Усиленный графеном эластомерный статор
Изобретение относится к нанотехнологии и горной промышленности и может быть использовано при проведении буровых работ. Винтовая силовая секция для гидравлических забойных двигателей содержит ротор и статор, содержащий металлический наружный трубчатый элемент и усиленную графеном эластомерную внутреннюю обшивку, включающую графеновые частицы, гомогенно диспергированные в резине. Графеновые частицы могут быть нефункционализированными или функционализированными пероксидом/кислородом и имеют толщину листа от двух до тридцати графеновых слоев. Резина представляет собой NBR, HNBR, XNBR, XHNBR или фторэластомерный базовый полимер. NBR, HNBR, XNBR или XHNBR имеет вязкость при 100°С от 20 до 75 единиц по Муни и содержит от 25 до 65% акрилонитрила. Фторэластомерный базовый полимер имеет вязкость при 100°С от 20 до 100 единиц по Муни, карбоксильно функционализирован и содержит от 25 до 65% акрилонитрила. Надёжность обеспечивается за счёт повышения устойчивости статора к повышенным температурам, сопротивления к истиранию и раздиру, увеличения промежутка времени между поломками и техническим обслуживанием. 15 з.п. ф-лы, 15 ил., 2 табл.
1. Область изобретения
[0001] Настоящее изобретение относится узлам улучшенного эластомерного статора.
2. Описание предшествующего уровня техники
[0002] Винтовые насосы, содержащие узлы эластомерного статора, использовались при буровых работах на протяжении некоторого времени. В операциях по бурению скважин с помощью забойных двигателей винтовые двигатели перекачивают жидкости за счет вращения ротора, установленного внутри узла статора. В частности, винтовые насосы нашли широкое применение в силовых секциях для гидравлических забойных двигателей при применении взаимообратного процесса, при котором буровой раствор используют для поворачивания ротора внутри статора. Винтовые двигатели часто оборудованы геликоидальными металлическими сегментными роторами, которые вращаются внутри эластомерных статоров, состоящих из резины с высоким содержанием сажевого наполнителя. Резина с высоким содержанием сажи обеспечивает подходящий, а также экономически выгодный материал, имеющий некоторый модуль упругости при сжатии и свойства сопротивления истиранию. Когда металлические кулачки роторов прижимаются к внутренним стенкам эластомерного статора, образуется линия заварки и жидкость таким образом закачивается через полости, так как они образуются между металлическими кулачками роторов и внутренними стенками эластомерного статора.
[0003] Проблема изготовления статора для силовой секции большой мощности, с высоким крутящим моментом и высокой скоростью состоит в том, что технологическое оборудование и экономичные инструментальные материалы требуют применения неотвержденного эластомерного компаунда с низкой вязкостью, способного протекать через плотное гнездо пресс-формы на большие расстояния при поддержании указанного компаунда в неотвержденном состоянии. Если компаунд является слишком вязким, он не может протекать на соответствующее расстояние и заполнить пресс-форму. Если в компаунде перед заполнением пресс-формы начинается реакция вулканизации, вязкость указанного компаунда будет увеличиваться экспоненциально, в результате чего можно получить пресс-форму, которая не будет заполнена, или пресс-форму, которая будет заполнена поперечными связями, образующимися в отдельных матрицах. Образующиеся по отдельности матрицы создают необнаруживаемые границы зерен в эластомерном продукте, который будет часто преждевременно выходить из строя из-за значительного снижения сопротивления раздиру, снижения модуля и/или внутренних точек трения, которые способствуют быстрому физическому разрушению окружающей эластомерной матрицы. Разработчики эластомеров для силовых секций традиционно пытались решать указанные проблемы с помощью усиливающих и полуусиливающих сажистых веществ, низкомолекулярных базовых полимеров NBR и HNBR с низкой вязкостью и вспомогательных средств, применяемых в указанном составе. Хотя такие комбинации способствуют технологичности, полученный в результате состав негативно влияет на конечные свойства эластомера в отвержденном состоянии, часто делая такую композицию более мягкой и менее динамически устойчивой. Например, масляный пластификатор можно использовать для понижения вязкости при производстве, но в готовом продукте указанный пластификатор обычно выщелачивается из эластомера при высоких температурах под воздействием различных буровых растворов, что может вызвать усадку продукта или разрушение связей резины с металлсодержащими связывающими агентами, а также способствовать поглощению реагентов из бурового раствора. Пластификаторы используют для понижения вязкости неотвержденной резиновой смеси за счет смазывания пространства между полимерными цепями и облегчения диспергирования сажистых веществ. Будучи в отвержденном состоянии, пластификаторы продолжают смазывать полимерные цепи, создавая эффект пониженного модуля. Кроме того, пластификаторы, имеющие значительно более низкую молекулярную массу, чем полимеры, могут мигрировать из компаунда. Регулирование миграции пластификаторов является функцией выбора пластификатора с правильными молекулярной массой/разветвлением и отношением содержания углерода к кислороду для конкретного компаунда. Чем большее разветвление имеет пластификатор, тем более устойчивым является пластификатор к флюидной экстракции в нефтях. Способность к взаимодействию пластификатора на основе сложного эфира в полимерной матрице будет по существу увеличивать устойчивость к экстракции. При возможности пероксидного сшивания пластификаторов с полимером, этот же пластификатор можно сшить с функционализированной графеновой частицей, надолго запирая пластификатор в полимерной матрице. За счет взаимодействия пластификатора в полимерах и графеновых частицах более высокие, чем обычные концентрации пластификатора, можно подмешивать в состав без появления недостатка, связанного с наличием пластификатора, выщелачивающегося из компаунда, в соединении резины с металлом в статоре или из поверхности внутреннего диаметра. Более высокие концентрации пластификатора компенсируют эффект высокой вязкости, который наночастицы вызывают в компаунде. Более высокие концентрации пластификатора также уменьшают время смешивания неотвержденного компаунда за счет облегчения пептизации и диспергирования материалов наполнителя, таких как сажистые вещества и наночастицы. При уменьшении времени смешивания и скоростей сдвига в процессе перемешивания разрушается меньшее количество полимера, что приведет к улучшению физических и динамических свойств, таких как: модуль, предел прочности на разрыв, сопротивление раздиру, тангенс дельта, модуль сдвига, модуль упругости при сжатии и твердость.
[0004] В эластомерные компаунды были введены фенольные смолы, как описано в публикации заявки на патент США №US 2008/0050259, что позволило уменьшить вязкость компаунда в неотвержденном состоянии и увеличить твердость продукта в отвержденном состоянии за счет повышенного сопротивления раздиру.
[0005] В эластомерных компаундах также нашли некоторое применение наночастицы; однако вследствие исключительного отношения площади поверхности к объему частиц (т.е. аспектового отношения), указанные компаунды могут значительно повышать вязкость эластомера при применении только небольших количеств дополнительных наночастиц. Это означает, что их потенциал в компаундах статора, применяемого в силовых секциях, требует таких низких концентраций (для поддержания технологичности), что физические свойства в отвержденном состоянии не являются достижимыми при доступном, воспроизводимом уровне выполнения требований.
[0006] Кроме того, хотя геликоидальные металлические роторы винтовых двигателей являются жаропрочными, стойкими к абразивному износу и обычно имеют продолжительные сроки службы, статоры винтовых двигателей гораздо менее надежны и часто выходят из строя, нуждаются в техническом обслуживании или замене раньше, чем их роторные аналоги. Усиленная сажей обшивка статоров обычно изнашиваются при воздействии абразивных материалов, может вызвать утечки между полостями. При воздействии жестких температур резиновая смесь будет размягчаться и может вызвать блокировку линий, менее способных к операциям с высоким перепадом давления, что может привести к потере крутящего момента. Высокие температуры также могут вызвать термическое расширение резины в обшивке, что может привести к перегреву. Длительное воздействие таких условий может сделать резину ломкой и привести к низкому сопротивлению раздиру. Поломки могут происходить в форме износа секции при абразивной утечке и отсутствии должного давления уплотнения, действующего на металлические кулачки ротора; физический разрыв внутренней обшивки также может иметь место и вызывать немедленное отключение всей системы. Например, при поломке статора ротор может перекачивать разорванные куски резины через полости и повреждать другие компоненты скважинного оборудования или вообще остановить вращение. Воздействие определенных реагентов или скважинных флюидов может дополнительно вызвать разрушение внутренних стенок статора. Агрессивные буровые растворы могут абсорбироваться в резиновую обшивку, вызывая набухание, приводящее к перегреву резиновой обшивки при эксплуатации. Флюиды также могут экстрагировать реагенты из резины, тем самым разрушая ее.
[0007] Таким образом, было бы желательно обеспечить более надежный узел эластомерного статора с повышенными устойчивостью к высоким температурам, сопротивлением истиранию, сопротивлением раздиру и другими полезными свойствами. Кроме того, было бы желательно обеспечить увеличение промежутка времени между поломками, повышение надежности и ожидаемое удлиненное временя работы для скважинных операций с участием узлов эластомерного статора. Это позволило бы увеличить продолжительность бурения и уменьшить время, потраченное на установку, извлечение и техническое обслуживание узлов эластомерного статора и других компонентов связанного скважинного оборудования, которое может выйти из строя в результате поломки статора. Также было бы желательно увеличить ожидаемый временной интервал между необходимым техническим обслуживанием узлов эластомерного статора.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0008] Настоящее изобретение включает узел усиленного графеном эластомерного статора и способ его изготовления. Эластомерный статор можно структурно и термически усилить путем введения графеновых частиц, сшиваемых полимеров, связывающих агентов, удлиняющих поперечные связи, и путем уменьшения количества материала наполнителя. Графеновые частицы можно ввести в функционализированной или нефункционализированной форме или в их комбинации. Графеновые частицы могут усилить взаимодействия полимера с наполнителем в общей структуре эластомерного статора, что, тем самым позволяет усилить структуру статора и повысить срок эксплуатации статора за счет обеспечения дополнительных свойств в виде структурной и термической диссипации. Введение графеновых частиц также может обеспечить более низкий коэффициент термического расширения резиновой смеси, что позволяет уменьшить повреждающее теплонакопление и продлить срок эксплуатации силовой секции.
[0009] Сшиваемые пластификаторы можно ввести в составы, применяемые для изготовления усиленных графеном эластомерных статоров, для дополнительного усиления конструкционной жесткости и термических характеристик компаунда и, таким образом, эластомерного статора. Конструкционная жесткость компаунда обычно возрастает при наличии большего количества материалов в сшитом компаунде. При объединении сшиваемых пластификаторов и функционализированного графена, такого как в предпочтительном варианте реализации изобретения, плотность поперечных связей между компаундами дополнительно увеличивается по всей заданной площади. Кроме того, графен обладает свойствами проводимости, не обнаруживаемыми в материалах, традиционно применяемых в статорах, свойствами, которые позволяют передавать, диспергировать и рассеивать тепло через статор быстрым и эффективным способом. Кроме того, согласно одному из вариантов реализации изобретения компаунд усиленного графеном эластомерного статора можно приготовить таким образом, чтобы он имел относительно низкую вязкость за счет применения сшиваемого пластификатора, а также обладал другими характеристиками, позволяющими указанному материалу протекать через гнездо пресс-формы на большие расстояния, подобно тому, как сделаны современные эластомерные статоры. В таком составе сшиваемый пластификатор может ковалентно связываться с полимерными цепями резины, функционализированными графеновыми частицами, соагентами или их комбинацией, что позволит противодействовать экстракции пластификатора в буровых растворах.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0010] Приведенные ниже чертежи и фигуры служат для иллюстрации различных вариантов реализации настоящего изобретения, и не являются ограничивающими притязания.
[0011] На фиг. 1 изображен перспективный вид в поперечном разрезе узла эластомерного статора согласно одному из вариантов реализации настоящего изобретения.
[0012] На фиг. 2 изображен вид сбоку в поперечном разрезе узла эластомерного статора согласно одному из вариантов реализации настоящего изобретения.
[0013] На фиг. 3 изображен вид сверху в поперечном разрезе узла эластомерного статора согласно одному из вариантов реализации настоящего изобретения.
[0014] На фиг. 4 приведен пример компаунда известного уровня техники, содержащего резину и сажевый наполнитель.
[0015] На фиг. 5 приведен пример сил связи Ван-дер-Ваальса между резиной и нефункционализированной графеновой частицей согласно одному из вариантов реализации настоящего изобретения.
[0016] На фиг. 6 приведен пример компаунда усиленного графеном эластомерного статора, содержащего функционализированный пероксидом/кислородом графен в резине, согласно одному из вариантов реализации настоящего изобретения.
[0017] На фиг. 7а-7с пошагово проиллюстрировано образование пероксидных поперечных связей в компаунде усиленного графеном статора.
[0018] На фиг. 8 приведен альтернативный пример компаунда усиленного графеном эластомерного статора, содержащего функционализированный пероксидом/кислородом графен в резине, согласно одному из вариантов реализации настоящего изобретения. На фиг. 8 показано, что функционализированные пероксидом/кислородом графеновые частицы можно встроить поперечной сшивкой с полимером и/или поперечно сшить друг с другом.
[0019] На фиг. 9 приведен пример компаунда усиленного графеном эластомерного статора, содержащего фенольный функционализированный графен с гексаметилметиламином («гекса» или «НМТ») согласно одному из вариантов реализации настоящего изобретения.
[0020] На фиг. 10 приведен пример компаунда усиленного графеном эластомерного статора, содержащего фенольный функционализированный графен с гекса в резине, согласно одному из вариантов реализации настоящего изобретения.
[0021] На фиг. 11 приведен пример компаунда усиленного графеном эластомерного статора, содержащего фенольный функционализированный графен с гекса и пероксидом в резине, согласно одному из вариантов реализации настоящего изобретения.
[0022] На фиг.12 приведен пример компаунда усиленного графеном эластомерного статора, содержащего функционализированный пероксидом/кислородом графен в резине с трехфункционализированными метакрилатами согласно одному из вариантов реализации настоящего изобретения.
[0023] На фиг. 13 приведен пример нитрилбутадиена, содержащего образованные серой поперечные связи.
[0024] На фиг. 14 приведен пример компаунда усиленного графеном эластомерного статора, содержащего поперечные связи полимера с функционализированным серой графеном.
[0025] На фиг. 15 приведен пример функционализированного пероксидом/кислородом графена, сшитого с трехфункциональным соагентом с помощью органического пероксида.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0027] Эластомерные статоры в винтовых двигателях часто оборудованы твердыми металлическими трубчатыми внешними муфтами и внутренними эластомерными обшивками статоров, которые обычно получают путем литьевого прессования обшивки поверх сердечника пресс-формы. На фиг. 1-3 приведены несколько изображений одного из вариантов реализации узла эластомерного статора 10. Существует много вариантов в отношении формы, размеров и габаритов эластомерных статоров и на фиг. 1-3 просто проиллюстрирован типичный вариант реализации узла эластомерного статора, который можно выполнить с применением любых различных вариантов реализации компаунда усиленного графеном эластомерного статора, описанных в настоящем документе, или любой комбинации нескольких вариантов реализации, описанных в настоящем документе.
[0028] На фиг. 1-3 показан узел 10 усиленного графеном эластомерного статора согласно одному из вариантов реализации изобретения, содержащий поверхность 20 металлического наружного трубчатого элемента и усиленную графеном эластомерную внутреннюю обшивку 30 статора, соединенную с поверхностью 20 наружного трубчатого элемента. Внутренние стенки 32 обшивки эластомерного статора можно сформировать в виде повторяющегося геликоидального шаблона с варьирующей длиной и размерами и с множеством различных характеристик для различных внутрискважинных операций.
[0029] На фиг. 4 показан компаунд 100 эластомерного статора известного уровня техники, содержащий большую часть сажи 110 и резиновый материал в виде полимера 120. Водородные атомы 130 в саже и водородные атомы 140 в полимере связаны главным образом силами притяжения Ван-дер-Ваальса 150, действующими по всему компаунду, что является ключевым компонентом с точки зрения конструктивной целостности компаунда 100 эластомерного статора в целом.
[0030] Эластомеры можно сшить с помощью химической реакции вулканизации, которая связывает полимеры с другими полимерами с применением серы и/или органических пероксидов. Обычно серу используют в том случае, когда модуль и устойчивость к высокой температуре являются более низкими приоритетами. С другой стороны, органические пероксиды имеют преимущество, состоящее в том, что они короче и содержат более электроотрицательные ковалентные связи. Такие «более жесткие» индуцированные пероксидом поперечные углерод-углеродные связи также имеют несколько недостатков: полученные резиновые смеси могут быть более ломкими и обладать более низким сопротивлением раздиру, не смотря на исключительный модуль; реакция вулканизации может быть высокоэнергетической и ее трудно замедлить; и сшивание эластомерных полимеров с полимерными покрытиями связывающего агента (адгезивами) является более сложной задачей для последовательного воспроизведения.
[0031] Добавление наночастиц, в том числе углеродных нанотрубок, графеновых частиц, наноглин, бакминстер фуллеренов и других трехмерных сконструированных углеродных структур (усиливающих обшивки), которые имеют большие отношения площади поверхности к массе, может быть полезным с точки зрения усиления эластомерных полимеров при применении частиц с высокой площадью поверхности для обеспечения роста сил притяжения Ван-дер-Ваальса между полимером и частицами наполнителя. Частицы в форме пластинок также могут влиять на химическую стойкость эластомера за счет создания инертных барьеров, которые останавливают продвижение проникающих реагентов буровых растворов.
[0032] Силовые секции для гидравлических забойных двигателей постоянно проталкивают вперед для повышения производительности и надежности бурения скважин с забойным двигателем. Одно из преимуществ компаунда усиленного графеном эластомерного статора состоит в том, что материалы с более высоким модулем способны выдерживать больший перепад давления на эластомерный кулачок, уплотненный металлическим кулачком ротора. Полость между ротором и статором может эффективно поддерживать перепад давления и приданный крутящий момент только, если эластомер, из которого состоит статор, имеет достаточно высокий модуль, позволяющий ему не отклоняться, препятствуя, таким образом, продвижению жидкости вперед в следующую полость. Утечка жидкости между поверхностью раздела ротора и статора может привести к уменьшению отношения объемного давления жидкости к эффективности крутящего момента. Дополнительное преимущество материала с более высоким модулем состоит в том, что чем больше перепад давления, который может выдержать эластомерный кулачок, тем больший крутящий момент будет передан металлическому ротору. В силовых секциях проходящий поток пропорционален скорости эксцентричного вращения ротора для любых заданных стандартных геометрических размеров и статоры силовых секций могут функционировать как динамическая герметичная поверхность раздела, с которой взаимодействует ротор. Не только эластомерный компаунд должен поддерживать модуль, чтобы обеспечить герметизацию, но вязкоупругие динамические свойства должны сохранять в основном упругую реакцию на высокие частоты в высокотемпературных условиях проведения бурильных работ. Способность кулачка к «резкому раскручиванию» представляет собой функцию эластичного динамического затухания модуля в пределах частоты максимальной номинальной скорости потока и перепада в силовой секции. Чем меньше затухание при упругой реакции, тем больше перепад давления, с которым статор силовой секции может справиться при более высоких скоростях потока, и тем более мощной и надежной вероятно должна быть силовая секция в сложных условия проведения бурильных работ.
[0033] Графеновые частицы и другие наноразмерные листы из углерода не связаны вместе или друг с другом прочными межфазными силами Ван-дер-Ваальса, которые обычно действуют в графитовых материалах. Другие наноразмерные листы могут быть заменителями графена для определенных составов. Кроме того, и как упомянуто выше, графеновые частицы могут быть химически изменены путем образования ковалентной связи реакционноспособной функциональной группы с такими частицами. Функциональные группы могут включать фенольные кольцевые структуры, атомы серы или серосодержащие цепи, органические пероксидные группы, формальдегидные функциональные группы, изоцианаты, изоцианураты, тетраметилметиламин (ТМТМ), гексаметилметиламин («гекса,» НМТ) и/или группы жирных кислот/гидроксильные группы.
[0034] Ниже в таблице 1 перечислены варианты реализации компаундов усиленного графеном эластомерного статора, содержащих функционализированные или нефункционализированные графеновые частицы, диспергированные в полимерной матрице NBR (бутадиен-нитрильного каучука), HNBR (гидрированного бутадиен-нитрильного каучука), XNBR (бутадиен-нитрильного каучука, содержащего карбоксильные группы), XHNBR (гидрированного бутадиен-нитрильного каучука, содержащего карбоксильные группы) или FKM (фтор/перфторэластомера), подходящие для применения в статорах силовых секций при бурении, что требует исключительных модуля упругости при растяжении в отвержденном состоянии, сопротивления раздиру, модуля сдвига, модуля упругости при сжатии, эластичной динамической устойчивости, устойчивости при высокой температуре к разрыву полимерных цепей, сопротивления к поверхностному истиранию под действием твердой фазы бурового раствора и/или металлического покрытия ротора и сопротивления набуханию под действием жидкостей (при воздействии различных буровых растворов на основе воды, на нефтяной основе или синтетических буровых растворов на нефтяной основе, а также других подобных жидкостей).
Таблица 1 - Типичные варианты реализации компаундов усиленных графеном эластомерных статоров
- Нефункционализированные графеновые частицы могут иметь толщину листа, равную толщине одного моноуглеродного слоя.
- Нефункционализированные графеновые частицы могут иметь толщину, равную толщине от 2 до 30 углеродных листов.
- Функционализированные графеновые частицы могут иметь толщину листа, равную толщине одного моноуглеродного слоя.
- Функционализированные графеновые частицы могут иметь толщину, равную толщине от 2 до 30 углеродных листов, при этом 1 или более листов содержат функциональную группу, ковалентно связанную с одним или более углеродных атомов. Многослойные графеновые частицы могут иметь функционализацию только внешних слоев, не обязательно содержат функциональную группу во всех слоях.
- Функциональные группы могут иметь sp3 гибридизацию или sp2 гибридизацию одинарной связи с напряженными углеродными связями, вследствие чего имеет место небольшое деформирование углеродных графеновых листов за счет «перегиба». Нефункциональные группы также могут иметь «перегиб».
- Графеновые частицы можно диспергировать гомогенно и/или аморфно в NBR с вязкостью по Муни при 100°С от 20 до 75 единиц по Муни.
- Графеновые частицы можно диспергировать гомогенно и/или аморфно в NBR с содержанием акрилонитрила в диапазоне от 25 до 65%.
- Графеновые частицы можно диспергировать гомогенно и/или аморфно в FTNBR с вязкостью по Муни при 100°С от 20 до 75 единиц по Муни.
- Графеновые частицы можно диспергировать гомогенно и/или аморфно в HNBR с содержанием акрилонитрила в диапазоне от 25 до 65%.
- Графеновые частицы можно диспергировать гомогенно и/или аморфно в XHNBR с вязкостью по Муни при 100°С от 20 до 75 единиц по Муни.
- Графеновые частицы можно диспергировать гомогенно и/или аморфно в XNBR с содержанием акрилонитрила в диапазоне от 25 до 65%.
- Графеновые частицы можно диспергировать гомогенно и/или аморфно в XHNBR с вязкостью по Муни при 100°С от 20 до 75 единиц по Муни.
- Графеновые частицы можно диспергировать гомогенно и/или аморфно в XHNBR с содержанием акрилонитрила в диапазоне от 25 до 65%.
- Графеновые частицы можно диспергировать гомогенно и/или аморфно во фторэластомерном базовом полимере с вязкостью по Муни при 100°С от 20 до 150 единиц по Муни.
- Графеновые частицы можно диспергировать гомогенно и/или аморфно в XHNBR, характеризующимся фтор- или перфтор-разветвлением полимера при содержании в диапазоне от 15 до 80%.
[0035] Ниже в таблице 2 перечислены типичные варианты реализации нефункциональных и функциональных групп, которые включают реакционноспособную группу или группы, обычно применяемые в химии каучука и резины, и требуют небольшую специальную обработку или вообще не требуют обработки для взаимодействия в сшитой сетке наполнитель-полимер согласно одному из вариантов реализации компаунда усиленного графеном эластомерного статора.
Таблица 2 - Варианты реализации групп, взаимодействующих в компаунде усиленного графеном эластомерного статора
- Графеновые частицы, не содержащие функциональных групп, но имеющие дисперсию, которую можно улучшить с помощью ионных, органических солевых добавок или добавок в виде ковалентных соединений, «пропитывающих» химию углеродной поверхности по существу без воздействия на силы сдвига полимера к полимеру, необходимые для физического пластифицирования материалов углеродных наполнителей в полимерной матрице в процессе смешивания (например, высокомолекулярные (более 8 углеродных атомов) жирные кислоты).
- -Функциональные группы графена могут представлять собой фенольные кольцевые структуры, атомы серы или серосодержащие цепи, органические пероксидные группы, формальдегидные функциональные группы, изоцианаты, изоцианураты, тетраметилметиламин (ТМТМ), гексаметилметиламин («гекса,» НМТ), гексаметиленметиламин («гекса,» НММ) и/или группы жирных кислот.
- Компаунд с графеновыми частицами, функционализированными пероксидом/кислородом, напрямую сшитыми с одним или более из разнообразных перечисленных выше полимеров.
- Компаунд с графеновыми частицами, функционализированными пероксидом/кислородом, опосредованно сшитыми с одним или более из разнообразных перечисленных выше полимеров и/или другими графеновыми частицами путем применения соагентов для образования мостиков поперечных связей, индуцированных пероксидом. Соагенты могут включать малеинизированный полибутадиен, метакрилатные органические соли металлов, трехфункциональные эфиры акриловой кислоты, мономеры соагента, не содержащие нитрозо-группы, 1,3-бутил енглико ль диметакрилат, триметилолпропан триакрилат, этоксилированный триметилолпропан триакрилат.
- Компаунд с графеновыми частицами, функционализированными пероксидом/кислородом, напрямую и опосредованно сшитыми с перечисленными выше разнообразными полимерными и/или другими графеновыми частицами путем применения сшиваемого реакционноспособного эфирсодержащего пластификатора для уменьшения вязкости указанного компаунда в неотвержденном состоянии, минимизации выщелачивания при повышенных температурах и различных свойствах жидкостей при одновременном повышении динамических характеристик за счет химического связывания графеновых частиц с полимерной матрицей посредством реакций вулканизации.
- Компаунд, в котором используют пероксидный совместимый соагент для сшивания функционализированных пероксидом/кислородом графеновых частиц с полимерами и реакционноспособными сложными эфирами в качестве сшиваемых пластификаторов.
- Компаунд, в котором используют в качестве соагентов триаллилцианураты, триаллилизоцианурат и/или мономеры полиолов для химического сшивания графеновых частиц, функционализированных изоциануратом, уретаном и/или циануратом, самих с собой и с цепями серосодержащих и/или пероксидсодержащих отвержденных базовых эластомерных полимеров.
- Компаунд, в котором используют графеновые частицы, функционализированные изоциануратом, уретаном и/или циануратом, сшитые со способными к вальцеванию уретановыми добавками в эластомерном составе с базовым полимером из приведенного выше перечня.
- Компаунд, в котором используют графеновые частицы, функционализированные фенолом, пероксидом, кислородом, или их комбинацию, сшитые с фенольными смолами с помощью этоксилированного бисфенол А диакрилата в качестве соагента в эластомерном составе с базовым полимером из приведенного выше перечня.
- Компаунд, в котором используют фенольные функционализированные графеновые частицы, сшитые с базовым полимером с помощью этоксилированного бисфенол А диакрилата при реакции формальдегида с гексаметилентетрамином или гексаметиленметиламином в качестве активатора-донора метилена в реакции вулканизации.
[0036] Изготовление усиленного графеном эластомерного статора можно начать с диспергирования графеновых частиц или листов в неотвержденной резиновой смеси. Согласно одному из вариантов реализации изобретения перед диспергированием графен компонуют с графеновыми частицами или листами оптимального размера для данного состава. Выбор размера графеновых частиц можно оптимизировать с учетом последующих стадий процесса, которые могут дополнительно привести к распаду или разрушению некоторых из графеновых частиц. Альтернативно, более экономически эффективной может быть оптимизация сопротивления раздиру группы компаундов с одинаковой концентрацией графена и переменным размером частиц графена. Поверхности разрушения при химическом травлении усиленных графеном эластомеров можно изучать под электронным микроскопом для определения размеров частиц, плотности частиц и уровня достигаемой оптимизации. Кроме того, согласно одному из вариантов реализации изобретения графен можно функционализировать перед диспергированием для повышения плотности сшивания продукта, который собираются превратить в усиленный графеном эластомерный статор.
[0037] Согласно одному из вариантов реализации изобретения для облегчения введения графена и полимерной дисперсии графена в полимерную матрицу можно использовать полуусиливающую и значительно усиливающую сажу.
[0038] На фиг. 5 показаны связанные графеновая частица 210 и полимер 200. Аналогично фиг. 4, демонстрирующий рассмотренный выше известный уровень техники, графеновая частица 210 в основном связана с водородными атомами 240 полимера 200 силами Ван-дер-Ваальса 250. Склонность графеновых частиц к поддержанию их формы в геометрической плоскости позволяет обеспечить даже более прочные силы Ван-дер-Ваальса, что, тем самым, придает дополнительную конструкционную жесткость эластомерному статору просто за счет добавления графеновых частиц и не приводит к чрезмерному повреждению частиц в процессе производства.
[0039] На фиг. 6 показан вариант реализации компаунда 300 усиленного графеном эластомерного статора. Согласно такому варианту реализации изобретения графеновые частицы 310 функционализируют с помощью пероксида/кислородных атомов 360 и сшивают с полимером 320. Плотность сшивания указанной частицы увеличена по сравнению со стандартными компаундами эластомерных статоров, что, тем самым обеспечивает эластомерному статору, состоящему из указанного компаунда, конструкционную жесткость и свойства термической диссипации. На фиг. 7а-7с показано, как формируются пероксидные поперечные связи, при этом на фиг. 7с показан один из вариантов реализации компаунда усиленного эластомерного статора. На фиг. 8 приведен альтернативный пример компаунда функционализированного пероксидом/кислородом графена, иллюстрирующий как можно сформировать пероксидные поперечные связи между графеновыми частицами и между графеновыми частицами и полимером. Компаунды, полученные при реализации такого варианта, могут иметь улучшенные модуль и/или гистерезисную динамическую реакцию в более широком диапазоне частот деформации и рабочих температур, чем обычные эластомерные статоры. Компаунды с высокой степенью сшивания, полученные в результате реализации указанного варианта изобретения, могут иметь более низкий коэффициент термического расширения, что потенциально позволит статору сохранять оптимизированную посадку ротора в статор по всему более широкому диапазону рабочих температур (тогда как 50 градусов по Фаренгейту является (примерно 10°С) представляет собой обычный диапазон температур при посадке в эластомере обычного статора).
[0040] На фиг. 9 показан компаунд усиленного графеном эластомерного статора 400 согласно одному из вариантов реализации изобретения, содержащий фенольные функционализированные графеновые частицы 410. Фенол 470 может образовывать связи с графеновыми частицами и подвергаться сшиванию с гексаметилметиламином или альтернативно гексаметилтетарамином («гекса» или «НМТ») 480. На фиг. 10 приведен вариант реализации компаунда эластомерного статора, показанный на фиг.9, смешанного с полимерными молекулами 420 резины. На фиг. 11 проиллюстрирован альтернативный вариант реализации компаундов эластомерного статора, показанных на фиг. 9-10, при добавлении индуцированных пероксидом поперечных связей 460, что, тем самым, обеспечиваем дополнительное увеличение плотности сшивания всего компаунда. Применение фенольных смол обычно увеличивает твердость в отвержденном состоянии и понижает модуль деформации компаунда при одновременно уменьшении вязкости в неотвержденном состоянии (существует много промышленных примеров). Комбинирование термореактивных фенольных смол с упрочненным графеном эластомером может привести к понижению вязкости компаунда в неотвержденном состоянии в диапазоне, который позволит облегчить производство без ухудшения свойств отвержденного состояния, как это делают традиционные пластификаторы.
[0041] На фиг. 12 показан компаунд 500 усиленного графеном эластомерного статора согласно одному из вариантов реализации изобретения, содержащий частицы 510 эластомерного статора, полимерные молекулы 520, индуцированные пероксидом поперечные связи 560, трехфункционализированные метакрилаты 560. Трехфункциональные метакрилаты действуют в качестве тройного мостика между полимером и функционализированными графеновыми частицами. Вследствие этого эффективность пероксидов увеличивается, что позволяет получить сшитые субструктуры полимер-полимер-графен и/или сшитые субструктуры графен-графен-полимер. Согласно такому варианту реализации изобретения сера может замедлять реакцию пероксидного отверждения при относительно низких температурах отверждения, что будет облегчать обработку статоров за счет поддержания компаунда в неотвержденном состоянии до тех пор, пока пресс-форм статора не будет полностью заполнена. Сера также может увеличивать плотность сшивания полимера с полимером, когда пероксидные реакции имеют более высокое сродство к взаимодействию с графеновыми частицами. Суммарный результат состоит в увеличении модуля за счет потенциально более высокого сопротивления раздиру, так как субструктуры компаунда будут разрушать естественные границы разрыва между полимерами и поверхностями раздела полимера с графеном. На фиг. 13 показан пример нитрилбутадиена 603, имеющего серосодержащие поперечные связи 604. На фиг. 13(a)-(d) показан поэтапный процесс серной вулканизации полимеров. На фиг. 13(d) показан в более крупном масштабе конечный результат серной вулканизации согласно указанному примеру. На фиг. 14 показан типичный вариант реализации компаунда усиленного графеном эластомерного статора, содержащий поперечные связи 610 полимера с функционализированным серой графеном. Показаны поперечные связи 620 полимера с полимером, обеспечивающие вулканизацию полимера NBR 630 или альтернативно HNBR (не показано). На фиг. 15 показан 612 вариант реализации сшивания функционализированного пероксидом/кислородом графена с трехфункциональным соагентом с помощью органического пероксида. Для повышения плотности сшивания компаунда можно использовать триметилолпропан триметакрилат 614 или подобные трехфункционализированные соагенты. Показана 616 этиленовая группа соагента, сшитого с полимером путем пероксидной вулканизации, хотя можно использовать и другие трехфункциональные соагенты.
[0042] Частично по причине повышенной теплостойкости, более быстрой термической диссипации и повышенной конструкционной жесткости усиленный графеном эластомерный статор обеспечивает более продолжительное время работы между поломками в скважине, чем предыдущие конструкции. Более конкретно и в дополнении, усиленный графеном статор может иметь исключительные модуль упругости при растяжении в отвержденном состоянии, сопротивление раздиру, модуль сдвига, модуль упругости при сжатии, эластичную динамическую устойчивость, устойчивость при высокой температуре к разрыву полимерных цепей, сопротивление к поверхностному истиранию под действием твердой фазы бурового раствора и/или металлического покрытия ротора и сопротивление набуханию под действием жидкостей. Каждое из перечисленных свойств может иметь синергетические эффекты, которые обеспечат гораздо лучшие показатели работы в скважине и продолжительный срок службы по сравнению с предыдущими конструкциями, применяемыми в данной отрасли промышленности.
[0043] Несмотря на то, что идеи, предложенные в настоящем документе, были описаны применительно к предпочтительной форме их практической реализации и их модификациям, обычные специалисты в данной области техники поймут, что можно сделать также много других модификаций. Соответственно, подразумевают, что объем указанных идей не ограничен каким-либо образом приведенным выше описанием.
1. Винтовая силовая секция для гидравлических забойных двигателей, содержащая:
ротор и
статор, содержащий металлический наружный трубчатый элемент и усиленную графеном эластомерную внутреннюю обшивку статора, внутренняя обшивка содержит:
графеновые частицы, диспергированные в резине,
где резина представляет собой NBR, HNBR, XNBR, XHNBR или фторэластомерный базовый полимер, и частицы графена имеют толщину от двух до тридцати углеродных графеновых слоев.
2. Винтовая силовая секция по п. 1, в которой
графеновые частицы включают нефункционализированные графеновые частицы, толщина листа которых равна толщине от двух до тридцати углеродных графеновых слоев.
3. Винтовая силовая секция по п. 1, в которой
графеновые частицы включают функционализированные графеновые частицы, толщина листа которых равна толщине от двух до тридцати углеродных графеновых слоев.
4. Винтовая силовая секция по п. 3, в которой графеновые частицы включают один или более графеновых листов, содержащих функциональную группу, ковалентно связанную с одним или более углеродных атомов в каждом графеновом листе.
5. Винтовая силовая секция по п. 1, в которой
графеновые частицы включают функционализированные графеновые частицы, имеющие sp3-гибридизацию или sp2-гибридизацию одинарной связи с напряженными углеродными связями, вследствие чего имеет место деформирование углеродных графеновых листов.
6. Винтовая силовая секция по п. 1, в которой
внутренняя обшивка включает графеновые частицы, гомогенно диспергированные в NBR, NBR имеет вязкость по Муни при 100°С от 20 до 75 единиц по Муни.
7. Винтовая силовая секция по п. 1, в которой
внутренняя обшивка включает графеновые частицы, гомогенно диспергированные в NBR, NBR имеет содержание акрилонитрила в диапазоне от 25 до 65%.
8. Винтовая силовая секция по п. 1, в которой
внутренняя обшивка включает графеновые частицы, гомогенно диспергированные в HNBR, HNBR имеет вязкость по Муни при 100°С от 20 до 75 единиц по Муни.
9. Винтовая силовая секция по п. 1, в которой
внутренняя обшивка включает графеновые частицы, гомогенно диспергированные в HNBR, HNBR имеет содержание акрилонитрила в диапазоне от 25 до 65%.
10. Винтовая силовая секция по п. 1, в которой
внутренняя обшивка включает графеновые частицы, гомогенно диспергированные в XNBR, XNBR имеет вязкость по Муни при 100°С от 20 до 75 единиц по Муни.
11. Винтовая силовая секция по п. 1, в которой
внутренняя обшивка включает графеновые частицы, гомогенно диспергированные в XNBR, XNBR содержит акрилонитрил в диапазоне от 25 до 65%.
12. Винтовая силовая секция по п. 1, в которой
внутренняя обшивка включает графеновые частицы, гомогенно диспергированные в XHNBR, XHNBR имеет вязкость по Муни при 100°С от 20 до 75 единиц по Муни.
13. Винтовая силовая секция по п. 1, в которой
внутренняя обшивка включает графеновые частицы, гомогенно диспергированные в XHNBR, XHNBR содержит акрилонитрила в диапазоне от 25 до 65%.
14. Винтовая силовая секция по п. 1, в которой
внутренняя обшивка включает графеновые частицы, гомогенно диспергированные во фторэластомерном базовом полимере, фторэластомерный базовый полимер имеет вязкость по Муни при 100°С от 20 до 100 единиц по Муни.
15. Винтовая силовая секция по п. 1, в которой
внутренняя обшивка включает графеновые частицы, гомогенно диспергированные в XHNBR, XHNBR карбоксильно функционализирован и содержит акрилонитрил в диапазоне от 25-65%.
16. Винтовая силовая секция по п. 1, в которой
внутренняя обшивка включает графеновые частицы, графеновые частицы включают функционализированные пероксидом/кислородом графеновые частицы, опосредованно сшитые посредством поперечных связей, индуцированных пероксидом, с полимерами и графеновыми частицами, которые функционализированы пероксидом/кислородом.
