一種使用fep制作的螺桿鉆具定子及應用于該定子的改性fep的制作方法
【專利說明】一種使用FEP制作的螺桿鉆具定子及應用于該定子的改性FEP
[0001]
技術領域
[0002]本發(fā)明涉及一種耐熱耐磨耐腐蝕并具有高加工性的FEP及其在螺桿鉆具上的應用，特別是一種使用FEP制作的螺桿鉆具定子及應用于該定子的改性FEP。
[0003]
【背景技術】
[0004]螺桿鉆具(PDM dr i 11)即螺桿鉆，是一種以鉆井液為動力，把液體壓力能轉為機械能的容積式井下動力鉆具。當泥漿泵泵出的泥漿流經(jīng)旁通閥進入馬達，在馬達的進、出口形成一定的壓力差，推動轉子繞定子的軸線旋轉，并將轉速和扭矩通過萬向軸和傳動軸傳遞給鉆頭，從而實現(xiàn)鉆井作業(yè)。
[0005]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(如礦井凍結孔)。最大鉆孔深度達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。利用螺桿鉆進行巖心鉆探時，應在驅(qū)動軸與鉆頭間加上巖心管采取巖心。
[0006]螺桿鉆一般由旁通閥、螺桿馬達(轉子和定子)、萬向節(jié)、軸承和驅(qū)動軸幾部分組成，其核心是螺桿馬達。在螺桿馬達轉子、定子傳動副中，定子齒數(shù)Zl比轉子齒數(shù)Z2多一個即Zl= Z2+1。它們的齒數(shù)比通常稱為傳動比，設計時，可任意選擇(1: 2，2:3，...，9:10)。在實際設計工作中，設計高轉速的螺桿鉆應采用小齒數(shù)比螺桿馬達，而設計低速大扭矩的螺桿鉆應采用大齒數(shù)比螺桿馬達。隨著轉子定子齒數(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的管道工作壓力降，輸出轉速取決于通過螺桿馬達工作介質(zhì)的流量。
[0007]鉆探時，仍然需要鉆探機、泥漿泵、鉆桿和鉆塔等常規(guī)鉆探裝備。施工定向鉆孔時，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。
[0008]螺桿鉆的使用壽命一般為150?200小時，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，同時研制低速大扭矩螺桿以適用于鉆深孔和超深孔也是本領域的一個主要突破方向。
[0009]現(xiàn)有的螺桿鉆具定子護套材料分別為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子接觸的部分，定、轉子間相互擠壓、扭轉的動態(tài)生熱。當溫度較高、并長期集中在以上區(qū)域，則將會導致橡膠老化，從而引起橡膠破壞。高溫井的螺桿鉆具護套材料使用壽命一般100多小時。使用周期短，維護要求高，影響了鉆井工作的效率和開展進度，增加鉆進成本。
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【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]為解決上述問題，本發(fā)明公開了一種使用FEP制作的螺桿鉆具定子及應用于該定子的改性FEP，通過利用FEP在耐磨性、工作溫度區(qū)間、耐候性好以及摩擦系數(shù)低等方面的優(yōu)勢，從而在螺桿鉆具定子的工作溫度區(qū)間以及在磨損率等方面有效改善鉆具的性能，從而極大地延長了螺桿鉆具定子的使用壽命，降低生產(chǎn)維護成本，提高鉆井效率。
[0012]本發(fā)明公開的使用FEP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FEP制作。本發(fā)明方案中利用FEP制備定子的聚合物層，本方案突破性地將FEP材料應用在螺桿鉆具定子中，從而使得螺桿鉆具定子具有更好的耐磨性、阻燃性和耐高溫性能，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，降低設備的維護成本。
[0013]作為一種優(yōu)選，聚合物層內(nèi)壁或外壁上設置有內(nèi)凹的螺紋槽，螺紋槽設置有至少I條并且并列地設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)壁以及外壁上設置螺紋槽結構，通過外壁上設置的螺紋槽結構可以與定子金屬外管內(nèi)壁上對應設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，能夠提高定子結構穩(wěn)定性，延長使用壽命，同時根據(jù)生產(chǎn)使用的需要，設定螺紋槽的數(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置均可，使得定子的結構具有較大的靈活性，定子可以根據(jù)轉子功率、轉矩等方面的參數(shù)來實際選擇螺紋槽的安排和設計。
[0014]作為一種優(yōu)選，螺紋槽并列相鄰地設置在整個聚合物層內(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置在整個聚合物層的內(nèi)壁或者外壁的表面上，從而使得定子對轉子的轉矩作用力更為穩(wěn)定均勻，避免了在生產(chǎn)作業(yè)過程中，因受力不均而對設備造成損害，從而能夠延長設備的使用壽命，降低生產(chǎn)成本。
[0015]本發(fā)明公開的應用于螺桿鉆具定子的改性FEP，所述各組分組成(以重量份數(shù)計)為=FEPlOO份、耐磨增強劑20-45份、增強填料15-20份。本發(fā)明基于FEP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FEP應用于螺桿鉆具定子，從而有效地降低在長期使用中的形變和損耗，同時結合耐磨增強劑和增強填料在微觀結構上對材料組織的關聯(lián)處理，使得FEP材料在摩擦系數(shù)、熔融性、熱穩(wěn)定、拉伸強度以及斷裂強度等方面都得到了較大的改善，從而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備的使用壽命，降低螺桿鉆具及其定子的使用和維護成本，并且提高了生產(chǎn)的效率。
[0016]作為一種優(yōu)選，耐磨增強劑為炭黑，并且炭黑的粒徑為26?30 nm，比表面積80?110m2/g,氧含量 0.5% ?1.0%,氫含量 0.27% ?0.34%。
[0017]作為一種優(yōu)選，增強填料為粒度30-50微米的多孔玻璃微珠，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。
[0018]本方案采用的增強填料為多孔玻璃微珠，不僅僅具有質(zhì)量輕，均勻性好，而且具有良好的表面活性，可以通過表面的活性基團與高分子材料分子FEP碳鏈基團間鍵合，從而能有效增強材料的力學性能和耐摩擦性能，同時具有的多孔結構還可以與高分子碳鏈或者支鏈結構發(fā)生糾纏纏繞或者填充，增加多孔玻璃微珠與高分子材料FEP之間結合效果，以增強材料的整體性，從而極大地改善了材料的耐磨性能、沖擊性能和拉伸性能等方面機械性能。這樣的材料強度高、模量高、耐高溫、熱膨脹系數(shù)小、耐磨性以及抵抗熱變性能都得到顯著增強。
[0019]本發(fā)明公開的應用FEP的螺桿鉆具的定子，包括管型的定子金屬外管以及匹配緊密連接定子金屬外管內(nèi)壁上的聚合物層，聚合物層與定子金屬外管同軸設置，聚合物層壁上設置有內(nèi)凹的螺紋槽，螺紋槽設置有至少3條并且并列地設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。
[0020]作為一種優(yōu)選，螺紋槽并列相鄰地設置在整個聚合物層內(nèi)壁上。同時定子外壁上可以沒有螺紋槽，以降低加工難度，也可以設置螺紋槽，以提高定子與定子金屬外管之間的咬合能力，提高定子的穩(wěn)固性。
[0021]本發(fā)明通過采用FEP為螺桿鉆具定子，使得鉆具及應用該鉆具的定子具有如下優(yōu)點，耐高溫——使用工作溫度達200°C。
[0022]耐低溫一具有良好的機械韌性；即使溫度下降到_196°C，也可保持5%的伸長率。
[0023]耐腐蝕一對大多數(shù)化學藥品和溶劑，表現(xiàn)出惰性、能耐強酸強堿、水和各種有機溶劑。
[0024]耐氣候——有塑料中最佳的老化壽命。
[0025]高潤滑——是固體材料中摩擦系數(shù)最低者。
[0026]不粘附——是固體材料中最小的表面張力，不粘附任何物質(zhì)。
[0027]能夠較好地滿足螺桿鉆具定子在地下鉆井環(huán)境應該的高要求。
[0028]本發(fā)明的優(yōu)點在于:
a.本發(fā)明公開的FEP長期使用溫度達200°C，大大優(yōu)于現(xiàn)階段定子材料NBR和HNBR；
b.優(yōu)異的耐磨性和耐蠕變性能，比PTFE具有更小的壓縮永久變形，更好的回彈性；
c.而且能耐鉆井液的長期腐蝕，耐強酸強堿；
d.使用壽命可以提聞到超過250h以上；
e.定子可用一般的擠出工藝成型，加工性好，加工工藝簡單，大大降低加工成本；
f.同時利用炭黑和多孔玻璃微珠的微球結構對應力轉移、沖擊等方面的優(yōu)勢，在體系內(nèi)形成大小間隔分布的點狀分布級配體系，從而在體系內(nèi)通過應力在炭黑和玻璃微珠以及纏繞結構之間的衰減來達到改善材料的力學性能的目的，從而可以極大地改善材料的拉伸性能和耐磨性能，同時分子鏈對玻璃微珠的鏈接糾纏以及對微孔的填充能夠在材料內(nèi)部起到連接不同結晶區(qū)或者非晶區(qū)的作用，增強材料的整體性，減小界面效應和應力的影響，從而極大改善了 FEP的力學性能和加工性能。從而能夠有效地延長定子的使用壽命，延長維護周期，降低生產(chǎn)和設備的維護成本。
[0029]
【附圖說明】
[0030]圖1、本發(fā)明公開的定子的一種實施例的結構示意圖； 圖2、本發(fā)明公開的定子的一種實施例的主視圖(聚合物層不等厚)；
圖3、本發(fā)明公開的定子的另一種實施例的主視圖(聚合物層等厚)。
[0031]附圖標記列表:
1、定子金屬外管；2、聚合物層；3、轉子。
[0032]
【具體實施方式】
[0033]下面結合附圖和【具體實施方式】，進一步闡明本發(fā)明，應理解下述【具體實施方式】僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍
本發(fā)明公開的使用FEP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1、聚合物層2，聚合物層采用FEP制作。
[0034]作為一種優(yōu)選，聚合物層2內(nèi)壁或外壁上設置有內(nèi)凹的螺紋槽，螺紋槽設置有至少I條并且并列地設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。
[0035]作為一種優(yōu)選，所述螺紋槽并列相鄰地設置在整個聚合物層2內(nèi)壁或外壁上。
[0036]本發(fā)明公開的應用于螺桿鉆具定子的改性FEP，各組分組成(以重量份數(shù)計)為:FEP100份、耐磨增強劑20-45份、增強填料15-20份。
[0037]作為一種優(yōu)選，耐磨增強劑為炭黑，并且炭黑的粒徑為26?30 nm，比表面積80?110m2/g,氧含量 0.5% ?1.0%,氫含量 0.27% ?0.34%。
[0038]作為一種優(yōu)選，增強填料為粒度30-50微米的多孔玻璃微珠，多孔玻璃微珠的性能參數(shù)為:比表面