一種帶有復(fù)合螺旋耐磨層的抽油桿及制備裝置和制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及石油工業(yè)的采油設(shè)備和制造技術(shù)，特別涉及一種帶有復(fù)合螺旋耐磨層的抽油桿及制備裝置和制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]由于目前國(guó)內(nèi)油井類型復(fù)雜多樣，隨著開(kāi)采規(guī)模的提高，油井深度和井下環(huán)境也都不斷惡化，因此盡管傳統(tǒng)鋼質(zhì)抽油桿已經(jīng)逐漸被復(fù)合材料抽油桿所取代，但是這種高性能材料的抽油桿又不可避免的面臨著腐蝕和偏磨的問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)采用的復(fù)合材料抽油桿主要包括玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料抽油桿和碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料抽油桿兩大類。目前，玻璃鋼抽油桿的疲勞強(qiáng)度較低，且容易斷裂，因此不能適應(yīng)腐蝕性較強(qiáng)的井下環(huán)境，同時(shí)對(duì)于抽油深度較深以及抽油栗強(qiáng)度較大的條件也不能滿足。為了克服玻璃鋼材質(zhì)的缺陷，新型碳纖維復(fù)合材料抽油桿開(kāi)始逐漸被應(yīng)用，盡管碳纖維復(fù)合材料抽油桿具備優(yōu)于玻纖抽油桿的高強(qiáng)度、抗腐蝕等特性，但是仍然沒(méi)有解決抽油桿柱與油管接觸所造成的偏磨問(wèn)題；再者碳纖維復(fù)合材料抽油桿一般要在定長(zhǎng)桿體的兩端加裝金屬接頭，這種金屬接頭要大大增加復(fù)合材料抽油桿的成本。
[0003]針對(duì)以上種種問(wèn)題，研究者在碳纖維復(fù)合材料抽油桿的耐磨性改善方面進(jìn)行了不斷的探討和嘗試，中國(guó)專利CN1461870公開(kāi)了一種碳纖維復(fù)合材料連續(xù)抽油桿的制備方法，采用碳纖維為增強(qiáng)材料，表面包覆橫向排列的芳綸或超高分子量聚乙烯纖維束和縱向的玻璃纖維組成整體，提高了桿體的耐偏磨性和強(qiáng)度，但是包覆層選用的樹(shù)脂為熱固性樹(shù)月旨，加大了成本的同時(shí)卻沒(méi)有帶來(lái)理想的耐偏磨優(yōu)勢(shì)。中國(guó)專利CN101396874公開(kāi)了一種防偏磨復(fù)合材料抽油桿的制備方法，該專利主要是在復(fù)合材料抽油桿桿體上利用浸膠后的芳綸或超高分子量聚乙烯纖維連續(xù)螺旋纏繞形成表面防偏磨層以實(shí)現(xiàn)耐磨特性，但是其耐磨纖維增強(qiáng)的基體仍然為熱固性基體，所以盡管纖維具備耐磨性，表面復(fù)合材料層的整體耐磨性受到熱固性樹(shù)脂的極大影響而削弱了主要特性。中國(guó)專利CN103075112A公開(kāi)了一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料防偏磨連續(xù)抽油桿的制備裝置和方法，其采用的表面防護(hù)層為熱塑性材料，桿體采用的玻璃纖維、碳纖維或玄武巖纖維中的一種或多種構(gòu)成，該專利所提供的技術(shù)為熱塑性塑料耐磨層包覆的纖維復(fù)合材料連續(xù)抽油桿，該發(fā)明避免了表面熱固性樹(shù)脂的耐磨特性較差的問(wèn)題，降低了短脫幾率，但是該抽油桿表面層為單純注射成型的塑料樹(shù)脂基體，該層狀結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料抽油桿桿體的界面結(jié)合強(qiáng)度不夠，在連續(xù)生產(chǎn)和后續(xù)卷繞工藝中存在表面層受力缺陷的問(wèn)題較大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種帶有復(fù)合螺旋耐磨層的抽油桿及制備裝置和制備方法，以解決目前油田采油中碳纖維復(fù)合材料抽油桿的偏磨問(wèn)題，所制備的碳纖維復(fù)合材料抽油桿具備連續(xù)長(zhǎng)度，并且表面螺旋纏繞結(jié)構(gòu)的熱塑性復(fù)合材料耐磨層改善了純熱塑性樹(shù)脂基體的韌性和強(qiáng)度不足的問(wèn)題，耐磨持久度高，壽命較長(zhǎng)。
[0005]—種帶有復(fù)合螺旋耐磨層的抽油桿，所述抽油桿包括抽油桿桿體和包覆在抽油桿桿體表面的耐磨層，所述耐磨層的增強(qiáng)纖維為芳綸纖維或超高分子量聚乙烯纖維，所述耐磨層的樹(shù)脂基體為聚乙烯、聚酰胺、聚苯醚、聚砜、聚苯硫醚、聚四氟乙烯、聚甲醛或聚醚醚酮中的一種；增強(qiáng)纖維的螺旋纏繞厚度為l_4mm。其中，超高分子量聚乙烯纖維為分子量在100萬(wàn)?500萬(wàn)的聚乙烯所紡出的纖維。種結(jié)構(gòu)賦予了抽油桿優(yōu)異的耐偏磨性，增強(qiáng)纖維使得表面耐磨層具有一定的韌性和強(qiáng)度，避免了單純熱塑性樹(shù)脂的力學(xué)性能較差而出現(xiàn)的抽油桿卷繞過(guò)程中的裂紋問(wèn)題，同時(shí)該熱塑性復(fù)合材料自防護(hù)耐磨層與抽油桿桿體也形成了微孔嚙合結(jié)構(gòu)的強(qiáng)界面結(jié)合，防止了自防護(hù)耐磨層從抽油桿表面的滑脫和分層。
[0006]優(yōu)選的，所述抽油桿桿體包括包覆層和桿體主體，桿體主體采用的增強(qiáng)纖維為高強(qiáng)型碳纖維，采用的樹(shù)脂基體為環(huán)氧樹(shù)脂、聚氨酯樹(shù)脂或乙烯基酯樹(shù)酚醛樹(shù)脂中的一種，所述抽油桿桿體的連續(xù)長(zhǎng)度為l-5000m。其中，高強(qiáng)型碳纖維是指拉伸強(qiáng)度在3500MPa以上的碳纖維。抽油桿的桿體也采用纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基體制成，使得抽油桿桿體具有優(yōu)質(zhì)的強(qiáng)度、韌性以及優(yōu)良的抗腐蝕性能。
[0007]進(jìn)一步優(yōu)選的，所述抽油桿桿體的直徑為8_13mm，所述包覆層為玻璃纖維層。玻璃纖維層增強(qiáng)了抽油桿桿體表面的摩擦力，使耐磨層與抽油桿桿體更加緊密地嚙合在一起，防止了耐磨層從抽油桿表面的滑脫和分層。
[0008]—種帶有復(fù)合螺旋耐磨層的抽油桿的制備裝置，包括放絲架、浸膠槽、包覆裝置、抽油桿桿體成型模具、二次固化爐、熱塑性預(yù)浸帶纏繞裝置、耐磨層固化裝置、冷卻裝置、牽引裝置以及卷繞裝置，上述裝置依次連接；所述熱塑性預(yù)浸帶纏繞裝置包括纏繞盤(pán)、預(yù)浸帶放絲架和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置，其中，所述預(yù)浸帶放絲架安裝在纏繞盤(pán)上，所述旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)纏繞盤(pán)以抽油桿桿體為軸心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。
[0009]該裝置采用塑性復(fù)合材料表面螺旋纏繞層的成型技術(shù)制備抽油桿，可以在碳纖維復(fù)合材料抽油桿桿體表面進(jìn)行熱塑性復(fù)合耐磨層的連續(xù)纏繞生產(chǎn)，在碳纖維抽油桿桿體連續(xù)生產(chǎn)的基礎(chǔ)上保證了耐磨層的連續(xù)性，二者可同時(shí)完成在線匹配，生產(chǎn)效率高，結(jié)合強(qiáng)度大，避免了分層和脫落現(xiàn)象發(fā)生。
[0010]優(yōu)選的，所述纏繞盤(pán)為雙向纏繞盤(pán)，采用雙反向纏繞模式。雙反向纏繞模式用以保證抽油桿桿體被均勻完全包覆，保證耐磨層的強(qiáng)度的均勻。
[0011]—種帶有復(fù)合螺旋耐磨層的抽油桿的制備方法，包括如下步驟:
[0012](I)將碳纖維絲束浸漬樹(shù)脂膠液，碳纖維絲束的運(yùn)行速度為300-1000mm/分鐘；
[0013](2)在浸漬有樹(shù)脂膠液的碳纖維絲束的表面進(jìn)行包覆，然后將包覆好的碳纖維絲束初次固化，預(yù)成型；
[0014](3)經(jīng)過(guò)初次固化的抽油桿進(jìn)行二次固化；
[0015](4)經(jīng)過(guò)兩次固化的抽油桿進(jìn)行熱塑性預(yù)浸帶的螺旋纏繞；
[0016](5)將抽油桿纏繞的熱塑性預(yù)浸帶上的樹(shù)脂進(jìn)行真空加熱熔融，完成樹(shù)脂的熱熔包覆固化，得到帶有復(fù)合螺旋耐磨層的抽油桿；
[0017](6)將步驟(5)中得到的帶有復(fù)合螺旋耐磨層的抽油桿快速冷卻后，進(jìn)行收集。
[0018]優(yōu)選的，步驟(2)中，所述浸漬有樹(shù)脂膠液的碳纖維絲束表面包覆的物質(zhì)為玻璃纖維窄帶。玻璃纖維層增強(qiáng)了抽油桿桿體表面的摩擦力，使耐磨層與抽油桿桿體更加緊密地嚙合在一起，防止了耐磨層從抽油桿表面的滑脫和分層。
[0019]優(yōu)選的，步驟(2)中，所述初次固化步驟包括三個(gè)處理溫度，第一處理溫度為140-1600C，處理時(shí)間為0.3-lmin,第二處理溫度為160_180°C，處理時(shí)間為0.4-lmin,第三處理溫度為200-220°C，處理時(shí)間為0.3-lmin。依次采用三個(gè)溫度對(duì)包覆好的碳纖維絲束進(jìn)行固化，可以使樹(shù)脂膠液均勻浸潤(rùn)碳纖維絲束后固化，保證了抽油桿的均勻性。
[0020]優(yōu)選的，步驟(3)中，二次固化的溫度為160-180°C，固化時(shí)間為5_10min。在該溫度下的二次固化過(guò)程可以使碳纖維絲束與樹(shù)脂之間以及包覆層與桿體主體之間結(jié)合更為密實(shí)。
[0021]優(yōu)選的，步驟(4)中，所述熱塑性預(yù)浸帶的纏繞厚度為2-6mm，纏繞速度為1_5圈/分鐘。以此工藝得到的耐磨層在保證了良好的耐磨效果和增強(qiáng)效果的基礎(chǔ)上，使抽油桿保持了一定的韌性，使其整體不累贅，防止了一味追求耐磨性而導(dǎo)致抽油桿自重增加而使用不方便和費(fèi)力的問(wèn)題。
[0022]優(yōu)選的，步驟(5)中，所述真空加熱熔融的真空度為0.06-0.1MPa，得到的耐磨層的厚度為1_4_。在該工藝條件下得到的耐磨層的樹(shù)脂基體與增強(qiáng)纖維之間貼合緊密，且在合理的厚度的基礎(chǔ)上，使耐磨層的耐磨性能和增強(qiáng)增韌性能都較好。
[0023]在碳纖維復(fù)合材料抽油桿桿體的拉擠成型設(shè)備的牽引裝置和卷繞裝置之間設(shè)有熱塑性預(yù)浸帶纏繞裝置和表面防護(hù)層固化裝置，將噴涂熱塑性樹(shù)脂粉末的柔性二維纖維表面層織物均勻纏繞在桿體表面后，通過(guò)表面防護(hù)層固化裝置完成熱塑性復(fù)合預(yù)浸帶在桿體表面的固化成型，然后經(jīng)過(guò)冷卻裝置冷卻處理，形成帶有螺旋纏繞復(fù)合防護(hù)層的碳纖維復(fù)合材料連續(xù)抽油桿。
[0024]本發(fā)明的有益效果是:
[0025]1、帶有自防護(hù)熱塑性復(fù)合纏繞層的碳纖維抽油桿，在碳纖維復(fù)合材料桿體表面通過(guò)螺旋纏繞工藝制備了內(nèi)部帶有纖維增強(qiáng)的熱塑性復(fù)材耐磨層，這種結(jié)構(gòu)賦予了抽油桿優(yōu)異的耐偏磨性，同時(shí)螺旋纏繞自防護(hù)層內(nèi)部含有增強(qiáng)纖維，使得表面耐磨層具有一定的韌性和強(qiáng)度，避免了單純熱塑性樹(shù)脂的力學(xué)性能較差而出現(xiàn)的抽油桿卷繞過(guò)程中的裂紋問(wèn)題，同時(shí)該熱塑性復(fù)合材料自防護(hù)耐磨層與抽油桿桿體也形成了微孔嚙合結(jié)構(gòu)的強(qiáng)界面結(jié)合，防止了自防護(hù)耐磨層從抽油桿表面的滑脫和分層。
[0026]2、利用本發(fā)明提供的熱塑性復(fù)合材料表面螺旋纏繞層的成型技術(shù)，可以在碳纖維復(fù)合材料抽油桿桿體表面進(jìn)行熱塑性復(fù)合耐磨層的連續(xù)纏繞生產(chǎn)，在碳纖維抽油桿桿體連續(xù)生產(chǎn)的基礎(chǔ)上保證了耐磨層的連續(xù)性，二者可同時(shí)完成在線匹配，生產(chǎn)效率高，結(jié)合強(qiáng)度大，避免了分層和脫落現(xiàn)象發(fā)生。之前的熱塑性自防護(hù)耐磨層采用的是純熱塑性樹(shù)脂的注射成型制備，注射過(guò)程對(duì)壓力和溫度的控制較為苛刻，而且純樹(shù)脂層的熔融及包覆需要有嚴(yán)格的溫度區(qū)間，可調(diào)性有限。本發(fā)明采用了熱塑性粉末預(yù)浸料型的二維纖維窄帶，保證了熱塑性粉末基材的含量同時(shí)有保留了纖維織物的柔性，可以實(shí)現(xiàn)在抽油桿桿體表面的連續(xù)螺旋纏繞，保證了耐磨層包覆的均勻性，提高了生產(chǎn)穩(wěn)定性。
【附圖說(shuō)明】
[0027]圖1是本發(fā)明的制備裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖2是本發(fā)明的抽油桿的截面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029]其中，1、放絲架，2、浸膠槽，3、包覆裝置，4、抽油桿桿體成型模具，5、二次固化爐，6、熱塑性預(yù)浸帶纏繞裝置，7、耐磨層固化裝置，8、冷卻裝置，9、牽引裝置，10、卷繞裝置，11、抽油桿桿體，12、玻璃纖維層，13為耐磨層。
具體實(shí)施例
[0030]利用本發(fā)明圖1中的生產(chǎn)裝備可進(jìn)行帶有復(fù)合螺旋自防護(hù)層的高耐磨連續(xù)碳纖維抽油桿的制備，通過(guò)下面的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的產(chǎn)品進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明不限于這些實(shí)施例。
[0031]如圖1所示，一種帶有復(fù)合螺旋耐磨層13的抽油桿的制備裝置，包括放絲架1、浸膠槽2、包覆裝置3、抽油桿桿體成型模具4、二次固化爐5、熱塑性預(yù)浸帶纏繞裝置6、耐磨層固化裝置7、冷卻裝置8、牽引裝置9以及卷繞裝置10，上述裝置依次連接。
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