[发明专利]一种使用含氟材料制作的螺杆钻具定子及应用于该定子的含氟材料

说明书

本发明公开的使用含氟材料制作的螺杆钻具定子，从外到内依次主要为定子金属外管、聚合物层，聚合物层采用含氟材料制作。本发明采用含氟材料制作螺杆钻具定子，大大提高定子耐高温、耐磨损性能，使用方便，磨损率低，有效地延长了设备的使用寿命，对恶劣环境适应性好，维护难度低，有效提高钻井作业的效率，大幅降低作业成本。

技术领域

本发明涉及一种耐高温、耐磨损、耐腐蚀并具有高加工性的含氟材料及其在螺杆钻具上的应用,特别是一种使用含氟材料制作的螺杆钻具定子及应用于该定子的含氟材料。

说明：本申请中含氟材料为碳链上有氟取代的聚合物，可以选用如下材料的单基料或者多基共混料：

PTFE 聚四氟乙烯

FEP 聚全氟乙丙烯

PFA 四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚

PCTFE 聚三氟氯乙烯

ETFE乙烯-四氟乙烯共聚物

ECTFE乙烯-三氟氯乙烯共聚物。

背景技术

螺杆钻具（PDM drill）即螺杆钻，是一种以钻井液为动力，把液体压力能转为机械能的容积式井下动力钻具。当泥浆泵泵出的泥浆流经旁通阀进入马达，在马达的进、出口形成一定的压力差，推动转子绕定子的轴线旋转，并将转速和扭矩通过万向轴和传动轴传递给钻头，从而实现钻井作业。

螺杆钻最早是用来打垂直孔，主要用来打各种定向孔和特种工程孔（如矿井冻结孔）。最大钻孔深度达9023米。目前世界上螺杆钻最小直径为44.5毫米，最大直径为304.8毫米。利用螺杆钻进行岩心钻探时,应在驱动轴与钻头间加上岩心管采取岩心。

螺杆钻一般由旁通阀、螺杆马达（转子和定子）、万向节、轴承和驱动轴几部分组成，其核心是螺杆马达。在螺杆马达转子、定子传动副中,定子齿数Z1比转子齿数Z2多一个即Z1= Z2+1。它们的齿数比通常称为传动比,设计时,可任意选择(1:2,2:3,...,9:10)。在实际设计工作中，设计高转速的螺杆钻应采用小齿数比螺杆马达，而设计低速大扭矩的螺杆钻应采用大齿数比螺杆马达。随着转子定子齿数比的增大,其效率逐渐趋于下降；螺杆钻的输出扭矩取决于通过马达的管道工作压力降，输出转速取决于通过螺杆马达工作介质的流量。

钻探时，仍然需要钻探机、泥浆泵、钻杆和钻塔等常规钻探装备。施工定向钻孔时，要借助定向仪给造斜工具定向。与螺杆钻配套使用的造斜工具有弯接头、弯外管和偏心块等。采用螺杆钻施工定向孔能提高钻孔质量，提供精确地质资料，节约进尺，降低成本，解决许多无法施工的工程难题，因此，它是钻探工程的一种特种工具。

螺杆钻的使用寿命一般为150～200小时，其薄弱环节是定子橡胶耐高温程度低，轴承易损坏。加紧研制与开发用于制造定子的抗磨损耐高温的弹性材料与可靠的轴承系统，从而使螺杆钻的工作寿命得到显著提高，同时研制低速大扭矩螺杆以适用于钻深孔和超深孔也是本领域的一个主要突破方向。

现有的螺杆钻具定子护套材料分别为NBR和HNBR，其中高温井的长期温度接近170℃，而HNBR的极限温度（静态）为176℃，根据螺杆钻具的工作特性，温度很容易集中在橡胶与转子接触的部分，定、转子间相互挤压、扭转的动态生热。当温度较高、并长期集中在以上区域，则将会导致橡胶老化，从而引起橡胶破坏。高温井的螺杆钻具护套材料使用寿命一般100多小时。使用周期短，维护要求高，影响了钻井工作的效率和开展进度，增加钻井成本。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种使用含氟材料制作的螺杆钻具定子及应用于该定子的含氟材料，通过利用含氟材料在耐磨损、耐高温、摩擦系数低、工作温度范围广等方面的优势，适用高温，摩擦系数低，有效功率高、延长适用寿命、降低生产成本。