一種使用含氟材料制作的螺桿鉆具定子及應(yīng)用于該定子的含氟材料的制作方法
【專利說明】一種使用含氟材料制作的螺桿鉆具定子及應(yīng)用于該定子的含氟材料
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及一種耐高溫、耐磨損、耐腐蝕并具有高加工性的含氟材料及其在螺桿鉆具上的應(yīng)用，特別是一種使用含氟材料制作的螺桿鉆具定子及應(yīng)用于該定子的含氟材料。
[0003]說明:本申請中含氟材料為碳鏈上有氟取代的聚合物，可以選用如下材料的單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]
【背景技術(shù)】
[0005]螺桿鉆具(PDM drill)即螺桿鉆，是一種以鉆井液為動(dòng)力，把液體壓力能轉(zhuǎn)為機(jī)械能的容積式井下動(dòng)力鉆具。當(dāng)泥漿泵泵出的泥漿流經(jīng)旁通閥進(jìn)入馬達(dá)，在馬達(dá)的進(jìn)、出口形成一定的壓力差，推動(dòng)轉(zhuǎn)子繞定子的軸線旋轉(zhuǎn)，并將轉(zhuǎn)速和扭矩通過萬向軸和傳動(dòng)軸傳遞給鉆頭，從而實(shí)現(xiàn)鉆井作業(yè)。
[0006]螺桿鉆最早是用來打垂直孔，主要用來打各種定向孔和特種工程孔(如礦井凍結(jié)孔)。最大鉆孔深度達(dá)9023米。目前世界上螺桿鉆最小直徑為44.5毫米，最大直徑為304.8毫米。利用螺桿鉆進(jìn)行巖心鉆探時(shí)，應(yīng)在驅(qū)動(dòng)軸與鉆頭間加上巖心管采取巖心。
[0007]螺桿鉆一般由旁通閥、螺桿馬達(dá)(轉(zhuǎn)子和定子)、萬向節(jié)、軸承和驅(qū)動(dòng)軸幾部分組成，其核心是螺桿馬達(dá)。在螺桿馬達(dá)轉(zhuǎn)子、定子傳動(dòng)副中，定子齒數(shù)Zl比轉(zhuǎn)子齒數(shù)Z2多一個(gè)即Zl= Z2+1。它們的齒數(shù)比通常稱為傳動(dòng)比，設(shè)計(jì)時(shí)，可任意選擇(1: 2，2:3，...，9:10)。在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中，設(shè)計(jì)高轉(zhuǎn)速的螺桿鉆應(yīng)采用小齒數(shù)比螺桿馬達(dá)，而設(shè)計(jì)低速大扭矩的螺桿鉆應(yīng)采用大齒數(shù)比螺桿馬達(dá)。隨著轉(zhuǎn)子定子齒數(shù)比的增大，其效率逐漸趨于下降；螺桿鉆的輸出扭矩取決于通過馬達(dá)的管道工作壓力降，輸出轉(zhuǎn)速取決于通過螺桿馬達(dá)工作介質(zhì)的流量。
[0008]鉆探時(shí)，仍然需要鉆探機(jī)、泥漿泵、鉆桿和鉆塔等常規(guī)鉆探裝備。施工定向鉆孔時(shí)，要借助定向儀給造斜工具定向。與螺桿鉆配套使用的造斜工具有彎接頭、彎外管和偏心塊等。采用螺桿鉆施工定向孔能提高鉆孔質(zhì)量，提供精確地質(zhì)資料，節(jié)約進(jìn)尺，降低成本，解決許多無法施工的工程難題，因此，它是鉆探工程的一種特種工具。
[0009]螺桿鉆的使用壽命一般為150?200小時(shí)，其薄弱環(huán)節(jié)是定子橡膠耐高溫程度低，軸承易損壞。加緊研制與開發(fā)用于制造定子的抗磨損耐高溫的彈性材料與可靠的軸承系統(tǒng)，從而使螺桿鉆的工作壽命得到顯著提高，同時(shí)研制低速大扭矩螺桿以適用于鉆深孔和超深孔也是本領(lǐng)域的一個(gè)主要突破方向。
[0010]現(xiàn)有的螺桿鉆具定子護(hù)套材料分別為NBR和HNBR，其中高溫井的長期溫度接近170°C，而HNBR的極限溫度(靜態(tài))為176°C，根據(jù)螺桿鉆具的工作特性，溫度很容易集中在橡膠與轉(zhuǎn)子接觸的部分，定、轉(zhuǎn)子間相互擠壓、扭轉(zhuǎn)的動(dòng)態(tài)生熱。當(dāng)溫度較高、并長期集中在以上區(qū)域，則將會(huì)導(dǎo)致橡膠老化，從而引起橡膠破壞。高溫井的螺桿鉆具護(hù)套材料使用壽命一般100多小時(shí)。使用周期短，維護(hù)要求高，影響了鉆井工作的效率和開展進(jìn)度，增加鉆井成本。
[0011]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]為解決上述問題，本發(fā)明公開了一種使用含氟材料制作的螺桿鉆具定子及應(yīng)用于該定子的含氟材料，通過利用含氟材料在耐磨損、耐高溫、摩擦系數(shù)低、工作溫度范圍廣等方面的優(yōu)勢，適用高溫，摩擦系數(shù)低，有效功率高、延長適用壽命、降低生產(chǎn)成本。
[0013]本發(fā)明公開的使用含氟材料制作的螺桿鉆具定子，從外到內(nèi)依次主要為定子金屬外管、聚合物層，聚合物層采用含氟材料制作。本發(fā)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內(nèi)的氟塑料，其中氟塑料在使用時(shí)可以為前述材料中的某一種或者至少兩種的共混物來制備定子的聚合物層，本方案突破性地在螺桿鉆具定子中，從而使得螺桿鉆具定子具有更好的耐磨性和耐高溫性能，適用鉆井高溫、腐蝕的苛刻工作環(huán)境，磨損率低，從而極大地延長了定子的使用壽命，降低設(shè)備的維護(hù)成本。
[0014]作為一種優(yōu)選，聚合物層內(nèi)壁或外壁上設(shè)置有內(nèi)凹的螺紋槽，螺紋槽設(shè)置有至少I條并且并列地設(shè)置在聚合物層的壁上，螺紋槽的螺旋方向均一致并且以定子中心軸為其螺旋方向伸展軸。本方案可以在定子的內(nèi)壁上或者外壁上或者內(nèi)壁以及外壁上設(shè)置螺紋槽結(jié)構(gòu)，通過外壁上設(shè)置的螺紋槽結(jié)構(gòu)可以與定子金屬外管內(nèi)壁上對應(yīng)設(shè)置的螺紋槽相匹配吻合，起到與定子金屬外管固定更為穩(wěn)定的效果，能夠提高定子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，延長使用壽命，同時(shí)根據(jù)生產(chǎn)使用的需要，設(shè)定螺紋槽的數(shù)量，是在壁上均勻分布或者局部地不均勻分布或者在壁上緊密相鄰地設(shè)置均可，使得定子的結(jié)構(gòu)具有較大的靈活性，定子可以根據(jù)轉(zhuǎn)子功率、轉(zhuǎn)矩等方面的參數(shù)來實(shí)際選擇螺紋槽的安排和設(shè)計(jì)。
[0015]作為一種優(yōu)選，螺紋槽并列相鄰地設(shè)置在整個(gè)聚合物層內(nèi)壁或外壁上。本方案中螺紋槽以一條或者并列的多條的方式螺旋設(shè)置在整個(gè)聚合物層的內(nèi)壁或者外壁的表面上，從而使得定子對轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩作用力更為穩(wěn)定均勻，避免了在生產(chǎn)作業(yè)過程中，因受力不均而對設(shè)備造成損害，從而能夠延長設(shè)備的使用壽命，降低生產(chǎn)成本。
[0016]本發(fā)明公開的應(yīng)用于螺桿鉆具定子的含氟材料，包括氟塑料以及添加劑，所述的添加劑包括納米硼纖維或碳纖維或玻璃纖維或石墨或二硫化鑰或玻璃微珠中的一種或幾種，所述各組分組成(以重量份數(shù)計(jì))為:氟塑料100份；添加劑中納米硼纖維10-15份、碳纖維10-20份、玻璃纖維5-10份或石墨2-5份、二硫化鑰1-3份、玻璃微珠10_20份，添加劑總添加量不超過含氟材料總質(zhì)量的40%。玻璃微珠為粒度30-50微米的多孔玻璃微珠，所述多孔玻璃微珠的性能參數(shù)為:比表面積850-900m2/g，孔容積1.0-1.3ml/g,孔半徑10_12nm本發(fā)明基于含氟材料在使用溫度區(qū)間、耐高溫性能、耐磨損性能以及穩(wěn)定性等方面的優(yōu)勢，將含氟材料應(yīng)用于螺桿鉆具定子，從而有效地降低在長期使用中的形變和損耗，改善定子對鉆井高溫、高濕、腐蝕性等環(huán)境因素的耐受性，從而極大地延長了定子設(shè)備的使用壽命，降低螺桿鉆具及其定子的使用和維護(hù)成本，并且提高了生產(chǎn)的效率。
[0017]作為一種優(yōu)選，氟塑料為氟的一元或多元取代聚合物。
[0018]作為一種優(yōu)選，碳纖維為表面接枝碳纖維。
[0019]作為一種優(yōu)選，所述表面接枝碳纖維為經(jīng)過如下步驟制得，將經(jīng)過清洗干燥后的碳纖維原料作為陽極，在真空中經(jīng)陰極射線轟擊活化20-30S后，注入氬氣與四氟乙烯單體，其中氬氣壓力為200-300pa，四氟乙烯單體氣體壓力為50_100pa，經(jīng)弧光放電30s完成在碳纖維表面四氟乙烯接枝。
[0020]作為一種優(yōu)選，所述碳纖維原料的清洗干燥步驟為，
①將碳纖維在溫度為75°C?85°C的條件下使用丙酮清洗去除碳纖維表面的雜質(zhì)，清洗時(shí)間為8h?10h，將清洗后的碳纖維取出，得到丙酮清洗后的碳纖維；
②將步驟①得到的清洗后的碳纖維取出，在溫度為70°C?80°C氦氣氛圍下干燥2h?4h，得到干燥清洗后碳纖維。
[0