一种抗剪耐磨防劈裂的碳纤维连续抽油杆制造技术

本发明专利技术属于油田采油设备领域，尤其涉及一种抗剪耐磨防劈裂的碳纤维连续抽油杆，包括由内至外设置的碳纤维芯体、玻璃纤维层、超高强度聚乙烯纤维层和环氧树脂层,所述的碳纤维芯体由碳纤维束组成，各碳纤维束之间通过环氧树脂粘结而成，用于粘结各碳纤维束的环氧树脂中掺有玄武岩短纤维，每束碳纤维由12K‑150K碳纤维单丝组成，碳纤维单丝在加工过程中已进行加捻，用于粘结各碳纤维束的环氧树脂中掺有玄武岩短纤维，碳纤维束由至少三股碳纤维捻成。本发明专利技术对碳纤维芯体的结构进行了重新设计，采用捻制而成碳纤维束结构，明确了有效增加碳纤维抽油杆性能的捻度范围，有效增强碳纤维单丝之间及纤维束之间的抱合力，从而有效避免碳纤维芯体劈裂。

Carbon fiber continuous sucker rod with shearing resistance, abrasion resistance and splitting prevention

The invention belongs to the field of oil extraction equipment, especially relates to a shear resistant carbon fiber splitting of the continuous sucker rod, including from the inside to the outside set of carbon fiber core, glass fiber layer, ultra high strength polyethylene fiber layer and an epoxy resin layer, carbon fiber and the core body made of carbon fiber bundle which between the carbon fibers with epoxy resin bonding, for the epoxy bonded carbon fiber bundle mixed with basalt fiber, each bundle of carbon fiber by 12K 150K carbon fiber, carbon fiber has been twisting in the machining process for epoxy resin bonded carbon fiber bundle in the mixed with basalt fiber, carbon fiber bundle is composed of at least three strands of carbon fiber twisted. The structure of the invention of the carbon fiber core has been redesigned, the twist of carbon fiber bundle structure, the increase of carbon fiber sucker rod performance twist range, effectively enhance between carbon fiber and fiber bundle cohesion, thus effectively avoid carbon fiber core splitting.

【技术实现步骤摘要】
一种抗剪耐磨防劈裂的碳纤维连续抽油杆
本专利技术属于油田采油设备领域，尤其涉及一种抗剪耐磨防劈裂的碳纤维连续抽油杆。
技术介绍
抽油杆是石油生产过程中常用的一种设备，采油时，通过抽油杆带动井下的抽油泵泵杆上下往复运动，从而将地层内的石油等液体泵送至地面。在使用过程中，通常要将抽油杆连接至上千米，在此种情况下，抽油杆要承受的自身悬重和抽油泵的负荷，因此承受的拉力比较大。现有的抽油杆多由钢材制成，但钢材存在重量大、易腐蚀、易磨损等物理缺陷，使得抽油杆的损耗居高不下。另外，现有的抽油杆大多为分段式结构，施工时需要逐段安装，因此施工效率比较低。为克服上述缺陷，科研人员专利技术了碳纤维连续抽油杆，这种抽油杆利用碳纤维质量轻、韧性好、抗拉强度高等优越的物理性能。现有的碳纤维抽油杆通常包括三层结构，由内至外分别是碳纤维芯体、玻璃纤维层和环氧树脂层，实际使用过程中发现这种结构存在两个明显的缺陷：一方面，在长期承受不稳定的扭矩或扭矩过大时，上述结构的抽油杆容易发生劈裂，导致抽油杆损坏失效；另一方面，现有的抽油杆主要依靠环氧树脂和玻璃纤维这两种材料来保证抽油杆的耐磨性能，但上述两种材料的耐磨性能比较普通，寿命较短；目前抽油杆强度较高，韧性较差，在受到较大剪切力的作用下，容易造成抽油杆不可逆的损坏，因此需要对抽油杆的结构和材质进行优化，以改善其抗剪切、抗劈裂和提高耐磨的性能。
技术实现思路
目前，在现有技术中从抽油杆的结构、碳纤维的选择、玻璃纤维的缠绕方式等方面进行了改进，以改善抽油杆的各种性能，但是，随着采油难度的不断增加以及采油地质条件的不断复杂化，也使得对抽油杆性能提出了更高的要求，例如由于井下地质的原因导致抽油过程中出现硬质砂砾和杂质；当含蜡原油流经井筒时由于温度和压力的降低从而形成了较为严重的结蜡；当复杂井矿的条件下，拐点的弯曲度较大等等，这些问题都导致了现有技术中的碳纤维抽油杆在耐磨、抗剪切以及抗劈裂无法满足上述要求。在此基础上，专利技术人提出了一种耐磨、抗剪切以及抗劈裂碳纤维抽油杆，以满足上述复杂恶劣的地质和井矿条件下抽油杆性能的要求。作为本专利技术的具体实施方案之一，专利技术人提出了在抽油杆的制造过程中首先对碳纤维进行预处理，预处理具体方法为：将碳纤维单丝在加工过程已进行加捻。纤维加捻是现有技术中为增强改善纤维织品性能对纤维进行加工处理的一种方式。广义上讲，通常把纤维须条、纱、线、丝等纤维材料绕轴线加以扭转、搓动或轴向缠绕都称为加捻，换句话说，加捻实质上就是纤维绕其轴线加以扭转搓动或轴向回绕，使纱条获得捻回或包缠。加捻通常包括对纤维两个基本方面的改变：一、是使得纤维或纤维条捻合成为有一定品质的纤维束；二、是改变纱条、线、丝束的几何纳构，使之具有所需要的几何状态或性质。如果概括起来，也可以说加捻的基本任务是使纤维或纱条、线、丝等论成具有一定结构和品质的纱线或相应的集合体。从纤维加捻的力学角度分析，由于几何状态和性质的变化，加捻使纤维在形成纤维束的过程中在各个方向上产生了不同大小应力，外侧部分的纤维在承受张力作用的同时对内侧的纤维产生向心压力，促进纤维互相抱紧挤压，增加了纤维间的滑动阻力和紧密度，使纤维强力获得一定程度的提高。但是，随着捻度的增大，纤维的承力在纱线轴向上的分力减小，影响纤维强力的有效利用，而且在纤维的变形、缠绕的过程中使纤维单丝内分子链间受到剪切作用，导致了沿纤维轴向承受力明显减弱。而且对于碳纤维抽油杆而言，捻度较大时则直接增加了抽油杆的加工成本。本专利技术的加捻的方法采用空气加捻工艺对碳纤维单丝进行加捻，空气加捻是用空气动力与机械组件联动工作，将两根纤维丝头先退捻、后捻接，即将上下两根纤维头引入加捻机并夹紧，将多余纤维头剪断，用空气产生的一股旋转气流使两根纤维头退捻呈松散纤维后，再用加捻腔的一股气流将其捻接起来，完成加捻动作。同时本专利技术也并不限于上述加捻方法，也可以采用自由端加捻、环锭加捻等工艺。专利技术人通过对碳纤维加捻的不同捻度对于抽油杆性能的影响，进行了相关的研究，研究的目的在于两个方面：第一、能否彻底排除碳纤维加捻改善抽油杆性能的途径；第二、如果有改善则确定合适的捻度范围。在此基础上，申请人通过实验研究发现，碳纤维加捻对抽油杆性能具有一定的影响，同时确定了在一定条件下可以有效提升抽油杆性能的捻度范围，从而解决了在复杂恶劣的地质条件下同时满足抗剪切和抗劈裂的要求。在此基础上，专利技术人提出了如下技术方案：一种抗剪耐磨防劈裂的抽油杆，包括了最内层的碳纤维芯体，由至少三根碳纤维束组成，各碳纤维束之间通过环氧树脂粘结而成，用于粘结各碳纤维束的环氧树脂中掺有玄武岩短纤维，每束碳纤维由12K-150K碳纤维单丝组成，碳纤维单丝首先经过预处理，预处理方法具体为对碳纤维单丝进行加捻，捻度为2-14T/inch，优选为6-8T/inch。玄武岩短纤维长度为11-20mm，优选为7-15mm。作为本专利技术的另外一个具体实施方式，专利技术人提出了在碳纤维芯体外层采用双层玻璃纤维层的技术方案。双层玻璃纤维层的设计，在抽油杆径向上的抗剪切力得到了明显的增强，同时，在抽油杆的外侧受到磨损时，可以有效的防止劈裂的发生，延长了抽油杆的使用寿命。双层玻璃纤维层的具体技术方案如下：在碳纤维芯体的外侧是玻璃纤维层，其包括两层玻璃纤维，分别为缠绕玻璃纤维层和玻璃纤维织物层，缠绕玻璃纤维径向缠绕在碳纤维芯体的外侧，玻璃纤维织物层通过环氧树脂螺旋粘结在缠绕玻璃纤维层的外侧；所述玻璃纤维织物层为平纹、斜纹、缎纹织物中的一种，宽度为5-50mm，优选为10-20mm。本专利技术另外一个具体实施方式是，提出了由高强度聚乙烯纤维在玻璃纤维织物层的外侧，超高强度聚乙烯纤维层的聚乙烯的分子量为300-1000万。超高强度分子量聚乙烯纤维具有质量轻，化学稳定性好，耐磨耐弯曲性能、张力疲劳性能和抗切割性能强等特点，可以显著提高抽油杆的抗剪切、耐磨、抗冲击性能。另外，为增强抽油杆的耐磨性能，在超高强度聚乙烯纤维层的外侧的环氧树脂层，环氧树脂层内掺有耐磨颗粒；环氧树脂层的最薄处的厚度为2-3mm。耐磨颗粒可以是碳化硅、氧化铝、氮化硼、氮化硅、碳化硼、金刚石中的一种或多种的混合物。同时，在环氧树脂层及各层间都添加了玄武岩短纤维，玄武岩短纤维长度为11-20mm，优选为7-15mm。玄武岩短纤维的加入，提高了环氧树脂层的耐磨性能，并增加了个层间的粘合性。由此可见，本专利技术中抽油杆由内至外分别为，碳纤维芯体、缠绕玻璃纤维层、玻璃纤维织物层、超高强度聚乙烯层、环氧树脂层。本专利技术抽油杆中，碳纤维的含量为29.2－35.4wt％，玻璃纤维含量(包括玻璃纤维织物和缠绕玻璃纤维)为30.3－35.8wt％，环氧树脂的含量为22.4－26.7wt％，超高强度聚乙烯纤维的含量为7.0－9.3wt％，耐磨材料的含量为0.6－1.4wt％，玄武岩短纤维的含量为0.4－1.0wt％。本专利技术的有益效果为：1、本专利技术对碳纤维芯体的结构进行了重新设计，采用捻制而成碳纤维束结构，明确了有效增加碳纤维抽油杆性能的捻度范围，有效增强碳纤维单丝之间及纤维束之间的抱合力，从而有效避免碳纤维芯体劈裂。2、本专利技术在碳纤维芯体外侧设置了缠绕玻璃纤维层和玻璃纤维织物层，这两个环绕在碳纤维芯体周围的环绕层产生的包覆作用可进一步防止抽本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种抗剪耐磨防劈裂的碳纤维连续抽油杆，包括：碳纤维芯体，由至少三根碳纤维束组成，各碳纤维束之间通过环氧树脂(5)粘结而成，用于粘结各碳纤维束的环氧树脂(5)中掺有玄武岩短纤维(7)，每束碳纤维由12K‑150K碳纤维单丝组成，碳纤维单丝在加工过程中进行加捻，捻度为2‑14T/inch；玻璃纤维层，包括两层玻璃纤维，分别为缠绕玻璃纤维层(4)和玻璃纤维织物层(3)，缠绕玻璃纤维螺旋缠绕在碳纤维芯体的外侧，玻璃纤维织物层(3)通过环氧树脂(5)螺旋粘结在缠绕玻璃纤维层(4)的外侧；超高强度聚乙烯纤维层(2)，高强度聚乙烯纤维在玻璃纤维织物层(3)的外侧；环氧树脂层(1)，在超高强度聚乙烯纤维层(2)的外侧，环氧树脂层(1)内掺有耐磨颗粒；所述抽油杆由内至外分别为，碳纤维芯体、玻璃纤维层、超高强度聚乙烯纤维层(2)、环氧树脂层(1)。

【技术特征摘要】
1.一种抗剪耐磨防劈裂的碳纤维连续抽油杆，包括：碳纤维芯体，由至少三根碳纤维束组成，各碳纤维束之间通过环氧树脂(5)粘结而成，用于粘结各碳纤维束的环氧树脂(5)中掺有玄武岩短纤维(7)，每束碳纤维由12K-150K碳纤维单丝组成，碳纤维单丝在加工过程中进行加捻，捻度为2-14T/inch；玻璃纤维层，包括两层玻璃纤维，分别为缠绕玻璃纤维层(4)和玻璃纤维织物层(3)，缠绕玻璃纤维螺旋缠绕在碳纤维芯体的外侧，玻璃纤维织物层(3)通过环氧树脂(5)螺旋粘结在缠绕玻璃纤维层(4)的外侧；超高强度聚乙烯纤维层(2)，高强度聚乙烯纤维在玻璃纤维织物层(3)的外侧；环氧树脂层(1)，在超高强度聚乙烯纤维层(2)的外侧，环氧树脂层(1)内掺有耐磨颗粒；所述抽油杆由内至外分别为，碳纤维芯体、玻璃纤维层、超高强度聚乙烯纤维层(2)、环氧树脂层(1)。2.根据权利要求1所述的抗剪耐磨防劈裂的碳纤维连续抽油杆，其特征在于：所述碳纤维加捻的捻度为为6-8T/inch。3.根据权利要求1所述的抗剪耐磨防劈裂的碳纤维连续抽油杆，其特征在于：构成超高强度聚乙烯纤维层(2)的聚乙烯的分子量为300-1000万。4.根据权利要求1所述的抗剪耐磨防劈裂的碳纤维连续抽油杆，其特征在于：所述的环氧树脂层(1)的最薄处的厚度为2-3mm。5.根据权利要求1所述的抗剪耐磨防劈裂的碳纤维连续抽油杆，其特征在于：玄武岩短纤维(7)长度为7-15mm。6.根据权利要求1所述的抗剪耐磨防劈裂的碳纤维连续抽油杆，其特征在于：耐磨颗粒是碳化硅、氧化铝、氮化硼、氮化硅、碳化硼、金刚石中的一种或多种的混合物。7.根据权利要求1所述的抗剪耐磨防劈裂的碳纤维连续抽油杆，其特征在于：所述玻璃纤维织物层(3)为平纹、斜纹、缎纹织物中的一种，宽度为10-20mm。8.根据权利要求1所述的抗剪耐磨防劈裂的碳纤维连续抽油杆，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：席小平，
申请(专利权)人：席小平，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23