CN110832164A

CN110832164A - 泥浆马达逆功率区段

Info

Publication number: CN110832164A
Application number: CN201880036051.6A
Authority: CN
Inventors: J.A.西西利安; F.阿利
Original assignee: REME TECHNOLOGIES LLC
Current assignee: REME TECHNOLOGIES LLC
Priority date: 2017-05-30
Filing date: 2018-05-25
Publication date: 2020-02-21
Anticipated expiration: 2038-05-25
Also published as: CA3063264A1; WO2018222530A1; CA3063264C; RU2733589C1; EP3631138B1; US10612381B2; EP3631138A1; EP3631138A4; US20180347361A1; CN110832164B

Abstract

一种具有固体金属定子(26)和在其外表面上具有弹性体密封层(31)的转子(25)的渐进腔正排量马达，以及一种制造马达的方法。转子上的弹性体密封层可通过挤出未固化的弹性体，将挤出物施加于金属转子芯部，并且加工固化的弹性体以产生一致厚度的密封层来形成。弹性体可由高分子量弹性体化合物制成。石墨烯添加剂可进一步增强弹性体的特性特征。

Description

泥浆马达逆功率区段

技术领域

本发明大体上涉及渐进腔正排量马达。更具体而言，本发明涉及井下钻取马达的功率区段。

背景技术

Moineau泵型渐进腔排量马达在油和气井钻取操作中使用达一段时间。在这些井下钻取操作中，钻机泵将钻取流体(如钻取泥浆)通过钻管向下泵送至在钻柱的端部附近位于井下的渐进腔马达。一般地，渐进腔排量马达为钻取组件的部分，并且用作驱动钻头的钻取或泥浆马达，该钻头穿过地下岩层开一孔。泵送的钻取流体通过使转子在定子组件内自旋来向泥浆马达供能。转子和定子构成泥浆马达的功率区段。

典型地，渐进腔排量马达构造有在弹性体定子内转动的螺旋金属叶状转子。定子典型地由具有高炭黑填料内容物的橡胶组成。高炭黑橡胶提供合适仍有成本效率的材料，其具有一定的压缩模量和耐磨性能。在转子的金属凸角按压抵靠弹性体定子内壁时，密封线形成，并且流体因此在腔形成在转子的金属凸角与弹性体定子内壁之间时泵送穿过腔。

通常，定子通过将模具附接于定子管的内开孔并且将未固化的弹性体化合物注射模制到模具腔中来制造。关于产生高功率、高扭矩以及高速功率区段定子的挑战在于，制造设备和有成本效率的工具材料需要低粘度的未固化弹性体化合物，其能够在长距离内流动穿过紧密的模具腔，同时维持其未固化状态。如果化合物太粘，则其不可沿着定子的长度流动适合的距离以填充模具。如果化合物在填充模具之前开始硫化反应，则化合物将在粘度方面增加，可能导致未填充的模具，或将填充有聚集在单独基体中的交联的模具。单独形成的基体在弹性体产品中产生不可检测的晶界，由于抗撕裂性的显著损失、模量的损失和/或内部摩擦点，该无法检测的晶界将经常过早地失效，这促进周围弹性体基体的快速物理劣化。传统地，功率区段弹性体的设计者试图使用增强和半增强的炭黑、低粘度低分子量基础NBR和HNBR聚合物以及处方中的过程助剂来解决这些问题。尽管此类组合有利于可制造性，但是所得的处方消极地影响弹性体的最终固化状态性能，经常使配方更软且动态稳定性更差。例如，增塑剂油可用于降低制造期间的粘度，但是在完成的产品中，在暴露于各种钻取流体时，其具有在高温下从弹性体中浸出的趋势，这可引起产品的收缩，或橡胶与金属粘结剂的脱粘，并且还促进化学物质从钻取流体的吸收。增塑剂用于通过在聚合物链之间润滑并且帮助炭黑的分散而降低未固化橡胶化合物的粘度。一旦处于固化状态，增塑剂继续润滑聚合物链，产生降低的模量的效果。此外，分子量显著低于聚合物的增塑剂可迁移出化合物。控制增塑剂的迁移随为特定化合物选择具有正确的分子质量/分支和碳氧比的增塑剂而变化。增塑剂的分支越多，增塑剂对油中流体抽取的抵抗力就越大。使酯基增塑剂反应到聚合物基体中的潜力将显著提高抗抽取性。

弹性体化合物看到酚醛树脂的并入，这降低化合物的未固化粘度并且增加固化状态产品的硬度。但是，这大体上以降低抗撕裂性为代价。弹性体化合物还看到纳米颗粒的一些用途；然而，由于异常的表面积对颗粒体积(即，长径比(aspect ratio))，这些化合物可仅在少量添加剂纳米颗粒的情况下极大地增加弹性体的粘度。这意味着它们在功率区段定子化合物中的潜力要求如此低的加载(以维持可制造性)，以致于固化状态的物理性能不能够以可负担的、可再现的满意水平获得。

此外，尽管渐进腔马达的螺旋金属转子为耐热的、耐磨损的，并且具有大体长的使用寿命，但是渐进腔马达的定子可靠性差得多，并且经常失效，需要在它们的转子配对之前维修或置换。定子的炭黑增强衬里倾向于在暴露于磨蚀性材料时磨损掉，可在腔之间发展泄漏。在暴露于苛刻的温度时，橡胶化合物将变软并且可导致密封线无法处理高的压差，这可导致扭矩的损失。高温还可使衬里中的橡胶/弹性体热膨胀和热软化，这可导致过热。长期暴露于此类条件可使橡胶变脆并且导致低抗撕裂性。故障可以以由磨损泄漏而磨掉的且不对金属转子凸角提供适当的密封压力的区段的形式发生；内衬的物理撕裂也可发生，并且引起整个系统的立即停机。例如，在定子失效时，转子可将撕裂的橡胶件泵送穿过腔，并且损坏井下组件的其它构件，或者使旋转一起停止。暴露于某些化学物质或井下流体可附加地引起定子内壁的退化。苛刻的钻取流体可吸收到橡胶衬里中，引起膨胀，其导致橡胶衬里在操作中过热。流体还可从橡胶中抽取化学物质，由此使其降解。

渐进腔正排量马达的功率输出、效率以及扭矩与可用于流体流的定子和转子的截面面积，以及转子和定子彼此密封并且防止加压流体泄漏出到马达的低压区域中的能力有关。由于井眼的尺寸限制，以及定子和转子的结构和功能要求，故流截面面积可被限制。此外，强度限制和弹性体完整性的局部故障可允许在适度的压差下的钻取流体泄漏。因此，此类马达可限制于仅生成适度的扭矩输出。如果马达必须克服的扭矩超过马达可产生的扭矩，则马达可失速，使功率区段的密封破裂并且对功率区段定子造成严重损坏。

因此，将合乎需要的是，具有更坚固的渐进腔正排量马达，其具有增加的功率输出、效率和扭矩输出，以及改进的耐热性、耐磨性、抗撕裂性和其它有益性能。此外，将合乎需要的是，提供增加的平均故障间隔时间、增加的可靠性，以及针对井下运行弹性体定子组件的操作的延长运行时间的期望。这将允许更长的钻取时间，以及安装、检索和维修弹性体定子组件以及相关联的井下组件的其它构件(其可由于定子故障而失效)所花费的减少的时间。还将合乎需要的是，增加弹性体定子组件的所需维修之间的预计时间间隔。

发明内容

本发明提供可解决和改进现有技术的缺点中的一些的各种实施例。例如，一个实施例提供一种具有泥浆马达功率区段的泥浆马达，该泥浆马达功率区段包括具有纵向轴线的定子、沿着纵向轴线的通路，以及形成包绕通路的定子内表面的一组定子凸角。泥浆马达功率区段还包括转子，其设置在通路内，转子具有形成在面向定子内表面的转子的外表面上的一组转子凸角，外表面具有高分子量热固性弹性体密封层。

在第一选项中，高分子量热固性弹性体密封层由未固化的弹性体形成，该未固化的弹性体具有在212°F下大于55门尼单位的粘度。根据第二选项，高分子量热固性弹性体涂层可为聚芳基聚合物。根据一个方面，高分子量热固性弹性体涂层可为包括PAEK、PEK、PEEK、PEKEK，或PEKEKK及它们的组合的聚芳基聚合物。作为备选，高分子量热固性弹性体涂层可为腈聚合物。在更特定的方面中，高分子量热固性弹性体涂层可为包括NBR、HNBR、XNBR或HXNBR及它们的组合的腈聚合物。

在本实施例的第三选项中，高分子量热固性弹性体密封层还可包括石墨烯颗粒和橡胶。根据该选项的一个方面，石墨烯颗粒为具有单个单碳层片材厚度的官能化石墨烯颗粒。根据另一方面，石墨烯颗粒为具有2-30个单碳层片材厚度的官能化石墨烯颗粒。

根据这些实施例的一些方面，高分子量热固性弹性体涂层可由丁腈丁二烯或类似的弹性体或聚芳基聚合物制成，该丁腈丁二烯或类似的弹性体或聚芳基聚合物具有在0.075 in/in的应变下至少100 psi的单轴拉伸应力，或在0.075 in/in 的应变下至少180psi的平面剪切应力、在0.075 in/in的应变下至少140 psi的单轴压缩应力，以及这些性能的组合。

根据实施例的第四选项，定子可为黑色金属，并且定子内表面可包括纯金属、金属合金、碳化物或金属氧化物的涂层。涂层可为碳化钨涂层。

第二实施例提供一种制造泥浆马达的方法，其包括提供具有泥浆马达转子芯部的中间组件。转子芯部包括带轮廓的表面，其限定沿着转子芯部的长度延伸的一组转子凸角，该组转子凸角由螺旋凸角波峰形成，该螺旋凸角波峰由螺旋凸角波谷彼此分离。该方法还可包括将一定长度的未固化的第一高分子量弹性体以螺旋状图案围绕中间组件缠绕，以覆盖中间组件外表面并且形成转子芯部最终组件、使最终组件中的高分子量弹性体固化，以及加工最终组件中的固化的高分子量弹性体，以形成一致的固化弹性体涂层/层/衬里。

根据该实施例提供中间组件还可包括在将一定长度的未固化的第一高分子量弹性体缠绕在中间组件外表面上之前，将一定长度的未固化的第二高分子量弹性体挤出物卷绕在各个螺旋凸角波谷中，以形成大致圆柱形的外表面。

根据一个选项，转子芯部可包括纵向开孔，并且实施例还可包括使第一高分子量弹性体和第二高分子量弹性体固化，并且将加热的流体传送穿过开孔。加热的流体可为蒸汽或乙二醇或热稳定的油。

根据第二选项，转子芯部最终组件可包括最终组件外表面，并且固化步骤还可包括利用湿的尼龙网包裹最终组件外表面，并且在高压釜中使包裹的最终组件加热，以固化第一高分子量弹性体和第二高分子量弹性体。

在一个方面中，固化可包括将未固化的第一高分子量弹性体和第二高分子量弹性体加热到至少275°F，或至少300°F。在另一方面中，固化可包括在室中将最终转子组件加热到至少275°F。可选地，转子芯部可包括纵向开孔，并且使第一高分子量弹性体和第二高分子量弹性体固化可包括将加热的流体传送穿过开孔。可选地，转子芯部可包括纵向开孔，并且使第一高分子量弹性体和第二高分子量弹性体固化可包括将电加热线圈元件或电磁感应元件插入到转子芯部的纵向开孔中。

附图说明

图1为将井钻取到地面岩层中的离岸钻机的示意图。

图2为根据本发明的一个实施例的井下钻取组件的示意图。

图3为根据本发明的一个实施例的泥浆马达功率区段的纵向截面视图。

图4为根据本发明的一个实施例的泥浆马达功率区段定子和转子的端视图。

图5A为根据本发明的一个实施例的部分制造的泥浆马达转子的等距视图。

图5B为根据本发明的一个实施例的在进一步制造之后的图5A的泥浆马达转子的等距视图。

具体实施方式

本发明的井下钻取马达的实施例可用于将井眼钻取到地面岩层中。图1为连接于浮动式离岸钻机3的钻柱4的图示，浮动式离岸钻机3使用钻柱4来将井眼6钻取到地面岩层2中。海底立管和井控制设备5将浮动式钻机3连接于地面岩层2中的井眼6。底孔组件8附接于钻柱4的底部并且包括钻头7，钻头7在由钻机3容许坐在钻头7上的钻柱的重量产生的向下轴向力下旋转。此外，钻机3通过构成钻柱4的上部部分的钻管的中心通路泵送钻取流体，也称为钻取泥浆。钻取泥浆的流可用于向包括钻取组件8的钻柱中的各种阀和工具供能。虽然图1描绘离岸钻机，但是将理解的是，陆基钻机也可使用本发明的技术。

图2示出可用于将井(如油或气井)钻取到地面岩层中的底孔钻取组件28。底孔钻取组件28可包括泥浆马达功率区段20、万向节区段21、轴承区段23，以及钻头24。功率区段20为大体上圆柱形的，并且具有围绕中心轴线圆柱地布置的定子26。功率区段20包括定位在中心通道或开孔内的转子25。开孔沿着中心轴线延伸穿过定子26。在流体(如钻取泥浆)流动穿过定子开孔时，该流体被迫穿过形成在转子25和定子26的配合表面之间的一系列离散腔。在压力下，穿过腔的流体流使转子25在定子开孔中偏心地旋转。

功率区段20下方的传动区段21可接收转子25的偏心旋转并且产生传递至钻头24的同心旋转。传动区段21可包括例如轴，其在一个端部处由万向节联轴器连接于转子25，并且在其另一端部处经由万向节连接于钻头24。可调节组件22允许钻取组件的下部区段弯曲，并且调节下部部分相对于上部部分的角度，由此操纵钻柱。轴承区段23克服钻取泥浆的流将转子25固持在功率区段20中。这还使得钻头24能够相对于功率区段20旋转，同时从钻柱上方传递移动钻柱并穿透地下岩层所需的轴向负载。

图3为根据一个实施例的功率区段20的长度的纵向截面视图。定子26可具有定心在中心线33上的大体上圆柱形的外表面。定子本体可由金属(优选为黑色金属或合金)形成。定子26的通道或开孔32可围绕中心线33同心地布置。作为钻柱的一部分，定子26应当设计成耐受轴向、径向和扭转负载，在例如钻取组件下降到井中，钻取穿过地表下岩层，并且随后返回至表面时，定子26将在使用中经受。因此，定子26的侧壁设计为足够厚且刚性的，以防止功率区段20在预期的使用负载下屈曲，过度挠曲或以其它方式变形。

如图3中示出的，功率区段20还可包括转子25，其也可由金属(如黑色金属或合金)形成。转子25可包括沿着转子芯部34的中心轴线沿纵向延伸的转子开孔或通道32。然而，转子25相对于定子26偏心地定位。定子26的中心线33不与转子25的中心线重合，如可在图4中最佳地看见的。在操作中，转子25围绕定子通道偏心地旋转，以使转子25的中心线大体上在图3中的界限36内移动。虽然包绕定子开孔32的定子26的内表面优选为弹性金属表面，如具有硬化表面层或涂层的黑色金属或合金，但是转子25包括由弹性且坚韧的转子弹性体密封层31包绕的金属转子芯部34。金属芯部34可为黑色金属或合金。

为功率区段20的定子26和转子25的一个实施例的端视图的图4示出定子26的内表面限定由隆起或波峰44形成的一组凸角，隆起或波峰44由凹槽45与彼此分离。类似地，在该实施例中，转子25的转子芯部34限定由隆起或波峰42形成的一组凸角，隆起或波峰42由凹槽或波谷43与彼此分离。弹性体密封层31在加工公差内基本上具有一致的厚度，并且遵循下置的转子芯部34的轮廓。因此，由弹性体密封层的外表面形成的转子25的表面也限定一组凸角。定子和转子凸角的数量可取决于泥浆马达设计而变化。因此，尽管图4中示出的实施例包括7个转子凸角和8个定子凸角，但是示出的凸角的具体数量并不旨在限制本发明的范围或意图。然而，如本领域技术人员将理解的，在渐进腔正排量马达中，定子凸角的数量应当比转子凸角的数量大1。转子25还可包括开孔32，其为同心的并且沿着转子本体34的中心线延伸。转子开孔32不仅减少转子25的重量，而且还可在泥浆马达制造过程期间用作流体通路，如将描述的。可选地，转子25可构造有适当的端口、阀以及控制硬件，以在钻取操作期间将过量的钻取流体转移穿过转子开孔32并且向下转移至钻头，以利于沿井眼环空冲洗钻头切割。

如将从图4更清楚地明显的，转子芯部34的波峰42和凹槽43，以及因此转子25的凸角围绕转子芯部34成螺旋形地布置。定子26的凸角类似地沿着定子长度布置。凸角的长度、尺寸以及截面形状可根据泥浆马达设计而变化。在转子转动时，转子25的凸角沿着它们的长度在不同的点处与定子26的凸角接合，产生腔35，在钻取操作期间，钻取泥浆在压力下流动到腔35中。这些腔35的内部和外部之间的流体压力差在转子25中产生扭矩。在转子25在由流体施加的力下在定子中转动时，腔35沿着功率区段的长度移动并前进。

典型地，在操作期间，转子和定子的配合表面在转子25转动时周而复始地接合和解除接合，以动态地形成腔35，其中边缘克服泵送穿过定子26的钻取泥浆的压力密封。在转子25和定子26的配合表面之间形成有效、可靠的密封的一种方法在于通过在配合表面中的一个上形成坚固、坚韧且可变形的弹性体涂层。

大体上，可用于流体流的腔35的总截面面积越大，功率区段20可产生的功率就越大。假定特别的转子和定子凸角设计，腔截面面积可通过增加定子通道的平均内直径并控制转子25的平均直径来增加。井眼尺寸和对定子26的结构要求限制定子外直径以及最小的定子壁厚。例如，设计用于8.75英寸直径的井眼的定子典型地具有6.25-7.25英寸的外直径，以及0.625-1.25英寸的平均定子壁厚。在图3和图4中示出的实施例中，腔35的流截面面积通过在转子芯部34的外表面上而不是在定子26的内表面(面向其中心通道或开孔)上形成坚固、坚韧且可变形的弹性体涂层31来改进。因此，根据本发明的一些实施例，功率区段20的设计与常规设计相反或倒置。

弹性体在弹性体密封层31中的配方还可对功率区段20的特性具有重大影响。为了形成对定子26的凸角的可靠密封，弹性体密封层31的弹性体应当充分变形以遵循在弹性体密封在其上的对应定子表面中的曲度、起伏或缺陷，因此为横跨密封的流体流提供屏障。弹性体还应当具有足够的模量或强度，以防止流体压力使变形的弹性体移位远离配合表面。如果定子弹性体具有足够高的模量而不会偏转，则转子和定子之间的腔仅可有效地维持压差和给予的扭矩，因此防止流体向前前进至随后的腔。转子和定子界面之间的流体滑动可引起体积流体压力至扭矩效率的损失。弹性体密封层31可承受住的压差越大，将给予至转子25的扭矩就越大。在功率区段中，对于任何给定的标准几何形状而言，穿过的流与转子的偏心旋转速度成比例，并且功率区段定子可作用为转子与其相互作用的动态密封界面。在高温钻取环境中，弹性体化合物不仅必须维持模量以形成密封，而且粘弹性动态性能必须在高频下维持大部分弹性响应。凸角回弹的能力随模量在功率区段的最大额定流率和差别(differential)的频率周围的弹性动态衰减而变化。弹性响应的衰减越小，功率区段定子可在较高的流率下处理的压差就越大，并且功率区段在挑战性的钻取环境中很可能越强大和可靠。

在转子25在定子26中转动时在弹性体中发生的周而复始的挠曲和变形可使弹性体通过滞后生成热，除了泥浆马达可从其井下周围环境吸收的热(其可经常地超过280°F，并且在某些井中甚至超过360°F)之外。过多的热可使弹性体性能下降并且导致故障。配制弹性体以最小化通过滞后的热生成可因此还有益于弹性体涂层31的特性和寿命。

弹性体密封层31可有利地由高分子量弹性体聚合物来配制，如包括丁腈丁二烯橡胶(NBR)、氢化丁腈丁二烯橡胶(HNBR)或羧化丁腈丁二烯橡胶(XNBR)的丁腈橡胶，以及HXNBR和这些聚合物的组合。备选地或另外，弹性体密封层可由包括聚芳基醚酮(PAEK)、聚醚酮(PEK)、聚醚醚酮(PEEK)、PEKEK或PEKEKK及它们的组合的高分子量聚芳基弹性体聚合物制成。本领域技术人员将理解的是，以上提及的分子量为块状(bulk)材料的分子量，而不是单个聚合物分子的分子量，并且因此可认为是块状材料中聚合物分子的平均分子量。

在固化或硫化之前，这些高分子量聚合物可展现在212°F下高于55门尼单位的门尼粘度。可选地，弹性体密封层31可由高分子量弹性体制成，该高分子量弹性体展现在212°F下高于75门尼单位或者甚至在212°F下高于100门尼单位的未固化粘度。迄今为止，制造困难防止使用此类高分子量聚合物制造泥浆马达。这些高分子量聚合物的门尼粘度防止它们在泥浆马达功率区段所需的较长长度内的注射模制。

还可添加添加剂以增强本发明的各种实施例中使用的弹性体聚合物的物理性能和耐化学性。提供大的表面积与重量比的纳米颗粒(包括碳纳米管、石墨烯颗粒、纳米粘土、巴基球，以及其它三维工程碳结构(增强填料))的添加可通过利用高表面积颗粒来在聚合物与填料颗粒之间产生范德华引力的增加而有益于增强弹性体聚合物。血小板形状的颗粒还可通过产生惰性屏障(其停止渗透钻取流体化学物质的进程)来影响弹性体的耐化学性。

石墨烯颗粒和碳的其它纳米级片材不由石墨材料之中常见的强界面范德华力结合在一起或结合于彼此。对于某些配方而言，其它纳米级片材可代替石墨烯。此外，并且如先前提及的，石墨烯颗粒可以以化学方法改变，其中反应性官能团共价键合于颗粒。官能团可包括酚环结构、硫原子或硫链、有机过氧化物基团、甲醛官能团、异氰酸酯、异氰脲酸酯、四甲基甲胺(TMTM)、六甲基甲胺(“hexa.”HMT)，和/或脂肪酸基/羟基。

石墨烯增强的弹性体定子可通过将石墨烯颗粒或片材分散在未固化的橡胶化合物中来制造。在一些实施例中，在分散之前，可对石墨烯进行分选，以向给定的配方提供大部分或作为备选大致上仅最佳大小的石墨烯片材。可优化石墨烯片材的确定大小，同时牢记过程的后续步骤，其可进一步分裂或分解石墨烯颗粒中的一些。更具体而言，可选择石墨烯颗粒以包括大部分或作为备选大致上仅单个单碳层厚度的片材。可选地，可选择石墨烯颗粒以包括大部分或作为备选大致上仅2-30个单碳层厚度的片材。作为备选，使具有相同石墨烯浓度和可变石墨烯颗粒大小的一组化合物的抗撕裂性优化可更具成本效益。石墨烯增强的弹性体的化学蚀刻的断裂表面可在电子显微镜下观察，以确定颗粒大小、颗粒密度以及达到的优化水平。此外，在实施例中，石墨烯可在分散之前官能化，以增加将变成石墨烯增强的弹性体定子的石墨烯的交联密度。

如以上描述的，具有分散在弹性体聚合物基体中的官能化和/或非官能化石墨烯颗粒的石墨烯增强的弹性体定子化合物的实施例可用于功率区段钻取定子中，该功率区段钻取定子需要例外的固化态拉伸模量、抗撕裂性、剪切模量、压缩模量、弹性动态稳定性、对聚合物断链的高温耐受性、对钻取流体固体和/或转子金属饰面(finish)的表面耐磨性，以及对流体的抗胀性(在暴露于各种水基、油基或合成油基钻取流体，以及其它类似流体时)。

在先前的泥浆马达上，弹性体涂层注射模制到定子的内表面而不是转子的外表面上。常规地用于定子或转子上的泥浆马达功率区段弹性体层中的弹性体聚合物的较低分子量不实现本文中描述的实施例的弹性体的机械性能。描述的实施例的弹性体聚合物配方的高分子量和添加剂实现模量和强度的显著改进。例如，这些聚合物可实现在0.025 in/in的应变下的至少50 psi的单轴拉伸应力，以及在0.075 in/in的应变下的至少100 psi的单轴拉伸应力，所有单轴拉伸应力在240°F下测量。作为又一实例，这些聚合物可实现在in/in的应变下的至少78 psi的平面剪切应力，以及在0.075in/in的应变下的至少180 psi的平面剪切应力，所有平面剪切应力在240°F下测量。作为再一实例，这些聚合物可实现在0.025in/in的应变下的至少50 psi的单轴压缩应力，以及在0.075 in/in的应变下的至少140psi的单轴压缩应力，所有单轴压缩应力在240°F下测量。

代替需要将功率区段弹性体层注射模制到定子上的先前的功率区段制造技术，在本发明的各种实施例中，弹性体密封层31有利地形成在转子芯部34上，如以上描述的。使用避免注射模制的制造技术在转子芯部34上形成弹性体密封层31允许先前在功率区段中未使用的高分子量弹性体聚合物的使用。一种制造选项在于提供由圆柱形的黑色金属条制成的转子芯部34，该圆柱形的黑色金属条使用各种加工技术给出轮廓，以产生特定的螺旋状凸角形状的波峰42和凹槽43，如例如在图5A中示出的。基本的转子铣削可在长床身车削中心上例如由常规成角度的铣削轮执行。作为备选，金属轮廓的形状可通过使用复杂的硬质合金圆柱切割工具来滚铣而产生，该复杂的硬质合金圆柱切割工具相比于车削中心的z轴旋转特定角度，并且沿着未加工的管或条料材料的长度前进。一旦转子芯部34由该过程形成，则进一步的表面抛光可为不必要的。转子芯部34可接着以化学方法清洗加工流体，并且接着喷砂成产生近似300 Ra的白色金属表面光洁度。转子芯部表面可接着在底漆涂层使用雾化喷雾器喷雾之前利用清洁剂或溶剂擦拭以移除灰尘，该雾化喷雾器使高压空气撞击在稳定的液体底漆流上。在干燥后，一个或多个(多个)粘合剂涂层可经由雾化喷雾施加。

一旦制备转子芯部34，弹性体层可如下构建在其表面上。涂覆有粘合剂的转子芯部34可接着放置在与凹槽43的螺旋线对准的车削中心和弹性体挤出机上。未加工的(未固化或硫化的)弹性体可在通过模具或一系列模具离开以形成挤出带或条50之前通过挤出机挤出，移除空气并且将材料磨碎(masticating)。挤出条50优选地由挤出机确定形状，以形成与转子芯部34的凸角轮廓的互补形状，以便利用挤出条50填充相邻的波峰42之间的空间，并且在外表面条50上形成圆弧。可重复该过程，以使所有螺旋凹槽43被填充，并且转子芯部34上的所有挤出条50的外表面形成大致圆柱形的表面。第二层未加工的弹性体挤出条51可缠绕在由挤出条50形成的大致圆柱形的表面之上。挤出条可在截面上为矩形的，并且可按紧密的螺旋线卷绕，以使由条51形成的螺旋线的相邻线匝触碰，形成连续的第二圆柱形弹性体表面，如图5B中示出的。由挤出条50的大致圆柱形的表面中的缺陷或起伏引起的任何空隙优选地利用条51的弹性体填充。条51可围绕条50的表面在张力下缠绕，以便于填充这些较小的空隙。

可选地，条51的圆柱形表面可在张力下利用湿的尼龙网紧密地缠绕。固化过程的热可使湿的尼龙网收缩，由此施加附加的压缩力，有助于加固弹性体层。在备选的过程中，可省略将挤出条50施加于转子芯部34，并且条51直接地缠绕到转子芯部34上。辊、随动件或类似装置可在条51缠绕成确保条51正确地粘附于转子芯部43的凹槽43和波峰42以产生无空隙的弹性体层时，使用。转子芯部34以及未加工的弹性体条50和51的组件可通过将组件加热至其固化温度(其可高于275°F，或者在某些情况下高于300°F)来固化。加热可通过将组件放置在如烤箱或高压釜的室中并且适当地加热来实现。作为备选，加热可通过使合适的加热流体(如蒸汽或乙二醇或热稳定的油)传送穿过转子芯部34的开孔32来实现。作为备选，(多个)电加热线圈元件或电磁感应线圈元件可在转子芯部34的开孔32中提供加热源。

一旦固化和冷却，转子圆柱体组件可安装在车床上，并且车削至恒定直径，其等于或大于成品的大直径。接着，使用已经描述的铣削或滚铣技术，平行的转子轮廓可加工到转子圆柱体组件的表面中，留下具有均匀或一致厚度的弹性体层的转子，该弹性体层在转子芯部34上形成弹性体密封层31。

可选地，在加工和/或滚铣之前，弹性体可通过将液态或冷却的气态氮传送穿过转子开孔32来冷却至弹性体的玻璃化转变温度的大约40°F之内，这可显著地改进加工过程的表面光洁度。作为又一选项，弹性体密封层31的表面可在多轴车削中心上使用计算机数控砂带来抛光。在再一选项中，完成的转子25可在烤箱中加热，用于后固化过程，以改进弹性体的物理性能。

定子26的凸角的波峰44和凹槽45的轮廓可由已知的加工过程形成。例如，期望的轮廓可通过厚壁金属管的高公差铣削来产生，其中铣削工具使用计算机数控(CNC)控件定心在恒定直径且直的开孔上。铣削的定子管可接着在利用磨削或砂带的CNC机器上抛光，以移除由铣削引起的粗糙表面。作为备选或者除了该程序之外，表面可使用挠性珩磨结构交叉排线(crosshatch)，并且/或者定子管可电抛光成清洁并进一步改进表面光洁度。

因为弹性体密封层31设置在转子25而非定子26上，所以应当优先保护定子26的内表面免受磨损(洗涤)和腐蚀，否者其可由于流动穿过定子通道的钻取泥浆中夹带的固体和添加剂而发生。这可通过在定子26的内表面上施加非常薄的耐洗涂层，如通过以化学方法固化聚四氟乙烯或类似的聚合材料，或者将化学气相沉积(CVD)碳化物涂层施加于这些表面来实现。

在预备化学处理之后，定子26可在其端部处被密封，并且真空产生在其开孔中。定子26因此形成封闭的真空管，并且可接着在烤箱中或通过备选的手段(如热线圈或电磁感应线圈)加热，以使定子本体关于其自身的内表面成为烤箱。碳化物蒸汽(如碳化钨)可通过管的端部引入，并且沉积在定子开孔表面上，由此形成耐用的、光滑的碳化物涂层。在一些实施例中，可不存在对随后的表面精加工的需要。

因此，尽管已经描述了新且有用的专利检索和意见的本发明的特定实施例，但是不预期的是，此类提及被解释为对本发明的范围的限制，除了如以下权利要求中阐述的。

Claims

1.一种泥浆马达，其包括：

泥浆马达功率区段，其包括具有纵向轴线的定子、沿着所述纵向轴线的通路，以及形成包绕所述通路的定子内表面的一组定子凸角；

转子，其设置在所述通路内，所述转子具有形成在面向所述定子内表面的所述转子的外表面上的一组转子凸角，所述外表面具有高分子量热固性弹性体密封层。

2.根据权利要求1所述的泥浆马达，其特征在于，所述高分子量热固性弹性体密封层由未固化的弹性体形成，所述未固化的弹性体具有在212°F下的大于55门尼单位的粘度。

3.根据权利要求1所述的泥浆马达，其特征在于，所述高分子量热固性弹性体密封层为聚芳基聚合物。

4.根据权利要求1所述的泥浆马达，其特征在于，所述高分子量热固性弹性体密封层为包括PAEK、PEK、PEEK、PEKEK或PEKEKK及它们的组合的聚芳基聚合物。

5.根据权利要求1所述的泥浆马达，其特征在于，所述高分子量热固性弹性体密封层为包括NBR、HNBR、XNBR或HXNBR及它们的组合的腈聚合物。

6.根据权利要求1所述的泥浆马达，其特征在于，所述高分子量热固性弹性体密封层包括石墨烯颗粒和腈聚合物。

7.根据权利要求6所述的泥浆马达，其特征在于，所述石墨烯颗粒为具有单个单碳层片材厚度的官能化石墨烯颗粒。

8.根据权利要求6所述的泥浆马达，其特征在于，所述石墨烯颗粒为具有2-30个单碳层片材厚度的官能化石墨烯颗粒。

9. 根据权利要求1所述的泥浆马达，其特征在于，所述高分子量热固性弹性体密封层由腈或聚芳基聚合物制成，所述腈或聚芳基聚合物具有在240°F下在0.075的应变下至少100 psi的单轴拉伸应力。

10. 根据权利要求1所述的泥浆马达，其特征在于，所述高分子量热固性弹性体密封层由腈或聚芳基聚合物制成，所述腈或聚芳基聚合物具有在240°F下在0.075的应变下至少180 psi的平面剪切应力。

11. 根据权利要求1所述的泥浆马达，其特征在于，所述高分子量热固性弹性体密封层由腈或聚芳基聚合物制成，所述腈或聚芳基聚合物具有在240°F下在0.075的应变下至少140 psi的单轴压缩应力。

12.根据权利要求1所述的泥浆马达，其特征在于，所述定子为黑色金属，并且所述定子内表面包括纯金属、金属合金、碳化物或金属氧化物的涂层。

13.根据权利要求12所述的泥浆马达，其特征在于，所述涂层为碳化钨涂层。

14.一种制造泥浆马达的方法，其包括：

提供包括泥浆马达转子芯部的中间组件，所述转子芯部具有带轮廓的表面，其限定沿着所述转子芯部的长度延伸的一组转子凸角，所述一组转子凸角由螺旋凸角波峰形成，所述螺旋凸角波峰由螺旋凸角波谷彼此分离，

将一定长度的未固化的第一高分子量弹性体以螺旋状图案围绕所述中间组件缠绕，以覆盖中间组件外表面并且形成转子芯部最终组件；

使所述最终组件中的所述高分子量弹性体固化；

加工所述最终组件中的所述固化的高分子量弹性体，以形成一致的固化弹性体密封层。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，提供中间组件还包括在将所述一定长度的未固化的第一高分子量弹性体缠绕在所述中间组件外表面上之前，将一定长度的未固化的第二高分子量弹性体挤出物卷绕在各个螺旋凸角波谷中，以形成大致圆柱形的外表面。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，

所述转子芯部包括纵向开孔，并且其中使所述第一高分子量弹性体和所述第二高分子量弹性体固化包括将加热的流体传送穿过所述开孔。

17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述加热的流体为蒸汽。

18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述加热的流体为乙二醇。

19.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述加热的流体为热稳定的油。

20.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述转子芯部最终组件包括最终组件外表面，并且其中固化包括利用湿的尼龙网包裹所述最终组件外表面，并且在高压釜或烤箱中加热所述包裹的最终组件，以固化所述第一高分子量弹性体和所述第二高分子量弹性体。

21.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，固化包括将未固化的第一高分子量弹性体和第二高分子量弹性体加热到至少275°F。

22.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，固化包括将未固化的第一高分子量弹性体和第二高分子量弹性体加热到至少300°F。

23.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，固化包括在室中将所述最终转子组件加热到至少275°F。

24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述转子芯部包括纵向开孔，并且其中使所述第一高分子量弹性体和所述第二高分子量弹性体固化包括将加热的流体传送穿过所述开孔。

25.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述转子芯部包括纵向开孔，并且其中使所述第一高分子量弹性体和所述第二高分子量弹性体固化使用电阻式或感应式电加热元件来加热所述转子芯部。