一種混雜纖維三維編織熱固性樹脂基復合材料抽油桿扶正器及其制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種混雜纖維三維編織熱固性樹脂基復合材料抽油桿扶正器，包括抽油桿扶正器主體和設置在所述抽油桿扶正器主體外表面的防磨棱以及包覆在所述防磨棱表面的耐磨層；所述抽油桿扶正器主體、防磨棱和耐磨層均由纖維三維編織物與改性熱固性樹脂浸漬而成；所述抽油桿扶正器主體為對插式兩半結構，在單個結構單元的對合滑槽位置內嵌入若干金屬凸球，在對合端內嵌入金屬卡扣，所述抽油桿扶正器主體通過滑槽和卡扣設計固定成統一整體；所述抽油桿扶正器主體內側為抽油桿夾持腔，所述夾持腔內設置有之字形摩擦條和球形儲膠槽。本發明有效解決扶正器主體結構的界面缺陷，有效提高扶正器整體力學強度、剛度、耐磨性、耐腐蝕性和使用壽命。
【專利說明】
一種混雜纖維三維編織熱固性樹脂基復合材料抽油桿扶正器及其制備方法
技術領域
[0001]本發明屬于采油工程技術領域，具體涉及一種混雜纖維三維編織熱固性樹脂基復合材料抽油桿扶正器。
【背景技術】
[0002]抽油桿是采油領域工程設備中的重要部件，抽油桿的正常工作直接影響著采用效率和質量。而傳統的金屬材質的抽油桿自重較大、耐腐蝕特性較差，高分子材質的抽油桿密度低、重量小且耐腐蝕特性強，已經成為目前油田工程的重要替代品，然而由于油田稠油、稀油、高凝油開發生產中的井液普遍存在高含水、高礦化度等物理化學特性及井身結構的不合理設置所造成油井桿管偏磨問題，一直是傳統和新型抽油桿的難點。
[0003]為此，科研人員提出了一種扶正器配套附件，以保證抽油桿井下的正常作業。目前的扶正器主要采用金屬材質或者注塑成型的高分子復合材料材質，這兩種材料的扶正器存在各自的優點但也有不可避免的問題，其中金屬扶正器的摩擦磨損仍然受材質限制，高分子復合材料扶正器的注塑工藝必然使得增強纖維必須為短切形態，當井下的高溫高壓往復摩擦時，必然帶來扶正器主體結構內部的纖維界面結合不佳，長期使用必然引起扶正器的缺陷或裂紋出現。
【發明內容】
[0004]針對上述現有技術的不足，本發明提供一種混雜纖維三維編織熱固性樹脂基復合材料抽油桿扶正器，本發明采用連續纖維三維編織結構制備扶正器主體部件，有效解決扶正器主體結構的界面缺陷，有效提高扶正器的整體力學強度、剛度、耐磨性、耐腐蝕性和使用壽命。
[0005]為實現上述目的，本發明采用如下技術方案:
[0006]一種混雜纖維三維編織熱固性樹脂基復合材料抽油桿扶正器，包括抽油桿扶正器主體和設置在所述抽油桿扶正器主體外表面的防磨棱以及包覆在所述防磨棱表面的耐磨層;所述抽油桿扶正器主體、防磨棱和耐磨層均由纖維三維編織物與改性熱固性樹脂浸漬而成;所述抽油桿扶正器主體為對插式兩半結構，在單個結構單元的對合滑槽位置內嵌入若干金屬凸球，在對合端內嵌入金屬卡扣，所述抽油桿扶正器主體通過滑槽和卡扣設計固定成統一整體；
[0007]所述抽油桿扶正器主體內側為抽油桿夾持腔，所述夾持腔內設置有之字形摩擦條和球形儲膠槽，所述夾持腔與抽油桿的對合壓緊是通過之字形摩擦條的摩擦壓緊固定以及球形儲膠槽內粘合劑的粘接固定實現。
[0008]優選的，所述抽油桿扶正器主體及防磨棱采用纖維三維編織物作為增強主體，以改性熱固性樹脂為基體，所用纖維為碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維、UHMffPE纖維、玄武巖纖維中的任意一種或多種，所述三維織物形式包括三維四向、三維五向、三維六向、三維七向以及其他三維多向不同編織結構;所述改性熱固性樹脂為熱固性樹脂改性的環氧、酚醛、聚四氟乙烯、不飽和聚酯、聚酰亞胺樹脂中任意一種或多種；
[0009]優選的，所述防磨棱為四個，所述防磨棱寬度為8-20mm，高度為10-25mm;
[0010]優選的，所述耐磨層采用纖維三維編織物作為增強主體，以改性熱固性樹脂為基體，所用纖維為硼纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維、玄武巖纖維中的一種或多種，所述三維織物形式包括三維四向、三維五向、三維六向、三維七向以及其他三維多向不同編織結構；所述改性熱固性樹脂為熱固性樹脂改性的環氧、酚醛、聚四氟乙烯、不飽和聚酯、聚酰亞胺樹脂中任意一種或多種。
[0011]本發明還提供了所述抽油桿扶正器的制備方法，包括步驟如下:
[0012](I)將碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維、UHMffPE纖維、玄武巖纖維中的任意一種或多種進行三維編織成纖維織物，在對合滑槽位置內嵌入若干金屬凸球，在對合端嵌入金屬卡扣，通過真空導入工藝將所述纖維織物浸漬改性熱固性樹脂膠液制備所述抽油桿扶正器主體及防磨棱，樹脂含量控制在15-50% ;
[0013](2)將硼纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維、玄武巖纖維中的任意一種或多種進行三維編織成纖維織物，通過真空導入工藝將所述纖維織物浸漬改性熱固性樹脂膠液制備所述耐磨層，樹脂含量控制在15-50% ;
[0014](3)將步驟(1)、(2)制備得到所述抽油桿扶正器主體、防磨棱及耐磨層通過熱固化成型方式形成整體。
[0015]優選的，所述步驟(1)、(2)中真空導入過程中的真空度為0.05-0.1MPa;
[0016]優選的，所述步驟(I)、(2)中三維編織形式包括三維四向、三維五向、三維六向、三維七向以及其他三維多向不同編織形式；
[0017]優選的，所述步驟(1)、(2)中改性熱固性樹脂為熱固性樹脂改性的環氧、酚醛、聚四氟乙烯、不飽和聚酯、聚酰亞胺樹脂中任意一種或多種；
[0018]進一步優選的，所述改性熱固性樹脂改性方式采用將無機粉體物理共混引入熱固性樹脂樹脂中進行改性，所述無機粉體改性劑為碳化硅、氧化鋁、氮化硼、碳化硼、二氧化硅粉體中的一種或多種，所述無機粉體改性劑用量為樹脂重量的0-10%。
[0019]最后，本發明公開了一種抽油桿，所述抽油桿設置有上述抽油桿扶正器。
[0020]本發明的一種混雜纖維三維編織增強熱固性復合材料抽油桿扶正器與傳統金屬、塑料材質及注塑成型復合材料扶正器相比具有如下優點:
[0021]第一，采用三維織物結構和真空導入工藝成型，連續長度的三維纖維織物使得扶正器自身的層間結合力學強度剛度有較大提高，耐腐蝕性和壽命也得以提高；
[0022]第二，采用防磨棱的特種三維結構復合材料耐磨表面層，有效提高扶正器的井下耐磨特性，提尚使用壽命；
[0023]第三，采用夾持腔內的儲膠球形槽和之字形凸起摩擦條設計，有效提高扁帶式復合材料抽油桿抱合力，同時提高膠液連接強度，提高扶正器夾持穩定性；
[0024]第四，對合部位的凸球式滑槽設計，增加對合后整體的壓緊力和整體配合。
【附圖說明】
[0025]圖1復合材料扶正器的外側結構示意圖，兩半對稱結構通過金屬凸球滑槽I對合，通過金屬卡扣2固定，外側帶有耐磨層7的防磨棱6;
[0026]圖2是復合材料扶正器內側結構示意圖，2為卡扣式固定裝置，內側是夾持腔3，在夾持腔上帶有球形儲膠槽4和之字形凸起摩擦條5;
[0027]圖3是復合材料扶正器側面示意圖。
【具體實施方式】
[0028]結合實施例對本發明作進一步的說明，應該說明的是，下述說明僅是為了解釋本發明，并不對其內容進行限定。
[0029]實施例1
[0030]基于本發明的新型三維編織復合材料扶正器的具體結構實施方式如下:
[0031]混雜三維編織纖維增強熱固性樹脂復合材料抽油桿扶正器采用對插兩半式結構，在扶正器的一側設有金屬凸球滑槽和一對金屬卡釘，當對合時，金屬卡釘完成兩半分體結構的對合，扶正器沿著凸球金屬滑槽移動保證精確定位。
[0032]扶正器對合定位后，內側表面為厚度6mm、寬度13mm、長度在115mm的夾持腔與扁帶式碳纖維復合材料抽油桿緊密接觸，夾持腔內設有之字形摩擦條，在之字形摩擦條之間有多組球形儲膠槽，保證抽油桿與夾持腔的摩擦與膠合固定。
[0033]扶正器對合整體后的外側表面為寬度為12mm、高度22mm的四組防磨棱，防磨棱表面采用玄武巖纖維的三維六向編織結構、采用環氧樹脂灌注制備耐磨表面層，最終表面耐磨層的厚度為6mm。
[0034]扶正器主體采用連續T800碳纖維和芳綸纖維按1:5混雜的三維四向織物制備，將三維織物真空導入預浸含量為30 %的環氧樹脂，環氧樹脂加入4 %的氮化硼粉末進行改性，真空導入之前在對合特定部位埋入凸球滑槽和卡扣，將三維織物導入樹脂后將其放入固化爐中加溫加壓，加熱溫度為1500C，熱壓時間為3小時，之后冷卻脫模，形成最終三維復合材料抽油桿扶正器制品。
[0035]實施例2
[0036]基于本發明的新型復合材料扶正器的具體結構實施方式如下:
[0037]混雜三維編織纖維增強熱固性樹脂復合材料抽油桿扶正器采用對插兩半式結構，在扶正器的一側設有金屬凸球滑槽和一對金屬卡釘，當對合時，金屬卡釘完成兩半分體結構的對合，扶正器沿著凸球金屬滑槽移動保證精確定位。
[0038]扶正器對合定位后，內側表面為厚度在10mm、寬度40mm，長度10mm的夾持腔與扁帶式碳纖維復合材料抽油桿緊密接觸，夾持腔內設有之字形摩擦條，在之字形摩擦條之間有多組球形儲膠槽，保證抽油桿與夾持腔的摩擦與膠合固定。
[0039]扶正器對合整體后的外側表面為寬度為20mm、高度為22mm的四組防磨棱，防磨棱表面采用氧化鋁纖維的三維六向編織結構、采用環氧樹脂灌注制備耐磨表面層，最終表面耐磨層的厚度為7mm。
[0040]扶正器主體采用連續T700碳纖維和芳綸纖維按5:1進行混雜的三維四向織物制備，將三維織物真空導入預浸含量為20 %的環氧樹脂，環氧樹脂加入3 %的氧化鋁粉末進行改性，真空導入之前在對合特定部位埋入凸球滑槽和卡扣，將三維織物導入樹脂后將其放入固化爐中加溫加壓，加熱溫度為120 °C，熱壓時間為5小時，之后冷卻脫模，形成最終三維復合材料抽油桿扶正器制品。
[0041 ] 實施例3
[0042]基于本發明的新型復合材料扶正器的具體結構實施方式如下:
[0043]混雜三維編織纖維增強熱固性樹脂復合材料抽油桿扶正器采用對插兩半式結構，在扶正器的一側設有金屬凸球滑槽和一對金屬卡釘，當對合時，金屬卡釘完成兩半分體結構的對合，扶正器沿著凸球金屬滑槽移動保證精確定位。
[0044]扶正器對合定位后，內側表面為厚度在8mm、寬度在40mm，長度在200mm的夾持腔與扁帶式碳纖維復合材料抽油桿緊密接觸，夾持腔內設有之字形摩擦條，在之字形摩擦條之間有多組球形儲膠槽，保證抽油桿與夾持腔的摩擦與膠合固定。
[0045]扶正器對合整體后的外側表面為寬度20mm、高度為25mm的四組防磨棱，防磨棱表面采用碳化硅纖維的三維七向編織結構、采用環氧樹脂灌注制備耐磨表面層，最終表面耐磨層的厚度為6mm。
[0046]扶正器主體采用連續T300碳纖維和玻璃纖維按1:4混雜的三維四向織物制備，將三維織物真空導入預浸含量為20%的聚四氟乙烯樹脂，聚四氟乙烯樹脂加入4%的氧化鋁粉末進行改性，真空導入之前在對合特定部位埋入凸球滑槽和卡扣，將三維織物導入樹脂后將其放入固化爐中加溫加壓，加熱溫度為110°C，熱壓時間為4小時，之后冷卻脫模，形成最終三維復合材料抽油桿扶正器制品。
[0047]實施例4
[0048]基于本發明的新型復合材料扶正器的具體結構實施方式如下:
[0049]混雜三維編織纖維增強熱固性樹脂復合材料抽油桿扶正器采用對插兩半式結構，在扶正器的一側設有金屬凸球滑槽和一對金屬卡釘，當對合時，金屬卡釘完成兩半分體結構的對合，扶正器沿著凸球金屬滑槽移動保證精確定位。
[0050]扶正器對合定位后，內側表面為厚度在10mm、寬度40mm，長度在200mm的夾持腔與扁帶式碳纖維復合材料抽油桿緊密接觸，夾持腔內設有之字形摩擦條，在之字形摩擦條之間有多組球形儲膠槽，保證抽油桿與夾持腔的摩擦與膠合固定。
[0051]扶正器對合整體后的外側表面為寬度為20mm、高度為25mm的四組防磨棱，防磨棱表面采用硼纖維的三維五向編織結構、采用環氧樹脂灌注制備耐磨表面層，最終表面耐磨層的厚度為5mm。
[0052]扶正器主體采用連續T800碳纖維的三維四向織物制備，將三維織物真空導入預浸含量為20 %的酚醛樹脂，酚醛樹脂加入4 %的碳化硅粉末進行改性，真空導入之前在對合特定部位埋入凸球滑槽和卡扣，將三維織物導入樹脂后將其放入固化爐中加溫加壓，加熱溫度為130°C，熱壓時間為4小時，之后冷卻脫模，形成最終三維復合材料抽油桿扶正器制品。
[0053]上述雖然結合實施例對本發明的【具體實施方式】進行了描述，但并非對本發明保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護范圍以內。
【主權項】
1.一種混雜纖維三維編織熱固性樹脂基復合材料抽油桿扶正器，其特征在于，包括抽油桿扶正器主體和設置在所述抽油桿扶正器主體外表面的防磨棱以及包覆在所述防磨棱表面的耐磨層;所述抽油桿扶正器主體、防磨棱和耐磨層均由纖維三維編織物與改性熱固性樹脂浸漬而成;所述抽油桿扶正器主體為對插式兩半結構，在單個結構單元的對合滑槽位置內嵌入若干金屬凸球，在對合端內嵌入金屬卡扣，所述抽油桿扶正器主體通過滑槽和卡扣設計固定成統一整體； 所述抽油桿扶正器主體內側為抽油桿夾持腔，所述夾持腔內設置有之字形摩擦條和球形儲膠槽。2.如權利要求1所述的一種混雜纖維三維編織熱固性樹脂基復合材料抽油桿扶正器，其特征在于，所述抽油桿扶正器主體及防磨棱采用纖維三維編織物作為增強主體，以改性熱固性樹脂為基體，所用纖維為碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維、UHMffPE纖維、玄武巖纖維中的任意一種或多種，所述三維織物形式包括三維四向、三維五向、三維六向、三維七向以及其他三維多向不同編織結構;所述改性熱固性樹脂為熱固性樹脂改性的環氧、酚醛、聚四氟乙烯、不飽和聚酯、聚酰亞胺樹脂中任意一種或多種。3.如權利要求1所述的一種混雜纖維三維編織熱固性樹脂基復合材料抽油桿扶正器，其特征在于，所述防磨棱為四個，所述防磨棱寬度為8-20mm，高度為10_25mm。4.如權利要求1所述的一種混雜纖維三維編織熱固性樹脂基復合材料抽油桿扶正器，其特征在于，所述耐磨層采用纖維三維編織物作為增強主體，以改性熱固性樹脂為基體，所用纖維為硼纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維、玄武巖纖維中的一種或多種，所述三維織物形式包括三維四向、三維五向、三維六向、三維七向以及其他三維多向不同編織結構；所述改性熱固性樹脂為熱固性樹脂改性的環氧、酚醛、聚四氟乙烯、不飽和聚酯、聚酰亞胺樹脂中任意一種或多種。5.如權利要求1?4任意一項所述的抽油桿扶正器的制備方法，其特征在于，包括步驟如下: (1)將碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維、UHMffPE纖維、玄武巖纖維中的任意一種或多種進行三維編織成纖維織物，在對合滑槽位置內嵌入若干金屬凸球，在對合端嵌入金屬卡扣，通過真空導入工藝將所述纖維織物浸漬改性熱固性樹脂膠液制備所述抽油桿扶正器主體及防磨棱，樹脂含量控制在15-50% ; (2)將硼纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維、玄武巖纖維中的任意一種或多種進行三維編織成纖維織物，通過真空導入工藝將所述纖維織物浸漬改性熱固性樹脂膠液制備所述耐磨層，樹脂含量控制在15-50% ; (3)將步驟(1)、(2)制備得到所述抽油桿扶正器主體、防磨棱及耐磨層通過熱固化成型方式形成整體。6.如權利要求5所述的一種抽油桿扶正器的制備方法，其特征在于，所述步驟(I)、(2)中真空導入過程中的真空度為0.05-0.1MPa07.如權利要求5所述的一種抽油桿扶正器的制備方法，其特征在于，所述步驟(I)、(2)中三維編織形式包括三維四向、三維五向、三維六向、三維七向以及其他三維多向不同編織形式。8.如權利要求5所述的一種抽油桿扶正器的制備方法，其特征在于，所述步驟(I)、(2)中改性熱固性樹脂為熱固性樹脂改性的環氧、酚醛、聚四氟乙烯、不飽和聚酯、聚酰亞胺樹脂中任意一種或多種。9.如權利要求8所述的一種抽油桿扶正器的制備方法，其特征在于，所述改性熱固性樹脂改性方式為將無機粉體物理共混引入熱固性樹脂樹脂中進行改性，所述無機粉體改性劑為碳化硅、氧化鋁、氮化硼、碳化硼、二氧化硅粉體中的一種或多種，所述無機粉體改性劑用量為樹脂重量的0-10%。10.—種抽油桿，所述抽油桿上設置有權利要求1?4任意一項所述抽油桿扶正器。
【文檔編號】D04C1/02GK106089123SQ201610647447
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月9日 公開號201610647447.7, CN 106089123 A, CN 106089123A, CN 201610647447, CN-A-106089123, CN106089123 A, CN106089123A, CN201610647447, CN201610647447.7
【發明人】朱波, 曹偉偉, 喬琨, 王永偉
【申請人】山東中恒碳纖維科技發展有限公司