用于石油测井仪器的高强度复合承压外壳及其制备方法
【专利摘要】用于石油测井仪器的高强度复合承压外壳，包括陶瓷层、设置在陶瓷层外侧的复合外套耐高温抗磨抗腐蚀保护层、设置在陶瓷层和复合外套耐高温抗磨抗腐蚀保护层之间的过渡层；其制备方法包括以下步骤：1）选择氧化锆瓷或氧化硅作为陶瓷层的材料，耐高温弹性体偶联剂作为过渡层材料，高强玻璃纤维或玄武岩纤维或芳纶纤维浸渍耐高温树脂固化剂作为复合外套耐高温抗磨抗腐蚀保护层材料；2）通过计算公式并通过试验得出6-10毫米的陶瓷层加1-1.5毫米的过渡层加5-10毫米的抗磨抗腐蚀保护层可以满足使用要求；3）制备陶瓷层;；4）在陶瓷层外侧设置过渡层，5）在过渡层外侧设置耐高温抗磨抗腐蚀保护层；具有优异的耐热性，从而保证绝缘值不得降低。
【专利说明】用于石油测井仪器的高强度复合承压外壳及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于石油测井仪器领域，具体涉及用于石油测井仪器的高强度复合承压外壳及其制备方法。
【背景技术】
[0002]石油工业勘探开发中，在钻井过程或钻井完成后会有一个重要的工作内容是对井下的原油情况进行判定分析，包括原油层深度、原油层厚度、原油量等物理的或化学的性能参数。这就需要石油测井仪器来完成这项工作。
[0003]众所周知，感应测井与电磁波测井仪器是常规石油测井仪器装备的重要组成部分，这些仪器一般都由电子线路和探头(电极系、线圈系)两部分组成，仪器探头属机电一体化。在全世界测井界电极系目前大都采用油压平衡技术；该技术重要特征是:1)借助皮囊或活塞形成的流体移动封隔与平衡；2)将井下几千米环境压力由高温复合材料绝缘外壳内硅油传递到浸油的各部件上；3)这种外壳目前结构是高温复合绝缘管材；4)非金属的高温复合绝缘管材是为了有利于电信号的传输不受干扰。这种技术要求全部构件在油浸和井下高温高压条件下性能参数不超过设计容限，从而保证电子仪与机械部分正常工作，使仪器的完整性能稳定可靠。采用油压平衡技术的电极系虽已应用几十年，但其工艺复杂，油液容易渗漏，给制作和应用维修都带来诸多不便。
【发明内容】
[0004]为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供用于石油测井仪器的高强度复合承压外壳及其制备方法，该高强度复合承压外壳制造的石油测井仪器，在仪器不用罐充硅油的情况下，且能够承受几千米井下巨大压力，即绝对承压。
[0005]为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是:
用于石油测井仪器的高强度复合承压外壳，包括陶瓷层、设置在陶瓷层外侧的复合外套耐高温抗磨抗腐蚀保护层、设置在陶瓷层和复合外套耐高温抗磨抗腐蚀保护层之间的过渡层。
[0006]所述陶瓷层是由氧化锆瓷或氧化硅瓷构成。
[0007]所述陶瓷层厚度为6-10毫米。
[0008]所述过渡层为耐高温弹性体偶联剂构成。
[0009]所述耐高温弹性体偶联剂是由KH550或者KH560和丁腈橡胶或氟橡胶或聚硫橡胶组成的复合弹性体。
[0010]所述过渡层厚度为1-1.5毫米。
[0011]所述复合外套耐高温抗磨抗腐蚀保护层是由高强玻璃纤维或玄武岩纤维或芳纶纤维浸溃耐高温树脂固化剂缠绕而成。
[0012]所述复合外套耐高温抗磨抗腐蚀保护层厚度为5-10毫米。
[0013]所述耐高温树脂为耐高温环氧树脂或乙烯基树脂或聚氨酯树脂。
[0014]用于石油测井仪器的高强度复合承压外壳的制备方法，包括以下步骤:
1)选择氧化锆瓷或氧化硅作为陶瓷层的材料，耐高温弹性体偶联剂作为过渡层材料，高强玻璃纤维或玄武岩纤维或芳纶纤维浸溃耐高温树脂固化剂作为复合外套耐高温抗磨抗腐蚀保护层材料；
2)通过计算公式δ=〔pXD〕/ (2X Σ / S〕
其中S为管厚度.P为设计压力.D为管外径.Σ为抗拉强度.S为安全系数.并通过试验得出6-10毫米的陶瓷层加1-1.5毫米的过渡层加5-10毫米的抗磨抗腐蚀保护层可以满足使用要求；
3)制备陶瓷层，具体做法是:等静压成型，毛坯加工，方窑烧结，烧结温度1700度，机械加工，装配；
4)在陶瓷层外侧设置过渡层，具体做法是:用由KH550或者KH560和丁腈橡胶或氟橡胶或聚硫橡胶组成的复合弹性体处理陶瓷表面形成过渡层；
5)在过渡层外侧设置耐高温抗磨抗腐蚀保护层，具体做法是:采用计算机辅层结构设计技术，计算最优的结构层并建立数据模型，纤维张力:1.8-4.5N/股，缠绕角度:30-60度，层与层的结构关系:两层纵向缠绕加一层环向缠绕，选用高强度单纤维抗拉强度2800-3100MPa、高模量弹性模量8600_8900MPa的耐酸玻璃纤维或玄武岩纤维或芳纶纤维浸溃耐高温树脂固化剂，通过计算机控制的数控缠绕设备在事先通过计算和设计的数据模型缠绕而成。
[0015]油井的直径一般在300毫米以内。井的深度不尽相同，有几百米，也有1000米-8000米，像海洋石油井的深度在万米以上。测井仪器最大外圆直径为110毫米以内，仪器长度不超过5米。井下几千米的地质环境十分复杂。在三、四千米井下温度175°C、压力140MPa以上，越深的温度和压力指标越高。同时还伴有原油、天然气、水、腐蚀气体H2S、C02、SO2等。目前国际通用的石油测井仪器工况条件指标大致为三种:
1)150°C10MPa ；
2)175°C140MPa ；
3)240 °C 175MPa ；
本发明的高强度复合承压外壳在这样的条件下，具有优异的耐热性，从而保证绝缘值不得降低。机械拉伸强度不得衰减，膨胀延伸率不得有大的变化。在耐应力腐蚀作用下外观颜色无变化，材质结构不得松弛、裂变、开裂。确保测井过程中信号传递准确，稳定可靠。井壁岩石坚硬，在提升测井仪器过程中，绝对承压外壳的耐磨性亦同样显得十分重要。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为本发明的高温承压绝缘外壳的结构示意图。
[0017]其中:1为陶瓷层；2为过渡层；3为保护层。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图对本发明做进一步详细描述。
[0019]参见图1，用于石油测井仪器的高强度复合承压外壳，包括陶瓷层、设置在陶瓷层外侧的复合外套耐高温抗磨抗腐蚀保护层、设置在陶瓷层和复合外套耐高温抗磨抗腐蚀保护层之间的过渡层。
[0020](—)最内层材料为陶瓷材料,一般选用氧化错瓷或氮化娃瓷,其厚度一般为6-10毫米范围内。
[0021](二)中间过渡层为耐高温弹性体偶联剂，一般选用KH550或者KH560和丁腈橡胶或氟橡胶或聚硫橡胶组成的复合弹性体。厚度一般为1-1.5毫米。
[0022](三)最外层为耐高温、耐磨、抗H2SXO2气体腐蚀的复合材料。一般选用高强度、高模量耐酸玻璃纤维(ECR)或玄武岩纤维或芳纶纤维(Kevlar)浸溃耐高温树脂固化剂，通过计算机控制的数控缠绕设备在事先通过计算和设计的数据模型缠绕而成。缠绕的厚度一般为5-10毫米。树脂一般选用耐高温环氧树脂或乙烯基树脂或聚氨酯树脂。
[0023]本发明的高强度复合承压外壳制备方法如下:
1)选择氧化锆瓷或氧化硅作为陶瓷层的材料，耐高温弹性体偶联剂作为过渡层材料，高强玻璃纤维或玄武岩纤维或芳纶纤维浸溃耐高温树脂固化剂作为复合外套耐高温抗磨抗腐蚀保护层材料；
2)通过计算公式δ=〔pXD〕/ (2X Σ / S〕
其中S为管厚度.P为设计压力.D为管外径.Σ为抗拉强度.S为安全系数.并通过试验得出6-10毫米的陶瓷层加1-1.5毫米的过渡层加5-10毫米的抗磨抗腐蚀保护层可以满足使用要求；
3)制备陶瓷层，具体做法是:等静压成型，毛坯加工，方窑烧结(烧结温度1700度)，机械加工，装配。
[0024]4)在陶瓷层外侧设置过渡层，具体做法是:用由KH550或者KH560和丁腈橡胶或氟橡胶或聚硫橡胶组成的复合弹性体处理陶瓷表面形成过渡层。
[0025]5)在过渡层外侧设置耐高温抗磨抗腐蚀保护层，具体做法是:采用计算机辅层结构设计技术，计算最优的结构层并建立数据模型，纤维张力:1.8-4.5N/股，缠绕角度:30-60度，层与层的结构关系:两层纵向缠绕加一层环向缠绕，选用高强度单纤维抗拉强度2800-3100MPa、高模量弹性模量8600_8900MPa的耐酸玻璃纤维或玄武岩纤维或芳纶纤维浸溃耐高温树脂固化剂，通过计算机控制的数控缠绕设备在事先通过计算和设计的数据模型缠绕而成。
[0026]考虑到石油测井仪器越轻越好的技术要求(轻质化方向发展)，尽可能减少使用密度较大的非金属复合材料。
[0027]本发明的、以这种复合绝缘结构制造的、能够承受地下几千米高温、高压力的绝缘外壳生产的石油测井仪器，从而彻底告别传统采用灌充硅油来保证石油测井仪器的绝缘外壳不被地下强大压力破坏的技术。解决了困扰石油测井仪器制造行业多少年来因石油测井仪器高温高压下油液易渗漏、工艺复杂和维修及不方便的技术难题。给广大石油测井仪器的研发、设计、制造人员提供了更多的选择空间和广阔的想象力。
[0028]不用灌充硅油就可以制造石油测井仪器可以说是石油测井仪器制造行业的一次革命。
[0029]以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。
【权利要求】
1.用于石油测井仪器的高强度复合承压外壳，其特征在于，包括陶瓷层、设置在陶瓷层外侧的复合外套耐高温抗磨抗腐蚀保护层、设置在陶瓷层和复合外套耐高温抗磨抗腐蚀保护层之间的过渡层。
2.根据权利要求1所述的用于石油测井仪器的高强度复合承压外壳，其特征在于，所述陶瓷层是由氧化锆瓷或氧化硅瓷构成。
3.根据权利要求1或2所述的用于石油测井仪器的高强度复合承压外壳，其特征在于，所述陶瓷层厚度为6-10毫米。
4.根据权利要求1所述的用于石油测井仪器的高强度复合承压外壳，其特征在于，所述过渡层为耐高温弹性体偶联剂构成。
5.根据权利要求4所述的用于石油测井仪器的高强度复合承压外壳，其特征在于，所述耐高温弹性体偶联剂是由KH550或者KH560和丁腈橡胶或氟橡胶或聚硫橡胶组成的复合弹性体。
6.根据权利要求1或4所述的用于石油测井仪器的高强度复合承压外壳，其特征在于，所述过渡层厚度为1-1.5毫米。
7.根据权利要求1所述的用于石油测井仪器的高强度复合承压外壳，其特征在于，所述复合外套耐高温抗磨抗腐蚀保护层是由高强玻璃纤维或玄武岩纤维或芳纶纤维浸溃耐高温树脂固化剂缠绕而成。
8.根据权利要求1或7所述的用于石油测井仪器的高强度复合承压外壳，其特征在于，所述复合外套耐高温抗磨抗腐蚀保护层厚度为5-10毫米。
9.根据权利要求7所述的用于石油测井仪器的高强度复合承压外壳，其特征在于，所述耐高温树脂为耐高温环氧树脂或乙烯基树脂或聚氨酯树脂。
10.用于石油测井仪器的高强度复合承压外壳的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)选择氧化锆瓷或氧化硅作为陶瓷层的材料，耐高温弹性体偶联剂作为过渡层材料，高强玻璃纤维或玄武岩纤维或芳纶纤维浸溃耐高温树脂固化剂作为复合外套耐高温抗磨抗腐蚀保护层材料； 2)通过计算公式δ=〔pXD〕/ (2X Σ / S〕 其中S为管厚度.P为设计压力.D为管外径.Σ为抗拉强度.S为安全系数.并通过试验得出6-10毫米的陶瓷层加1-1.5毫米的过渡层加5-10毫米的抗磨抗腐蚀保护层可以满足使用要求； 3)制备陶瓷层，具体做法是:等静压成型，毛坯加工，方窑烧结(烧结温度1700度)，机械加工，装配； 4)在陶瓷层外侧设置过渡层，具体做法是:用由KH550或者KH560和丁腈橡胶或氟橡胶或聚硫橡胶组成的复合弹性体处理陶瓷表面形成过渡层； 5)在过渡层外侧设置耐高温抗磨抗腐蚀保护层，具体做法是:采用计算机辅层结构设计技术，计算最优的结构层并建立数据模型，纤维张力:1.8-4.5N/股，缠绕角度:30-60度，层与层的结构关系:两层纵向缠绕加一层环向缠绕，选用高强度单纤维抗拉强度2800-3100MPa、高模量弹性模量8600_8900MPa的耐酸玻璃纤维或玄武岩纤维或芳纶纤维浸溃耐高温树脂固化剂，通过计算机控制的数控缠绕设备在事先通过计算和设计的数据模型缠绕而成。
【文档编号】E21B47/00GK104165049SQ201410385699
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年8月7日 优先权日:2014年8月7日
【发明者】吴亚民 申请人:吴亚民