DE112013007367T5 - Zweikomponentendichtungen mit ausgerichteten länglichen Kohlenstoffnanopartikeln - Google Patents

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Abstract

Einige hier beschriebenen Ausführungsformen stellen eine Zweikomponentendichtung bereit, die eine Außenhülle, die ein Nanoverbundmaterial umfasst, das ausgerichtete längliche Kohlenstoffnanopartikel umfasst, die in einem ersten Polymer eingebettet sind, und einen Innenkern umfasst, der ein zweites Polymer umfasst. In einigen Ausführungsformen können die länglichen Kohlenstoffnanopartikel ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus Graphennanobändern; Kohlenstoffnanoröhren; Kohlenstoffnanohörnern; und einer beliebigen Kombination davon.

Description

  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • Die Verfahren der Ausführungsformen betreffen Zweikomponentendichtungen, die längliche Kohlenstoffnanopartikel umfassen, Verfahren für ihre Herstellung und Verfahren für ihre Verwendung in Ausrüstung, die Dreh-, Reibungs-, Druck-, Dreh- oder anderen Kräften standhält, die Abnutzung an der Ausrüstung verursachen.
  • Komponenten von Ausrüstung, die in verschiedenen Industrien benutzt wird, etwa Öl und Gas, Bergbau, Chemie, Pulpe und Papier, Konvertierung, Luft- und Raumfahrt, Medizin, Automobil, unterliegen verschiedenen Arten von mechanischer Abnutzung, was zu der physischen Abtragung eines Materials von einer festen Oberfläche durch eine andere feste Oberfläche oder ein anderes Material führt. In der Regel wird diese mechanische Abnutzung durch zwei feste Oberflächen, etwa Metalloberflächen, die sich häufig aneinander bewegen, durch harte Materialien, die sich an einer festen Oberfläche bewegen und Aushöhlung, Abplatzung oder Rissbildung durch Partikel in einem Fluidstrom verursachen, der auf eine feste Oberfläche trifft und Erodierung eines Teils der festen Oberfläche verursacht, oder durch wiederholte Bewegung einer festen Oberfläche bewirkt, die zu Druckbelastungen und Rissen unter der Oberfläche der festen Oberfläche führt, die sich anschließend ausbreiten können.
  • Mechanische Abnutzung ist besonders bei Betriebsvorgängen in unterirdischen Formationen Grund zur Besorgnis, etwa bei Bohrvorgängen, wobei ein Bohrwerkzeug mit einem Bohrmeißel (z. B. ein Rollenmeißel oder ein fest angebrachter Bohrmeißel) in ein Bohrloch abgesenkt wird, um durch Fels zu schneiden. Allgemein wird das Bohrwerkzeug betrieben, bis die Bohrkronen am Bohrmeißel stark abgenutzt sind. Anschließend muss die gesamte Bohrwerkzeugbaugruppe entfernt und der Bohrmeißel ersetzt werden. Ein solches Entfernen der Bohrwerkzeugbaugruppe ist wirtschaftlich belastend und führt zu unproduktiver Zeit. Darüber hinaus verursacht die Notwendigkeit eines häufigen Wechsels des Bohrmeißels erhöhte Ausrüstungskosten.
  • Die Betriebslebensdauer eines Bohrmeißels wurde üblicherweise durch Schmieren der Lager und anderer Teile des Meißels verlängert, die Metall-an-Metall-Kräften unterliegen, welche zu mechanischer Abnutzung führen. Die Betriebslebensdauer eines Bohrmeißels kann weiter verlängert werden, indem Dichtungskomponenten zwischen Komponenten mit festen Oberflächen einbezogen werden, bei denen es sich in der Regel um Metalloberflächen handelt, oder zwischen Komponenten, die auf einen partikelförmigen Fluidstrom treffen können, um das Eindringen von Schleifpartikeln (z. B. Bohrklein, Formationspartikel, Partikel im Bohrfluid und dergleichen) oder korrosiven Materialien in Spalten zwischen Komponenten des Bohrmeißels zu verhindern. Ein Verlust des Schmiermittels oder der Dichtungskomponente kann zu einer wesentlichen Verkürzung der Lebensdauer eines Bohrmeißels führen. Darüber hinaus kann der Aufwand zum Ersetzen von Schmiermittel und/oder der Dichtungskomponenten sowohl wirtschaftlich als auch zeitlich relativ hoch sein.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die folgenden Figuren sollen bestimmte Aspekte der hier beschriebenen Ausführungsformen veranschaulichen und sind nicht als ausschließliche Ausführungsformen zu betrachten. Der offenbarte Gegenstand kann beträchtlichen Modifikationen, Abänderungen und Äquivalenten in Form und Funktion unterliegen, die für Fachleute mit dem Vorteil dieser Offenbarung auf der Hand liegen werden.
  • 1 stellt eine Darstellung eines Rollenmeißels bereit.
  • 2 stellt eine Darstellung einer Bohrplattform zum Bohren eines Bohrlochs in eine unterirdische Formation bereit.
  • 3 stellt eine Querschnittdarstellung eines Teils eines Rollenmeißels bereit, der eine Zweikomponentendichtung gemäß wenigstens einer hier beschriebenen Ausführungsform umfasst.
  • 4a stellt eine Querschnittdarstellung einer hier beschriebenen Zweikomponentendichtung bereit.
  • 4b stellt eine Ansicht von funktionalisierten ausgerichteten länglichen Kohlenstoffnanopartikeln in einem Nanoverbundmaterial gemäß einigen hier beschriebenen Ausführungsformen bereit.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Die Verfahren der hier beschriebenen Ausführungsformen betreffen Zweikomponentendichtungen, die längliche Kohlenstoffnanopartikel umfassen, Verfahren für ihre Herstellung und Verfahren für ihre Verwendung in Ausrüstung, die Dreh-, Reibungs-, Druck-, Dreh- oder anderen Kräften standhält, die Abnutzung an der Ausrüstung verursachen.
  • Obwohl sich die hier offenbarten Ausführungsformen hauptsächlich mit Zweikomponentendichtungen befassen, die längliche Kohlenstoffnanopartikel zur Verwendung in Bohrmeißeln umfassen, die bei Bohrvorgängen in unterirdischen Formationen verwendet werden, können die Zweikomponentendichtungen in beliebiger Ausrüstung, die Komponenten aufweist, welche mechanischer Abnutzung unterliegen, wirksam verwendet werden. Diese Ausrüstung kann in jeder beliebigen Industrie verwendet werden, darunter, ohne darauf beschränkt zu sein, Öl und Gas, Bergbau, Chemie, Pulpe und Papier, Konvertierung, Luft- und Raumfahrt, Medizin, Automobil und dergleichen. Die Zweikomponentendichtungen der hier offenbarten Ausführungsformen können an jede beliebige Form oder Größe anpassbar sein, die zur Verwendung in einem bestimmten Ausrüstungstyp notwendig ist, und sind nicht auf eine bestimmte hier beschriebene Form oder Größe beschränkt. Beispielsweise können die Zweikomponentendichtungen der hier beschriebenen Ausführungsformen runde Dichtungen (z. B. O-Ring), Dichtungen mit hohem Seitenverhältnis, Radialdichtungen, Axialdichtungen, D-förmige Dichtungen, flach geformte Dichtungen, gelippt geformte Dichtungen, mittels Drehbank zugeschnittene Dichtungen oder eine beliebige andere Dichtungsform sein, die von erhöhter Gleitfähigkeit profitieren kann. Somit können der Innenkern oder Außenkern diese Formen annehmen, und die hier offenbarten Ausführungsformen sind hinsichtlich keiner dieser Formen einschränkend. Die Zweikomponentendichtungen der Ausführungsformen dieser Offenbarung können für statische Dichtung oder dynamische Dichtung verwendet werden.
  • Ein wichtiger Bohrmeißeltyp, der beim Bohren von Bohrlöchern benutzt wird, ist der Rollenmeißel, der in 1 als 100 dargestellt ist. Bei einem Rollenmeißel weisen rotierende Kegel 102 Einsätze 104 an ihrer Außenfläche auf, und ist an einem Arm 106 des Bohrmeißelkörpers angebracht. Während des Bohrens, wie in 2 dargestellt, verwendet eine Bohranlage 208 Abschnitte von Rohr 210, um Drehkraft auf den Bohrmeißel 200 zu übertragen, und eine Pumpe 212, um Bohrfluid (wie durch Flusspfeile A dargestellt) durch die Abschnitte des Rohrs 210 zum Boden des Bohrlochs zu zirkulieren. Während sich der Bohrmeißel dreht, zwingt die auf den Bohrmeißel aufgebrachte Belastung (weight-on-bit, „WOB“) die nach unten weisenden Einsätze der rotierenden Kegel in die gebohrte Formation. Die Spitzen der Einsätze üben somit eine Druckbelastung aus, die die Formänderungsfestigkeit der Formation übersteigt, was zur Bildung eines Bohrlochs führt. Die resultierenden Fragmente (die auch als „Bohrklein“ bezeichnet werden) werden durch einen starken Strom von Bohrfluid (das auch als „Schlamm“ bezeichnet wird) von der Schneidfläche fort gespült.
  • Bezug nehmend auf 3, eine Querschnittdarstellung eines Teils eines Rollenmeißels, ist eine Drehverbindung 302 durch zwei Elemente definiert: ein erstes Element 304, das als ein Rollenkegel dargestellt ist, und ein zweites Element 308, das als ein Trägerarm mit Spindel dargestellt ist. Die Zweikomponentendichtung gemäß wenigstens einer hier beschriebenen Ausführungsform ist als 318 dargestellt und ist dazu konfiguriert, einen Teil der Drehverbindung 302 abzudichten und dadurch ein abgedichtetes Segment 312 und ein unabgedichtetes Segment 314 zu definieren. Die Zweikomponentendichtung 308 verleiht der Drehverbindung 302 Gleitfähigkeit und verhindert das Eindringen von Partikeln in das abgedichtete Segment 312.
  • In einigen Ausführungsformen umfassen die Zweikomponentendichtungen der hier offenbarten Ausführungsformen eine Außenhülle und einen Innenkern, wobei die Außenhülle ausgerichtete längliche Kohlenstoffnanopartikel umfasst und wobei der Innenkern ein Polymer umfasst. In anderen Ausführungsformen umfasst die Außenhülle ein Nanoverbundmaterial, das ausgerichtete längliche Kohlenstoffnanopartikel umfasst, die in ein Polymer eingebettet sind. In weiteren Ausführungsformen kann der Innenkern der Zweikomponentendichtungen der hier beschriebenen Ausführungsformen ein Nanoverbundmaterial umfassen, das längliche Kohlenstoffnanopartikel umfasst, die darin entweder ausgerichtet oder zufällig eingebettet sind. Im hier verwendeten Sinne bezeichnet der Begriff „ausgerichtet“ die Orientierung der länglichen Kohlenstoffnanopartikel in derselben Richtungsebene (z. B. in der axialen Richtung oder der radialen Richtung). Eine solche Ausrichtung kann starke Auswirkungen auf die Dichtungseffizienz, Gleitfähigkeit und Langlebigkeit der Zweikomponentendichtung aufweisen und starke Auswirkungen auf die Fähigkeit der länglichen Kohlenstoffnanopartikel, der Zweikomponentendichtung Gleitfähigkeit zu verleihen, und die Langlebigkeit der länglichen Kohlenstoffnanopartikel selbst aufweisen.
  • Längliche Kohlenstoffnanopartikel können mehrere Formen annehmen, wie beispielsweise Graphennanobänder; Kohlenstoffnanoröhren; und Kohlenstoffnanohörner. Graphennanobänder („GNRs“) sind lange Streifen aus Graphen, die aus längs geschlitzten Kohlenstoffnanoröhren gebildet sind, die zwischen etwa 5 nm und etwa 50 nm breit und zwischen etwa 100 nm und etwa 2 µm lang sein können. In anderen Ausführungsformen können GNRs zwischen etwa 5 nm und etwa 30 nm breit und zwischen etwa 500 nm und etwa 1 µm lang sein. In weiteren Ausführungsformen können GNRs zwischen etwa 5 nm und etwa 30 nm breit und zwischen etwa 100 nm und etwa 500 nm lang sein. Bei den hier offenbarten Breiten- und Längenbereichen der Graphennanobänder kann es sich um eine beliebige Größe außerhalb dieser Bereiche handeln, basierend auf bestimmten Faktoren, die Durchschnittsfachleuten bekannt sind und zu denen, ohne darauf beschränkt zu sein, die Größe und Form der Zweikomponentendichtung, das Syntheseverfahren des Graphennanobands, das Maß der gewünschten Gleitfähigkeit und dergleichen gehören. Im hier verwendeten Sinne schließt der Begriff „Graphennanobänder“ und „Graphen“ weniglagige Graphennanobänder ein. Kohlenstoffnanoröhren sind Allotrope aus Kohlenstoff mit einer zylindrischen Struktur. Zur Verwendung in den hier beschriebenen Ausführungsformen können diese Kohlenstoffnanoröhren einwandige Kohlenstoffnanoröhren („EWNR“) oder mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren („MWNR“) (z. B. mit 2 bis 50 oder mehr Wänden als EWNR) sein. Kohlenstoffnanohörner („KNH“) sind Allotrope von Kohlenstoff und sind, ähnlich wie Kohlenstoffnanoröhren, längliche, vor allem zylindrische Strukturen mit verjüngten oder hornartigen Enden. In einigen Ausführungsformen können die länglichen Kohlenstoffnanopartikel in dem Nanoverbundmaterial der hier beschriebenen Ausführungsformen in einer Menge im Bereich von etwa 1 % bis etwa 80 % des Polymerwirts vorhanden sein. In anderen Ausführungsformen können die länglichen Kohlenstoffnanopartikel in dem Nanoverbundmaterial der hier beschriebenen Ausführungsformen in einer Menge im Bereich von etwa 15 % bis etwa 50 % des Polymerwirts vorhanden sein.
  • Längliche Kohlenstoffnanopartikel können den Zweikomponentendichtungen der hier beschriebenen Ausführungsformen Gleitfähigkeit verleihen, da sie den Reibungskoeffizienten vieler Metalle drastisch reduzieren und dadurch mechanische Abnutzung reduzieren können. Der reduzierte Reibungskoeffizient kann auf die geringen Schereigenschaften der länglichen Kohlenstoffnanopartikel zurückzuführen sein. Außerdem können die länglichen Kohlenstoffnanopartikel Metalloxidation (z. B. Korrosion) verhindern oder reduzieren, wenn sie an Gleitkontaktflächen vorhanden sind. Aufgrund der Zugfestigkeit der länglichen Kohlenstoffnanopartikel kann ihre Einbeziehung in die hier beschriebenen Zweikomponentendichtungen weiter dazu beitragen, die mechanische Abnutzung an Ausrüstungskomponenten in Kontakt mit den Zweikomponentendichtungen hinauszuzögern, und dazu beitragen, die Abnutzung der Zweikomponentendichtung selbst hinauszuzögern. Die Attribute der länglichen Kohlenstoffnanopartikel können auch dazu beitragen, das Eindringen von schleifenden und korrosiven Partikeln in unerwünschte Ausrüstungsteile zu verhindern und für eine länger anhaltende Dichtungskapazität zu sorgen. Die Attribute der länglichen Kohlenstoffnanopartikel können darüber hinaus die elastische Eigenschaft der Zweikomponentendichtungen, die hier in einigen Ausführungsformen beschrieben werden, verbessern und ihre Lebensdauer in Umgebungen mit erhöhter Temperatur besser bewahren, eine Verbesserung, die sowohl die Dichtleistung erhöht als auch die Lebensdauer der Zweikomponentendichtung verlängert. Darüber hinaus kann die Ausrichtung der länglichen Kohlenstoffnanopartikel weiter dazu beitragen, der Außenhülle der Zweikomponentendichtung Gleitfähigkeit zu verleihen, da sie es den mechanischen Komponenten eines Ausrüstungsgegenstands gestattet, auf eine größere Fläche der länglichen Kohlenstoffnanopartikel zu treffen, als dies der Fall wäre, wenn die Nanopartikel nicht ausgerichtet wären. Die Zweikomponentendichtungen der hier beschriebenen Ausführungsformen sind besonders für die dynamische Dichtung vorteilhaft.
  • Die länglichen Kohlenstoffnanopartikel zur Verwendung in der Außenhülle und wahlweise im Innenkern der Zweikomponentendichtungen der hier beschriebenen Ausführungsformen, entweder allein oder in einem Nanoverbundstoff, können durch ein beliebiges im Stand der Technik bekanntes Mittel synthetisiert (oder „aufgewachsen“) werden. Längliche Kohlenstoffnanopartikel können durch Verfahren synthetisiert werden, zu denen, ohne darauf beschränkt zu sein, epitaxiale Aufwachssubstrate (z. B. Ruthenium, Iridium, Nickel, Kupfer, Kobalt, Chrom, Edelstahl, Siliziumkarbid, Titandioxid, Tonerde, Kieselerde, Saphir und dergleichen); chemische Gasphasenabscheidung; Laserabtragung; Bogenentladung; Plasmatron; Längsschlitzen von Nanoröhren; und dergleichen.
  • Die Zweikomponentendichtungen können einen Innenkern aufweisen, der ein Polymer umfasst. Das Polymer kann der Zweikomponentendichtung Struktur und Steifigkeit verleihen. Darüber hinaus kann das Polymer derart ausgewählt sein, dass es Stabilität bei hohen Temperaturen beibehält, etwa solchen, wie sie in einer unterirdischen Formation angetroffen werden (z. B. beim Bohren eines Bohrlochs). In einigen Ausführungsformen kann der Innenkern der Zweikomponentendichtungen ein Nanoverbundmaterial sein, das die hier beschriebenen Polymere umfasst, in die die hier beschriebenen länglichen Kohlenstoffnanopartikel entweder ausgerichtet oder zufällig einbettet sind. Das Zusetzen der länglichen Nanopartikel kann dem Innenkern der Zweikomponentendichtungen weitere Steifigkeit und/oder Wärmebeständigkeit verleihen. Aus diesem Grund kann es bevorzugt sein, dass sich das Polymer, die länglichem Kohlenstoffnanopartikel und/oder die Orientierung der länglichen Kohlenstoffnanopartikel (z. B. ausgerichtet oder zufällig einbettet) des Nanoverbundmaterials des Innenkerns von dem Nanoverbundmaterial der Außenhülle unterscheidet, um eine Zweikomponentendichtung mit einem strukturell steiferen und/oder wärmebeständigeren Innenkern als die Außenhülle zu bilden. Ein Durchschnittsfachmann mit dem Vorteil dieser Offenbarung wird erkennen, ob der Polymertyp, der Typ der länglichen Kohlenstoffnanopartikel, die Orientierung der länglichen Kohlenstoffnanopartikel oder eine beliebige Kombination davon des Nanoverbundmaterials des Innenkerns oder der Außenhülle geändert werden muss, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen.
  • In einigen Ausführungsformen kann das Polymer im Innenkern ein Elastomer sein. Zu geeigneten Elastomeren können, ohne darauf beschränkt zu sein, Acrylnitril-Butadien; carboxyliertes Acrylnitril-Butadien; hydriertes Acrylnitril-Butadien; carboxyliertes hydriertes Acrylnitril-Butadien; carboxyliertes Nitril; hydriertes Nitrilbutadien; Isobutylen-Isopren; Polyisobutylen; Poly(2-chlorbuta-1,3-dien); Ethylenacrylat; Ethylen-Propylen; Ethylen-Propylendien; Fluorkohlenstoff; Polysiloxan; fluoriertes Polysiloxan; Perfluorelastomer; Polyacrylat; Polyesterurethan; Polyetherurethan; Styrol-Butadien; Tetrafluorethylen-Propylen; ein beliebiges Derivat davon; und eine beliebige Kombination davon gehören. Der Begriff „Derivat“ ist hier als eine beliebige Verbindung definiert, die aus einer der aufgeführten Verbindungen hergestellt ist, indem beispielsweise ein Atom in einer der aufgeführten Verbindungen mit einem anderen Atom oder einer Atomgruppe ersetzt wird, eine der aufgeführten Verbindungen ionisiert wird oder ein Salz aus einer der aufgeführten Verbindungen erzeugt wird.
  • In einigen Ausführungsformen kann das Polymer im Nanoverbundmaterial der Außenhülle ein Elastomer sein. Zu geeigneten Elastomeren können, ohne darauf beschränkt zu sein, Acrylnitril-Butadien; carboxyliertes Acrylnitril-Butadien; hydriertes Acrylnitril-Butadien; carboxyliertes hydriertes Acrylnitril-Butadien; carboxyliertes Nitril; hydriertes Nitrilbutadien; Isobutylen-Isopren; Polyisobutylen; Poly(2-chlorbuta-1,3-dien); Ethylenacrylat; Ethylen-Propylen; Ethylen-Propylendien; Fluorkohlenstoff; Polysiloxan; fluoriertes Polysiloxan; Perfluorelastomer; Polyacrylat; Polyesterurethan; Polyetherurethan; Styrol-Butadien; Tetrafluorethylen-Propylen; ein beliebiges Derivat davon; und eine beliebige Kombination davon gehören. Der Begriff „Derivat“ ist hier als eine beliebige Verbindung definiert, die aus einer der aufgeführten Verbindungen hergestellt ist, indem beispielsweise ein Atom in einer der aufgeführten Verbindungen mit einem anderen Atom oder einer Atomgruppe ersetzt wird, eine der aufgeführten Verbindungen ionisiert wird oder ein Salz aus einer der aufgeführten Verbindungen erzeugt wird.
  • In denjenigen Ausführungsformen, in denen die Außenhülle der Zweikomponentendichtungen ein Nanoverbundmaterial umfasst, das in einem Polymer eingebettete ausgerichtete längliche Kohlenstoffnanopartikel umfasst, können die länglichen Kohlenstoffnanopartikel funktionalisiert sein, um das Einbetten der länglichen Kohlenstoffnanopartikel in das Polymer zu unterstützen. Das Nanoverbundmaterial, das in einigen Ausführungsformen der hier beschriebenen Ausführungsformen den Innenkern ausmacht, kann auch funktionalisierte längliche Kohlenstoffnanopartikel umfassen, um das Einbetten dieser in das Polymer entweder in ausgerichteter oder zufälliger Orientierung zu unterstützen. Die länglichen Kohlenstoffnanopartikel der hier beschriebenen Ausführungsformen können sauerstoffhaltige funktionelle Gruppen (z. B. -OH, -COOH und dergleichen) umfassen, die in vorteilhafter Weise als chemische Ansatzpunkte für die Funktionalisierung dienen können, um die Lösung der länglichen Nanopartikel in den Nanoverbundmaterialien der hier beschriebenen Ausführungsformen zu unterstützen. Funktionalisierung kann durch die Verwendung einer beliebigen Gruppierung erreicht werden, die das Bilden der Nanoverbundmaterialien zur Verwendung in den Zweikomponentendichtungen der hier beschriebenen Ausführungsformen unterstützt (einschließlich sowohl des Innenkerns als auch der Außenhülle), was das Aufnehmen der länglichen Kohlenstoffnanopartikel in den Polymerwirt erlaubt oder verbessert. In einigen Ausführungsformen können die länglichen Kohlenstoffnanopartikel mit beliebigen der Polymere funktionalisiert sein, die in den hier offenbarten Zweikomponentendichtungen verwendet werden. In einigen bevorzugten Ausführungsformen können die länglichen Kohlenstoffnanopartikel mit dem Polymer funktionalisiert sein, in das sie eingebettet werden sollen. In anderen bevorzugten Ausführungsformen können die länglichen Kohlenstoffnanopartikel mit einem Gegenstück des Polymers, in das sie eingebettet werden sollen, funktionalisiert sein, das ein reduziertes Molekulargewicht aufweist (z. B. ein Oligomer oder Derivat des Polymers). Im hier verwendeten Sinne bezeichnet der Begriff „Oligomer“ eine polymerisierte Verbindung, deren Backbone 2 bis 25 Monomere umfasst. Eine geeignete Funktionalisierung kann mit Polymeren oder Oligomeren von Acrylnitril-Butadien; carboxyliertem Acrylnitril-Butadien; hydriertem Acrylnitril-Butadien; carboxyliertem hydriertem Acrylnitril-Butadien; carboxyliertem Nitril; hydriertem Nitrilbutadien; Isobutylen-Isopren; Polyisobutylen; Poly(2-chlorbuta-1,3-dien); Ethylenacrylat; Ethylen-Propylen; Ethylen-Propylendien; Fluorkohlenstoff; Polysiloxan; fluoriertem Polysiloxan; Perfluorelastomer; Polyacrylat; Polyesterurethan; Polyetherurethan; Styrol-Butadien; Tetrafluorethylen-Propylen; einem beliebigen Derivat davon; einem beliebigen Oligomer davon; und einer beliebigen Kombination davon erreicht werden.
  • Die länglichen Kohlenstoffnanopartikel, die entweder allein oder in dem Nanoverbundmaterial (ausgerichtet oder zufällig eingebettet) die Außenhülle der Zweikomponentendichtung bilden, können der Dichtung Gleitfähigkeit verleihen. Die Ausrichtung der länglichen Kohlenstoffnanopartikel kann weiter dazu beitragen, der Außenhülle der Zweikomponentendichtung Gleitfähigkeit zu verleihen, da sie es den mechanischen Komponenten eines Ausrüstungsgegenstands gestattet, auf eine größere Fläche der länglichen Kohlenstoffnanopartikel zu treffen, als dies der Fall wäre, wenn die Nanopartikel nicht ausgerichtet wären. Bezug nehmend auf 4a zeigt diese einen Querschnitt einer Zweikomponentendichtung 402 gemäß einigen der hier offenbarten Ausführungsformen, die einen Innenkern 404 und eine Außenhülle 406 aufweist. Ein Teil der Außenhülle 408 ist im Detail in 4b gezeigt. Die länglichen Kohlenstoffnanopartikel 410 weisen chemische Ansatzpunkte 412 auf und sind mit Polymeren oder Oligomeren 414 funktionalisiert. Die Polymere oder Oligomere 414 verflechten sich mit dem Polymer in der Außenhülle derart, dass die länglichen Kohlenstoffnanopartikel darin eingebettet sind.
  • In einigen Ausführungsformen ist die Größe der Zweikomponentendichtung derart ausgelegt, dass die Querschnittansicht einen Innenkern ergibt, der etwa 90 % bis etwa 50 % der Querschnittlänge ausmacht, und eine Außenhülle macht etwa 10 % bis etwa 50 % der Querschnittlänge aus. Somit kann die Außenhülle auf beiden Seiten des Innenkerns zwischen etwa 5 % und etwa 25 % der Querschnittlänge der Zweikomponentendichtung bilden, da die Außenhülle den Innenkern umgibt. Die Größe des Innenkerns kann beispielsweise von der Notwendigkeit struktureller Steifigkeit und Stabilität in Wärme oder anderen Bedingungen der unterirdischen Formation abhängen. Die Größe der Außenhülle kann beispielsweise von der erhöhten Gleitfähigkeit und Dichtungskapazität der Zweikomponentendichtung und der Benutzungsdauer der unterirdischen Ausrüstung abhängen, in die sie integriert wird. Ein Durchschnittsfachmann mit dem Vorteil dieser Offenbarung wird erkennen, in welcher Größe der Innenkern und die Außenhülle der Zweikomponentendichtungen der hier beschriebenen Ausführungsformen innerhalb der hier beschriebenen Parameter zu Verwendung in einer bestimmten Anwendung herzustellen sind.
  • Die Zweikomponentendichtungen der hier beschriebenen Ausführungsformen können durch ein beliebiges im Stand der Technik bekanntes Verfahren zum Bilden von Dichtungskomponenten gebildet werden. Zu geeigneten Verfahren zum Herstellen der Zweikomponentendichtungen der hier beschriebenen Ausführungsformen gehören, ohne darauf beschränkt zu sein, Koextrudieren der Außenhülle und des Innenkerns; Aufschmelzen der Außenhülle auf den Innenkern; statische oder Rotationslagenabscheidung der Außenhülle auf den Innenkern; und eine beliebige Kombination davon. Das Koextrudieren der Außenhülle und des Innenkerns kann die Ausrichtung der länglichen Kohlenstoffnanopartikel, sofern zutreffend, verbessern. In bevorzugten Ausführungsform werden die Zweikomponentendichtungen durch Aufschmelzen oder statische oder Rotationslagenabscheidung der Außenhülle auf den Innenkern hergestellt, da diese Verfahren durchgeführt werden können, ohne das Vorhandensein einer Verschlussnaht in der Zweikomponentendichtung selbst zu verursachen, die die Festigkeit der Dichtung gegenüber mechanischer Abnutzung verringern kann. Das Aufschmelzen kann erreicht werden, indem zuerst der Innenkern gebildet und dann in die Außenhülle in geschmolzener Form getaucht oder in einer Form angeordnet wird, die das Außenhüllenmaterial in geschmolzener Form enthält, derart, dass das Außenkernmaterial in geschmolzener Form den Innenkern umgibt und dann aushärtet, um die Zweikomponentendichtung zu bilden. Der Schmelzzustand des Außenkerns kann die Ausrichtung der länglichen Kohlenstoffnanopartikel verbessern. Die statische Lagenabscheidung der Außenhülle kann erreicht werden, indem zuerst der Innenkern gebildet wird und dann die Außenhülle langsam auf den Innenkern schichtweise aufgebracht wird, ein Verfahren, das, sofern zutreffend, die Ausrichtung der länglichen Kohlenstoffnanopartikel verbessern kann. Die Rotationslagenabscheidung der Außenhülle kann erreicht werden, indem zuerst der Innenkern gebildet wird und dann die Außenhülle rotiert oder gedreht wird, derart, dass sie spiralartig auf den Innenkern abgeschieden wird, was, sofern zutreffend, die Ausrichtung der länglichen Kohlenstoffnanopartikel verbessern kann.
  • Offenbarte Ausführungsformen beinhalten:
    • A. Eine Zweikomponentendichtung, umfassend: eine Außenhülle, die ein Nanoverbundmaterial, das ausgerichtete längliche Kohlenstoffnanopartikel umfasst, die in einem ersten Polymer eingebettet sind, und einen Innenkern umfasst, der ein zweites Polymer umfasst.
    • B. Eine Zweikomponentendichtung, umfassend: eine Außenhülle, die ein Nanoverbundmaterial, das ausgerichtete längliche Kohlenstoffnanopartikel umfasst, die in einem ersten Polymer eingebettet sind; und einen Innenkern umfasst, der ein zweites Nanoverbundmaterial umfasst, das längliche Kohlenstoffnanopartikel umfasst, die in einem zweiten Polymer eingebettet sind.
    • C. Ein Bohrmeißel, umfassend: eine Drehverbindung; und eine Zweikomponentendichtung, die dazu konfiguriert ist, einen Teil der Drehverbindung abzudichten, wodurch ein abgedichtetes Segment und ein unabgedichtetes Segment der Drehverbindung definiert werden, wobei die Zweikomponentendichtung eine Außenhülle, die ein Nanoverbundmaterial umfasst, das ausgerichtete längliche Kohlenstoffnanopartikel umfasst, die in ein erstes Polymer eingebettet sind, und einen Innenkern umfasst, der ein zweites Polymer umfasst.
  • Jede der Ausführungsformen A, B und C kann eines oder mehrere der folgenden Elemente in beliebiger Kombination aufweisen:
  • Element 1: Wobei die länglichen Kohlenstoffnanopartikel ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Graphennanobändern; Kohlenstoffnanoröhren; Kohlenstoffnanohörnern; und einer beliebigen Kombination davon.
  • Element 2: Wobei das erste Polymer und das zweite Polymer Elastomere sind, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Acrylnitril-Butadien; carboxyliertem Acrylnitril-Butadien; hydriertem Acrylnitril-Butadien; carboxyliertem hydriertem Acrylnitril-Butadien; carboxyliertem Nitril; hydriertem Nitrilbutadien; Isobutylen-Isopren; Polyisobutylen; Poly(2-chlorbuta-1,3-dien); Ethylenacrylat; Ethylen-Propylen; Ethylen-Propylendien; Fluorkohlenstoff; Polysiloxan; fluoriertem Polysiloxan; Perfluorelastomer; Polyacrylat; Polyesterurethan; Polyetherurethan; Styrol-Butadien; Tetrafluorethylen-Propylen; einem beliebigen Derivat davon; und einer beliebigen Kombination davon.
  • Element 3: Wobei das erste Polymer und das zweite Polymer unterschiedliche Elastomere sind.
  • Element 4: Wobei die länglichen Kohlenstoffnanopartikel in der Zweikomponentendichtung mit Acrylnitril-Butadien; carboxyliertem Acrylnitril-Butadien; hydrogeniertem Acrylnitril-Butadien; carboxyliertem hydriertem Acrylnitril-Butadiene; carboxyliertem Nitril; hydriertem Nitrilbutadien; Isobutylen-Isopren; Polyisobutylen; Poly(2-chlorbuta-1,3-dien); Ethylenacrylat; Ethylen-Propylen; Ethylen-Propylendien; Fluorkohlenstoff; Polysiloxan; fluoriertem Polysiloxan; Perfluorelastomer; Polyacrylat; Polyesterurethan; Polyetherurethan; Styrol-Butadien; Tetrafluorethylen-Propylen; einem beliebigen Derivat davon; einem beliebigen Oligomer davon; und einer beliebigen Kombination davon funktionalisiert sind.
  • Element 5: Wobei das erste Polymer ein Elastomer ist und wobei die länglichen Kohlenstoffnanopartikel mit demselben Elastomer oder einem Oligomer davon funktionalisiert sind.
  • Element 6: Wobei der Innenkern der Zweikomponentendichtung etwa 90 % bis etwa 50 % einer Querschnittlänge ausmacht, und wobei die Außenhülle etwa 10 % bis etwa 50 % der Querschnittlänge ausmacht.
  • Element 7: Wobei längliche Kohlenstoffnanopartikel in dem zweiten Nanoverbundmaterial ausgerichtet sind.
  • Element 8: Wobei das erste Polymer ein Elastomer ist und wobei die länglichen Kohlenstoffnanopartikel in dem ersten Nanoverbundmaterial mit demselben Elastomer oder einem Oligomer davon funktionalisiert sind.
  • Element 9: Wobei das zweite Polymer ein Elastomer ist und wobei die länglichen Kohlenstoffnanopartikel in dem zweiten Nanoverbundmaterial mit demselben Elastomer oder einem Oligomer davon funktionalisiert sind.
  • Element 10: Wobei das erste Polymer ein erstes Elastomer ist und wobei die länglichen Kohlenstoffnanopartikel in dem ersten Nanoverbundmaterial mit demselben ersten Elastomer oder einem Oligomer davon funktionalisiert sind, wobei das zweite Polymer ein zweites Elastomer ist und wobei die länglichen Kohlenstoffnanopartikel in dem zweiten Nanoverbundmaterial mit demselben zweiten Elastomer oder einem Oligomer davon funktionalisiert sind, und wobei das erste Elastomer und das zweite Elastomer unterschiedlich sind.
  • Als nicht einschränkendes Beispiel beinhalten beispielhafte Kombinationen für A, B, C: A in Kombination mit 3, 4, und 6; B in Kombination mit 1, 5, 6, und 7; und C in Kombination mit 4 und 10.
  • Daher eignen sich die hier beschriebenen Ausführungsformen gut, um die genannten sowie darin inhärenten Ziele und Vorteile zu erreichen. Die jeweiligen offenbarten Ausführungsformen sind nur veranschaulichend, und die hier beschriebenen Ausführungsformen können in unterschiedlicher, aber äquivalenter Weise abgewandelt und ausgeübt werden, wie es für Fachleute mit dem Vorteil der vorliegenden Lehren auf der Hand liegen wird. Darüber hinaus sind hinsichtlich der Einzelheiten der hier gezeigten Konstruktion oder Auslegung keine anderen Einschränkungen als die in den nachfolgenden Ansprüchen beschriebenen vorgesehen. Es ist somit deutlich, dass die oben offenbarten jeweiligen veranschaulichenden Ausführungsformen geändert, kombiniert oder abgewandelt werden können und dass alle derartigen Variationen als in den Umfang und Geist der hier beschriebenen Ausführungsformen fallend betrachtet werden. Die hier veranschaulichend offenbarten Ausführungsformen können in geeigneter Weise unter Weglassung eines beliebigen Elements, das hier nicht spezifisch offenbart wurde, und/oder eines beliebigen hier offenbarten fakultativen Elements ausgeübt werden. Obwohl Zusammensetzungen und Verfahren als verschiedene Komponenten oder Schritte „umfassend“, „enthaltend“ oder „beinhaltend“ beschrieben wurden, können die Zusammensetzungen und Verfahren auch aus den verschiedenen Komponenten und Schritten „im Wesentlichen bestehen“ oder „bestehen“. Alle oben offenbarten Zahlen und Bereiche können um einen gewissen Betrag variieren. Immer wenn ein numerischer Bereich mit einem unteren Grenzwert und einem oberen Grenzwert offenbart ist, ist auch jede Zahl und jeder darin enthaltene Bereich, die bzw. der in diesen Bereich fällt, ausdrücklich offenbart. Insbesondere gilt jeder hier offenbarte Wertebereich (der Form „von etwa a bis etwa b“ oder äquivalent „von ungefähr a bis b“ oder äquivalent „von ungefähr a–b“) als jede Zahl und jeden Bereich aufführend, die bzw. der in den breiter gefassten Wertebereich fällt. Außerdem tragen die Begriffe in den Ansprüchen ihre einfache, gewöhnliche Bedeutung, soweit nicht durch den Patentinhaber ausdrücklich und deutlich anders definiert. Die unbestimmten Artikel „ein“, „eine“, „einer“, „eines“, „einem“ in den Ansprüchen sind dabei derart definiert, dass sie ein oder mehr als eines der Elemente bezeichnen, denen sie vorangestellt sind. Falls ein Widerspruch in der Verwendung eines Worts oder Begriffs in dieser Beschreibung und einem oder mehreren Patent- oder anderen Dokumenten auftritt, die durch Querverweis einbezogen werden können, sind die Definitionen in Übereinstimmung mit dieser Beschreibung anzuwenden.

Claims (23)

  1. Zweikomponentendichtung, umfassend: eine Außenhülle, umfassend ein Nanoverbundmaterial, umfassend ausgerichtete längliche Kohlenstoffnanopartikel, die in ein erstes Polymer eingebettet sind; und einen Innenkern, umfassend ein zweites Polymer.
  2. Zweikomponentendichtung nach Anspruch 1, wobei die länglichen Kohlenstoffnanopartikel ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Graphennanobändern; Kohlenstoffnanoröhren; Kohlenstoffnanohörnern; und einer beliebigen Kombination davon.
  3. Zweikomponentendichtung nach Anspruch 1, wobei das erste Polymer und das zweite Polymer Elastomere sind, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Acrylnitril-Butadien; carboxyliertem Acrylnitril-Butadien; hydriertem Acrylnitril-Butadien; carboxyliertem hydriertem Acrylnitril-Butadien; carboxyliertem Nitril; hydriertem Nitrilbutadien; Isobutylen-Isopren; Polyisobutylen; Poly(2-chlorbuta-1,3-dien); Ethylenacrylat; Ethylen-Propylen; Ethylen-Propylendien; Fluorkohlenstoff; Polysiloxan; fluoriertem Polysiloxan; Perfluorelastomer; Polyacrylat; Polyesterurethan; Polyetherurethan; Styrol-Butadien; Tetrafluorethylen-Propylen; einem beliebigen Derivat davon; und einer beliebigen Kombination davon.
  4. Zweikomponentendichtung nach Anspruch 1, wobei das erste Polymer und das zweite Polymer unterschiedliche Elastomere sind.
  5. Zweikomponentendichtung nach Anspruch 1, wobei die länglichen Kohlenstoffnanopartikel mit Acrylnitril-Butadien; carboxyliertem Acrylnitril-Butadien; hydriertem Acrylnitril-Butadien; carboxyliertem hydriertem Acrylnitril-Butadien; carboxyliertem Nitril; hydriertem Nitrilbutadien; Isobutylen-Isopren; Polyisobutylen; Poly(2-chlorbuta-1,3-dien); Ethylenacrylat; Ethylen-Propylen; Ethylen-Propylendien; Fluorkohlenstoff; Polysiloxan; fluoriertem Polysiloxan; Perfluorelastomer; Polyacrylat; Polyesterurethan; Polyetherurethan; Styrol-Butadien; Tetrafluorethylen-Propylen; einem beliebigen Derivat davon; einem beliebigen Oligomer davon; und einer beliebige Kombination davon funktionalisiert sind.
  6. Zweikomponentendichtung nach Anspruch 1, wobei das erste Polymer ein Elastomer ist und wobei die länglichen Kohlenstoffnanopartikel mit demselben Elastomer oder einem Oligomer davon funktionalisiert sind.
  7. Zweikomponentendichtung nach Anspruch 1, wobei der Innenkern der Zweikomponentendichtung etwa 90 % bis etwa 50 % einer Querschnittlänge ausmacht, und wobei die Außenhülle etwa 10 % bis etwa 50 % der Querschnittlänge ausmacht.
  8. Zweikomponentendichtung, umfassend: eine Außenhülle, umfassend ein erstes Nanoverbundmaterial, umfassend ausgerichtete längliche Kohlenstoffnanopartikel, die in ein erstes Polymer eingebettet sind; und einen Innenkern, umfassend ein zweites Nanoverbundmaterial, umfassend längliche Kohlenstoffnanopartikel, die in ein zweites Polymer eingebettet sind.
  9. Zweikomponentendichtung nach Anspruch 8, wobei die länglichen Kohlenstoffnanopartikel in dem ersten Nanoverbundmaterial und die länglichen Kohlenstoffnanopartikel in dem zweiten Nanoverbundstoff ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Graphen; Graphennanobändern; Kohlenstoffnanoröhren; Kohlenstoffnanohörnern; und einer beliebigen Kombination davon.
  10. Zweikomponentendichtung nach Anspruch 8, wobei längliche Kohlenstoffnanopartikel in dem zweiten Nanoverbundmaterial ausgerichtet sind.
  11. Zweikomponentendichtung nach Anspruch 8, wobei das erste Polymer und das zweite Polymer Elastomere sind, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Acrylnitril-Butadien; carboxyliertem Acrylnitril-Butadien; hydriertem Acrylnitril-Butadien; carboxyliertem hydriertem Acrylnitril-Butadien; carboxyliertem Nitril; hydriertem Nitrilbutadien; Isobutylen-Isopren; Polyisobutylen; Poly(2-chlorbuta-1,3-dien); Ethylenacrylat; Ethylen-Propylen; Ethylen-Propylendien; Fluorkohlenstoff; Polysiloxan; fluoriertem Polysiloxan; Perfluorelastomer; Polyacrylat; Polyesterurethan; Polyetherurethan; Styrol-Butadien; Tetrafluorethylen-Propylen; einem beliebigen Derivat davon; und einer beliebigen Kombination davon.
  12. Zweikomponentendichtung nach Anspruch 8, wobei die länglichen Kohlenstoffnanopartikel in dem erste Nanoverbundmaterial und die länglichen Kohlenstoffnanopartikel in dem zweiten Nanoverbundstoff mit Acrylnitril-Butadien; carboxyliertem Acrylnitril-Butadien; hydriertem Acrylnitril-Butadien; carboxyliertem hydriertem Acrylnitril-Butadien; carboxyliertem Nitril; hydriertem Nitrilbutadien; Isobutylen-Isopren; Polyisobutylen; Poly(2-chlorbuta-1,3-dien); Ethylenacrylat; Ethylen-Propylen; Ethylen-Propylendien; Fluorkohlenstoff; Polysiloxan; fluoriertem Polysiloxan; Perfluorelastomer; Polyacrylat; Polyesterurethan; Polyetherurethan; Styrol-Butadien; Tetrafluorethylen-Propylen; einem beliebigen Derivat davon; einem beliebigen Oligomer davon; und einer beliebige Kombination davon funktionalisiert sind.
  13. Zweikomponentendichtung nach Anspruch 8, wobei das erste Polymer ein Elastomer ist und wobei die länglichen Kohlenstoffnanopartikel in dem ersten Nanoverbundmaterial mit demselben Elastomer oder einem Oligomer davon funktionalisiert sind.
  14. Zweikomponentendichtung nach Anspruch 8, wobei das zweite Polymer ein Elastomer ist und wobei die länglichen Kohlenstoffnanopartikel in dem zweiten Nanoverbundmaterial mit demselben Elastomer oder einem Oligomer davon funktionalisiert sind.
  15. Zweikomponentendichtung nach Anspruch 8, wobei das erste Polymer ein erstes Elastomer ist und wobei die länglichen Kohlenstoffnanopartikel in dem ersten Nanoverbundmaterial mit demselben ersten Elastomer oder einem Oligomer davon funktionalisiert sind. wobei das zweite Polymer ein zweites Elastomer ist und wobei die länglichen Kohlenstoffnanopartikel in dem zweiten Nanoverbundmaterial mit demselben zweiten Elastomer oder einem Oligomer davon funktionalisiert sind, und wobei das erste Elastomer und das zweite Elastomer unterschiedlich sind.
  16. Zweikomponentendichtung nach Anspruch 8, wobei der Innenkern der Zweikomponentendichtung etwa 90 % bis etwa 50 % einer Querschnittlänge ausmacht, und wobei die Außenhülle etwa 10 % bis etwa 50 % der Querschnittlänge ausmacht.
  17. Bohrmeißel, umfassend: eine Drehverbindung; und eine Zweikomponentendichtung, die dazu konfiguriert ist, einen Teil der Drehverbindung abzudichten, wodurch ein abgedichtetes Segment und ein unabgedichtetes Segment der Drehverbindung definiert werden, wobei die Zweikomponentendichtung eine Außenhülle umfasst, die ein Nanoverbundmaterial, das ausgerichtete längliche Kohlenstoffnanopartikel umfasst, die in einem ersten Polymer eingebettet sind, und einen Innenkern umfasst, der ein zweites Polymer umfasst.
  18. Bohrmeißel nach Anspruch 17, wobei die länglichen Kohlenstoffnanopartikel ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Graphennanobändern; Kohlenstoffnanoröhren; Kohlenstoffnanohörnern; und einer beliebigen Kombination davon.
  19. Bohrmeißel nach Anspruch 17, wobei das erste Polymer und das zweite Polymer Elastomere sind, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Acrylnitril-Butadien; carboxyliertem Acrylnitril-Butadien; hydriertem Acrylnitril-Butadien; carboxyliertem hydriertem Acrylnitril-Butadien; carboxyliertem Nitril; hydriertem Nitrilbutadien; Isobutylen-Isopren; Polyisobutylen; Poly(2-chlorbuta-1,3-dien); Ethylenacrylat; Ethylen-Propylen; Ethylen-Propylendien; Fluorkohlenstoff; Polysiloxan; fluoriertem Polysiloxan; Perfluorelastomer; Polyacrylat; Polyesterurethan; Polyetherurethan; Styrol-Butadien; Tetrafluorethylen-Propylen; einem beliebigen Derivat davon; und einer beliebigen Kombination davon.
  20. Verfahren nach Anspruch 17, wobei das erste Polymer und das zweite Polymer unterschiedliche Elastomere sind.
  21. Bohrmeißel nach Anspruch 17, wobei die länglichen Kohlenstoffnanopartikel mit Acrylnitril-Butadien; carboxyliertem Acrylnitril-Butadien; hydriertem Acrylnitril-Butadien; carboxyliertem hydriertem Acrylnitril-Butadien; carboxyliertem Nitril; hydriertem Nitrilbutadien; Isobutylen-Isopren; Polyisobutylen; Poly(2-chlorbuta-1,3-dien); Ethylenacrylat; Ethylen-Propylen; Ethylen-Propylendien; Fluorkohlenstoff; Polysiloxan; fluoriertem Polysiloxan; Perfluorelastomer; Polyacrylat; Polyesterurethan; Polyetherurethan; Styrol-Butadien; Tetrafluorethylen-Propylen; einem beliebigen Derivat davon; einem beliebigen Oligomer davon; und einer beliebige Kombination davon funktionalisiert sind.
  22. Bohrmeißel nach Anspruch 17, wobei das erste Polymer ein Elastomer ist und wobei die länglichen Kohlenstoffnanopartikel mit demselben Elastomer oder einem Oligomer davon funktionalisiert sind.
  23. Bohrmeißel nach Anspruch 17, wobei der Innenkern der Zweikomponentendichtung etwa 90 % bis etwa 50 % einer Querschnittlänge ausmacht, und wobei die Außenhülle etwa 10 % bis etwa 50 % der Querschnittlänge ausmacht.
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