具有自主修复功能的碳纤维复合材料抽油杆的制作方法

本实用新型涉及油田采油技术领域，特别是指一种具有自主修复功能的碳纤维复合材料抽油杆。

背景技术：

随着石油开采工业的发展和采油规模的不断提高，对于复杂油井的有效利用和更大深度油井的二次开发都成为重中之重的工作，目前国内采油的油井类型也出现了复杂的趋势，因此传统的钢制抽油杆逐渐被复合材料材质的抽油杆所替代。

复合材料属于多相固体材料，目前国内采用的抽油杆主要是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种，这两种抽油杆重量轻、综合力学特性优异，但是由于井下环境的日益复杂，对于复合材料材质的摩擦磨损问题也越来越严重，尤其在稠油井和井下地质环境复杂的条件下，随着抽油杆的往复运动日益频繁，难免出现杆体表面的裂纹和缺陷，而较大的裂纹必然带来复合材料的缺陷扩展，进而影响杆体的正常使用，严重的还会造成杆体断裂。

技术实现要素：

本实用新型提供一种具有自主修复功能的碳纤维复合材料抽油杆，能够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服役过程出现微缺陷的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型提供技术方案如下：

一种具有自主修复功能的碳纤维复合材料抽油杆，由内到外依次包括碳纤维单向复合材料芯层、热塑性纤维热熔编织层和短切碳纤维增强热固性树脂耐腐蚀刚性层，其中：

所述碳纤维单向复合材料芯层采用圆棒结构，以连续单向碳纤维长丝增强热固性树脂基体构成；

所述热塑性纤维热熔编织层位于所述碳纤维单向复合材料芯层表面，采用热塑性有机纤维长丝编织制备；

所述短切碳纤维增强热固性树脂耐腐蚀刚性层采用特定长度的短切碳纤维混入热固性树脂基体中，在所述热塑性纤维热熔编织层表面注射涂覆最终热固化形成。

进一步的，所述碳纤维单向复合材料芯层采用高强碳纤维的单向排布结构浸渍热固性树脂基体，该高强碳纤维采用T300、T700、T800、T1000中的一种，该热固性树脂基体采用环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂中的一种。

进一步的，所述碳纤维单向复合材料芯层的热固性树脂基体的含量控制在30％-60％范围内，所述碳纤维单向复合材料芯层的直径控制在3-5mm之间。

进一步的，所述热塑性纤维热熔编织层采用二维纤维的编织手法制备，该纤维采用热塑性低温热熔纤维长丝，所述热塑性低温热熔纤维长丝为聚氨酯、聚乙烯、聚丙烯、聚醚酮、聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚酰胺、聚酰亚胺长丝中的一种，采用平纹、斜纹、缎纹中的一种编织手段进行编织。

进一步的，所述热塑性纤维热熔编织层的厚度控制在0.6-1mm之间。

进一步的，所述短切碳纤维增强热固性树脂耐腐蚀刚性层的短切碳纤维采用高强型T300、T700、T800、T1000中的一种，热固性树脂基体采用环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂中的一种。

进一步的，所述短切碳纤维增强热固性树脂耐腐蚀刚性层的短切碳纤维的短切长度控制在2-10mm范围内。

进一步的，当抽油杆在服役过程中在所述碳纤维单向复合材料芯层或者短切碳纤维增强热固性树脂耐腐蚀刚性层产生微裂纹时，对整个抽油杆连续杆体的缺陷问题部位进行加热处理，所述热塑性纤维热熔编织层的纤维织物具备低温热熔特性和高流动性，能够有效填充服役过程的微裂纹缺陷，形成热塑性基体增韧热固性树脂基体的复合结构，有效修补缺陷，延长杆体的正常工作服役寿命。

本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型的具有自主修复功能的碳纤维复合材料抽油杆，应用于石油工业采油设备，具有微裂纹自修复自愈合功能，包括：内部碳纤维单向复合材料芯层、中间热塑性纤维热熔编织层、外部短切碳纤维增强热固性树脂耐腐蚀刚性层三个部分，当抽油杆在服役过程中在芯层或者表面刚性层产生微裂纹时，可对整体抽油杆进行受热处理，中间热塑编织成的纤维织物具备低温热熔特性和高流动性，有效填充服役过程的微裂纹缺陷，对表面刚性层和内部芯棒层的增韧处理，提高整体使用寿命。

附图说明

图1为本实用新型的具有自主修复功能的碳纤维复合材料抽油杆的截面结构示意图，其中：碳纤维单向复合材料芯层1，热塑性纤维热熔编织层2，短切碳纤维增强热固性树脂耐腐蚀刚性层3。

具体实施方式

为使本实用新型要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本实用新型提供一种具有自主修复功能的碳纤维复合材料抽油杆，如图1所示，由内到外依次包括碳纤维单向复合材料芯层1、热塑性纤维热熔编织层2和短切碳纤维增强热固性树脂耐腐蚀刚性层3三个部分，其中：

碳纤维单向复合材料芯层1采用圆棒结构，以连续单向碳纤维长丝增强热固性树脂基体构成；

中间的热塑性纤维热熔编织层2位于碳纤维单向复合材料芯层1表面，采用热塑性有机纤维长丝编织制备；

外部的短切碳纤维增强热固性树脂耐腐蚀刚性层3采用特定长度的短切碳纤维混入热固性树脂基体中，在中间的热塑性纤维热熔编织层2表面注射涂覆最终热固化形成。

本实用新型的具有自主修复功能的碳纤维复合材料抽油杆，应用于石油工业采油设备，具有微裂纹自修复自愈合功能，包括：内部碳纤维单向复合材料芯层、中间热塑性纤维热熔编织层、外部短切碳纤维增强热固性树脂耐腐蚀刚性层三个部分，当抽油杆在服役过程中在芯层或者表面刚性层产生微裂纹时，可对整体抽油杆进行受热处理，中间热塑编织成的纤维织物具备低温热熔特性和高流动性，有效填充服役过程的微裂纹缺陷，对表面刚性层和内部芯棒层的增韧处理，提高整体使用寿命。

优选的，碳纤维单向复合材料芯层采用高强碳纤维的单向排布结构浸渍热固性树脂基体，该高强碳纤维可以采用T300、T700、T800、T1000中的任意一种，该热固性树脂基体采用环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂中的任意一种。

进一步的，碳纤维单向复合材料芯层的热固性树脂基体的含量控制在30％-60％范围内，碳纤维单向复合材料芯层的直径可以根据使用要求灵活调整，具体地，可以控制在3-5mm之间。

作为本实用新型的一种改进，热塑性纤维热熔编织层采用二维纤维的编织手法制备，该纤维采用热塑性低温热熔纤维长丝，热塑性低温热熔纤维长丝可以为聚氨酯、聚乙烯、聚丙烯、聚醚酮、聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚酰胺、聚酰亚胺长丝中的任意一种，可以采用平纹、斜纹、缎纹中的任意一种编织手段进行编织。

优选的，热塑性纤维热熔编织层的厚度可以根据使用要求灵活调整，具体地，可以控制在0.6-1mm之间。

进一步的，短切碳纤维增强热固性树脂耐腐蚀刚性层的短切碳纤维可以采用高强型T300、T700、T800、T1000中的任意一种，热固性树脂基体可以采用环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂中的任意一种，将短切碳纤维混入热固性树脂基体中，最终的混合比例可以根据使用要求灵活调，在中间的热塑性纤维热熔编织层的表面采用注射涂覆最终热固化的方式制备短切碳纤维增强热固性树脂耐腐蚀刚性层，其厚度可以根据使用要求灵活调整。

优选的，短切碳纤维增强热固性树脂耐腐蚀刚性层的短切碳纤维的短切长度可以控制在2-10mm范围内。

本实用新型中，使用时，当抽油杆在服役过程中在碳纤维单向复合材料芯层或者短切碳纤维增强热固性树脂耐腐蚀刚性层产生微裂纹时，对整个抽油杆连续杆体的缺陷问题部位进行加热处理，热塑性纤维热熔编织层的纤维织物具备低温热熔特性和高流动性，能够有效填充服役过程的微裂纹缺陷，形成热塑性基体增韧热固性树脂基体的复合结构，有效修补缺陷，延长杆体的正常工作服役寿命。

下面结合具体实施例进一步说明本实用新型的特征和细节，但所列过程和数据并不意味着对本实用新型范围的限制。

实施例1

一种具有自主修复功能的碳纤维复合材料抽油杆包括：内部碳纤维单向复合材料芯层、中间热塑性纤维热熔编织层、外部短切碳纤维增强热固性树脂耐腐蚀刚性层三个部分，采用T300单向高强碳纤维浸渍环氧树脂，树脂基体含量控制在30％，制备直径为5mm的内部碳纤维单向复合材料芯层棒，在芯层棒的表面采用平纹编织结构，采用聚氨酯长丝编织厚度为0.6mm的中间热塑性纤维热熔编织层，在热熔编织层表面采用短切长度为10mm的高强型T300碳纤维混入环氧树脂中形成混合物，之后通过注射涂覆最终127℃热固化的方式制备厚度为1mm的表面耐腐蚀刚性层；

在服役过程中如果产生明显的芯层或表面层的界面裂纹或者基体裂纹，可对整个连续杆体的缺陷问题部位进行170℃的加热处理，利用中间热塑性纤维的热熔流动填充所需修补的缺陷位置，形成热塑性基体增韧热固性树脂基体的复合结构，有效修补缺陷。

实施例2

一种具有自主修复功能的碳纤维复合材料抽油杆包括：内部碳纤维单向复合材料芯层、中间热塑性纤维热熔编织层、外部短切碳纤维增强热固性树脂耐腐蚀刚性层三个部分，采用T700单向高强碳纤维浸渍酚醛树脂，树脂基体含量控制在40％，制备直径为4mm的内部碳纤维单向复合材料芯层棒，在芯层棒的表面采用斜纹编织结构，采用聚乙烯长丝编织厚度为0.9mm的中间热塑性纤维热熔编织层，在热熔编织层表面采用短切长度为7mm的高强型T300碳纤维混入环氧树脂中形成混合物，之后通过注射涂覆最终130℃热固化的方式制备厚度为2mm的表面耐腐蚀刚性层；

在服役过程中如果产生明显的芯层或表面层的界面裂纹或者基体裂纹，可对整个连续杆体的缺陷问题部位进行150℃的加热处理，利用中间热塑性纤维的热熔流动填充所需修补的缺陷位置，形成热塑性基体增韧热固性树脂基体的复合结构，有效修补缺陷。

实施例3

一种具有自主修复功能的碳纤维复合材料抽油杆包括：内部碳纤维单向复合材料芯层、中间热塑性纤维热熔编织层、外部短切碳纤维增强热固性树脂耐腐蚀刚性层三个部分，采用T800单向高强碳纤维浸渍环氧树脂，树脂基体含量控制在40％，制备直径为4mm的内部碳纤维单向复合材料芯层棒，在芯层棒的表面采用缎纹编织结构，采用聚丙烯长丝编织厚度为1mm的中间热塑性纤维热熔编织层，在热熔编织层表面采用短切长度为9mm的高强型T1000碳纤维混入环氧树脂中形成混合物，之后通过注射涂覆最终120℃热固化的方式制备厚度为1mm的表面耐腐蚀刚性层；

在服役过程中如果产生明显的芯层或表面层的界面裂纹或者基体裂纹，可对整个连续杆体的缺陷问题部位进行180℃的加热处理，利用中间热塑性纤维的热熔流动填充所需修补的缺陷位置，形成热塑性基体增韧热固性树脂基体的复合结构，有效修补缺陷。

实施例4

一种具有自主修复功能的碳纤维复合材料抽油杆包括：内部碳纤维单向复合材料芯层、中间热塑性纤维热熔编织层、外部短切碳纤维增强热固性树脂耐腐蚀刚性层三个部分，采用T1000单向高强碳纤维浸渍环氧树脂，树脂基体含量控制在45％，制备直径为3mm的内部碳纤维单向复合材料芯层棒，在芯层棒的表面采用平纹编织结构，采用聚乙烯长丝编织厚度为0.8mm的中间热塑性纤维热熔编织层，在热熔编织层表面采用短切长度为9mm的高强型T800碳纤维混入环氧树脂中形成混合物，之后通过注射涂覆最终126℃热固化的方式制备厚度为2.5mm的表面耐腐蚀刚性层；

在服役过程中如果产生明显的芯层或表面层的界面裂纹或者基体裂纹，可对整个连续杆体的缺陷问题部位进行155℃的加热处理，利用中间热塑性纤维的热熔流动填充所需修补的缺陷位置，形成热塑性基体增韧热固性树脂基体的复合结构，有效修补缺陷。

以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。