本發(fā)明屬于油田采油設(shè)備領(lǐng)域，尤其涉及一種帶有石墨烯涂層的多層耐摩擦碳纖維連續(xù)抽油桿。

背景技術(shù)：
抽油桿是石油生產(chǎn)過(guò)程中常用的一種設(shè)備，采油時(shí)，通過(guò)抽油桿帶動(dòng)井下的抽油泵泵桿上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而將地層內(nèi)的石油等液體泵送至地面。在使用過(guò)程中，通常要將抽油桿連接至上千米，在此種情況下，抽油桿要承受的自身懸重和抽油泵的負(fù)荷，因此承受的拉力比較大?，F(xiàn)有的抽油桿多由鋼材制成，但鋼材存在重量大、易腐蝕、易摩損等物理缺陷，使得抽油桿的損耗居高不下。另外，現(xiàn)有的抽油桿大多為分段式結(jié)構(gòu)，施工時(shí)需要逐段安裝，因此施工效率比較低。為了解決上述問(wèn)題，科研人員發(fā)明了一種碳纖維連續(xù)抽油桿，這種抽油桿利用碳纖維質(zhì)量輕、韌性好、抗拉強(qiáng)度高等優(yōu)越的物理性能，解決了上述問(wèn)題。但這種抽油桿也存在一些缺陷：1、現(xiàn)有的碳纖維抽油桿的抗扭強(qiáng)度比較差；2、現(xiàn)有的碳纖維抽油桿中的碳纖維和玻璃纖維的走向均與抽油桿的長(zhǎng)度方向相同，生產(chǎn)時(shí)，本該包覆在碳纖維外側(cè)的玻璃纖維很容易摻入碳纖維束中，從而對(duì)抽油桿的強(qiáng)度造成不利影響。3、現(xiàn)有的碳纖維抽油桿的外層均為單純的環(huán)氧樹(shù)脂層，耐摩性較差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明提供一種帶有石墨烯涂層的多層耐摩擦碳纖維連續(xù)抽油桿，以解決上述背景技術(shù)中提出的問(wèn)題。本發(fā)明所解決的技術(shù)問(wèn)題采用以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：本發(fā)明提供了一種帶有石墨烯涂層的多層耐摩擦碳纖維連續(xù)抽油桿，包括碳纖維芯體,所述的碳纖維芯體外依次螺旋纏繞有纏繞玻璃纖維層A和纏繞玻璃纖維層B，纏繞玻璃纖維層B外包覆有縱向玻璃纖維層，縱向玻璃纖維層外壁涂覆有環(huán)氧樹(shù)脂層，碳纖維芯體由150根/12K—242根/12K碳纖維通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)的碳纖維束構(gòu)成，碳纖維拉伸強(qiáng)度4950Mpa以上，碳纖維芯體的質(zhì)量百分含量為33.1—28.3％，碳纖維芯體直徑為11--14mm，纏繞玻璃纖維層A和纏繞玻璃纖維層B兩層纏繞玻璃纖維的纏繞螺旋角均為45°，纏繞方向相反，纏繞玻璃纖維層A和纏繞玻璃纖維層B由環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)在碳纖維芯體上，纏繞玻璃纖維層A和纏繞玻璃纖維層B的質(zhì)量百分含量為5.0—5.9％，纏繞玻璃纖維層A和纏繞玻璃纖維層B兩層的纏繞厚度為0.4—0.6mm，縱向玻璃纖維層的玻璃纖維與碳纖維芯體平行設(shè)置，縱向玻璃纖維層質(zhì)量百分含量32—38％，縱向玻璃纖維層由42根/2400tex--106根/2400tex玻璃纖維組成，縱向玻璃纖維層由環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)在纏繞玻璃纖維層B外壁，抽油桿的兩個(gè)端頭連接有抽油桿接頭，抽油桿接頭與抽油桿桿體的連接處能承受的拉力達(dá)到698KN，剪切強(qiáng)度達(dá)到92MPa；拉伸彈性模量≥150GPa。上述方案中的抽油桿的外側(cè)還設(shè)有聚乙烯層和石墨烯層。上述方案中，所述的纏繞玻璃纖維層A、纏繞玻璃纖維層B及縱向玻璃纖維層中的玻璃纖維采用S級(jí)無(wú)堿玻璃纖維，玻璃纖維強(qiáng)度2500Mpa以上；線密度2400±5％TEX；拉伸彈性模量88Gpa以上、含水率0.1％以下。上述方案中的環(huán)氧樹(shù)脂耐溫160℃，環(huán)氧樹(shù)脂拉伸強(qiáng)度60-85Mpa、拉伸模量2.5-3.0Gpa、伸長(zhǎng)率3.5-5.0％、彎曲強(qiáng)度100-135Mpa、彎曲模量2.5-3.5Gpa。本發(fā)明還包括抽油桿接頭，抽油桿接頭主要由錐套、外套管和連接頭組成，外套管與連接頭之間通過(guò)螺紋連接，連接頭將錐套封裝在外套管內(nèi)，錐套與外套管的接觸面為圓錐面，所述的錐套的兩端各加工有一個(gè)切口，切口沿軸線方向切入，兩個(gè)切口所在的平面相互垂直，切口的長(zhǎng)度占錐套總長(zhǎng)度的百分比為85％-90％。本發(fā)明的有益效果為：1、本發(fā)明所述的抽油桿中設(shè)置了兩層方向相反的纏繞玻璃纖維，兩層方向相反的纏繞玻璃纖維可束縛碳纖維芯體中各股碳纖維，避免抽油桿承受扭矩時(shí)各股碳纖維發(fā)生分離引起抽油桿損壞，從而有效增強(qiáng)了抽油桿的抗扭強(qiáng)度，同時(shí)，用纏繞玻璃纖維將碳纖維芯體包裹，可有效防止縱向玻璃纖維層與碳纖維芯體摻合，從而保證了碳纖維芯體的圓度，即保證了抽油桿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的均勻性，消除了強(qiáng)度弱點(diǎn)。2、聚乙烯層和石墨烯層賦予抽油桿更優(yōu)秀的耐摩性能，同時(shí)，通過(guò)在抽油桿表面設(shè)置多層結(jié)構(gòu)，可避免油液滲透，延緩樹(shù)脂水解，從而防止抽油桿因樹(shù)脂水解而損壞。所涉及的技術(shù)成熟可靠，性能穩(wěn)定性高。3、石墨烯具有極好的耐摩性能，在生產(chǎn)時(shí)，石墨烯層的厚度極小，因此，在抽油桿直徑一定的情況下，增加石墨烯層不會(huì)影響其它各層的結(jié)構(gòu)分布。4、在抽油桿本身的彎曲直徑不增大的同時(shí)，利用石墨烯的耐摩性，改善連續(xù)桿的耐摩性能。當(dāng)石墨烯摩損失效后，熱固性聚乙烯代替其性能繼續(xù)保護(hù)抽油桿的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。而且熱固性的聚乙烯與抽油桿的環(huán)氧樹(shù)脂層5為兩相結(jié)構(gòu)，當(dāng)熱固性PE材料摩損失效后，可以通過(guò)相應(yīng)工藝對(duì)受損部分進(jìn)行剝離重新修復(fù)，增加抽油桿使用壽命。5、本發(fā)明針對(duì)本抽油桿設(shè)計(jì)了配套的專用抽油桿接頭，通過(guò)該抽油桿接頭可以將本抽油桿與普通的鋼制抽油桿快速、穩(wěn)定、可靠地連接。附圖說(shuō)明圖1是本發(fā)明中的抽油桿的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是抽油桿接頭的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是錐套的剖視圖；圖4是圖3中A向的剖視圖。圖中：1-碳纖維芯體，2-纏繞玻璃纖維層A，3-纏繞玻璃纖維層B，4-縱向玻璃纖維層，5-環(huán)氧樹(shù)脂層，6-聚乙烯層，7-石墨烯層，8-錐套，9-外套管，10-連接頭，11-切口。具體實(shí)施方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述：本實(shí)施例包括碳纖維芯體1,碳纖維芯體1由150根/12K—242根/12K碳纖維通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)的碳纖維束構(gòu)成，碳纖維拉伸強(qiáng)度≥4950MPa，所述的碳纖維芯體1外依次螺旋纏繞有纏繞玻璃纖維層A2和纏繞玻璃纖維層B3，纏繞玻璃纖維層B3外包覆有縱向玻璃纖維層4，縱向玻璃纖維層4外壁涂覆有環(huán)氧樹(shù)脂層5。纏繞玻璃纖維可束縛碳纖維芯體1中各股碳纖維，避免抽油桿承受扭矩時(shí)各股碳纖維發(fā)生分離引起抽油桿損壞，從而有效增強(qiáng)了抽油桿的抗扭強(qiáng)度，同時(shí)，用纏繞玻璃纖維將碳纖維芯體1包裹，可有效防止縱向玻璃纖維層4與碳纖維芯體1摻合，從而保證了碳纖維芯體1的圓度，即保證了抽油桿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的均勻性，消除了強(qiáng)度弱點(diǎn)。碳纖維芯體1由150根/12K—242根/12K碳纖維通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)的碳纖維束構(gòu)成，碳纖維芯體1的質(zhì)量百分含量為33.1—28.3％，碳纖維芯體1直徑為11--14mm。每根碳纖維的單絲數(shù)量是碳纖維的一項(xiàng)重要指標(biāo)，單絲數(shù)量越大成本越高，但強(qiáng)度越高同時(shí)抽油桿也會(huì)加粗。本發(fā)明選用單絲數(shù)量為12K的碳纖維，在滿足連續(xù)抽油桿的強(qiáng)度要求的同時(shí)，也兼顧了經(jīng)濟(jì)性。受使用環(huán)境和生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的限制，連續(xù)抽油桿的直徑通常被限定為幾個(gè)固定值，根據(jù)連續(xù)抽油桿直徑的不同，將12K碳纖維的數(shù)量限制在150-242根，可在保證連續(xù)抽油桿強(qiáng)度的同時(shí)降低了生產(chǎn)成本，抽油桿整體也變輕了降低了能耗，保證連續(xù)抽油桿的其它層不會(huì)因?yàn)樘祭w維芯體1的直徑過(guò)大而被迫壓縮，進(jìn)而影響連續(xù)抽油桿的整體性能。本發(fā)明將碳纖維芯體1的質(zhì)量百分含量為33.1—28.3％，這是極有必要的。在碳纖維的根數(shù)被限定的情況下，對(duì)碳纖維芯體1的質(zhì)量百分含量的限定既是對(duì)連續(xù)抽油桿質(zhì)量的限定，也是對(duì)連續(xù)抽油桿內(nèi)碳纖維含量與其它各組分含量的比例的限定。連續(xù)抽油桿的直徑一定時(shí)，碳纖維芯體1的質(zhì)量百分含量越高，連續(xù)抽油桿的抗拉強(qiáng)度越高，但連續(xù)抽油桿中的環(huán)氧樹(shù)脂和玻璃纖維等組份也會(huì)相應(yīng)的被壓縮，從而影響這些組份性能的發(fā)揮，因此，碳纖維芯體1的質(zhì)量百分含量必須限定在一個(gè)合理的范圍內(nèi)。纏繞玻璃纖維層A2和纏繞玻璃纖維層B3兩層纏繞玻璃纖維的纏繞螺旋角均為45°，纏繞方向相反，纏繞玻璃纖維層A2和纏繞玻璃纖維層B3由環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)在碳纖維芯體1上。45°是工業(yè)設(shè)計(jì)中的一個(gè)特殊角度，在本發(fā)明中，45°是最優(yōu)的纏繞角度，纏繞角度大于45°時(shí)，角度越大在工藝上越難以實(shí)現(xiàn)，纏繞角度小于45°時(shí)，角度越小，抽油桿抵抗扭矩的能力越差。纏繞玻璃纖維層A2和纏繞玻璃纖維層B3的纏繞方向相反，使得抽油桿在順時(shí)針和逆時(shí)針兩個(gè)旋向上獲得相同的抗扭強(qiáng)度。纏繞玻璃纖維層A2和纏繞玻璃纖維層B3的質(zhì)量百分含量為5.0—5.9％，為了使連續(xù)抽油桿具有良好的抗扭強(qiáng)度并預(yù)留出足夠的安全閾值，纏繞玻璃纖維的含量必須足夠，經(jīng)過(guò)對(duì)使用需求的詳細(xì)調(diào)查和系統(tǒng)分析，此處將最低值設(shè)定為5.0％，為了避免連續(xù)抽油桿生產(chǎn)中因過(guò)于嚴(yán)格的精度控制要求而提高精度控制成本，同時(shí)避免材料的無(wú)效損耗，此處將纏繞玻璃纖維的質(zhì)量百分含量的上限設(shè)定為5.9％。纏繞玻璃纖維層A2和纏繞玻璃纖維層B3兩層的纏繞厚度為0.4—0.6mm，厚度的下限值設(shè)置為0.4mm，才可完全保證縱向玻璃纖維層4內(nèi)的玻璃纖維不會(huì)摻合到碳纖維芯體1內(nèi)，為了避免連續(xù)抽油桿生產(chǎn)中因過(guò)于嚴(yán)格的精度控制要求而提高精度控制成本，同時(shí)避免材料的無(wú)效損耗，纏繞玻璃纖維的厚度可向上浮動(dòng)至0.6mm?？v向玻璃纖維層4的玻璃纖維與碳纖維芯體1平行設(shè)置，縱向玻璃纖維層4質(zhì)量百分含量32—38％，縱向玻璃纖維層4由42根/2400tex—106根/2400tex玻璃纖維組成，縱向玻璃纖維層4主要起抗剪切作用，因此對(duì)玻璃纖維的線密度必然提出要求。本發(fā)明中采用線密度為2400tex的玻璃纖維，以保證良好的抗剪切能力。而在實(shí)際生產(chǎn)中，線密度過(guò)高(即纖維過(guò)粗)會(huì)嚴(yán)重影響環(huán)氧樹(shù)脂的粘結(jié)效果和縱向玻璃纖維層4的均勻度，因此，在滿足抗剪切性能的情況下，線密度定為2400tex即可，不宜過(guò)高。縱向玻璃纖維層4由環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)在纏繞玻璃纖維層B3外壁。所述的玻璃纖維可采用S級(jí)無(wú)堿玻璃纖維。玻璃纖維強(qiáng)度≥2500Mpa；線密度2400±5％TEX；拉伸彈性模量≥88Gpa、含水率≤0.1％。構(gòu)成縱向玻璃纖維層4的玻璃纖維與碳纖維芯體1平行設(shè)置，使得縱向玻璃纖維層4與碳纖維芯體1可共同分擔(dān)拉力載荷，有利于提高連續(xù)抽油桿的抗拉強(qiáng)度。抽油桿的外側(cè)還設(shè)有聚乙烯層6和石墨烯層7。石墨烯具有極好的耐摩性能，在生產(chǎn)時(shí)，石墨烯層的厚度極小，因此，在抽油桿直徑一定的情況下，增加石墨烯層7不會(huì)影響其它各層的結(jié)構(gòu)分布。聚乙烯層6和石墨烯層7賦予抽油桿更優(yōu)秀的耐摩性能，同時(shí)，通過(guò)在抽油桿表面設(shè)置多層結(jié)構(gòu)，可避免油液滲透，延緩樹(shù)脂水解，從而防止抽油桿因樹(shù)脂水解而損壞。所涉及的技術(shù)成熟可靠，性能穩(wěn)定性高。在原有的碳纖維拉擠工藝基礎(chǔ)上增加了熱固性的聚乙烯層6及石墨烯層7。在抽油桿本身的彎曲直徑不增大的同時(shí)，利用石墨烯的耐摩性，增加連續(xù)桿的耐摩性能。當(dāng)石墨烯摩損失效后，熱固性聚乙烯代替其性能繼續(xù)保護(hù)抽油桿的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。而且熱固性的聚乙烯與抽油桿的環(huán)氧樹(shù)脂層5為兩相結(jié)構(gòu)，當(dāng)熱固性聚乙烯材料摩損失效后，可以通過(guò)相應(yīng)工藝對(duì)受損部分進(jìn)行剝離并重新修復(fù)，增加抽油桿使用壽命。上述方案中，所述的纏繞玻璃纖維層A2、纏繞玻璃纖維層B及縱向玻璃纖維層中的玻璃纖維采用S級(jí)無(wú)堿玻璃纖維，玻璃纖維強(qiáng)度≥2500Mpa；線密度2400±5％TEX；拉伸彈性模量≥88Gpa、含水率≤0.1％。上述方案中的環(huán)氧樹(shù)脂耐溫160℃，環(huán)氧樹(shù)脂拉伸強(qiáng)度60-85Mpa、拉伸模量2.5-3.0Gpa、伸長(zhǎng)率3.5-5.0％、彎曲強(qiáng)度100-135Mpa、彎曲模量2.5-3.5Gpa。上述參數(shù)保證了環(huán)氧樹(shù)脂層5的強(qiáng)度，防止其在彎曲過(guò)程中開(kāi)裂。環(huán)氧樹(shù)脂購(gòu)自惠柏新材料科技(上海)股份有限公司。為了保證玻璃纖維和環(huán)氧樹(shù)脂的拉伸狀態(tài)與碳纖維的拉伸狀態(tài)在承受載荷時(shí)可以協(xié)同變化(防止玻璃纖維斷裂或環(huán)氧樹(shù)脂開(kāi)裂)，玻璃纖維和環(huán)氧樹(shù)脂的選用必須嚴(yán)格依照上述參數(shù)確定。本發(fā)明針對(duì)本連續(xù)抽油桿設(shè)計(jì)了配套的專用抽油桿接頭，通過(guò)該抽油桿接頭可以將本連續(xù)抽油桿與普通的鋼制抽油桿快速、穩(wěn)定、可靠地連接。抽油桿接頭主要由錐套8、外套管9和連接頭10組成，外套管9與連接頭10之間通過(guò)螺紋連接，連接頭10將錐套8封裝在外套管9內(nèi)，錐套8與外套管9的接觸面為圓錐面，所述的錐套8的兩端各加工有一個(gè)切口11，切口11沿軸線方向切入，兩個(gè)切口11所在的平面相互垂直，切口11的長(zhǎng)度占錐套8總長(zhǎng)度的百分比為85％-90％。連續(xù)抽油桿與上述的抽油桿接頭連接時(shí)，將連接頭10拆下并使錐套8與外套管9分離，然后使連續(xù)抽油桿的端部依次穿入外套管9和錐套8，然后使錐套8與外套管9重新貼合，貼合過(guò)程中，錐套8側(cè)壁不斷向連續(xù)抽油桿靠攏貼合，最終將連續(xù)抽油桿夾緊。在連續(xù)抽油桿承受拉力載荷后，錐套8側(cè)壁進(jìn)一步向連續(xù)抽油桿靠攏貼合，拉力載荷越大夾緊力越大，消除了連續(xù)抽油桿松脫的可能，保證了連接的可靠性。在錐套8的兩端各加工有一個(gè)切口11且兩個(gè)切口11所在的平面相互垂直，這樣的切口設(shè)計(jì)，使得錐套8上的所有區(qū)段均可以在外套管9內(nèi)壁的擠壓作用下向連續(xù)抽油桿靠攏貼合，錐套8的有效夾緊長(zhǎng)度等于錐套8的長(zhǎng)度，與在錐套8的一端設(shè)置切口11相比，夾緊的可靠性大大增強(qiáng)。另外，切口11的長(zhǎng)度占錐套8總長(zhǎng)度的百分比限制為85％-90％，若切口11過(guò)長(zhǎng)，則錐套8的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度會(huì)比較薄弱，在生產(chǎn)、安裝和使用過(guò)程中容易損壞，若切口11過(guò)短，則錐套8的柔性就會(huì)變差，影響錐套8的內(nèi)壁與連續(xù)抽油桿的周向貼合程度，進(jìn)而對(duì)夾緊的可靠性和穩(wěn)定性造成影響。下面是對(duì)本申請(qǐng)的抽油桿進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如下：1)剪切強(qiáng)度達(dá)到92MPa；拉伸彈性模量≥150GPa。2)對(duì)抽油桿的疲勞性能進(jìn)行測(cè)試，最小拉力40KN，最大拉力120KN，拉力變化頻率100Hz，次數(shù)1千萬(wàn)次。3)碳纖維連續(xù)抽油桿桿體性能：表1序號(hào)檢測(cè)項(xiàng)目單位數(shù)據(jù)要求實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)1規(guī)格尺寸mm19±0.219.102密度g/m31.5-1.951.7363徑向耐壓KN≥110119.14彎曲強(qiáng)度MPa≥80010465彎曲彈性模量GPa≤10085.66拉伸破壞載荷KN≥690700.57拉伸模量GPa≥1501528表現(xiàn)水平剪切強(qiáng)度MPa≥60929玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)℃≥160181.14表2抽油桿拉伸試驗(yàn)結(jié)果：拉伸強(qiáng)度：1831MPa，斷裂延伸率：1.84％，拉伸模量為152GPa。4)抽油桿圓形截面D(mm)：153.938(mm2)時(shí)承重46.18(噸)，201.062(mm2)承重60.32(噸)，283.529(mm2)承重85.06(噸)。5)對(duì)抽油桿的密度進(jìn)行測(cè)試(取5根抽油桿)，結(jié)果如下：表36)對(duì)抽油桿的抗壓性能進(jìn)行測(cè)試(取3根抽油桿)，結(jié)果如下：表4最大載荷N第1根140471.09第2根102943.23第3根113920.12平均值119111.48注：以上測(cè)試數(shù)據(jù)均依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)Q/JHY006-2014測(cè)定。