一种使用含氟材料制作的螺杆钻具定子及应用于该定子的含氟材料的制作方法
【专利说明】一种使用含氟材料制作的螺杆钻具定子及应用于该定子的含氟材料
[0001]
技术领域
[0002]本发明涉及一种耐高温、耐磨损、耐腐蚀并具有高加工性的含氟材料及其在螺杆钻具上的应用，特别是一种使用含氟材料制作的螺杆钻具定子及应用于该定子的含氟材料。
[0003]说明:本申请中含氟材料为碳链上有氟取代的聚合物，可以选用如下材料的单基料或者多基共混料:
PTFE聚四氟乙烯
FEP聚全氟乙丙烯
PFA四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚
PCTFE聚三氟氯乙烯
ETFE乙烯-四氟乙烯共聚物
ECTFE乙烯-三氟氯乙烯共聚物。
[0004]
【背景技术】
[0005]螺杆钻具(PDM drill)即螺杆钻，是一种以钻井液为动力，把液体压力能转为机械能的容积式井下动力钻具。当泥浆泵泵出的泥浆流经旁通阀进入马达，在马达的进、出口形成一定的压力差，推动转子绕定子的轴线旋转，并将转速和扭矩通过万向轴和传动轴传递给钻头，从而实现钻井作业。
[0006]螺杆钻最早是用来打垂直孔，主要用来打各种定向孔和特种工程孔(如矿井冻结孔)。最大钻孔深度达9023米。目前世界上螺杆钻最小直径为44.5毫米，最大直径为304.8毫米。利用螺杆钻进行岩心钻探时，应在驱动轴与钻头间加上岩心管采取岩心。
[0007]螺杆钻一般由旁通阀、螺杆马达(转子和定子)、万向节、轴承和驱动轴几部分组成，其核心是螺杆马达。在螺杆马达转子、定子传动副中，定子齿数Zl比转子齿数Z2多一个即Zl= Z2+1。它们的齿数比通常称为传动比，设计时，可任意选择(1: 2，2:3，...，9:10)。在实际设计工作中，设计高转速的螺杆钻应采用小齿数比螺杆马达，而设计低速大扭矩的螺杆钻应采用大齿数比螺杆马达。随着转子定子齿数比的增大，其效率逐渐趋于下降；螺杆钻的输出扭矩取决于通过马达的管道工作压力降，输出转速取决于通过螺杆马达工作介质的流量。
[0008]钻探时，仍然需要钻探机、泥浆泵、钻杆和钻塔等常规钻探装备。施工定向钻孔时，要借助定向仪给造斜工具定向。与螺杆钻配套使用的造斜工具有弯接头、弯外管和偏心块等。采用螺杆钻施工定向孔能提高钻孔质量，提供精确地质资料，节约进尺，降低成本，解决许多无法施工的工程难题，因此，它是钻探工程的一种特种工具。
[0009]螺杆钻的使用寿命一般为150?200小时，其薄弱环节是定子橡胶耐高温程度低，轴承易损坏。加紧研制与开发用于制造定子的抗磨损耐高温的弹性材料与可靠的轴承系统，从而使螺杆钻的工作寿命得到显著提高，同时研制低速大扭矩螺杆以适用于钻深孔和超深孔也是本领域的一个主要突破方向。
[0010]现有的螺杆钻具定子护套材料分别为NBR和HNBR，其中高温井的长期温度接近170°C，而HNBR的极限温度(静态)为176°C，根据螺杆钻具的工作特性，温度很容易集中在橡胶与转子接触的部分，定、转子间相互挤压、扭转的动态生热。当温度较高、并长期集中在以上区域，则将会导致橡胶老化，从而引起橡胶破坏。高温井的螺杆钻具护套材料使用寿命一般100多小时。使用周期短，维护要求高，影响了钻井工作的效率和开展进度，增加钻井成本。
[0011]
【发明内容】
[0012]为解决上述问题，本发明公开了一种使用含氟材料制作的螺杆钻具定子及应用于该定子的含氟材料，通过利用含氟材料在耐磨损、耐高温、摩擦系数低、工作温度范围广等方面的优势，适用高温，摩擦系数低，有效功率高、延长适用寿命、降低生产成本。
[0013]本发明公开的使用含氟材料制作的螺杆钻具定子，从外到内依次主要为定子金属外管、聚合物层，聚合物层采用含氟材料制作。本发明中利用包括而不限于PTFE聚四氟乙烯、FEP聚全氟乙丙烯、PFA四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚、PCTFE聚三氟氯乙烯、ETFE乙烯-四氟乙烯共聚物、ECTFE乙烯-三氟氯乙烯共聚物等在内的氟塑料，其中氟塑料在使用时可以为前述材料中的某一种或者至少两种的共混物来制备定子的聚合物层，本方案突破性地在螺杆钻具定子中，从而使得螺杆钻具定子具有更好的耐磨性和耐高温性能，适用钻井高温、腐蚀的苛刻工作环境，磨损率低，从而极大地延长了定子的使用寿命，降低设备的维护成本。
[0014]作为一种优选，聚合物层内壁或外壁上设置有内凹的螺纹槽，螺纹槽设置有至少I条并且并列地设置在聚合物层的壁上，螺纹槽的螺旋方向均一致并且以定子中心轴为其螺旋方向伸展轴。本方案可以在定子的内壁上或者外壁上或者内壁以及外壁上设置螺纹槽结构，通过外壁上设置的螺纹槽结构可以与定子金属外管内壁上对应设置的螺纹槽相匹配吻合，起到与定子金属外管固定更为稳定的效果，能够提高定子结构稳定性，延长使用寿命，同时根据生产使用的需要，设定螺纹槽的数量，是在壁上均匀分布或者局部地不均匀分布或者在壁上紧密相邻地设置均可，使得定子的结构具有较大的灵活性，定子可以根据转子功率、转矩等方面的参数来实际选择螺纹槽的安排和设计。
[0015]作为一种优选，螺纹槽并列相邻地设置在整个聚合物层内壁或外壁上。本方案中螺纹槽以一条或者并列的多条的方式螺旋设置在整个聚合物层的内壁或者外壁的表面上，从而使得定子对转子的转矩作用力更为稳定均匀，避免了在生产作业过程中，因受力不均而对设备造成损害，从而能够延长设备的使用寿命，降低生产成本。
[0016]本发明公开的应用于螺杆钻具定子的含氟材料，包括氟塑料以及添加剂，所述的添加剂包括纳米硼纤维或碳纤维或玻璃纤维或石墨或二硫化钥或玻璃微珠中的一种或几种，所述各组分组成(以重量份数计)为:氟塑料100份；添加剂中纳米硼纤维10-15份、碳纤维10-20份、玻璃纤维5-10份或石墨2-5份、二硫化钥1-3份、玻璃微珠10_20份，添加剂总添加量不超过含氟材料总质量的40%。玻璃微珠为粒度30-50微米的多孔玻璃微珠，所述多孔玻璃微珠的性能参数为:比表面积850-900m2/g，孔容积1.0-1.3ml/g,孔半径10_12nm本发明基于含氟材料在使用温度区间、耐高温性能、耐磨损性能以及稳定性等方面的优势，将含氟材料应用于螺杆钻具定子，从而有效地降低在长期使用中的形变和损耗，改善定子对钻井高温、高湿、腐蚀性等环境因素的耐受性，从而极大地延长了定子设备的使用寿命，降低螺杆钻具及其定子的使用和维护成本，并且提高了生产的效率。
[0017]作为一种优选，氟塑料为氟的一元或多元取代聚合物。
[0018]作为一种优选，碳纤维为表面接枝碳纤维。
[0019]作为一种优选，所述表面接枝碳纤维为经过如下步骤制得，将经过清洗干燥后的碳纤维原料作为阳极，在真空中经阴极射线轰击活化20-30S后，注入氩气与四氟乙烯单体，其中氩气压力为200-300pa，四氟乙烯单体气体压力为50_100pa，经弧光放电30s完成在碳纤维表面四氟乙烯接枝。
[0020]作为一种优选，所述碳纤维原料的清洗干燥步骤为，
①将碳纤维在温度为75°C?85°C的条件下使用丙酮清洗去除碳纤维表面的杂质，清洗时间为8h?10h，将清洗后的碳纤维取出，得到丙酮清洗后的碳纤维；
②将步骤①得到的清洗后的碳纤维取出，在温度为70°C?80°C氦气氛围下干燥2h?4h，得到干燥清洗后碳纤维。
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