包括碳纳米森林的接头的制作方法
【专利说明】包括碳纳米森林的接头
[0001]背景
[0002]本文所述的创新实施方案涉及使用碳纳米森林以便减少磨料颗粒进入可压缩密封元件的接头。
[0003]可压缩密封元件(例如，0形环)用于在各种井眼工具中密封接头(例如，旋转接头、静态接头等等)。在一些实例中，可压缩密封元件用来保护井眼工具的其他部分(如轴承)。在操作期间，可压缩密封元件经常与包括磨料颗粒的井眼液接触。这些磨料颗粒可以磨损可压缩密封元件。随着可压缩密封元件磨损，可能穿过可压缩密封元件形成泄漏，从而使磨料颗粒接触并损害可压缩密封元件意图保护的井眼工具的部分。这可导致不希望的工具损害和可能地操作停止。
[0004]附图简述
[0005]以下附图用于说明本发明的某些方面，并且不应视作排他的实施方案。如本领域中的技术人员以及受益于本公开的人员将了解，所公开的主题能够在形式和功能上存在许多修改、变更、组合和等效形式。
[0006]图1提供牙轮钻头的图。
[0007]图2提供用于将井眼钻探至地下地层中的钻机的图。
[0008]图3提供根据本文所述的至少一个实施方案的牙轮钻头的一部分的截面图，碳纳米森林在接头间隙的未密封区段中。
[0009]图4A提供接头间隙的截面图，其示出经由本文所述的碳纳米森林的过滤。
[0010]图4B提供沿着接头间隙的端视图，其示出经由本文所述的碳纳米森林的过滤。
[0011]图5提供碳纳米森林在未密封区段中的接头间隙的截面图。
[0012]图6提供碳纳米森林在未密封区段中的接头间隙的截面图。
[0013]图7示出在本文所述的接头的配合表面上生长碳纳米森林以便实现直接联接。
[0014]图8示出在衬底上生长碳纳米森林并将所述碳纳米森林粘合地联接至本文所述的接头的配合表面。
[0015]详述
[0016]本文所述的创新实施方案涉及使用碳纳米森林以便减少磨料颗粒进入可压缩密封元件的接头。
[0017]如本文所用，术语“碳纳米森林”指垂直对准的多个碳纳米结构，也就是，所述纳米结构的长轴线从联接至其的衬底基本上垂直延伸。碳纳米森林可以包括单壁碳纳米管(“SWNT”)、多壁碳纳米管(“MWNT”)(例如，2个至50个或更多个壁)、碳纳米角、石墨烯、石墨稀纳米带、其他拉长的碳拉米结构或其组合。应注意的是石墨稀包括少层石墨稀。
[0018]在一个方面，本公开识别并解决潜在地损害可压缩密封元件(如在钻头中以及在其他井眼工具(如滑动套筒、钻孔器、栗等等)中的密封)的在钻井液中的磨料颗粒的问题。如本文所识别的，在钻井液(例如，地层岩肩以及如增重剂的添加剂)中的磨料颗粒通常非常湍流地且以非常高的速度移动。所公开系统和方法包括碳纳米森林的各种具体使用，以便帮助困住或以其他方式缓和此类磨料颗粒进入可压缩密封元件来防止磨料磨损。因此，将最小化与磨料材料相关联的此类问题，这将延长井眼工具的使用期限。例如，延长钻头的使用期限可以减少在钻探操作中从井下环境收回钻头的次数(这可能花费数小时)，从而最小化非生产性的时间和成本。
[0019]在井眼钻探中使用的一种普通类型的钻头是牙轮钻头，其实例在图1中作为100示出。在此类钻头中，旋转锥102具有在它们外表面上的齿104(例如，硬质合金刀片或铣削类型的齿)并且各自安装在钻头体的臂106上。在钻探期间，如图2所示，钻机208使用管210的区段来将旋转力转移至钻头200和栗212，以便通过管210的区段将钻井液(如作为流动箭头A示出)循环至井眼的底部。当钻头旋转时，所施加的钻头上的重量(“W0B”)迫使旋转锥的指向下方的齿进入被钻探的地层。因此，所述齿的点施加超过地层的屈服应力的可压缩应力，并且这诱导地层中的断裂。所产生碎片(也称为“岩肩”)被高流率的钻井液(也称为“泥浆”)从切割面冲走。
[0020]图3示出根据本公开的方面的具有可被保护的密封的牙轮钻头的一部分的截面图。更具体地说，图3示出牙轮钻头的示例性接头302。接头302包括第一元件和第二元件，例如在此实施方案中分别为牙轮304和支撑臂308。牙轮304支撑在轴承334和主轴336上。这两种元件中的每一个一牙轮304和支撑臂308—具有相对的配合表面:牙轮304的第一配合表面306和支撑臂308的第二配合表面310，其共同地限定间隙300。配合表面306与配合表面310之间的距离可以沿着间隙300改变。可压缩密封元件318被配置来密封间隙300的一部分，从而限定密封区段312和未密封区段314。通常，配合表面306与配合表面310之间的距离沿着间隙300的密封区段312比沿着间隙300的未密封区段314更小，这提供包括本文所述的碳纳米森林的必要空间。然而，在其他实施方案中，在不背离本公开的范围的情况下，配合表面306与配合表面310之间的距离沿着间隙300的密封区段312可比沿着间隙300的未密封区段314更大，或者所述距离可基本上相等。
[0021]在一些实施方案中，至少一个碳纳米森林在间隙300的未密封区段314的至少一部分内，并联接至配合表面306或310中的一个。在一些实例中，碳纳米森林可以延伸超过间隙300，并联接至对应于所述碳纳米森林联接至的配合表面的延伸表面。再次参考图3，碳纳米森林320联接至包括延伸表面310’的一部分的第二配合表面310的一部分。
[0022]碳纳米森林可以通过多种方法联接至配合表面，所述方法包括在所述配合表面上直接生长碳纳米森林(本文称为“直接联接”或其语法上的等效物)，或将所述碳纳米森林或对应衬底粘合至所述配合表面(本文称为“粘合地联接”或其语法上的等效物)。应注意除非另外规定，否则描述将碳纳米森林联接至配合表面的实施方案包括直接联接和粘合剂联接。本文进一步讨论用于实现每种联接的方法。
[0023]在所公开实施方案中的一些中，例如碳纳米森林被示出为从一个配合表面朝向另一配合表面延伸但不接触另一配合表面或联接至其的另一个碳纳米森林。另选地，在本教义范围内的其他实施方案中，碳纳米森林可以从配合表面延伸至期望的程度或距离(例如，以便不接触或最低限度地接触另一配合表面或联接至其的另一个碳纳米森林，或以便由另一配合表面或联接至其的另一个碳纳米森林压缩)。例如，在一些实施方案中，碳纳米森林可以在接头间隙中受压缩。
[0024]图4A和图4B示出根据一个或多个实施方案的在第一元件404与第二元件408之间的具有安置在其中的碳纳米森林420的示例性间隙400的放大视图。在示例性操作中，碳纳米森林420可以作用为过滤器以便减少磨料颗粒436进入可压缩密封元件418 (图4A)，从而延长密封元件418和井眼工具的使用期限。图4A示出部分间隙400的截面图，其示出在未密封区段414中流动以便接触碳纳米森林420的包括磨料颗粒436的钻井液。循环通过或以其他方式流动通过未密封区段414的流体可以遇到碳纳米森林410，并且一些将返回井眼(箭头A)，而一些可以横穿(箭头B)碳纳米森林420以便到达可压缩密封元件418。碳纳米森林420可以被配置来阻碍大多数的磨料颗粒436，从而允许颗粒与流体一起再循环出间隙400 (箭头A)，并且基本上过滤与横穿碳纳米森林420 (箭头B)的流体一起运送的其他磨料颗粒436。图4B示出沿着间隙400内的碳纳米森林420的一部分的端视图，并将多个磨料颗粒436示为困在碳纳米森林420中。
[0025]此外，在没有理论上的限制的情况下，据信随着碳纳米森林磨损，副产物将包括纳米管区段、石墨烯或少层