耐高溫碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料連續(xù)抽油桿及制備裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種連續(xù)抽油桿及制備裝置和方法，特別涉及一種耐高溫碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料連續(xù)抽油桿及制備裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]由于開(kāi)發(fā)的油藏類型越來(lái)越復(fù)雜，同時(shí)井深的不斷增加和井礦環(huán)境的不斷惡化，腐蝕和偏磨問(wèn)題成為油田采油工藝亟待解決的問(wèn)題。因?yàn)榫邆漭p質(zhì)高強(qiáng)耐腐蝕的特點(diǎn)，所以復(fù)合材料抽油桿已開(kāi)始逐步取代傳統(tǒng)的金屬抽油桿。目前采用的復(fù)合材料抽油桿主要包括玻璃鋼抽油桿和碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料連續(xù)抽油桿兩大類。玻璃鋼抽油桿采用玻璃纖維增強(qiáng)熱固性樹(shù)脂的拉擠工藝一次成型制備，已廣泛應(yīng)用，但隨著現(xiàn)代采油的可靠性要求不斷提高，玻璃鋼抽油桿已不能滿足要求，主要存在以下問(wèn)題，1、抽油桿耐偏磨性不好;2、疲勞強(qiáng)度不夠;3、玻璃鋼抽油桿均定長(zhǎng)，兩端各有一個(gè)金屬接頭，根與根之間采用金屬抽油桿應(yīng)用的金屬接箍進(jìn)行連接，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工難度大，價(jià)格昂貴。每一根玻璃鋼抽油桿用兩個(gè)金屬接頭，這兩個(gè)金屬接頭的成本遠(yuǎn)高于一根玻璃鋼桿體的成本;另外與傳統(tǒng)金屬抽油桿相比較，除了桿體部分更換了材質(zhì)，整個(gè)抽油桿柱的其他部分并無(wú)改變，傳統(tǒng)金屬抽油桿柱接頭多，斷脫幾率高，活塞效應(yīng)明顯，接箍與油管偏磨嚴(yán)重的問(wèn)題并未得到解決。中國(guó)專利CNl 417449公開(kāi)了一種防磨抽油桿的制備方法，該方法是在已成型的抽油桿本體上二次注塑成型尼龍等材質(zhì)的防磨塊，減少使用的包覆材料，降低連續(xù)包覆成本和工藝復(fù)雜性，但其注塑防磨塊尺寸較小，相對(duì)獨(dú)立的分布于桿體，經(jīng)常發(fā)生防磨塊與桿體脫離，出現(xiàn)“糖葫蘆”現(xiàn)象。另外，其桿體定長(zhǎng)，不能解決傳統(tǒng)金屬抽油桿接頭多，斷脫事故率大，活塞效應(yīng)大等缺陷;而且尺寸較小的桿體上加裝防偏磨塊是不能解決金屬接頭和接箍與油管之間的偏磨問(wèn)題的，而這才是抽油桿、管偏磨需要解決的重點(diǎn)。CN101396874公開(kāi)了一種防偏磨復(fù)合材料抽油桿的制備方法及裝置，其制備方法是在已成型的復(fù)合材料抽油桿桿體上，利用浸漬過(guò)樹(shù)脂膠液的芳綸、高分子量聚乙烯等耐磨纖維連續(xù)纏繞成型螺旋筋狀的防偏磨層，以達(dá)到防偏磨效果。其螺旋筋狀的防偏磨層，由于是以耐磨纖維增強(qiáng)熱固性樹(shù)脂，因此雖然纖維是具有耐磨特性的，但與熱固性樹(shù)脂形成復(fù)合材料后，其耐磨性能下降很多，壽命并不能延長(zhǎng)多少。除了其具備螺旋筋狀的防偏磨層之外，其缺點(diǎn)與普通的玻璃鋼抽油桿一樣。中國(guó)專利CN1461870公開(kāi)了一種碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料連續(xù)抽油桿及制備方法，采用碳纖維為增強(qiáng)材料，并由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包覆復(fù)合，主要解決增強(qiáng)抽油桿橫向?qū)娱g剪切強(qiáng)度，從而避免抽油桿在油井中發(fā)生縱向劈裂的問(wèn)題，同時(shí)也提高了桿體的耐偏磨性和強(qiáng)度。但是該抽油桿采用拉擠、包覆的一次整體加工方法(包括放絲-浸樹(shù)脂膠-包覆層包覆-預(yù)成型-固化-盤(pán)繞工序)，包覆層為纖維織物增強(qiáng)熱固性樹(shù)脂，不僅加大了材料成本，而且纖維織物包覆層的耐偏磨性不夠理想。另外，由于該碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料連續(xù)抽油桿截面形狀為矩形或橢圓形，且其厚度只有3?5mm，在應(yīng)用專用設(shè)備起下井作業(yè)時(shí)，夾持部分的材料幾乎無(wú)法選擇，而且只能采用兩片式夾持，左右方向無(wú)法限位，很容易發(fā)生桿體偏出夾持部分的現(xiàn)象。因此其專用下井作業(yè)設(shè)備夾持部分結(jié)構(gòu)及材料開(kāi)發(fā)難度較大，成為碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料連續(xù)抽油桿應(yīng)用中的技術(shù)瓶頸，限制了該產(chǎn)品大規(guī)模推廣應(yīng)用。實(shí)用新型專利CN200910272324.X公開(kāi)了一種連續(xù)抽油桿，使用單向增強(qiáng)纖維拉擠、包覆熱塑性耐磨層的方法，其結(jié)構(gòu)存在徑向壓縮性能較差，熱塑性耐磨層硬度不高，耐磨性能較差等缺陷，無(wú)法滿足長(zhǎng)期使用及作業(yè)要求。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0003]本實(shí)用新型的目的就是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，提供一種耐高溫碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料連續(xù)抽油桿及制備裝置，以解決油田采油生產(chǎn)中的腐蝕和偏磨問(wèn)題，解決高溫洗井對(duì)桿體的影響、解決深井超深井采油問(wèn)題為主要目的，制備出耐腐蝕和耐偏磨性能好、活塞效應(yīng)小、作業(yè)使用方便的抽油桿。
[0004]本實(shí)用新型提到的一種耐高溫碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料連續(xù)抽油桿，由內(nèi)到外依次是沿桿體軸向的增強(qiáng)纖維碳纖維(A)、纖維纏繞增強(qiáng)層芳綸1414纖維(B)、沿桿體軸向的增強(qiáng)纖維高強(qiáng)玻璃纖維(C)、纖維編織增強(qiáng)層芳綸1414纖維(D)，在所述的增強(qiáng)纖維碳纖維(A)的外側(cè)纏繞一層纖維纏繞增強(qiáng)層芳綸1414纖維(B)，再通過(guò)增強(qiáng)纖維高強(qiáng)玻璃纖維(C)包覆，在外層使用編織機(jī)編織有一層纖維編織增強(qiáng)層芳綸1414纖維(D)，制成的桿體的連續(xù)長(zhǎng)度為300?5000m。
[0005]本實(shí)用新型提到的耐高溫碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料連續(xù)抽油桿的制備裝置，包括放絲架(I)、預(yù)熱系統(tǒng)(2)、纏繞機(jī)(3)、預(yù)成型(4)、編織機(jī)(5)、模具冷卻裝置(6)、拉擠模具(7)、模具加熱裝置(8)、控制部分(9)、后固化加熱爐(10)、牽引裝置(11)、卷繞裝置(12)、注射機(jī)
(13)和注射模具(14)組成，所述的放絲架(I)內(nèi)放置多束碳纖維，在牽引裝置(11)的牽引下經(jīng)過(guò)注射模具(14)，在注射模具(14)的前端依次設(shè)有預(yù)熱系統(tǒng)(2)、纏繞機(jī)(3)、預(yù)成型(4)、編織機(jī)(5)，后端依次設(shè)有模具冷卻裝置(6)、拉擠模具(7)、模具加熱裝置(8)、后固化加熱爐(10)和牽引裝置(11)，在所述的增強(qiáng)纖維碳纖維(A)的外側(cè)纏繞一層纖維纏繞增強(qiáng)層芳綸1414纖維(B)，再通過(guò)增強(qiáng)纖維高強(qiáng)玻璃纖維(C)包覆進(jìn)行預(yù)固化，在外層使用編織機(jī)編織一層纖維編織增強(qiáng)層芳綸1414纖維(D);且所述的注射模具(14)的一側(cè)設(shè)有注射機(jī)(13)，使用高壓向注射模具(14)內(nèi)部注入樹(shù)脂基體膠液;經(jīng)注射模具(14)內(nèi)膠液浸漬的多束碳纖維再經(jīng)過(guò)拉擠模具(7)固化成型，拉擠模具(7)的入口處設(shè)有模具冷卻裝置(6)，分布有模具加熱裝置(8)，再進(jìn)行多段加熱，呈梯度升溫方式，拉擠出復(fù)合材料桿體;拉擠出的復(fù)合材料桿體進(jìn)入后固化加熱爐(10)進(jìn)行熱應(yīng)力處理及后固化，后固化結(jié)束，通過(guò)牽引裝置(11)，將其卷繞在圓盤(pán)上。
[0006]上述的增強(qiáng)纖維碳纖維(A)、纖維纏繞增強(qiáng)層芳綸1414纖維(B)、增強(qiáng)纖維高強(qiáng)玻璃纖維(C)、纖維編織增強(qiáng)層芳綸1414纖維(D)，上述四層結(jié)構(gòu)同時(shí)固化成型。
[0007]上述的注射模具(14)包括直線導(dǎo)軌(14a)、纖維走向(14b)、加熱管(14c)、內(nèi)芯模(14d)、滑動(dòng)調(diào)節(jié)塊(14e)、注膠孔(14f)、樹(shù)脂流道(14g)、外模(14h)，所述的外模(14h)的前端為內(nèi)芯模(14d)，二者之間設(shè)有樹(shù)脂流道(14g)，且外模(14h)的頂部設(shè)有注膠孔(14f)，注膠孔(Hf)與樹(shù)脂流道(14g)連通，所述的內(nèi)芯模(14d)的內(nèi)部設(shè)有加熱管(14c)，在內(nèi)芯模(14d)和外模(14h)的下端設(shè)有直線導(dǎo)軌(14a)，直線導(dǎo)軌(14a)上布設(shè)有多個(gè)滑動(dòng)調(diào)節(jié)塊(14e)，可通過(guò)滑動(dòng)調(diào)節(jié)塊(He)在直線導(dǎo)軌(14a)上的位置調(diào)整內(nèi)芯模(14d)和外模(14h)之間的樹(shù)脂流道(14g)的寬度及樹(shù)脂注入量。
[0008]上述的樹(shù)脂流道(14g)為螺旋狀導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)。
[0009]上述的編織機(jī)(5)包括控制系統(tǒng)(5a)、伺服電機(jī)(5b)、減速機(jī)(5c)、主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(5d)、纖維軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(5e)、張緊裝置(5f)、纖維放置軸(5g)、編織機(jī)纖維軸運(yùn)行軌跡槽(5h)，所述的伺服電機(jī)(5b)通過(guò)減速機(jī)(5c)連接主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(5d)，主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(5d)連接到纖維軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(5e)，所述的纖維軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(5e)通過(guò)張緊裝置(5f)連接纖維放置軸(5g)，并按照編織機(jī)纖維軸運(yùn)行軌跡槽(5h)運(yùn)行。
[0010]上述的多段加熱是采用三段加熱，且后續(xù)的固化溫度在155?230°C之間，呈梯度升溫方式，拉擠速度在0.2?0.4米/分鐘之間。
[0011]本實(shí)用新型的有益效果是:本實(shí)用新型的抽油桿，在碳纖維連續(xù)抽油桿拉擠工藝基礎(chǔ)上增加了纏繞層和編織層，增加了徑向和軸向抗壓強(qiáng)度，提高了彎曲性能，降低了彎曲直徑;纏繞層、編織層使用芳綸1414纖維賦予抽油桿優(yōu)異的耐腐蝕和耐偏磨、彎曲疲勞性能，同時(shí)由于四層結(jié)構(gòu)一次固化成型，降低了工藝難度，提高生產(chǎn)效率，連續(xù)桿僅兩端有兩個(gè)接頭，極大的減少了接頭數(shù)量，降低了斷脫幾率和活塞效應(yīng)；
[0012]利用本實(shí)用新型提供的制備裝置，采用編織、纏繞拉擠、注射拉擠組合成型工藝，可以大幅提高耐高溫碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料連續(xù)抽油桿桿體生產(chǎn)的連續(xù)穩(wěn)定性，保證了一次成型，生產(chǎn)效率高，層間結(jié)合強(qiáng)度大，避免了分層、剝落現(xiàn)象的發(fā)生。全新設(shè)計(jì)的注射膠槽代替?zhèn)鹘y(tǒng)拉擠工藝中開(kāi)放式的浸膠槽，改為注射機(jī)注射膠液至注射模具型腔內(nèi)，纖維直接進(jìn)入注射模具內(nèi)，與模具型腔內(nèi)的具有一定壓力的膠液混合浸漬，避免了環(huán)境因素對(duì)膠液的影響及新舊膠液混合不均對(duì)工藝和產(chǎn)品質(zhì)量的影響，保證了生產(chǎn)所用膠液的新鮮度，同時(shí)膠液因壓力作用可提高浸潤(rùn)速度和浸透率，提高了生產(chǎn)的連續(xù)穩(wěn)定性和生產(chǎn)效率，螺旋形的膠液流道更利于膠液的流動(dòng)和浸潤(rùn);該裝置生產(chǎn)效率高，操作簡(jiǎn)便。
【附圖說(shuō)明】
[0013]附圖1是本實(shí)用新型的耐高溫碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料連續(xù)抽油桿的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014]附圖2是本實(shí)用新型的制備裝置的流程示意圖；
[0015]附圖3是本實(shí)用新型的注射拉擠工藝中注射模具的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]附圖4是本實(shí)用新型的編織拉擠工藝中編織機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]附圖5是本實(shí)用新型的編織拉擠工藝中編織機(jī)的正面示意圖；
[0018]上圖中:A為沿桿體軸向的增強(qiáng)纖維碳纖維，B為纖維纏繞增強(qiáng)層芳綸1414纖維;C為沿桿體軸向的增強(qiáng)纖維高強(qiáng)玻璃纖維，D為纖維編織增強(qiáng)層芳綸1414纖維；
[0019]放絲架1、預(yù)處理加熱爐2、纏繞機(jī)3，預(yù)成型4、編織機(jī)5、模具冷卻裝置6、拉擠模具
7、模具加熱裝置8、控制部分9、后固化加熱爐10、牽引裝置11、卷繞裝置12、注射機(jī)13、注射模具14;
[0020]5a控制系統(tǒng)，5b伺服電機(jī)，5c減速機(jī)，5d主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，5e纖維軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，5f張緊裝置，5g纖維放置軸，5h編織機(jī)纖維軸運(yùn)行軌跡槽；
[0021]14a直線導(dǎo)軌、14b纖維走向、14c加熱管、14d內(nèi)芯模、14e滑動(dòng)調(diào)節(jié)塊，14f注膠孔、Hg樹(shù)脂流道，14h外模。
【具體實(shí)施方式】
[0022]結(jié)合附圖1，本實(shí)用新型提到的一種耐高溫碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料連續(xù)抽油桿，由內(nèi)到外依次是沿桿體軸向的增強(qiáng)纖維碳纖維A，纖維纏繞增強(qiáng)層芳綸1414纖維B;沿桿體軸向的增強(qiáng)纖維高強(qiáng)玻璃纖維C，纖維編織增強(qiáng)層芳綸14