CN105593453A - 用于牙轮钻头密封件的弹性体-导热碳纤维组合物 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及用于牙轮钻头的密封件中的弹性体-导热碳纤维组合物。本公开还涉及由此类组合物形成的密封件，并且涉及包括此类密封件的牙轮钻头。
Description
技术领域
本公开涉及用于牙轮钻头(roller-conedrillbit)的密封件的导热弹性体-导热碳纤维组合物。本公开还涉及由此类组合物形成的密封件，并且涉及包含此类密封件的牙轮钻头。
背景技术
牙轮钻头通常采用密封件以将润滑剂包含在钻头内，或用以保护钻头的内部结构。此类密封件必须在钻头使用期间遇到的井下条件下操作期间抗受机械性能退化。当钻头从井眼抽出时，密封失效会导致对钻头造成损坏或损耗时间。当必须频繁地将钻头从井眼抽出时，具有较短使用寿命的密封件也导致损耗时间。因此，需要能够提高密封件使用寿命的材料。
发明内容
本公开涉及用于牙轮钻头密封件中的导热弹性体-导热碳纤维组合物。所述组合物与在本文中公开的不含导热碳纤维或包括不同碳材料的弹性体相比可显示优越的导热率。
本公开还涉及一种用于牙轮钻头的包含此类弹性体-导热碳纤维组合物的密封件。当此类密封件在牙轮钻头中使用时，与由在本文中公开的不含导热碳纤维或包括不同碳材料的弹性体形成的密封件相比可具有改善的耐磨性或使用寿命。
本公开另外地涉及包括由弹性体-导热碳纤维组合物形成的密封件的牙轮钻头。此类牙轮钻头与包括由在本文中公开的不含导热碳纤维或包括不同碳材料的弹性体形成的密封件的牙轮钻头相比可经历较不频繁的密封失效。
附图说明
通过参考结合附图做出的以下描述，可以获得对其某些实施方案和优点的更加完整和彻底的理解，其中相似的附图标记指示相似的特征，并且其中：
图1示出弹性体-导热碳纤维组合物的导热率结果；
图2示出弹性体中的其它导热碳纤维组合物的导热率结果；
图3是ThermalGraphDKD的SEM图像。
图4是(具有ThermalGraphDKD的)试样集3的SEM图像。
图5是示出牙轮钻头的一个实施例的等距视图的示意图；
图6是示出与图3的钻头关联的支撑臂、锥形组件和润滑系统的部分剖开的截面的示意图；并且
图7是示出具有支撑臂、锥形组件和关联的润滑脂系统中的至少一者的旋转锥形钻头的另一个实施例的部分剖开的截面的示意图。
具体实施方式
本公开涉及用于牙轮钻头的密封件的弹性体-导热碳纤维组合物，以及由此类组合物形成的密封件，以及包括此类密封件的钻头。
在具体的实施方案中，本公开的弹性体-导热碳纤维组合物可以具有至少0.5瓦特每米开尔文(W/Mk)、至少0.6W/mK或至少1W/mK的导热率。
根据本公开的弹性体-导热碳纤维组合物可以包括以其它方式适用于牙轮钻头的密封件中的弹性体。根据一个实施方案，弹性体可以包括氢化丁腈橡胶(HNBR)、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)橡胶、乙烯-丙烯-二烯单体(EPDM)橡胶、乙烯乙酸乙烯酯(EVA)橡胶、部分氟化橡胶、丁腈橡胶(NBR)、丁苯橡胶(SBR)、天然聚异戊二烯(NP)、聚丁二烯(BR)、氯丁二烯橡胶(CR)、丁基橡胶、乙丙橡胶(EPM)、环氧氯丙烷(ECO)、聚丙烯酸酯橡胶(ACM)、硅橡胶(SI)、氟硅橡胶(FVMQ)、氟橡胶(FKM)及其组合。根据更加具体的实施方案，可以避免使用某些高成本弹性体，诸如全氟弹性体。
在具体的实施方案中，根据本公开的弹性体-导热碳纤维组合物可以包括至少5份phr(每一百份)、至少25phr或至少50phr的石墨化导热碳纤维。
碳纤维可以包括非金属导热碳纤维。此类纤维所具有的浓度和物理布置可以适于允许它们将热从组合物中的局部区域导出或散出。根据一个实施方案，碳纤维可以衍生自沥青，或可以具有高的石墨含量，这可以改善它们的导热率。根据另一个实施方案，碳纤维可以具有至少450W/mK、至少600W/mK或在具体的实施方案中至少800W/mK的纵向导热率。
根据一个实施方案，导热碳纤维的直径可以是纳米级或微米级的。例如，它们的直径可以小于20微米、小于1微米、小于100nm或小于50nm。导热碳纤维在其它尺寸上可以是大于纳米级或微米级的。例如，它们的长度可以是在微米级或甚至毫米级上。在一个实施方案中，导热碳纤维的长度可以是从大约20微米到大约25mm的范围中。例如，它们可以是2-3mm长。
碳纤维可以被切碎或研磨以便获得所希望的长度。经切碎的纤维通常长于1mm，并且所有纤维具有均匀的长度，因为它们是通过将单个长丝切割成具有所希望长度的纤维片段得以获得。由于研磨的机械过程，经研磨的纤维处于微米范围并且通常短于1mm。在一些实施方案中，导热纤维是至少两个不同长度的混合物，其中一组纤维长于1mm，并且另一组短于1mm。在具体的实施方案中，所述纤维长度呈模态分布。在另一个具体的实施方案中，所述纤维是呈多重模态分布的。本领域普通技术人员应理解的是，当论述多个单独的纤维(诸如碳纤维)的尺寸时，该尺寸表示平均数、中位数或代表此类纤维的性能的其它方式，并且不可以应用到所述多个单独纤维中的每个纤维。
根据另一个实施方案，导热纤维可以具有从大约0.2E+6psi到3E+6psi的拉伸模量。当所述碳纤维包括在由本公开的弹性体-导热碳纤维组合物形成的密封件中时，此类高拉伸模量可以提供有利的机械性质。
根据一个实施方案，所述碳纤维可以包括诸如以DKD(CytecEngineeredMaterials,Tempe,AZ)的名称销售的沥青基高导热率纤维。这些碳纤维具有400-650W/mK的纵向导热率，其比金属铜(Cu)高出50％。这些碳纤维也具有至少100Msi的拉伸模量。表1中提供了DKD碳纤维的另外的性质。
表1
根据另一个实施方案，所述碳纤维可以包括诸如以GRANOCTMXN-100(NipponGraphite,东京,日本)的名称销售的沥青基高石墨含量的碳纤维。这些纤维具有900W/mK的纵向导热率。这些纤维可用为2-3mm长的经切碎或研磨的纤维。经切碎的XN-100纤维的长度可以是1-25mm。经研磨的XN-100纤维的长度可以是50μm、150μm或250μm。GRANOCTMXN-100可以具有2.22g/cm3的密度。由于具有高百分比的结晶石墨，因而导热纤维的密度显著地大于普通碳颗粒，诸如碳黑或碳纤维。
在具体的实施方案中，弹性体-导热碳纤维组合物可以在同一种组合物中包括多于一种类型的碳纤维。不同类型的碳纤维可以具有不同化学成分、尺寸(诸如长度或直径)或者不同的物理性质(诸如纵向导热率或拉伸模量)。
根据另一个实施方案，弹性体-导热碳纤维组合物还可以包括另外的导热填料。例如，它们可以包括无机填料，诸如氧化镁、氧化铝、氧化锌或氧化硅。
弹性体-导热碳纤维组合物可以通过类似于适于在牙轮钻头的具有碳纤维(其在所述过程期间被添加)的密封件中使用的弹性体材料的方式形成。碳纤维的不连续性质可以使它们自由流动，这可以促进与其它材料进行混合。在包括导热填料的实施方案中，所述导热填料可以在弹性体-导热碳纤维组合物固化之前进行添加。
本公开也涉及用于牙轮钻头的由如本文所述的弹性体-导热碳纤维组合物形成的密封件。在具体的实施方案中，此类密封件可以用来将润滑剂保持在润滑脂贮藏器内或防止流体进入到包括轴承的区域中。在钻探期间，可以将密封件暴露到钻头的外部环境。
根据一个实施方案，根据本公开的密封件可以在牙轮钻头中使用期间具有比仅由弹性体或由比本文论述的那些包括不同碳材料的弹性体形成的类似密封件更长的使用寿命。
根据具体的实施方案，根据本公开的密封件可能够机械地消散由密封件内的局部区域生成的热量。这可以帮助防止密封失效并且因此改善密封件使用寿命。
根据另一个具体的实施方案，根据本公开的密封件可以具有高的耐磨性。
根据另一个具体的实施方案，根据本公开的密封件可以具有低的摩擦系数。
根据另一个实施方案，根据本公开的密封件与不包括导热碳纤维的组合物相比可以减少在负载下挤出的倾向。
根据另一个实施方案，根据本公开的密封件可以耐受与在利用牙轮钻头钻探井的井眼中遇到的烃流体和钻井液的化学反应。
根据另一个实施方案，本公开涉及包括如本文所述的一个或多个密封件的牙轮钻头。图5-图7示出示例的牙轮钻头。
钻头10可以包括向钻头10的外部部分开放的润滑脂腔体56(图5中未示出)。润滑脂腔体56可以包括由设置在润滑脂腔体56内的润滑脂容器58部分限定的润滑脂贮藏器。润滑脂容器58可以包括具有设置在其中的开口62的端部60。
润滑脂容器58的相对端部可以包括凸缘式肩部64，所述凸缘式肩部64支撑接近润滑脂容器58的柔性弹性膜片密封件66。盖子68可以覆盖膜片密封件66，并限定面对膜片密封件66的腔室70。盖子68、膜片密封件66和润滑脂容器58可以由卡环72保持在润滑脂腔体56内。盖子68也可以包括开口74以便允许环绕钻头10的外部流体压力与膜片密封件66的外部部分的连通。膜片密封件66与润滑脂容器58的端部60之间的容积可以用润滑脂填充，以便润滑关联的轴承16和滚珠轴承42。
润滑脂通道76可以延伸穿过支撑臂22，以便使润滑脂腔体56设置成与滚珠通道44流体连通。润滑脂通道76可以与润滑脂腔体56的大体与润滑脂开口62和润滑脂容器58相邻的一个端部连通。
滚珠通道44可以设置成通过导管78与内部腔体34流体连通。在组装钻头10、润滑脂通道76、润滑脂容器58、润滑脂腔体56之后，滚珠塞销通道44、导管78中的可用空间和内部腔体34中的可用空间可以通过支撑臂22中的开口80利用润滑脂进行填充。开口80可以在润滑脂填充之后随后加以密封。
环绕钻头10的外部部分的流体的压力可以通过膜片密封件66的挠曲传送到设置在润滑脂容器58内的润滑脂。膜片密封件66的此类挠曲将润滑脂保持在压力大体上等于钻头10外侧的外部流体的压力下。此压力可以通过润滑脂通道76、滚珠通道44、导管78和内部腔体34传送到弹性体密封件36的内部面，所述弹性体密封件36可以是如本文所公开的密封件。因此，弹性体密封件36可以暴露在来自润滑脂的大体上等于外部流体的压力的内部压力下。
图7是示出可以具有利用润滑脂填充的一个或多个润滑系统的旋转锥形钻头的另一个实施例的示意图。旋转锥形钻头100可以具有三个支撑臂122，所述三个支撑臂122可具有可旋转地安装在其上的相应锥形组件112。
图7中仅示出一个支撑臂122和关联的锥形组件112。钻头100可以包括一片式或一体式钻头主体106。可以选择凹形外部表面110的尺寸和锥形组件112的位置以便优化钻头主体106的下部部分108之间的流体流动。
钻头100的锥形组件112可以安装在从相应支撑臂102伸出的轴颈或主轴114上。每个锥形组件112可以包括大体上呈圆柱形的腔体134，所述腔体134被设定尺寸以便将主轴或轴颈114的外部部分接收于其中。每个锥形组件112和相应的主轴114可以包括纵向轴线116，所述纵向轴线116还表示每个锥形组件112相对于其关联的主轴114旋转的轴线。每个锥形组件112可以由多个滚珠轴承142保持在其相应的轴颈114上。滚珠轴承142通过开口120插入到支撑臂122的外表面和关联的支撑臂122的滚珠保持器通路144中。滚珠座圈146和148可以在关联的锥形组件112的腔体134内部和轴颈114的外部中形成。
滚珠保持器通路144可以与滚珠座圈146和148连通连接，这样使得滚珠轴承142可以通过其插入以便在滚珠座圈146、148内形成环形阵列，进而防止每个锥形组件112从关联的轴颈114脱离。滚珠保持器通路144随后通过插入其中的滚珠塞销保持器(未明确示出)而被塞住。滚珠塞销焊接(未明确示出)可以在每个开口120中形成以便在滚珠保持器通路144与每个支撑臂122的外部之间提供流体障碍，进而防止来自关联的润滑系统的润滑脂受到污染和损失。
每个支撑臂102可以包括具有大体上呈圆柱形构型的润滑脂腔体或润滑脂贮藏器156。润滑脂盖子168可以设置在润滑脂腔体156的一个端部内，以便防止润滑脂腔体134与支撑臂102的外部之间出现不希望的流体连通。润滑脂盖子168可以包括接近润滑脂腔体156的柔性、弹性膜片密封件166。盖子168可以覆盖膜片密封件166，并且部分限定腔室136，所述腔体136提供膜片密封件166可能扩展到其中的容积。盖子168和膜片密封件166可以由保持环172紧固在润滑脂腔体156内。
润滑脂通道176可以延伸穿过支撑臂122以便允许润滑脂腔体156与滚珠保持器通路144流体连通。滚珠保持器通路144提供与关联的锥形组件112的内部腔体134以及设置在主轴114的外部部分与腔体134的内部部分之间的轴承的流体连通。在将钻头100、润滑脂通道176、润滑脂腔体156组装之后，可以通过每个支撑臂102中的开口(未画出)利用润滑脂填充处于腔体134的内部表面与主轴144的外部之间的任何可用空间。
围绕钻头100的外部的流体的压力可以由膜片密封件166传送到包括在润滑脂腔体156内的润滑脂。膜片密封件166的挠曲将润滑脂保持在压力大体上等于围绕钻头100的外部的流体的压力下。润滑脂压力通过润滑脂通道176、滚珠保持器通路144和内部腔体134传送，以便将密封元件176的向内面暴露到压力大体上等于围绕钻头100外部的压力下。
密封元件136(可以是如本文描述的密封件)可以定位在腔体134内的密封件保持槽内,以便在腔体134与轴颈114的相邻部分之间建立流体障碍。密封元件136可以是o形密封件、t形密封件、v形密封件、平坦密封件、唇边式密封件或者可用以在腔体134与轴颈114的相邻部分之间建立流体障碍的任何其它密封件。另外，多于一个密封件或密封件与垫圈的组合可以定位在一个或多个密封件保持槽内或以其它方式保持在腔体134和轴颈114之间。
根据本公开的具有高温性能的密封件的使用可以允许更少频率地替换牙轮钻头中的润滑剂并且使用此类钻头更长时间。
实施例
通过参考以下实施例，可以更好地理解本公开。这些实施例被包括在此以仅描述示例性实施方案，而不应解释为涵盖本发明的全部范围。
实施例1-弹性-DKD组合物
即，HNBR2010和HNBR2010H的共混物如对照试样通过在橡胶混合器中与碳黑(33％或50phr)塑炼加以混合，作为对照试样。熔融共混材料压缩模制为圆盘。传导率用W/mK测量。不具有碳黑的典型橡胶试样的导热率大体上大约为小于0.3W/mK。包含对照试样的碳黑大约为0.41W/wK，由于碳黑含量轻微地增加了导热率。在将碳填充物的总量保持与对照试样相同的同时，以高石墨化DKD纤维和碳黑的1:1组合制备下一个试样。最后，制备并测试只包括DKD纤维的试样。导热率结果在图1中示出。图1中的结果示出弹性体的导热率可以通过利用导热石墨化沥青基碳纤维替换碳黑增加大约60％。
实施例2-弹性体GRANOCTM或GRANOCTM DKD组合物
在将填充物含量保持在50PHR或更高的同时，结合DKD纤维测试切碎的GRANOCTMXN-100纤维。在图2中报告了根据温度对这些组合物进行的导热率测量。应发现，通过使用碳纳米纤维的组合，当与仅包括碳黑作为填充物的试样相比时，弹性体的导热率可以增加100-200％。
在表2中示出机械性能。
表2
通过利用ThermalGraphDKD替换部分量的常规碳黑，密封件材料变得更柔软并且具有更长的伸长率。
密封件经历封装发明的旋转密封测试，以便估算其使用寿命。结果列于表3中。结果表明，通过将ThermalGraphDKD并入在密封配方中，所述密封件的使用寿命已经得到了延长。在该测试中测量的温度是金属温度而不是密封件温度。增加的表面温度表明通过并入ThermalGraphDKD材料，热量有效地被转移到金属部分。标准商用密封件的平均使用寿命为82小时，而试样密封件1已经达到了109小时并且试样密封件3已经达到150小时，其增加了83％。
表3-旋转密封件测试
| 商用密封件 | 试样密封件1 | 试样密封件3 | |
| 测试数目 | 10 | 3 | 3 |
| 平均小时 | 82 | 109 | 150 |
| 平均稳态接触温度(℉) | 285 | 326 | 300 |
| 平均稳态扭矩(in/lbs) | 51 | 78 | 71 |
| 截面收缩率(mils) | 36 | 20 | 21 |
尽管上文仅专门地描述了本发明的示例性实施方案，但应理解的是，在不背离本发明的精神和所主张的范围的情况下，这些实施例的修改和变化是可能的。
Claims (5)
1.一种用于牙轮钻头的密封件，其包括弹性体-导热碳纤维组合物，所述弹性体-导热碳纤维组合物包括：
弹性体；以及
至少5php石墨化导热碳纤维碳纤维，其具有至少350W/mK的纵向导热率，
其中所述弹性体-导热碳纤维组合物具有至少0.5W/mK的导热率。
2.根据权利要求1所述的密封件，其中所述导热碳纤维包括至少两种类型的碳纤维。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的密封件，其中导热碳纤维的长度是多模态的。
4.一种牙轮钻头，其包括：
钻头主体，具有从所述钻头主体延伸的至少一个支撑臂；
相应的锥形组件，其能旋转地安装在从每个支撑臂延伸的主轴上；
密封件，其设置在至少一个支撑臂中，其中所述密封件包括弹性体-导热碳纤维组合物，所述弹性体-导热碳纤维组合物包括：
弹性体；以及
至少5php的碳纤维，其具有至少350W/mK的纵向导热率，
其中所述弹性体-导热碳纤维组合物具有至少0.5W/mK的导热率。
5.根据权利要求3所述的钻头，其中所述碳纤维包括至少两种类型的碳纤维。
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