本发明属于石油钻采工具技术领域，具体涉及一种适用于水基钻井液环境的高性能定子橡胶。
背景技术：
螺杆钻具是当前应用最广泛的井下动力钻具之一，主要由马达总成、万向轴总成和转动轴总成等部件组成。马达总成是为螺杆钻具提供动力，由内表面涂覆橡胶的金属定子管和转子组成，常规螺杆钻具橡胶厚度是不均一的，中国专利CN101656438A提到一种等壁厚结构螺杆钻具，橡胶层厚度基本一致，马达定子能效大大提高，使用寿命得到有效延长。
中国专利CN104744748A公开了一种等壁厚螺杆钻具用耐油定子橡胶，该橡胶混合物采用丁腈橡胶为主体材料，配以橡胶活化剂、增塑剂、补强剂和硫化剂等助剂，混炼胶具有较好的力学性能和工艺性能，该种橡胶适用于油基钻井液环境中，而不适用于水基钻井液环境中。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种适用于水基钻井液环境的高性能定子橡胶，具有较高的撕裂强度和硬度，同时保证在水基钻井液环境中性能维持性较好，性能变化率较低。
本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：
一种适用于水基钻井液环境的高性能定子橡胶，以丁腈橡胶为主体材料，添加有补强剂；其中，所述补强剂为炭黑N550、炭黑N330和无定形SiO2等中的一种或几种任意比例的混合物。
一种适用于水基钻井液环境的高性能定子橡胶，以丁腈橡胶为主体材料，添加有补强剂和增强助剂；其中，所述补强剂为炭黑N550、炭黑N330和无定形SiO2等中的一种或几种任意比例的混合物，所述增强助剂选自纳米碳管、酚醛树脂或者芳纶纤维等中的任意一种。
优选地，所述补强剂混合使用，炭黑N550、炭黑N330和无定形SiO2三者混合质量比例为(4～3):(3～2):(2～1)。
按上述方案，所述补强剂为丁腈橡胶质量的30～70％。
按上述方案，所述增强助剂为丁腈橡胶质量的5～20％。
进一步地，本发明提供一种具体的适用于水基钻井液环境的高性能定子橡胶，其由丁腈橡胶、氧化锌、硬脂酸、防老剂、硫磺、促进剂、增塑剂和补强剂制成，各原料的质量份数为：丁腈橡胶100份，氧化锌3～7份，硬脂酸1～2份，防老剂4～6份，硫磺2～4份，促进剂1.5～3.5份，增塑剂5～10份，补强剂30～70份；所述补强剂为炭黑N550、炭黑N330和无定形SiO2中的一种或几种任意比例的混合物。
进一步地，本发明提供一种具体的适用于水基钻井液环境的高性能定子橡胶，其由丁腈橡胶、氧化锌、硬脂酸、防老剂、硫磺、促进剂、增塑剂和补强剂和增强助剂制成。各原料的质量份数为：丁腈橡胶100份，氧化锌3～7份，硬脂酸1～2份，防老剂4～6份，硫磺2～4份，促进剂1.5～3.5份，增塑剂5～10份，补强剂30～70份，增强助剂5～20份；其中，所述补强剂为炭黑N550、炭黑N330和无定形SiO2等中的一种或几种任意比例的混合物，所述增强助剂选自纳米碳管、酚醛树脂或者芳纶纤维等中的任意一种。
按上述方案，所述防老剂宜采用胺类或者酚类防老剂，能给定子橡胶提供较好的防老特性，同时有利于橡胶焦烧时间的延长，有利于橡胶注射成型工艺过程的实施。胺类和酚类防老剂可以按照多种形式比例复配混合，本发明中胺类和酚类防老剂的质量比例优选1:(1～2)。
对于本发明所述适用于水基钻井液环境的高性能定子橡胶，先将丁腈橡胶置于密炼机中塑炼60～120秒，然后加入防老剂、氧化锌、硬脂酸、硫磺和增强助剂(对于不添加增强助剂的情况时，此处增强助剂省略即可)，混炼时间为90～150秒，再将炭黑N550、炭黑N330、无定形SiO2和增塑剂均分为两次加入，每次混炼时间为90～150秒，最后加入促进剂，混炼60～120秒后排胶，然后在开炼机上压片，停放14～18小时后在平板硫化机上硫化，最后进行裁样和性能测试。
与现有技术相比，本发明的有益效果为如下：
(1)本发明所述高性能定子橡胶适用于等壁厚螺杆钻具，以丁腈橡胶为主体材料，对补强体系进行优化组合，同时加入特殊增强助剂，有效提高橡胶的硬度和撕裂强度，以保持螺杆钻具工作的稳定性，同时具有较高的硬度，使得螺杆钻具具有较高的输出扭矩和工作效率。
(2)本发明所述高性能定子橡胶适用于水基钻井液环境中，尤其是在定子橡胶配方中加入三种炭黑N550、炭黑N330和无定形SiO2补强剂，并以一定比例进行复配组合，有效提高了橡胶材料的硬度和撕裂强度，降低了橡胶在水基钻井液中的变化率；同时，在此基础上，加入了纳米碳管、酚醛树脂或者芳纶纤维增强助剂，更进一步提高了橡胶材料的力学性能和耐水基钻井液性能。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明不仅仅局限于下面的实施例。
下述实施例中，丁腈橡胶N32是日本瑞翁公司生产，丙烯腈含量为33％，门尼粘度为35；防老剂D和防老剂4020宜选用一级品或其以上等级；硫磺选用分散剂和润湿剂处理的可溶性硫磺；增塑剂G-25是一种高分子量的癸二酸酯，分子量约为10000；纳米碳管和芳纶纤维采用表面官能团(下述实施例中为羟基活性基团)改性处理，可以直接从市场上购买获得；酚醛树脂采用妥尔油改性处理过的树脂材料。
实施例
实施例中具体以等壁厚螺杆钻具高性能定子橡胶为例说明，其适用于水基钻井液环境。实施例1～5均采用丁腈橡胶N32为主体材料，以硫磺和促进剂DM为硫化体系，以防老剂MB和4020为防老体系，高分子化合物G-25为增塑体系，氧化锌和硬脂酸为活化剂；在实施例1中，还加入炭黑N550为补强剂；在实施例2中，还加入炭黑N550、N330和无定形SiO2为复合补强体系；实施例3是在实施例2的基础上加入纳米碳管；实施例4是在实施例2的基础上加入酚醛树脂；实施例5是在实施例2的基础上加入芳纶纤维。表1为实施例1～5的原各料具体配比，以100重量份丁腈橡胶为基准。
表1
对于实施例1～5所述适用于水基钻井液环境的高性能定子橡胶的制备方法，先将丁腈橡胶置于密炼机中塑炼90秒，然后加入防老剂、氧化锌、硬脂酸、硫磺和增强助剂(对于不添加增强助剂的情况时，此处增强助剂省略即可)，混炼时间为120秒，再将炭黑N550、炭黑N330、无定形SiO2和增塑剂均分为两次加入，每次混炼时间为120秒，最后加入促进剂，混炼90秒后排胶，然后在开炼机上压片，停放16小时后在平板硫化机上硫化，最后进行裁样和性能测试。
上述实施例1～5所得等壁厚螺杆钻具高性能定子橡胶的力学性能和热水性能，检测结果如下表2所示。
表2
由表2可知，本发明所述高性能定子橡胶中添加了补强剂N330、N550和或无定形SiO2有效提高了胶料的硬度、拉伸强度和撕裂性能，且耐水基泥浆钻井液性能也有所提高；并且，加入了增强助剂纳米碳管、酚醛树脂或芳纶纤维后均提高了胶料的硬度、拉伸强度、撕裂强度和耐水基泥浆钻井液性能，尤其纳米碳管的效果最显著。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干改进和变换，这些都属于本发明的保护范围。