用于地下井的復(fù)合材料抽油桿組件的制作方法
【專利摘要】提供了一種在地下井中使用的復(fù)合材料抽油桿組件。抽油桿組件包括形成細(xì)長(zhǎng)桿的多個(gè)平行的復(fù)合材料束股。優(yōu)選地，桿的兩端部均裝配有金屬末端配件。每個(gè)末端配件具有漸縮空腔，其具有近側(cè)開口以接收桿端部?？涨皇菨u縮的，以致從所述空腔的近側(cè)開口朝空腔的遠(yuǎn)端向外擴(kuò)張。抽油桿組件還包括散布板，優(yōu)選地由多個(gè)塊部構(gòu)成，所述散布板具有孔以接收和展開多個(gè)束股。諸如硬化樹脂的硬化材料被引入到空腔中并使之硬化，以將桿固定到末端配件。優(yōu)選地，硬化樹脂被連接構(gòu)件壓縮。
【專利說(shuō)明】用于地下井的復(fù)合材料抽油桿組件
[0001]相關(guān)申請(qǐng)
[0002]本申請(qǐng)是2014年5月27日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)N0.62/003,437的部分繼續(xù)并要求其優(yōu)先權(quán)，并且本申請(qǐng)是2013年11月12日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)N0.61/903，194的部分繼續(xù)并要求其優(yōu)先權(quán)，這兩個(gè)美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容通過(guò)援引并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明總體上涉及抽油桿工程和設(shè)計(jì)。更特別地，本發(fā)明涉及一種用于在井下豎直提升采油中使用的復(fù)合材料抽油桿組件。
【背景技術(shù)】
[0004]與豎直提升桿式栗(也稱為地面單元、搖擺驢頭、或抽油架)一起使用的抽油桿通常由各種長(zhǎng)度的鋼桿段制成，所述鋼桿段通過(guò)螺紋聯(lián)接件連接在一起。各個(gè)抽油桿的長(zhǎng)度通常為25英尺、30英尺或37.5英尺并且利用聯(lián)接件連接在一起以形成抽油桿桿柱。典型的抽油桿桿柱的長(zhǎng)度為700至10，000英尺或更長(zhǎng)。抽油桿桿柱將豎直提升式地面設(shè)備連接至井下栗單元。傳統(tǒng)的金屬抽油桿很重，并且遭受腐蝕和疲勞失效，特別是在螺紋連接處或由于應(yīng)力腐蝕破裂。由于腐蝕和/或疲勞引起的不期望的損壞的抽油桿的移除和置換是昂貴的。進(jìn)一步地，金屬抽油桿桿柱的重量限制了其強(qiáng)度和疲勞壽命并且可能會(huì)限制甚大型地面單元能夠栗送的深度。鋼抽油桿桿柱的重量還可能過(guò)載并降低地面單元及其部件的壽命。整體式玻璃纖維抽油桿也已經(jīng)使用了一段時(shí)間。玻璃纖維抽油桿確實(shí)帶來(lái)了重量降低和抗腐蝕性，但是其具有明顯的拉伸，并且由于桿柱中的瞬態(tài)壓縮而易于裂開和失效。
[0005]目前的抽油桿技術(shù)包括鍛鋼桿，鍛鋼桿通常為3/4英寸直徑、7/8英寸直徑、I英寸直徑、或I又1/8英寸直徑。桿的端部成形為包括扳手位置和機(jī)加工螺紋，用以與將各個(gè)桿連結(jié)在一起的聯(lián)接件對(duì)接。典型的鋼抽油桿長(zhǎng)度為25英尺和30英尺。分段式抽油桿的桿柱連接在地面處的豎直提升式栗單元與油井底部處或油井底部附近的井下栗之間。通常稱為“短抽油桿(Pony Rods)”的較短桿用于精細(xì)調(diào)整抽油桿桿柱的總長(zhǎng)度和井下栗的位置。沉錨鉆桿(更大直徑的重桿)在井的底部使用，以加重用于下行沖程的整個(gè)桿柱。抽油桿在管道(其通常為鋼并且懸置于井孔或殼體中)中上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。沒有油井是完全筆直的。鋼抽油桿的剛度大并且在油井不筆直的情況下經(jīng)常導(dǎo)致在油井殼體的內(nèi)部產(chǎn)生過(guò)量磨損。另夕卜，由栗送誘發(fā)的桿柱撓曲引起金屬疲勞，這可能會(huì)導(dǎo)致抽油桿失效。高度腐蝕的環(huán)境惡化了桿失效的頻率。
[0006]已經(jīng)開發(fā)了整體式玻璃纖維抽油桿。玻璃纖維抽油桿具有鋼端配件，所述鋼端配件結(jié)合在整體式玻璃纖維抽油桿的每個(gè)端部的外表面上。玻璃纖維抽油桿的直徑通常大于鋼抽油桿的直徑。玻璃纖維抽油桿具有比鋼或碳纖維更低的拉伸模量，因此展現(xiàn)出比鋼或碳纖維更大的拉伸。玻璃纖維抽油桿比鋼輕，但是已知曉，如果在栗送循環(huán)期間遭受到任何壓縮負(fù)載，其將經(jīng)受過(guò)早失效。
[0007]被拉擠成型為整體式鉆桿并滿足抽油桿特定要求的碳纖維復(fù)合材料抽油桿也將不具有吸引力，原因在于它將經(jīng)受類似于玻璃纖維的壓縮失效，并且由于它只是膠合在整體式抽油桿的外部上而不是嵌入到大部分纖維中，它難以使末端配件匹配碳纖維復(fù)合材料中間段的潛在強(qiáng)度。
[0008]連續(xù)長(zhǎng)度的鋼抽油桿也用在小型但比例增大的油井中。連續(xù)長(zhǎng)度的鋼抽油桿要求大直徑的芯軸和專門的處理技術(shù)。連續(xù)的鋼抽油桿由于重量、運(yùn)輸和處理問題受限于能夠?qū)嶋H使用的長(zhǎng)度。連續(xù)長(zhǎng)度的鋼抽油桿較重、被銹蝕并遭受疲勞失效。
[0009]因此，將期望提供一種抽油桿組件，所述抽油桿組件能夠滿足或優(yōu)于所有操作要求并且提供顯著的重量降低、完全耐腐蝕、更深的栗送能力、較少的維護(hù)、更長(zhǎng)的壽命和提高的總體產(chǎn)油經(jīng)濟(jì)性，從而具有比先前的抽油桿更好的栗送性能和工作壽命。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明通過(guò)提供一種改進(jìn)的用于在井下豎直提升式采油中使用的抽油桿組件來(lái)解決前述缺陷。
[0011]本發(fā)明的抽油桿組件包括多個(gè)平行的復(fù)合材料增強(qiáng)元件(這里稱為“束股”)用以制成輕質(zhì)、抗腐蝕和抗疲勞的抽油桿組件。優(yōu)選地，束股由碳纖維制成，并且將主要被描述為采用碳纖維。然而，其它復(fù)合材料也可以采用，并且本發(fā)明不旨在局限于碳纖維。
[0012]在優(yōu)選實(shí)施例中，抽油桿組件由通過(guò)拉擠成型工藝或其變形制造的碳纖維制成，其中，高強(qiáng)度的纖維被牽引通過(guò)樹脂浴以浸漬纖維，然后被牽引通過(guò)加熱的模具和烤箱而將束股成形、加強(qiáng)并固化成大體圓形或多邊形(比如六邊形或八邊形)的橫截面。碳纖維是用于抽油桿組件的優(yōu)選材料，但是也可以使用玻璃纖維或其它高強(qiáng)度纖維，只要它們適于滿足用于抽油桿組件應(yīng)用的強(qiáng)度和剛度要求。應(yīng)該針對(duì)拉伸強(qiáng)度、剛度、耐久性和處理對(duì)束股的纖維含量進(jìn)行優(yōu)化。另外，構(gòu)成抽油桿組件的多個(gè)束股應(yīng)該是筆直的并且長(zhǎng)度相等，以便最大化抽油桿組件的總體強(qiáng)度。
[0013]在優(yōu)選實(shí)施例中，聚合物基體中的高強(qiáng)度碳纖維被平行地捆扎在一起以形成細(xì)長(zhǎng)桿。此外，通過(guò)改變束股的數(shù)量允許適應(yīng)抽油桿組件和抽油桿桿柱的機(jī)械性能。較大捆束的束股被用于油井頂部處(靠近地面)的抽油桿，因?yàn)樯铣橛蜅U必須承載整個(gè)抽油桿桿柱的重量。較小捆束的束股用于靠近油井底部處的抽油桿，因?yàn)槔鞈?yīng)力較低，不過(guò)必須也要考慮所提升的油的重量。整個(gè)抽油桿桿柱構(gòu)造成滿足強(qiáng)度和縱向剛度要求并且優(yōu)化栗送效率。這種構(gòu)造的碳纖維抽油桿組件已經(jīng)被證實(shí)為在保持相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度時(shí)，只有鋼抽油桿的重量的約五分之一。結(jié)果，本發(fā)明的抽油桿組件將具有比傳統(tǒng)的鋼或整體式玻璃纖維抽油桿以及連續(xù)長(zhǎng)度的鋼抽油桿更有利的栗送性能和工作壽命。
[0014]抽油桿組件在桿的一個(gè)端部處并且優(yōu)選在桿的兩個(gè)端部處包括末端配件。優(yōu)選地，末端配件由金屬(比如高碳鋼)制成。然而，可以采用其它金屬或材料。每個(gè)末端配件具有近端、遠(yuǎn)端、和中央空腔，所述中央空腔延伸至末端配件的近端以形成用于將細(xì)長(zhǎng)桿接收到中央空腔中的近側(cè)開口。中央空腔從末端配件的近端朝末端配件的遠(yuǎn)端向外擴(kuò)張。在優(yōu)選實(shí)施例中，末端配件的中央空腔從末端配件的近側(cè)開口延伸至末端配件的遠(yuǎn)端，以形成遠(yuǎn)側(cè)開口。遠(yuǎn)側(cè)開口可以包括用于固定至陽(yáng)螺紋構(gòu)件的陰螺紋。
[0015]細(xì)長(zhǎng)桿的多個(gè)束股在末端配件內(nèi)展開并且利用聚合物樹脂或陶瓷材料包封，所述聚合物樹脂或陶瓷材料在末端配件的中央空腔中硬化，以形成漸縮楔子，所述楔子將末端配件保持在多個(gè)束股上的適當(dāng)位置。末端聚合物或陶瓷楔子通過(guò)將材料注射到注射端口中而澆注，所述注射端口突出穿過(guò)末端配件的側(cè)部。當(dāng)注射到注射端口中時(shí)，材料填充束股周圍的空間。設(shè)置排出口以允許空氣從中央空腔排出并提供漸縮空腔被適當(dāng)?shù)靥畛洳牧系囊曈X保證。
[0016]漸縮空腔優(yōu)選為圓錐形的，并且利用聚合物材料注射或填充，所述聚合物材料粘附至束股，以在末端配件內(nèi)形成機(jī)械圓錐形楔子。用于末端楔子的聚合物材料可以是環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂或滿足性能要求的其它熱固性樹脂。對(duì)于極深井來(lái)說(shuō)，耐熱陶瓷材料可以用于末端楔子。用于組裝碳纖維抽油桿組件的優(yōu)選方法是將聚合物或陶瓷材料直接注射到末端配件中。優(yōu)選地，末端配件中的兩個(gè)端口被用于楔子材料注射。一個(gè)端口是注射端口，用以將聚合物或陶瓷注射到配件中。另一端口是排出孔，其提供了暫時(shí)的排氣以及用以顯示粘性樹脂已經(jīng)填充漸縮空腔的視窗。優(yōu)選地，聚合物或陶瓷楔子材料在末端配件平放在水平位置中時(shí)被注射到末端配件中。
[0017]優(yōu)選地，至少一個(gè)散布板定位在末端配件的空腔中。散布板優(yōu)選為平面的且大體圓形的，以便限定中心軸線。優(yōu)選地，散布板以散布板的中心軸線與末端配件的空腔的中心軸線重合的方式定位在空腔中。優(yōu)選地，散布板的直徑稍小于中央空腔內(nèi)散布板位置處的末端配件的空腔的直徑。散布板具有多個(gè)孔，所述孔接收桿的束股，以便與束股進(jìn)入末端配件的近側(cè)開口的位置相比沿著加寬的取向展開所述束股。
[0018]優(yōu)選地，散布板由兩個(gè)或多個(gè)塊部構(gòu)成，其中每個(gè)塊部包括接合邊緣，其用于接合毗鄰塊部的接合邊緣。優(yōu)選地，僅通過(guò)桿的束股迫使塊部徑向一起彼此接合來(lái)使這些塊部保持在一起，以形成單個(gè)散布板。還優(yōu)選地，散布板的塊部的接合邊緣包括一個(gè)或多個(gè)凹部，用于接合形成在毗鄰塊部的接合邊緣中的凹部，使得毗鄰塊部的毗鄰凹部形成接收束股的孔。在優(yōu)選實(shí)施例中，散布板的塊部還包括外周邊緣，所述塊部在所述外周邊緣處不接合毗鄰塊部，比如散布板的外周在外周邊緣處不與末端配件的空腔壁相鄰。優(yōu)選的是，每個(gè)塊部的外周邊緣包括一個(gè)或多個(gè)凹部，用于與束股穿過(guò)末端配件的近側(cè)開口的位置相比沿著加寬的取向接收并展開一個(gè)或多個(gè)束股。
[0019]在替代實(shí)施例中，環(huán)形間隔件施加在束股的端部上，以在聚合物被注射到配件中并固化時(shí)將束股保持在末端配件內(nèi)的展開構(gòu)造中。對(duì)于該實(shí)施例，優(yōu)選的是，環(huán)形間隔件在大約相同的位置處縱向定位在束股上以便彼此接合?？商娲?，環(huán)形間隔件可以縱向定位在不同的位置處，以便接合毗鄰束股。
[0020]抽油桿組件包括用于連接至其它抽油桿組件或其它裝置的連接構(gòu)件。優(yōu)選地，連接構(gòu)件具有陽(yáng)螺紋端部，其固定至末端配件的陰螺紋。優(yōu)選地，連接構(gòu)件充分地突出到空腔中，使得連接構(gòu)件接合漸縮楔子，以將楔子置于壓縮狀態(tài)。該構(gòu)造導(dǎo)致在漸縮楔子上施加一預(yù)加載荷，這提高了其處理循環(huán)拉伸和壓縮載荷的能力。
[0021]用以將楔子壓縮在末端配件內(nèi)的優(yōu)選方法是將聚合物或陶瓷材料注射到末端中，其中螺紋連接構(gòu)件從其最終(未被完全扭轉(zhuǎn))位置稍微后退。在楔子固化后，螺紋連接構(gòu)件完全旋擰就位并被適當(dāng)扭轉(zhuǎn)。另一選擇是在將聚合物或陶瓷楔子注射到配件中時(shí)使用偽連接構(gòu)件。該偽連接構(gòu)件可以稍微短于最終的連接構(gòu)件，由此在安裝最終的連接構(gòu)件時(shí)對(duì)楔子施加壓縮載荷。
[0022]優(yōu)選將最小數(shù)量的束股捆扎在一起，以形成一定長(zhǎng)度的復(fù)合材料抽油桿組件。多個(gè)平行的束股可以利用復(fù)合材料或聚合物材料的包封層完全地外包裹，所述包封層將捆束保持在一起并提供耐磨覆蓋物。外包裹物還可以遞增地間隔開以將捆束保持在一起，從而增大抽油桿組件的總體剛度并且提供用于壓縮載荷的適合阻尼。束股的捆束優(yōu)選利用復(fù)合材料包裹物保持在一起，所述復(fù)合材料包裹物足夠遞增地間隔開以將桿的捆束保持在一起，但是允許它們?cè)跅U經(jīng)受壓縮載荷的情況下在包裹物之間撓曲。遞增的復(fù)合材料包裹物的間距和長(zhǎng)度能夠被用于適應(yīng)整體碳復(fù)合材料抽油桿組件的壓縮剛度。
[0023]多個(gè)平行的束股優(yōu)選地被捆扎在大致多邊形或圓形的包裝中，因此抽油桿組件能夠在井管中漸進(jìn)地轉(zhuǎn)動(dòng)，就好像為防止一個(gè)點(diǎn)的磨損而通常所做的那樣。還有必要將束股在一個(gè)束股與另一束股不交叉的情況下均勻地展開在末端中。
[0024]在復(fù)合材料抽油桿組件被組裝之后，磨損引導(dǎo)件和刮蠟器可以沿著復(fù)合材料抽油桿組件的長(zhǎng)度安裝。磨損引導(dǎo)件通常僅用于在油井的偏斜部分中延伸的抽油桿上。優(yōu)選的方法是將纖維填充復(fù)合材料磨損引導(dǎo)件直接模制到束股的捆束上。這能夠通過(guò)注塑模制相對(duì)較厚的三維纖維墊(其包裹在束股捆束的周圍)來(lái)實(shí)現(xiàn)。兩件式模具被夾持在包封的纖維形式周圍。熱固性環(huán)氧樹脂被注射到模具中并流過(guò)多孔紡制聚酯材料。當(dāng)固化時(shí)，移除模具。浸漬有環(huán)氧樹脂的三維紡制聚酯墊形成耐磨損復(fù)合材料，其特別適用于永久地結(jié)合在抽油桿上的應(yīng)用。有利地，磨損引導(dǎo)件還能夠起到遞增地間隔開以提供期望的壓縮阻尼和桿剛度的包裹物的功能，如上所述。優(yōu)選的方法是將復(fù)合材料引導(dǎo)件模制在遞增地間隔開的帶上，以便保持期望的帶間距。
[0025]在另一實(shí)施例中，編織玻璃纖維、碳纖維或芳綸纖維布帶能夠利用樹脂盤繞地包裹在碳纖維桿的捆束周圍，使得它既起磨損帶的功能，又起將多個(gè)桿保持在一起的捆扎功會(huì)K。
[0026]本發(fā)明的其它特征和優(yōu)勢(shì)在本領(lǐng)域技術(shù)人員參照附圖閱讀下面的詳細(xì)描述之后將變得顯而易見。
【附圖說(shuō)明】
[0027]圖1是本發(fā)明的復(fù)合材料抽油桿組件的分解透視圖；
[0028]圖2是本發(fā)明的復(fù)合材料抽油桿組件的側(cè)剖視圖；
[0029]圖3是本發(fā)明的復(fù)合材料抽油桿組件的分解剖視圖；
[0030]圖4是示出了第一空腔構(gòu)造的本發(fā)明的復(fù)合材料抽油桿組件的側(cè)剖視圖；
[0031]圖5是示出了第二空腔構(gòu)造的本發(fā)明的復(fù)合材料抽油桿組件的側(cè)剖視圖；
[0032]圖6是示出了第三空腔構(gòu)造的本發(fā)明的復(fù)合材料抽油桿組件的側(cè)剖視圖；
[0033]圖7是示出了將樹脂注射到空腔中的本發(fā)明的復(fù)合材料抽油桿組件的側(cè)剖視圖；
[0034]圖8是本發(fā)明的散布板的分解透視圖；
[0035]圖9是本發(fā)明的散布板的透視圖；
[0036]圖10是本發(fā)明的第一散布板的俯視圖；
[0037]圖11是本發(fā)明的第二散布板的俯視圖；
[0038]圖12是本發(fā)明的第三散布板的俯視圖；
[0039]圖13是本發(fā)明的第四散布板的俯視圖；和
[0040]圖14是包括磨損引導(dǎo)件的本發(fā)明的抽油桿組件的側(cè)視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0041]盡管本發(fā)明容許有各種形式的實(shí)施例(如附圖所示)，但是下面將描述本發(fā)明的當(dāng)前優(yōu)選實(shí)施例，條件是本公開將被考慮為本發(fā)明的示例，其不旨在將本發(fā)明限制在示出的具體實(shí)施例中。
[0042]參照附圖，抽油桿組件10包括形成細(xì)長(zhǎng)桿15的多個(gè)束股20。抽油桿組件10還包括具有中央空腔33的末端配件30、散布板22、和連接構(gòu)件45。多個(gè)抽油桿組件連接在一起以形成抽油桿桿柱11，用以將豎直提升式地面裝置連接至井下栗單元。
[0043]如圖1-14所示，復(fù)合材料抽油桿組件10包括多個(gè)大體圓形的束股20，所述束股被捆扎在一起以形成細(xì)長(zhǎng)桿15。復(fù)合材料抽油桿組件15的拉伸強(qiáng)度和剛度由用于各個(gè)束股20的復(fù)合材料、束股20的尺寸、和捆扎在一起以制成細(xì)長(zhǎng)桿15的束股20的數(shù)量決定。在優(yōu)選實(shí)施例中，碳復(fù)合材料抽油桿束股20通過(guò)拉擠成型工藝或其變形制造，其中，高強(qiáng)度的纖維被牽引通過(guò)樹脂浴以浸漬纖維，然后通過(guò)加熱的模具和烤箱以將束股20成形、加強(qiáng)并固化成大體圓形的桿或類似的形狀(比如六邊形或八邊形)。碳纖維是用于平行的所述多個(gè)束股20的優(yōu)選材料，但是也可以使用玻璃纖維或其它高強(qiáng)度的纖維，只要它們適應(yīng)于滿足用于抽油桿組件應(yīng)用的強(qiáng)度要求和剛度要求。
[0044]束股20中的聚合物基體可以是環(huán)氧樹脂、聚酯、乙烯基酯、氰尿酸酯、苯甲酰氧基苯(benzoxyzene)、酸醛樹脂或其它適合的熱固性樹脂。熱塑性聚合物基體(如PE1、PEEK、PPS或其它適合的聚合物)還可以通過(guò)改變拉擠成型工藝而使用，以將聚合物和纖維基體加熱、硬化和成形、以及冷卻成可用的復(fù)合材料束股。應(yīng)該針對(duì)拉伸強(qiáng)度、剛度、耐久性和處理對(duì)束股20的纖維含量進(jìn)行優(yōu)化。束股20的理想尺寸為大致從1/8英寸的直徑到3/16英寸的直徑，不過(guò)也可以使用其它尺寸，并且理想尺寸可以取決于加工和組裝要求。
[0045]—般來(lái)說(shuō)，束股的直徑越小，它能被拉擠得越快，因?yàn)闃渲袒?。厚的拉擠橫截面固化慢。另外，在束股具有小直徑而非大直徑時(shí)，更大數(shù)量的束股能夠同時(shí)被拉擠成形。當(dāng)抽油桿由多個(gè)束股而非整體式桿制成時(shí)，典型抽油桿的橫截面面積可以以大致十倍于吞吐速度被拉擠成型，這降低了生產(chǎn)成本。即使具有另外的步驟以切割和捆扎束股，但是由多個(gè)束股制成的碳纖維復(fù)合材料抽油桿的總體生產(chǎn)成本也基本小于同等整體式的情況。然而，還需要束股的橫截面足夠大，以便易于處理并筆直地放在用于組裝抽油桿的工具中。因此，構(gòu)成桿15的多個(gè)束股20應(yīng)該是筆直的并且長(zhǎng)度相等，以便最大化桿15的總體強(qiáng)度。如果捆束中的一個(gè)束股比其它束股短，則短的那個(gè)束股比其它束股負(fù)載大，將在拉伸載荷條件下過(guò)早失效。經(jīng)驗(yàn)表明，束股20的直徑優(yōu)選為大約1/8英寸或更大，使之剛性足夠大以組裝到典型的組裝工具中，所述組裝工具保持相等長(zhǎng)度和筆直度的束股20而不用預(yù)拉伸束股的方法。不像現(xiàn)有的制造工藝，在組裝期間束股20不需要拉伸，因?yàn)檫@將耗時(shí)且昂貴。
[0046]優(yōu)選將最小數(shù)量的束股20捆扎在一起，以形成一定長(zhǎng)度的細(xì)長(zhǎng)桿15。如圖14所示，束股20的捆束優(yōu)選利用復(fù)合材料包裹物50保持在一起，復(fù)合材料包裹物足夠遞增地間隔開以將桿的捆束保持在一起，但是允許它們?cè)跅U經(jīng)受壓縮載荷的情況下在包裹物50之間撓曲。遞增的復(fù)合材料包裹物50的間距和長(zhǎng)度可以用于適應(yīng)整個(gè)碳復(fù)合材料抽油桿50的壓縮剛度。經(jīng)驗(yàn)表明，為了提供壓縮阻尼而又使桿的總體剛度足以用于處理，復(fù)合材料包裹物50和/或磨損引導(dǎo)件的間距為捆束直徑的大約10-30倍是理想的。甚至更優(yōu)選地，復(fù)合材料包裹物50和/或磨損引導(dǎo)件(在下文描述)以捆束直徑的15-25倍間隔開，包裹物之間的優(yōu)選距離為捆束直徑的大約20倍。
[0047]多個(gè)平行的束股20優(yōu)選被捆扎在大體多邊形或圓形的包裝中，因此抽油桿組件10能夠在井殼體中漸進(jìn)地旋轉(zhuǎn)，就像為防止在一個(gè)點(diǎn)上的磨損通常所做的那樣。應(yīng)當(dāng)注意，碳纖維抽油桿組件10的直徑顯著小于其等同的鋼抽油桿組件。例如，替換I又1/8英寸直徑的鋼抽油桿的等同的碳纖維抽油桿組件10僅為I英寸的直徑。
[0048]抽油桿組件的末端配件30可以固定在抽油桿組件10的一端或兩端處。末端配件優(yōu)選由金屬制成，更優(yōu)選地由高碳鋼制成?？梢允褂冒祭w維的其它材料。但是，它們不是優(yōu)選的。每個(gè)末端配件30具有近端31和遠(yuǎn)端32?？涨?3從末端配件的近端延伸末端配件的長(zhǎng)度到其遠(yuǎn)端，以便形成近側(cè)開口 35和遠(yuǎn)側(cè)開口 36 ο空腔33具有漸縮構(gòu)造，以致在其近側(cè)開口35處具有比朝著其遠(yuǎn)端更小的直徑。在優(yōu)選實(shí)施例中，中央空腔具有朝向末端配件的近端31的圓錐形段37和朝向末端配件的遠(yuǎn)端32的大體圓柱形段38。空腔的近側(cè)開口 35的尺寸設(shè)計(jì)成接收細(xì)長(zhǎng)桿15的一端及其各個(gè)束股20。優(yōu)選地，空腔的遠(yuǎn)側(cè)開口 36包括用于固定至陽(yáng)螺紋構(gòu)件的陰螺紋41。
[0049]為了將束股20鎖定到末端配件的空腔33中，束股向外展開，以致具有比末端配件的近側(cè)開口 35大的直徑。為了將束股20保持在展開的狀態(tài)中，抽油桿組件10包括散布板22，散布板設(shè)置在末端配件的空腔33中。散布板優(yōu)選為平面的且大體圓形的，以致限定中心軸線。另外，散布板22具有用于接收桿的束股20的多個(gè)孔23，以便與束股進(jìn)入末端配件的近側(cè)開口 35的位置相比沿著加寬的取向展開束股。為了將散布板定位在末端配件的中央空腔中，散布板的直徑稍微小于在散布板已經(jīng)定位在空腔33內(nèi)時(shí)配件空腔33的直徑。另外，優(yōu)選地，散布板的中心軸線與空腔的中心軸線重合。如本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解的那樣，散布板的直徑優(yōu)選在定位在空腔的圓錐形段37中時(shí)將比在散布板22定位在空腔的圓柱形段38中時(shí)小。
[0050]如圖8-13所示，散布板22由兩個(gè)或更多個(gè)塊部24構(gòu)成，其中，塊部可以布置成彼此毗鄰以形成單個(gè)散布板22。每個(gè)散布板塊部24包括接合邊緣25，每個(gè)散布板塊部在接合邊緣處接合毗鄰塊部24的接合邊緣。優(yōu)選地，這些接合邊緣25包括凹部27，其與形成在毗鄰塊部中的凹部對(duì)齊和毗鄰，以形成用于接收桿的束股20的孔23。另外，散布板塊部24還包括外周邊緣26，在外周邊緣處塊部不接合散布板的毗鄰塊部24。優(yōu)選的是，這些外周邊緣還包括尺寸設(shè)計(jì)成用于接收桿的束股20的凹部27。如圖2和3所示，外周邊緣的凹部中的束股由末端配件的空腔側(cè)壁約束。外周邊緣的凹部27還以與束股穿過(guò)末端配件的近側(cè)開口 25的位置相比沿著加寬的取向保持束股20。抽油桿組件10可以包括任何數(shù)量的散布板，以便保持束股20適當(dāng)?shù)貙?duì)齊和定位，防止細(xì)長(zhǎng)桿15從末端配件30撤回。例如，圖5示出了具有兩個(gè)散布板22的抽油桿組件10。
[0051]在替代實(shí)施例中，抽油桿組件包括多個(gè)環(huán)形間隔件，其中，環(huán)形間隔件應(yīng)用在每個(gè)束股的端部上，以將束股保持在展開的構(gòu)造中。對(duì)于該實(shí)施例來(lái)說(shuō)，環(huán)形間隔件可以在大致相同的位置處縱向定位在束股上，使得每個(gè)環(huán)形間隔件的外周接合毗鄰間隔件的外周?？商娲?，環(huán)形間隔件可以在不同的位置處縱向定位，使得環(huán)形間隔件的外周接合毗鄰束股。
[0052]如圖5和6所示，末端配件的漸縮空腔33可以包括圓錐形段37和圓柱形段38。如果期望最小化末端配件30的尺寸，則空腔的圓錐形段37的長(zhǎng)度在保持總體空腔長(zhǎng)度的情況下可以更短。更特別地，縮短圓錐形段37的長(zhǎng)度同時(shí)保持空腔33的總長(zhǎng)度使得能夠保持將桿15固定到末端配件30的楔入效應(yīng)，因此在配件的尺寸被約束時(shí)能夠保持楔子21至桿15的總體粘附剪切強(qiáng)度。例如，圖7示出了其中圓錐形部分37比圓柱形部分38短的末端配件。相反地，圖6示出了其中圓錐形部分37比圖5所示的圓錐形部分長(zhǎng)的末端配件。
[0053]末端配件的空腔30(如圖7所示)優(yōu)選地被注射或填充有聚合物材料，所述聚合物材料粘附至束股20并且在末端配件30內(nèi)形成機(jī)械漸縮楔子21。用于楔子21的聚合物材料可以是環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂或滿足性能要求的其它熱固性樹脂。對(duì)于極深井來(lái)說(shuō)，可以在末端圓錐體中使用耐熱陶瓷材料。與傳統(tǒng)的封閉式(potted)鋼絲繩末端(其中，樹脂或熔融金屬被傾注到末端的開口端中)相比，用于組裝碳纖維抽油桿10的優(yōu)選方法是將聚合物或陶瓷樹脂材料直接注射到末端配件30中。優(yōu)選地，注射端口 39和排出端口 40用于樹脂材料的注射。提供注射端口39以將聚合物或陶瓷樹脂注射到配件30中。排出端口提供暫時(shí)的通風(fēng)，并且提供視窗以顯示粘合劑已經(jīng)填充空腔30。優(yōu)選地，聚合物或陶瓷材料在末端配件30平放在水平位置時(shí)被注射到注射端口 39中。重要的是在樹脂材料被注射到末端配件的注射端口39中之前，在水平位置中(其中多個(gè)束股20被大體筆直地支撐)以及在期望的捆扎構(gòu)造中(其中末端配件30適當(dāng)對(duì)準(zhǔn))組裝復(fù)合材料抽油桿10。還重要的是，適當(dāng)并一致地構(gòu)造束股20的展開取向。
[0054]如圖3-7所示，在優(yōu)選實(shí)施例中，抽油桿組件10包括螺紋連接構(gòu)件45，以與將桿連接至桿以形成抽油桿桿柱的標(biāo)準(zhǔn)抽油桿聯(lián)接件對(duì)接。在另一實(shí)施例中，螺紋連接構(gòu)件45可以僅應(yīng)用于抽油桿10的一端，并且沒有螺紋連接構(gòu)件被固定至另一端。這使得一個(gè)抽油桿10能夠在不需要使用傳統(tǒng)的抽油桿聯(lián)接件的情況下被聯(lián)接至另一個(gè)抽油桿。相反，一個(gè)抽油桿組件1的連接構(gòu)件45旋擰進(jìn)另一抽油桿組件1的陰螺紋開口 36中。
[0055]另外，在優(yōu)選實(shí)施例中，期望的是利用連接構(gòu)件45的陽(yáng)螺紋部分壓縮硬化的樹脂楔子21，陽(yáng)螺紋部分作為使楔子21在末端配件30中牢固地保持就位的構(gòu)件，特別是在預(yù)期抽油桿組件將經(jīng)受壓縮載荷時(shí)。將楔子21壓縮在末端配件30中的優(yōu)選方法是將聚合物或陶瓷樹脂注射末端配件30中，其中，螺紋連接構(gòu)件45從其最終位置稍微后退例如約1/8至1/2轉(zhuǎn)，或者不完全扭轉(zhuǎn)。結(jié)果，楔子21將被原位模制在末端配件30中。在楔子21固化后，螺紋連接構(gòu)件45被完全螺旋就位并適當(dāng)扭轉(zhuǎn)。該方法導(dǎo)致將預(yù)先載荷施加在楔子21上，這提高了它處理循環(huán)拉伸和壓縮載荷的能力。另一種選擇是在將聚合物或陶瓷楔子注射到末端配件30中時(shí)使用偽連接構(gòu)件(未示出)。該偽連接構(gòu)件可以稍微短于最終的連接構(gòu)件45，因此在安裝最終的連接構(gòu)件45時(shí)在楔子21上施加了壓縮載荷。
[0056]如圖14所示，磨損引導(dǎo)件50和/或刮蠟器可以沿著復(fù)合材料抽油桿組件10的長(zhǎng)度安裝。磨損引導(dǎo)件50通常僅用于在油井的偏斜部分中延伸的抽油桿上。傳統(tǒng)的磨損引導(dǎo)件由熱塑性聚合物制成，并且在適當(dāng)位置預(yù)模制和卡合，或者直接注射模制在鋼抽油桿上。傳統(tǒng)的磨損弓I導(dǎo)件通常在操作期間不保持就位。
[0057]對(duì)于本發(fā)明的優(yōu)選抽油桿10來(lái)說(shuō)，纖維填充復(fù)合材料磨損引導(dǎo)件50被直接模制在束股20的捆束上。這能夠通過(guò)浸漬模制相對(duì)較厚的三維纖維墊(其包裹在束股捆束的周圍)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在優(yōu)選示例中，纖維形式是由3M制造的1/4至3/8英寸厚的耐磨損紡制聚酯墊。在一個(gè)示例中，1/4英寸厚的紡制聚合物墊的3至4英寸寬X9至12英寸長(zhǎng)的條帶在期望用于磨損引導(dǎo)件50的位置處被包裹在抽油桿組件10的多個(gè)束股20周圍。兩件式模具被夾持在包裹的纖維形式周圍。熱固性環(huán)氧樹脂通過(guò)注射端口被注射到模具中，以流過(guò)多孔紡制聚酯材料。當(dāng)固化時(shí)，移除模具。浸漬有環(huán)氧樹脂的三維紡制聚酯墊形成耐磨復(fù)合材料，其特別適用于永久地結(jié)合在抽油桿組件10上的應(yīng)用。有利地，如圖14所示，磨損引導(dǎo)件50還能夠起遞增間隔開以提供期望的壓縮阻尼和桿剛度的包裹物的作用，如上所述。在另一實(shí)施例中，編織玻璃纖維、碳纖維或芳綸纖維布帶可以利用樹脂盤繞地包裹在碳纖維桿的捆束周圍，使得它既起磨損引導(dǎo)件的功能又起將多個(gè)桿保持在一起的綁帶功能。
[0058]盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的幾個(gè)特定形式，但是將顯而易見的是可以在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下進(jìn)行各種修改。因此，除了所附權(quán)利要求之外，不旨在限制本發(fā)明。已經(jīng)用這些術(shù)語(yǔ)描述了本發(fā)明，以使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解本發(fā)明、重塑本發(fā)明并且實(shí)施本發(fā)明，并且我們要求保護(hù)目前已經(jīng)認(rèn)定的本發(fā)明的當(dāng)前優(yōu)選實(shí)施例。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于地下井的復(fù)合材料抽油桿組件，包括: 多個(gè)束股，其形成具有第一端部和第二端部的細(xì)長(zhǎng)桿； 至少一個(gè)末端配件，其具有近端和遠(yuǎn)端，所述末端配件具有中央空腔，所述中央空腔延伸至所述末端配件的近端，以形成用于將所述細(xì)長(zhǎng)桿接收到所述中央空腔中的近側(cè)開口，所述中央空腔是漸縮的，其從所述末端配件的近端朝所述末端配件的遠(yuǎn)端向外擴(kuò)張； 定位在所述中央空腔中的第一散布板，所述第一散布板具有接收所述多個(gè)束股的多個(gè)孔，以致與所述束股穿過(guò)所述末端配件的近側(cè)開口的位置相比沿著加寬的取向展開所述束股;和 位于所述中央空腔內(nèi)的硬化材料，所述硬化材料粘附至所述束股并且將所述束股保持在展開狀態(tài)，以便形成防止所述細(xì)長(zhǎng)桿從所述末端配件的近側(cè)開口中撤回的塞。2.如權(quán)利要求1所述的用于地下井的復(fù)合材料抽油桿組件，還包括: 具有陽(yáng)螺紋端部的連接構(gòu)件； 所述中央空腔延伸至所述末端配件的遠(yuǎn)端以形成遠(yuǎn)側(cè)開口，所述遠(yuǎn)側(cè)開口包括陰螺紋； 所述連接構(gòu)件的陽(yáng)螺紋端部能夠螺旋地接合所述中央空腔的遠(yuǎn)側(cè)開口的陰螺紋，所述連接構(gòu)件突出到所述遠(yuǎn)側(cè)開口中，并充分進(jìn)入到所述空腔中使得所述連接構(gòu)件接合所述硬化材料，以將所述硬化材料置于壓縮狀態(tài)。3.如權(quán)利要求1所述的用于地下井的復(fù)合材料抽油桿組件，其中，所述第一散布板由兩個(gè)或更多個(gè)塊部構(gòu)成，其中每個(gè)塊部包括接合邊緣，用于接合毗鄰塊部的接合邊緣。4.如權(quán)利要求1所述的用于地下井的復(fù)合材料抽油桿組件，其中，所述第一散布板由三個(gè)塊部構(gòu)成，其中每個(gè)塊部包括接合邊緣，用于接合毗鄰塊部的接合邊緣。5.如權(quán)利要求3所述的用于地下井的復(fù)合材料抽油桿組件，其中，所述接合邊緣包括一個(gè)或多個(gè)凹部，用于接合形成在毗鄰塊部的接合邊緣中的凹部，使得毗鄰塊部的所述凹部形成接收所述多個(gè)束股的一個(gè)或多個(gè)孔。6.如權(quán)利要求3所述的用于地下井的復(fù)合材料抽油桿組件，其中，所述第一散布板的每個(gè)塊部包括外周邊緣，所述塊部在所述外周邊緣處不接合毗鄰塊部，并且所述外周邊緣包括用于接收一個(gè)或多個(gè)束股的一個(gè)或多個(gè)凹部，以致與所述束股穿過(guò)所述末端配件的近側(cè)開口的位置相比沿著加寬的取向展開所述束股。7.如權(quán)利要求6所述的用于地下井的復(fù)合材料抽油桿組件，還包括: 具有陽(yáng)螺紋端部的連接構(gòu)件； 所述中央空腔延伸至所述末端配件的遠(yuǎn)端以形成遠(yuǎn)側(cè)開口，所述遠(yuǎn)側(cè)開口包括陰螺紋； 所述連接構(gòu)件的陽(yáng)螺紋端部能夠螺旋地接合所述中央空腔的遠(yuǎn)側(cè)開口的陰螺紋，所述連接構(gòu)件突出到所述遠(yuǎn)側(cè)開口中，并充分進(jìn)入到所述中央空腔中使得所述連接構(gòu)件接合所述硬化材料，以將所述硬化材料置于壓縮狀態(tài)。8.如權(quán)利要求1所述的用于地下井的復(fù)合材料抽油桿組件，還包括: 定位在所述中央空腔中的第二散布板，所述第二散布板具有接收所述多個(gè)束股的多個(gè)孔，以致與所述束股穿過(guò)所述末端配件的近側(cè)開口的位置相比沿著加寬的取向展開所述束股。9.如權(quán)利要求8所述的用于地下井的復(fù)合材料抽油桿組件，其中，所述第二散布板由兩個(gè)或更多個(gè)塊部構(gòu)成，其中每個(gè)塊部包括接合邊緣，用于接合毗鄰塊部的接合邊緣。10.如權(quán)利要求8所述的用于地下井的復(fù)合材料抽油桿組件，其中，所述第二散布板由三個(gè)塊部構(gòu)成，其中每個(gè)塊部包括接合邊緣，用于接合毗鄰塊部的接合邊緣。11.如權(quán)利要求9所述的用于地下井的復(fù)合材料抽油桿組件，其中，所述接合邊緣包括一個(gè)或多個(gè)凹部，用于接合形成在毗鄰塊部的所述接合邊緣中的凹部，使得毗鄰塊部的所述凹部形成接收所述多個(gè)束股的一個(gè)或多個(gè)孔。12.如權(quán)利要求9所述的用于地下井的復(fù)合材料抽油桿組件，其中，所述第二散布板的每個(gè)塊部包括外周邊緣，所述塊部在所述外周邊緣處不接合毗鄰塊部，并且所述外周邊緣包括用于接收一個(gè)或多個(gè)束股的一個(gè)或多個(gè)凹部，以致與所述束股穿過(guò)所述末端配件的近側(cè)開口的位置相比沿著加寬的取向展開所述束股。13.如權(quán)利要求12所述的用于地下井的復(fù)合材料抽油桿組件，還包括: 具有陽(yáng)螺紋端部的連接構(gòu)件； 所述中央空腔延伸至所述末端配件的遠(yuǎn)端以形成遠(yuǎn)側(cè)開口，所述遠(yuǎn)側(cè)開口包括陰螺紋； 所述連接構(gòu)件的陽(yáng)螺紋端部能夠螺旋地接合所述中央空腔的遠(yuǎn)側(cè)開口的陰螺紋，所述連接構(gòu)件突出到所述遠(yuǎn)側(cè)開口中，并充分進(jìn)入到所述中央空腔中使得所述連接構(gòu)件接合所述硬化材料，以將所述硬化材料置于壓縮狀態(tài)。14.一種用于地下井的復(fù)合材料抽油桿組件，包括: 多個(gè)束股，其形成具有第一端部和第二端部的細(xì)長(zhǎng)桿； 至少一個(gè)末端配件，其具有近端和遠(yuǎn)端，所述末端配件具有中央空腔，所述中央空腔延伸至所述末端配件的近端，以形成用于將所述細(xì)長(zhǎng)桿接收到所述中央空腔中的近側(cè)開口，所述中央空腔是漸縮的，其從所述末端配件的近端朝所述末端配件的遠(yuǎn)端向外擴(kuò)張，所述中央空腔延伸至所述末端配件的遠(yuǎn)端以形成遠(yuǎn)側(cè)開口，所述遠(yuǎn)側(cè)開口包括陰螺紋； 定位在所述中央空腔中的第一散布板，所述第一散布板具有接收所述多個(gè)束股的多個(gè)孔，以致與所述束股穿過(guò)所述末端配件的近側(cè)開口的位置相比沿著加寬的取向展開所述束股，所述第一散布板由兩個(gè)或更多個(gè)塊部構(gòu)成，其中每個(gè)塊部包括接合邊緣，用于接合毗鄰塊部的接合邊緣，所述接合邊緣包括一個(gè)或多個(gè)凹部，用于接合形成在毗鄰塊部的所述接合邊緣中的凹部，使得毗鄰塊部的所述凹部形成接收所述多個(gè)束股的一個(gè)或多個(gè)孔，所述第一散布板的塊部還包括外周邊緣，所述塊部在所述外周邊緣處不接合毗鄰塊部，并且所述外周邊緣包括用于接收一個(gè)或多個(gè)束股的一個(gè)或多個(gè)凹部，以致與所述束股穿過(guò)所述末端配件的近側(cè)開口的位置相比沿著加寬的取向展開所述束股； 位于所述中央空腔內(nèi)的硬化材料，所述硬化材料粘附至所述束股并且將所述束股保持在展開狀態(tài)，以便形成防止所述細(xì)長(zhǎng)桿從所述末端配件的近側(cè)開口中撤回的塞； 具有陽(yáng)螺紋端部的連接構(gòu)件，所述連接構(gòu)件的陽(yáng)螺紋端部能夠螺旋地接合所述中央空腔的遠(yuǎn)側(cè)開口的陰螺紋，所述連接構(gòu)件突出到所述遠(yuǎn)側(cè)開口中，并充分進(jìn)入到所述中央空腔中使得所述連接構(gòu)件接合所述硬化材料，以將所述硬化材料置于壓縮狀態(tài)。
【文檔編號(hào)】E21B17/04GK105874149SQ201480070063
【公開日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2014年11月11日
【發(fā)明人】H·庫(kù)克, R·肖斯泰特
【申請(qǐng)人】吊裝解決方案美國(guó)股份有限公司