專利名稱：減小信號衰減的復合材料結(jié)構的制作方法
本申請是1995年12月5日提交的美國專利申請08/567,337的部分繼續(xù)申請。
本發(fā)明涉及減少信號衰減特性的的復合材料結(jié)構，特別是，本發(fā)明涉及復合材料鉆柱組件，它呈現(xiàn)出一定程度的透明度，允許電磁場、聲信號、回聲和核介質(zhì)傳遞，因此，使得能夠使用電磁、聲音、和核測定設備在鉆桿內(nèi)從井眼獲取數(shù)據(jù)。在一個特定實施例中，一種復合材料管接合使它能夠結(jié)合到一個鉆柱中的端部配件，從而可在該管內(nèi)使用測井設備。
在井眼的掘進過程中，目前通用的方法是通過使用所謂的隨鉆測量(MWD)，隨鉆測井(LWD)，起下鉆測并(LWT)和起下鉆測量(MWT)的方法獲得有關地層的數(shù)據(jù)。這些方法使用測定技術和裝置，如光譜伽馬射線，中子輻射和檢測，射頻工具，核磁共振，聲象技術，聲密度技術，聲波井徑技術，伽馬輻射和測定，密度測井，聲波測井和其他儀器獲取圍繞井眼的地層詳細的資料。這些測量技術要求精密的裝置或程序，以獲得高質(zhì)量的地層數(shù)據(jù)，要求的精密的程度是井下操作環(huán)境的嚴酷性直接造成的。而且，測量設備可以設計成鉆井設備的一個組件，這個組件在與鉆井設備內(nèi)的測量設備的結(jié)合使之進一部復雜化。然而，測量設備與標準鉆井設備的合成在從井眼獲得數(shù)據(jù)的質(zhì)量和類型方面均有限制。
例如，在一個鉆柱內(nèi)使用一個測井或測量工具，數(shù)據(jù)的類型和分辨率受鉆柱鉆桿的材料性質(zhì)的限制。通常，鉆桿是鋼的，因此，限制了測井和測量工具獲取數(shù)據(jù)的范圍。特別是，由于電磁或聲測定裝置不能通過金屬鉆桿工作，電磁和聲測定裝置不能在金屬的鉆桿內(nèi)操作。其次，使用可通過金屬管操作的測定裝置會導致數(shù)據(jù)信號的嚴重衰減，從而，使獲得地層測井數(shù)據(jù)的準確度受到限制。
一旦井眼鉆畢，操作人員常在井的生產(chǎn)當中不斷從井眼獲取數(shù)據(jù)。為了保持井眼的穩(wěn)定性，常常要在井眼中下套管，這通常是將套管用水泥固定在位。但由于使用金屬，會妨礙或嚴重衰減測定設備的操作。
因此，在鉆井和下套管階段均需要使用一種管子，它不妨礙在井眼內(nèi)使用測定設備，或使用測定設備時不嚴重衰減。因此，需要能夠全范圍地利用MWD，LWD，LWT和MWT技術的管子。
鉆井中的井眼環(huán)境是具有極大磨損性，高應力的環(huán)境，它要求鉆井設備有很高的標準的性能和質(zhì)量。這些鉆井設備的標準和性能特征，在美國石油學會(API標準7旋轉(zhuǎn)鉆柱元件)，和在井眼中使用的鉆桿和套管的幾個細則標準(API套管標準5)中部分地進行了說明。
因此，需要一種管子，它滿足API的鉆柱組件的標準，還具有MWD，LWD，LWT和MWT測定設備的工作頻率的所必需的傳導性。特別是，需要一種復合材料管，它對射頻和聲信號是傳導的，它還減少通過管的自然衰變波和粒子(伽馬射線，β粒子)的衰減。
然而，復合材料管代替鋼管是不實際的。因此，在使用MWD，LWD，LWT和MWT測量儀器僅要求較小的窗口以獲得井下數(shù)據(jù)時，僅要求復合材料管的相應短段提供窗口。因此，在一個鉆柱中結(jié)合一較短的段的復合材料管，要求金屬/復合材料的接合處的性能特征與鉆柱的復合材料和金屬段的相同，從而，使得復合材料管能夠以常規(guī)方式安裝到鉆柱的金屬組件上。復合材料的鉆鋌也起旋轉(zhuǎn)扭矩緩沖器的作用，減小鉆柱中形成的旋轉(zhuǎn)扭矩造成扭斷的危險。
如上所述，井下的鉆井環(huán)境在磨損，壓力和溫度方面是嚴酷的。復合材料管不具有鋼的耐磨性，因此需要一種復合材料管，其外表面材料可減少由于接觸井壁引起的鉆井接頭(drilling sub)或套管磨損。
如碳等傳導纖維具有電磁屏蔽性，常被用于加強絕緣塑料的屏蔽能力。例如，碳纖維加到尼龍中增加信號的衰減。因此，已知選擇碳纖維作為強化介質(zhì)的材料有損于EM透明度，需要設計一種結(jié)構的復合材料管，使得能夠使用碳纖維，同時又使管具有可以接受的EM透明度。
因此，需要一種結(jié)構的復合材料管，其中，復合材料的顯微結(jié)構既有物理強度又有可接受的EM透明度，允許在管內(nèi)使用測定設備。
而且，需要一種復合材料鉆井接頭，它的復合材料結(jié)構使鉆井接頭的剛度增加，同時提高該接頭的耐磨性和電磁透明度。因此，需要一種粘結(jié)劑合劑，它是以水泥為基的，通過強化復合材料鉆井接頭的剛度，能夠從復合材料結(jié)構中消除或部分消除碳纖維。
檢索表明，現(xiàn)有技術未涉及到上述問題。例如，美國專利5,097,870，55,332,049和5,398,975,PCT公開WO91/14123提到復合材料管結(jié)構。美國專利5,250,806，美國專利5,339,036和5,128,902提到收集井下數(shù)據(jù)的各種裝置和方法。加拿大專利申請2,044,623公開一種減少鉆柱信號噪音的方法。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種復合材料體，對于物理和性能設計點，其具有信號衰減特性，所述復合材料體包括多個浸漬粘結(jié)劑的多層纖維層，其中，每個纖維層是由具有不同機械和信號衰減特性的纖維材料選出的，并且每層纖維是根據(jù)所希望的機械性能，信號衰減和相移特性，相對于一個參考軸定向的。
最好，所述纖維層包括玻璃纖維，aramid纖維和碳纖維任何一種，或這些纖維的組合，其中，碳纖維方向相對于參考軸線為±10°，使得信號衰減最小，粘結(jié)劑是環(huán)氧樹脂。在另一個實施例中，粘結(jié)劑是下列水泥中任何一個或它們的結(jié)合硅酸鹽水泥，硅酸鹽-鋁-石膏水泥，石膏水泥，鋁-磷酸鹽水泥，硅酸鹽-磺基鋁酸鹽水泥，硅酸鈣-單磺鋁酸鹽水泥，玻璃離子交聯(lián)聚合物水泥，或其他無機水泥。
在一個優(yōu)選實施例中，本發(fā)明提供鉆柱用的復合材料管，所述復合材料管包括多層第一類和第二類樹脂浸漬纖維層，其中第二類層散布在第一類層中，所述復合材料管適于容納測井工具。
最好，所述第一類層相對于所述管的縱軸以±10°的角度纏繞，所述第一類層包括0-50％高模量的碳纖維，0-50％aramid纖維和16-50％的高強度玻璃纖維，并且第二類層是相對于所述管縱軸以90°角纏繞，第二類包括100％的高強度玻璃纖維。
在另一種形式中，所述第一類層構成90％的管壁厚度，所述第二類層以1-9個離散徑向位置均勻地沿整個管壁散開。
在一個特定的形式中，本發(fā)明提供一種復合材料管，其中，第一類層相對于管的縱軸以±10°纏繞，第一類層包括25％高模量碳纖維，25％aramid纖維和50％高強度玻璃纖維。
在另一個形式中，復合材料管在20kHz時具有至少70％的信號衰減響應，纖維大約占60％體積的顯微結(jié)構。
在鉆柱中使用時，所述管最好7.31英尺長，并滿足表1詳列的性能要求，包括拉伸負荷，壓縮負荷，扭轉(zhuǎn)負荷，內(nèi)壓，疲勞極限，橫向剛度，沖擊強度，拉伸強度和屈服強度，這滿足或超過美國石油學會標準7的規(guī)定。
在另一形式中，復合材料管還包括在所述管外表面的耐磨涂層和/或混合陶瓷粉末的樹脂浸漬的纖維層。
在另一優(yōu)選的形式中，復合材料管還包括通過附加的纖維層和樹脂和/或水泥一體地裝在復合材料管上的端部配件。
最好，端部配件包括一個管座，用于將所述端部配件安在基本復合材料管內(nèi)；至少一個壓縮支承表面，在端部配件和基本復合材料管間支承壓縮負荷；至少一個扭轉(zhuǎn)傳遞表面，在端部配件和基本復合材料管間傳遞扭轉(zhuǎn)負荷；一個彎曲應力傳遞表面，在端部配件和基本復合材料管間支承彎曲應力負荷；至少一個軸向拉伸表面，在端部配件和基本復合材料管間支承軸向拉伸負荷。
在一個優(yōu)選的形式中，所述扭轉(zhuǎn)傳遞表面包括八個表面，它們相對于端部配件的縱軸平行或帶錐度。
最好，通過附加纏繞粘結(jié)劑浸漬纖維將端部配件安裝到基本復合材料管，在此，附加纏繞的是以90度纏繞的高模量碳纖維。
在又一形式中，端部配件還包括穩(wěn)定器，所述穩(wěn)定器可包括與微脈沖成象無線電探測器配用的金紅石或鋯聚焦透鏡。
在又一形式中，復合材料管/端部配件接合頭是預應力的，或預加負荷的，以減少疲勞損壞的敏感性。
在一個特定形式中，本發(fā)明提供的鉆柱件，具有一個帶整體端部配件的復合材料管的中段，具有信號透明度的所述復合材料管中段包括一個基本復合材料管，所述基本復合材料管包括第一和第二類粘結(jié)劑浸漬的多層纖維，其中，所述第一類層中散布有所述第二類層，第一類層以相對于管縱軸±10°的角纏繞，第一類層包括40％的高模量碳纖維，44％aramid纖維和16％高強度玻璃纖維，第一類層構成整個管壁厚的90％，其中，第二類層是以相對于所述管縱軸的90°角纏繞，第二類層包括100％高強度玻璃纖維，在多個分散的徑向位置處，在管壁中均勻地散布；
端部配件包括一個管座，用于將所述端部配件設置在一個基本復合材料管內(nèi)。
至少一個壓縮支承表面，在端部配件和基本復合材料管間支承壓縮負荷；至少一個扭轉(zhuǎn)傳遞表面，在端部配件和基本復合材料管間傳遞扭轉(zhuǎn)負荷；一個彎曲應力傳遞表面，在端部配件和基本復合材料管間支承彎曲應力負荷；至少一個軸向拉伸表面，在端部配件和基本復合材料管間支承軸向拉伸負荷。
在本發(fā)明的另一個實施例中，提供了形成帶整體端部配件的復合材料管的方法，它包括以下步驟a)在一個鋼芯上纏繞粘結(jié)劑飽和的纖維的基本內(nèi)管；b)固化所述粘結(jié)劑，形成一個固化管；c)從所述固化管除去所述芯；d)切割所述固化管成定尺，形成一個基本管；e)在所述基本管內(nèi)插入一個對準芯，將端部配件置于所述對準芯上的所述基本管內(nèi)；f)在所述基本管和端部配件上纏繞粘結(jié)劑飽和纖維的外層，形成帶端部配件的復合材料管。
在另一個實施例中，一種粘結(jié)劑涂層加到所述復合材料管的外表面，以提高耐磨性。
本發(fā)明的其他實施例提供了將所述復合材料/端部配件接合處預加應力的方法，如在外纖維層纏繞和固化時，壓縮固化的管和端部配件；確保復合材料管的熱膨脹系數(shù)小于所述端部配件的熱膨脹系數(shù)，其中，當所述外纖維層纏繞和固化時，在所述端部配件上產(chǎn)生一個壓縮力；使得所述端部配件接受一個鎖定螺母，用于在所述復合材料/端部配件接合處施加一個壓力，或提供一個端部配件，它包括一個內(nèi)，外端部配件，它們可以在所述的復合材料/端部配件接合處施加壓力。
參考附圖所作的以下說明會使本發(fā)明的諸特點更為明了。


圖1是幾個基本復合材料管試樣的相移和頻率關系圖，橫坐標是log x，縱坐標是y的線性值；圖2是幾個基本復合材料管試樣的信號衰減和頻率關系圖，橫坐標是logx，縱坐標是y的線性值；圖3是歸一化為2.5”工作厚度的圖2結(jié)果的局部放大圖，示出幾個基本復合材料管試樣的信號衰減和頻率關系圖，橫坐標是x的線性值，縱坐標是y的線性值；圖4是歸一化為2.5”工作厚度時，幾個基本復合材料管試樣的相移和頻率關系圖，橫坐標是x的線性值，縱坐標是log y；圖5是根據(jù)本發(fā)明復合材料管和端部配件的總成圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明端部配件的剖面圖；圖6A是沿圖6中6A-6A線的端部配件的剖面圖；圖6B是沿圖6中6B-6B線的端部配件的剖面圖；圖6C是沿圖6的端部配件的剖面圖，示出標稱尺寸為63/4-7”的工具的優(yōu)選尺寸；圖7是根據(jù)本發(fā)明的實施例的復合材料管和端部配件總成圖，示出在所述總成體內(nèi)的測井工具；圖8是用于扭矩傳遞表面設計的扭轉(zhuǎn)負荷自由體受力圖；圖9是復合材料管/端部配件總成剖面圖，其中端部配件包括一個內(nèi)和一個外端部配件；圖9A是復合材料管/端部配件總成另一個實施例部分剖面圖，其中端部配件包括一個內(nèi)和一個外端部配件；圖10是復合材料管/端部配件總成部分剖面圖，其中端部配件包括一個鎖定螺母；圖11是復合材料管/端部配件總成部分剖面圖，其中端部配件包括一個內(nèi)和一個外端部配件；圖12是在一段井眼中用伽馬射線測井時常規(guī)鋼絲繩測井和起下鉆測井的數(shù)據(jù)比較。
業(yè)已發(fā)現(xiàn)，復合材料體的電磁衰減特性受構成該復合材料體的纖維層的方向影響，因此，使得有可能設計和構成復合材料體，用于迄今尚不適用的場合。
如上所指出的，已知在復合材料體中使用高模量碳纖維影響復合材料體的電磁衰減特性。還已知，如玻璃纖維和aramid纖維等材料對這些性能影響不大。對一些具體場合，高模量碳纖維具有比玻璃纖維和aramid纖維優(yōu)越的強度和性能特性，因此非常適于特定場合。在以前，提供具有電磁透明度的復合材料體時，盡量少用碳纖維。
然而，在特定物理尺寸內(nèi)，設計具有特定強度和/或性能的復合材料體，要求該復合材料體在該尺寸限制內(nèi)滿足或超過設計條件。因此，隨著引入附加的參數(shù)，如最小電磁信號衰減，以前認為，使用已知的衰減材料，如碳纖維等，必須盡量少，或不用，以便滿足電磁衰減的設計要求。然而，在某些應用中，鑒于復合材料體的實際尺寸的要求和/或強度/物理性能要求，不能不使用碳纖維來滿足強度/物理性能的要求。
為了克服這個問題，本發(fā)明認識到，在復合材料體內(nèi)碳纖維相對于復合材料體的電磁衰減性能定向，從而使得可能設計這樣的復合材料體，它們具有要求的高強度/實際尺寸限制，而同時達到希望的電磁衰減性能。
具體地說，本發(fā)明認識到，在復合材料體內(nèi)的碳纖維方向，特定地復合材料管的內(nèi)的碳纖維方向，能夠使得測定設備利用設在復合材料管內(nèi)的提供數(shù)據(jù)探測信號的電磁傳感器。實質(zhì)上是，通過用玻璃纖維分散碳纖維，加之小纏繞角，避免了導電纖維的高導電環(huán)。
在一個特定的應用中，本發(fā)明開發(fā)了用于井下鉆井操作鉆柱的復合材料/金屬管。所設計的復合材料/金屬鉆井管，在復合材料的中段兩側(cè)帶有端部配件的分段。所述的端部配件使得復合材料/金屬鉆井管能夠結(jié)合到一個存在的鋼鉆柱，而同時，所述復合材料中段使得可在該段內(nèi)，布置和使用起下鉆時測井，鉆井時測井，起下鉆時測量，鉆井時測量的設備。為了可以使用測井或測量設備，所述的復合材料中段具有0-200kHz的可接受的電磁透明度。
因此，設計復合材料管和整體端部配件，同時具有用在鉆柱中的特定電磁性能，要求復合材料管段既有物理強度性能，也有現(xiàn)有的鋼鉆井管的尺寸特征(適用的話用API標準)，以及要求的電磁性能。而且，帶整體端部配件的復合材料管必須具有一個復合材料/金屬接合部，它具有最佳工作特性，主要是在高應力鉆井環(huán)境中的令人滿意的壽命。
復合材料/金屬管具有下列組件1.基本復合材料管；2.端部配件；
3.在基本復合材料管和端部配件間的接頭部。
如所指出的，除了復合材料管的物理強度特性外，也要求電磁透明度，以便使得測井設備能夠有效地記錄井下參數(shù)。信號衰減的下降為捕獲數(shù)據(jù)提供了優(yōu)越的條件。
主要是，在20kHz范圍內(nèi)要求有電磁透明度，但是，在0-200kHz范圍減小衰減也是有用的。
測井設備可包括從地層獲取資料的電極裝置和/或感應裝置。電極裝置要求直接接觸中等導電的井眼泥漿，以便向地層發(fā)射電流。當在低電導率的充氣或油基泥漿中進行測量時，常規(guī)的基于電極的方法是不可能的。當該測量限于直接接觸井眼泥漿時，既不通過高導電全鋼鉆井接頭，也不通過復合材料鉆井接頭進行測量是可能的。
在另一方面，感應裝置是通過使用向地層感應的二次渦流測量地層的電導率。這個方法在低電導率的的充氣或油基泥漿中是優(yōu)越的，并且，它也可對付普通遇到的中等導電的泥漿環(huán)境。感應測井證明是多用途的，并構成迄今評定地層電阻率的主要方法。在用電極裝置時，通過全鋼鉆井接頭進行測量是不可能的，但可通過中等導電的復合材料接頭進行測量。
在基本感應裝置中，一個固定振幅和頻率的交變電流輸入到一個發(fā)射線圈。在該發(fā)射線圈周圍產(chǎn)生的合成磁場在地層中感生渦流。該渦流將在井眼的同軸路線中流動，呈現(xiàn)一個圓柱的對稱體。該渦流在檢測器線圈中感生一交變電壓，所述電壓與發(fā)射器的電流位相位差是180°。渦流的大小與地層的電導率成比例。
檢測器信號的電阻分量形成感應測量的基礎。90°相位差的直接耦合信號也由該檢測器線圈接收，但經(jīng)電子濾波濾出。
測量地層電阻率的(單位ohm m)電流感應裝置一般以20kHz的頻率工作。地層的電阻率常規(guī)地是提供在打印紙帶上按四位打印輸出，其范圍是0.2-2000ohm m。
而且，使用復合材料也允許使用聲傳送和接收裝置，測量井筒的直徑。這包括，使用聲傳送和接收裝置，測量在直接鄰近井眼的地層中的聲脈沖運行時間，但不限于此。這個運行時間Δt，特定的聲學時間，根據(jù)礦物的成分和氣孔率以及在地層中的流體變化(原處的)。因此，進一步的數(shù)據(jù)，如巖石特性或機械特性，裂縫的位置也可獲得。使用聲反射數(shù)據(jù)成象也是可能的。可采取通過復合材料傳播聲波，并對復合材料的聲學特性進行補償，以致產(chǎn)生上述情況，然而，通過鋼管的傳播是成問題的。
而且，復合材料的低密度，使得伽馬/中子/β射線在接頭的本體中的傳送增強，從而，可以用設在接頭內(nèi)的接收器對它們進行較準確的測定?；緩秃喜牧瞎艿脑O計復合材料管的基本設計要求低吸水性，耐熱性和耐腐蝕。復合材料管也必須具有如表1所列的現(xiàn)有的全鋼管的機械性能。下面的計算涉及公稱尺寸為63/4英寸的鉆鋌。應理解，相似的計算也適于不同尺寸的鉆具的設計。表1-性能參數(shù)要求(僅限于公稱直徑63/4”直徑的鉆具)拉伸負荷，最大 200,000lb，靜止800,000lb，沖擊壓縮負荷，最大 50,000lb，靜止300,000lb，沖擊扭轉(zhuǎn)負荷，最大 50,000ft-lb內(nèi)壓，最大 10,000psi疲勞極限75,000psi橫向剛度，最小 鋼鉆鋌的70％中擊強度，最小 40ft-lb，v形切口，在室溫下抗拉強度，最小 120,000psi屈服強度，最小 110,000psi物理尺寸，最大外徑 7.25”最小內(nèi)徑 2.25”全長，最大 31ft工作溫度，最高 300°F基本管的結(jié)構通過計算機控制的纖維纏繞工藝制備基本復合材料管。這個過程是在一個鋼芯上加粘結(jié)劑浸漬的纖維連續(xù)層制成該基本管?？刂评p繞速度，卷筒的位置和卷筒的纖維，使得纖維和纖維的方向和厚度得以控制，以便根據(jù)希望的最終產(chǎn)品的特性，形成連續(xù)層。一般來說，根據(jù)設計的物理和電磁性能選擇纖維和纖維的方向。
粘結(jié)劑最好是有機成分的或無機成分的。在用于鉆柱的復合材料管的特定結(jié)構中，基本復合材料管中有兩個纖維主層，第一是小角度纏繞(例如，與管的縱軸線偏離±10°)，第二類是圍繞管圓周纏繞(與管縱軸線成90°)。每層是用纖維的一半以正的纏繞角纏繞，纖維的另外一半以負的纏繞角纏繞而成的。第一層中可包括幾種不同的纖維，，如包括碳纖維，aramid纖維或玻璃纖維。對于具有電磁透明度的一個給定的設計，在碳纖維的數(shù)量最少的情況下，而仍可得到一個給定的物理性能。第二類層中也可包括幾種不同的纖維。但是，如果該設計要求電磁透明度，碳纖維就不包括在這層中。
最好，第二類層均勻地在幾個分散的徑向位置在復合材料管壁中散布，以便提高復合材料層強度。
粘結(jié)劑可以是水泥為基的合劑，或標準的環(huán)氧樹脂。水泥為基的粘結(jié)劑在水泥為基組成的情況中，便不需要高模量的碳纖維，使得鉆井接頭的相當大的部分能用高模量的aramid纖維代替碳纖維。
水泥可以選自下列中的一種，或者是它們的組合硅酸鹽水泥，硅酸鹽-鋁-石膏水泥，石膏水泥，鋁-磷酸鹽水泥，硅酸鹽-磺化鋁酸鹽水泥，鈣硅酸鹽-單磺化鋁酸鹽水泥，玻璃離子交聯(lián)聚合物水泥和其他無機水泥。
水泥為基合劑的摻合技術包括在將玻璃纖維圍繞鋼芯纏繞時，用水泥合劑的水漿在玻璃纖維上涂敷，然后固化。也可以在纏繞時通過使纖維上帶負靜電荷，將水泥合劑加到玻璃纖維上，以使其與纖維粘結(jié)。在這時，該水泥合劑最好通過已知的流體化技術流體化，并通過一個極化柵格，使得水泥帶有正的靜電荷。最好電壓差大約是20kv。在纏繞后也可以在高壓釜中熱固化時，加水或蒸汽，添加附加的水泥。
用水泥為基的粘結(jié)劑制造復合材料管是在管內(nèi)不用或減少使用碳纖維的情況下，使得鉆井接頭具有高的剛度。如所指出，減少碳纖維將提高電磁信號的透明度和/或在一個頻率范圍的場的傳播。而且，使用水泥粘結(jié)劑也用于改善鉆井接頭的耐磨性，并降低管的密度，后者對于粒子基測定設備是有利的。樹脂基的粘結(jié)劑標準的環(huán)氧樹脂可以作粘結(jié)劑。在一個輔助的測定取樣中對顯示低電衰減性的特定組成的樹脂進行了評價，發(fā)現(xiàn)它沒有在標準環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑之上對減低電衰減有顯著的效果。測定試樣的特定樹脂是帶有MTHPA固化劑的雙酚F樹脂。
層厚度一般是0.01-0.040英寸。對于特定的鉆柱管，第一類層厚度是0.038英寸，第二類層厚度是0.035英寸。
在所有的纖維纏繞完成后立即在對流爐中進行固化。固化的時間表依照樹脂生產(chǎn)廠家推薦的程序進行。一般的固化包括將爐溫保持在180°F四小時，將溫度升到225°F保溫四小時，將溫度升到300°F保溫六小時，停爐并在爐中緩慢冷卻到室溫。
固化后，取出芯子，將內(nèi)管切割成一定長度。
使用Grafil HR40碳纖維(Courtaulds Advanced Materials，Sacramento，加里福尼亞)，DuPont Kevlar 149和Owens-Corning E和S-2 Glass設計復合材料管。該管用多層制成，其厚度和纖維的方向角在表2示出。表3示出基線纖維(baseline fiber)的機械性能?；€設計用的樹脂系統(tǒng)是Shell’s DPL862樹脂。可用的其他纖維包括3M Nextel，陶瓷纖維?？捎玫钠渌麡渲蠦ryte Technologies Inc.EX-1545 RTM體系。表2-基線復合材料管材料角度 厚度％HR40碳纖維 10° 36Kevlar149 10° 40S-2Glass10° 14S-2Glass90° 10表3-纖維性能類別生產(chǎn)廠拉伸模量，msi 抗拉強度，ksiHR40Grafil，Inc. 55.3 700Kevlar149 DuPont26.0 500S-2GlassOwens-Corning 12.5 530橫向剛度復合材料測井鉆鋌的剛度設計是通過使用由以下纖維中選出的多個纖維實現(xiàn)的碳纖維，aramid纖維和玻璃纖維，但不限于這些。通過對這些纖維的方向和每種所用的相對量，以及有機和/或無機粘結(jié)劑的選用，對剛度進行控制。
油田一般要求鉆鋌，接頭和馬達等的剛度等于同樣直徑的實體鋼棒剛度的70-80％。例如，一個6.75”直徑的鉆鋌必須具有6.75”同樣實體鋼棒剛度的70-80％。這個剛度要求是使得鉆工能夠控制鉆井的方向。鉆工可在鉆頭上施加壓負荷達到這一點。鉆工利用鋼絲繩系統(tǒng)和井架，部分地從井筒中提升鉆柱，并用鉆井液使鉆柱受到浮力，減小在鉆柱上保持的拉伸，控制這個壓負荷。
因此，通過控制在鉆柱下部的壓負荷，鉆工能夠控制鉆井的方向，確保下部沿其組件相對于剛度來說是等效的，。
在要求高剛度的情況中，需要較多數(shù)量的碳纖維和/或無機粘結(jié)劑，以便使得接頭具有剛度。在要求小剛度時，如水平鉆井，可以去掉碳纖維。
因此，雖然API標準7或RP7G沒有規(guī)定橫向剛度，但如上所述，行業(yè)標準一直要求最小的橫向剛度是相似鋼的段65-70％，以便保持鉆柱的定向控制。因此，除了表1的要求外，復合材料管的設計橫向剛度是相似鋼段的70-80％，要求的內(nèi)外徑，分別是最小為2.25英寸和最大為7.25英寸。因此，29msi(鋼的軸向模量)的鋼段的橫向剛度是2.9E9lb-平方英寸時，復合材料管的最小橫向剛度則是2.03E9lb-平方英寸。外徑7.25英寸，內(nèi)徑是2.5英寸時，最小的軸向模量至少必須是15.1msi?；竟艿妮S向模量設計成17.8msi基本復合材料管的應力應變分析在800,000lb軸向拉力和50,000lb-ft扭矩的綜合負荷下，對基線復合材料管的應力和應變進行了分析。用經(jīng)典的復合層理論分析了離開軸端段的復合層設計。見由Robert M.Jones撰寫的Mechanics of Composite Materials(McGraw-Hill Book Company出版)。該分析用于確定在外負荷條件下的層的應力和應變狀態(tài)。該分析提供了在平面負荷下的復合層的點應力分析。對復合層結(jié)構關系列出了方程式，用以確定由于中平面負荷出現(xiàn)的中平面應變和彎曲。然后用中平面應變和彎曲確定復合層的應變和每層的應力。程序中用該負荷作為工作負荷輸入。復合材料體的軸向和扭轉(zhuǎn)工作負荷計算如下。
在下列分析中僅用5.25英寸內(nèi)徑到7.25英寸外徑的間的區(qū)域。在5.25英寸直徑以下的材料被考慮是僅提供承受壓負荷的能力。
軸向工作負荷，Nxσ＝負荷/面積Nx＝σt＝負荷×厚度/面積，在800,000lb拉力負荷下，Nx＝800,000(1.0)/19.6＝40,816lb/in.
扭轉(zhuǎn)工作負荷，Nxyσ＝Tr/JT＝扭矩r＝平均半徑J＝極慣矩Nxy＝σt＝T/2r2t＝壁厚在50,000lb-ft下Nxy＝50,000(12)/(2π(6.25/2))＝9778lb/in離開金屬端部配件的軸端的材料性能示于表4，設計許可值示于表5。軸向負荷和扭轉(zhuǎn)負荷疊加產(chǎn)生的應力應變示于表6。請注意，在這些負荷下的所有余量都是正的。
表4-復合材料體的材料性質(zhì)軸向模量 17.8msi圓環(huán)模量 1.81msi剪切模量 1.09msi泊松比，AH 0.47泊松比，HA 0.048表5-復合材料設計允許值
表6-應力概覽
下面用銷端柱體(pin-ended columns)Eulers公式檢驗復合材料管的柱體彎曲。
臨界彎曲負荷，PcrPcr＝π2EI/L2E＝軸向模量
I＝慣性矩L＝長度假設復合材料體的長度為235英寸Pcr＝π2(2.03E9)/2352＝362,000lbs最大壓縮沖擊負荷是300,000lbs基本復合材料管電磁透明度的測試構造管試樣A作為對照物，以比較和希望的衰減和相位特性的不同。管A也用于測試裝置制造的參考。
管A是100％的碳纖維，是由Grafil HR-40纖維制成的，這種纖維與Grafil碳纖維比較具有低電導率。而且，HR-40纖維具有較差的機械性能，使得它不適于做成EM透明管。
管B和C是由不同比例的機械性能優(yōu)良的Grafil 55-500纖維制成。在制造時，限于在同軸方向(即圓周方向)纏繞該碳纖維。
管D是由Grafil 55-500碳纖維制造，同軸方向碳纖維的纏繞減少到機械性能制約的最低限度。
管E和F與管D相同，但是，樹脂性能不同。碳纖維的比例減少。
制成管G的碳纖維是管E和F的一半，用Kevlar代替去掉的碳纖維。
表7示出管的結(jié)構和電磁測試結(jié)果復合材料管試樣的感應特性測試對測試管進行電感特性測試。
測試裝置包括位于內(nèi)部(發(fā)送器)和外部(檢測器)的兩個同軸環(huán)繞的線圈。一個信號發(fā)生器連接到內(nèi)線圈，一個固定振幅，交變頻率的信號輸入到該線圈。從外線圈測量相對于內(nèi)線圈的電壓和相位。
表皮效應深度方程式說明交變信號通過導電材料時的振幅和相位的關系。該方程式指出振幅是以距離的指數(shù)函數(shù)衰減，相位滯后是距離的函數(shù)(即時間滯后)。
表7-復合材料管試樣結(jié)構，衰減和相移數(shù)據(jù)
<p>該方程式的數(shù)量表達式如下
μr*μ0＝磁導率，復合材料的μr＝1σ＝材料的電導率，mho/m衰減＝exp(-距離/δ)相移＝cos(ωt+距離/d)單位為弧度每個管試樣的衰減和相移是在5-70kHz頻率范圍測試d的。
測試是在制造的每個試樣依次迭代進行。復合材料管性能的改進是為了強化20kHz時的電磁透明度。前幾個迭代步驟起標定復合材料管性能的作用。
表8示出在管試樣的衰減和相移測試結(jié)果。該結(jié)果是基于每個管的單獨特性，沒有歸一到固定的管的工作厚度。表9表示在歸一到2.5”管的工作厚度之后的結(jié)果。
圖1-4示出復合材料管試樣的衰減和相移結(jié)果。圖3和4示出歸一到2.5”工作厚度的結(jié)果。圖3示出在線性x軸和y軸上的統(tǒng)一的衰減結(jié)果的局部放大圖。
結(jié)果所研究的復合材料管的三個主要參數(shù)是1.碳纖維的同軸排列2.碳纖維的比例3.樹脂對電導率的影響結(jié)果示出，在管試樣B和C的情況中，同軸排列在確定管試樣的響應中具有主要影響。從表9可見到，20kHz時管B和C的衰減值分別是0.1248表8-衰減和相移結(jié)果(未歸一化)
表9-衰減和相移測試結(jié)果(未歸一到2.5＂厚度)
和0.4838。在管D中，同軸排列的影響最小，響應增加到0.7064。
比較管D，E和F的結(jié)果，碳纖維比例的減少使得響應由0.7064提高到0.7639。而且，管E和F的相移特性表明了在上述試樣上的相位特性的急劇改變。這個特性可歸因于電導率與碳纖維比例的最小的閾值間的非線性關系?？梢钥闯觯嘁铺匦赃h比振幅特性敏感的多。對于幅值響應，它對閾值的鈍性被少量的纖維的同軸排列的殘余影響緩和。
管E和F近乎一致的特性表明，樹脂的選擇對電導率特性的影響是可忽略的。
管G的碳纖維減少到25％，衰減響應為0.7651，對相移沒有影響。
復合材料管/端部配件接頭除了復合材料管的物理和電磁性能外，復合材料管必須容易接合在現(xiàn)有的鉆柱內(nèi)。因此，設計包括與端部配件的接合處，如圖5，6和7所示，以使復合材料管與現(xiàn)有的鉆柱接合。
圖5是一個根據(jù)本發(fā)明的復合材料管和端部配件接合處的總成圖，示出基本管12和組裝在一起的端部配件14。示出的外層纏繞16連接基本復合材料管12和端部配件14。圖6是詳細示出端部配件的剖面圖。圖6A和6B詳細示出分別沿6A-6A和6B-6B線取的端部配件的剖面。圖6C示出與鉆柱接合的端部配件的優(yōu)選尺寸。圖7是另一個實施例的復合材料管/端部配件的裝配圖。
就基本復合材料管設計來說，端部配件的設計關鍵問題，除了在復合材料體和端部配件間負荷傳遞外，包括本體的剛度和強度。
根據(jù)本發(fā)明，接合處設計成提供，從復合材料管體到端部配件的軸向壓縮和拉伸負荷的分開的負荷路線，以便避免依賴一個接合點在配合過程中承受負荷。壓縮負荷從直接相對于支撐表面20的基本復合材料管12承受，軸向拉伸負荷相對于軸向拉伸表面22承受，扭轉(zhuǎn)力相對于扭轉(zhuǎn)傳遞表面24承受，彎曲應力相對于彎曲應力傳遞表面26承受。
彎曲應力傳遞表面26形成一個段，在其上，彎曲負荷從端部配件14向復合材料管16傳遞。為避免在端部配件14中發(fā)生旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞，該表面是必須的。旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞是井下工具疲勞的主要原因。彎曲應力傳遞表面的最大直徑為6.00英寸，以維持復合材料管中要求的強度。這個直徑做的盡可能大，以將臺階28上的彎曲應力減至最小。已顯示出，為了防止疲勞斷裂，鉆井接頭的減小的截面的最小直徑是，它的慣性矩(I)不小于用鉆井接頭的公稱外徑計算所得慣性矩的29.5％。在這種情況下，這個最小的直徑是5英寸。示出的4.25英寸直徑是小于這個5英寸最小值的，因此，端部配件的這個截面不能承受全部的彎曲負荷。因此，彎曲應力傳遞表面26帶有每英尺2英寸的錐度，使得彎曲負荷在到4.25英寸處之前，可從端部配件14向復合材料管傳遞。
扭轉(zhuǎn)傳遞表面24提供在端部配件14和復合材料管16的扭轉(zhuǎn)能力間的平衡，這樣使總成10的整個扭轉(zhuǎn)能力達到最大。4.25英寸的直徑是滿足端部配件14扭轉(zhuǎn)要求所需的最小值。使用這個最小直徑使扭轉(zhuǎn)傳遞表面24可得到最大面積。
軸向拉伸表面也具有帶錐度的表面22。
最好端部配件14是由無磁材料制造，以便于容納MWD工具。然而，如果不考慮磁性影響，它們可由AISI4145H MOD制造。
接合理論和設計如指出的，金屬/復合材料接合處被設計成用來傳遞扭矩，軸向壓縮和拉伸以及彎曲負荷。下面是端部配件的設計和分析所考慮的1.承受負荷要求的最小厚度；2.在配件的帶錐度段上的復合材料的界面壓力；3.由帶錐度的金屬配件產(chǎn)生的沖出負荷。
用八面剪切應力準則，假設在最大的負荷環(huán)境下不允許屈服，確定出端部配件的最小直徑。在計算沖擊環(huán)境的應力時，假設最大軸向和扭轉(zhuǎn)負荷同時發(fā)生時，分析中用的最小安全系數(shù)是1.0。
八面剪切應力，YY=&sigma;2+3&tau;2]]>負荷狀態(tài)軸向800,000lbs，扭矩600,000lb-in外徑＝4.25”
內(nèi)徑＝2.25”σ＝軸向應力＝負荷/面積＝800,000/10.2＝78,350psiτ＝剪切應力＝T(OD/2J)＝600,000(4.25)/2(29.5)＝43,200psiY=78,3502+(3)43,2002=108,300psi]]>屈服強度(最小)＝110,000psi安全系數(shù)＝110,000/108,300＝1.01端部配件帶錐度段的設計是根據(jù)W.Rumberger，B.Spencer在“NCF(NoCut Fibre)Coupling”所述的原理，此文獻出自American Helicopter SocietyMeeting，June，1985，Stanford，Connecticut。
圖8示出扭轉(zhuǎn)負荷是如何通過在端部配件上的多邊形作用的。對軸向負荷使用一個相似的立體受力圖，但除了在多邊形表面上的負荷是固定的，不是三角形的，并且，兩個收縮處用于接受軸向拉伸負荷。
T＝(dμP+PL)FT＝施加的扭矩＝600,000lb-inμ＝摩擦系數(shù)＝0.2d＝2.367”(平均值)L＝0.327”(平均值)F＝平面數(shù)＝8對P的解P＝93.710lbs用垂直于配件帶錐度多邊形截面的力，可計算出扭轉(zhuǎn)負荷造成的復合材料的支承應力σBT。
平面面積＝5.76平方英寸σBT＝93.710/5.76σBT＝16.270再計算由鉆井接頭上的拉伸負荷產(chǎn)生的應力，并加到上面扭轉(zhuǎn)負荷造成的應力上。
此分析包括在內(nèi)收縮處圓錐段的附加面積。因為這個收縮處不是多邊形，對扭轉(zhuǎn)負荷的計算中沒有包括。用前面提出的相似的立體圖，對800，000lbs的軸向負荷，平面和圓錐上的支承負荷如下。
σBT＝負荷/面積平面面積＝(8)5.76＝46.08平方英寸圓錐面積＝28.83平方英寸整個面積＝74.91垂直負荷＝800,000/sin15lbsσBT＝800,000/sin15(74.91)σBT＝41,260psi配件的錐度段承受的總應力是帶錐度的多邊形承受的應力＝16,270+41,260＝57,530psi圓錐內(nèi)承受應力＝41,260psi極限支承強度是60ksi平方英寸。因為計算的應力是由沖擊負荷產(chǎn)生的，即使考慮在兩個錐度部分間有不均勻的剪切負荷，安全系數(shù)也是足夠的。
其次，用垂直負荷，可對復合的軸向和扭轉(zhuǎn)負荷，計算出沖出負荷。
總沖出負荷，KLKL＝F*Pcos15+拉伸負荷/tan15＝8(93,710)cos15+800,000/tan15KL＝3,710,000lbs碳纖維的允許拉伸應力采用525ksi，對付沖出需要的纖維環(huán)箍面積可計算如下面積＝3,710,000/525,000面積＝7.07平方英寸該配件的設計允許有足夠的纖維環(huán)箍。
為了改善負荷傳遞和減小應力集中，纖維環(huán)箍散布有螺旋纏繞的纖維。
最后考慮的負荷是壓負荷。當僅考慮鄰近金屬配件端部的復合材料的面積傳遞壓負荷時，造成的應力可計算如下σB＝負荷/面積＝300,000(π/4*(5.25-2.50))σB＝17,900psi如上所述，極限強度是60ksi。
應力分析表明，鉆井接頭的設計對所有的負荷條件都是適當?shù)摹?br> 帶一體的端部配件的復合材料管的制造根據(jù)下面的基本方法制造總成10。應理解，在本發(fā)明的范圍內(nèi)，對于一個具體設計，可使用各種纖維，纖維方向和粘結(jié)劑進行制造。
下面是基本內(nèi)管12的制造和定尺切割步驟1.將一金屬桿置于基本復合材料管內(nèi)，端部配件14置于金屬桿上。將凸緣29插入到基本復合材料管12的每端；2.端板安裝到金屬桿上，將基本復合材料管12和端部配件14鎖在一起，以放置到纖維纏繞器；3.在復合材料管12的外表面和端部配件14的軸向拉伸面22，扭轉(zhuǎn)傳遞面24和彎曲應力傳遞面26，用樹脂浸漬的纖維纏繞，螺旋形和圓形纖維纏繞相結(jié)合，使得達到與端部配件的14的外徑相應的外徑。
其他設計考慮在纖維纏繞時和在纖維纏繞后，耐磨涂層可混合在粘結(jié)劑中，或在該總成固化后加到復合材料管的外表面上。耐磨涂層最好是可抹上的耐磨涂層，如DuraWear公司生產(chǎn)的ArmorStone CeraTrowel。
在端部配件14或復合材料管體16上可用一個穩(wěn)定器/磨損套30減小對復合材料管的磨損。穩(wěn)定器/磨損套30也可包括附加的檢測元件，如圖7所示的金紅石聚焦透鏡32，用于微脈沖激光設備。穩(wěn)定器30可與總成10是一體的，或是可卸下的。圖7還示出在總成10的內(nèi)孔中的一個測井工具40和一般的探測裝置，如中子源和測定器42，伽馬射線測定器44，電阻率組件46和聲波測距設備48也示出。示出的總成10的端帶有各自的帶螺紋的表面50和52，用于端部配件14與鉆柱接合。
而且，混有一定量陶瓷粉末的樹脂可用于加強復合材料的耐磨性。
金屬/復合材料接合處的密封用膠，墊圈和/或O型環(huán)在幾個金屬/復合材料接合處表面進行密封，不會影響到表面的功能。
在圖9中示出用O型環(huán)密封系統(tǒng)的一個例子。在此實施例中，端部配件是兩個組件，一個內(nèi)配件14a和一個外配件14b，它們用螺紋14c接合?；緩秃喜牧瞎?2和外纏繞復合材料層16如上所述組裝在內(nèi)配件14a上。在內(nèi)配件和外配件14a和14b接合處設有一個O型環(huán)14d，通過將外配件14b擰緊，可使其壓在內(nèi)配件上14a上。
可用密封復合材料管內(nèi)面和接合處的另一個方法，其中，在纖維層固化后，在總成內(nèi)壓入硅酸鈉溶液，使得硅酸鈉溶液被擠壓到復合材料管或接合處的任何縫隙或空洞中，然后進行二次固化。
另外，還可以用通過復合材料管和金屬端部配件內(nèi)孔穿過一個可取下的管達到密封。在該管是復合材料管時，該管可穿過復合材料管和端部配件的全長。這個內(nèi)復合材料管帶有在兩端它的外徑上的密封，用于相對外復合材料管和端部配件密封內(nèi)管，因此，復合材料管/端部配件的接合處被密封。
還可以用金屬套進行復合材料管/金屬接合處的密封。此時，在復合材料管/端部配件結(jié)構的兩端用兩個分開的套筒與端部配件的和內(nèi)復合材料管的一小段重疊，使得復合材料段在管的中部。在套筒的每端有適當?shù)拿芊?，用以將復合材?金屬接合處密封。
金屬/復合材料接合處的預應力處理另外，可在復合材料管/端部配件接合處進行預應力處理，以便減少在負荷下復合材料管相對于端部配件運動的可能性。可使用的方法有幾個。
例如，在內(nèi)復合材料管組裝在金屬端部配件后，在纏繞外纖維層前和在纏繞時，可縱向壓縮總成。端部配件和基本復合材料管在組裝桿上時，通過壓縮這些組件，和在外層纏繞和固化時保持適當?shù)膲毫蛇_到此目的。固化后，除去壓縮負荷，從而在外管中留下拉負荷，因此，在金屬端部配件上的錐度收縮處留下壓縮負荷。
另外，或同時，可使復合材料管的熱膨脹系數(shù)小于鋼端部配件。此時，在固化和隨后冷卻時，復合材料管的收縮比金屬的快。因此，如果固化溫度在鉆鋌的工作溫度上，復合材料管在金屬端部配件上施加一個壓縮負荷(徑向)。
還可以使得端部配件的幾何形狀能夠做成這樣，使得用一個鎖緊螺母系統(tǒng)在端部配件的收縮處上施加一個壓縮負荷。用圖9和9A所示的系統(tǒng)可達到此目的，其中，端部配件是兩部分，即內(nèi)和外端部配件14a和14b。如所示，在外端部配件14b上有一個壓縮面14e，它可以在固化后相對于外纖維層16緊固，從而在金屬端部配件的收縮處施加一個壓負荷。
另外，如圖10所示還可以使得端部配件的幾何形狀能夠做成這樣，使得使用一個鎖緊螺母在端部配件的收縮處上施加一個壓縮負荷。一個螺母14f在金屬端部配件14的螺紋段14c旋擰。如所示，螺母具有一個壓縮面14e，它在固化后相對于外纖維層16緊固，從而在金屬端部配件的收縮處施加一個壓負荷。
圖11示出接合處預應力的另一個例子，其中，端部配件也是兩個部分14a和14b。在此實施例中，帶螺紋段14c形成在內(nèi)外端部配件上。外部有一個幾何形狀，使得彎曲應力傳遞表面26包括在外端部配件上。如所示，外端部配件可相對于內(nèi)端部配件上緊。因此，圍繞內(nèi)外端部配件纏繞外纖維層后，外端部配件可相對于內(nèi)端部配件緊固，從而在接合處施加一個壓縮和徑向負荷。
帶端部配件的復合材料管的靜態(tài)測試數(shù)據(jù)帶端部配件的6.75英寸外徑25英尺復合材料鉆井接頭的靜測試完成如下a)軸向負荷測試用軸向負荷循環(huán)測試評估在循環(huán)的拉和壓負荷下的復合材料性能。
在3.5百萬磅的管材測試系統(tǒng)(TTS)中進行拉/壓測試。制成特別的測試夾具將試樣的端部連接到TTS的啟動器和十字頭上。施加的負荷由TTS壓差傳感器(系列號135841)對測試用的1500kN的范圍測量。壓差傳感器具有壓力全量程-0.135％和拉力全量程+0.151％的誤差。
直接從TTS啟動器線性變量差動變換器(LVDT)測量位移。LVDT(系列號91203)對測試用的±50mm范圍具有±0.5％(±0.010英寸)的全量程誤差。在測試時連續(xù)監(jiān)視施加的負荷，啟動器的位移和時間，并由數(shù)字數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄在盤上。
拉/壓測試包括軸向拉力到300千磅；在0和200千磅件進行10次軸向拉伸循環(huán)；
軸向壓力到75千磅；在0和50千磅間進行10次軸向壓縮循環(huán)；在310千磅一小時蠕變測試。
b)扭轉(zhuǎn)測試在順時針(上緊)和反時針(松開)方向進行扭轉(zhuǎn)測試，檢驗扭轉(zhuǎn)能力。
用160,000英尺磅上緊力矩200,000英尺磅松開扭矩機進行測試。在接頭的端部裝有100,000英尺磅上緊和松開的扭矩儀，監(jiān)測施加的扭矩。
扭轉(zhuǎn)測試包括高達50,000英尺磅的靜力矩上緊，上緊力矩增量5,000英尺磅，繼之以高達45,000英尺磅的靜力矩松開，松開力矩增量5,000英尺磅。
附加的測試包括在20,000-25,000英尺磅的力矩上緊，繼之以20,000-25,000英尺磅松開力矩各循環(huán)10次。在循環(huán)測試后為了檢驗扭轉(zhuǎn)的完整性，再施加到50,000英尺磅的上緊力矩和45,000英尺磅的松開靜力矩。
復合材料鉆井接頭的測井接頭透明度測試在典型的油田鉆機環(huán)境中的井下培訓維修設施上對復合鉆井接頭成功地進行了測試。復合材料鉆井接頭經(jīng)受了典型的井下條件，以及測井運行，其中，與全鋼測井接頭進行了比較，鉆井接頭的透明度和傳播特性增強。
該測試包括在地面將復合鉆井接頭組裝到鉆柱的井下總成中，將該鉆柱下入到650米深的井中。在鉆井接頭中的復合材料鉆井接頭的存在不影響鉆機在井內(nèi)的1〕起下鉆，2〕旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤，3〕動力鉗接鉆桿，4〕卸鉆桿或5〕循環(huán)流體等工作。
在650米的深度，一補償中子-伽馬射線儀器下入到復合鉆井接頭中，測井數(shù)據(jù)送至地面。
與全鋼鉆井接頭比較，該測井結(jié)果1.提高了伽馬射線靈敏度。2.5”厚的復合材料管壁使得伽馬射線的衰減為最小。相比之下，0.8”厚的鋼壁，伽馬射線的傳播衰減達到60％。2.5”厚的鋼壁基本是對伽馬射線傳播是不透明的。
2.提高了中子靈敏度。復合材料鉆井接頭與鋼比具有低衰減特性。復合鉆井接頭內(nèi)進行中子孔隙度測量得到改善，因為，復合材料纖維排開井中的流體，從而使得井中流體的中子緩和影響達到最小。
3.改善了電磁傳播。復合材料鉆井接頭電磁透明度比鋼高。而且，如2所述的，由于排開了井中的流體，也有助于電磁傳播。
在圖12中示出了在常規(guī)的鋼絲繩測井和起下鉆測并之間的伽馬射線測井的比較。可見到，在這兩種測量技術間伽馬射線測井數(shù)據(jù)具有很好的相關性。
復合材料鉆井接頭因衰減減小，傳播性能提高，整個的測井速度可提高，操作時間減小，這表明，與全鋼設計比較，使用復合材料鉆井接頭具有根本的改進。
在本說明中用的術語和表達式是為了便于說明，而不是限定。無意使用這些術語和表達式排除所述特征或部件的等同物。應理解，在本發(fā)明的范圍內(nèi)可能有各種變形。
權利要求
1.一種復合材料體，它對物理和性能設計點有信號衰減特性，所述復合材料體包括用粘結(jié)劑浸漬的多層纖維層，其中，每個纖維層是由具有不同機械和信號衰減性能的纖維材料選出的，并且每層纖維是根據(jù)設計點希望的機械性能，信號衰減和相移性能相對于一個參考點定向的。
2.根據(jù)權利要求1所述的復合材料體，其中，所述粘結(jié)劑是水泥或是樹脂或是它們的結(jié)合。
3.根據(jù)權利要求1所述的復合材料體，其中，所述復合材料體是具有縱軸線的管，所述纖維層包括玻璃纖維，aramid纖維和碳纖維任何一種，或這些纖維的結(jié)合，其中，所述纖維的方向相對于縱軸線±10°，使得信號衰減最小。
4.根據(jù)權利要求3所述的復合材料管，其中，碳纖維是從Grafil HR40，或Grafil55-500碳纖維中選擇其一，或是它們的結(jié)合。
5.根據(jù)權利要求3所述的復合材料管，其中，玻璃纖維是從e-glass，s-glass，Owens Corning S-2 glass或Nextel中選其一，或是它們的結(jié)合。
6.根據(jù)權利要求3所述的復合材料管，其中，aramid纖維是Kevlar149。
7.根據(jù)權利要求1所述的復合材料管，其中，粘結(jié)劑是環(huán)氧樹脂。
8.根據(jù)權利要求7所述的復合材料管，其中，環(huán)氧樹脂是從Shell DPL862樹脂或EX-1545RTM系統(tǒng)選其一。
9.根據(jù)權利要求1所述的復合材料體，其中，粘結(jié)劑是水泥為基的，是下列任何一種或它們的結(jié)合硅酸鹽水泥，硅酸鹽-鋁-石膏水泥，石膏水泥，鋁-磷酸鹽水泥，硅酸鹽-磺基鋁酸鹽水泥，硅酸鈣-單磺鋁酸鹽水泥，玻璃離子交聯(lián)聚合物水泥，或其他無機水泥。
10.一種復合材料管鉆井接頭，包括多層第一類和第二類樹脂浸漬纖維層，其中第二類層散布在第一類層中，所述復合材料管鉆柱適于與一測井工具配用。
11.根據(jù)權利要求10所述的復合材料管，其中，所述第一類層是相對于所述管的縱軸以±10°的角度纏繞，所述第一類層包括0-50％高模量的碳纖維，0-50％aramid纖維和16-50％的高強度玻璃纖維。
12.根據(jù)權利要求10所述的復合材料管，其中，第二類層相對于所述管縱軸以90°角纏繞，第二類包括100％的高強度玻璃纖維。
13.根據(jù)權利要求10所述的復合材料管，其中，所述第一類層構成90％的管壁總厚度。
14.根據(jù)權利要求10所述的復合材料管，其中，所述第二類層以1-9個離散徑向位置均勻地通過管壁散布。
15.根據(jù)權利要求10所述的復合材料管，其中，第一類層相對于管的縱軸以±10°纏繞，第一類層包括25％高模量碳纖維，25％aramid纖維和50％高強度玻璃纖維。
16.根據(jù)權利要求10所述的復合材料管，其中，復合材料管在20kHz具有至少70％的信號衰減響應。
17.根據(jù)權利要求10所述的復合材料管，其中，所述的復合材料管具有纖維大約占60％體積的顯微結(jié)構。
18.根據(jù)權利要求10所述的復合材料管，其中，所述管是7.31英尺長。
19.根據(jù)權利要求10所述的復合材料管，其中，所述管的性能要求包括拉伸負荷，壓縮負荷，扭轉(zhuǎn)負荷，內(nèi)壓，疲勞極限，橫向剛度，沖擊強度，拉伸強度和屈服強度，達到或超過美國石油學會標準7的規(guī)定。
20.根據(jù)權利要求10所述的復合材料管還包括，混在所述纖維層中的或所述管外表面的涂敷的耐磨層。
21.根據(jù)權利要求20所述的復合材料管，其中，所述的耐磨層是ArmorStone CeraTrowel。
22.根據(jù)權利要求10所述的復合材料管，其中，所述粘結(jié)劑浸漬的纖維層包括和粘結(jié)劑混合的陶瓷粉末。
23.根據(jù)權利要求10所述的復合材料管還包括，通過附加的纖維層和粘結(jié)劑，一體地裝在復合材料管上的端部配件。
24.一種鉆柱組件包括，根據(jù)權利要求3所述的復合材料管，還包括結(jié)合在所述復合材料管結(jié)構內(nèi)的一體的端部配件，所述端部配件包括一個管座，用于將所述端部配件設置在所述復合材料管內(nèi)；至少一個壓縮支承表面，在端部配件和基本復合材料管間支承壓縮負荷；至少一個扭轉(zhuǎn)傳遞表面，在端部配件和基本復合材料管間傳遞扭轉(zhuǎn)負荷；至少一個彎曲應力傳遞表面，在端部配件和基本復合材料管間支承彎曲應力負荷；至少一個軸向拉伸表面，在端部配件和基本復合材料管間支承軸向拉伸負荷。
25.根據(jù)權利要求24所述的鉆柱組件，其中，所述至少一個扭轉(zhuǎn)傳遞表面包括多個表面。
26.根據(jù)權利要求25所述的鉆柱組件，其中，所述至少一個扭轉(zhuǎn)傳遞表面包括八個表面。
27.根據(jù)權利要求26所述的鉆柱組件，其中，所述八個表面中均相對于端部配件的縱軸平行。
28.根據(jù)權利要求26所述的鉆柱組件，其中，所述八個表面中每個是相對于端部配件的縱軸帶錐度的表面。
29.根據(jù)權利要求26所述的鉆柱組件，其中，所述多個表面是相對于所述端部配件的縱軸帶錐度的表面和平行的表面的結(jié)合。
30.根據(jù)權利要求24所述的鉆柱組件，其中，通過附加纏繞浸漬粘結(jié)劑的纖維將端部配件安裝到復合材料管。
31.根據(jù)權利要求30所述的鉆柱組件，其中，以90°纏繞附加的高模量玻璃纖維。
32.根據(jù)權利要求24所述的鉆柱組件，其中，端部配件還包括穩(wěn)定器和/或耐磨墊。
33.根據(jù)權利要求32所述的鉆柱組件，其中，所述穩(wěn)定器包括與微脈沖成象無線電探測裝置配用的金紅石或鋯聚焦透鏡。
34.根據(jù)權利要求24所述的鉆柱組件，其中，所述端部配件是由AISI4145H MOD鋼制成的。
35.根據(jù)權利要求24所述的鉆柱組件，其中，所述端部配件是由無磁材料制的。
36.一種鉆柱組件，具有一個帶整體端部配件的復合材料管的中段，它具有信號透明度，所述鉆柱組件包括一個基本復合材料管，所述基本復合材料管包括第一和第二類浸漬粘結(jié)劑的多層纖維，其中，所述第一類層中散布著第二類層，第一類層以相對于管縱軸±10°的角纏繞，第一類層包括40％的高模量碳纖維，44％aramid纖維和16％高強度玻璃纖維，第一類層構成整個管壁厚的90％，并且，第二類層是以相對于所述管縱軸的90°角纏繞，第二類層包括100％高強度玻璃纖維，在多個分散的徑向位置處在管壁中均勻地散布；并且所述整體端部配件包括一個管座，用于將所述端部配件設置在一個復合材料管內(nèi)。至少一個壓縮支承表面，在端部配件和基本復合材料管間支承壓縮負荷；至少一個扭轉(zhuǎn)傳遞表面，在端部配件和基本復合材料管間傳遞扭轉(zhuǎn)負荷；至少一個彎曲應力傳遞表面，在端部配件和基本復合材料管間支承彎曲應力負荷；至少一個軸向拉伸表面，在端部配件和基本復合材料管間支承軸向拉伸負荷；其中所述整體端部配件是通過附加纏繞浸漬粘結(jié)劑的纖維安裝到所述基本復合材料管。
37.一種形成帶整體端部配件的復合材料管的方法，它包括以下步驟a)在一個鋼芯上纏繞粘結(jié)劑飽和的纖維的基本內(nèi)管；b)固化所述粘結(jié)劑，形成一個固化管；c)從所述固化管除去所述芯；d)切割所述固化管成定尺，形成一個基本管；e)在所述基本管內(nèi)插入一個對準芯，將端部配件置于所述對準芯上的所述基本管內(nèi)；f)在所述基本管和端部配件上纏繞粘結(jié)劑飽和纖維的外層，形成帶端部配件的復合材料管。
38.根據(jù)權利要求37所述的方法還包括將一種粘結(jié)劑涂層加到所述復合材料管的外表面的步驟。
39.根據(jù)權利要求37所述的方法，其中，所述端部配件和外層限定復合材料/端部配件接合處，還包括將復合材料/端部配件接合處預加應力的步驟。
40.根據(jù)權利要求39所述的方法，其中，向所述復合材料/端部配件接合處施加預應力的步驟包括在纏繞和固化外纖維層時，壓縮所述固化管和端部配件。
41.根據(jù)權利要求39所述的方法，其中，所述復合材料管的熱膨脹系數(shù)小于所述端部配件的熱膨脹系數(shù)，并且當所述外纖維層纏繞和固化時，在所述端部配件上產(chǎn)生一個壓縮力。
42.根據(jù)權利要求30所述的復合材料管，其中，所述端部配件和外層限定復合材料/端部配件接合處，所述端部配件可接受一個鎖定螺母，用于在所述復合材料/端部配件接合處施加一個壓力。
43.根據(jù)權利要求30所述的復合材料，其中，所述端部配件包括一個內(nèi)和一個外端部配件，它們可以在所述的復合材料/端部配件接合處施加壓力。
44.根據(jù)權利要求30所述的復合材料管，其中，所述端部配件和復合材料層限定內(nèi)復合材料/端部配件接合處，所述復合材料還包括一個內(nèi)套，它可以密封所述內(nèi)復合材料/端部配件接合處。
45.根據(jù)權利要求44所述的復合材料管，其中，所述內(nèi)套是一個金屬或復合材料件。
46.根據(jù)權利要求3所述的復合材料管適于從井眼中采集數(shù)據(jù)，所述復合材料管具有信號透明度，允許使用數(shù)據(jù)采集設備，所述數(shù)據(jù)采集設備是下述設備中選出的任何一個，或它們的結(jié)合復合材料管內(nèi)進行工作的伽馬射線發(fā)射器和傳感器、中子發(fā)射器和傳感器、聲發(fā)射器和接收器、感應EM發(fā)射器和接收器、定向測定設備。
全文摘要
本發(fā)明涉及復合材料結(jié)構,它可減小信號的衰減。特別是,本發(fā)明涉及具有電磁和聲學性能的復合材料鉆柱組件,它使得可以使用電磁、聲和中子檢測設備在鉆桿內(nèi)從井筒獲得數(shù)據(jù)。在一個特定實施例中,復合材料管接合端部配件,端部配件使之連接到鉆柱中,從而在復合材料管內(nèi)可以使用測井設備。
文檔編號E21B47/12GK1203671SQ96198793
公開日1998年12月30日 申請日期1996年11月22日 優(yōu)先權日1995年12月5日
發(fā)明者丹尼爾·G·波默利尤, 布賴恩·斯潘塞, 馬克·沃格赫爾, 道格·麥克萊恩, 保羅·帕斯塔沙克 申請人:Lwt儀器設備公司