CN205000905U - 纤维增强复合材料连续抽油杆 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种纤维增强复合材料连续抽油杆，属于石油工业采油设备技术领域，该抽油杆采用依次层叠的三层结构，由内到外依次为内碳纤维层(A)、中间玻璃纤维层(B)和外玻璃纤维层(C)，所述内碳纤维层(A)采用沿杆体轴向设置的单向碳纤维，所述中间玻璃纤维层(B)采用沿杆体横向设置的H级玻璃纤维，中间玻璃纤维层(B)双向缠绕或编织在所述内碳纤维层(A)上，所述外玻璃纤维层(C)采用沿杆体轴向设置的单向H级玻璃纤维。该抽油杆耐腐蚀性能好，使用接头少，成本低，断脱几率小，同时活塞效应小，且模量适中、便于卷绕，运输及作业使用方便。

Description

纤维增强复合材料连续抽油杆

技术领域

本实用新型涉及一种抽油杆，特别涉及一种纤维增强复合材料连续抽油杆，属于石油工业采油设备技术领域。

背景技术

石油工业生产中，腐蚀问题是油田采油工艺亟待解决的问题。抽油杆是连接抽油机和抽油泵的关键部件，其受力复杂，工作环境恶劣，易因受腐蚀而严重影响自身使用寿命，给油田生产造成极大的成本浪费。由于具备轻质、高强、耐腐蚀的特点，复合材料抽油杆已开始逐步取代传统的金属抽油杆，目前采用的复合材料抽油杆主要包括玻璃钢抽油杆和碳纤维增强复合材料连续抽油杆两大类。

玻璃钢抽油杆采用玻璃纤维增强热固性树脂的拉挤工艺一次成型制备，已广泛应用，但随着现代采油的可靠性要求不断提高，玻璃钢抽油杆已不能满足要求，主要存在以下问题：1)抽油杆耐偏磨性不好；2)轴向拉伸模量低，变形大，导致抽油泵有效行程大幅减少，采油效率降低明显；3)玻璃钢抽油杆均定长，两端各有一个金属接头，根与根之间采用金属抽油杆应用的金属接箍进行连接，由于结构复杂，导致加工难度大，同时每一根玻璃钢抽油杆用两个金属接头，成本昂贵；另外与传统金属抽油杆相比，玻璃钢抽油杆除了杆体部分更换了材质，整个抽油杆柱的其他部分并无改变，传统金属抽油杆中存在的柱接头多，断脱几率高，活塞效应明显等问题并未得到解决。

碳纤维增强复合材料连续抽油杆的研究也有很多，如中国专利CN1461870公开了一种碳纤维增强复合材料连续抽油杆及制备方法，采用碳纤维为增强材料，并由横向排列的芳纶或超高分子量聚乙烯纤维束和纵向的玻璃纤维组成整体包覆复合，试图增加抽油杆横向层间剪切强度，同时也提高杆体的耐偏磨性和强度。但实际应用中发现，该抽油杆采用拉挤、包覆的一次整体加工方法(包括放丝-浸树脂胶-包覆层包覆-预成型-固化-盘绕工序)，包覆层为纤维织物增强热固性树脂，不仅加大了材料成本，而且纤维织物包覆层的耐偏磨性不够理想；包覆层为纤维织物，看似完整包裹杆体一周，但一直存在织物接缝问题，接缝处存在搭接宽度不均匀，挤压内部单向纤维，横向强度低等问题；另外，由于该碳纤维增强复合材料连续抽油杆截面形状为矩形或椭圆形，且其厚度只有3～5mm，在应用专用设备起下井作业时，夹持部分的材料几乎无法选择，而且只能采用两片式夹持，左右方向无法限位，很容易发生杆体偏出夹持部分的现象。因此其专用下井作业设备夹持部分结构及材料开发难度较大，成为应用中的技术瓶颈，限制了该产品大规模推广应用。

另外还有中国发明专利CN201210501186.X公开了一种纤维增强复合材料防偏磨连续抽油杆及其制备装置和方法，使用单向增强纤维拉挤、包覆热塑性耐磨层的方法，采用的纤维只为玻璃纤维、碳纤维或玄武岩纤维的一种，未明确杆体截面形状及尺寸，因为只采用单一纵向纤维，其横向强度低，存在径向压缩、弯曲性能差等问题；采用单一玻璃纤维或玄武岩纤维，其轴向拉伸模量低，变形大，类似玻璃钢抽油杆，会导致抽油泵有效行程大幅减少，采油效率降低明显；采用单一碳纤维，其杆体材料成本非常高，增大轴向拉伸模量的同时，弯曲模量也变大，导致弯曲困难，不能满足道路运输要求及作业要求，限制了其推广应用。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本实用新型提供一种纤维增强复合材料连续抽油杆，该抽油杆耐腐蚀性能好，使用接头少，成本低，断脱几率小，同时活塞效应小，且模量适中、便于卷绕，运输及作业使用方便。

为了实现上述目的，本实用新型采用的一种纤维增强复合材料连续抽油杆，该抽油杆采用依次层叠的三层结构，由内到外依次为内碳纤维层、中间玻璃纤维层和外玻璃纤维层，所述内碳纤维层采用沿杆体轴向设置的单向碳纤维，所述中间玻璃纤维层采用沿杆体横向设置的H级玻璃纤维，中间玻璃纤维层双向缠绕或编织在所述内碳纤维层上，所述外玻璃纤维层采用沿杆体轴向设置的单向H级玻璃纤维。

作为改进，该抽油杆采用的树脂基体为环氧树脂体系，通过碳纤维和H级玻璃纤维作为增强材料。

作为改进，所述抽油杆杆体直径为16～32mm，连续长度≤5000m。

作为改进，所述抽油杆杆体截面为圆形。

作为改进，所述中间玻璃纤维层缠绕或编织的两个方向交叉角度为15～85°。

与现有技术相比，本实用新型的纤维增强复合材料连续抽油杆，在单一纵向纤维连续抽油杆拉挤工艺基础上增加了横向缠绕或编织层，增加了径向强度和轴向抗压强度；碳纤维与玻璃纤维混合使用，提供了适中的模量，既保证其轴向变形不大，又有效降低了弯曲直径，减少弯曲对杆体的性能影响，便于作业和运输，并且减少了碳纤维使用量，大幅降低材料成本，提高了产品性价比，更易于推广；另外，该连续抽油杆仅两端有两个接头，极大的减少了接头数量，降低了断脱几率和活塞效应。

附图说明

图1为本实用新型的纤维增强复合材料连续抽油杆的结构示意图；

图2为本实用新型的制备装置的流程示意图；

图中：A、内碳纤维层，B、中间玻璃纤维层，C、外玻璃纤维层；

1、放丝架，2、预处理加热炉，3、缠绕机，4、注射模具，5、注射机，6、模具冷却装置，7、拉挤模具，8、模具加热装置，9、控制装置，10、后固化加热炉，11、牵引装置，12、卷绕装置。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限制本实用新型的范围。

如图1所示，一种纤维增强复合材料连续抽油杆，该抽油杆采用依次层叠的三层结构，由内到外依次为内碳纤维层A、中间玻璃纤维层B和外玻璃纤维层C，所述内碳纤维层A采用沿杆体轴向设置的单向碳纤维，所述中间玻璃纤维层B采用沿杆体横向设置的H级玻璃纤维，中间玻璃纤维层B双向缠绕或编织在所述内碳纤维层A上，所述外玻璃纤维层C采用沿杆体轴向设置的单向H级玻璃纤维。

作为实施例的改进，该抽油杆采用的树脂基体为环氧树脂体系，通过碳纤维和H级玻璃纤维作为增强材料。

作为实施例的改进，所述抽油杆杆体直径为16～32mm，连续长度≤5000m。

作为实施例的改进，所述抽油杆杆体截面为圆形。

作为实施例的改进，所述中间玻璃纤维层B缠绕或编织的两个方向交叉角度为15～85°。

实施例一

首先，通过控制装置9控制操作，将170根T300-12K碳纤维丝和130根线密度为24TEX的H级玻璃纤维分别经过放丝架1的排丝孔进入到预处理加热炉2，炉温为120℃，牵引速度为0.15米/分钟，热处理后的170根T300-12K碳纤维被集束成直径为12mm的正圆形，经过两台缠绕机3中间的芯孔；

两台缠绕机3的旋转方向相反(面对碳纤维束运动方向，第一台缠绕机为顺时针旋转，第二台缠绕机为逆时针旋转)，每台缠绕机3上有8根线密度为24TEX的H级玻璃纤维，8根H级玻璃纤维依次引出，穿过缠绕机3中间的排丝孔，形成一条4mm宽的玻璃纤维带，4mm宽的玻璃纤维带均匀缠绕在直径为12mm的正圆形碳纤维束外表面，调整两台缠绕机的旋转速度，保证两台缠绕机的4mm宽玻璃纤维带与碳纤维束轴向分别成﹢55°夹角和﹣55°夹角，且在碳纤维束表面排布紧密、均匀，没有缝隙，没有叠加；

热处理后的130根线密度为24TEX的H级玻璃纤维被集束成10束，每束13根，均匀分布在缠绕上两层玻璃纤维的正圆形碳纤维束的外边，一起被集束成直径为19.2mm的正圆形，进入注射模具4，注射模具4内充满注射机5注入的环氧树脂胶液；

充分浸胶后的纤维束进入直径为19mm的正圆形拉挤模具7，拉挤模具7入口处通过模具冷却装置6利用循环水冷方式保持在室温，但水冷后面，利用模具加热装置8，将模具三段加热，温度为110℃、160℃、155℃，纤维束从拉挤模具7中出来，即固化成型；

成型后的复合材料杆继续以0.1米/分钟的速度前进，通过长度为6米，温度为150℃的后固化加热炉10后固化处理，后固化结束，杆体被空气充分冷却后，经过牵引装置11后，依靠卷绕装置12将制得抽油杆体卷绕至直径为2.8m的圆盘上，根据采油井需要，生产至长度为1500m时，将杆体截断，一根长度为1500m，截面为正圆形，直径为19mm，碳纤维和H级玻璃纤维混合使用，三层复合结构的纤维增强复合材料连续抽油杆生产完成。

为了分析该抽油杆性能，选定截面形状均为正圆形，直径均为19mm的单一纵向玻璃纤维、单一纵向碳纤维作为对照组，与本实用新型使用的纵向碳纤维+玻纤横向缠绕或编织+纵向玻纤三种不同的纤维铺层结构制备的杆体进行性能对比，结果如下表：

对比可知，相对于单一纵向玻璃纤维或碳纤维，本实用新型采用的纵向碳纤维+玻纤横向缠绕或编织+纵向玻纤的三层结构、混杂纤维的抽油杆，达到了以下效果：

1)适中的模量。本实用新型采用的三层结构，模量为112.2Gpa，介于单一纵向玻璃纤维的75Gpa与单一纵向碳纤维的150.4Gpa之间，既保证自身轴向变形不大，又有效降低了弯曲直径，减少弯曲对杆体的性能影响，便于作业和运输；

2)提高了杆体抗挤压、抗冲击性能，有效控制裂纹延展，提高产品使用寿命；

3)减少了碳纤维使用量，降低材料成本，提高了产品性价比，更易于推广。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种纤维增强复合材料连续抽油杆，其特征在于，该抽油杆采用依次层叠的三层结构，由内到外依次为内碳纤维层(A)、中间玻璃纤维层(B)和外玻璃纤维层(C)，所述内碳纤维层(A)采用沿杆体轴向设置的单向碳纤维，所述中间玻璃纤维层(B)采用沿杆体横向设置的H级玻璃纤维，中间玻璃纤维层(B)双向缠绕或编织在所述内碳纤维层(A)上，所述外玻璃纤维层(C)采用沿杆体轴向设置的单向H级玻璃纤维。

2.根据权利要求1所述的一种纤维增强复合材料连续抽油杆，该抽油杆采用的树脂基体为环氧树脂体系，通过碳纤维和H级玻璃纤维作为增强材料。

3.根据权利要求1所述的一种纤维增强复合材料连续抽油杆，其特征在于，所述抽油杆杆体直径为16～32mm，连续长度≤5000m。

4.根据权利要求1所述的一种纤维增强复合材料连续抽油杆，其特征在于，所述抽油杆杆体截面为圆形。

5.根据权利要求1所述的一种纤维增强复合材料连续抽油杆，其特征在于，所述中间玻璃纤维层(B)缠绕或编织的两个方向交叉角度为15～85°。