包含对齐的细长碳纳米粒子的双组分密封件的制作方法
【专利说明】包含对齐的细长碳纳米粒子的双组分密封件
[0001 ] 背景
[0002]实施方案的方法涉及包含细长碳纳米粒子的双组分密封件，所述双组分密封件的制造方法，以及所述双组分密封件在耐受旋转、摩擦、压缩、旋转或引起设备磨损的其他力的设备中的使用方法。
[0003]在各种行业中，如石油和天然气、矿业、化学、纸浆和造纸、吹炼、航空航天、医疗、汽车中使用的设备部件遭受各种类型的机械磨损，导致材料从一个固体表面被另一个固体表面或材料物理移除。通常，这种机械磨损发生于以下情形:两个固体表面(如金属表面)靠着彼此频繁运动;硬质材料沿着固体表面移动而引起熔刮、剥落或开裂;液体流中的微粒冲击固体表面而引起部分固体表面的侵蚀;或固体表面重复运动而导致固体表面的表面下方的可能从其传播的应力负荷和开裂。
[0004]机械磨损在地下岩层操作，如钻探操作中受到特别关注，在所述操作中具有钻头(例如，牙轮钻头或固定钻头)的钻探工具被下放到井眼内以便切穿岩石。通常，钻探工具一直工作直到钻头上的钻探切割器过度磨损。此后，有必要移除整个钻探工具组件并更换钻头。钻探工具组件的这种移除在经济上难以负担，因为它产生非生产性时间。此外，经常更换钻头的需要引起设备成本增加。
[0005]传统上已经通过润滑轴承和钻头的受到导致机械磨损的金属与金属的力影响的其他零件来提高钻头的操作寿命。另外，可通过在固体表面部件之间(通常是金属表面)，或者在可能遭遇微粒流体流的部件之间包括密封部件以防止研磨微粒(例如，钻探碎肩、岩层微粒、钻井液中的微粒等等)或腐蚀性材料进入钻头部件之间的裂缝来提高钻头的操作寿命。润滑剂或密封部件的损耗可能导致钻头寿命的显著缩短。此外，与更换润滑剂和/或密封部件相关的成本可能在经济和时间支出上均相当高。
[0006]附图简述
[0007]以下所包括的附图用于说明本文描述的实施方案的某些方面，并且不应视为排他性实施方案。如本领域技术人员和受益于本公开的人员将了解，所公开的主题能够在形式和功能上存在许多修改、改变、组合和等效形式。
[0008]图1提供牙轮钻头的示意图。
[0009]图2提供用于将井眼钻入地下岩层的钻机的示意图。
[0010]图3提供根据本文所描述的至少一个实施方案的包括双组分密封件的牙轮钻头的一部分的截面示意图。
[0011 ]图4a提供本文所描述的双组分密封件的截面示意图。
[0012]图4b提供根据本文所描述的一些实施方案的纳米复合材料中的官能化的对齐的细长碳纳米粒子的视图。
[0013]详述
[0014]本文所描述的实施方案的方法涉及:包含细长碳纳米粒子的双组分密封件，所述双组分密封件的制造方法，以及所述双组分密封件在耐受旋转、摩擦、压缩、旋转或引起设备磨损的其他力的设备中的使用方法。
[0015]虽然本文所公开的实施方案集中于提供在用于地下岩层钻探操作的钻头中使用的包含细长碳纳米粒子的双组分密封件，但在具有遭受机械磨损的部件的任何设备中均可有效使用所述双组分密封件。这种设备可用在任何行业中，包括但不限于，石油和天然气、矿业、化学、纸浆和造纸、吹炼、航空航天、医疗、汽车等等。本文所公开实施方案的双组分密封件可适应在特定设备类型中使用所必需的任何形状或尺寸，并且不限制为本文所描述的任何特定形状或尺寸。例如，本文所公开实施方案的双组分密封件可为圆形密封件(例如，O形环)、高纵横比密封件、径向密封件、轴向密封件、D形密封件、展平密封件、唇形密封件、定制车床切割密封件或可从增加的润滑能力获益的任何其他密封件形状。因此，内芯或外芯可采取这些形状并且本文所公开的实施方案不限于任何这类形状。本公开实施方案的双组分密封件可用于静态密封或动态密封。
[0016]—种在井眼钻探中使用的钻头的重要类型是牙轮钻头，如图1中100所示。在牙轮钻头中，旋转椎102在其外表面上具有嵌块104并安装在钻头主体的臂106上。在钻探期间，如图2所示，钻机208使用管210的部分来向钻头200传递旋转力并使用栗212来使钻井液(如流动箭头A所示)穿过管210的所述部分循环至井眼的底部。随着钻头旋转，施加的钻压(“W0B”)迫使旋转椎的指向下方的嵌块进入被钻探的岩层中。因此，嵌块所在的点施加超过岩层屈服应力的压缩应力，从而导致井眼形成。产生的碎片(也称为“碎肩”)被高流速的钻井液(也称为“泥楽”)从切割面冲走。
[0017]现在参考图3，为牙轮钻头的一部分的截面示意图，旋转接头302由两个元件限定:示出为牙轮的第一元件304和示出为具有轴的支撑臂的第二元件308。根据本文所描述的至少一个实施方案的双组分密封件如318所示，被配置来密封旋转接头302的一部分，从而限定密封段312和未密封段314。双组分密封件308为旋转接头302提供润滑能力并防止微粒进入密封段312。
[0018]在一些实施方案中，本文所公开实施方案的双组分密封件包括外鞘和内芯，其中外鞘包含对齐的细长碳纳米粒子，并且其中内芯包含聚合物。在其他实施方案中，外鞘包含纳米复合材料，所述纳米复合材料包含嵌入聚合物中的对齐的细长碳纳米粒子。在再其他实施方案中，本文所描述实施方案的双组分密封件的内芯可包含纳米复合材料，所述纳米复合材料包含可为对齐或随机嵌入其中的细长碳纳米粒子。如本文所用，术语“对齐”指的是在同一个方向平面中细长碳纳米粒子的取向(例如，在轴向方向或径向方向上)。这种对齐可对双组分密封件的密封效率、润滑能力和寿命具有显著影响，也对细长碳纳米粒子赋予双组分密封件润滑能力的能力和细长碳纳米粒子本身的寿命具有显著影响。
[0019]细长碳纳米粒子可采取多种形式，例如像，石墨烯纳米带;碳纳米管；以及碳纳米角。石墨稀纳米带(“GNR”)为由解链碳纳米管形成的宽度为从约5nm至约50nm，并且长度为从约10nm至约2μηι的石墨稀长条。在其他实施方案中，GNR的宽度可从约5nm至约30nm，并且长度从约500nm至约Ιμπι。在再其他实施方案中，GNR的宽度可从约5nm至约30nm，并且长度从约10nm至约500nm。基于由本领域普通技术人员已知的某些因素，本文所公开的石墨烯纳米带的宽度和长度范围可为这些范围之外的任何尺寸，所述因素包括但不限于:双组分密封件的尺寸和形状，石墨烯纳米带的合成方法，所需润滑的量等等。如本文所用，术语“石墨烯纳米带”和“石墨烯”包含少层石墨烯纳米带。碳纳米管是具有圆柱结构的碳的同素异形体。为了在本文所描述实施方案中使用，此类碳纳米管可为单壁碳纳米管(“SWNT”)或多壁碳纳米管(“MWNT”)(例如，具有比SWNT多2至50或更多个壁)。碳纳米角(“CNH”)是碳的同素异形体，并且类似于碳纳米管，是细长的，主要是具有锥形或角状末端的圆柱结构。在一些实施方案中，细长碳纳米粒子在本文所描述实施方案的纳米复合材料中存在的量可在主