本发明涉及石油工业抽油杆，具体地说是一种碳纤维连续抽油杆及其制备装置和方法。
背景技术：
由于开发的油藏类型越来越复杂，同时井深的不断增加和井矿环境的不断恶化，腐蚀和偏磨问题成为油田采油工艺亟待解决的问题。因为具备轻质高强耐腐蚀的特点，所以复合材料抽油杆已开始逐步取代传统的金属抽油杆。目前采用的复合材料抽油杆主要包括玻璃钢抽油杆和碳纤维增强复合材料连续抽油杆两大类。玻璃钢抽油杆采用玻璃纤维增强热固性树脂的拉挤工艺一次成型制备，已广泛应用，但随着现代采油的可靠性要求不断提高，玻璃钢抽油杆由于其耐磨性差、疲劳强度低、接头结构复杂容易断脱等原因，已不能满足现场生产要求。由碳纤维增强复合材料制成的连续抽油杆在防磨、耐腐蚀方面性能优越，逐渐成为研究的热点。
中国专利cn1461870，公开了一种碳纤维增强复合材料连续抽油杆及制备方法，采用碳纤维为增强材料，并由横向排列的芳纶或超高分子量聚乙烯纤维束和纵向的玻璃纤维组成整体包覆复合，增强了抽油杆横向层间剪切强度，避免抽油杆在油井中发生纵向劈裂。该抽油杆采用拉挤、包覆一次成形加工方法，包覆层为纤维织物增强热固性树脂，材料成本高，纤维织物包覆层耐磨性差；该抽油杆截面形状为矩形或椭圆形，应用专用设备起下井作业时，容易发生杆体偏出夹持部分的现象，限制了该产品大规模推广应用。
发明专利cn200910272324.x公开了一种连续抽油杆，使用单向增强纤维拉挤、包覆热塑性耐磨层的方法，其结构存在径向压缩性能较差，热塑性耐磨层硬度不高，耐磨性能较差等缺陷，无法满足长期使用及作业要求。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种碳纤维连续抽油杆及其制备装置和方法，以解决油田采油生产中的腐蚀和偏磨问题，解决高温洗井对杆体的影响、解决深井超深井采油问题为主要目的，制备出耐腐蚀和耐偏磨性能好、活塞效应小、作业使用方便的抽油杆。
为了达成上述目的，本发明采用了如下技术方案，一种碳纤维连续抽油杆，包括碳纤维增强层、高模量玻璃纤维层、纤维编织耐磨层，所述高模量玻璃纤维层包覆在碳纤维增强层外部，所述纤维编织耐磨层编织缠绕在高模量玻璃纤维层外部。
所述碳纤维增强层采用纵向拉伸模量230gpa以上的连续丙烯腈基碳纤维，高模量玻璃纤维层为纵向拉伸模量90gpa以上的高模量玻璃纤维；缠绕层纤维编织耐磨层为耐磨高模量芳纶1414纤维。
所述连续丙烯腈基碳纤维和高模量玻璃纤维要浸润树脂基体胶液，所述耐磨高模量芳纶1414纤维要浸润含有耐磨填料的多官能团环氧体系。
所述碳纤维连续抽油杆截面形状为圆形，直径为12mm～28mm，所述碳纤维增强层占截面积比例为35％～65％。
所述碳纤维增强层为闭环不规则波纹结构，波形数量在4～20之间，波峰半径与波谷半径差为0.5mm～1mm。
为了达成上述另一目的，本发明采用了如下技术方案，一种碳纤维连续抽油杆的制备装置，包括自先至后依次设置的放丝架、碳纤维胶槽、小模具、编织机、外层胶槽、拉挤模具、后固化加热炉、牵引装置、喷码装置、收卷设备。
所述小模具和拉挤模具上均设置有模具冷却装置、模具加热装置。
所述放丝架、碳纤维胶槽之间还设置有预热系统。
为了达成上述另一目的，本发明采用了如下技术方案，一种碳纤维连续抽油杆的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)从放丝架引出多束碳纤维，其中用以制成碳纤维增强层的碳纤维、用以制成高模量玻璃纤维层的碳纤维在牵引装置的牵引下经过碳纤维胶槽，浸润树脂基体胶液，树脂基体为多官能团环氧树脂体系；再经过小模具加热预固化，加热的温度为90～160℃；
(b)在小模具内，碳纤维增强层之外使用高模量玻璃纤维层高强玻璃纤维进行包覆，从放丝架引出多束碳纤维中的用以制成纤维编织耐磨层的碳纤维经过编织机，用编织机在高模量玻璃纤维层外部编织一层纤维编织耐磨层芳纶纤维，之后进入外层胶槽，浸润含有耐磨填料的多官能团环氧体系，进入拉挤模具；
(c)浸润树脂的纤维在拉挤模具固化成型；在拉挤模具周围分布有模具加热装置，分3段加热，固化温度在130～250℃之间，呈梯度升温方式，拉挤速度在0.10m/min～0.35m/min之间，拉挤出复合材料杆体；拉挤出的复合材料杆体进入后固化加热炉进行热应力处理及后固化；
(d)后固化完成后的复合材料杆体，通过牵引装置，之后收卷设备将其卷绕在最小直径为1.5m～3.5m的圆盘上；
(e)在牵引装置和收卷装置之间有喷码装置，标明复合材料杆体的相关生产信息且在使用中不会模糊、脱落。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明的抽油杆，在碳纤维连续抽油杆拉挤工艺基础上增加了编织层，内部的波纹结构，三层结构一次固化成型，增加了碳纤维与玻璃纤维之间的接触面积，提高了层间结合力，避免了同心圆结构导致的杆体扭转时不同增强材料之间的分层，同时增加了径向和轴向抗压强度，降低了弯曲直径；产品最小弯曲直径小于产品截面直径的60倍；长期保存弯曲直径为产品截面直径的120倍；更小的直径便于运输和保存；外层使用芳纶纤维和耐磨填料，提高了杆体的耐磨性能。
利用本发明提供的制备方法，采用编织、拉挤组合成型工艺，可以大幅提高耐磨耐高温碳纤维复合材料连续抽油杆杆体生产的连续稳定性，保证了在线一次成型，生产效率高，层间结合强度大。模具冷却装置的使用，可有效增加胶液的流动性，改善浸润效果，提高树脂利用率。
本发明的装置实现了本发明的方法，并且生产效率高，操作简便。
附图说明
图1为本发明一种碳纤维连续抽油杆的横截面示意图；
图2为本发明的制备装置的结构示意图；
图3为碳纤维胶槽的横截面图；
图4为外层胶槽的横截面图；
图5为小模具的横截面图；
图6为拉挤模具的横截面图；
图中：碳纤维增强层a、高模量玻璃纤维层b、纤维编织耐磨层c；
放丝架1、玻璃纤维1-1、碳纤维1-2、预热系统2、碳纤维胶槽3-1、外层胶槽3-2，小模具4、编织机5、模具冷却装置6、拉挤模具7、模具加热装置8、后固化加热炉10、牵引装置11、喷码装置12、收卷设备13。
具体实施方式
有关本发明的详细说明及技术内容，配合附图说明如下，然而附图仅为参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。
如图1所示，一种碳纤维连续抽油杆，主要由沿杆体轴向的碳纤维增强层a、高模量玻璃纤维层b、纤维编织耐磨层c三层组成，内层的沿杆体轴向的碳纤维增强层a采用纵向拉伸模量230gpa以上的连续丙烯腈基碳纤维，高模量玻璃纤维层b为纵向拉伸模量90gpa以上的高模量玻璃纤维；缠绕层纤维编织耐磨层c为耐磨高模量芳纶1414纤维，树脂基体为多官能团环氧树脂体系，产品tg值即熔点在160℃～230℃之间，制成的杆体的连续长度为200m～5000m。
上述碳纤维连续抽油杆，所述的杆体的截面形状为圆形，直径为12mm～28mm，碳纤维增强层a占截面积比例为35％～65％；为闭环不规则波纹结构，波形数量在4～20之间，波峰半径与波谷半径差为0.5mm～1mm。
本发明提到的一种碳纤维连续抽油杆的制备装置，包括放丝架1、预热系统2、碳纤维胶槽3-1、外层胶槽3-2、小模具4、编织机5、模具冷却装置6、拉挤模具7、模具加热装置8、后固化加热炉10、牵引装置11、喷码装置12、收卷设备13，在经过小模具4后已经初步固化的碳纤维增强层a外包覆一层高模量玻璃纤维层b，外层使用编织机5编织一层纤维编织耐磨层c；之后经过直通式外层胶槽3-2浸润，进入拉挤模具7固化，固化后的杆体经过后固化加热炉10，完全固化成型；固化成型的连续抽油杆在外侧的牵引装置11的牵引下，经过喷码设备12，之后在收卷设备13上收卷。
根据图3碳纤维胶槽的横截面图所示，胶槽为圆形结构，碳纤维1-2从一侧进入，通过充满树脂的碳纤维胶槽，浸渍树脂，之后进入小模具。
根据图4外层胶槽的横截面图所示，外层胶槽为圆形结构，中心有直通圆孔，用于内层碳纤维通过，玻璃纤维1-1从一侧进入，通过充满树脂的外层胶槽，浸渍树脂，之后进入编织机；
根据图5小模具的横截面图所示，小模具外形为长方形，内为多边形孔结构，外侧使用电热板加热，用于碳纤维层的加热固化。
根据图6拉挤模具的横截面图所示，拉挤模具外形为长方形，内为圆孔结构，外侧使用电热板加热，用于碳纤维层的加热固化。
预热系统2、编织机5、模具冷却装置6、模具加热装置8、后固化加热炉10、牵引装置11、喷码装置12、收卷设备13均为本技术领域内的常规现有技术，直接购买后安装使用即可。在此不再一一展开赘述。
本发明的一种碳纤维连续抽油杆的制备方法，其特征是包括以下步骤制成：
(a)从放丝架1引出多束碳纤维，其中碳纤维增强层a、高模量玻璃纤维层b在牵引装置11的牵引下经过碳纤维胶槽3-1，浸润树脂基体胶液，树脂基体为多官能团环氧树脂体系；再经过小模具4加热预固化，在小模具周围分布有模具加热装置，分两段加热，加热的温度为90～160℃；
(b)在小模具内，碳纤维增强层a之外使用高模量玻璃纤维层b高强玻璃纤维进行包覆，从放丝架1引出多束碳纤维中的纤维编织耐磨层c经过编织机，用编织机5在高模量玻璃纤维层b外部编织一层纤维编织耐磨层c芳纶纤维，之后进入外层胶槽3-2，浸润含有耐磨填料的多官能团环氧体系，进入拉挤模具7；
(c)浸润树脂的纤维在拉挤模具7固化成型；在拉挤模具7周围分布有模具加热装置8，分3段加热，固化温度在130～250℃之间，呈梯度升温方式，拉挤速度在0.10m/min～0.35m/min之间，拉挤出复合材料杆体；拉挤出的复合材料杆体进入后固化加热炉10进行热应力处理及后固化；
(d)后固化完成后的复合材料杆体，通过牵引装置11，之后收卷设备13将其卷绕在最小直径为1.5m～3.5m的圆盘上；
(e)在牵引装置11和收卷装置13之间有喷码装置12，可标明复合材料杆体的相关生产信息且在使用中不会模糊、脱落。
下面通过具体实施例，对本发明详细说明，但是本发明不限于这些实施例。
实施例1：首先，从放丝架1引出242束t300-12k纤维，经过预热处理，在牵引装置11的牵引下经过碳纤维胶槽3-1，浸润树脂基体胶液，树脂基体为多官能团环氧树脂体系，胶液配比为树脂：固化剂＝100:113；
碳纤维经过小模具4在小模具分两段加热，两区温度为90℃，160℃，进行预固化；
从放丝架1引出的150束ws3000-2400tex玻璃纤维，经过编织机5内孔，与22支1100dtex芳纶纤维1414形成的编织层一起进入外层胶槽，浸润树脂基体胶液，树脂基体为多官能团环氧树脂体系，胶液配比为树脂：固化剂：耐磨填料＝100:113:5；在牵引机11的牵引下，同时进入拉挤模具7；
模具冷却系统6将模口温度控制在100℃，进入孔径为22mm的拉挤模具7分三段加热，温度为130℃，197℃，250℃，拉挤速度0.19m/min，拉挤出复合材料杆体；拉挤出的复合材料杆体进入后固化加热炉10进行热应力处理及后固化，后固化加热炉10分三段加热，温度为199℃，135℃，100℃；固化成为三层结构的直径为22mm的耐磨耐高温连续抽油杆；该抽油杆的长期使用温度为120℃；
后固化完成后的抽油杆，通过牵引装置11牵引，在喷码装置12喷码后，由收卷设备13将其卷绕在直径为3.5m的圆盘上。
实施例2：按照实施例1，树脂更换为四官能团环氧树脂，提高耐温性能，小胶槽3-1中的树脂：固化剂＝100:126，外层胶槽3-2中的树脂：固化剂：耐磨填料＝100:126:5，浸胶装置加热温度至40℃；
模口温度控制在110℃，进入孔径为22mm的拉挤模具7分三段加热，温度为130℃，230℃，250℃，拉挤速度0.27m/min，拉挤出复合材料杆体；拉挤出的复合材料杆体进入后固化加热炉10进行热应力处理及后固化，后固化加热炉10分三段加热，温度为230℃，195℃，120℃；固化成为三层结构的直径为22mm的耐偏磨碳纤维增强复合材料连续抽油杆；该抽油杆的长期使用温度为150℃；
后固化完成后的抽油杆，通过牵引装置11牵引，由收卷设备13将其卷绕在直径为3.5m的圆盘上。
本发明提到的碳纤维层使用不规则多边形，波纹形状、多角星形、多边形和多齿形结构及以上形状的组合结构，应在本发明的保护范围之内。
以上所述，仅是本发明的部分较佳实施例，任何熟悉本领域的技术人员均可能利用上述阐述的技术方案加以修改或将其修改为等同的技术方案。因此，依据本发明的技术方案所进行的任何简单修改或等同置换，尽属于本发明要求保护的范围。