斯伦贝谢纤维增强弹性体定子

《斯伦贝谢纤维增强弹性体定子》由会员分享，可在线阅读，更多相关《斯伦贝谢纤维增强弹性体定子（19页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、(10)申请公布号 CN 104246123 A (43)申请公布日 2014.12.24CN 104246123 A(21)申请号 201380020416.3(22)申请日 2013.02.2161/601,445 2012.02.21 USE21B 43/12(2006.01)E21B 4/02(2006.01)(71)申请人 斯伦贝谢控股有限公司 地址 英国维尔京群岛(72)发明人 S孟 PT卡里沃(74)专利代理机构 永新专利商标代理有限公司 72002 代理人 周家新 蔡洪贵(54) 发明名称 纤维增强弹性体定子(57) 摘要这里公开的实施例涉及一种用于形成定子或 其一部分的复合物

2、。该复合物包括 ： 可固化弹性 体 ； 纤维、 纤维状化合物 ； 纤维分散化合物 ； 以及 可选的炭黑。(30)优先权数据(85)PCT国际申请进入国家阶段日2014.10.16(86)PCT国际申请的申请数据PCT/US2013/027098 2013.02.21(87)PCT国际申请的公布数据WO2013/126546 EN 2013.08.29(51)Int.Cl.权利要求书 3 页 说明书 9 页 附图 6 页(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书3页 说明书9页 附图6页(10)申请公布号 CN 104246123 ACN 104246123 A1/3 页

3、21. 一种用于形成定子或其一部分的复合物， 包括 ： 可固化弹性体 ； 纤维， 其中， 复合物包括大约 0.5 到大约 1.8phr 的纤维， 其中， phr 被定义为占每百份 可固化弹性体的份数 ； 纤维分散化合物， 其选自以下组 ： 固体纤维分散化合物、 液体纤维分散化合物或它们的 混合物 ； 以及 炭黑。 2. 权利要求 1 的复合物， 其中， 纤维分散化合物包括固体纤维分散化合物， 该固体纤维 分散化合物包括纳米或微米尺寸的球形结构。 3. 权利要求 1 的复合物， 其中， 固体纤维分散化合物包括非晶态二氧化硅、 水合硅酸 铝、 硅铝酸盐、 硅酸镁、 煤灰以及二氧化硅粉末中的至少一种

4、。 4. 权利要求 1 的复合物， 其中， 固体纤维分散化合物包括平均粒子尺寸在大约 30nm 到 大约 300nm 的范围内且表面积在大约 10m2/g 到大约 30m2/g 的范围内的非晶态二氧化硅。 5. 权利要求 1 的复合物， 其中， 液体纤维分散化合物包括液体聚合物、 加工助剂、 石蜡 以及塑化剂中的至少一种。 6. 权利要求 1-5 中任意一项的复合物， 其中， 该复合物包括大约 1 到大约 1.8phr 的纤 维。 7. 权利要求 1-5 中任意一项的复合物， 其中， 该复合物包括大约 1.25 到大约 1.75phr 的纤维。 8. 权利要求 1-7 中任意一项的复合物， 其

5、中， 该纤维包括碳纤维、 硼纤维、 陶瓷纤维、 玻 璃纤维、 热塑性纤维、 天然纤维、 金属纤维以及合成纤维中的至少一种。 9. 权利要求 1-8 中任意一项的复合物， 其中， 该纤维包括芳纶纤维。 10. 权利要求 1-9 中任意一项的复合物， 其中， 可固化弹性体包括 NBR、 HNBR、 FKM、 FEPM 以及 FFKM 中的至少一种。 11. 权利要求 1-10 中任意一项的复合物， 其中， 可固化弹性体包括 NBR 和 HNBR 中的至 少一种， 并且门尼粘度 ( 在 121下 ML(1+4) 在大约 20 到大约 120 的范围内。 12. 权利要求 1-11 中任意一项的复合物

6、， 其中， 该复合物包括 ： 大约 75 到大约 99wt.的可固化弹性体 ； 大约 1.25 到大约 1.75phr 的芳纶纤维 ； 大约 0.5 到大约 15phr 的非晶态二氧化硅 ； 大约 10 到大约 100phr 的炭黑。 13. 一种形成定子或其一部分的方法， 包括 ： 将可固化弹性体、 纤维、 纤维分散化合物以及炭黑混合以形成权利要求 1-12 中任意一 项的可固化复合物 ； 将可固化复合物放置在模具中 ； 使可固化复合物固化， 以形成具有随机分散的纤维的定子衬管或定子衬管的一部分。 14. 权利要求 13 的方法， 其中， 该混合包括将可固化弹性体与包括纤维和纤维分散化 合物

7、的预分散物混合。 15. 一种用于螺杆式钻井马达中的定子， 包括 ：权 利 要 求 书CN 104246123 A22/3 页3定子衬管， 其包括至少一个弹性体层， 所述弹性体层包括权利要求 1-12 中任意一项的 复合物或者其反应产物。 16. 一种钻井马达， 包括 ： 定子和转子， 所述转子配置成当钻井液通过马达时偏心旋转 ； 其中， 定子包括定子衬管， 所述定子衬管包括至少一个弹性体层， 弹性体层包括权利要 求 1-12 中任意一项的复合物或者其反应产物。 17. 一种钻井组件， 包括 ： 钻井马达， 钻井马达包括定子和转子， 所述转子配置成当钻井液通过马达时偏心旋转， 定子和转子均具有

8、近端和远端， 其中， 定子包括定子衬管， 定子衬管包括至少一个弹性体 层， 弹性体层包括权利要求 1-12 中任意一项的复合物或者其反应产物 ； 直接或间接地连接到转子的远端的马达输出轴 ； 以及 直接或间接地连接到马达输出轴的远端的钻头。 18. 一种穿过地下地层钻井的方法， 该方法包括使钻井液通过权利要求 17 的钻井组 件。 19. 一种用于形成用于油田产品、 例如密封件或定子衬管中的纤维增强弹性体部件的 复合物， 该复合物包括 ： 可固化弹性体 ； 纤维， 其中， 该复合物包括大约 0.5 到大约 1.8phr 的纤维， 其中， phr 被定义为占每百 份可固化弹性体的份数 ； 纤维分

9、散化合物， 其选自以下组 ： 固体纤维分散化合物、 液体纤维分散化合物或它们的 混合物。 20. 权利要求 19 的复合物， 其中， 纤维分散化合物包括固体纤维分散化合物， 该固体纤 维分散化合物包括纳米或微米尺寸的球形结构。 21. 权利要求 19 的复合物， 其中， 固体纤维分散化合物包括非晶态二氧化硅、 水合硅酸 铝、 硅铝酸盐、 硅酸镁、 煤灰以及二氧化硅粉末中的至少一种。 22. 权利要求 19 的复合物， 其中， 固体纤维分散化合物包括平均粒子尺寸在大约 30nm 到大约300nm的范围内且表面积在大约10m2/g到大约30m2/g的范围内的非晶态二氧化硅。 23. 权利要求 19

10、 的复合物， 其中， 液体纤维分散化合物包括液体聚合物、 加工助剂、 石 蜡以及塑化剂中的至少一种。 24.权利要求19-23中任意一项的复合物， 其中， 该复合物包括大约1到大约1.8phr的 纤维。 25. 权利要求 19-23 中任意一项的复合物， 其中， 该复合物包括大约 1.25 到大约 1.75phr 的纤维。 26. 权利要求 19-25 中任意一项的复合物， 其中， 该纤维包括碳纤维、 硼纤维、 陶瓷纤 维、 玻璃纤维、 热塑性纤维、 天然纤维、 金属纤维以及合成纤维中的至少一种。 27. 权利要求 19-26 中任意一项的复合物， 其中， 纤维包括芳纶纤维。 28. 权利要求

11、 19-27 中任意一项的复合物， 其中， 可固化弹性体包括 NBR、 HNBR、 FKM、 FEPM 以及 FFKM 中的至少一种。 29. 权利要求 19-28 中任意一项的复合物， 进一步包括炭黑。权 利 要 求 书CN 104246123 A33/3 页430. 一种形成用于油田产品、 例如密封件或定子衬管中的纤维增强弹性体部件的方法， 包括 ： 将可固化弹性体、 纤维以及非晶态二氧化硅混合以形成权利要求 19-29 中任意一项的 可固化复合物 ； 将可固化复合物放置在模具中 ； 使可固化复合物固化， 以形成纤维增强弹性体部件。 31. 权利要求 30 的方法， 其中， 该混合包括使可

12、固化弹性体与包括纤维和纤维分散化 合物的预分散物混合。 32. 一种用于油田产品中的纤维增强弹性体部件， 包括权利要求 19-29 中任意一项的 复合物或其反应产物。权 利 要 求 书CN 104246123 A41/9 页5纤维增强弹性体定子技术领域0001 这里公开的实施例总体上涉及用在螺杆式钻井马达中的定子。更具体的， 这里公开的实施例涉及一种纤维增强定子以及用于形成纤维增强定子的复合物， 其中， 纤维容易 地被结合并且很好地分散在整个弹性体基质中。背景技术0002 单螺杆式液压马达和泵通常被用于地下钻井和人工升降应用场合， 例如用于油和/或气的勘探。 这种马达使用来自钻井液的液压动力为

13、例如钻头组件提供转矩和旋转动力。 虽然井下钻井马达属于单螺杆式马达的一般范畴， 但是与用于其它应用的单螺杆式马达和 泵相比， 它们通常经受更大的工作负荷、 温度以及更恶劣的化学和磨蚀环境。因此， 对钻井 马达部件 ( 转子和定子部件 ) 的要求通常远超过对其它单螺杆式马达和泵的部件的要求。 例如， 钻井马达在高达大约200的温度下可能会经受高达1500psi的压降(越过马达从顶 部到底部 )。此外， 传统定子的长度可能超过 25 英尺。在这种长度下， 获得合适的加工性 能 ( 例如流动性 ) 用于注射成型弹性体材料变得困难。此外， 众所周知的许多复合橡胶在 烃类物质中会恶化。0003 典型的单

14、螺杆式马达的动力部分包括设置在相应的定子的螺旋腔内部的螺旋转子。 当从圆形横截面看时， 典型的定子显示出多个位于螺旋腔中的叶片。 在多数传统的单螺 杆式动力部分中， 转子叶片和定子叶片优选地以干涉配合设置， 其中， 转子包括的叶片数比 定子的少一个。因此， 当流体、 例如传统的钻井液通过位于转子和定子之间的螺旋空间时， 流体的流动驱使转子相对于定子旋转 ( 定子例如可以连接到钻柱 )。转子例如可以通过万 向连接和输出轴连接到钻头组件。由此， 转子的旋转驱使钻头在井眼中转动。0004 传统的包括全为弹性体的螺旋腔部件的定子的一个缺陷在于需要弹性体性能的折衷。一种这样的折衷介于弹性体的弹性 ( 刚

15、性 ) 和其加工性能 ( 在注射成型过程中的其 流动性 ) 之间。例如， Guo 的美国专利 No.6,905,319 指出 “加工性能通常与橡胶的刚性相 反。 在注射成型过程中尤其如此通常， 更硬的化合物需要更多的加工能量和时间， 由此提 高了制造成本” ( 第 4 栏， 第 4-12 行 )。虽然使用更硬的弹性体具有潜在的优势， 但 Guo 公 开了一种硬度大约为 74 邵氏硬度 A 级 (ASTM D2240) 的弹性体。Guo 给出的教导与本领域 传统的观点一致， 其建议刚性弹性体 ( 例如那些具有大约 90 邵氏硬度 A 以及下面更加详细 描述的其它机械特性的弹性体 ) 由于固有的差

16、的加工性能而不适合用在井下定子中。传统 定子中的弹性体材料的硬度 ( 邵氏 A) 通常介于 65-75 之间。0005 传统定子的一个显著缺陷在于， 弹性体螺旋腔部件在转矩负载下发生变形 ( 由于弹性体的低刚性 )。这种变形在定子叶片的空载侧产生间隙， 由此使得钻井液从一个空腔 流到下一个空腔而不做任何功 ( 即， 不会驱使转子旋转 )。这在本领域中称作 “转速下降” 。 当转矩达到临界水平时， 基本上所有的钻井液都会绕过定子叶片并且使转子失速。 因此， 衬 管的挠性可能导致转子和定子之间产生不完全密封使得当转子压缩定子叶片材料时可用 转矩发生丢失， 由此减少 PDM 的动力输出。说 明 书CN 104246123 A52/9 页60006 定子还会遇到其它的问题， 例如当转子在定子内部旋转时会剪切掉部分的定子叶片。这个过程可以被称作 “分离” ， 且使得转子和定子之间的密封变差并且可能引起 PDM 失 效。衬管膨胀或者热疲劳都会使分离加大。膨胀和热疲劳可能是由于温度升高和暴露于特 定的钻井液以及地层流体