一种使用PFA制作的螺杆钻具定子及应用于该定子的改性PFA.pdf

本发明公开的使用PFA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PFA制作，以及应用于该定子的改性PFA材料。本发明采用PFA制作螺杆钻具定子，大大提高定子耐高温、耐磨损性能，使用方便，磨损率低，有效低延长了设备的使用寿命，对恶劣环境适应性好，维护难度低，有效提高了钻井作业的效率，大幅降低了作业成本。

1.  一种使用PFA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，其特征在于，所述聚合物层采用PFA制作。

2.  根据权利要求1所述的使用PFA制作的螺杆钻具定子，其特征在于，所述聚合物层内壁或外壁上设置有内凹的螺纹槽，所述螺纹槽设置有至少1条并且并列地设置在聚合物层的壁上，所述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。

3.  根据权利要求1所述的使用PFA制作的螺杆钻具定子，其特征在于，所述螺纹槽并列相邻地设置在整个聚合物层内壁或外壁上。

4.  一种应用于螺杆钻具定子的改性PFA，其特征在于：所述各组分组成（以重量份数计）为：PFA100份、碳纤维纳米管15-20份、足球烯C540 5-10份。

5.  根据权利要求4所述的应用于螺杆钻具定子的改性PFA，其特征在于：所述碳纤维纳米管和足球烯C540均经过预处理，所述碳纤维纳米管和足球烯C540的预处理工艺为将碳纤维纳米管和足球烯C540与无水KOH超细粉体混合均匀后，以厚度0.2-0.5mm平铺于卧式石英管内，在600-800摄氏度流动氮气氛围下受热反应6-8小时，再于0.1M稀盐酸中酸洗后以去离子水淋洗至洗涤水酸碱度为中性后，过滤并经1-2MPa氮气脉冲脉冲气流干燥，脉冲频率60-80HZ，干燥温度60-80摄氏度，干燥至含水率低于0.2%后即可。

一种使用PFA制作的螺杆钻具定子及应用于该定子的改性PFA

技术领域
本发明涉及一种耐热耐磨耐腐蚀并具有高加工性的PFA及其在螺杆钻具上的应用,特别是一种使用PFA制作的螺杆钻具定子及应用于该定子的改性PFA。

背景技术
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。
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。
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Z1比转子齿数Z2多一个即Z1= 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。
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。
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。
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℃，而HNBR的极限温度（静态）为176℃，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，增加钻进成本。

发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种使用PFA制作的螺杆钻具定子及应用于该定子的改性PFA，通过利用PFA在耐磨性、工作温度区间、耐候性好以及摩擦系数低等方面的优势，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。
本发明公开的使用PFA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PFA制作。本发明方案中利用PFA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、阻燃性和耐高温性能，生产作业温度高，磨损率低，从而极大地延长了定子的使用寿命，降低设备的维护成本。
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1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。
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。
本发明公开的应用于螺杆钻具定子的改性PFA，所述各组分组成（以重量份数计）为：PFA100份、碳纤维纳米管15-20份、足球烯C540 5-10份。本发明基于PFA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PFA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。
作为一种优选，碳纤维纳米管和足球烯C540均经过预处理，碳纤维纳米管和足球烯C540的预处理工艺为将碳纤维纳米管和足球烯C540与无水KOH超细粉体混合均匀后，以厚度0.2-0.5mm平铺于卧式石英管内，在600-800摄氏度流动氮气氛围下受热反应6-8小时，再于0.1M稀盐酸中酸洗后以去离子水淋洗至洗涤水酸碱度为中性后，过滤并经1-2MPa氮气脉冲脉冲气流干燥，脉冲频率60-80HZ，干燥温度60-80摄氏度，干燥至含水率低于0.2%后即可。
碳纤维纳米管可以通过与高分子材料分子间键合，在增强材料方面，C540的作用将比焦炭中的碳更好，这是因为C540比炭黑的颗粒更小、活性更高，能有效增强材料的力学性能和耐摩擦性能。
碳纤维纳米管是一种具有很高强度和模量的耐高温纤维，为化纤的高端品种。它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7~9倍，抗拉弹性模量为23000~43000Mpa亦高于钢。
另外碳纤维纳米管上由于存在五元环的缺陷，增强了反应活性，在高温和其他物质存在的条件下，碳纳米管容易在端面处打开，形成一个管子，被PFA填充形成复合材料。这样的材料强度高、模量高、耐高温、热膨胀系数小、耐磨性以及抵抗热变性能都得到显著增强。
本发明公开的应用PFA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。
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，提高定子的稳固性。
本发明通过采用PFA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——使用工作温度达260℃。
耐低温——具有良好的机械韧性。
耐腐蚀——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。
耐气候——有塑料中最佳的老化寿命。
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。
本发明的优点在于：
a.本发明公开的PFA长期使用温度超过200℃，且在250℃以上时，仍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. 使用寿命可以提高到超过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.同时通过采用碳纤维纳米管和足球烯C540对PFA进行增强，可以利用纳米管端部开键后形成管道的流延填充形成复合，同时对PFA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，并辅以足球烯的微球结构对应力转移、冲击等方面的优势，从而可以极大地改善材料的拉伸性能和耐磨性能，利用开键纳米管与PFA具有良好相容性的线状结构并辅以足球烯C540D的微球点状结构，形成线状体系和点线状分散体系之间的辅配作用，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PFA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。

附图说明
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）。
附图标记列表：
1、定子金属外管；             2、聚合物层；                3、转子。

具体实施方式
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PFA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，聚合物层采用PFA制作，定子金属外管1与聚合物层2之间可以采用粘接剂结合。
作为一种优选，聚合物层2内壁或外壁上设置有内凹的螺纹槽，螺纹槽设置有至少1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。
作为一种优选，所述螺纹槽并列相邻地设置在整个聚合物层2内壁或外壁上。
本发明公开的应用于螺杆钻具定子的改性PFA，各组分组成（以重量份数计）为：PFA100份、碳纤维纳米管15-20份、足球烯C540 5-10份。
作为一种优选，PFA为氟的一元或多元取代聚合物。
作为一种优选，碳纤维纳米管和足球烯C540均经过预处理，碳纤维纳米管和足球烯C540的预处理工艺为将碳纤维纳米管和足球烯C540与无水KOH超细粉体混合均匀后，以厚度0.2-0.5mm平铺于卧式石英管内，在600-800摄氏度流动氮气氛围下受热反应6-8小时，再于0.1M稀盐酸中酸洗后以去离子水淋洗至洗涤水酸碱度为中性后，过滤并经1-2MPa氮气脉冲脉冲气流干燥，脉冲频率60-80HZ，干燥温度60-80摄氏度，干燥至含水率低于0.2%后即可。
实施例
以下实施例包括以下实施例为包括的本发明技术方案的内容中碳纤维纳米管和足球烯C540均经过预处理活化，其中碳纤维纳米管和足球烯C540的预处理工艺为将碳纤维纳米管和足球烯C540与无水KOH超细粉体混合均匀后，以厚度0.2-0.5mm平铺于卧式石英管内，在600-800摄氏度流动氮气氛围下受热反应6-8小时，再于0.1M稀盐酸中酸洗后以去离子水淋洗至洗涤水酸碱度为中性后，过滤并经1-2MPa氮气脉冲脉冲气流干燥，脉冲频率60-80HZ，干燥温度60-80摄氏度，干燥至含水率低于0.2%后即可。无水KOH超细粉体为采用KOH热饱和溶液程序降温高速搅拌重结晶得到的晶体，程序降温速度为0.1摄氏度/分钟，搅拌速度3600-4000转/分钟，再经真空脱水得到，真空度-0.2MPa，脱水温度80-120摄氏度。
实施例1
本实施例各组分（以重量份数计）组成为：PFA100份、碳纤维纳米管15份、足球烯C540 5份。
生产时，PFA、碳纤维纳米管、足球烯C540经高速混练机混合均匀后，通过挤出或者注塑或者模铸等方式成型得到其中一种应用结构如图1-3所示。
本实施例产品经过取样检测，结果如下，井下稳定使用时间为300h，长期使用温度大于250度。
实施例2
本实施例各组分（以重量份数计）组成为：PFA100份、碳纤维纳米管18份、足球烯C540 10份。
生产时，PFA、碳纤维纳米管、足球烯C540经高速混练机混合均匀后，通过挤出或者注塑或者模铸等方式成型得到其中一种应用结构如图1-3所示。
本实施例产品经过取样检测，结果如下，井下稳定使用时间为400h，长期使用温度大于250度。
实施例3
本实施例各组分（以重量份数计）组成为：PFA100份、碳纤维纳米管17份、足球烯C540 8份。
生产时，PFA、碳纤维纳米管、足球烯C540经高速混练机混合均匀后，通过挤出或者注塑或者模铸等方式成型得到其中一种应用结构如图1-3所示。
本实施例产品经过取样检测，结果如下，井下稳定使用时间为640h，长期使用温度大于250度。
实施例4
本实施例各组分（以重量份数计）组成为：PFA100份、碳纤维纳米管20份、足球烯C540 7份。
生产时，PFA、碳纤维纳米管、足球烯C540经高速混练机混合均匀后，通过挤出或者注塑或者模铸等方式成型得到其中一种应用结构如图1-3所示。
本实施例产品经过取样检测，结果如下，井下稳定使用时间为500h，长期使用温度大于250度。
实施例5
本实施例各组分（以重量份数计）组成为：PFA100份、碳纤维纳米管16份、足球烯C540 9份。
生产时，PFA、碳纤维纳米管、足球烯C540经高速混练机混合均匀后，通过挤出或者注塑或者模铸等方式成型得到其中一种应用结构如图1-3所示。
本实施例产品经过取样检测，结果如下，井下稳定使用时间为750h，长期使用温度大于250度。
实施例6
本实施例各组分（以重量份数计）组成为：PFA100份、碳纤维纳米管19份、足球烯C540 6份。
生产时，PFA、碳纤维纳米管、足球烯C540经高速混合均匀，通过挤出或者注塑或者模铸等方式成型得到其中一种应用结构如图1-3所示。
本实施例产品经过取样检测，结果如下，井下稳定使用时间为250h，长期使用温度大于250度。
实施例7
本实施例各组分（以重量份数计）组成为：PFA100份、碳纤维纳米管17.5份、足球烯C540 7.5份。
生产时，PFA、碳纤维纳米管、足球烯C540经高速混合均匀，通过挤出或者注塑或者模铸等方式成型得到其中一种应用结构如图1-3所示。
本实施例产品经过取样检测，结果如下，井下稳定使用时间为1000h，长期使用温度大于250度。
实施例8
本实施例各组分（以重量份数计）组成为：PFA100份、碳纤维纳米管16.2份、足球烯C540 8.1份。
生产时，PFA、碳纤维纳米管、足球烯C540经高速混合均匀，通过挤出或者注塑或者模铸等方式成型得到其中一种应用结构如图1-3所示。
本实施例产品经过取样检测，结果如下，井下稳定使用时间为800h，长期使用温度大于250度。
实施例9
本实施例各组分（以重量份数计）组成为：PFA100份、碳纤维纳米管15.4份、足球烯C540 6.3份。
生产时，PFA、碳纤维纳米管、足球烯C540经高速混合均匀，通过挤出或者注塑或者模铸等方式成型得到其中一种应用结构如图1-3所示。
本实施例产品经过取样检测，结果如下，井下稳定使用时间为750h，长期使用温度大于250度。
实施例10
本实施例各组分（以重量份数计）组成为：PFA100份、碳纤维纳米管19.9份、足球烯C540 7.1份。
生产时，PFA、碳纤维纳米管、足球烯C540经高速混合均匀，通过挤出或者注塑或者模铸等方式成型得到其中一种应用结构如图1-3所示。
本实施例产品经过取样检测，结果如下，井下稳定使用时间为800h，长期使用温度大于250度。
实施例11
本实施例各组分（以重量份数计）组成为：PFA100份、碳纤维纳米管18.9份、足球烯C540 8.2份。
生产时，PFA、碳纤维纳米管、足球烯C540经高速混合均匀，通过挤出或者注塑或者模铸等方式成型得到其中一种应用结构如图1-3所示。
本实施例产品经过取样检测，结果如下，井下稳定使用时间为870h，长期使用温度大于250度。
本发明公开的应用PFA的螺杆钻具的定子，包括管型的定子金属外管1以及匹配紧密连接定子金属外管1内壁上的聚合物层2，聚合物层2与定子金属外管1同轴设置，可以只在聚合物层2内壁上设置有内凹的螺纹槽（形成不等壁厚的聚合物层2，见图2），也可以在聚合物层2内壁和外壁上均设置有内凹的螺纹槽（形成等壁厚的聚合物层2，见图3），在某些特殊的情况下也可以仅在聚合物层2外壁上设置有内凹的螺纹槽形成不等壁厚的聚合物层2，螺纹槽设置有至少3条并且并列地设置在聚合物层2内壁上，螺纹槽的螺旋方向均一致并且以聚合物层2中心轴为其螺旋方向伸展轴，聚合物层2材质均利用前述PFA,但该材料并不限于此应用。
作为一种优选，螺纹槽并列相邻地设置在整个聚合物层2内壁上，即相邻两条螺纹槽的峰谷和峰底之间无缝隙紧密并列设置。同时聚合物层2外壁上也可以没有螺纹槽，以降低加工难度。
在工作时，转子3在压力驱动下在聚合物层2内沿螺旋槽旋进钻探，实现正常工作作业。
本处实施例对本发明要求保护的技术范围中点值未穷尽之处，同样都在本发明要求保护的范围内。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。以上所述是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。