制造定向鉆孔組件中的等離子體處理的制作方法

專利名稱：制造定向鉆孔組件中的等離子體處理的制作方法
制造定向鉆孔組件中的等離子體處理
背景
定向鉆孔涉及有意地偏移或轉向鉆頭來形成符合所需路徑的非垂直鉆井孔。可以將鉆頭指向想要鉆孔的方向，這可以經由在井下可轉向泥漿馬達中的鉆頭附近使用永久彎頭來完成，所述井下可轉向泥衆馬達也被稱為螺桿正排量泵(progressive cavity positive displacement pump)。這類泥衆馬達連接鉆柱與鉆頭。泥衆馬達包括包含轉子和定子的動力段及傳輸段。從表面經抽送穿過鉆柱的鉆井液(也稱為泥漿)的壓力在泥漿馬達動力段中引起偏心運動，該偏心運動通過傳輸段以同心動力傳輸到鉆頭。在抽送泥漿穿過鉆柱到達泥漿馬達時，鉆頭轉動而鉆柱不旋轉，從而允許鉆頭在其指向的方向上鉆孔。
在泥漿馬達中，轉子通常在定子內轉動以產生使鉆頭在井下方向上自旋的動力。 泥漿馬達可以使用不同的轉子和定子構造以便最佳化定向鉆孔組件的性能。非金屬材料 (諸如復合材料)和/或彈性材料(諸如彈性體)已被用于泥漿馬達部件的制造。舉例來說，泥漿馬達的定子可能由內襯彈性材料(諸如彈性體)的復合材料形成。然而，由于材料之間的粘附或粘合不充分，與可以利用定向鉆孔組件的油田應用相關的一些操作與環境條件傾向于使形成泥漿馬達部件的這些材料降級或誘導這些材料的機械損壞。
概述
本公開的實施方案大體上提供一種用于將定向鉆孔組件的第一部件粘附至第二部件的方法。第一部件的表面可經等離子體處理以形成經等離子體處理的表面。經等離子體處理的表面隨后可粘附至第二部件的表面。該第二部件的表面也可用等離子體處理。等離子體可以是大氣壓等離子體或真空等離子體。經等離子體處理的表面也可以用粘合劑粘附至第二部件的表面。或者，經等離子體處理的表面是用等離子體粘附至所述第二部件的所述表面
等離子體處理可包括用等離子體清理、蝕刻以及活化第一部件的表面，或等離子體處理可包括這些功能中的一種或多種功能。在這類處理中，清理可包括用具有第一強度的等離子體處理第一部件的表面。蝕刻可包括用具有第二強度的等離子體處理第一部件的表面。活化可包括用具有第三強度的等離子體處理第一部件的表面。可在所述第一強度、 所述第二強度以及所述第三強度下使用相同等離子體，或可在所述第一強度、所述第二強度以及所述第三強度下使用不同等離子體。
本公開的實施方案還提供通過等離子體處理彈性層的表面以便粘附至聚合物基復合材料來形成定向鉆孔組件。定子管的內表面也可經等離子體處理以便粘附至聚合物基復合材料。彈性層可包括氟橡膠、氫化腈橡膠、腈橡膠、合成橡膠和/或天然橡膠。聚合物基復合材料可以是環氧樹脂、金屬填充的環氧樹脂、無機物填充的環氧樹脂、聚合物纖維填充的環氧樹脂、聚酰亞胺、聚醚醚酮、聚酮、酚醛樹脂和/或聚苯硫醚。
本公開的實施方案還提供一種形成定向鉆孔組件的方法，所述方法包括等離子體處理彈性層的表面以形成第一經等離子體處理的表面；等離子體處理金屬管的內表面以形成第二經等離子體處理的表面；以及粘附所述第一經等離子體處理的表面和所述第二經等離子體處理的表面至聚合物基復合材料。
在一個實施方式中，所述第一經等離子體處理的表面經涂布來保護所述彈性層。
在一個實施方式中，等離子體處理以形成所述第一經等離子體處理的表面包括以下功能中的至少兩種功能
用等離子體清理所述彈性層的所述表面；
用等離子體蝕刻所述彈性層的所述表面；以及
用等離子體活化所述彈性層的所述表面。
在一個實施方式中，等離子體處理以形成所述第二經等離子體處理的表面包括以下功能中的至少一種功能
用等離子體清理所述金屬管的所述內表面；
用等離子體蝕刻所述金屬管的所述內表面；以及
用等離子體活化所述金屬管的所述內表面。
在一個實施方式中，所述彈性層選自包括以下的組氟橡膠、氫化腈橡膠、腈橡膠、 合成橡膠以及天然橡膠。
在一個實施方式中，所述聚合物基復合材料選自包括以下的組環氧樹脂、金屬填充的環氧樹脂、無機物填充的環氧樹脂、聚合物纖維填充的環氧樹脂、聚酰亞胺、聚醚醚酮、 聚酮、酚醛樹脂以及聚苯硫醚。
本公開的其它實施方案可通過以下來增強泥漿馬達部件的粘合性質提供具有定子的泥漿馬達，該定子由內襯彈性層的套筒形成；粘附所述內襯彈性層的套筒的表面至聚合物復合材料；以及，用等離子體處理所述內襯彈性層的套筒的所述表面，之后粘附所述內襯彈性層的套筒的所述表面至所述聚合物復合材料。定子管的內表面可用等離子體處理以形成經等離子體處理的表面。經等離子體處理的表面可隨后粘附至所述聚合物復合材料。
本概述旨在介紹一系列概念，這些概念將在以下發明詳述中進一步描述。本概述并不意圖認定要求保護的主題的關鍵特征或基本特征，也不意圖用作限制要求保護的主題的范圍的輔助。
附圖
簡述
為了更完全地了解本公開及其特征，現結合附圖來參閱以下描述，附圖中
圖I描繪根據本公開的一個實施方案的形成定向鉆孔組件的一部分的定子。
發明詳述
本公開的實施方案提供用于增強材料之間的粘附或粘合的方法，所述材料形成定向鉆孔組件的部件。這類方法可提供等離子體處理或涂層的使用，以便增強或增強要粘合的材料之間的粘附，從而減少被形成來用于油田應用的部件的降級或機械損壞。
等離子體是通常可指代激發氣體或電離氣體的術語。因此，等離子體處理通常可被認為是在低壓或低大氣壓下使用這類激發氣體或電離氣體來影響表面，諸如，增加或減少該表面上的能量。根據本公開的實施方案，等離子體處理可用于清理和/或表面處理在制造定向鉆孔組件中使用的各種材料。舉例來說，因為等離子體通常被認為是環保的，產生很少的化學廢物或不產生化學廢物，并且可能是一種較安全的制造技術，所以等離子體可用于形成定向鉆孔組件的泥漿馬達中的定子或轉子的部件。此外，可調整等離子體來傳遞表面特異的性質。根據本公開的實施方案，等離子體還可用于活化和/或處理溫度特異的表面。
根據本公開的實施方案，等離子體可包括與定向鉆孔組件的制造部件相關的各種功能。更具體來說，等離子體處理可用于蝕刻表面、提高表面可潤濕性、增強表面活化、用于清理和/或諸如通過產生機械鎖來用于粘附。應了解，根據本公開的實施方案，可在一個表面上執行這些功能中的一種或多種功能來增強部件之間的粘附。這些等離子體處理功能中的每一種功能將在下文進一步詳細描述。
根據本公開的實施方案，等離子體蝕刻可用于改變表面的粗糙度，該表面將在微觀尺度上被粘合或粘附至定向鉆孔組件中的另一表面或材料。蝕刻可通過增大接觸表面并增加機械鎖來改變表面的粗糙度以便促進粘附。蝕刻還可具有除去表面污染的作用。舉例來說，用于定向鉆孔組件的泥漿馬達中的轉子或定子制造的部件的表面可使用諸如反應性加工氣體的等離子體來蝕刻。這類表面上存在的微粒可被濺射出，轉化成氣相，然后，例如， 使用真空系統抽吸除去。這樣可增大要粘附至另一表面的材料的表面積，以便制造定向鉆孔組件的部件。這類方式的等離子體蝕刻可以使材料的表面更易于潤濕。此外，根據本公開的實施方案，粗加工一個或多個表面可增強例如材料之間的機械鎖定，所述材料要粘合或粘附在一起來制造定向鉆孔組件的部件。例如，將等離子體注射入定子的粗加工表面可允許等離子體更容易流入所述粗加工表面的蝕刻部分。等離子體的納入可增強經處理表面相對于另一材料表面的粘附性質，所述經處理表面可粘合至或粘附至所述另一材料表面來形成定向鉆孔組件的部件。
通常與等離子體蝕刻互補的等離子體處理形式可用于提高根據本公開的實施方案的定向鉆孔組件內的表面(諸如定子或轉子的部件表面)的可潤濕性。潤濕通常是液體與固體表面保持接觸的能力，當所述液體與所述固體表面一起接觸時會產生分子之間的相互作用。例如，這樣可允許內襯彈性層的套筒表面與聚合物復合材料之間更好的接觸或相互作用，所述內襯彈性層的套筒表面要粘附或粘合至所述聚合物復合材料來制造根據本公開的實施方案的定向鉆孔組件內的定子或轉子。
等離子體表面活化可以是根據本公開的實施方案來使用的等離子體處理的另一種形式。在等離子體表面活化中，與等離子體相關的活性氧物質或活性氧基可能轟擊表面以分解表面上的介質(agent)、聚硅酮和/或油，并且這些微粒可使用真空系統從所述表面抽出，從而清理了所述表面。與等離子體相關的活性氧物質 或活性氧基可與材料上的活性表面位點結合，從而產生可更易于接受粘合或粘附的表面。然后，活性氧物質或活性氧基可以分解這些鍵和/或表面上可以發生分子的交叉接合。所得的氧化作用可增加與表面相關的極性基團。
因此，當氧化材料的最上層原子層時，等離子體表面活化可以除去具有低分子量的表面層。當表面經放置與另一個表面接觸或與定向鉆孔組件中用于粘合或粘附目的的粘合劑接觸時，歸因于等離子體表面活化的極性增加可增強所述表面的粘附性質。
例如，當通過真空等離子體活化表面時，可以加強要粘合的表面的化學相互作用 (諸如極性相互作用和/或共價接合)。這可以在不改變經活化表面的材料性質的情況下， 增強所述表面的粘附或粘合性質。在本公開的一個實施方案中，形成定子或轉子的內襯彈性層的套筒的表面可以用氨氣、氮氣和/或氫氣處理，以便使所述表面經由該表面上的胺化學基團的形成而官能化。通過使所述表面經由等離子體活化而官能化，可以增強內襯彈性層的套筒表面與要粘合至該套筒表面的另一個表面(諸如聚合物復合材料)之間的物理
等離子體清理是等離子體處理的另一種形式，其可以提供用于根據本公開的實施方案的定向鉆孔組件中的部件的表面制備。等離子體清理可使用由氣態物質產生的高能等離子體來從表面上除去雜質和污染物。等離子體中的高能物質可以轟擊表面以破壞表面污染物的大多數有機鍵，并因此分解可能存在于表面上的油和油脂。例如，用氧等離子體清理表面可以在納米尺度水平上除去表面上的油和油脂并且可以比傳統的濕式清理方法更多地減少污染。等離子體清理因此可以提供潔凈的表面，該表面可備用于粘合或進一步的處理，而不會產生更多有害廢料(如果會產生的話)。
等離子體清理可能是根據本公開的實施方案的定向鉆孔組件中的表面制備的理想形式，因為采用了低毒性的氣體。另外，與其它表面制備方法相比，等離子體清理在動力、 壓力、氣體類型，和/或處理時間方面都可以更精確控制。另外，可能在等離子體清理期間產生的廢物可以是氣態形式，所述廢物可以直接釋放至大氣中而不會有不必要的有害環境作用。
使用高頻電壓電離低壓氣體可以形成可以用于根據本公開的實施方案的清理的等離子體。然而，應了解，在不脫離本公開的情況下，也可以使用大氣壓等離子體。另外，在不脫離本公開的情況下，可以使用用于形成等離子體的其它機制。在本公開的一個實施方案中，等離子體中的高能氧可以與表面污染物反應以形成水和二氧化碳副產物，所述副產物可以在可處理所述表面的情況下從腔室中抽出。
在通過等離子體清理表面來除去諸如增塑劑、抗降解劑以及硫化活性劑化學絡合物的污染時，可以增強要粘合例如來形成根據本公開的實施方案的定向鉆孔組件中的轉子或定子的表面之間的粘附。用氨氣或氫氣或氮氣的處理可以通過在表面上形成可以增加物理化學相互作用的胺化學基團來使所述表面官能化。應了解，在不脫離本公開的情況下，可以等離子體清理形成定向鉆孔組件的部件的金屬表面和非金屬表面兩者。
結合前面所述的各種等離子體處理功能或除了前面所述的各種等離子體處理功能，可以使用等離子體處理來增強可以被粘附在定向鉆孔組件中的表面之間的粘附。根據本公開的實施方案，可以促進以下之間的粘附內襯彈性層的套筒的表面、聚合物復合材料，和/或形成定子或轉子的部件的金屬定子管或轉子芯。
應了解，不管粘合劑(諸如膠)是否也被用于根據本公開的實施方案的粘合，等離子體處理可以用于增強定向鉆孔組件中的表面之間的粘附。應了解，在不脫離本公開的情況下，等離子體處理可以用以進一步增強粘合劑與要粘合于定向鉆孔組件中的一個或多個表面的粘附。
因此，根據本公開的實施方案，可以使用等離子體處理來清理、粗加工，和/或活化金屬表面或非金屬表面。這樣的等離子體處理可以提高表面的可潤濕性，增大表面積，和 /或增強一個表面與另一個表面或粘合劑的粘附，該粘合劑是用于制造定向鉆孔組件中的部件的所述粘合劑。
圖I描繪根據本公開的實施方案的形成定向鉆孔組件的一部分的定子。在本公開的一個實施方案中，內襯彈性層的套筒的表面101可以被等離子體處理并且被粘附至聚合物復合材料102，以便形成適用于定向鉆孔組件中的泥漿馬達的定子。應了解，根據本公開的實施方案，內襯彈性層的套筒的表面也可以被等離子體處理并且被粘附至轉子中的聚合物復合材料。過去，例如當利用傳統粘合技術粘附內襯彈性層的套筒的表面至聚合物復合材料時，用于形成定子或轉子的內襯彈性層的套筒例如具有從聚合物復合材料脫層的趨勢。然而，根據本公開的實施方案，經由等離子體處理來清理、蝕刻和/或活化表面101可以引起表面101與聚合物復合材料102之間的相互作用增強并且增強其之間的粘附。另外，根據本公開的實施方案，定子管103可以通過等離子體處理表面104而粘附至復合材料 102。
根據本公開的實施方案，大氣壓和/或真空等離子體處理可以用于在定向鉆孔組件的制造中執行任何或所有上述功能。在大氣壓等離子體處理中，可使用諸如氮或氨的氣氛代替空氣來產生帶電氣氛，以便向襯底引入廣泛的表面改性作用。根據本公開的實施方案，可以通過分解表面去污染方法、氧化要處理的所述表面、精細地蝕刻所述表面以產生較大的表面積，和/或在所述表面上沉積涂層來制備表面。大氣壓等離子體處理可以與定位掃描(head scanning)要處理的材料的表面一起進行。也可以使用等離子體焰炬。然而應了解，在不脫離本公開的情況下，也可以使用用于施加大氣壓等離子體的其它機制。
與大氣壓等離子體處理相比，真空等離子體處理可以涉及通過氣體在低壓和低溫下的電磁放電來產生穩定并且有效的等離子體。在真空等離子體處理中，等離子體可以與表面相互作用而不會改變所述表面的材料性質。可以在容器或真空室中施加真空等離子體。然而，在不脫離本公開的情況下，與大氣壓等離子體一樣，可以使用施加真空等離子體的其它機制。
應了解，根據本公開的實施方案，一種或多種氣體可以用于制造定向鉆孔組件的等離子體處理的方法中。可以類似地利用具有不同強度的氣體。例如，具有第一強度的氣體可以用于清理，第二氣體(或具有不同強度的第一氣體)可以用于表面活化，并且第三氣體(具有不同強度的第一氣體或第二氣體)可以用于蝕刻部件的表面。例如，等離子體清理表面可能需要的能量(或強度)低于等離子體蝕刻表面可能需要的能量(或強度)。因此，與等離子體蝕刻相比，等離子體清理可以使用不同氣體，或相同氣體的較低強度形式。 應了解，例如，可以使用等離子體槍來施加不同強度的氣體或不同氣體，盡管在不脫離本公開的情況下，可以利用用于向表面遞送等離子體的其它機制。
根據本公開的實施方案，等離子體處理可以應用于各種材料的表面，所述材料可以形成定向鉆孔組件的部件。例如，等離子體處理可以應用于形成定子或轉子的一部分的內襯彈性層的套筒的表面。等離子體處理也可以應用于形成定子或轉子的聚合物復合材料。還應了解，在不脫離本公開的情況下，等離子體處理可以用于泥漿馬達以及螺桿泵或液壓馬達。
在本公開的一個實施方案中，定子可以包括內襯彈性層的套筒。根據本公開的實施方案的彈性層可以包括但不必限于氟橡膠(諸如VITON氟橡膠)、氫化腈橡膠(HNBR)、腈橡膠(NBR)、合成橡膠，和/或天然橡膠或其組合。根據本公開的實施方案，這類彈性層可以在并入定子時為完全固化、部分固化，或尚未加工(green)或尚未固化的。還應了解，這類套筒可以由不同材料的層形成，并且甚至可以包括非彈性層。在本公開的其它實施方案中， 可以形成具有可能經過纖維增強或絲網增強的彈性層的套筒。在本公開的進一步實施方案中，所述套筒可以是金屬的(例如，由鋼、不銹鋼、鋁、鈦，或其組合形成)和/或由金屬(例如，鉻、金、銀、銅、鎘、鎳、鋅、鉛、錫或其組合)涂布。根據本公開的實施方案所形成的定子中的套筒的表面可以經受等離子體處理來增強對于所述定子內的其它表面和/或可以粘合所述套筒的表面的粘合劑的粘附。
還應了解，根據本公開的實施方案，各種聚合物基復合材料可以用于形成適用于定向鉆孔組件的定子或轉子。這類聚合物基復合材料可以包括但不必限于環氧樹脂、聚酰亞胺、聚醚醚酮(PEEK)、聚酮，酚醛樹脂，和/或聚苯硫醚(PPS)或其組合。根據本公開的實施方案，可以等離子體處理這些聚合物基復合材料中每一種聚合物基復合材料。例如，根據本公開的實施方案，可經由等離子體處理，在使用或不使用諸如膠的粘合劑的情況下，使聚合物基復合材料粘附至內襯彈性層的套筒的表面和/或定子管的內表面。
在本公開的一個實施方案中，為制造用于定向鉆孔組件的泥漿馬達的定子或轉子，可以形成厚度受控的彈性層并將其插入主體的縱向孔內。舉例來說，然后可將鑄造材料，諸如金屬填充的聚合物復合材料、有機物填充的聚合物復合材料，和/或聚合物纖維填充的聚合物復合材料布置在彈性層的外表面與主體的縱向孔之間形成的空隙中。然后可以對所述鑄造材料和所述彈性層進行等離子體處理，這樣使得所述鑄造材料被粘附至所述彈性層。根據本公開的一個實施方案，等離子體可以施加于所述彈性層的外表面。等離子體可以施加于所述鑄造材料，或所述鑄造材料與所述彈性層兩者來促進粘附。然而，根據本公開的實施方案，可以利用并不使用鑄造材料的方法。
在本公開的另一個實施方案中，彈性材料可以被注入到定子主體與心軸之間的空隙中。可以對可能是金屬的定子主體進行等離子體處理，并且可以將心軸從內襯彈性材料的定子上除去。在本公開的另一個實施方案中，彈性材料可以經由型材模具擠出。根據本公開的實施方案，等離子體處理可以用于形成定向鉆孔組件的部件來達到增強的粘合。
在等離子體處理之后，本公開的實施方案可以提供涂布彈性層101的內表面(圖I 所描繪)。如圖I中的涂層105所描繪，氟基涂層、金屬涂層(諸如鉻鍍層)和/或硬質涂層(包括類金剛石碳(DLC)涂層)可以涂覆來保護彈性層101。不管是否可能進行其它等離子體處理，按這種方式進行的等離子體涂布可以用于使與彈性層101的摩擦力最小化， 并且增強涂層105與彈性層101之間的粘合。在本公開的一個實施方案中，定子的動力段的彈性層可以用等離子體處理并且然后用氟基涂層涂布以保護所述彈性層。根據本公開的實施方案，這類處理不但可以增強所述彈性層的耐化學性而且可以處于粘合狀態的轉子與定子之間的摩擦最小化，從而增強在定向鉆孔組件操作中的所述定子和/或轉子的可靠性和性能。
雖然本公開的一些實施方案已經就某些類型的定子來描述了等離子體處理，但是應了解，可以對更常規的定子技術使用等離子體處理。另外，應了解，根據本公開的實施方案，對在制造定向鉆孔組件中的轉子以及定子可以類似地使用本文所述的等離子體處理。
盡管本公開已經進行了詳細描述，但是應了解，在不脫離附加權利要求書所界定的本公開的精神和范圍的情況下，本文可以做出各種改變、替換以及變更。另外，本申請的范圍不意圖限于本申請文件中描述的工藝、機器、制造、物質組成、手段、方法以及步驟的特定實施方案。如本領域技術人員將從本公開中所了解的，可根據本公開利用現有的或以后會研發出來的工藝、機器、制造、物質組成、手段、方法或步驟，從而執行與本文所描述的對應實施方案大致上相同的功能或達到大致上相同的結果。因此，所述附加權利要求書意圖在其范圍內包括這類工藝、機器、制造，物質組成、手段、方法或步驟。
權利要求
1.一種用于將定向鉆孔組件的第一部件粘附至第二部件的方法，所述方法包括 等離子體處理所述第一部件的表面以形成經等離子體處理的表面；以及 粘附所述經等離子體處理的表面至所述第二部件的表面。
2.如權利要求I所述的方法，其中等離子體處理包括 用等離子體清理、蝕刻以及活化所述第一部件的所述表面。
3.如權利要求2所述的方法，其中清理包括用具有第一強度的等離子體處理所述第一部件的所述表面，蝕刻包括用具有第二強度的等離子體處理所述第一部件的所述表面，并且活化包括用具有第三強度的等離子體處理所述第一部件的所述表面。
4.如權利要求3所述的方法，其中在所述第一強度、所述第二強度以及所述第三強度下使用相同等離子體。
5.如權利要求3所述的方法，其中在所述第一強度、所述第二強度以及所述第三強度下使用不同等離子體。
6.如權利要求I所述的方法，其中等離子體處理所述第一部件的所述表面包括 用等離子體清理所述第一部件的所述表面。
7.如權利要求I所述的方法，其中等離子體處理所述第一部件的所述表面包括 用等離子體活化所述第一部件的所述表面。
8.如權利要求I所述的方法，其中等離子體處理所述第一部件的所述表面包括 用等離子體蝕刻所述第一部件的所述表面。
9.如權利要求I所述的方法，其中所述等離子體是大氣壓等離子體或真空等離子體。
10.如權利要求I所述的方法，其中等離子體處理所述第一部件的所述表面以形成所述經等離子體處理的表面包括以下功能中的至少兩種功能 用等離子體清理所述第一部件的所述表面； 用等離子體蝕刻所述第一部件的所述表面；以及 用等離子體活化所述第一部件的所述表面。
全文摘要
提供用于增強在形成定向鉆孔組件的部件中使用的材料之間的粘附或粘合的方法，所述部件諸如轉子和定子。部件的表面可諸如經由清理、蝕刻和/或活化表面來處理。等離子體處理的使用可以增強要粘合的表面和/或材料之間的粘附，從而在油田應用中減少這些材料的降級或機械損壞。
文檔編號B29C37/00GK102975367SQ20121034240
公開日2013年3月20日 申請日期2012年9月3日 優先權日2011年9月2日
發明者J·拉米耶, H·阿克巴里 申請人:普拉德研究及開發股份有限公司