优选的，所述表面耐冲击混杂编织层中碳纤维与其他纤维4的质量比为2～10:1。
3.如权利要求1所述的混杂纤维多维结构功能性杆体，其特征是，所述中间毡状针刺层中碳纤维与其他纤维3的纤维长度为1～3cm。
4.如权利要求1所述的混杂纤维多维结构功能性杆体，其特征是，所述中间毡状针刺层的密度为0.1～0.5g/cm3。
5.如权利要求1所述的混杂纤维多维结构功能性杆体，其特征是，所述中间毡状针刺层中设有引线装置。
6.如权利要求1所述的混杂纤维多维结构功能性杆体，其特征是，所述表面耐冲击混杂编织层的碳纤维与光纤维进行混合编织。
7.如权利要求1所述的混杂纤维多维结构功能性杆体，其特征是，所述树脂的质量为混杂纤维多维结构功能性杆体总质量的30～50％。
8.一种权利要求1～7任一所述的混杂纤维多维结构功能性杆体的制备方法，其特征是，
(1)以零度纤维为骨架，在骨架表面采用多维编织形成多维立体编织结构，从而制备获得中心刚性多维编织芯；
(2)采用针刺成型的方式在中心刚性多维编织芯表面制备中间毡状针刺层；
(3)采用针刺的方式将中心刚性多维编织芯与中间毡状针刺层形成整体；
(4)采用二维缠绕成型在步骤(3)获得的结构表面制备表面耐冲击混杂编织层；
(5)采用针刺的方式将表面耐冲击混杂编织层结合在中间毡状针刺层外侧，从而形成预制件；
(6)采用真空灌注成型的方法将树脂灌注至预制件的内部，形成混杂纤维多维结构功能性杆体。
9.一种权利要求1～7任一所述的混杂纤维多维结构功能性杆体在石油开采中的应用。
10.一种抽油装置，其特征是，采用的抽油杆为权利要求1～7任一所述的混杂纤维多维结构功能性杆体。
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