CN108930520A - 一种具有自调节抗冲击结构的复合材料抽油杆 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种具有自调节抗冲击结构的复合材料抽油杆。所述复合材料抽油杆由内到外依次由中心混杂纤维增强热固性树脂复合材料刚性芯层、中部簧片结构混杂韧性纤维增强热塑性树脂复合材料自调节抗冲击层以及表面蜂窝夹心结构碳纤维耐腐蚀层组成。各结构通过合理采用多种纤维混杂组合，从而有效发挥多种纤维的综合特性，使得本发明的抽油杆同时具有抽油杆芯部的刚性、中间层对于井下冲击力的自调节保护以及表面中空结构减重的耐腐蚀特性，从而有效提高抽油杆对井下复杂环境的适应性，并有效提高抽油杆使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于采油工程技术领域，具体涉及一种具有自调节抗冲击结构的复合材料抽油杆。
背景技术
随着石油开采工艺的不断发展以及采油领域对工作效率和复杂环境以及废弃油井有效利用率的不断提高，对于复杂工况和地质条件的油井的利用成为保证采油效果的重点，而面对日趋复杂的井下环境，抽油杆在工作过程中要更多的受到抽油过程中石质层的冲击，传统的钢制抽油杆在冲击中会不可避免的产生表面损伤甚至造成抽油杆的弯曲变形。
复合材料抽油杆是一种新型轻质抽油杆产品，具有重量轻、综合力学特性优异等优势，现有技术中多考虑通过添加高性能纤维诸如具有高强度以及高模量纤维从而增强抽油杆杆体的耐冲击性，然而由于复合材料为多相复合结构，纤维增强树脂基体的界面结构对于整体结构稳定性至关重要，所以要保证对于复杂冲击环境的耐受性，有必要对传统复合材料抽油杆的结构进行进一步研究和优化。
发明内容
针对上述现有技术的不足，发明人经长期的技术与实践探索，提供一种具有自调节抗冲击结构的复合材料抽油杆。所述抽油杆由内到外依次由中心混杂纤维增强热固性树脂复合材料刚性芯层、中部簧片结构混杂韧性纤维增强热塑性树脂复合材料自调节抗冲击层以及表面蜂窝夹心结构碳纤维耐腐蚀层组成。各结构通过合理采用多种纤维混杂组合，从而有效发挥多种纤维的综合特性，使得本发明的抽油杆同时具有抽油杆芯部的刚性、中间层对于井下冲击力的自调节保护以及表面中空结构减重的耐腐蚀特性，从而有效提高抽油杆对井下复杂环境的适应性，并有效提高抽油杆使用寿命。
本发明的目的之一在于提供一种具有自调节抗冲击结构的复合材料抽油杆。
本发明的目的之二在于提供上述抽油杆的应用。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面，提供了一种具有自调节抗冲击结构的复合材料抽油杆；抽油杆由内到外依次由中心混杂纤维增强热固性树脂复合材料刚性芯层、中部簧片结构混杂韧性纤维增强热塑性树脂复合材料自调节抗冲击层以及表面蜂窝夹心结构碳纤维耐腐蚀层组成；
所述中心混杂纤维增强热固性树脂复合材料刚性芯层由高模量纤维混杂增强热固性树脂构成；树脂基体含量控制在30-60％，其中刚性芯层的直径根据使用要求控制为2-4mm；
进一步的，所述高模量纤维选自高模量碳纤维，包括但不限于M40、M40J、M55、M60、M60J中的任意一种或多种；更进一步的，也可在高模量碳纤维中混杂无机陶瓷纤维，如氧化铝纤维、碳化硅纤维、碳化硼纤维、玄武岩纤维、石英纤维等其中的任意一种；
热固性树脂基体可选用环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂、脲醛树脂、热固性聚氨酯树脂、有机硅树脂、呋喃树脂等其中的任意一种；
所述中部簧片结构混杂韧性纤维增强热塑性树脂复合材料自调节抗冲击层由高韧性纤维构成簧片织物结构混杂增强热塑性树脂构成；树脂基体含量控制在30-60％范围内，中部簧片结构混杂韧性纤维增强热塑性树脂复合材料自调节抗冲击层的厚度控制在2-10mm范围内；
进一步的，所述高韧性纤维为芳纶纤维、UHMWPE纤维、PBO纤维中的任意一种或多种组合；
所述热塑性树脂包括但不限于氨酯、聚乙烯、聚丙烯、聚醚酮、聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚酰胺、聚酰亚胺中的任一种；
纤维织物结构采用二维织物叠层结构或者三维编织结构，从而形成簧片结构；所述二维织物叠层结构为平纹、斜纹、缎纹中的任意一种或多种的组合结构；所述三维编织结构为三维四向、三维五向或三维六向中的任意一种；
当遭受外界不同强度冲击时，簧片结构产生相应程度的形变，对外界冲击形成缓冲作用，从而起到自调节抗冲击作用；同时采用的高韧性纤维和热塑性树脂材料均具有良好的抗冲击韧性以及耐疲劳损伤性能，从而有利于所述中部簧片结构混杂韧性纤维增强热塑性树脂复合材料自调节抗冲击层进一步发挥自调节抗冲击性能；
所述表面蜂窝夹心结构碳纤维耐腐蚀层由内部蜂窝夹心结构(蜂窝芯)以及上下表面面层构成，所述内部蜂窝夹心结构采用高强度碳纤维，包括但不限于T300、T700、T800、T1000中的任一种或多种；所述面层为碳纤维面板；采用上述蜂窝夹心结构除极大减轻了抽油杆杆体自重，同时增强抽油杆的耐腐蚀性能，同时对外界冲击也起到一定的分散和缓冲作用。
进一步的，所述内部蜂窝夹心结构厚度为1-3mm，所述表面面层厚度为0.2～0.7mm。
本发明的第二个方面，提供上述复合材料抽油杆在石油工业采油中的应用。
本发明的有益效果：
本发明采用多种复合材料结构组合构成的复合材料抽油杆杆体，其中采用多种纤维混杂组合同时配合相应特定结构，切实发挥了多种纤维的综合特性；其中由高模量纤维混杂增强热固性树脂构成抽油杆芯部提供抽油杆杆体整体高刚性；而同时中间层的簧片结构构造对于井下冲击力起到良好的自调节保护能力；表面蜂窝夹心结构所具有中空结构减轻了抽油杆杆体自重，同时增强抽油杆的耐腐蚀性能，同时对外界冲击也起到一定的分散和缓冲作用，通过各结构的协同配合作用，从而有效提高本发明抽油杆对井下复杂环境的适应性，并有效提高抽油杆使用寿命。
附图说明
图1为一种具有自调节抗冲击结构的复合材料抽油杆结构示意图，该结构包括：混杂纤维增强热固性树脂复合材料刚性芯层1、簧片结构混杂韧性纤维增强热塑性树脂复合材料自调节抗冲击层2、表面含有蜂窝夹心结构3的碳纤维耐腐蚀层4三个部分。
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。
如前所述，目前抽油杆在工作过程中要更多的受到抽油过程中石质层的冲击，传统的钢制抽油杆在冲击中会不可避免的产生表面损伤甚至造成抽油杆的弯曲变形。
有鉴于此，本发明的一种具体实施方式中，提供一种具有自调节抗冲击结构的复合材料抽油杆；抽油杆由内到外依次由中心混杂纤维增强热固性树脂复合材料刚性芯层、中部簧片结构混杂韧性纤维增强热塑性树脂复合材料自调节抗冲击层以及表面蜂窝夹心结构碳纤维耐腐蚀层组成；
本发明的又一具体实施方式中，所述中心混杂纤维增强热固性树脂复合材料刚性芯层由高模量纤维混杂增强热固性树脂构成；树脂基体含量控制在30-60％，其中刚性芯层的直径根据使用要求控制为2-4mm；
本发明的又一具体实施方式中，所述高模量纤维选自高模量碳纤维，包括但不限于M40、M40J、M55、M60、M60J中的任意一种或多种；更进一步的，也可在高模量碳纤维中混杂无机陶瓷纤维，如氧化铝纤维、碳化硅纤维、碳化硼纤维、玄武岩纤维、石英纤维等其中的任意一种；
热固性树脂基体可选用环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂、脲醛树脂、热固性聚氨酯树脂、有机硅树脂、呋喃树脂等其中的任意一种；
本发明的又一具体实施方式中，所述中部簧片结构混杂韧性纤维增强热塑性树脂复合材料自调节抗冲击层由高韧性纤维构成簧片织物结构混杂增强热塑性树脂构成；树脂基体含量控制在30-60％范围内，中部簧片结构混杂韧性纤维增强热塑性树脂复合材料自调节抗冲击层的厚度控制在2-10mm范围内；
本发明的又一具体实施方式中，所述高韧性纤维为芳纶纤维、UHMWPE纤维、PBO纤维中的任意一种或多种组合；
所述热塑性树脂包括但不限于氨酯、聚乙烯、聚丙烯、聚醚酮、聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚酰胺、聚酰亚胺中的任一种；
纤维织物结构采用二维织物叠层结构或者三维编织结构，从而形成簧片结构；所述二维织物叠层结构为平纹、斜纹、缎纹中的任意一种或多种的组合结构；所述三维编织结构为三维四向、三维五向或三维六向中的任意一种；当遭受外界不同强度冲击时，簧片结构产生相应程度的形变，对外界冲击形成缓冲作用，从而起到自调节抗冲击作用；同时采用的高韧性纤维和热塑性树脂材料均具有良好的抗冲击韧性以及耐疲劳损伤性能，从而有利于所述中部簧片结构混杂韧性纤维增强热塑性树脂复合材料自调节抗冲击层进一步发挥自调节抗冲击性能；
本发明的又一具体实施方式中，所述表面蜂窝夹心结构碳纤维耐腐蚀层由内部蜂窝夹心结构(蜂窝芯)以及上下表面面层构成，所述内部蜂窝夹心结构采用高强度碳纤维，包括但不限于T300、T700、T800、T1000中的任一种或多种；所述面层为碳纤维面板；采用上述蜂窝夹心结构除极大减轻了抽油杆杆体自重，同时增强抽油杆的耐腐蚀性能，同时对外界冲击也起到一定的分散和缓冲作用。
本发明的又一具体实施方式中，所述内部蜂窝夹心结构厚度为1-3mm，所述表面面层厚度为0.2～0.7mm。
本发明的又一具体实施方式中，提供上述复合材料抽油杆在石油工业采油中的应用。
结合具体实例对本发明作进一步的说明，以下实例仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。如果实施例中未注明的实验具体条件，通常按照常规条件，或按照销售公司所推荐的条件；在本发明没有特别限定，均可通过商业途径购买得到。
实施例1
一种具有自调节抗冲击特性的多层结构复合材料抽油杆的刚性芯层直径为2mm，其中的增强结构采用M40碳纤维混杂氧化铝纤维单向织物结构，其中碳纤维和无机纤维的混杂比例为1:1，将混杂纤维织物复合环氧树脂之后固化，最终树脂含量为30％。
在刚性芯层表面制备厚度为3mm的自调节抗冲击层，自调节抗冲击层采用簧片结构复合材料结构，该结构为芳纶纤维混杂PBO纤维的二维平纹织物结构，其中混杂比为3:1，将该织物结构复合含量为35％的聚氨酯树脂。
在中间自调节抗冲击层表面制备厚度为1mm的表面蜂窝夹心结构碳纤维耐腐蚀层，该结构采用T300碳纤维的蜂窝夹心结构，在夹心蜂窝表面连接厚度为0.5mm的表面碳纤维面板。
实施例2
一种具有自调节抗冲击特性的多层结构复合材料抽油杆的刚性芯层直径为2mm，其中的增强结构采用M60J碳纤维混杂石英纤维单向织物结构，其中碳纤维和无机纤维的混杂比例为2:1，将混杂纤维织物复合酚醛树脂之后固化，最终树脂含量为38％。
在刚性芯层表面制备厚度为6mm的自调节抗冲击层，自调节抗冲击层采用簧片结构复合材料结构，该结构为UHMWPE纤维混杂PBO纤维的二维斜纹织物结构，其中混杂比为4:1，将该织物结构复合含量为50％的聚丙烯树脂。
在中间自调节抗冲击层表面制备厚度为1mm的表面蜂窝夹心结构碳纤维耐腐蚀层，该结构采用T1000碳纤维的蜂窝夹心结构，在夹心蜂窝表面连接厚度为0.2mm的表面碳纤维面板。
实施例3
一种具有自调节抗冲击特性的多层结构复合材料抽油杆的刚性芯层直径为4mm，其中的增强结构采用M55碳纤维混杂碳化硼纤维单向织物结构，其中碳纤维和无机纤维的混杂比例为2:1，将混杂纤维织物复合不饱和聚酯树脂之后固化，最终树脂含量为40％.
在刚性芯层表面制备厚度为2mm的自调节抗冲击层，自调节抗冲击层采用簧片结构复合材料结构，该结构为PBO纤维混杂芳纶纤维的三维四向立体编织结构，其中混杂比为5:1，将该织物结构复合含量为55％的聚苯硫醚树脂。
在中间自调节抗冲击层表面制备厚度为2mm的表面蜂窝夹心结构碳纤维耐腐蚀层，该结构采用T800碳纤维的蜂窝夹心结构，在夹心蜂窝表面连接厚度为0.5mm的表面碳纤维面板。
实施例4
一种具有自调节抗冲击特性的多层结构复合材料抽油杆的刚性芯层直径为3mm，其中的增强结构采用M60碳纤维混杂碳化硅纤维单向织物结构，其中碳纤维和无机纤维的混杂比例为6:1，将混杂纤维织物复合热固性聚氨酯树脂之后固化，最终树脂含量为45％，
在刚性芯层表面制备厚度为10mm的自调节抗冲击层，自调节抗冲击层采用簧片结构复合材料结构，该结构为PBO纤维混杂UHMWPE纤维的三维五向立体编织结构，其中混杂比为3:2，将该织物结构复合含量为54％的聚醚醚酮树脂。
在中间自调节抗冲击层表面制备厚度为3mm的表面蜂窝夹心结构碳纤维耐腐蚀层，该结构采用T1000碳纤维的蜂窝夹心结构，在夹心蜂窝表面连接厚度为0.7mm的表面碳纤维面板。
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)
1.一种具有自调节抗冲击结构的复合材料抽油杆，其特征在于，所述复合材料抽油杆由内到外依次由中心混杂纤维增强热固性树脂复合材料刚性芯层、中部簧片结构混杂韧性纤维增强热塑性树脂复合材料自调节抗冲击层以及表面蜂窝夹心结构碳纤维耐腐蚀层组成。
2.如权利要求1所述的一种复合材料抽油杆，其特征在于，所述中心混杂纤维增强热固性树脂复合材料刚性芯层由高模量纤维混杂增强热固性树脂构成；树脂基体含量控制在30-60％，其中刚性芯层的直径根据使用要求控制为2-4mm。
3.如权利要求2所述的一种复合材料抽油杆，其特征在于，
所述高模量纤维选自高模量碳纤维，包括M40、M40J、M55、M60、M60J中的任意一种或多种；
更进一步的，在高模量碳纤维中混杂无机陶瓷纤维，如氧化铝纤维、碳化硅纤维、碳化硼纤维、玄武岩纤维、石英纤维中的任意一种。
4.如权利要求2所述的一种复合材料抽油杆，其特征在于，
热固性树脂基体选用环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂、脲醛树脂、热固性聚氨酯树脂、有机硅树脂、呋喃树脂中的任意一种。
5.如权利要求1所述的一种复合材料抽油杆，其特征在于，所述中部簧片结构混杂韧性纤维增强热塑性树脂复合材料自调节抗冲击层由高韧性纤维构成簧片织物结构混杂增强热塑性树脂构成；树脂基体含量控制在30-60％范围内，中部簧片结构混杂韧性纤维增强热塑性树脂复合材料自调节抗冲击层的厚度控制在2-10mm范围内。
6.如权利要求5所述的一种复合材料抽油杆，其特征在于，所述高韧性纤维为芳纶纤维、UHMWPE纤维、PBO纤维中的任意一种或多种组合；
所述热塑性树脂包括氨酯、聚乙烯、聚丙烯、聚醚酮、聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚酰胺、聚酰亚胺中的任一种。
7.如权利要求5所述的一种复合材料抽油杆，其特征在于，纤维织物结构采用二维织物叠层结构或者三维编织结构，从而形成簧片结构；
优选的，所述二维织物叠层结构为平纹、斜纹、缎纹中的任意一种或多种的组合结构；所述三维编织结构为三维四向、三维五向或三维六向中的任意一种。
8.如权利要求1所述的一种复合材料抽油杆，其特征在于，所述表面蜂窝夹心结构碳纤维耐腐蚀层由内部蜂窝夹心结构以及上下表面面层构成，所述内部蜂窝夹心结构采用高强度碳纤维，包括T300、T700、T800、T1000中的任一种或多种；所述面层为碳纤维面板。
9.如权利要求8所述的一种复合材料抽油杆，其特征在于，所述内部蜂窝夹心结构厚度为1-3mm，所述表面面层厚度为0.2～0.7mm。
10.权利要求1-9任一项所述复合材料抽油杆在石油工业采油中的应用。
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