一种混杂纤维复合材料钻杆
阅读说明：本技术 一种混杂纤维复合材料钻杆 (Hybrid fiber composite drill rod ) 是由 朱波 张敏 曹伟伟 王强 赵大涌 朱安平 王永伟 于 2021-09-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种混杂纤维复合材料钻杆,包括内部刚性层、中间强度层、中间抗扭层和表面耐磨层,其中,内部刚性层为混杂碳纤维多维编织结构与热固性树脂基体复合而成；中间强度层,贴合于内部刚性层外壁设置,为二维平面编织结构与热固性树脂基体复合而成；中间抗扭层,为高强度碳纤维环向缠绕结构与热固性树脂基体复合而成,设置于中间强度层的外侧；表面耐磨层,为高强度碳纤维二维平面编织叠层结构与热固性树脂基体复合而成,设置于中间抗扭层的外侧。该钻杆具有质量轻、较强的刚性、耐冲击性、耐摩擦性、高强度质量比、抗腐蚀性强、疲劳强度高以及钻杆无磁性等优点。(The invention discloses a hybrid fiber composite drill rod which comprises an internal rigid layer, an intermediate strength layer, an intermediate torsion resistant layer and a surface wear-resistant layer, wherein the internal rigid layer is formed by compounding a hybrid carbon fiber multi-dimensional woven structure and a thermosetting resin matrix; the middle strength layer is attached to the outer wall of the internal rigid layer and is formed by compounding a two-dimensional plane woven structure and a thermosetting resin matrix; the middle anti-torsion layer is formed by compounding a high-strength carbon fiber annular winding structure and a thermosetting resin matrix and is arranged on the outer side of the middle strength layer; the surface wear-resistant layer is formed by compounding a high-strength carbon fiber two-dimensional plane woven laminated structure and a thermosetting resin matrix and is arranged on the outer side of the middle anti-torsion layer. The drill rod has the advantages of light weight, strong rigidity, impact resistance, friction resistance, high strength-to-mass ratio, strong corrosion resistance, high fatigue strength, no magnetism of the drill rod and the like.)
技术领域
本发明属于钻杆技术领域，涉及一种混杂纤维复合材料钻杆，具体涉及一种碳纤维混杂多种不同类型纤维，通过缠绕以及多维编织纤维增强结构的热固性树脂基复合材料钻杆。
背景技术
这里的陈述仅提供与本发明相关的
背景技术
，而不必然地构成现有技术。21世纪以来，我国已经成功迈入工业化国家行列。随着对资源需求量不断加大，浅地层资源逐渐枯竭，向地球深部寻找更多资源成为了全球工业发展的趋势。深部勘探面临着高强度、高腐蚀等复杂的工况条件，由此给勘探设备和技术提出更高的要求，尤其是需要适应该种工况条件的高性能钻杆。
目前应用广泛的钻杆类型有：钢钻杆、铝合金钻杆、抗硫钻杆、钛合金钻杆、碳纤维复合材料钻杆等。钢钻杆具有较高的屈服强度和极限强度，耐磨性好和抗腐蚀性强，但是其密度大，单位长度重量大，比强度较小。铝合金钻杆相对于常规钢性钻杆对钻机载荷的要求较低，钻深能力更强，起下钻的能耗更小，速度更快，抗腐蚀能力较强，但抵抗弯曲力较弱，铝合金钻杆材料强度随温度的升高而降低，材料屈服强度和抗拉强度相对于室温明显下降。抗硫钻杆由于材料具有高强度、高硬度，对腐蚀环境具有较强敏感性，易发生腐蚀，所以对抗硫钻杆材料的强度具有很大限制。钛合金钻杆质量轻，具有高耐腐蚀性和抗疲劳特性，但成本高，市场有限。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种混杂纤维复合材料钻杆，该钻杆具有质量轻、较强的刚性、耐冲击性、耐摩擦性、高强度质量比、抗腐蚀性强、疲劳强度高以及钻杆无磁性等优点。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
第一方面，本发明提供了一种混杂纤维复合材料钻杆，包括内部刚性层、中间强度层、中间抗扭层和表面耐磨层，其中，
内部刚性层为混杂碳纤维多维编织结构与热固性树脂基体复合而成；
中间强度层，贴合于内部刚性层外壁设置，为二维平面编织结构与热固性树脂基体复合而成；
中间抗扭层，为高强度碳纤维环向缠绕结构与热固性树脂基体复合而成，设置于中间强度层的外侧；
表面耐磨层，为高强度碳纤维二维平面编织叠层结构与热固性树脂基体复合而成，设置于中间抗扭层的外侧。
该钻杆为通过缠绕以及多维编织纤维增强结构的热固性树脂基复合材料钻杆。
内部刚性层为混杂碳纤维多维编织结构与热固性树脂基体复合而成，混杂碳纤维具有较强的力学性能，混杂碳纤维多维编织结构与热固性树脂基体的复合结构具有较强的力学性能，具有较强的刚性。中间强度层中的二维平面编织叠层结构中部分采用高韧性纤维和高强纤维，既可以获得较高的韧性，又具有较高的强度，赋予钻杆较高的强度，有利于提高钻杆的耐冲击性能。
中间抗扭层为高强度碳纤维环向缠绕结构与热固性树脂基体复合而成，高强碳纤维环向缠绕，可以有效提高钻杆的周向抗拉强度，进而可以有效提高钻杆的抗扭能力。
综上，该钻杆采用多层结构设计组合，提高钻杆杆体的刚性、耐冲击性、耐摩擦以及耐腐蚀性。该复合材料钻杆可降低自重，提高复合材料杆体在地下深井工况条件下的综合力学性能，保证钻探工作的装备使用稳定性和使用寿命。
在一些实施例中，混杂纤维复合材料钻杆的两端还设置有金属端头，钻杆与金属端头通过螺纹连接。
杆体的两端通过螺纹将复合材料杆体自身与金属端头进行胶接连接，钻杆的金属端头保证复合材料钻杆之间的连续长度连接，提高大长度钻杆的连续稳定性，以适应不同钻探深度的大长度钻杆需求。
进一步的，所述金属端头的螺纹底部设置有粘结腔，粘结腔内灌注有树脂粘合剂。
更进一步的，所述树脂粘合剂选自有机硅、丙烯酸、ABS和环氧树脂中的一种。
再进一步的，所述粘结腔的至少一个区域向金属端头的内部延伸。
钻杆本体与金属端头之间通过螺纹连接，钻杆本体的端部与金属端头内部通过树脂粘合剂粘结，在螺纹连接与树脂粘合剂粘结的双重作用下，可以实现钻杆本体与金属端头的牢固连接。
粘结腔的至少一个区域向金属端头的内部延伸，使得粘结剂可以向金属端头内部填充，进一步提高对钻杆本体粘结强度。
在一些实施例中，混杂碳纤维为高强度碳纤维与高模量碳纤维的混杂碳纤维。
进一步的，所述高强度碳纤维选自T300、T700、T800或T1000。
进一步的，所述高模量碳纤维选自M40、M55或M60。
进一步的，混杂碳纤维采用三维四向、三维五向、三维六向、三维七向的编织结构。
进一步的，内部刚性层的厚度为2-4mm。
在一些实施例中，中间强度层的二维平面编织结构采用高强度碳纤维与高韧性碳纤维混合编织而成。
进一步的，高强度碳纤维选自T300、T700、T800或T1000。
进一步的，高韧性碳纤维选自芳纶纤维或超高分子量聚乙烯纤维。
进一步的，二维平面编织结构选自平纹、斜纹或缎纹编织结构。
进一步的，中间强度层的厚度为1-3mm。
在一些实施例中，中间抗扭层中，碳纤维环向缠绕角为5°-30°。此处的环向缠绕角为与钻杆轴向的夹角。
进一步的，中间抗扭层的厚度为1-3mm。
在一些实施例中，表面耐磨层的二维平面编织叠层结构之间采用纵向穿刺纤维缝合。采用纵向穿刺纤维缝合，以提高层间的结合强度。
进一步的，高强度碳纤维选自T300、T700、T800或T1000。
进一步的，纵向穿刺纤维选自芳纶纤维、玻璃纤维或陶瓷纤维。
更进一步的，纵向穿刺纤维用量占表面耐磨层纤维总量的5％-20％。
再进一步的，二维平面编织结构选自平纹、斜纹或缎纹。
进一步的，表面耐磨层的热固性树脂基体中填充有刚性填料。
更进一步的，所述刚性填料选自二氧化硅、碳化硼、碳化硅或氮化硼。
再进一步的，所述刚性填料的粒径为1-10nm。
再进一步的，刚性填料的填充比例为5-15％。此处的填充比例是指刚性填料占表面耐磨层树脂基体的质量百分数。
进一步的，表面耐磨层的厚度为1-5mm。
在一些实施例中，混杂纤维复合材料钻杆中总体树脂的含量为40％-60％。
在一些实施例中，混杂纤维复合材料钻杆的直径为5-15mm。
本发明的以上一种或多种实施例取得的有益效果如下：
1.采用多层结构设计组合，有效提高钻杆杆体的刚性、耐冲击性、耐摩擦性以及耐腐蚀性。
2.采用金属接头连接钻杆杆体两端，有效保证钻杆的之间的稳定连接以适应不同钻探深度的大长度钻杆需求。
3.采用碳纤维混杂多种不同类型纤维，两种纤维匹配，有效增强复合材料性能。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明的一个或多个实施方式的多种纤维缠绕和编织混杂设计的多层组合结构的复合材料钻杆的整体结构示意图；
图2为本发明的一个或多个实施方式的多种纤维缠绕和编织混杂设计的多层组合结构的复合材料钻杆的局部放大图。
图中，1、内部刚性层，2、中间强度层，3、中间抗扭层，4、表面耐磨层。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
实施例1
内部刚性层采用T700高强度碳纤维与M40高模量碳纤维混杂，二者混杂比例为1：1，采用三维四向编织结构进行编织，脲醛树脂进行复合，总体厚度为3mm。中间强度层采用T700高强度碳纤维与芳纶纤维1：1混杂编织，采用二维平纹编织结构，脲醛树脂进行复合，总体厚度为2.5mm。中间抗扭层采用T800碳纤维以30度环向缠绕角进行缠绕，配合脲醛树脂浸渍复合，总体厚度为2mm。表面耐磨层采用T1000高强度碳纤维进行二维平纹编织，采用芳纶纤维在二维编织叠层结构进行纵向穿刺，二者比例为5：1。表面耐磨层基体树脂选择脲醛树脂，内部刚性填料采用5nm二氧化硅超细粉粒，二者比例为9：1，最终表面耐磨层厚度为4mm。
上述四个叠层组合部分总体树脂基体含量为50％，复合材料钻杆的杆体厚度为11.5mm。
钻杆杆体与金属端头采用胶接与机械连接的组合连接方式结合，金属端头内部采用螺纹处理提供杆体之间连续长度的稳定连接结合。杆体与金属端头的结合部位设置一定长度的L型结构设计，内部灌封有机硅粘合剂。
实施例2
内部刚性层采用T800高强度碳纤维与M55高模量碳纤维混杂，二者混杂比例为2：1，采用三维五向编织结构进行编织，不饱和聚酯树脂进行复合，总体厚度为3mm。中间强度层采用T800高强度碳纤维与超高分子量聚乙烯纤维2：1混杂编织，采用二维斜纹编织结构，不饱和聚酯树脂进行复合，总体厚度为2mm。中间抗扭层采用T700碳纤维以20度环向缠绕角进行缠绕，配合不饱和聚酯树脂浸渍复合，总体厚度为2mm。表面耐磨层采用T800高强度碳纤维进行二维斜纹编织，采用玻璃纤维在二维编织叠层结构进行纵向穿刺，二者比例为6：1。表面耐磨层基体树脂选择不饱和聚酯树脂，内部刚性填料采用6nm碳化硼超细粉粒，二者比例为8：1，最终表面耐磨层厚度3mm。
上述四个叠层组合部分总体树脂基体含量为55％，复合材料钻杆的杆体厚度为10mm。
钻杆杆体与金属端头采用胶接与机械连接的组合连接方式结合，金属端头内部采用螺纹处理提供杆体之间连续长度的稳定连接结合。杆体与金属端头的结合部位设置一定长度的L型结构设计，内部灌封丙烯酸粘合剂。
实施例3
内部刚性层采用T300高强度碳纤维与M60高模量碳纤维混杂，二者混杂比例为1：2，采用三维五向编织结构进行编织，环氧树脂进行复合，总体厚度为2mm。中间强度层采用T700高强度碳纤维与超高分子量聚乙烯纤维1：1混杂编织，采用二维缎纹编织结构，环氧树脂进行复合，总体厚度为2mm。中间抗扭层采用T800碳纤维以15度环向缠绕角进行缠绕，配合环氧树脂浸渍复合，总体厚度为2mm。表面耐磨层采用T1000高强度碳纤维进行二维平纹编织，采用陶瓷纤维在二维编织叠层结构进行纵向穿刺，二者比例为9：1。表面耐磨层基体树脂选择环氧树脂，内部刚性填料采用7nm碳化硅超细粉粒，二者比例为10：1，最终表面耐磨层厚度2mm。
上述四个叠层组合部分总体树脂基体含量为45％，复合材料钻杆的杆体厚度为8mm。
钻杆杆体与金属端头采用胶接与机械连接的组合连接方式结合，金属端头内部采用螺纹处理提供杆体之间连续长度的稳定连接结合。杆体与金属端头的结合部位设置一定长度的L型结构设计，内部灌封环氧树脂粘合剂。
实施例4
内部刚性层采用T1000高强度碳纤维与M55高模量碳纤维混杂，二者混杂比例为3：2，采用三维六向编织结构进行编织，酚醛树脂进行复合，总体厚度为2mm。中间强度层采用T800高强度碳纤维与芳纶纤维3：1混杂编织，采用二维斜纹编织结构，酚醛树脂进行复合，总体厚度为2mm。中间抗扭层采用T700碳纤维以10度环向缠绕角进行缠绕，配合酚醛树脂浸渍复合，总体厚度为2mm。表面耐磨层采用T1000高强度碳纤维进行二维平纹编织，采用玻璃纤维在二维编织叠层结构进行纵向穿刺，二者比例为9：1。表面耐磨层基体树脂选择酚醛树脂，内部刚性填料采用5nm二氧化硅超细粉粒，二者比例为9：1，最终表面耐磨层厚度3mm。
上述四个叠层组合部分总体树脂基体含量为50％，复合材料钻杆的杆体厚度为9mm。
钻杆杆体与金属端头采用胶接与机械连接的组合连接方式结合，金属端头内部采用螺纹处理提供杆体之间连续长度的稳定连接结合。杆体与金属端头的结合部位设置一定长度的L型结构设计，内部灌封环有机硅粘合剂。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：井下钻机用提升装置和井下钻机