包含對齊的細長碳納米粒子的雙組分密封件的制作方法
【專利說明】包含對齊的細長碳納米粒子的雙組分密封件
[0001 ] 背景
[0002]實施方案的方法涉及包含細長碳納米粒子的雙組分密封件，所述雙組分密封件的制造方法，以及所述雙組分密封件在耐受旋轉、摩擦、壓縮、旋轉或引起設備磨損的其他力的設備中的使用方法。
[0003]在各種行業中，如石油和天然氣、礦業、化學、紙漿和造紙、吹煉、航空航天、醫療、汽車中使用的設備部件遭受各種類型的機械磨損，導致材料從一個固體表面被另一個固體表面或材料物理移除。通常，這種機械磨損發生于以下情形:兩個固體表面(如金屬表面)靠著彼此頻繁運動;硬質材料沿著固體表面移動而引起熔刮、剝落或開裂;液體流中的微粒沖擊固體表面而引起部分固體表面的侵蝕;或固體表面重復運動而導致固體表面的表面下方的可能從其傳播的應力負荷和開裂。
[0004]機械磨損在地下巖層操作，如鉆探操作中受到特別關注，在所述操作中具有鉆頭(例如，牙輪鉆頭或固定鉆頭)的鉆探工具被下放到井眼內以便切穿巖石。通常，鉆探工具一直工作直到鉆頭上的鉆探切割器過度磨損。此后，有必要移除整個鉆探工具組件并更換鉆頭。鉆探工具組件的這種移除在經濟上難以負擔，因為它產生非生產性時間。此外，經常更換鉆頭的需要引起設備成本增加。
[0005]傳統上已經通過潤滑軸承和鉆頭的受到導致機械磨損的金屬與金屬的力影響的其他零件來提高鉆頭的操作壽命。另外，可通過在固體表面部件之間(通常是金屬表面)，或者在可能遭遇微粒流體流的部件之間包括密封部件以防止研磨微粒(例如，鉆探碎肩、巖層微粒、鉆井液中的微粒等等)或腐蝕性材料進入鉆頭部件之間的裂縫來提高鉆頭的操作壽命。潤滑劑或密封部件的損耗可能導致鉆頭壽命的顯著縮短。此外，與更換潤滑劑和/或密封部件相關的成本可能在經濟和時間支出上均相當高。
[0006]附圖簡述
[0007]以下所包括的附圖用于說明本文描述的實施方案的某些方面，并且不應視為排他性實施方案。如本領域技術人員和受益于本公開的人員將了解，所公開的主題能夠在形式和功能上存在許多修改、改變、組合和等效形式。
[0008]圖1提供牙輪鉆頭的示意圖。
[0009]圖2提供用于將井眼鉆入地下巖層的鉆機的示意圖。
[0010]圖3提供根據本文所描述的至少一個實施方案的包括雙組分密封件的牙輪鉆頭的一部分的截面示意圖。
[0011 ]圖4a提供本文所描述的雙組分密封件的截面示意圖。
[0012]圖4b提供根據本文所描述的一些實施方案的納米復合材料中的官能化的對齊的細長碳納米粒子的視圖。
[0013]詳述
[0014]本文所描述的實施方案的方法涉及:包含細長碳納米粒子的雙組分密封件，所述雙組分密封件的制造方法，以及所述雙組分密封件在耐受旋轉、摩擦、壓縮、旋轉或引起設備磨損的其他力的設備中的使用方法。
[0015]雖然本文所公開的實施方案集中于提供在用于地下巖層鉆探操作的鉆頭中使用的包含細長碳納米粒子的雙組分密封件，但在具有遭受機械磨損的部件的任何設備中均可有效使用所述雙組分密封件。這種設備可用在任何行業中，包括但不限于，石油和天然氣、礦業、化學、紙漿和造紙、吹煉、航空航天、醫療、汽車等等。本文所公開實施方案的雙組分密封件可適應在特定設備類型中使用所必需的任何形狀或尺寸，并且不限制為本文所描述的任何特定形狀或尺寸。例如，本文所公開實施方案的雙組分密封件可為圓形密封件(例如，O形環)、高縱橫比密封件、徑向密封件、軸向密封件、D形密封件、展平密封件、唇形密封件、定制車床切割密封件或可從增加的潤滑能力獲益的任何其他密封件形狀。因此，內芯或外芯可采取這些形狀并且本文所公開的實施方案不限于任何這類形狀。本公開實施方案的雙組分密封件可用于靜態密封或動態密封。
[0016]—種在井眼鉆探中使用的鉆頭的重要類型是牙輪鉆頭，如圖1中100所示。在牙輪鉆頭中，旋轉椎102在其外表面上具有嵌塊104并安裝在鉆頭主體的臂106上。在鉆探期間，如圖2所示，鉆機208使用管210的部分來向鉆頭200傳遞旋轉力并使用栗212來使鉆井液(如流動箭頭A所示)穿過管210的所述部分循環至井眼的底部。隨著鉆頭旋轉，施加的鉆壓(“W0B”)迫使旋轉椎的指向下方的嵌塊進入被鉆探的巖層中。因此，嵌塊所在的點施加超過巖層屈服應力的壓縮應力，從而導致井眼形成。產生的碎片(也稱為“碎肩”)被高流速的鉆井液(也稱為“泥楽”)從切割面沖走。
[0017]現在參考圖3，為牙輪鉆頭的一部分的截面示意圖，旋轉接頭302由兩個元件限定:示出為牙輪的第一元件304和示出為具有軸的支撐臂的第二元件308。根據本文所描述的至少一個實施方案的雙組分密封件如318所示，被配置來密封旋轉接頭302的一部分，從而限定密封段312和未密封段314。雙組分密封件308為旋轉接頭302提供潤滑能力并防止微粒進入密封段312。
[0018]在一些實施方案中，本文所公開實施方案的雙組分密封件包括外鞘和內芯，其中外鞘包含對齊的細長碳納米粒子，并且其中內芯包含聚合物。在其他實施方案中，外鞘包含納米復合材料，所述納米復合材料包含嵌入聚合物中的對齊的細長碳納米粒子。在再其他實施方案中，本文所描述實施方案的雙組分密封件的內芯可包含納米復合材料，所述納米復合材料包含可為對齊或隨機嵌入其中的細長碳納米粒子。如本文所用，術語“對齊”指的是在同一個方向平面中細長碳納米粒子的取向(例如，在軸向方向或徑向方向上)。這種對齊可對雙組分密封件的密封效率、潤滑能力和壽命具有顯著影響，也對細長碳納米粒子賦予雙組分密封件潤滑能力的能力和細長碳納米粒子本身的壽命具有顯著影響。
[0019]細長碳納米粒子可采取多種形式，例如像，石墨烯納米帶;碳納米管；以及碳納米角。石墨稀納米帶(“GNR”)為由解鏈碳納米管形成的寬度為從約5nm至約50nm，并且長度為從約10nm至約2μηι的石墨稀長條。在其他實施方案中，GNR的寬度可從約5nm至約30nm，并且長度從約500nm至約Ιμπι。在再其他實施方案中，GNR的寬度可從約5nm至約30nm，并且長度從約10nm至約500nm。基于由本領域普通技術人員已知的某些因素，本文所公開的石墨烯納米帶的寬度和長度范圍可為這些范圍之外的任何尺寸，所述因素包括但不限于:雙組分密封件的尺寸和形狀，石墨烯納米帶的合成方法，所需潤滑的量等等。如本文所用，術語“石墨烯納米帶”和“石墨烯”包含少層石墨烯納米帶。碳納米管是具有圓柱結構的碳的同素異形體。為了在本文所描述實施方案中使用，此類碳納米管可為單壁碳納米管(“SWNT”)或多壁碳納米管(“MWNT”)(例如，具有比SWNT多2至50或更多個壁)。碳納米角(“CNH”)是碳的同素異形體，并且類似于碳納米管，是細長的，主要是具有錐形或角狀末端的圓柱結構。在一些實施方案中，細長碳納米粒子在本文所描述實施方案的納米復合材料中存在的量可在主