专利名称：聚芳酮醚型热塑性塑料在井下仪中的应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及以聚芳酮醚为基础的热塑性材料的制造及其在制造用于井下测量的油田仪器方面的应用。就基本情况而言，井下测量仪器是在非常困难的环境条件下工作的。每年陆上与海洋的钻井深度越来越深，由于井变得越来越深之故，操作压力与温度也变得越来越高。开孔或使孔显露涉及穿透地下岩层切削出圆形的钻井孔，在钻头穿透每一层岩层后，留下相当粗糙甚至磨损的表面。尽管由于泥饼在侧壁上的积聚会使摩损性减少，但是沿着钻井孔反复移动的测井仪仍会产生磨损。此外，它们更经常是相对于垂直位置有些倾斜，这也对井下仪产生很大磨损。测井仪向下进入到钻井孔，移动到井底，然后复位，这种沿井全长移动使测井仪与钻开的孔发生磨擦接触。
钻成的井可能是非常具有侵蚀性的环境。钻井孔通常是凹凸不平且被磨损的。常被用来促进钻探的钻探泥浆包含化学添加剂，它们能够降解非金属材料。它们具有pH达12.5的碱性。其他的井产流体可能包括对许多材料具有腐蚀性的盐水、原油、二氧化碳和硫化氢。
随着深度的增加井下条件逐渐变劣。在深度为5000～8000米处，经常遇到的井底温度(BHT)为260℃而压力为170MPa。这加重了与之接触的测井仪材料的降解。
这样的高温与高压(下文简称HPHT)深井条件损害外部的或与之接触的测井仪元件。内部的电子元件必须防热而外罩必须是不能被分解的。当被暴露于碱性钻探泥浆和其他的腐蚀性井产流体时，最易损坏的材料是塑料与复合材料。某些仪器，例如，电感和磁共振测量装置要求非导电的、非磁性材料结构以便能正确地发挥作用。这要求材料基本上能透过电磁辐射且其磁导率为1。
陶瓷通常太脆，即，剧烈的冲击能使陶瓷破裂。本发明提出一种复合材料体系，以其成型为罩住井下测量仪器的罩体，并且更具体提出一种能主要在以260℃或更高的井底温度下操作的复合材料成型的井下测量仪器用的罩体。它能构成长型圆柱形套筒，与之连接处于端部位置的部件是罩体主体以及其他的非金属元件，由此将完整的仪器箱体及其内部的元件保护住。就内部而言，压力平衡通常是通过提高仪器内部的压力到大致与外部压力相等来实现的。深井遇到的压力高达170MPa或更高。
常用的塑料例如环氧与酚醛塑料适于在最高180℃与100MPa的条件下工作它们尚不能经受更为严酷的条件。曾对许多可供选择的材料进行评估，但出于许多理由而将其排除。例如，聚酰亚胺、聚醚酰亚胺(“ULTEM”)以及聚酰胺酰亚胺(“TORLON”)被公认是极为耐高温的，然而，它们在井产流体中也会被破坏，因为其酰亚胺与酰胺键在高pH下被迅速水解降解。聚苯硫醚虽然是耐水的，但是其晶体熔点为260℃，对于这种应用来说是太低了。
另一类材料，聚芳基酮醚符合此应用所需要的热与化学方面的要求。它具有所希望的高压、高温操作性能，并且还能防止井产流体与地层流体的化学侵蚀。它甚至在化学活性材料存在时的HPHT条件下也能提供结构刚性与强度。例如，在深井中始终存在H2S侵袭的危险性，而本发明的壳体不渗透H2S。此外，它是坚韧而有弹性的，以致在井下钻探中移动期间的磨擦接触不会损坏或危害装置。最后，所述装置能很好地封闭感应测井仪的所有传感元件，而所述新壳体基本上能透过来自测井仪的信号及来自地岩层的应答信号。
本发明包括一个罩住被支承在钻杆与导线上的测井仪箱体的套筒。合格的井下罩体、端部连接的部件(subs)、以及其他零件均由在HPHT条件下操作的基于聚芳基酮醚的热塑性材料制造的。
本发明的壳体是由复合材料纤丝形成的。感应测井仪罩是由许多层缠绕在型芯上的连续长丝组成的，它由所需层数以螺旋角缠绕的多层组成。为了形成强化结构，这些层是以无导程角并且以改变角度倾斜方式缠绕的。除了壳体外，起不同作用的各种几何形状的零件则可以用其他各种方法来制造。
感应测井仪利用被支撑在二个处于端部的部件之间的细长套筒。所述部件优选通过注塑形成。模型实体被机加工成所要求的形状，并且施加注塑温度与压力至模实体部件。优选的形式是利用无规分布的相同玻璃纤维材料的切短纤维。它们通常被无规地分布在被提高到适于注塑温度的流动粘合浸渍塑料中。在所需高温下施加所要求的压力，该方法可模塑出所要求的形状。由于构成模具中合适的腔体，成型件的机械加工可减至最小。一般来说，在密封表面上需要机加工以确保尺寸稳定性，足以使该部件能连接到套筒上。
本发明涉及使用所说的材料制造在严酷环境中使用的测井仪。该材料在高达260℃的温度与高达170MPa的压力而同时受钻井泥浆与H2S等腐蚀下，表现出出人意料的耐受性。
因此本发明包括通过压模或通过在旋转的型芯上施用预浸丝束(其定义将在下面说明)，以及与适当的设计准则(该设计准则是作为耐受性强的HPHT井下仪功能所要求的)相结合的精细机加工而形成的部件。在上述二种情况中，优选使用的树脂是与玻璃纤维相粘合的聚芳基酮醚树脂，由此提供所需的强度、电磁特性，而同时能抵抗深井中出现的高温、高压与腐蚀性流体的作用。
结合下面的附图本发明的优点将变得更明显。当然这些附图仅是被用来说明本发明的，而并不以此来对本发明加以限制。
在这些附图中
图1显示将柔软的纱与浸渍树脂转化成能缠绕在旋转型芯上的预浸丝束以形成感应测井仪的细长圆柱形套筒的制造步骤顺序方框图，其中预浸丝束在型芯周围缠绕而形成完整的壳体；图2是完成的壳体放大端视图，显示出部分壁以及表示多层预浸丝束如何构成；图3是是部份被剖开制好的感应测井仪壳体侧视图，图示形成壳体及其为壳体提供强度的多层结构；图4显示导线支承的测井仪；图5显示钻杆支承的测井仪与钻井仪器；图6为图5的仪器的截面图；和图7为透视套筒的立方图，显示出由套筒所支持的线圈布置。
首先参看附图1。图1提出一种形成优选的聚芳基酮醚树脂的方法。作为由多层复合材料形成测井仪的细长套筒的起始步骤，首先形成被称为预浸丝束的树脂浸渍的纤维增强件。测井仪的例子将在后面给出。在图1中，号码10代表预浸丝束制造与缠绕的生产线。使若干相同的纤维线轴12处于这样的位置，即要使它们能引导几根纤维并排而成的纤维束，形成所述预浸丝束20。预浸丝束的放大图以20表示。所形成的预浸丝束20具有特定的宽度与厚度。厚度一般为约0.008″～约0.02″，宽度最高约0.25″。一般说来，它是被挤压出而形成矩形截面。形状由模头限定，提供所要求的矩形横截面。
所述纤维优选为Owens Corning玻璃纤维公司提供的，被称为S2玻璃纤维的高温材料。该玻璃纤维为高强度硅铝酸镁玻璃。该玻璃纤维的直径为约10～约40微米。它们最好为完整的长丝，即，它们非常的长。它们是以许多单根纤维聚集在一起而构成交缠纤维料使用，虽单根纤维长度有限，但是当交缠集合在一起后其长度基本上是无限的。几种不同来源的纤维被绕在线轴上以提供可控制的张力，及使其达到所需的预应力。
此类聚芳基酮醚被公开在美国专利4320224中。从结构上说，它们是由下面的重复单元组成的半结晶热塑性树脂-C6H4-,-O-,-C(O)-其中-O-与-C(O)-单元被至少一个-C6H4-单元隔开。
一类所谓的PEEK由Victrex USA,Inc.of West Chester,PA制造，并被公开在美国专利4320224中。其重复单元如下[-C6H4-C(O)C6H4OC6H4O-]n，其中n为约100。
另一类所谓的PEKK是由Cytec Fiberite制造的。它具有下列重复单元[-C6H4OC6H4C(O)C6H4(CO)-]n，其中n为约100。
第三类所谓的ULTRAPEK由BASF销售，其重复单元为[-C6H4OC6H4C(O)C6H4OC6H4OC6H4C(O)C6H4C(O)-]n，其中n为约50。
本发明的优选塑料树脂包括以上三种所说的树脂，其中PEKK是最优选的。本发明的优选实施方案中，将埋入树脂中的玻璃纤维缠绕形成所需的尺寸，并且以后如果需要的话可以进行机加工。
至多约2％的碳黑可添加到选定的树脂中。由于其提高吸热性而在缠绕操作中有好处，在最终产品中它还能降低UV分解作用。少量的碳粒不会损害电学性能。被选定的树脂以特定粘度使用并被加热到足以有效地浸渍纤维12的高温。更具体地说，此温度至少为约650°F，而最有效的温度为约700°F或稍高。成品中树脂约占33～43％重量，而其余部分由玻璃纤维成分12构成。
通过泵32将选定的树脂30与纤维12一起输送到加热的挤出机36。引导预浸丝束通过张力辊40，到梭式驱动器42使之缠绕在旋转的型芯44上。若干个相邻的加热器46根据需要施加外热与内热，而使被拉件20以多层形式缠绕而形成为“整体”件。图2与3显示围绕型芯形成细长套筒的不同层，这包括一个或多个无偏斜角的底层24，以及具有相反偏斜角的层26与层28。外层26基本上没有偏斜角。被制成一定长度与厚度的代表性罩体用于测井仪将在下面进行介绍。
有几种不同的构成完整强化纤维复合材料的方法。这些方法包括长丝缠绕、叠加片材的压塑、和连续模压。就本申请权利要求书所说的那些聚芳基酮醚来说，最优选的方法是长丝缠绕法。第一步是用如美国专利4549920中所述的树脂浸渍S2玻璃纤维束。玻璃纤维束包括许多长丝，长丝的直径优选最大24微米。受拉的丝束连续地通过热辊隙，在该处丝束被展开并注入熔融的树脂，以便基本上使整个丝束所有的长丝被树脂润湿。被称为预浸丝束的已浸渍丝束为扁平带状。然后如美国专利5160561中所述，以往复式走车被横向缠绕在旋转的型芯上。通过适当地加热熔化每一连续层，使其与前一层熔合，然后冷却和固结。所形成的整体结构具有测井仪壳体所要求的所有性质。
各层是以相对于型芯轴一定角度被绕上去的，所述的角度在0与90°之间变化。X、Y与Z各方向上的机械性能取决于角结构，因此该角结构是根据工程要求而规定的。典型的测井仪要求具有直径为2～20cm的管形罩，壁厚为0.2～2cm，而长度最长六米。上述的长丝缠绕法非常适用于生产具有这种尺寸的管形。
本发明之前，被确定为260℃级的测井仪用的外罩包括用玻璃纤维强化的热固性酚树脂。外罩是通过用酚树脂浸渍织造玻璃纤维所得到的预浸丝束制造的。所述的预浸丝束缠绕在型芯周围达到所要求的厚度，然后在热与压力下固化。所形成的热固性复合罩体非常不可靠；有时它们能按设计操作，但更常见的是由于破裂而损坏。
通过将其在高压井中浸在270℃与179MPa静水压的水中几小时，而对外罩进行检验。试验井中一次移动之后大部分的外罩均被破坏。而经受住井中试验的罩体通常在进行一次测井工作后也被破坏。破坏是由于固化期间树脂收缩产生裂缝而造成的内部缺陷之故。本发明的热塑性复合材料壳体不存在这一缺陷，因此在井中试验时不会被破坏。
比较复合材料壳体的另一种方式是在井中试验之前后对它们的性质进行测定。为此研究出一种测定“环弯曲强度”的方法。将从壳体中切取的一英寸环在测试机的二块相对的平板之间沿直径压缩到直至被破坏为止。由应力/变形曲线使用公知的公式能够计算出环的模量与强度。
进行一系列的测试，其中环被置于温度为176～260℃和压力为179Mpa的水或油中，时间最长12小时。被置于水或油之前后对代表性的各环进行环弯曲试验。酚树脂/玻璃纤维环显示出过高的环弯曲强度损失。在典型的试验中，仅在232℃一小时与260℃一小时后，环弯曲强度由140Mpa下降到78.6Mpa。
为了比较，对由玻璃纤维强化的PEKK树脂制的长丝缠绕环在更严酷的条件下进行测试。在270℃与145Mpa压力水中浸泡六小时后，该环弯曲强度为206Mpa而弯曲模量为36Gpa。
任意长度的切断的玻璃纤维与优选的树脂进行随意混合，并在合适的温度与压力下通过注塑机被注入到限定一定形状部件的模具中。如前所述，可将高达约2％的碳黑分布在整个树脂中。纤维或多或少是无规取向的。纤维提供明显的结构整体性，并对CTE有些改善作用，它们占混合物的约30％或40％重量。在注塑后，所形成的组件具有需要的特性，这些特性在下面钻井中的一般应用中讨论时将显得更明显。
现参看附图4，图4显示在充填流体的井中导线支承的测井仪。与此相对照，下面将要讨论的图5显示被悬挂在钻井杆上的测井仪。很明显上述二种情况中，所示出的孔是垂直的，但并不总是处于这样的一般位置。通常，钻井是以垂直于表面垂直下钻的，但会以某一角度偏离垂直线。借助重力，本发明的测井仪50下降到井孔52。若井中部件可被加套，那么可以避开与测井仪50相邻的一般环境。钻井孔是凸凹不平的，与测井仪50相邻所示部分的泥饼50聚积在井壁，对降低井孔的磨擦性有一定作用。尽管这样，凸凹不平的状态仍会擦伤悬挂于导线56上的测井仪表面。因这种情况下，仪器可靠着井侧牵引，基于仪器重量，井的角度和其它因素的多变性，一定磨擦损伤会积累下来。一般来说，该仪器要降至完成测井和校正的所需深度，该深度是埋于井孔中液体柱58之中，图4简明地提供测井仪暴露于高碱性液体的HPHT环境下的相关情形，液体58中或许夹带有H2S。测井仪50可能装有某种类型的地岩层辐射装置(formation irradiation device)60，和相配的响应传感器(responsive sensor)62。装置60可以是一个或多个在与之毗邻的地岩层中能形成感应EMF埸的排列线圈。一般指发射线圈(意指一个或多个)，在此情况下，传感器62被称为接收线圈(一个或多个)，于是线圈系统在地岩层中进行电感井下测量。另一例子是中子发生器，中子发生器发射中子到地岩层，而传感器62是辐射检测器，例如NaI检测器。不管具体的辐射装置60如何，配套的传感器62都将接收和适当地响应，并发出对确定沿钻杆地层性质有用的测量信号。本发明的测井仪装有壳体64，壳体64被装在一对位于端部的部件66之间。壳体是按上述方式制成的，以便容纳测井仪的操作件。中空的壳体被装在位于合适的端部部件66上，是使用本发明优选树脂通过注塑制成的。壳体64与部件66的表面优选由上述优选树脂形成。
图5显示另外一种测井体系。该图5公开一种测量同时钻井的体系。该体系包括被悬置在井孔70中用来连续钻井用的钻杆68。钻杆68包括从凯氏方钻杆延伸的合适长度的钻管从地面处按图示方向旋转。在钻杆的下端，随着旋转钻头72将孔向前推进。还装有若干个钻杆套环74。钻杆套环与钻管相套其壁极厚，以增大刚度与重量，由此使钻孔保持较直方向。穿过钻杆向下泵入泥浆，流过套环74中的内部通道76，并通过钻头72流出，然后从钻杆外部的环形空间返回到地面。钻杆包括一个或多个常用的钻杆套环74。对本发明具有重要意义的是，最好最下面的钻杆套环包括测量与钻井(LWD)装置。本发明对LWD的重要意义参见图6。图6中钻杆套环74设有小室78以容纳测量仪器。该测量仪器可以是与图4中的60相同的测量仪器。更具体地说，包括某种类型的辐射装置与感应器，二者被装在小室78中。确切地说，沿着钻杆套环74可能有若干个这样的小室。这些小室的位置要使其实质上不会削弱钻杆套环的强度。一般说来，辐射是以束的形式或完全绕井孔向外发射。一种电感测量仪的例子是围绕井孔径向外延伸的测量体系。在任何情况下，测量体系的操作设备被装在小室78内并受其保护，而套筒80包着它。套筒80是根据本发明介绍构成的。
这样，套筒80能透过以任何所需频率发射的辐射线(包括EMF)。此外，它能使小室78与井中流体隔开。制成的圆柱形外壳80是根据本发明构成的。它具有能在明显的HPHT下操作的优点，并且还能将EMF透射到地岩层中。
现参看附图7，图7显示一种根据本发明的改进的壳体。被示于图7中改进的壳体82与处于端部的部件66是适合于测井仪50使用的。部分壁被剖去以便用剖面图表示其结构。所述的壳或套82用第一个线圈84构成，线圈84被缠绕于壁厚度之内。第二线圈86与第一线圈是相隔开的。第二线圈也是被整体绕制在壁。照这样，一个或多个线圈构成电感测井仪发射与接收线圈组。一般来说其尺寸是壁可为约0.50英寸厚，且壁中包括一圈或多圈线圈84与86。导线直径与要求相适应。线圈84与86的每一个是由一圈或多圈导线构成的。例如，线圈84为电感测井装置的发射线圈，而线圈86为电感测井装置的接收线圈。如果需要的话，构成装置的各线圈可以部分或整个埋入壁中。图7还显示壁中的内部凹槽88，凹槽内安装传感器90，传感器90对返回到测量仪器的EMF或其他辐射触发的信号作出反应。因此，传感器可如图示那样被隐藏或埋装于内表面上，并且也可以突出于内表面。传感器可以整体形成或在制造后安装。被示于图7的传感器构件可以被配置于图4导线支撑仪器50中，或被配置于图5的LWD仪中。
以上所述仅是优选实施方案，而本发明的范围是由以下权利要求书来确定的。
权利要求
1．一种测井仪，包括用于辐射地表下地岩层的信号源，和保护所述信号源的外罩，该外罩包括聚芳基酮醚热塑性树脂的壳体。
2．权利要求1的外罩，其中所述树脂是具有下面重复单元的线型芳族聚合物-C6H4-,-O-,-C(O)-其中-O-(醚)与-C(O)-(酮)单元至少被一个-C6H4-(亚芳基)单元隔开。
3．权利要求2的外罩，其中所述壳体是制成细长圆柱形纤维套的纤维强化复合材料。
4．权利要求3的外罩，包括包裹有所述树脂的多层所述纤维，其中所述各层具有特定的角偏移位置。
5．权利要求4的外罩，其中所述的壳体包括所述树脂形成的特定壁厚；而所述纤维是玻璃纤维。
6．权利要求2的外罩，其中将能增加所述壳体吸热性与降低UV降解的材料添加到所述树脂中。
7．权利要求6的外罩，其中所述材料是碳黑。
8．权利要求1的外罩，其中所述测井仪的放置要使所述信号源与信号传感器在所述的外罩中。
9．权利要求8的外罩，其中所述信号源与信号传感器在罩内处于同心位置。
10．一种测井仪，包括对来自地表下岩层信号作出反应的传感器和围绕传感器由部件支承的外部壳体。
11．权利要求10的测井仪，其中所述由部件支承的壳体包括与部件端部相连的细长中空圆柱形壳体。
12．权利要求11的测井仪，其中所述的部件包括与所述壳体一端相连并与其同心装配的环形部件。
13．权利要求11的测井仪，其中所述的部件包括被许多非连续纤维强化的模塑实体。
14．权利要求10的测井仪，其中所述由部件支承的壳体包括完全与所述壳体为一体的细长圆柱形、多层、玻璃纤维强化的套筒。
15．权利要求14的测井仪，其中所述的测井仪壳体包括所述热塑性材料整体，而所述材料是由下面物质组成的热塑性树脂[-C6H4-C(O)C6H4OC6H4O-]n，其中n为约100；[-C6H4OC6H4C(O)C6H4(CO)-]n，其中n为约100；[-C6H4OC6H4C(O)C6H4OC6H4OC6H4C(O)C6H4C(O)-]n，其中n为50；或它们的混合物。
16．权利要求10的测井仪，其中所述壳体罩住由导线支承的信号传感器。
17．权利要求10的测井仪，其中所述壳体罩住钻杆套环。
18．权利要求17的测井仪，其中所述壳体封闭与罩住被安装在所述钻杆套环上的所述传感器。
19．权利要求18的测井仪，其中所述壳体同心环绕所述钻杆套环。
20．权利要求10的测井仪，其中所述壳体从其内部支撑所述传感器。
21．权利要求20的测井仪，其中所述传感器是安装在所述壳体上的线圈。
22．一种用于井下的细长壳体，包括聚芳基酮醚树脂制成的细长中空圆柱形壳体，以及由其支承的传感器，其中所述壳体保护所述传感器免受井产流体的侵袭。
23．权利要求22的壳体，其中所述传感器被安装在所述壳体的圆柱面上。
24．权利要求22的壳体，其中所述壳体制成特定壁厚，而所述的传感器被埋入于其中。
25．权利要求22的壳体，其中所述传感器包括若干线圈，而每个线圈有许多圈，与所述壳体同心。
全文摘要
本发明总的来说涉及制造于高压、高温井下测定的测井仪中使用的以聚芳基酮醚—为基础的热塑性材料。聚芳基酮醚树脂与玻璃纤维相粘结被成型为测井仪的外罩。该外罩是通过任何一种下列的方法构成的:长丝缠绕或模压。当与测井仪一起使用时,该外罩封闭测井仪的操作件,例如传感器和信号源,并保护操作件免受井产流体的侵袭。
文档编号G01V3/18GK1231378SQ99102369
公开日1999年10月13日 申请日期1999年2月23日 优先权日1998年2月19日
发明者C·奥夫德尔马斯, S·托马斯, M·M·莫尼布 申请人:施卢默格海外有限公司