用于牙轮钻头密封件的弹性体-导热碳纤维组合物的制作方法
【技术领域】
[0001 ] 本公开设及用于牙轮钻头(roller-cone drill bit)的密封件的导热弹性体-导 热碳纤维组合物。本公开还设及由此类组合物形成的密封件，并且设及包含此类密封件的 牙轮钻头。
【背景技术】
[0002] 牙轮钻头通常采用密封件W将润滑剂包含在钻头内，或用W保护钻头的内部结 构。此类密封件必须在钻头使用期间遇到的井下条件下操作期间抗受机械性能退化。当钻 头从井眼抽出时，密封失效会导致对钻头造成损坏或损耗时间。当必须频繁地将钻头从井 眼抽出时，具有较短使用寿命的密封件也导致损耗时间。因此，需要能够提高密封件使用寿 命的材料。
【发明内容】
[0003] 本公开设及用于牙轮钻头密封件中的导热弹性体-导热碳纤维组合物。所述组合 物与在本文中公开的不含导热碳纤维或包括不同碳材料的弹性体相比可显示优越的导热 率。
[0004] 本公开还设及一种用于牙轮钻头的包含此类弹性体-导热碳纤维组合物的密封 件。当此类密封件在牙轮钻头中使用时，与由在本文中公开的不含导热碳纤维或包括不同 碳材料的弹性体形成的密封件相比可具有改善的耐磨性或使用寿命。
[0005] 本公开另外地设及包括由弹性体-导热碳纤维组合物形成的密封件的牙轮钻头。 此类牙轮钻头与包括由在本文中公开的不含导热碳纤维或包括不同碳材料的弹性体形成 的密封件的牙轮钻头相比可经历较不频繁的密封失效。
【附图说明】
[0006] 通过参考结合附图做出的W下描述，可W获得对其某些实施方案和优点的更加完 整和彻底的理解，其中相似的附图标记指示相似的特征，并且其中：
[0007] 图1示出弹性体-导热碳纤维组合物的导热率结果；
[000引图2示出弹性体中的其它导热碳纤维组合物的导热率结果；
[0009] 图3是ThermalGra地D邸的沈M图像。
[0010] 图4是（具有ThermalGra地D邸的）试样集3的沈M图像。
[0011] 图5是示出牙轮钻头的一个实施例的等距视图的示意图；
[0012] 图6是示出与图3的钻头关联的支撑臂、锥形组件和润滑系统的部分剖开的截面的 示意图；并且
[0013] 图7是示出具有支撑臂、锥形组件和关联的润滑脂系统中的至少一者的旋转锥形 钻头的另一个实施例的部分剖开的截面的示意图。
【具体实施方式】
[0014] 本公开设及用于牙轮钻头的密封件的弹性体-导热碳纤维组合物，W及由此类组 合物形成的密封件，W及包括此类密封件的钻头。
[0015] 在具体的实施方案中，本公开的弹性体-导热碳纤维组合物可W具有至少0.5瓦特 每米开尔文(W/Mk)、至少0.6W/mK或至少1 W/mK的导热率。
[0016] 根据本公开的弹性体-导热碳纤维组合物可W包括W其它方式适用于牙轮钻头的 密封件中的弹性体。根据一个实施方案，弹性体可W包括氨化下腊橡胶化NBR)、丙締腊下二 締苯乙締(ABS)橡胶、乙締-丙締-二締单体(EPDM)橡胶、乙締乙酸乙締醋巧VA)橡胶、部分氣 化橡胶、下腊橡胶(NBR)、下苯橡胶(SBR)、天然聚异戊二締(NP)、聚下二締(BR)、氯下二締橡 胶(CR)J基橡胶、乙丙橡胶巧PM)、环氧氯丙烷化C0)、聚丙締酸醋橡胶(ACM)、娃橡胶(SI)、 氣娃橡胶(FVMQ)、氣橡胶(FKM)及其组合。根据更加具体的实施方案，可W避免使用某些高 成本弹性体，诸如全氣弹性体。
[0017] 在具体的实施方案中，根据本公开的弹性体-导热碳纤维组合物可W包括至少5份 地r(每一百份）、至少25地r或至少50地r的石墨化导热碳纤维。
[0018] 碳纤维可W包括非金属导热碳纤维。此类纤维所具有的浓度和物理布置可W适于 允许它们将热从组合物中的局部区域导出或散出。根据一个实施方案，碳纤维可W衍生自 渐青，或可W具有高的石墨含量，运可W改善它们的导热率。根据另一个实施方案，碳纤维 可W具有至少450W/mK、至少600W/mK或在具体的实施方案中至少800W/mK的纵向导热率。
[0019] 根据一个实施方案，导热碳纤维的直径可W是纳米级或微米级的。例如，它们的直 径可W小于20微米、小于1微米、小于IOOnm或小于50nm。导热碳纤维在其它尺寸上可W是大 于纳米级或微米级的。例如，它们的长度可W是在微米级或甚至毫米级上。在一个实施方案 中，导热碳纤维的长度可W是从大约20微米到大约25mm的范围中。例如，它们可W是2-3mm 长。
[0020] 碳纤维可W被切碎或研磨W便获得所希望的长度。经切碎的纤维通常长于1mm，并 且所有纤维具有均匀的长度，因为它们是通过将单个长丝切割成具有所希望长度的纤维片 段得W获得。由于研磨的机械过程，经研磨的纤维处于微米范围并且通常短于1mm。在一些 实施方案中，导热纤维是至少两个不同长度的混合物，其中一组纤维长于1mm，并且另一组 短于1mm。在具体的实施方案中，所述纤维长度呈模态分布。在另一个具体的实施方案中，所 述纤维是呈多重模态分布的。本领域普通技术人员应理解的是，当论述多个单独的纤维(诸 如碳纤维）的尺寸时，该尺寸表示平均数、中位数或代表此类纤维的性能的其它方式，并且 不可W应用到所述多个单独纤维中的每个纤维。
[0021] 根据另一个实施方案，导热纤维可W具有从大约0.2E+6psi到3E+6psi的拉伸模 量。当所述碳纤维包括在由本公开的弹性体-导热碳纤维组合物形成的密封件中时，此类高 拉伸模量可W提供有利的机械性质。
[0022] 根据一个实施方案，所述碳纤维可W包括诸如W Therma瞄mpli?DKD(Cytec Engineered Materials ,Tempe ,AZ)的名称销售的渐青基高导热率纤维。运些碳纤维具有 400-650W/mK的纵向导热率，其比金属铜(化)高出50%。运些碳纤维也具有至少IOOMsi的拉 伸模量。表1中提供了 ThermalGraph]<'. DKD碳纤维的另外的性质。
[0023]表 1
[002引根据另一个实施方案，所述碳纤维可W包括诸如WGRAN0C?XN-100(Nippon Gra地ite，东京，日本)的名称销售的渐青基高石墨含量的碳纤维。运些纤维具有900W/mK的 纵向导热率。运些纤维可用为2-3mm长的经切碎或研磨的纤维。经切碎的XN-100纤维的长度 可W是l-25mm。经研磨的XN-IOO纤维的长度可W是50皿、150皿或250皿。GRAN0C?XN-100可 W具有2.22g/cm3的密度。由于具有高百分比的结晶石墨，因而导热纤维的密度显著地大于 普通碳颗粒，诸如碳黑或碳纤维。
[0026] 在具体的实施方案中，弹性体-导热碳纤维组合物可W在同一种组合物中包括多 于一种类型的碳纤维。不同类型的碳纤维可W具有不同化学成分、尺寸(诸如长度或直径） 或者不同的物理性质(诸如纵向导热率或拉伸模量）。
[0027] 根据另一个实施方案，弹性体-导热碳纤维组合物还可W包括另外的导热填料。例 如，它们可W包括无机填料，诸如氧化儀、氧化侣、氧化锋或氧化娃。
[0028] 弹性体-导热碳纤维组合物可W通过类似于适于在牙轮钻头的具有碳纤维(其在 所述过程期间被添加）的密封件中使用的弹性体材料的方式形成。碳纤维的不连续性质可 W使它们自由流动，运可W促进与其它材料进行混合。在包括导热填料的实施方案中，所述 导热填料可W在弹性体-导热碳纤维组合物固化之前进行添加。
[0029] 本公开也设及用于牙轮钻头的由如本文所述的弹性体-导热碳纤维组合物形成的 密封件。在具体的实施方案中，此类密封件可W用来将润滑剂保持在润滑脂胆藏器内或防 止流体进入到包括轴承的区域中。在钻探期间，可W将密封件暴露到钻头的外部环境。
[0030] 根据一个实施方案，根据本公开的密封件可W在牙轮钻头中使用期间具有比仅由 弹性体或由比本文论述的那些包括不同碳材料的弹性体形成的类似密封件更长的使用寿 命。
[0031] 根据具体的实施方案，根据本公开的密封件可能够机械地消散由密封件内的局部 区域生成的热量。运可W帮助防止密封失效并且因此改善密封件使用寿命。
[0032] 根据另一个具体的实施方案，根据本公开的密封件可W具有高的耐磨性。
[0033] 根据另一个具体的实施方案，根据本公开的密封件可W具有低的摩擦系数。
[0034] 根据另一个实施方案，根据本公开的密封件与不包括导热碳纤维的组合物相比可 W减少在负载下挤出的倾向。
[0035] 根据另一个实施方案，根据本公开的密封件可W耐受与在利用牙轮钻头钻探井的 井眼中遇到的控流体和钻井液的化学反应。
[0036] 根据另一个实施方案，本公开设及包括如本文所述的一个或多个密封件的牙轮钻 头。图5-图7示出示例的牙轮钻头。
[0037] 钻头10可W包括向钻头10的外部部分开放的润滑脂腔体56(图5中未示出）。润滑 脂腔体56可W包括由设置在润滑脂腔体56内的润滑脂容器58部分限定的润滑脂胆藏器。润 滑脂容器58可W包括具有设置在其中的开口 62的端部60。
[0038] 润滑脂容器58的相对端部可W包括凸缘式肩部64,所述凸缘式肩部64支撑接近润 滑脂容器58的柔性弹性膜片密封件66。盖子68可W覆盖膜片密封件66,并限定面对膜片密 封件66的腔室70。盖子68、膜片密封件66和润滑脂容器58可W由卡环72保持在润滑脂腔体 56内。盖子68也可W包括开口 74W便允许环绕钻头10的外部流体压力与膜片密封件66的外 部部分的连通。膜片密封件66与润滑脂容器58的端部60之