一种使用PTFE和PFA共混物制作的螺杆钻具定子及应用于该定子的含氟材料

摘要

本发明涉及一种使用PTFE和PFA共混物制作的螺杆钻具定子，该定子从外到内依次主要为定子金属外管、聚合物层，其中，聚合物层采用PTFE和PFA共混物制作。本发明通过利用PTFE和PFA共混物在耐磨性、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。

说明书

技术领域

本发明涉及一种螺杆钻具的定子，尤其涉及一种使用PTFE和PFA共混物制作的螺杆钻具定子及含氟材料。

背景技术

螺杆钻具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。它一般由旁通阀、螺杆马达、万向节、轴承和驱动轴几部分组成，其核心是螺杆马达。而螺杆马达又由定子和转子组成。现有技术中，如图1所示，定子包括管型的壳体100以及匹配紧密连接在壳体内壁上的橡胶衬套201，所示管型壳体100的内壁上设置有内凹的螺纹槽，所述螺纹槽设置有至少3条并且并列设置在壳体内壁100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，所述橡胶衬套201通过高压注射在壳体100的内壁上，呈螺纹状且与壳体100匹配连接。

由于现有技术中定子的管型外壳内壁上设置有内凹的螺纹槽，因此，管型外壳加工技术难度高，成型工艺复杂，且产生较多的加工余料，大大增加加工成本。此外，橡胶衬套是通过高压注射在壳体的内壁上，成型工艺也非常复杂，加工成本高，劳动效率低。而现有技术中螺杆钻具的橡胶衬套材料一般为NBR和HNBR，其中，HNBR的极限温度(静态)为176℃，但是高温井的长期温度接近170℃，根据螺杆钻具的工作特性，温度很容易集中在橡胶衬套与转子接触的部分，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，则将会导致橡胶衬套老化，从而引起橡胶破坏。因此，高温井的螺杆钻具使 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，增加了钻井成本。

为了解决现有技术中螺杆钻具存在的上述问题，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。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种使用PTFE和PFA共混物制作的螺杆钻具定子及应用于该定子的PTFE和PFA共混物，通过利用PTFE和PFA共混物在耐磨性、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PTFE和PFA共混物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PTFE和PFA共混物制作。本发明方案中利用PTFE和PFA共混物制备定子的聚合物层，突破性地在螺杆钻具定子中使用含氟材料，从而使得螺杆钻具定子具有更好的耐高低温、耐磨损、耐老化、摩擦系数低等性能，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PTFE和PFA共混物，包括PTFE、PFA以及添加剂，所述的添加剂包括增强纤维和纳米无机粉体，所述各组分组成(以重量份数计)为：PTFE和PFA共混物100份、添加剂15-30份。

本发明应用于螺杆钻具定子的PTFE和PFA共混物制成，其中，PFA，密度为2.13-2.16g/cm³，是一种可熔融加工的氟塑料，化学性能与PTFE和FEP相似，但FEP只能在200℃以下使用，PTFE不能注塑，而PFA的长期使用温度为-80～260℃，且还具有塑料中较低的摩擦系数和卓越的耐化学腐蚀性。而PTFE的密度为2.1-2.3g/cm³，机械性质较软，表面能低，具有耐高低温、耐腐蚀、耐气候、低摩擦系数、高润滑等使用性能。本发明将PTFE和PFA共混物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。

此外，本发明PTFE和PFA共混物中还添加有添加剂，添加剂由 增强纤维和纳米无机粉体组成。其中，增强纤维可以在保证共混物原来的加工性能的基础上，大幅度提高共混物基体的物理力学性能，同时改善共混物的尺寸稳定性、耐热性、耐磨损能力等性能，降低成本。而纳米无机粉体具有良好的塑性及韧性，其强度和硬度也明显高于其它材料，将增强纤维和纳米无机粉体复配填充本发明PTFE和PFA共混物，可以显著提高共混物的强度、硬度、耐热性等综合性能。而经过本发明研究得出，本发明共混物的制品的耐磨性与制品的强度呈线性关系，强度越高，耐磨性越好。

作为一种优选，PTFE和PFA共混物中PTFE占20-40％，PFA占60-80％。

作为一种优选，所述添加剂中增强纤维和纳米无机粉末的重量比为(3-5)：1。由于纳米无机粉体只是作为PTFE和PFA共混物辅助增强材料，其含量超过一定范围时会出现团聚现象，影响分散效果，导致PTFE和PFA共混物的力学性能和摩擦磨损性能出现下降的情况，因此，本发明添加剂在上述重量比范围内时，增强纤维和金属粉末之间产生协同增效作用，制品最终的强度和耐磨性得到较大的提升。

作为一种优选，所述增强纤维为碳纤维、玻璃纤维、硼纤维、芳纶纤维、聚酯纤维、尼龙纤维、聚酰亚胺纤维中的一种或多种。增强纤维的直径为8-15μm，长径比为(50-100)：1。

本发明增强纤维进一步优选先采用表面改性剂进行表面改性，所述表面改性剂包括稀土浓度为0.1-0.5％的稀土改性剂和2-5％的偶联剂。改性工艺优选为将增强纤维在常温下置入按上述比例配置成的表面改性剂中浸润1-3h，然后在80-120℃下烘3-4h制得。偶联剂和稀土处理剂均能改善增强纤维的表面性能，提高增强纤维的表面活性，以致提高增强纤维和共混物基体间界面结合能力，使增强纤维不易从共混物基体中脱离，阻止了共混物基体的转移，减少了制品疲劳裂纹和剥落的产生，降低了制品的磨损。

作为一种优选，所述纳米无机粉体为Al₂O₃、TiO₂、SiO₂、AlN、Si₃N₄中的一种或多种。本发明进一步优选纳米无机离子的粒径为40-60nm。

本发明通过采用PTFE和PFA共混物制作的螺杆钻具定子，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。

高润滑——摩擦系数低。

不粘附——是固体材料中最小的表面张力，不粘附任何物质。

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。

与现有技术相比，本发明具有以下几个优点：

1.本发明公开的PTFE和PFA共混物长期使用温度超过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。

2.本发明PTFE和PFA共混物具有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。

3.本发明对PTFE和PFA共混物采用添加剂进行增强改性，使其强度更高、摩擦系数更小、回弹性更好、耐腐蚀性和耐高温性等性能更优越，使用寿命更久。

4.本发明螺杆钻具的定子能耐钻井液的长期腐蚀，耐强酸强碱。

5.本发明螺杆钻具的定子的使用寿命可以提高到超过250h以上。

6.本发明螺杆钻具的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。

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

以下是本发明的具体实施例，并结合附图说明对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

本发明公开的使用PTFE和PFA共混物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PTFE和PFA共混物制作。

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，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PTFE和PFA共混物，包括PTFE、PFA以及添加剂，添加剂包括增强纤维和金属粉末，各组分组成(以重量份数计)为：PTFE和PFA共混物100份、添加剂15-30份。

作为一种优选，PTFE和PFA共混物中PTFE占20-40％，PFA 占60-80％。

作为一种优选，增强纤维和金属粉末的重量比为(3-5)：1。

作为一种优选，增强纤维为碳纤维、玻璃纤维、硼纤维、芳纶纤维、聚酯纤维、尼龙纤维、聚酰亚胺纤维中的一种或多种。

作为一种优选，增强纤维的直径为8-15μm，长径比为(50-100)：1。

作为一种优选，纳米无机粉体为Al₂O₃、TiO₂、SiO₂、AlN、Si₃N₄中的一种或多种。

作为一种优选，纳米无机离子的粒径为40-60nm。

作为一种优选，增强纤维先采用表面改性剂进行表面改性。

作为一种优选，表面改性剂包括稀土浓度为0.1-0.5％的稀土改性剂和2-5％的偶联剂。

作为一种优选，改性工艺为将增强纤维在常温下置入按上述比例配置成的表面改性剂中浸润1-3h，然后在80-120℃下烘3-4h。

实施例1：

本实施例各组分(以重量份数计)组成为：PTFE和PFA共混物100份，PTFE占20％，PFA占80％；添加剂15份，由直径为10μm，长径比为80：1的碳纤维和粒径为40-60nm的Al₂O₃按重量比为4：1混合而成。碳纤维经稀土浓度为0.1％的稀土改性剂和2％的偶联剂配置成的表面改性剂在常温下浸润3h后在80℃下烘3h的改性处理。

生产时，PFA、PTFE和添加剂经高速混练机混合均匀后，再经熔炼挤出造粒为粉料，然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。

实施例2：

本实施例各组分(以重量份数计)组成为：PTFE和PFA共混物100份，PTFE占30％，PFA占70％；添加剂20份，由直径为10μm，长径比为80：1的玻璃纤维和粒径为40-60nm的TiO₂ 按重量比为4：1混合而成。玻璃纤维经稀土浓度为0.2％的稀土改性剂和3％的偶联剂配置成的表面改性剂在常温下浸润2h后在90℃下烘4h的改性处理。

生产时，PFA、PTFE和添加剂经高速混练机混合均匀后，再经熔炼挤出造粒为粉料，然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。

实施例3：

本实施例各组分(以重量份数计)组成为：PTFE和PFA共混物100份，PTFE占35％，PFA占65％；添加剂25份，由直径为10μm，长径比为80：1的硼纤维和粒径为40-60nm的SiO₂按重量比为4：1混合而成。硼纤维经稀土浓度为0.3％的稀土改性剂和4％的偶联剂配置成的表面改性剂在常温下浸润2h后在100℃下烘4h的改性处理。

生产时，PFA、PTFE和添加剂经高速混练机混合均匀后，再经熔炼挤出造粒为粉料，然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。

实施例4：

本实施例各组分(以重量份数计)组成为：PTFE和PFA共混物100份，PTFE占40％，PFA占60％；添加剂30份，由直径为10μm，长径比为80：1的芳纶纤维和粒径为40-60nm的AlN按重量比为4：1混合而成。芳纶纤维经稀土浓度为0.5％的稀土改性剂和5％的偶联剂配置成的表面改性剂在常温下浸润1h后在120℃下烘3h的改性处理。

生产时，PFA、PTFE和添加剂经高速混练机混合均匀后，再经熔炼挤出造粒为粉料，然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。

对比例：

现有技术中普通的定子，定子材料为HNBR。

将本发明实施例1-4和对比例中的产品进行性能测试，测试结果如表1所示。

表1：本发明实施例和对比例的产品性能测试结果

从表1可知，本发明制得的产品在各方面性能都优于对比例。

实施例5-8与实施例1-4的区别仅在于增强填料中的增强纤维为聚酯纤维。

实施例9-12与实施例1-4的区别仅在于增强填料中的增强纤维为尼龙纤维。

实施例13-16与实施例1-4的区别仅在于增强填料中的增强纤维为聚酰亚胺纤维。

实施例17-20与实施例1-4的区别仅在于增强填料中的纳米无机粉体为纳米Si₃N₄。

实施例21-24与实施例1-4的区别仅在于增强填料中增强纤维由碳纤维和玻璃纤维按任意比组成。

实施例25-28与实施例1-4的区别仅在于增强填料中增强纤维由玻璃纤维与芳纶纤维按任意比组成。

实施例29-32与实施例1-4的区别仅在于增强填料中纳米无机粉体由Al₂O₃与Si₃N₄按任意比组成。

实施例33-36与实施例1-4的区别仅在于增强填料中纳米无机粉体由SiO₂与AlN按任意比组成。

实施例37-40与实施例1-4的区别仅在于增强填料中纳米无机 粉体由Al₂O₃、SiO₂与Si₃N₄按任意比组成。

实施例41-44与实施例1-4的区别仅在于增强填料中的增强纤维的直径为8μm，长径比为50：1。

实施例45-48与实施例1-4的区别仅在于增强填料中的增强纤维的直径为8μm，长径比为80：1。

实施例49-52与实施例1-4的区别仅在于增强填料中的增强纤维的直径为8μm，长径比为100：1。

实施例53-56与实施例1-4的区别仅在于增强填料中的增强纤维的直径为10μm，长径比为50：1。

实施例57-60与实施例1-4的区别仅在于增强填料中的增强纤维的直径为10μm，长径比为100：1。

实施例61-64与实施例1-4的区别仅在于增强填料中的增强纤维的直径为15μm，长径比为50：1。

实施例65-68与实施例1-4的区别仅在于增强填料中的增强纤维的直径为15μm，长径比为80：1。

实施例69-72与实施例1-4的区别仅在于增强填料中的增强纤维的直径为15μm，长径比为100：1。

实施例73-76与实施例1-4的区别仅在于添加剂中增强纤维增强纤维和金属粉末的重量比为3：1。

实施例77-80与实施例1-4的区别仅在于添加剂中增强纤维增强纤维和金属粉末的重量比为5：1。

鉴于本发明方案实施例众多，各实施例实验数据庞大众多，不适合于此处逐一列举说明，但是各实施例所需要验证的内容和得到的最终结论均接近，故而此处不对各个实施例的验证内容进行逐一说明，仅以实施例1-4作为代表说明本发明申请优异之处。

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。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。 本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管对本发明已作出了详细的说明并引证了一些具体实施例，但是对本领域熟练技术人员来说，只要不离开本发明的精神和范围可作各种变化或修正是显然的。