[发明专利]一种混杂纤维复合材料钻杆

说明书

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。

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。