耐高溫碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料連續(xù)抽油桿及制備裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種連續(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)抽油桿及制備裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]由于開發(fā)的油藏類型越來越復(fù)雜，同時井深的不斷增加和井礦環(huán)境的不斷惡化，腐蝕和偏磨問題成為油田采油工藝亟待解決的問題。因為具備輕質(zhì)高強(qiáng)耐腐蝕的特點，所以復(fù)合材料抽油桿已開始逐步取代傳統(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，兩端各有一個金屬接頭，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，價格昂貴。每一根玻璃鋼抽油桿用兩個金屬接頭，這兩個金屬接頭的成本遠(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)，整個抽油桿柱的其他部分并無改變，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)重的問題并未得到解決。中國專利CN1417449公開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，相對獨立的分布于桿體，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，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題的，而這才是抽油桿、管偏磨需要解決的重點。CN101396874公開了一種防偏磨復(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，利用浸漬過樹脂膠液的芳綸、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)熱固性樹脂，因此雖然纖維是具有耐磨特性的，但與熱固性樹脂形成復(fù)合材料后，其耐磨性能下降很多，壽命并不能延長多少。除了其具備螺旋筋狀的防偏磨層之外，其缺點與普通的玻璃鋼抽油桿一樣。中國專利CN1461870公開了一種碳纖維增強(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)生縱向劈裂的問題，同時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-浸樹脂膠-包覆層包覆-預(yù)成型-固化-盤繞工序)，包覆層為纖維織物增強(qiáng)熱固性樹脂，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?5_，在應(yīng)用專用設(shè)備起下井作業(yè)時，夾持部分的材料幾乎無法選擇，而且只能采用兩片式夾持，左右方向無法限位，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。發(fā)明專利CN200910272324.X公開了一種連續(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，無法滿足長期使用及作業(yè)要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的就是針對現(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)抽油桿及制備裝置和方法，以解決油田采油生產(chǎn)中的腐蝕和偏磨問題，解決高溫洗井對桿體的影響、解決深井超深井采油問題為主要目的，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]本發(fā)明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);最后在最外層的纖維編織增強(qiáng)層芳綸1414纖維(D)外注入多官能團(tuán)環(huán)氧樹脂，四層結(jié)構(gòu)同時固化成型，其Tg值達(dá)到210°C以上，制成的桿體的連續(xù)長度為300?5000m。
[0005]本發(fā)明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)放置碳纖維，多束碳纖維，在牽引裝置
(II)的牽引下經(jīng)過注射模具(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(9)進(jìn)行熱應(yīng)力處理及后固化，后固化結(jié)束，通過牽引裝置(11)，將其卷繞在圓盤(12)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)、滑動調(diào)節(jié)塊(14e)、注膠孔(14f)、樹脂流道(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)有樹脂流道(14g)，且外模(14h)的頂部設(shè)有注膠孔(14^，注膠孔(14^與樹脂流道(148)連通，所述的內(nèi)芯模(14(1)的內(nèi)部設(shè)有加熱管(14(3)，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)有多個滑動調(diào)節(jié)塊(14e)，可通過調(diào)整滑塊(14e)在滑軌(14a)上的位置調(diào)整內(nèi)模芯(14d)和外模(14h)之間的樹脂流道(14g)的寬度及樹脂注入量。
[0008]上述的樹脂流道(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)動系統(tǒng)(5d)、纖維軸驅(qū)動系統(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 )通過減速機(jī)(5c )連接主軸驅(qū)動系統(tǒng)(5d)，主軸驅(qū)動系統(tǒng)(5d)連接到纖維軸驅(qū)動系統(tǒng)(5e)，所述的纖維軸驅(qū)動系統(tǒng)(5e)通過張緊裝置(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]本發(fā)明提到的一種耐高溫碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料連續(xù)抽油桿的制備方法，包括以下步驟:
(a)從放絲架(I)引出多束碳纖維，在牽引裝置(11)的牽引下經(jīng)過注射模具(14)，注射模具(14)內(nèi)充滿注射機(jī)(13)注入的樹脂基體膠液，樹脂基體為多官能團(tuán)環(huán)氧樹脂；
(b)在內(nèi)層增強(qiáng)纖維碳纖維(A)的外側(cè)，使用纏繞機(jī)(3)纏繞一層I?2m