包含對(duì)齊的細(xì)長(zhǎng)碳納米粒子的雙組分密封件的制作方法
【專利說(shuō)明】包含對(duì)齊的細(xì)長(zhǎng)碳納米粒子的雙組分密封件
[0001 ] 背景
[0002]實(shí)施方案的方法涉及包含細(xì)長(zhǎng)碳納米粒子的雙組分密封件，所述雙組分密封件的制造方法，以及所述雙組分密封件在耐受旋轉(zhuǎn)、摩擦、壓縮、旋轉(zhuǎn)或引起設(shè)備磨損的其他力的設(shè)備中的使用方法。
[0003]在各種行業(yè)中，如石油和天然氣、礦業(yè)、化學(xué)、紙漿和造紙、吹煉、航空航天、醫(yī)療、汽車中使用的設(shè)備部件遭受各種類型的機(jī)械磨損，導(dǎo)致材料從一個(gè)固體表面被另一個(gè)固體表面或材料物理移除。通常，這種機(jī)械磨損發(fā)生于以下情形:兩個(gè)固體表面(如金屬表面)靠著彼此頻繁運(yùn)動(dòng);硬質(zhì)材料沿著固體表面移動(dòng)而引起熔刮、剝落或開(kāi)裂;液體流中的微粒沖擊固體表面而引起部分固體表面的侵蝕;或固體表面重復(fù)運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致固體表面的表面下方的可能從其傳播的應(yīng)力負(fù)荷和開(kāi)裂。
[0004]機(jī)械磨損在地下巖層操作，如鉆探操作中受到特別關(guān)注，在所述操作中具有鉆頭(例如，牙輪鉆頭或固定鉆頭)的鉆探工具被下放到井眼內(nèi)以便切穿巖石。通常，鉆探工具一直工作直到鉆頭上的鉆探切割器過(guò)度磨損。此后，有必要移除整個(gè)鉆探工具組件并更換鉆頭。鉆探工具組件的這種移除在經(jīng)濟(jì)上難以負(fù)擔(dān)，因?yàn)樗a(chǎn)生非生產(chǎn)性時(shí)間。此外，經(jīng)常更換鉆頭的需要引起設(shè)備成本增加。
[0005]傳統(tǒng)上已經(jīng)通過(guò)潤(rùn)滑軸承和鉆頭的受到導(dǎo)致機(jī)械磨損的金屬與金屬的力影響的其他零件來(lái)提高鉆頭的操作壽命。另外，可通過(guò)在固體表面部件之間(通常是金屬表面)，或者在可能遭遇微粒流體流的部件之間包括密封部件以防止研磨微粒(例如，鉆探碎肩、巖層微粒、鉆井液中的微粒等等)或腐蝕性材料進(jìn)入鉆頭部件之間的裂縫來(lái)提高鉆頭的操作壽命。潤(rùn)滑劑或密封部件的損耗可能導(dǎo)致鉆頭壽命的顯著縮短。此外，與更換潤(rùn)滑劑和/或密封部件相關(guān)的成本可能在經(jīng)濟(jì)和時(shí)間支出上均相當(dāng)高。
[0006]附圖簡(jiǎn)述
[0007]以下所包括的附圖用于說(shuō)明本文描述的實(shí)施方案的某些方面，并且不應(yīng)視為排他性實(shí)施方案。如本領(lǐng)域技術(shù)人員和受益于本公開(kāi)的人員將了解，所公開(kāi)的主題能夠在形式和功能上存在許多修改、改變、組合和等效形式。
[0008]圖1提供牙輪鉆頭的示意圖。
[0009]圖2提供用于將井眼鉆入地下巖層的鉆機(jī)的示意圖。
[0010]圖3提供根據(jù)本文所描述的至少一個(gè)實(shí)施方案的包括雙組分密封件的牙輪鉆頭的一部分的截面示意圖。
[0011 ]圖4a提供本文所描述的雙組分密封件的截面示意圖。
[0012]圖4b提供根據(jù)本文所描述的一些實(shí)施方案的納米復(fù)合材料中的官能化的對(duì)齊的細(xì)長(zhǎng)碳納米粒子的視圖。
[0013]詳述
[0014]本文所描述的實(shí)施方案的方法涉及:包含細(xì)長(zhǎng)碳納米粒子的雙組分密封件，所述雙組分密封件的制造方法，以及所述雙組分密封件在耐受旋轉(zhuǎn)、摩擦、壓縮、旋轉(zhuǎn)或引起設(shè)備磨損的其他力的設(shè)備中的使用方法。
[0015]雖然本文所公開(kāi)的實(shí)施方案集中于提供在用于地下巖層鉆探操作的鉆頭中使用的包含細(xì)長(zhǎng)碳納米粒子的雙組分密封件，但在具有遭受機(jī)械磨損的部件的任何設(shè)備中均可有效使用所述雙組分密封件。這種設(shè)備可用在任何行業(yè)中，包括但不限于，石油和天然氣、礦業(yè)、化學(xué)、紙漿和造紙、吹煉、航空航天、醫(yī)療、汽車等等。本文所公開(kāi)實(shí)施方案的雙組分密封件可適應(yīng)在特定設(shè)備類型中使用所必需的任何形狀或尺寸，并且不限制為本文所描述的任何特定形狀或尺寸。例如，本文所公開(kāi)實(shí)施方案的雙組分密封件可為圓形密封件(例如，O形環(huán))、高縱橫比密封件、徑向密封件、軸向密封件、D形密封件、展平密封件、唇形密封件、定制車床切割密封件或可從增加的潤(rùn)滑能力獲益的任何其他密封件形狀。因此，內(nèi)芯或外芯可采取這些形狀并且本文所公開(kāi)的實(shí)施方案不限于任何這類形狀。本公開(kāi)實(shí)施方案的雙組分密封件可用于靜態(tài)密封或動(dòng)態(tài)密封。
[0016]—種在井眼鉆探中使用的鉆頭的重要類型是牙輪鉆頭，如圖1中100所示。在牙輪鉆頭中，旋轉(zhuǎn)椎102在其外表面上具有嵌塊104并安裝在鉆頭主體的臂106上。在鉆探期間，如圖2所示，鉆機(jī)208使用管210的部分來(lái)向鉆頭200傳遞旋轉(zhuǎn)力并使用栗212來(lái)使鉆井液(如流動(dòng)箭頭A所示)穿過(guò)管210的所述部分循環(huán)至井眼的底部。隨著鉆頭旋轉(zhuǎn)，施加的鉆壓(“W0B”)迫使旋轉(zhuǎn)椎的指向下方的嵌塊進(jìn)入被鉆探的巖層中。因此，嵌塊所在的點(diǎn)施加超過(guò)巖層屈服應(yīng)力的壓縮應(yīng)力，從而導(dǎo)致井眼形成。產(chǎn)生的碎片(也稱為“碎肩”)被高流速的鉆井液(也稱為“泥楽”)從切割面沖走。
[0017]現(xiàn)在參考圖3，為牙輪鉆頭的一部分的截面示意圖，旋轉(zhuǎn)接頭302由兩個(gè)元件限定:示出為牙輪的第一元件304和示出為具有軸的支撐臂的第二元件308。根據(jù)本文所描述的至少一個(gè)實(shí)施方案的雙組分密封件如318所示，被配置來(lái)密封旋轉(zhuǎn)接頭302的一部分，從而限定密封段312和未密封段314。雙組分密封件308為旋轉(zhuǎn)接頭302提供潤(rùn)滑能力并防止微粒進(jìn)入密封段312。
[0018]在一些實(shí)施方案中，本文所公開(kāi)實(shí)施方案的雙組分密封件包括外鞘和內(nèi)芯，其中外鞘包含對(duì)齊的細(xì)長(zhǎng)碳納米粒子，并且其中內(nèi)芯包含聚合物。在其他實(shí)施方案中，外鞘包含納米復(fù)合材料，所述納米復(fù)合材料包含嵌入聚合物中的對(duì)齊的細(xì)長(zhǎng)碳納米粒子。在再其他實(shí)施方案中，本文所描述實(shí)施方案的雙組分密封件的內(nèi)芯可包含納米復(fù)合材料，所述納米復(fù)合材料包含可為對(duì)齊或隨機(jī)嵌入其中的細(xì)長(zhǎng)碳納米粒子。如本文所用，術(shù)語(yǔ)“對(duì)齊”指的是在同一個(gè)方向平面中細(xì)長(zhǎng)碳納米粒子的取向(例如，在軸向方向或徑向方向上)。這種對(duì)齊可對(duì)雙組分密封件的密封效率、潤(rùn)滑能力和壽命具有顯著影響，也對(duì)細(xì)長(zhǎng)碳納米粒子賦予雙組分密封件潤(rùn)滑能力的能力和細(xì)長(zhǎng)碳納米粒子本身的壽命具有顯著影響。
[0019]細(xì)長(zhǎng)碳納米粒子可采取多種形式，例如像，石墨烯納米帶;碳納米管；以及碳納米角。石墨稀納米帶(“GNR”)為由解鏈碳納米管形成的寬度為從約5nm至約50nm，并且長(zhǎng)度為從約10nm至約2μηι的石墨稀長(zhǎng)條。在其他實(shí)施方案中，GNR的寬度可從約5nm至約30nm，并且長(zhǎng)度從約500nm至約Ιμπι。在再其他實(shí)施方案中，GNR的寬度可從約5nm至約30nm，并且長(zhǎng)度從約10nm至約500nm?；谟杀绢I(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的某些因素，本文所公開(kāi)的石墨烯納米帶的寬度和長(zhǎng)度范圍可為這些范圍之外的任何尺寸，所述因素包括但不限于:雙組分密封件的尺寸和形狀，石墨烯納米帶的合成方法，所需潤(rùn)滑的量等等。如本文所用，術(shù)語(yǔ)“石墨烯納米帶”和“石墨烯”包含少層石墨烯納米帶。碳納米管是具有圓柱結(jié)構(gòu)的碳的同素異形體。為了在本文所描述實(shí)施方案中使用，此類碳納米管可為單壁碳納米管(“SWNT”)或多壁碳納米管(“MWNT”)(例如，具有比SWNT多2至50或更多個(gè)壁)。碳納米角(“CNH”)是碳的同素異形體，并且類似于碳納米管，是細(xì)長(zhǎng)的，主要是具有錐形或角狀末端的圓柱結(jié)構(gòu)。在一些實(shí)施方案中，細(xì)長(zhǎng)碳納米粒子在本文所描述實(shí)施方案的納米復(fù)合材料中存在的量可在主