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专利名称：用于信号源和传感器的半导电外壳的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及用于信号源或传感器，特别是用于地下测试的外壳或外套的使用。
背景技术：
在油气勘探和开发领域，各种测井技术已经为人所熟知。这些技术通常使用测井仪器或“探测器”，其配置有适于发射通过穿过地层井眼的能量的信号源。所发射的能量与周围的地层发生作用，产生由一个或多个测井仪器上的传感器所探测到和测试到的信号。通过处理所探测到的信号数据，获得地层性质的剖面图或“测井曲线”。
本领域所公知的测井技术包括“电缆”测井，随钻测井(LWD)，和随起下钻测井(LWT)，电缆测井需要将电缆末端的仪器下入到井眼中，以便在所述测井仪器沿着井眼移动时进行地下测试。LWD需要在钻具组合内设置仪器，以便在井眼钻穿地层时使用。LWT需要在钻柱内设置信号源或传感器，以在钻柱从井眼中起出时进行测试。
常规的电磁(EM)测井仪器利用作为信号源和/或传感器运行的天线进行测试。所述的天线通常为筒形螺线管类型的线圈，该线圈由一匝或多匝绕在支架上的绝缘导线组成。在使用中，发射天线被一交流电激发，发射穿过在钻井操作中使用的井眼流体(也称为“泥浆”)进入地层的EM能量。由接收天线探测到的信号反映了与泥浆和地层的作用。众所周知，由感应式测井所获得的测试受发射器至接收器的直接耦合的影响。因此，应用感应式测井时，测井仪器通常配置有一个或多个设置在发射器或接收器附近的“屏蔽”天线，以消除或减少这些耦合的影响。
天线通常沿着纵向仪器轴线安装在它们的轴线上。因此，这些仪器通过具有纵向磁偶极子(LMD)的天线进行作业。当这样一种天线被安放在井眼中并被激发发射EM能量时，电流在井眼和地层中的天线的周围流动。没有顺着井眼上下流动的净电流。然而，使用含有具有倾斜或者横向线圈的天线的仪器，也就是说天线的轴线不平行于支架的轴线，在特定环境下存在一电流。这些仪器通过具有横向或者倾斜磁偶极子(TMD)的天线而实现。一些TMD天线具有多个线圈。一个TMD天线设计具有一组三个线圈，称作三轴天线。配置有TMD的测井仪器在专利号为4,319,191、5,508,616、5,757,191、5,781,436、6,044,325、6,147,496的美国专利中做了描述。
所述TMD的一个显著缺陷为在高差异的情况下，也就是当井眼内的泥浆比地层更具导电性时，出现的非常大的井眼效应。当TMD被安放在井眼中心时，沿着井眼轴线没有净电流。当其位于偏离平行于磁矩方向的方向时，位置的对称性确保了沿着井眼轴线仍然不存在净电流。然而，当TMD偏离垂直于磁矩的方向时，在井眼中就会感应出轴向电流。

图1示出了井眼内不同的TMD偏心距。在高差异情况下，这些电流能够沿着井眼流动很长的距离。当这些电流经过TMD天线时，它们能够产生不想要的破坏性信号，这些信号比在没有井眼的均质地层中出现的信号大好多倍。图2示出了沿着具有一非导电性仪器的地层中出现的轴向电流。这一“井眼效应”的进一步描述出现在专利号为6,573,722、6,556,015和6,541,979的美国专利中。
在电缆的应用中，所述天线通常由致密的塑料材料构成的外壳包着，该塑料材料由层状玻璃纤维材料构成。在LWD的应用中，所述天线通常被安装在一金属支架上，以抵抗在钻井过程中遇到的恶劣的环境和条件。常规的测井仪器还可以由热塑材料构成。这些仪器的热塑复合结构提供用于安装天线的非导电性的结构。专利号为6,084,052、6,300,762、5,988,300、5,944,124的美国专利和德国专利GB2337546描述了用于油田作业的复合基仪器和管子的实施方案。
本领域出现了用于减小或者纠正由TMD天线产生的感应轴向电流的技术。专利号为5,041,975和5,058,077的美国专利描述了用于处理由井下测试产生的信号数据，以便纠正井眼效应或者补偿在钻井时传感器上的偏心旋转的影响。专利号为4,651,101的美国专利描述了一种用于消除探测器表面的电场的测井探测器结构。另外的用于确定井眼效应的技术出现在专利号为6,573,722、6,556,015和6,541,979的美国专利中。这些技术包括复杂的信号处理和/或应用到所述仪器上的附加部件，以便确定电流。因此，具有对于改进技术的需要以便处理这些不想要的井眼电流。
发明概述本发明的一方面为在地下井眼中使用的外壳。所述外壳包括一适于罩住信号源或传感器的复合材料体，其具有使传向或来自信号源或传感器的信号穿过的透明度(transparency)；其中所述的复合材料体具有均匀的导电表面，该导电表面具有一用于短路信号源或传感器附近的电流的路径。
本发明的另一方面为在地下井眼中使用的装置。所述装置包括一伸长的支架；一设置在支架上的天线，所述天线适于发射或接收电磁能量；以及一设置在支架上用于罩住天线的复合材料外壳，所述外壳具有使电磁能量信号穿过的透明度；所述外壳具有均匀的导电表面，该导电表面具有一用于短路天线附近的电流的路径。
本发明的另一方面为在地下井眼中使用的装置。所述装置包括一适于发射或接收电磁能量的天线；以及一罩住天线的复合材料外壳，所述外壳具有使电磁能量穿过的透明度；其中所述外壳具有均匀的导电表面，该导电表面具有一用于短路天线附近的电流的路径；以及一连接到外壳使电流穿过外壳的导体。
附图简要说明从下面的说明和权利要求中，本发明的其它方面和优点将变得很明显。
图1示出了平行和垂直偏心的井眼内倾斜或横向磁偶极子的井下视图。
图2为在具有仪器的导电性井眼内出现的感应轴向电流的示意图，所述仪器具有垂直偏心倾斜或横向磁偶极子和绝缘外壳。
图3为根据本发明的半导电套筒和三轴天线阵列的示意图。
图4为根据本发明的另一个半导电套筒和信号源/传感器结构的示意图。
图5为根据本发明的罩在轻微导电套筒内的信号源附近产生的井眼轴向电流的示意图。
图6为本发明实施例的套筒实施例的示意图。
图7为根据本发明的环绕支架部件的套筒实施例的截面图。
图8为根据本发明的环绕支架部件的套筒实施例的示意图。
图9为根据本发明的利用载碳环氧树脂浸渍碳纤维并将加载纤维缠绕在旋转心轴上以形成细长的圆柱外套或外壳的制造步骤的示意图。
图10为根据本发明示出纤维带布置的预浸渍石墨套筒的剖面图。
图11为用于本发明套筒实施例的各组预浸渍层的表。
图12为本发明多套筒实施例的示意图。
图13为使用根据本发明的套筒的测井系统的示意图。
图14为用于一些公开实施例的横向偏心特性曲线的比较图。
具体实施例方式
图3示出了本发明的一个实施例。其中示出套筒12罩在信号源和传感器阵列上。术语套筒在这里用于定义一外表面，比如外壳或者外套。信号源为一TMD发射器T，传感器为一本领域公知类型的TMD接收器R(例如在专利号为6,351,127、6,566,881、6,584,408的美国专利所描述的)。套筒12由复合材料构成，所述的复合材料包含石墨布(graphite cloth)和载碳环氧树脂(carbon loaded epoxy)或者玻璃纤维和碳纤维的混合物。所形成的套筒12为信号源/传感器提供了一半导电性外壳。可以理解，本发明并不局限于发射器或接收器的任何特定数目或组合。实施例可以包括任何LMD和TMD类型的信号源/传感器的混合。
套筒12的电导率可以根据组分中碳含量的变化而改变，其进一步的描述在下面。同样，套筒可以被制成比大多数常规钻井作业中使用的导电水基泥浆具有更高导电性(比如高10倍的导电性)。通过将套筒12电连接到罩在套筒内的导电支架18上，在井眼内流动的电流通过套筒被引导到或被短路到支架18。支架18可以由任何合适的导电材料构成(比如美国专利US4,873,488所描述的铜管)，信号源/传感器可以安装在支架上，这是本领域的所公知的并且在前述专利中也做了描述。
通过一个或多个固定在外壳内表面和支架之间的导体20，套筒12电连接到导电支架18。导体20可以由任何合适的导电材料和设备构成(比如金属线、导电带)，并使用公知的方式，比如常规的固定装置或者本领域公知的焊接技术，将其连接在所述设备之间。
当连接器20沿着支架18的分布和布置变化时，不同的布置可能对接收器所探测到的信号具有不同的影响。图4示出了本发明的另一实施例。这一实施例包括几个TMD天线一个发射器T，两个接收器R1，R2和一个屏蔽天线(bucking antenna)B。连接器20被显示为关于发射器T和接收器R2对称地放置，即，在各个天线上方和下方相同的距离。附加连接器20沿着支架18的z轴设置在R1-B天线对之间，其位置按照如下方程确立Zi=21LBi+1LRi---(1)]]>其中L为从发射器T到第i个B和R天线的相应距离。
通过轻微导电套筒12罩住或遮住发射器T或接收器R，以及通过将套筒短路接到支架18上，如图5所示，为井眼内流动的电流提供了一通路，以在天线附近短路。从而消除或减小了由井眼电路产生的不想要的影响。虽然图3和图4示出了具有设置在支架18上的天线的实施例，但是其它实施例能够利用部分或全部镶嵌在套筒12内的天线而实现，只要适宜的绝缘或屏蔽(比如橡胶塑模或铸封)被使用来隔离所述天线(未示出)。在作业中，导电通路穿过套筒，短路电流，以使得不与罩住的天线耦合。
图6示出了本发明的一个套筒12。在这一实施例中，套筒12包括一个或多个嵌在套筒12内并伸至套筒内径的导电“电扣”(button)25或塞子。所述电扣25可以是任何导电材料，优选为金属，并且它们嵌在壳体内，以便能够接触在套筒内径与支架18之间延伸的导体20(如图3和图4所示)。电扣25为套筒12、导体20和支架18之间的电流通路提供了一可靠的连接。尽管以圆盘或塞子的形式示出，但是电扣25并不局限于任何特定的形状和结构。任何适合的导电元件和结构都可以用于提供理想的导电连接。
图7示出了处于支架18上方的本发明的另一套筒12的截面图。在这一实施例中，电扣25伸入内径以与支架18的外径直接接触，而不需要中间的导体20。在一个实施例中，电扣25可以设置在套筒的凹槽内以及用圆触点(比如球轴承)弹簧加载，以提供可靠的连接(未示出)。
图8示出了本发明的另一套筒。在这一套筒12中，导电元件26(比如金属板或盘)设置在沿着套筒12的内径形成的方位凹槽27内。导体28设置在凹槽27内，并伸入套筒内径以与支架18接触，从而在套筒和支架之间提供一电流通路。任何合适的导电导体28都可以被使用(比如金属线、弹簧，或者外包金属的O形环)。
本领域的技术人员可以理解，可以使用本领域公知的任何适合的技术，将本发明的套筒上的导电元件(比如电扣25和元件26)固定在套筒上。例如，电扣25可以在下述的分层加工期间交错设置在套筒内，或者在形成凹槽27之后，将元件26压入套筒。其它实施例可以利用通过包括膜沉积、膜生长、喷涂、液相外延、蚀刻、电镀等等的各种现有技术所形成的导电金属元件来实施。
还可以使用粘合剂(比如聚酰亚胺、环氧树脂以及丙烯酸树脂)将导电元件粘结到套筒上。通过选择与套筒12的膨胀系数接近的导电元件，热膨胀的影响可以被降低。所述元件优选嵌入或组装在套筒内，以这样一种方式，所述元件可以安全地粘结到套筒12上。同样可以理解。导体20可以以各种形式连接在支架18与导电套筒元件之间，只要能够在套筒12与支架18之间形成所需的电流通路就可以。
利用树脂浸渍树脂的技术不是新的。专利号为4,289,168和4,968,545的美国专利描述了制作复合材料管的技术。然而，在井下应用中使用这样的树脂和管子需要考虑不同因素。对于井下应用来说，轻微导电热装置或者热塑料套筒应该具有均质张量体积电阻率以及至少超各向同性(trans-isotropic)性质。还可以优选的是，体积电阻率是与在环氧树脂和/或树脂的玻璃化转变下的温度和压力无关的。
本发明的热装置套筒12能够利用载碳粉环氧树脂和平织碳纤维构成。环氧树脂是这样准备的，加入重量百分比为0％-n％的碳粉，然后将其在受热的混合物中混合好。张量体积电阻率线性地取决于加入到环氧树脂中碳的含量。之后，将所述纤维穿过载碳环氧树脂池，并拉紧缠绕在心轴22上，如图9所示。可优选的是，保持织纹平行于每一连续层。这一程序确保了体积电阻率的均匀性。
加入到环氧树脂的碳粉增加了整体的电导率，除此之外还特别增加了套筒的径向电导率。这里的碳粉颗粒增加了纤维层之间的径向连通性。z向和φ向的电导率几乎相等，这主要是因为织物中的碳纤维在z向和φ向相等地取向。通过改变织物中玻璃纤维对碳纤维的百分比可以改变z向和φ向的电导率。
用于套筒12的热塑料的基本构筑材料为预浸渍石墨纤维带。沿着石墨纤维带的长度铺设碳纤维。为了在管子内获得类似z向和φ向的电导率，在z向和φ向体积相等地铺设预浸渍体。由于在径向没有铺设纤维，径向的电导率较小。图10示出了一个这样的预浸渍的布置。水平层根据优选等于预浸渍体宽度的螺距进行螺旋铺设。因此，为了减少螺距，可以铺设较小宽度的预浸渍体。其它套筒的实施例可以使用本领域公知的挤压技术(未示出)通过挤压载碳(纤维或者粉末)热塑料来形成。例如，这一实施例可以使用PEEKTM/Graphite，TORLONTM树脂，或者其它适合的市面上销售的复合材料。
图11示出了一张根据本发明描述各组的预浸渍体表。8组中的每一组具有六层。+86和-86分别表示的是顺时针和逆时针铺设的环层。这一构造被经验性地示出，以产生一均质的超各向同性管。用于图11所示构造的所测电导率为σz＝σφ＝1000S/mσp＝0.23S/m如上所述，本发明的预浸渍技术生产各种电导率的均质各向同性和所需尺寸的材料。套筒12的结构基本上具有测井操作中使用的常规信号频率的电流在井眼内流动的均匀的边界。由于套筒12表面具有比井眼内泥浆电导率大的电导率，因此信号源或传感器基本上不受不想要的井眼电流的影响。因而本发明的套筒12具有轻微的导电性，然而具有很高的机械强度并且能够电磁透过所需的信号。
石墨套筒12的固有强度允许具有各种厚度和直径的实施例。薄或“光滑的”测井下井仪能够使用本发明的套筒12而实现。图12示出了本发明的另一实施例。在这一实施例中，半导电套筒12构成了多管结构的外表面。内套筒12′被本发明的半导电套筒12所包围。如此所述，半导电套筒12具有一适于不需要的轴向井眼电流而允许所需的信号在其中传送的选择通路。只要套筒12的外表面在井眼环境内具有合适的电导率，这就可以实现。内套筒12′为系统增加了更大的支撑，在本质上形成了一内框架。任何合适的材料或复合材料都可以用于内套筒12′，包括市面上销售的材料，比如专利号为6,084,052和6,300,762的美国专利中所描述的RANDLITETM、PEEKTM、KEVLARTM、玻璃纤维，或者聚芳醚酮基热塑材料。
内套筒12′上的开口30使导体20或电扣25在组装时能够在外套筒12与支架18之间连接。其它实施例可以利用各种长度的内套筒12′和多个相互隔开的内套筒来实现，以便不需要用于导体20或电扣25的通路(未示出)。其它实施例也可以使用设置在内套筒12′内并连接到外套筒以与内支架18形成导电性连接的导体来实施(未示出)。
本发明的套筒可以借助具有一组常规信号源或传感器的系统来实现，以获得本领域公知的各种测试(比如声波测试、核磁测试、重力测试)。常规的EM天线可以以各种布置或结构设置在支架18上，并且可以以各种频率运行以获得所需的EM测试。本领域的技术人员同样可以理解，轴线间距和天线沿着下井仪的布置可以改变，以改变信号强度和测试的灵敏性。
图13一般地示出了本发明的一个测井系统。所述测井系统包括一测井下井仪10，该测井下井仪具有由发射器T、屏蔽天线B、罩在本发明的套筒12内的接收器R组成的TMD天线阵列，并且该测井下井仪被设置在穿过地层111的井眼115内。所示的测井下井仪10通过测井电缆系统的测井电缆116或随钻系统的钻柱116被支持在井眼115内。使用电缆测井下井仪时，所述测井下井仪10通过绞车在井眼115内进行升降，该绞车由地面设备118控制。测井电缆或钻柱116包括导体(未示出)，该导体经井下电子仪器与地面设备118连接起来。所述测井下井仪10包括电子仪器，以控制发射器T产生相应的磁矩(未示出)。由接收器16探测到的信号通过常规的遥测装置可以被传送到地面设备118，以进行处理(未示出)。
模型用于研究对配置有具有本发明半导电套筒的TMD的井眼的影响。两个参考模型也可以研究没有套筒的金属体的设计，以及一绝缘套筒的设计。图14比较了这三种设计的横向偏心距的特性曲线。半导电套筒的设计提供了一类似于金属体下井仪并且比绝缘套筒设计小的误差信号。因此，本发明的半导电套筒除了优良的机械强度特性外还具有很好的信号特性曲线。
虽然根据有限数目的实施例对本发明进行了描述，受益于这一公开内容的本领域的技术人员可以理解，其它实施例在不脱离本发明在此所公开的范围内也可以进行设计。可以理解，本发明的套筒并不局限于任一特定的应用，它们可以应用在随钻测井、随起下钻测井、连续油管测井、油藏监测、套管测井等等。除了套筒的导电性之外，其强度使其适用于外壳应用，比如井下下井仪的信号源/传感器的外壳，以及应用在除了油田作业之外的领域。其它实施例也可以将部分或者一半的套筒应用到非复合材料井下仪器而实现(未示出)。
对于本说明书的目的，可清楚地理解，单词“具有”表示的是“包括但不局限于”，以及单词“包括”具有相应的意思。
权利要求
1.一种在地下井眼中使用的外壳，其包括一适于罩住信号源或传感器的复合材料体，其具有使传向或来自信号源或传感器的信号穿过的透明度；其中所述的复合材料体具有均匀的导电表面，该导电表面具有一用于短路信号源或传感器附近的电流的路径。
2.如权利要求1所述的外壳，其中所述的复合材料体适于具有使电磁信号穿过的透明度。
3.如权利要求2所述的外壳，其中所述复合材料体被形成用于防止直接将信号源或传感器暴露于井眼内的流体。
4.如权利要求1所述的外壳，其中所述的复合材料体形成具有内孔的一旋转的圆筒形表面，该表面用于罩住信号源或传感器。
5.如权利要求4所述的外壳，其还包括一连接到所述复合材料体的导体，以使电流穿过所述外壳并进入所述内孔。
6.如权利要求1所述的外壳，其中所述的复合材料体包括一种从下述列表中选择的材料具有设置在其上的碳粒的复合石墨材料、与碳纤维混合的载碳环氧树脂、多层预浸渍石墨、具有设置在其上的碳粒的同心多层纤维和载碳热塑料。
7.如权利要求4所述的外壳，其还包括一设置在复合材料体内孔内与复合材料体内表面相接触的圆筒形第二旋转表面，所述第二旋转表面适用于具有使电磁信号穿过的透明度。
8.如权利要求7所述的外壳，其中所述的第二旋转表面包括一沿着其圆筒形壁的开口，该开口在其内孔与外壳体的内表面之间提供了一通道。
9.如权利要求1所述的外壳，其中所述的复合材料体包括在其上形成的凹槽，所述凹槽从内孔伸至外壳的外表面。
10.一种在地下井眼中使用的装置，其包括一伸长的支架；一设置在支架上的天线，所述天线适于发射或接收电磁能量；以及一设置在支架上用于罩住天线的复合材料外壳，所述外壳具有使电磁能量穿过的透明度；其中所述外壳具有均匀的导电表面，该导电表面具有一用于短路天线附近的电流的路径。
11.如权利要求10所述的装置，其中所述外壳形成一围绕细长支架的套筒，具有内孔的所述套筒包围天线。
12.如权利要求11所述的装置，其还包括连接到套筒以使电流穿过套筒并进入所述内孔的导体。
13.如权利要求10所述的装置，其中所述套筒包括一种从下述列表中选择的材料具有设置在其上的碳粒的复合石墨材料、与碳纤维混合的载碳环氧树脂、多层预浸渍石墨、具有设置在其上的碳粒的同心多层纤维和载碳热塑料。
14.如权利要求10所述的装置，所述天线包括多个具有非平行轴线的线圈。
15.如权利要求10所述的装置，其中所述的天线设置在所述的管子上，以便在天线附近短路的电流穿过天线。
16.如权利要求10所述的装置，所述天线设置在所述支架上，其轴线相对于支架轴线呈一角度。
17.如权利要求11所述的装置，其还包括一设置在复合材料套筒的内孔内与所述套筒内表面相接触的第二套筒，所述第二套筒适于具有使电磁能量穿过的透明度。
18.如权利要求12所述的装置，其中所述的套筒包括一在其上形成的凹槽，所述凹槽从内孔延伸至套筒的外表面。
19.如权利要求18所述的装置，其还包括一个设置在所述凹槽内的导电元件。
20.如权利要求10所述的装置，所述外壳还包括一个设置在其内的金属导体。
全文摘要
一种复合材料外壳适于罩住信号源或传感器，特别是适于地下应用。所述外壳具有使传向或来自信号源或传感器的信号通过的透明度。所述外壳具有均匀的半导电表面，该表面具有一使在地下井眼内流动的电流在信号源或传感器附近被短路的路径。
文档编号G01V3/18GK1619339SQ20041008262
公开日2005年5月25日 申请日期2004年9月24日 优先权日2003年9月25日
发明者D·M·霍曼, G·N·米纳博, S·达维戴切瓦 申请人:施卢默格海外有限公司