一种带有耐磨防护层的连续碳纤维抽油杆及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于石油工业采油设备领域，具体涉及一种带有耐磨防护层的连续碳纤维抽油杆及其制备方法，所加工的碳纤维复合材料连续抽油杆表面具有高硬度无机颗粒以提高整体耐磨性，可以适用于各种油井不同工况条件，具有较长的使用寿命。
【背景技术】
[0002]随着石油开采工业的发展和采用规模的提高，油井的深度和井下环境的复杂性都在不断提高，目前国内采油面临的油井类型也出现了复杂多样的趋势，这促使了传统钢质抽油杆逐渐被复合材料材质的抽油杆所替代。复合材料属于多相复合材质，目前国内采用的复合材料抽油杆主要有玻璃纤维增强树脂基复合材料抽油杆和碳纤维复合材料抽油杆两个主要类别，这两类复合材料抽油杆与均质金属抽油杆相比，面临着井下高腐蚀环境和抽油过程往复运动带来的偏磨等诸多问题。其中碳纤维复合材料抽油杆具有比玻纤抽油杆更高的强度、抗腐蚀性，因此其应用潜力较为被人们看好，但是抽油杆体与油管接触所出现的偏磨问题一直是其技术难点，也是导致碳纤维复合材料抽油杆应用寿命较短的主要原因。
[0003]针对碳纤维复合材料抽油杆的偏磨问题，国内研究者展开了诸多尝试性研究，专利CN101396874公开了一种放置复合材料抽油杆偏磨的方法，其中采用的主要技术是在复合材料抽油杆杆体上进行芳纶纤维或UHMffPE纤维的螺旋缠绕已制备表面耐偏磨层，然而这种方式采用的表面树脂基体为热固性树脂，基体本身的物理特性导致了整体的耐磨性提高受限。专利CN1461870在碳纤维复合材料抽油杆表面采用了芳纶纤维或UHMffPE纤维束与玻璃纤维混杂组合而成的耐磨层结构，但是同样因为树脂基体采用了热固性树脂的原因而限制了耐磨性能的提高。专利CN103075112A提供了一种纤维复合材料防偏磨连续抽油杆的制备方法，其主要技术创新为采用了表面热塑性树脂材料和玻纤、碳纤维或玄武岩纤维等纤维混杂的复合耐磨层，尽管热塑性树脂从根本上摆脱了基体弱耐磨的问题，但抽油杆体表面采用的是单纯注射成型树脂的方式，因此耐磨层与复合材料抽油杆体界面结合强度不够，在连续生产和卷绕工艺中存在表面层脱层的较大隐患。
【发明内容】
[0004]本发明的目的为了解决现有技术中存在的技术问题，提供了一种带有耐磨防护层的连续碳纤维抽油杆及其制备方法，以解决目前采油设备中存在的碳纤维复合材料连续抽油杆的偏磨问题。
[0005]为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为:
[0006]—种带有耐磨防护层的连续碳纤维抽油杆，包括抽油杆本体、包覆在抽油杆本体表面的玻璃纤维层以及包覆在玻璃纤维层外侧的耐磨层，所述耐磨层包括纤维增强织物和涂覆在纤维增强织物表面的热塑性树脂层，热塑性树脂层中均匀混合有硬质耐磨颗粒，使得耐磨层的表面均匀分布有所述硬质耐磨颗粒。
[0007]在耐磨层预浸带中采用了热塑性树脂基体同时采用高耐磨无机纤维织物增强，在预浸带的表面采用预埋方式均匀分布无机硬质耐磨颗粒，将热塑性树脂的自润滑性与增强纤维和硬质耐磨颗粒的高耐磨性相结合，有效提高抽油杆表面层的防偏磨特性，延长碳纤维复合材料抽油杆的应用寿命。
[0008]优选的，所述硬质耐磨颗粒为碳化硅、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，硬质耐磨颗粒的粒度为0.1 μπι-0.1mm之间。使用无机硬质颗粒提高抽油杆表面层的防偏磨特性。
[0009]进一步优选的，所述耐磨层中，硬质耐磨颗粒的用量占总重的2-10%，纤维增强织物的用量占总重的60-70%，热塑性树脂基体的用量占总重的30-40%。
[0010]硬质耐磨颗粒均布在纤维增强织物的上表面和下表面，纤维增强织物的下表面与抽油杆本体接触，硬质耐磨颗粒可以与抽油杆本体进行界面机械啮合，防止了耐磨防护层从抽油杆表面滑脱和分层；纤维增强织物的上表面的硬质耐磨颗粒与纤维增强织物之间形成球形滚珠形式，进一步强化了抽油杆表面耐磨层的耐偏磨特性。
[0011]优选的，所述耐磨层的厚度为2-5_。
[0012]优选的，所述耐磨层为平面织物预浸带通过螺旋缠绕固化成型。
[0013]进一步优选的，所述平面织物预浸带的宽度为10-100毫米。
[0014]优选的，所述耐磨层的热塑性树脂基体为聚乙烯、聚氨酯、聚酰胺、聚苯醚、聚砜、聚苯硫醚、聚四氟乙烯、聚甲醛或聚醚醚酮中的一种或多种。
[0015]优选的，所述纤维增强织物包括上表面、下表面和中间层，中间层为单层或多层叠加结构；所述上表面和下表面为网眼布织物，中间层为单向纤维排布、平纹织物、斜纹织物或缎纹织物中的一种或多种。
[0016]优选的，所述纤维增强织物由玻璃纤维、玄武岩纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、氮化硼纤维或氮化硅纤维中的一种编织而成，或由以上多种纤维混编而成。
[0017]优选的，所述的抽油杆本体包括增强纤维和浸渍在增强纤维上的树脂基体，所述增强纤维为高强型碳纤维(拉伸强度大于3500MPa的碳纤维为高强型碳纤维)，所述的树脂基体为环氧树脂、聚氨酯树脂、乙烯基酯树脂或酚醛树脂中的一种，制成的抽油杆主体的连续长度为l-5000m。
[0018]上述带有耐磨防护层的连续碳纤维复合材料抽油杆的制备方法，包括如下步骤:
[0019]制备耐磨层的平面织物预浸带的制备
[0020]将硬质耐磨颗粒均匀分散在基体树脂胶膜中，然后将含有硬质耐磨颗粒的胶膜铺设于增强纤维织物的上下表面，将树脂胶膜熔融浸渍于纤维织物中，使硬质耐磨颗粒均匀分布在增强纤维织物的上表面和下表面。
[0021]优选的，上述带有耐磨防护层的连续碳纤维复合材料抽油杆的制备方法，还包括如下步骤:
[0022](I)将碳纤维丝束浸渍树脂胶液，碳纤维丝束的运行速度为400-900mm/分钟；
[0023](2)在浸渍有树脂胶液的碳纤维丝束的表面进行包覆，然后将包覆好的碳纤维丝束进行固化成型，固化炉最终温度为160-180°C，固化时间为5-10min ;
[0024](3)将制备得到的平面织物预浸带在固化成型的抽油杆本体的外表面螺旋缠绕，缠绕厚度为2-5mm，缠绕速度为1_10圈/min ;
[0025](4)将抽油杆缠绕的平面织物预浸带进行真空加热熔融浸渍固化，真空度为0.06-0.1MPa，最终的耐磨层厚度为l_4mm，得到目标抽油杆；
[0026](5)将步骤(4)中得到的抽油杆快速冷却至50°C以下(快速冷却到50°C以下，为了保证树脂硬度)，收集。
[0027]述的带有耐磨防护层的连续碳纤维抽油杆在石油开采中的应用。
[0028]—种带有耐磨防护层的新型连续碳纤维抽油杆制备装置，包括放丝架、浸胶槽、玻纤带包覆装置、复合材料抽油杆成型模具、二次固化炉、预浸带耐磨层缠绕装置、表面防护层固化装置、冷却装置、牵引装置及卷绕装置组成，在碳纤维复合材料抽油杆杆体的拉挤成型设备的牵引装置和卷绕装置之间设有预浸带耐磨层缠绕装置和表面耐磨防护层固化装置，将预浸带耐磨层均匀螺旋缠绕在杆体表面后，通过表面防护层固化装置完成热塑性树脂基体在杆体表面的固化成型，然后经过冷却装置处理，形成带有耐磨防护层的碳纤维复合材料连续抽油杆。
[0029]上述的热塑性预浸带缠绕装