CN102975367A - 制造定向钻孔组件中的等离子体处理 - Google Patents
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Abstract
提供用于增强在形成定向钻孔组件的部件中使用的材料之间的粘附或粘合的方法，所述部件诸如转子和定子。部件的表面可诸如经由清理、蚀刻和/或活化表面来处理。等离子体处理的使用可以增强要粘合的表面和/或材料之间的粘附，从而在油田应用中减少这些材料的降级或机械损坏。
Description
背景
定向钻孔涉及有意地偏移或转向钻头来形成符合所需路径的非垂直钻井孔。可以将钻头指向想要钻孔的方向，这可以经由在井下可转向泥浆马达中的钻头附近使用永久弯头来完成，所述井下可转向泥浆马达也被称为螺杆正排量泵(progressive cavity positive displacementpump)。这类泥浆马达连接钻柱与钻头。泥浆马达包括包含转子和定子的动力段及传输段。从表面经抽送穿过钻柱的钻井液(也称为泥浆)的压力在泥浆马达动力段中引起偏心运动，该偏心运动通过传输段以同心动力传输到钻头。在抽送泥浆穿过钻柱到达泥浆马达时，钻头转动而钻柱不旋转，从而允许钻头在其指向的方向上钻孔。
在泥浆马达中，转子通常在定子内转动以产生使钻头在井下方向上自旋的动力。泥浆马达可以使用不同的转子和定子构造以便最佳化定向钻孔组件的性能。非金属材料(诸如复合材料)和/或弹性材料(诸如弹性体)已被用于泥浆马达部件的制造。举例来说，泥浆马达的定子可能由内衬弹性材料(诸如弹性体)的复合材料形成。然而，由于材料之间的粘附或粘合不充分，与可以利用定向钻孔组件的油田应用相关的一些操作与环境条件倾向于使形成泥浆马达部件的这些材料降级或诱导这些材料的机械损坏。
概述
本公开的实施方案大体上提供一种用于将定向钻孔组件的第一部件粘附至第二部件的方法。第一部件的表面可经等离子体处理以形成经等离子体处理的表面。经等离子体处理的表面随后可粘附至第二部件的表面。该第二部件的表面也可用等离子体处理。等离子体可以是大气压等离子体或真空等离子体。经等离子体处理的表面也可以用粘合剂粘附至第二部件的表面。或者，经等离子体处理的表面是用等离子体粘附至所述第二部件的所述表面
等离子体处理可包括用等离子体清理、蚀刻以及活化第一部件的表面，或等离子体处理可包括这些功能中的一种或多种功能。在这类处理中，清理可包括用具有第一强度的等离子体处理第一部件的表面。蚀刻可包括用具有第二强度的等离子体处理第一部件的表面。活化可包括用具有第三强度的等离子体处理第一部件的表面。可在所述第一强度、所述第二强度以及所述第三强度下使用相同等离子体，或可在所述第一强度、所述第二强度以及所述第三强度下使用不同等离子体。
本公开的实施方案还提供：通过等离子体处理弹性层的表面以便粘附至聚合物基复合材料来形成定向钻孔组件。定子管的内表面也可经等离子体处理以便粘附至聚合物基复合材料。弹性层可包括氟橡胶、氢化腈橡胶、腈橡胶、合成橡胶和/或天然橡胶。聚合物基复合材料可以是环氧树脂、金属填充的环氧树脂、无机物填充的环氧树脂、聚合物纤维填充的环氧树脂、聚酰亚胺、聚醚醚酮、聚酮、酚醛树脂和/或聚苯硫醚。
本公开的实施方案还提供：一种形成定向钻孔组件的方法，所述方法包括：等离子体处理弹性层的表面以形成第一经等离子体处理的表面；等离子体处理金属管的内表面以形成第二经等离子体处理的表面；以及粘附所述第一经等离子体处理的表面和所述第二经等离子体处理的表面至聚合物基复合材料。
在一个实施方式中，所述第一经等离子体处理的表面经涂布来保护所述弹性层。
在一个实施方式中，等离子体处理以形成所述第一经等离子体处理的表面包括以下功能中的至少两种功能：
用等离子体清理所述弹性层的所述表面；
用等离子体蚀刻所述弹性层的所述表面；以及
用等离子体活化所述弹性层的所述表面。
在一个实施方式中，等离子体处理以形成所述第二经等离子体处理的表面包括以下功能中的至少一种功能：
用等离子体清理所述金属管的所述内表面；
用等离子体蚀刻所述金属管的所述内表面；以及
用等离子体活化所述金属管的所述内表面。
在一个实施方式中，所述弹性层选自包括以下的组：氟橡胶、氢化腈橡胶、腈橡胶、合成橡胶以及天然橡胶。
在一个实施方式中，所述聚合物基复合材料选自包括以下的组：环氧树脂、金属填充的环氧树脂、无机物填充的环氧树脂、聚合物纤维填充的环氧树脂、聚酰亚胺、聚醚醚酮、聚酮、酚醛树脂以及聚苯硫醚。
本公开的其它实施方案可通过以下来增强泥浆马达部件的粘合性质：提供具有定子的泥浆马达，该定子由内衬弹性层的套筒形成；粘附所述内衬弹性层的套筒的表面至聚合物复合材料；以及，用等离子体处理所述内衬弹性层的套筒的所述表面，之后粘附所述内衬弹性层的套筒的所述表面至所述聚合物复合材料。定子管的内表面可用等离子体处理以形成经等离子体处理的表面。经等离子体处理的表面可随后粘附至所述聚合物复合材料。
本概述旨在介绍一系列概念，这些概念将在以下发明详述中进一步描述。本概述并不意图认定要求保护的主题的关键特征或基本特征，也不意图用作限制要求保护的主题的范围的辅助。
附图简述
为了更完全地了解本公开及其特征，现结合附图来参阅以下描述，附图中：
图1描绘根据本公开的一个实施方案的形成定向钻孔组件的一部分的定子。
发明详述
本公开的实施方案提供用于增强材料之间的粘附或粘合的方法，所述材料形成定向钻孔组件的部件。这类方法可提供等离子体处理或涂层的使用，以便增强或增强要粘合的材料之间的粘附，从而减少被形成来用于油田应用的部件的降级或机械损坏。
等离子体是通常可指代激发气体或电离气体的术语。因此，等离子体处理通常可被认为是在低压或低大气压下使用这类激发气体或电离气体来影响表面，诸如，增加或减少该表面上的能量。根据本公开的实施方案，等离子体处理可用于清理和/或表面处理在制造定向钻孔组件中使用的各种材料。举例来说，因为等离子体通常被认为是环保的，产生很少的化学废物或不产生化学废物，并且可能是一种较安全的制造技术，所以等离子体可用于形成定向钻孔组件的泥浆马达中的定子或转子的部件。此外，可调整等离子体来传递表面特异的性质。根据本公开的实施方案，等离子体还可用于活化和/或处理温度特异的表面。
根据本公开的实施方案，等离子体可包括与定向钻孔组件的制造部件相关的各种功能。更具体来说，等离子体处理可用于蚀刻表面、提高表面可润湿性、增强表面活化、用于清理和/或诸如通过产生机械锁来用于粘附。应了解，根据本公开的实施方案，可在一个表面上执行这些功能中的一种或多种功能来增强部件之间的粘附。这些等离子体处理功能中的每一种功能将在下文进一步详细描述。
根据本公开的实施方案，等离子体蚀刻可用于改变表面的粗糙度，该表面将在微观尺度上被粘合或粘附至定向钻孔组件中的另一表面或材料。蚀刻可通过增大接触表面并增加机械锁来改变表面的粗糙度以便促进粘附。蚀刻还可具有除去表面污染的作用。举例来说，用于定向钻孔组件的泥浆马达中的转子或定子制造的部件的表面可使用诸如反应性加工气体的等离子体来蚀刻。这类表面上存在的微粒可被溅射出，转化成气相，然后，例如，使用真空系统抽吸除去。这样可增大要粘附至另一表面的材料的表面积，以便制造定向钻孔组件的部件。这类方式的等离子体蚀刻可以使材料的表面更易于润湿。此外，根据本公开的实施方案，粗加工一个或多个表面可增强例如材料之间的机械锁定，所述材料要粘合或粘附在一起来制造定向钻孔组件的部件。例如，将等离子体注射入定子的粗加工表面可允许等离子体更容易流入所述粗加工表面的蚀刻部分。等离子体的纳入可增强经处理表面相对于另一材料表面的粘附性质，所述经处理表面可粘合至或粘附至所述另一材料表面来形成定向钻孔组件的部件。
通常与等离子体蚀刻互补的等离子体处理形式可用于提高根据本公开的实施方案的定向钻孔组件内的表面(诸如定子或转子的部件表面)的可润湿性。润湿通常是液体与固体表面保持接触的能力，当所述液体与所述固体表面一起接触时会产生分子之间的相互作用。例如，这样可允许内衬弹性层的套筒表面与聚合物复合材料之间更好的接触或相互作用，所述内衬弹性层的套筒表面要粘附或粘合至所述聚合物复合材料来制造根据本公开的实施方案的定向钻孔组件内的定子或转子。
等离子体表面活化可以是根据本公开的实施方案来使用的等离子体处理的另一种形式。在等离子体表面活化中，与等离子体相关的活性氧物质或活性氧基可能轰击表面以分解表面上的介质(agent)、聚硅酮和/或油，并且这些微粒可使用真空系统从所述表面抽出，从而清理了所述表面。与等离子体相关的活性氧物质或活性氧基可与材料上的活性表面位点结合，从而产生可更易于接受粘合或粘附的表面。然后，活性氧物质或活性氧基可以分解这些键和/或表面上可以发生分子的交叉接合。所得的氧化作用可增加与表面相关的极性基团。
因此，当氧化材料的最上层原子层时，等离子体表面活化可以除去具有低分子量的表面层。当表面经放置与另一个表面接触或与定向钻孔组件中用于粘合或粘附目的的粘合剂接触时，归因于等离子体表面活化的极性增加可增强所述表面的粘附性质。
例如，当通过真空等离子体活化表面时，可以加强要粘合的表面的化学相互作用(诸如极性相互作用和/或共价接合)。这可以在不改变经活化表面的材料性质的情况下，增强所述表面的粘附或粘合性质。在本公开的一个实施方案中，形成定子或转子的内衬弹性层的套筒的表面可以用氨气、氮气和/或氢气处理，以便使所述表面经由该表面上的胺化学基团的形成而官能化。通过使所述表面经由等离子体活化而官能化，可以增强内衬弹性层的套筒表面与要粘合至该套筒表面的另一个表面(诸如聚合物复合材料)之间的物理化学相互作用。
等离子体清理是等离子体处理的另一种形式，其可以提供用于根据本公开的实施方案的定向钻孔组件中的部件的表面制备。等离子体清理可使用由气态物质产生的高能等离子体来从表面上除去杂质和污染物。等离子体中的高能物质可以轰击表面以破坏表面污染物的大多数有机键，并因此分解可能存在于表面上的油和油脂。例如，用氧等离子体清理表面可以在纳米尺度水平上除去表面上的油和油脂并且可以比传统的湿式清理方法更多地减少污染。等离子体清理因此可以提供洁净的表面，该表面可备用于粘合或进一步的处理，而不会产生更多有害废料(如果会产生的话)。
等离子体清理可能是根据本公开的实施方案的定向钻孔组件中的表面制备的理想形式，因为采用了低毒性的气体。另外，与其它表面制备方法相比，等离子体清理在动力、压力、气体类型，和/或处理时间方面都可以更精确控制。另外，可能在等离子体清理期间产生的废物可以是气态形式，所述废物可以直接释放至大气中而不会有不必要的有害环境作用。
使用高频电压电离低压气体可以形成可以用于根据本公开的实施方案的清理的等离子体。然而，应了解，在不脱离本公开的情况下，也可以使用大气压等离子体。另外，在不脱离本公开的情况下，可以使用用于形成等离子体的其它机制。在本公开的一个实施方案中，等离子体中的高能氧可以与表面污染物反应以形成水和二氧化碳副产物，所述副产物可以在可处理所述表面的情况下从腔室中抽出。
在通过等离子体清理表面来除去诸如增塑剂、抗降解剂以及硫化活性剂化学络合物的污染时，可以增强要粘合例如来形成根据本公开的实施方案的定向钻孔组件中的转子或定子的表面之间的粘附。用氨气或氢气或氮气的处理可以通过在表面上形成可以增加物理化学相互作用的胺化学基团来使所述表面官能化。应了解，在不脱离本公开的情况下，可以等离子体清理形成定向钻孔组件的部件的金属表面和非金属表面两者。
结合前面所述的各种等离子体处理功能或除了前面所述的各种等离子体处理功能，可以使用等离子体处理来增强可以被粘附在定向钻孔组件中的表面之间的粘附。根据本公开的实施方案，可以促进以下之间的粘附：内衬弹性层的套筒的表面、聚合物复合材料，和/或形成定子或转子的部件的金属定子管或转子芯。
应了解，不管粘合剂(诸如胶)是否也被用于根据本公开的实施方案的粘合，等离子体处理可以用于增强定向钻孔组件中的表面之间的粘附。应了解，在不脱离本公开的情况下，等离子体处理可以用以进一步增强粘合剂与要粘合于定向钻孔组件中的一个或多个表面的粘附。
因此，根据本公开的实施方案，可以使用等离子体处理来清理、粗加工，和/或活化金属表面或非金属表面。这样的等离子体处理可以提高表面的可润湿性，增大表面积，和/或增强一个表面与另一个表面或粘合剂的粘附，该粘合剂是用于制造定向钻孔组件中的部件的所述粘合剂。
图1描绘根据本公开的实施方案的形成定向钻孔组件的一部分的定子。在本公开的一个实施方案中，内衬弹性层的套筒的表面101可以被等离子体处理并且被粘附至聚合物复合材料102，以便形成适用于定向钻孔组件中的泥浆马达的定子。应了解，根据本公开的实施方案，内衬弹性层的套筒的表面也可以被等离子体处理并且被粘附至转子中的聚合物复合材料。过去，例如当利用传统粘合技术粘附内衬弹性层的套筒的表面至聚合物复合材料时，用于形成定子或转子的内衬弹性层的套筒例如具有从聚合物复合材料脱层的趋势。然而，根据本公开的实施方案，经由等离子体处理来清理、蚀刻和/或活化表面101可以引起表面101与聚合物复合材料102之间的相互作用增强并且增强其之间的粘附。另外，根据本公开的实施方案，定子管103可以通过等离子体处理表面104而粘附至复合材料102。
根据本公开的实施方案，大气压和/或真空等离子体处理可以用于在定向钻孔组件的制造中执行任何或所有上述功能。在大气压等离子体处理中，可使用诸如氮或氨的气氛代替空气来产生带电气氛，以便向衬底引入广泛的表面改性作用。根据本公开的实施方案，可以通过分解表面去污染方法、氧化要处理的所述表面、精细地蚀刻所述表面以产生较大的表面积，和/或在所述表面上沉积涂层来制备表面。大气压等离子体处理可以与定位扫描(head scanning)要处理的材料的表面一起进行。也可以使用等离子体焰炬。然而应了解，在不脱离本公开的情况下，也可以使用用于施加大气压等离子体的其它机制。
与大气压等离子体处理相比，真空等离子体处理可以涉及通过气体在低压和低温下的电磁放电来产生稳定并且有效的等离子体。在真空等离子体处理中，等离子体可以与表面相互作用而不会改变所述表面的材料性质。可以在容器或真空室中施加真空等离子体。然而，在不脱离本公开的情况下，与大气压等离子体一样，可以使用施加真空等离子体的其它机制。
应了解，根据本公开的实施方案，一种或多种气体可以用于制造定向钻孔组件的等离子体处理的方法中。可以类似地利用具有不同强度的气体。例如，具有第一强度的气体可以用于清理，第二气体(或具有不同强度的第一气体)可以用于表面活化，并且第三气体(具有不同强度的第一气体或第二气体)可以用于蚀刻部件的表面。例如，等离子体清理表面可能需要的能量(或强度)低于等离子体蚀刻表面可能需要的能量(或强度)。因此，与等离子体蚀刻相比，等离子体清理可以使用不同气体，或相同气体的较低强度形式。应了解，例如，可以使用等离子体枪来施加不同强度的气体或不同气体，尽管在不脱离本公开的情况下，可以利用用于向表面递送等离子体的其它机制。
根据本公开的实施方案，等离子体处理可以应用于各种材料的表面，所述材料可以形成定向钻孔组件的部件。例如，等离子体处理可以应用于形成定子或转子的一部分的内衬弹性层的套筒的表面。等离子体处理也可以应用于形成定子或转子的聚合物复合材料。还应了解，在不脱离本公开的情况下，等离子体处理可以用于泥浆马达以及螺杆泵或液压马达。
在本公开的一个实施方案中，定子可以包括内衬弹性层的套筒。根据本公开的实施方案的弹性层可以包括但不必限于氟橡胶(诸如VITON氟橡胶)、氢化腈橡胶(HNBR)、腈橡胶(NBR)、合成橡胶，和/或天然橡胶或其组合。根据本公开的实施方案，这类弹性层可以在并入定子时为完全固化、部分固化，或尚未加工(green)或尚未固化的。还应了解，这类套筒可以由不同材料的层形成，并且甚至可以包括非弹性层。在本公开的其它实施方案中，可以形成具有可能经过纤维增强或丝网增强的弹性层的套筒。在本公开的进一步实施方案中，所述套筒可以是金属的(例如，由钢、不锈钢、铝、钛，或其组合形成)和/或由金属(例如，铬、金、银、铜、镉、镍、锌、铅、锡或其组合)涂布。根据本公开的实施方案所形成的定子中的套筒的表面可以经受等离子体处理来增强对于所述定子内的其它表面和/或可以粘合所述套筒的表面的粘合剂的粘附。
还应了解，根据本公开的实施方案，各种聚合物基复合材料可以用于形成适用于定向钻孔组件的定子或转子。这类聚合物基复合材料可以包括但不必限于环氧树脂、聚酰亚胺、聚醚醚酮(PEEK)、聚酮，酚醛树脂，和/或聚苯硫醚(PPS)或其组合。根据本公开的实施方案，可以等离子体处理这些聚合物基复合材料中每一种聚合物基复合材料。例如，根据本公开的实施方案，可经由等离子体处理，在使用或不使用诸如胶的粘合剂的情况下，使聚合物基复合材料粘附至内衬弹性层的套筒的表面和/或定子管的内表面。
在本公开的一个实施方案中，为制造用于定向钻孔组件的泥浆马达的定子或转子，可以形成厚度受控的弹性层并将其插入主体的纵向孔内。举例来说，然后可将铸造材料，诸如金属填充的聚合物复合材料、有机物填充的聚合物复合材料，和/或聚合物纤维填充的聚合物复合材料布置在弹性层的外表面与主体的纵向孔之间形成的空隙中。然后可以对所述铸造材料和所述弹性层进行等离子体处理，这样使得所述铸造材料被粘附至所述弹性层。根据本公开的一个实施方案，等离子体可以施加于所述弹性层的外表面。等离子体可以施加于所述铸造材料，或所述铸造材料与所述弹性层两者来促进粘附。然而，根据本公开的实施方案，可以利用并不使用铸造材料的方法。
在本公开的另一个实施方案中，弹性材料可以被注入到定子主体与心轴之间的空隙中。可以对可能是金属的定子主体进行等离子体处理，并且可以将心轴从内衬弹性材料的定子上除去。在本公开的另一个实施方案中，弹性材料可以经由型材模具挤出。根据本公开的实施方案，等离子体处理可以用于形成定向钻孔组件的部件来达到增强的粘合。
在等离子体处理之后，本公开的实施方案可以提供涂布弹性层101的内表面(图1所描绘)。如图1中的涂层105所描绘，氟基涂层、金属涂层(诸如铬镀层)和/或硬质涂层(包括类金刚石碳(DLC)涂层)可以涂覆来保护弹性层101。不管是否可能进行其它等离子体处理，按这种方式进行的等离子体涂布可以用于使与弹性层101的摩擦力最小化，并且增强涂层105与弹性层101之间的粘合。在本公开的一个实施方案中，定子的动力段的弹性层可以用等离子体处理并且然后用氟基涂层涂布以保护所述弹性层。根据本公开的实施方案，这类处理不但可以增强所述弹性层的耐化学性而且可以处于粘合状态的转子与定子之间的摩擦最小化，从而增强在定向钻孔组件操作中的所述定子和/或转子的可靠性和性能。
虽然本公开的一些实施方案已经就某些类型的定子来描述了等离子体处理，但是应了解，可以对更常规的定子技术使用等离子体处理。另外，应了解，根据本公开的实施方案，对在制造定向钻孔组件中的转子以及定子可以类似地使用本文所述的等离子体处理。
尽管本公开已经进行了详细描述，但是应了解，在不脱离附加权利要求书所界定的本公开的精神和范围的情况下，本文可以做出各种改变、替换以及变更。另外，本申请的范围不意图限于本申请文件中描述的工艺、机器、制造、物质组成、手段、方法以及步骤的特定实施方案。如本领域技术人员将从本公开中所了解的，可根据本公开利用现有的或以后会研发出来的工艺、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤，从而执行与本文所描述的对应实施方案大致上相同的功能或达到大致上相同的结果。因此，所述附加权利要求书意图在其范围内包括这类工艺、机器、制造，物质组成、手段、方法或步骤。
Claims (10)
1.一种用于将定向钻孔组件的第一部件粘附至第二部件的方法，所述方法包括：
等离子体处理所述第一部件的表面以形成经等离子体处理的表面；以及
粘附所述经等离子体处理的表面至所述第二部件的表面。
2.如权利要求1所述的方法，其中等离子体处理包括：
用等离子体清理、蚀刻以及活化所述第一部件的所述表面。
3.如权利要求2所述的方法，其中清理包括用具有第一强度的等离子体处理所述第一部件的所述表面，蚀刻包括用具有第二强度的等离子体处理所述第一部件的所述表面，并且活化包括用具有第三强度的等离子体处理所述第一部件的所述表面。
4.如权利要求3所述的方法，其中在所述第一强度、所述第二强度以及所述第三强度下使用相同等离子体。
5.如权利要求3所述的方法，其中在所述第一强度、所述第二强度以及所述第三强度下使用不同等离子体。
6.如权利要求1所述的方法，其中等离子体处理所述第一部件的所述表面包括：
用等离子体清理所述第一部件的所述表面。
7.如权利要求1所述的方法，其中等离子体处理所述第一部件的所述表面包括：
用等离子体活化所述第一部件的所述表面。
8.如权利要求1所述的方法，其中等离子体处理所述第一部件的所述表面包括：
用等离子体蚀刻所述第一部件的所述表面。
9.如权利要求1所述的方法，其中所述等离子体是大气压等离子体或真空等离子体。
10.如权利要求1所述的方法，其中等离子体处理所述第一部件的所述表面以形成所述经等离子体处理的表面包括以下功能中的至少两种功能：
用等离子体清理所述第一部件的所述表面；
用等离子体蚀刻所述第一部件的所述表面；以及
用等离子体活化所述第一部件的所述表面。
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| 马晓燕，颜红侠: "《塑料装饰》", 31 March 2004, 化学工业出版社 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CA2788378A1 (en) | 2013-03-02 |
| US20130056443A1 (en) | 2013-03-07 |
| GB2494288A (en) | 2013-03-06 |
| US9540545B2 (en) | 2017-01-10 |
| DE102012017384A1 (de) | 2013-03-07 |
| GB2494288B (en) | 2014-05-07 |
| RU2012137201A (ru) | 2014-03-10 |
| GB201215421D0 (en) | 2012-10-17 |
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