一种内置连续絮状耐磨层的碳纤维连续抽油杆的制作方法

本发明属于采油设备领域，尤其涉及一种内置连续絮状耐磨层的碳纤维连续抽油杆。

背景技术：

碳纤维连续抽油杆，是近年来应用于抽油机上的新型抽油杆，与传统的钢制抽油杆相比，碳纤维抽油杆具有抗拉强度大，施工工艺简单，施工周期短，成本低等诸多优点。然而，油田已应用的碳纤维连续抽油杆的耐磨性能较差，使用寿命有待提高。

为解决上述问题，科研人员研发了一系列的新型碳纤维抽油杆，这些新型抽油杆主要通过三种方式来改善抽油杆的耐磨性能：

一是在抽油杆的环氧树脂内添加耐磨颗粒，通过碳化硅、氮化硼等硬质耐磨颗粒来改善耐磨性，但采用这种方式生产的抽油杆存在明显不足，因为：向环氧树脂中掺加耐磨颗粒时难以保证耐磨颗粒在环氧树脂内分布的绝对均匀性，也就无法保证耐磨层的完整性，因此这种抽油杆存在耐磨性能盲区，严重影响抽油杆的整体耐磨性能。

二是在抽油杆的表面增加聚乙烯等外耐磨层，对于此种抽油杆，聚乙烯层虽然具有较好的耐磨性能，但硬度较小，容易在作业过程中受井壁的剐蹭而损坏。同时，聚乙烯层在抽油杆使用过程中存在脱落的可能。

三是在抽油杆内设置耐磨纤维层或耐磨织物层，这种结构的问题在于，成股的纤维或织物的浸胶性能有限，与环氧树脂的结合度以及环氧树脂的浸入度均比较差，致使构成耐磨纤维或耐磨织物的耐磨材料的耐磨性能大打折扣。

因此，有必要研发一种新型的碳纤维连续抽油杆来解决现有技术中存在的碳纤维连续抽油杆耐磨性能差的问题。

技术实现要素：

本发明提供一种内置连续絮状耐磨层的碳纤维连续抽油杆，以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：本发明提供一种内置连续絮状耐磨层的碳纤维连续抽油杆，包括碳纤维芯体、耐磨层和环氧树脂层，碳纤维芯体的外侧设置有粗纱层，在粗砂层的外侧设置耐磨层，耐磨层的外侧设置有细纱层，所述的环氧树脂层设置在细纱层的外侧；

所述的粗纱层由细度为3000d的芳纶纤维制成，所述的耐磨层由棉絮状的丙纶条包覆而成，所述的细纱层由细度为1100的芳纶纤维制成；所述的碳纤维、芳纶纤维以及丙纶条的长度方向均与抽油杆的轴线方向一致；

抽油杆中碳纤维的质量百分含量为28％-30％，粗纱层中的芳纶纤维的质量百分含量为22％-24％，丙纶条的质量百分含量为3％-4％，细纱层中的芳纶纤维的质量百分含量为10％-12％，其余成分为环氧树脂；

所述的碳纤维的规格为t300/6k；

所述的环氧树脂层内掺加有耐磨颗粒。

优选地，所述的抽油杆的截面形状为长条形。

优选地，所述的抽油杆的截面形状为椭圆形。

本发明的有益效果为：本发明创造性地采用了独特的棉絮状内置丙纶耐磨层，并同时在环氧树脂层内掺加了耐磨颗粒，这种抽油杆具有如下优点，

1、作为耐磨层的丙纶为条状扁带结构，丙纶条沿抽油杆的长度方向设置，丙纶条的宽度等于粗纱层外侧圆柱面的周长，与在环氧树脂内添加耐磨颗粒的耐磨结构相比，以丙纶为核心的耐磨层是均匀的、连续的、完整的，因此有效消除了性能盲区，改善了抽油杆的整体耐磨性能。

2、本发明设置了内外两层耐磨结构(掺加了耐磨颗粒的环氧树脂层和耐磨层)，掺加了耐磨颗粒的环氧树脂层虽然有存在性能盲区的可能，但仍可以防止耐磨层局部大范围磨损，从而保护了耐磨层。

3、本发明采用的丙纶为棉絮状结构，与现有技术中的成股的耐磨纤维或耐磨织物相比，环氧树脂可以更充分地浸入到丙纶条内的每根纤维单丝之间，因此耐磨材料与环氧树脂的结合度以及环氧树脂的浸入度大大提高，从而使得耐磨材料的耐磨性能得以充分发挥。

另外，在现有的碳纤维抽油杆中，为了增加抽油杆的抗劈裂性能和抗剪切性能，往往要在碳纤维芯体的外侧缠绕至少一层玻璃纤维，这种方式无疑会增加产品生产工艺的复杂性和生产难度。然而，对于本发明所述的碳纤维抽油杆来说，在环氧树脂和丙纶纤维的结合体中，丙纶纤维单丝起到了增强纤维的作用，从而使得环氧树脂和丙纶纤维的结合体具有较大的比强度和比模量，这一特性使得抽油杆的抗劈裂性能和抗剪切性能均得到了显著提高，从而简化了工艺设备，降低了工艺难度。

4、在制造本发明所述的抽油杆时，各工序仅需要通过现有生产设备中的拉挤模具，即可成型，而不再需要配备编织机、缠绕机等机器，进一步改善了本发明的生产工艺性。

附图说明

图1是本发明的截面图；

图2是本发明的截面为长条形时的截面图；

图3是粗纱层与作为耐磨层的丙纶条的位置关系示意图。

图中：1-碳纤维芯体，2-粗纱层，3-耐磨层，4-细纱层，5-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：

本实施例包括碳纤维芯体1、耐磨层3和环氧树脂层5，这是现有技术中碳纤维抽油杆的基本结构。

碳纤维芯体1的外侧设置有粗纱层2，在粗砂层2的外侧设置耐磨层3，耐磨层3的外侧设置有细纱层4，所述的环氧树脂层5设置在细纱层4的外侧。其中，碳纤维芯体1的作用是承受大部分拉力载荷；粗纱层2和细纱层4的作用是与碳纤维芯体1共同分担拉力载荷，减少碳纤维的用量，从而降低抽油杆的生产升本，同时，组成粗纱层2和细纱层4的芳纶纤维具有较好的耐磨性能，有助于改善抽油杆的耐磨性能。耐磨层3的作用是改善耐磨性能。

所述的耐磨层3由棉絮状的丙纶条包覆而成。作为耐磨层3的丙纶为条状扁带结构，丙纶条沿抽油杆的长度方向设置，丙纶条的宽度等于粗纱层2外侧圆柱面的周长，与在环氧树脂内添加耐磨颗粒的耐磨结构相比，以丙纶为核心的耐磨层3更均匀、更连续、更完整，因此有效消除了性能盲区，改善了抽油杆的整体耐磨性能。本发明采用的丙纶为棉絮状结构，与现有技术中的成股的耐磨纤维或耐磨织物相比，环氧树脂可以更充分地浸入到丙纶条内的每根纤维单丝之间，因此作为耐磨材料的丙纶与环氧树脂的结合度以及环氧树脂的浸入度大大提高，丙纶和环氧树脂可以最大程度地结合，从而使得耐磨材料的耐磨性能得以充分发挥。

在本发明中，芳纶纤维分为粗砂和细纱两种，粗砂和细纱的区别在于：与细纱相比，在用量一定的情况下，采用粗砂时所需的纱线轴较少，占用的空间也比较少，生产周期也比较短，但由于粗砂的浸胶性能不如细纱，因此粗纱层2的耐磨性能不如细纱层4。在本发明中，粗纱层2由细度为3000d(d为细度单位：旦尼尔)的芳纶纤维制成，所述的细纱层4由细度为1100d的芳纶纤维制成。通过采用两种细度不同的芳纶纤维，兼顾了生产工艺性和耐磨性能，是抽油杆获得了较好的综合性能。

所述的碳纤维、芳纶纤维以及丙纶条的长度方向均与抽油杆的轴线方向一致，这一结构特点可大大简化抽油杆的生产工艺流程，降低工艺难度，质量稳定性也更容易保证。在制造本发明所述的抽油杆时，各工序仅需要通过现有生产设备中的拉挤模具，即可成型，而不再需要配备编织机、缠绕机、注塑机、喷丸机等机器，对工艺的简化程度十分显著。

抽油杆中碳纤维的质量百分含量为28％-30％，粗纱层2中的芳纶纤维的质量百分含量为22％-24％，丙纶条的质量百分含量为3％-4％，细纱层4中的芳纶纤维的质量百分含量为10％-12％，其余成分为环氧树脂，通过控制各组成部分的质量百分含量，方可得到综合性能符合设计要求的抽油杆。

为保证足够的抗拉强度，现有技术中的碳纤维的规格均为12k的，但在本发明中，为减少纱线轴的数量，降低降低纱线轴对空间占用，本发明采用的碳纤维的规格为t300/6k，使得纱线轴的数量减少了一半，纱线轴占用的空间也减少了一半。

所述的环氧树脂层5内掺加有耐磨颗粒。本发明设置了内外两层耐磨结构(掺加了耐磨颗粒的环氧树脂层5和耐磨层3)，掺加了耐磨颗粒的环氧树脂层5虽然有存在性能盲区的可能，但仍可以防止耐磨层3局部大范围磨损，从而保护了耐磨层3。

优选地，所述的抽油杆的截面形状为长条形或椭圆形，与现有技术中的截面为圆形的抽油杆结构相比，在截面面积相同的情况下，长条形或椭圆形的截面形状的抽油杆的最小弯曲半径更小，从而显著减小了用于盘绕抽油杆的轮盘的直径，使得抽油杆的转运、安装和施工设备的体积大大减小。

在本发明的设计之初，设计人员也考虑到了如何对现有的碳纤维连续抽油杆生产设备进行简化的问题。在现有的碳纤维抽油杆中，为了增加抽油杆的抗劈裂性能和抗剪切性能，往往要在碳纤维芯体1的外侧缠绕至少一层玻璃纤维，这种方式无疑会增加产品生产工艺的复杂性和生产难度。然而，对于本发明所述的碳纤维抽油杆来说，在环氧树脂和丙纶纤维的结合体中，丙纶纤维单丝起到了增强纤维的作用，从而使得环氧树脂和丙纶纤维的结合体具有较大的比强度和比模量，这一特性使得抽油杆的抗劈裂性能和抗剪切性能均得到了显著提高，从而简化了工艺设备，降低了工艺难度。