CN208456516U - 一种自修复功能的混杂纤维微蜂窝复合材料抽油杆 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种具有自修复功能的混杂纤维微蜂窝复合材料结构的抽油杆，属于采油工程技术领域。该抽油杆由碳纤维混杂复合材料刚性芯层、微蜂窝增强纤维复合材料结构自修复层以及表面短切混杂纤维增强热固性树脂耐腐蚀层三部分构成。其中微蜂窝增强纤维复合材料结构自修复层中填充有热塑性树脂胶囊体，当抽油杆在服役过程中表面受损或形成破坏时，中间自修复层中的热塑性树脂胶囊体破裂，内含的热塑性树脂流出填充微裂纹缺陷，起到表面耐腐蚀层和内部刚性层的增韧保护，从而有效提高抽油杆整体寿命。

Description

一种自修复功能的混杂纤维微蜂窝复合材料抽油杆

技术领域

本实用新型属于采油工程技术领域，具体涉及一种自修复功能的混杂纤维微蜂窝复合材料抽油杆。

背景技术

随着石油开采工业的不断发展和对于采油效率和油井利用率的要求不断提高，对于复杂工况和地质条件的油井的有效利用成为采油工程领域的重点，而面对复杂油井的有效开采，则需要抽油杆工作过程中面临各种井下地质复杂环境，传统的钢制抽油杆逐渐被目前轻质的复合材料抽油杆替代，复合材料是一种多相材料，在抽油过程中具有重量轻、综合力学特性优良的综合优点，但是抽油杆在井下的磨损和复杂地质环境的碎石撞击成为影响其正常寿命的关键因素，为了避免抽油杆的一次报废，同时为了保证抽油工作的长期顺利进行，研究人员多考虑在抽油杆接头和杆体外部包裹防腐耐磨层，同时防腐耐磨层选用高强度的材料，提高了抽油杆的耐磨性。

如为了克服现有抽油杆采用镀铬技术而严重污染环境的不足，CN201810219U公开了一种防腐耐磨抽油杆，所述抽油杆的接头、杆体、接箍外表面有钨合金镀层；钨合金镀层为钨基非晶态合金；CN202090852U公开了一种耐磨抽油杆，杆体、接头、接箍外表面喷涂有陶瓷涂层。上述技术方案通过包裹和电镀、涂覆等形式在抽油杆的外表面形成防腐耐磨层、钨合金镀层和陶瓷涂层，提高了抽油杆整体的防腐性能和耐磨性能，有效延长抽油杆使用寿命。然而，镀钨合金镀层和陶瓷涂层工艺比较复杂，且镀(涂)层刚性脆，在运行过程中同样容易出现受损情况。因此，为了保证抽油工作的长期顺利进行，一种具有自修复特性的抽油杆的结构设计和产品开发成为该工程领域研究的重点。

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，提供一种具有自修复功能的混杂纤维微蜂窝复合材料结构的抽油杆，该抽油杆由碳纤维混杂复合材料刚性芯层、微蜂窝增强纤维复合材料结构自修复层以及表面短切混杂纤维增强热固性树脂耐腐蚀层三部分构成。其中微蜂窝增强纤维复合材料结构自修复层中填充有热塑性树脂胶囊体，当抽油杆在服役过程中表面受损或形成破坏时，中间自修复层中的热塑性树脂胶囊体破裂，内含的热塑性树脂流出填充微裂纹缺陷，起到表面耐腐蚀层和内部刚性层的增韧保护，从而有效提高抽油杆整体寿命。

本实用新型的目的之一在于提供一种自修复功能的混杂纤维微蜂窝复合材料抽油杆。

本实用新型的目的之二在于提供上述抽油杆的应用。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

本实用新型的第一个方面，提供了一种自修复功能的混杂纤维微蜂窝复合材料抽油杆，所述复合材料抽油杆由内到外依次由中心碳纤维混杂复合材料刚性芯层、中间微蜂窝增强纤维复合材料结构自修复层以及表面短切混杂纤维增强热固性树脂耐腐蚀层三部分构成；

所述中心碳纤维混杂复合材料刚性芯层以碳纤维作为刚性芯层增强结构，以树脂为基体；

进一步的，所述碳纤维选用高强度碳纤维和/或高模量碳纤维混杂构成，其中高强度碳纤维选用T300、T700、T800、T1000中的任意一种或多种，高模量碳纤维选用M40、M40J、M55、M60、M60J中的任意一种或多种，高强度和高模量碳纤维的混杂比例根据使用要求灵活调整；

进一步的，所述中心碳纤维混杂复合材料刚性芯层的混杂碳纤维结构可选用单向纤维排布结构，也可选用二维编织结构或者三维立体织物结构，刚性芯层为棒状结构，芯层结构直径根据使用要求灵活设计调整；芯层结构直径优选为1-10mm；

进一步的，所述中心碳纤维混杂复合材料刚性芯层所用树脂优选为热固性树脂，包括环氧树脂、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，其中刚性芯层的树脂含量控制在30-60％范围内；

进一步的，所述中间微蜂窝增强纤维复合材料结构自修复层以内嵌胶囊体的微蜂窝混杂纤维织物结构作为自修复层增强结构，以树脂为基体；

其中，微蜂窝混杂纤维织物结构中选用纤维织物为高韧性纤维，优选为芳纶纤维、UHMWPE纤维、PBO纤维中的任意一种或多种组合，其中混杂比例根据要求灵活掌握；

所用树脂优选为热塑性树脂，包括聚氨酯、聚乙烯、聚丙烯、聚醚酮、聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚酰胺、聚酰亚胺中的任意一种，树脂含量控制在30-60％范围内灵活掌握，中间自修复层的厚度根据要求灵活设计掌握；

进一步的，所述微蜂窝混杂纤维织物结构中的蜂窝腔体直径控制在0.1-3mm范围，整个微蜂窝混杂纤维织物结构的厚度控制在1-4mm范围内，蜂窝腔体均匀分布于整体微蜂窝混杂纤维织物结构中，在微蜂窝腔体内部填充热塑性树脂胶囊体，其中胶囊体外膜采用高撕裂度韧性膜材料制备，胶囊体外膜的厚度控制在0.1-0.5mm范围内，所述高撕裂度韧性膜材料包括聚乙烯薄膜、聚乳酸薄膜、聚氯乙烯薄膜、聚丙烯薄膜中的任一种；在胶囊体内部填充热塑性树脂或树脂乳液，包括高韧性和高流动性的聚氨酯、聚乙烯、聚丙烯、聚醚酮、聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚酰胺、聚酰亚胺等树脂高粘度乳液；

进一步的，所述表面短切混杂纤维增强热固性树脂耐腐蚀层以短切混杂纤维为增强结构，以热固性树脂为基体；所述耐腐蚀层厚度为1-5mm；

所述短切混杂纤维为高强型碳纤维和/或增强纤维混杂而成；混杂比例根据要求灵活掌握，短切混杂纤维的短切长度控制在1-10mm范围内；

其中，所述高强型碳纤维为T300、T700、T800、T1000碳纤维中的任意一种或多种，所述增强纤维为玻璃纤维、芳纶纤维、氧化铝纤维中的任意一种或多种；

所述热固性树脂选用环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂中的任意一种，最终的混合比例根据使用要求灵活调整；优选树脂含量控制在40-55％。

本实用新型的第二个方面，提供了上述自修复功能的混杂纤维微蜂窝复合材料抽油杆在石油工业采油中的应用。

本实用新型的有益效果：

本实用新型中抽油杆由碳纤维混杂复合材料刚性芯层、微蜂窝增强纤维复合材料结构自修复层以及表面短切混杂纤维增强热固性树脂耐腐蚀层三部分构成。利用中心的碳纤维混杂复合材料刚性芯层提供整体杆状结构的刚性；利用表面短切混杂纤维增强热固性树脂耐腐蚀层进一步提供了抽油杆表面的耐冲击性能和抗侵蚀性能的提升；同时，在本实用新型中，在中间微蜂窝增强纤维复合材料结构自修复层特别设计填充有热塑性树脂胶囊体，当抽油杆在服役过程中表面受损或形成破坏时，中间自修复层中的热塑性树脂胶囊体破裂，内含的热塑性树脂流出填充微裂纹缺陷，起到表面耐腐蚀层和内部刚性层的增韧保护，从而有效提高抽油杆整体寿命。

附图说明

图1为一种自修复功能的混杂纤维微蜂窝复合材料抽油杆结构示意图，该结构包括碳纤维混杂复合材料刚性芯层1、微蜂窝增强纤维复合材料结构自修复层2以及表面短切混杂纤维增强热固性树脂耐腐蚀层3三部分构成，中间的微蜂窝增强纤维复合材料结构自修复层2的蜂窝结构微腔体中内嵌有热塑性树脂胶囊体4。

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，为了保证抽油工作的长期顺利进行，研发一种具有自修复特性的抽油杆成为本工程领域研究的重点。

有鉴于此，本实用新型的一种具体实施方式中，提供一种自修复功能的混杂纤维微蜂窝复合材料抽油杆，所述复合材料抽油杆由内到外依次由中心碳纤维混杂复合材料刚性芯层、中间微蜂窝增强纤维复合材料结构自修复层以及表面短切混杂纤维增强热固性树脂耐腐蚀层三部分构成；

本实用新型的又一具体实施方式中，所述中心碳纤维混杂复合材料刚性芯层以碳纤维作为刚性芯层增强结构，以树脂为基体；

本实用新型的又一具体实施方式中，所述碳纤维选用高强度碳纤维和/或高模量碳纤维混杂构成，其中高强度碳纤维选用T300、T700、T800、T1000中的任意一种或多种，高模量碳纤维选用M40、M40J、M55、M60、M60J中的任意一种或多种，高强度和高模量碳纤维的混杂比例根据使用要求灵活调整；

本实用新型的又一具体实施方式中，所述中心碳纤维混杂复合材料刚性芯层的混杂碳纤维结构可选用单向纤维排布结构，也可选用二维编织结构或者三维立体织物结构；刚性芯层为棒状结构，芯层结构直径根据使用要求灵活设计调整；芯层结构直径为1-10mm；

本实用新型的又一具体实施方式中，所述中心碳纤维混杂复合材料刚性芯层所用树脂优选为热固性树脂，包括环氧树脂、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，其中刚性芯层的树脂含量控制在30-60％范围内；

本实用新型的又一具体实施方式中，所述中间微蜂窝增强纤维复合材料结构自修复层以内嵌胶囊体的微蜂窝混杂纤维织物结构作为自修复层增强结构，以树脂为基体；

其中，微蜂窝混杂纤维织物结构中选用纤维织物为高韧性纤维，优选为芳纶纤维、UHMWPE纤维、PBO纤维中的任意一种或多种组合，其中混杂比例根据要求灵活掌握；

所用树脂优选为热塑性树脂，包括聚氨酯、聚乙烯、聚丙烯、聚醚酮、聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚酰胺、聚酰亚胺中的任意一种，树脂含量控制在30-60％范围内灵活掌握，中间自修复层的厚度根据要求灵活设计掌握；

本实用新型的又一具体实施方式中，所述微蜂窝混杂纤维织物结构中的蜂窝腔体直径控制在0.1-3mm范围，整个微蜂窝混杂纤维织物结构的厚度控制在1-4mm范围内，蜂窝腔体均匀分布于整体微蜂窝混杂纤维织物结构中，在微蜂窝腔体内部填充热塑性树脂胶囊体，其中胶囊体外膜采用高撕裂度韧性膜材料制备，胶囊体外膜的厚度控制在0.1-0.5mm范围内，所述高撕裂度韧性膜材料包括聚乙烯薄膜、聚乳酸薄膜、聚氯乙烯薄膜、聚丙烯薄膜中的任一种；在胶囊体内部填充热塑性树脂或树脂乳液，包括高韧性和高流动性的聚氨酯、聚乙烯、聚丙烯、聚醚酮、聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚酰胺、聚酰亚胺等树脂高粘度乳液；

本实用新型的又一具体实施方式中，所述表面短切混杂纤维增强热固性树脂耐腐蚀层以短切混杂纤维为增强结构，以热固性树脂为基体；所述耐腐蚀层厚度为1-5mm；

所述短切混杂纤维为高强型碳纤维和/或增强纤维混杂而成；混杂比例根据要求灵活掌握，短切混杂纤维的短切长度控制在1-10mm范围内；

其中，所述高强型碳纤维为T300、T700、T800、T1000碳纤维中的任意一种或多种，所述增强纤维为玻璃纤维、芳纶纤维、氧化铝纤维中的任意一种或多种；

所述热固性树脂选用环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂中的任意一种，最终的混合比例根据使用要求灵活调整；优选树脂含量控制在40-55％。

本实用新型的又一具体实施方式中，提供了上述自修复功能的混杂纤维微蜂窝复合材料抽油杆在石油工业采油中的应用。

结合具体实例对本实用新型作进一步的说明，以下实例仅是为了解释本实用新型，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；在本实用新型没有特别限定，均可通过商业途径购买得到。

实施例1

一种具有自修复功能的混杂纤维微蜂窝复合材料结构的抽油杆包括：碳纤维混杂复合材料刚性芯层、微蜂窝增强纤维复合材料结构自修复层以及表面短切混杂纤维增强热固性树脂耐腐蚀层三部分构成。

采用混杂比例为1:1的直径为5mm的T300高强型碳纤维和M40高模量碳纤维的单向织物棒状结构作为刚性芯层增强结构，采用含量60％的环氧树脂作为基体浸渍最终形成碳纤维混杂复合材料刚性芯层。

采用混杂比例为2:1的芳纶纤维和PBO纤维的制备厚度为4mm的微蜂窝腔体直径0.1mm的高韧性微蜂窝结构，其中厚度0.1mm的微蜂窝腔体内部填充聚氨酯树脂乳液，该微蜂窝混杂纤维织物结构聚酰亚胺基体构成中间自修复层，其中树脂含量控制在60％。

采用混杂比例为1:4的短切长度10mm的T1000碳纤维混杂玻璃纤维的混杂短切纤维增强体，将短切混杂纤维混入环氧树脂中，树脂含量控制在50％。在中间自修复层表面采用注射涂覆最终热固化的方式制备厚度为3mm的表面耐腐蚀刚性层。

实施例2

一种具有自修复功能的混杂纤维微蜂窝复合材料结构的抽油杆包括：碳纤维混杂复合材料刚性芯层、微蜂窝增强纤维复合材料结构自修复层以及表面短切混杂纤维增强热固性树脂耐腐蚀层三部分构成。

采用混杂比例为1:6的直径为4mm的T1000高强型碳纤维和M40高模量碳纤维的单向织物棒状结构作为刚性芯层增强结构，采用含量40％的不饱和聚酯树脂作为基体浸渍最终形成碳纤维混杂复合材料刚性芯层。

采用混杂比例为1:3的UHMWPE纤维和芳纶纤维的制备厚度为2mm的微蜂窝腔体直径2mm的高韧性微蜂窝结构，其中厚度0.3mm的微蜂窝腔体内部填充聚丙烯树脂乳液，该微蜂窝混杂纤维织物结构与聚醚醚酮基体构成中间自修复层，其中树脂含量控制在38％。

采用混杂比例为5:1的短切长度4mm的T700碳纤维混杂氧化铝纤维的混杂短切纤维增强体，将短切混杂纤维混入不饱和聚酯树脂中，树脂含量控制在44％。在中间自修复层表面采用注射涂覆最终热固化的方式制备厚度为2mm的表面耐腐蚀刚性层。

实施例3

一种具有自修复功能的混杂纤维微蜂窝复合材料结构的抽油杆包括：碳纤维混杂复合材料刚性芯层、微蜂窝增强纤维复合材料结构自修复层以及表面短切混杂纤维增强热固性树脂耐腐蚀层三部分构成。

采用混杂比例为2.5:1的直径为2mm的T800高强型碳纤维和M55高模量碳纤维的单向织物棒状结构作为刚性芯层增强结构，采用含量44％的有机硅树脂作为基体浸渍最终形成碳纤维混杂复合材料刚性芯层。

采用混杂比例为7:1的芳纶纤维和PBO纤维的制备厚度为2.5mm的微蜂窝腔体直径0.8mm的高韧性微蜂窝结构，其中厚度0.5mm的微蜂窝腔体内部填充聚苯硫醚树脂乳液，该微蜂窝混杂纤维织物结构与聚醚醚酮基体构成中间自修复层，其中树脂含量控制在50％。

采用混杂比例为4:1的短切长度6mm的T300碳纤维混杂芳纶纤维的混杂短切纤维增强体，将短切混杂纤维混入酚醛树脂中，树脂含量控制在40％。在中间自修复层表面采用注射涂覆最终热固化的方式制备厚度为3.5mm的表面耐腐蚀刚性层。

实施例4

一种具有自修复功能的混杂纤维微蜂窝复合材料结构的抽油杆包括：碳纤维混杂复合材料刚性芯层、微蜂窝增强纤维复合材料结构自修复层以及表面短切混杂纤维增强热固性树脂耐腐蚀层三部分构成。

采用混杂比例为6:1的直径为5mm的T1000高强型碳纤维和M60高模量碳纤维的单向织物棒状结构作为刚性芯层增强结构，采用含量39％的环氧树脂作为基体浸渍最终形成碳纤维混杂复合材料刚性芯层。

采用混杂比例为4:1的UHMWPE纤维和芳纶纤维的制备厚度为2mm的微蜂窝腔体直径0.5mm的高韧性微蜂窝结构，其中厚度0.3mm的微蜂窝腔体内部填充聚酰胺树脂乳液，该微蜂窝混杂纤维织物结构与聚氨酯基体构成中间自修复层，其中树脂含量控制在52％。

采用混杂比例为2:1的短切长度6mm的T700碳纤维混杂氧化铝纤维的混杂短切纤维增强体，将短切混杂纤维混入酚醛树脂中，树脂含量控制在55％。在中间自修复层表面采用注射涂覆最终热固化的方式制备厚度为2mm的表面耐腐蚀刚性层。

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)

1.一种自修复功能的混杂纤维微蜂窝复合材料抽油杆，其特征在于，所述复合材料抽油杆由内到外依次由中心碳纤维混杂复合材料刚性芯层、中间微蜂窝增强纤维复合材料结构自修复层以及表面短切混杂纤维增强热固性树脂耐腐蚀层三部分构成；

所述中心碳纤维混杂复合材料刚性芯层以碳纤维作为刚性芯层增强结构，以树脂为基体；

所述中间微蜂窝增强纤维复合材料结构自修复层以内嵌胶囊体的微蜂窝混杂纤维织物结构作为自修复层增强结构，以树脂为基体；

所述表面短切混杂纤维增强热固性树脂耐腐蚀层以短切混杂纤维为增强结构，以热固性树脂为基体。

2.如权利要求1所述的一种抽油杆，其特征在于，所述中心碳纤维混杂复合材料刚性芯层的碳纤维选用高强度碳纤维或高模量碳纤维混杂构成，其中高强度碳纤维选用T300、T700、T800、T1000中的任意一种，高模量碳纤维选用M40、M40J、M55、M60、M60J中的任意一种。

3.如权利要求1所述的一种抽油杆，其特征在于，所述中心碳纤维混杂复合材料刚性芯层的混杂碳纤维结构为单向纤维排布结构，二维编织结构或者三维立体织物结构；刚性芯层为棒状结构；芯层结构直径为1-10mm。

4.如权利要求1所述的一种抽油杆，其特征在于，所述中心碳纤维混杂复合材料刚性芯层所用树脂为热固性树脂，包括环氧树脂、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、呋喃树脂其中的任意一种。

5.如权利要求1所述的一种抽油杆，其特征在于，所述微蜂窝混杂纤维织物结构中选用纤维织物为高韧性纤维，包括芳纶纤维、UHMWPE纤维、PBO纤维中的任意一种；

所用树脂为热塑性树脂，包括聚氨酯、聚乙烯、聚丙烯、聚醚酮、聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚酰胺、聚酰亚胺中的任意一种。

6.如权利要求1所述的一种抽油杆，其特征在于，所述微蜂窝混杂纤维织物结构中的蜂窝腔体直径控制在0.1-3mm范围内，整个微蜂窝混杂纤维织物结构的厚度控制在1-4mm范围内，蜂窝腔体均匀分布于整体微蜂窝混杂纤维织物结构中，在微蜂窝腔体内部填充热塑性树脂胶囊体。

7.如权利要求6所述的一种抽油杆，其特征在于，热塑性树脂胶囊体外膜采用高撕裂度韧性膜材料，热塑性树脂胶囊体外膜的厚度控制在0.1-0.5mm范围内，所述高撕裂度韧性膜材料包括聚乙烯薄膜、聚乳酸薄膜、聚氯乙烯薄膜、聚丙烯薄膜中的任一种；在胶囊体内部填充热塑性树脂或树脂乳液，包括高韧性和高流动性的聚氨酯、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。

8.如权利要求1所述的一种抽油杆，其特征在于，表面短切混杂纤维增强热固性树脂耐腐蚀层厚度为1-5mm。

9.如权利要求1所述的一种抽油杆，其特征在于，表面短切混杂纤维增强热固性树脂耐腐蚀层的短切混杂纤维为高强型碳纤维或增强纤维混杂而成；短切纤维的短切长度控制在1-10mm范围内；

所述高强型碳纤维为T300、T700、T800、T1000碳纤维中的任意一种，所述增强纤维为玻璃纤维、芳纶纤维、氧化铝纤维中的任意一种。

10.如权利要求1所述的一种抽油杆，其特征在于，表面短切混杂纤维增强热固性树脂耐腐蚀层的热固性树脂选用环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂中的任意一种。