一种用于卷扬式抽油机上的玻璃纤维抽油杆及制备装置和制备方法与流程

本发明属于油田采油设备领域，尤其涉及一种用于卷扬式抽油机上的玻璃纤维抽油杆及制备装置和制备方法。
背景技术：
：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。现有的抽油机大多为游梁式抽油机，这种抽油机的冲程较短、冲刺较高，因此机械效率较低，单位产量的能耗较大。为了进一步降低能耗，提高生产效益，技术人员发明了一种长冲程的卷扬式抽油机，这种抽油机通过卷扬机和盘绕在卷扬机上的柔性杆带动井下的抽油泵的泵杆运动，从抽油机的结构上实现了提高冲程和降低冲次的目的，有效降低了能耗，提高了生产效益。在现有的卷扬式抽油机中，通常采用钢丝绳来承受泵杆施加的拉力，由于钢丝绳的柔性和抗拉性能均比较好，因此既可以较容易地缠绕在卷扬机上，又可以满足常规井况下的抗拉强度需求。但钢丝绳的耐磨性较差，因此使用寿命较短。另外，在生产实践中，钢丝绳还存在两个明显缺陷：1、生产时，常常需要在地面与井下的电子设备(传感器、测试仪器等)进行通信，由于钢丝绳无法实现这一功能，进行测试时，只能在停机状态下另外向井中下入测试电缆，这种方式不但测试过程繁琐，而且必须在停产状态下进行，会影响生产的正常进行；2、在使用过程中，钢丝绳会大量结蜡，进而对生产造成不利影响。技术实现要素：本发明提供一种用于卷扬式抽油机上的玻璃纤维抽油杆及制备装置和制备方法，以生产一种用于卷扬式抽油机上的玻璃纤维抽油杆，来代替现有技术中的钢丝绳，进而解决上述
背景技术：
中提出的问题。本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：本发明提供了一种用于卷扬式抽油机上的玻璃纤维抽油杆，包括抽油杆本体,抽油杆本体为多层结构，从内向外依次设置有通信线缆、玻璃纤维内层、电热层、缠绕玻纤层A、缠绕玻纤层B、玻璃纤维外层和环氧树脂层，所述的玻璃纤维内层通过环氧树脂粘结在通信线缆的外侧，所述的电热层由电热带制成，电热带螺旋缠绕在玻璃纤维内层的外侧，从而形成电热层，所述的缠绕玻纤层A和缠绕玻纤层B依次缠绕在电热层的外侧，且两者的缠绕方向相反，所述的玻璃纤维外层通过环氧树脂粘结在缠绕玻纤层B的外侧，所述的环氧树脂层位于抽油杆的最外侧，所述的玻璃纤维内层和玻璃纤维外层的纤维走向均与抽油杆的轴线平行。所述的通信线缆为电缆。所述的电热带为串联式电热带。所述的通信线缆和玻璃纤维内层之间设置有碳纤维层，碳纤维层的最大截面直径为4-6mm，碳纤维的走向与抽油杆的轴向平行。所述的缠绕玻纤层A和缠绕玻纤层B的厚度相同，两个缠绕层缠绕时的螺旋升角为20-30°。所述的碳纤维的每股单丝数量为12K，碳纤维拉伸强度大于4950Mpa，玻璃纤维的抗拉强度大于2500Mpa，环氧树脂的抗拉强度为60-85Mpa，拉伸模量为2.5-3.0Gpa，伸长率为3.5-5.0％环氧树脂的耐高温极限是200℃。本发明同时提供了一种用于卷扬式抽油机上的玻璃纤维抽油杆的制备装置，包括纱架、涂胶装置、缠绕装置、拉挤模具、烘干装置、长度计量装置、牵引机和绞盘，以上装置沿产品行进方向顺次排列；所述的纱架上安装有卷轴，卷轴共有四种，四种卷轴上分别缠绕有通信线缆、碳纤维、内层玻璃纤维和外层玻璃纤维；所述的涂胶装置共有两台，一台为通信线缆、碳纤维和内层玻璃纤维涂胶，另一台为外层玻璃纤维涂胶，涂胶装置的结构包括滴管、盛胶槽和加热装置，所述的滴管至少有三根，各滴管沿斜线方向等间距分布，所述的盛胶槽位于滴管的下方，所述的加热装置位于盛胶槽的底部，加热装置的加热方式为热油循环加热，涂胶装置的两端设置有用于引导通信线缆、碳纤维和内层玻璃纤维的密布有小孔的孔板；所述的缠绕装置共包含三台结构相同的缠绕机，分别为缠绕机A、缠绕机B和缠绕机C，缠绕机的结构包括转盘和卷轴，转盘沿其自身的中心旋转，抽油杆半成品从转盘的中心通过，每台缠绕机上的卷轴至少有一个，卷轴随转盘公转，从而将卷轴上的线材或纤维缠绕在抽油杆产品上，所述的缠绕机A用于缠绕电热带，缠绕机A的入口端设置有预成型模具，所述的缠绕机B用于缠绕玻璃纤维以形成缠绕玻纤层A，所述的缠绕机C用于缠绕玻璃纤维以形成缠绕玻纤层B，缠绕机C的入口端设置有预成型模具和脱模剂加注装置；所述的拉挤模具为长条形结构，拉挤模具的中央设置有用于拉挤抽油杆半成品的圆孔，拉挤模具的外侧套有加热套，加热套至少有三个，三个加热套的加热温度沿产品行进方向逐渐变大，拉挤模具的入口端同样设置有预成型模具和脱模剂加注装置；通信线缆、碳纤维和内层玻璃纤维从纱架上引出后依次经过涂胶装置和缠绕装置，并引入拉挤模具内，所述的外层玻璃纤维从纱架上引出，经过涂胶装置后直接引至拉挤模具内，半成品经过拉挤模具和烘干装置后，制成抽油杆成品，抽油杆成品在牵引机的牵引作用下沿产线移动，最后盘绕在绞盘上；所述的涂胶装置和缠绕装置安放在无尘其恒温的工作间内。所述的烘干装置为长条形的箱体结构，箱体的上侧设置有箱盖，箱体和箱盖上均设置有电热装置。所述的涂胶装置的入口端和出口端也设置有用于引导通信线缆、碳纤维和内层玻璃纤维的密布有小孔的孔板。本发明同时提供了一种用于卷扬式抽油机上的玻璃纤维抽油杆的制备方法，包括：步骤一，将从纱架上引出的通信线缆、碳纤维和内层玻璃纤维引入涂胶装置，引入涂胶装置前，通过孔板的导向作用使通信线缆、碳纤维和内层玻璃纤维分层排布，且每层的上方对应一根滴管，滴管内流出的环氧树脂滴落在通信线缆、碳纤维和内层玻璃纤维上；步骤二，通过孔板引导通信线缆、碳纤维和内层玻璃纤维的排布，使碳纤维排布在通信线缆的外围，使内层玻璃纤维排布在碳纤维的外围；步骤三，通过缠绕机A前端的预成型模具的挤压作用将通信线缆、碳纤维和内层玻璃纤维组成的线束挤压成杆状的抽油杆半成品后，通过三台缠绕机依次将电热带和两层玻璃纤维缠绕在抽油杆半成品上，步骤四，将抽油杆半成品继续引入拉挤模具中，在通过拉挤模具过程中，抽油杆半成品被进一步压缩并加热，环氧树脂在加热环境下固化，在此过程中，套在拉挤模具上的三个加热套的加热温度分别为160℃、180℃和200℃。步骤五，将抽油杆半成品继续引入烘干装置，通过烘干装置进一步去除抽油杆半成品内的水分，形成抽油杆成品；步骤六，通过牵引机的牵引作用使抽油杆成品不断输出，然后将输出的抽油杆成品盘绕在绞盘上。进一步地，通信线缆、碳纤维和内层玻璃纤维组成的线束的端部穿过拉挤模具后，将该端部与一条尼龙扁带连接，通过牵引机牵引尼龙扁带来提供产品行进的动力；上述的线束的端部到达牵引机后，将尼龙扁带拆下，此后，牵引机直接牵引抽油杆成品，以实现连续生产，连续生产中牵引机的拉挤速度为0.25-0.45m/min。本发明的有益效果为：本发明提供了一种新型的玻璃纤维抽油杆，与钢丝绳相比，该抽油杆具有更好的耐磨性和抗拉强度，因此具有更长的使用寿命和使用安全性。附图说明图1是用于卷扬式抽油机上的玻璃纤维抽油杆的制备装置的结构示意图；图2是涂胶装置的结构示意图；图3是缠绕装置的结构示意图；图4是图1中A处的结构示意图；图5是拉挤模具的结构示意图；图6是用于卷扬式抽油机上的玻璃纤维抽油杆的截面图。图中：1-纱架，2-通信线缆，3-涂胶装置，4-拉挤模具，5-烘干装置，6-长度计量装置，7-牵引机，8-绞盘，9-抽油杆成品，10-缠绕机C，11-缠绕机B，12-缠绕机A，13-孔板，14-碳纤维，15-内层玻璃纤维，16-滴管，17-盛胶槽，18-加热装置，19-预成型模具，20-转盘，21-卷轴，22-脱模剂加注装置，23-外层玻璃纤维，24-加热套，25-碳纤维层，26-玻璃纤维内层，27-电热层，28-缠绕玻纤层A，29-缠绕玻纤层B，30-玻璃纤维外层，31-环氧树脂层。具体实施方式以下结合附图对本发明做进一步描述：实施例：本发明提供了一种用于卷扬式抽油机上的玻璃纤维抽油杆，包括抽油杆本体。抽油杆本体为多层结构，从内向外依次设置有通信线缆2、玻璃纤维内层26、电热层27、缠绕玻纤层A28、缠绕玻纤层B29、玻璃纤维外层30和环氧树脂层31。通信线缆2的设置，可实现地面与井下的即时通信，实际使用时，可将测试仪器固定安装在抽油杆的下端，使仪器随抽油杆一同运动，通过通信线缆2将井下测试仪器与地面的控制设备连接，即可实时掌握井下的压力、温度等工作状态。通信线缆2可以采用电缆，电缆的特点是成本低廉，可适用于大多数井下测量作业。所述的电热层27由电热带制成，电热带螺旋缠绕在玻璃纤维内层26的外侧，从而形成电热层27。电热带是一种市场上常见的带状电热器件，本发明中采用的电热带为串联式电热带。这种电热带的长度可随意截取，因此接线非常方便，通过在抽油杆内设置电热带，可实现对抽油杆的恒温伴热，进而使石蜡难以附着在抽油杆上。所述的缠绕玻纤层A28和缠绕玻纤层B29依次缠绕在电热层27的外侧，且两者的缠绕方向相反。如果抽油杆中的玻璃纤维的方向均沿着抽油杆的轴向，那么在抽油杆以较小的弯曲半径弯曲时或承受较大的扭矩时，容易发生劈裂。而本发明所述的玻璃纤维抽油杆在卷扬式抽油机上应用时，为便于运输和安装，同时降低设备成本，必须要求具有较小的弯曲半径(为了保证抽油杆的柔性)，而缠绕玻纤层的设置可以有效防止劈裂情况的发生，因此，就卷扬式抽油机的使用工况而言，设置结构合理、厚度适中的缠绕玻纤层对抽油杆性能的实现尤其重要。缠绕玻纤层在弯曲状态下的防劈裂原理是：通过缠绕的方式，抗拉强度较高的玻璃纤维可将碳纤维层25和玻璃纤维内层26牢牢绑缚，从而起到防止抽油杆劈裂的作用。缠绕玻纤层在承受扭矩状态下的防劈裂原理是：若抽油杆承受的扭矩是顺时针方向，那么左旋缠绕的缠绕玻纤层中的玻璃纤维承受沿螺旋上升方向的拉力载荷，从而改善抽油杆抗扭变形的能力，但左旋缠绕的缠绕纤维层不能抵抗逆时针的扭矩，因此，本发明设置了两个缠绕方向相反的缠绕玻纤层，使得抽油杆无论承受顺时针还是逆时针方向的扭矩，缠绕玻纤层均能发挥抵抗扭矩的作用。所述的缠绕玻纤层A28和缠绕玻纤层B29的厚度相同，保证了抽油杆在顺时针和逆时针两个方向上具有相同的抗扭性能。两个缠绕玻纤层缠绕时的螺旋升角为20-30°，如果螺旋升角过大，那么螺距也较大，而较大的螺距会导致缠绕的覆盖面过小，难以保证缠绕玻纤层达到良好的防劈裂效果，如果螺旋升角过小，会增大玻璃纤维的用量，并降低生产效率，因此经济性较差。所述的玻璃纤维内层26通过环氧树脂粘结在通信线缆2的外侧，所述的玻璃纤维外层30通过环氧树脂粘结在缠绕玻纤层B29的外侧，所述的环氧树脂层31位于抽油杆的最外侧，所述的玻璃纤维内层26和玻璃纤维外层30的纤维走向均与抽油杆的轴线平行。玻璃纤维内层26和玻璃纤维外层30是抽油杆承受拉力载荷的主要材料，所述的通信线缆2和玻璃纤维内层26之间设置有碳纤维层25，碳纤维层25的最大截面直径为4-6mm，碳纤维14的走向与抽油杆的轴向平行。碳纤维14具有极高的抗拉强度，因此碳纤维14的设置有助于提升抽油杆的抗拉强度并缩小抽油杆的直径，但碳纤维14韧性较差，碳纤维层25的截面直径如果过大，会增大抽油杆的最小弯曲半径，因此，本发明中对碳纤维层25的最大截面直径做了限制，避免抽油杆的最小弯曲半径过大而不符合卷扬式抽油机的工况需求。所述的碳纤维14的每股单丝数量为12K，碳纤维14的拉伸强度大于4950Mpa，这是对碳纤维14材料性能的要求，以保证碳纤维14显著地改善抽油杆的抗拉强度。在本发明所述的玻璃纤维抽油杆中，玻璃纤维是最主要的材料，是承受拉力载荷和扭力载荷最主要的材料，因此，必须在考虑抽油杆综合性能的情况下对玻璃纤维的含量和性能指标进行限定，否则难以满足使用需求。在本发明中，玻璃纤维的抗拉强度大于2500Mpa。玻璃纤维选用欧文斯克宁公司的市售产品。环氧树脂是粘结玻璃纤维抽油杆中各层的主要材料，也是抽油杆最外层的耐磨保护层，同时，环氧树脂还要承受复杂理化环境的侵蚀，因此，环氧树脂的含量和性能必须得到保证。在本发明中，环氧树脂的抗拉强度为60-85Mpa，拉伸模量为2.5-3.0Gpa，伸长率为3.5-5.0％环氧树脂的耐高温极限是200℃。环氧树脂采用惠柏新材料科技(上海)股份有限公司的市售产品。下面是对本申请的抽油杆进行测试，测试数据如下：一、生产参数：二、测试结果：1)剪切强度达到92MPa；拉伸弹性模量≥150GPa。2)对抽油杆的疲劳性能进行测试，最小拉力40KN，最大拉力120KN，拉力变化频率100Hz，次数1千万次。3)碳纤维连续抽油杆杆体性能：表1表2抽油杆拉伸试验结果：拉伸强度：1831MPa，断裂延伸率：1.84％，拉伸模量为152GPa。4)抽油杆圆形截面D(mm)：153.938(mm2)时承重46.18(吨)，201.062(mm2)承重60.32(吨)，283.529(mm2)承重85.06(吨)。5)对抽油杆的密度进行测试(取5根抽油杆)，结果如下：表36)对抽油杆的抗压性能进行测试(取3根抽油杆)，结果如下：表4最大载荷N第1根140400.00第2根102900.23第3根113900.12平均值119101.48注：以上测试数据均依据标准Q/JHY006-2014测定。一种用于卷扬式抽油机上的玻璃纤维抽油杆的制备装置，包括纱架1、涂胶装置3、缠绕装置、拉挤模具4、烘干装置5、长度计量装置6、牵引机7和绞盘8，以上装置沿产品行进方向顺次排列。所述的纱架1上安装有卷轴21，卷轴21共有四种，四种卷轴上分别缠绕有通信线缆2、碳纤维14、内层玻璃纤维15和外层玻璃纤维23；将四种卷轴21共置于一处，便于生产原料的管理。所述的涂胶装置3共有两台，一台为通信线缆2、碳纤维14和内层玻璃纤维15涂胶，另一台为外层玻璃纤维23涂胶。涂胶装置3的结构包括滴管16、盛胶槽17和加热装置18，滴管16的作用是将环氧树脂滴涂在经过其下方的通信线缆2、碳纤维14、内层玻璃纤维15和外层玻璃纤维23上。所述的滴管16至少有三根，各滴管16沿斜线方向等间距分布。也就是说，通信线缆2和各种纤维至少可以被分为三层，这有利于环氧树脂充分滴在每一根线缆或纤维上，从而利于保证环氧树脂的粘结强度，从粘接的角度防止抽油杆劈裂损坏。所述的盛胶槽17位于滴管16的下方，盛胶槽17的作用是回收滴落的环氧树脂，避免浪费。所述的加热装置18位于盛胶槽17的底部，其作用是通过提供较高的温度，使环氧树脂的粘性降低，流动性变大，进而使其充分地浸入玻璃纤维束和碳纤维束中的每一根细丝上，从而进一步改善粘接强度。加热装置18的加热方式为热油循环加热，热油循环加热最高能提供120℃左右的加热温度，这个温度既能满足此处的加热需求，又不会导致环氧树脂变性，因此，温度控制难度小，使用方便。涂胶装置3的两端设置有用于引导通信线缆2、碳纤维14和内层玻璃纤维21的密布有小孔的孔板13。孔板上设置有沿环形阵列或矩形阵列排布的小孔，通过改变通信线缆2和各束纤维穿过的孔位，从而实现对通信线缆2和各束纤维的排布和聚拢。所述的缠绕装置共包含三台结构相同的缠绕机，分别为缠绕机A12、缠绕机B11和缠绕机C10，缠绕机的结构包括转盘20和卷轴21，转盘20沿其自身的中心旋转，抽油杆半成品从转盘20的中心通过，每台缠绕机上的卷轴21至少有一个，卷轴21随转盘20公转，从而将卷轴21上的线材或纤维缠绕在抽油杆产品上，所述的缠绕机A12用于缠绕电热带。缠绕机A12的入口端设置有预成型模具19，所述的缠绕机B11用于缠绕玻璃纤维以形成缠绕玻纤层A28，所述的缠绕机C10用于缠绕玻璃纤维以形成缠绕玻纤层B29，缠绕机C10的入口端设置有预成型模具19和脱模剂加注装置22。预成型模具19上设置有一个圆孔，抽油杆半成品通过该圆孔后被挤压成杆状。脱模剂加注装置22内装有脱模剂，通过在抽油杆半成品的表面涂抹脱模剂，可有效降低产品行进时的阻力，从而达到节能降耗的效果。所述的拉挤模具4为长条形结构，拉挤模具4的中央设置有用于拉挤抽油杆半成品的圆孔，拉挤模具4的外侧套有加热套24，加热套24至少有三个，三个加热套24的加热温度沿产品行进方向逐渐变大，拉挤模具4的入口端同样设置有预成型模具19和脱模剂加注装置22。产品通过拉挤模具4的过程中，环氧树脂在加热条件下从各束纤维之间的缝隙中析出到产品的外表面，形成环氧树脂层31，同时，随着产品的行进，产品所经过的区段的加热温度逐级升高，环氧树脂在温度逐级升高的过程中均匀、充分地固化。通信线缆2、碳纤维14和内层玻璃纤维15从纱架1上引出后依次经过涂胶装置3和缠绕装置，并引入拉挤模具4内，所述的外层玻璃纤维23从纱架1上引出，经过涂胶装置3后直接引至拉挤模具7内，半成品经过拉挤模具4和烘干装置5后，制成抽油杆成品9，抽油杆成品9在牵引机7的牵引作用下沿产线移动，最后盘绕在绞盘8上。所述的涂胶装置3和缠绕装置安放在无尘且恒温的工作间内，无尘环境可使原料的表面更干净，从而有利于保证环氧树脂与各纤维的粘合强度。所述的烘干装置5为长条形的箱体结构，箱体的上侧设置有箱盖，箱体和箱盖上均设置有电热装置。长条形结构有利于保证烘干时间，从而确保产品被充分烘干，带有箱盖的设置，便于产品穿过，同时也便于打开箱盖查看烘干状态。箱体和箱盖上均设置有电热装置，使得产品的四周均被加热，有利于提高烘干速度。所述的涂胶装置3的入口端和出口端也设置有用于引导通信线缆2、碳纤维14和内层玻璃纤维15的密布有小孔的孔板13。本发明同时提供了一种用于卷扬式抽油机上的玻璃纤维抽油杆的制备方法，包括：步骤一，将从纱架1上引出的通信线缆2、碳纤维14和内层玻璃纤维15引入涂胶装置3，引入涂胶装置3前，通过孔板13的导向作用使通信线缆2、碳纤维14和内层玻璃纤维15分层排布，且每层的上方对应一根滴管16，滴管16内流出的环氧树脂滴落在通信线缆2、碳纤维14和内层玻璃纤维15上；步骤二，通过孔板13引导通信线缆2、碳纤维14和内层玻璃纤维15的排布，使碳纤维14排布在通信线缆2的外围，使内层玻璃纤维15排布在碳纤维14的外围；步骤三，通过缠绕机A12前端的预成型模具19的挤压作用将通信线缆2、碳纤维14和内层玻璃纤维15组成的线束挤压成杆状的抽油杆半成品后，通过三台缠绕机依次将电热带和两层玻璃纤维缠绕在抽油杆半成品上；步骤四，将抽油杆半成品继续引入拉挤模具7中，在通过拉挤模具7过程中，抽油杆半成品被进一步压缩并加热，环氧树脂在加热环境下固化，在此过程中，套在拉挤模具4上的三个加热套24的加热温度分别为160℃、180℃和200℃。步骤五，将抽油杆半成品继续引入烘干装置5，通过烘干装置5进一步去除抽油杆半成品内的水分，形成抽油杆成品；步骤六，通过牵引机7的牵引作用使抽油杆成品9不断输出，然后将输出的抽油杆成品9盘绕在绞盘8上。牵引机7是产品运动的唯一动力，进入生产状态前，首先需要将通信线缆2、碳纤维14和内层玻璃纤维15组成的线束的端部穿过拉挤模具4，然后，将该端部与一条尼龙扁带连接，通过牵引机7牵引尼龙扁带来提供产品行进的动力；上述的线束的端部到达牵引机7后，将尼龙扁带拆下，此后，牵引机7直接牵引抽油杆成品9，以实现连续生产，连续生产中牵引机7的拉挤速度为0.25-0.45m/min。此处的牵引机为常见的管材或型材牵引机，可实现上述牵引功能的设备比比皆是，在此不再赘述。本发明提供了一种新型的玻璃纤维抽油杆，与钢丝绳相比，该抽油杆具有更好的耐磨性和抗拉强度，因此具有更长的使用寿命和使用安全性。当前第1页1 2 3