一种使用ectfe制作的螺杆钻具定子及应用于该定子的改性ectfe的制作方法
【专利说明】一种使用ECTFE制作的螺杆钻具定子及应用于该定子的改性 ECTFE
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技术领域
[0002]本发明涉及一种耐热耐磨耐腐蚀并具有高加工性的ECTFE及其在螺杆钻具上的应用，特别是一种使用ECTFE制作的螺杆钻具定子及应用于该定子的改性ECTFE。
[0003]
【背景技术】
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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。
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【发明内容】
[0011]为解决上述问题，本发明公开了一种使用ECTFE制作的螺杆钻具定子及应用于该定子的改性ECTFE，通过利用ECTFE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，从而在螺杆钻具定子的工作温度区间以及在磨损率等方面有效改善钻具的性能，从而极大地延长了螺杆钻具定子的使用寿命，降低生产维护成本，提高钻井效率。
[0012]本发明公开的使用ECTFE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ECTFE制作。本发明方案中利用ECTFE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，从而极大地延长了定子的使用寿命，降低设备的维护成本。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]本发明公开的应用于螺杆钻具定子的改性ECTFE，所述各组分组成(以重量份数计)为:ECTFE100份、石墨烯碎片材料3-5份、碳骨架多孔镍5_10份。本发明基于ECTFE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ECTFE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。
[0016]作为一种优选，石墨烯碎片材料以及碳骨架多孔镍均通过贫氧氢火焰灼烧活化l-3min预处理。
[0017]作为一种优选，石墨烯碎片材料的直径为10-20微米。
[0018]石墨烯(Graphene)是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料，石墨烯是世上最薄也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；导热系数高达5300 ff/ (m.K)，高于碳纳米管和金刚石。
[0019]多孔镍具备多种优异物理性能如质轻、阻燃、很强的吸能性，而有着广泛的应用。本方案中碳骨架多孔镍为碳纤维经过表面粗化处理后(如以一定浓度的过硫酸铵和硫酸混合液腐蚀碳纤维表面，降低碳纤维表面光洁度，提高镍层与碳纤维的结合能力)，在碳纤维表面化学沉积多孔镍薄层。
[0020]本发明公开的应用ECTFE的螺杆钻具的定子，包括管型的定子金属外管以及匹配紧密连接定子金属外管内壁上的聚合物层，聚合物层与定子金属外管同轴设置，聚合物层壁上设置有内凹的螺纹槽，螺纹槽设置有至少3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。
[0021]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上。同时定子外壁上可以没有螺纹槽，以降低加工难度，也可以设置螺纹槽，以提高定子与定子金属外管之间的咬合能力，提尚定子的稳固性。
[0022]本发明通过采用ECTFE为螺杆钻具定子，使得钻具及应用该钻具的定子具有如下优点，耐高温一一使用工作温度可以达170°C以上。
[0023]耐低温一一具有良好的机械韧性；即使温度下降到-196°C，也可保持5%的伸长率。
[0024]耐腐蚀一一对大多数化学药品和溶剂，表现出惰性、能耐强酸强碱、水和各种有机溶剂。
[0025]耐气候有塑料中最佳的老化寿命。
[0026]高润滑一一是固体材料中摩擦系数最低者。
[0027]能够较好地满足螺杆钻具定子在地下钻井环境应该的高要求。
[0028]本发明的优点在于:
a.本发明公开的ECTFE长期使用温度超过150°C，且在200°C以上时，扔具有良好的实用性能，大大优于现阶段定子材料NBR和HNBR ；
b.优异的耐磨性和耐蠕变性能，比PTFE具有更小的压缩永久变形，更好的回弹性；
c.而且能耐钻井液的长期腐蚀，耐强酸强碱；
d.使用寿命可以提尚到超过250h以上；
e.定子可用一般的挤出工艺成型，加工性好，加工工艺简单，大大降低加工成本；
f.同时通过采用石墨烯碎片材料以及碳骨架多孔镍对ECTFE进行增强，可以利用石墨烯的高导热和高强的体系从结构体系内对材料本身进行增强，强化材料的力学性能和导热性能，延缓老化和材料磨损，同时利用石墨烯蜂巢型的六角网状结构与PFA链状结构的纠缠与穿透，实现对ECTFE基体材料内的结晶和非晶区域的连接、裂纹、应力集聚区的连接等从而从微观形态上改善材料的力学性能，增强拉伸性和磨损性，并辅以碳骨架多孔镍结构对应力转移、冲击等方面的优势以及与ECTFE复合结合，从而可以极大地改善材料的拉伸性能和耐磨性能，能够在材料内部起到不同结晶区或者非晶区的作用，减小界面效应和应力的影响，从而极大改善了 ECTFE的力学性能和加工性能。从而能够有效地延长定子的使用寿命，延长维护周期，降低生产和设备的维护成本。
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【附图说明】
[0030]图1、本发明公开的定子的一种实施例的结构示意图； 图2、本发明公开的定子的一种实施例的主视图(聚合物层不等厚)；
图3、本发明公开的定子的另一种实施例的主视图(聚合物层等厚)。
[0031]附图标记列表:
1、定子金属外管；2、聚合物层；3、转子。
[0032]
【具体实施方式】
[0033]下面结合附图和【具体实施方式】，进一步阐明本发明，应理解下述【具体实施方式】仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围
本发明公开的使用ECTFE制作的螺杆钻具定子，从外到内依次主要为定子金属外管1、聚合物层2，其特征在