用于电磁遥测心轴的绝缘涂层方法
【专利说明】用于电磁遥测心轴的绝缘涂层方法
[0001] 发明背景
[0002] 本文的实施方案涉及井下电磁遥测系统，并且更具体地，涉及用于电磁遥测天线 组件的绝缘涂层方法。
[0003] 随钻测量（MWD)应用中，各种通信和传输技术用于在钻井作业期间从钻头附近向 表面提供实时数据。一种技术使用与钻柱和MWD工具相联的井下天线通过大地向排列在表 面的接收器传输电磁波。接收器接收并记录电磁数据，从而为操作人员提供与钻井参数相 关的实时数据，例如钻压、扭矩及磨损和承载状况。MWD应用也可为操作人员提供与所钻地 层的物理性质相关的实时数据，例如压力、温度和井眼轨迹。对此类信息的考虑可导致穿进 速率更快、行程计划更佳、设备故障减少、定向测量的延迟更少且消除了为异常压力检测中 断钻井的需要。
[0004] 作为MWD工具的组成部分，井下天线装在使钻柱的两个部分电隔离的心轴中，从 而产生了适合的天线能力。为了使钻柱的两个部分电隔离，心轴通常将包括涂覆到其外表 面的绝缘涂层。然而，已经发现，用于将绝缘涂层涂覆到心轴上的某些方法已经导致涂层不 一致和/或污染。例如，目前的涂层方法常常因允许空气中的水分或由切割和分级操作渗 入涂层中，使涂层变得受污染。因此，绝缘涂层在恶劣的井下环境中更易受故障影响。涂层 的故障去除了电绝缘，这相当于天线故障和不能进行MWD。
[0005] 附图简述
[0006] 将以下附图包括在内是为了说明本文公开的实施方案的某些方面，而不得视为专 有实施方案。正如对于本领域中受益于本公开的技术人员将发生那样，公开的主题能够在 形式和功能上做相当大的修改、改变、组合和等效方案。
[0007] 图1根据一个或多个实施方案，说明了可容纳用于井下电磁遥测系统的天线的示 例性心轴的横截面侧视图。
[0008] 图2根据一个或多个实施方案，说明了示例性电绝缘材料的放大视图。
[0009] 图3根据一个或多个实施方案，说明了另一种示例性电绝缘材料的放大视图。 [0010] 发明详述
[0011] 本文的实施方案涉及井下电磁遥测系统，并且更具体地，涉及用于电磁遥测天线 组件的绝缘涂层方法。
[0012] 参考图1，根据一个或多个实施方案说明了可形成用于井下电磁遥测系统的天线 的一部分的示例性心轴100。具体而言，心轴100可用作用于随钻测量（MWD)工具的天线的 组成部分。如图所示，心轴100可具有井上末端102a和井下末端102b。心轴100的井上末 端102a可与井上钻柱段104a连接或以其它方式附接，而心轴100的井下末端102b可与井 下钻柱段l〇4b连接或以其它方式附接。在至少一个实施方案中，如图所示，套筒106和悬 挂钻铤110 (以阴影示出）可并入心轴100的井下末端102b并且以其它方式促进井下末端 102b与井下钻柱段104b的连接。
[0013] 心轴100可表现出各种尺寸，包括但不限于8. 89cm (3. 5英寸）、12. 065cm (4. 75英 寸）、16.51cm(6.5英寸）、20.32cm(8英寸）和24. 13cm(9.5英寸）。工作中，心轴100可配 置为使井上钻柱段l〇4a与井下钻柱段104b电隔离。电隔离使电磁信号生成用于数据遥测 并且传输到表面。为了至少部分地实现这一点，可将电绝缘材料层或衬底108涂覆到心轴 100的一部分上。
[0014] 例如，可将电绝缘材料108涂覆到心轴100的直径减小的部分，心轴100可配置为 容纳用于使心轴100与井下钻柱段l〇4b连接的套筒106。在其它实施方案中，在不背离本 公开范围的前提下，可将电绝缘材料108涂覆到心轴100的任何其它部分。例如，在一些实 施方案中，可将电绝缘材料108涂覆到整个心轴100的径向外表面。在其它实施方案中，在 不背离本公开范围的前提下，反而可将电绝缘材料108涂覆到心轴100的井上末端102a的 一部分上。
[0015] 参考图2,继续参考图1，根据一个或多个实施方案说明了电绝缘材料层108的放 大视图。如图所示，可将电绝缘材料108涂覆到心轴100的径向外表面202。在一些实施方 案中，心轴100可由贱金属制成，例如但不限于钢、不锈钢、钢合金或适合井下使用的任何 常规金属。电绝缘材料108可包括直接涂覆到心轴100的径向外表面202的粘合涂层204 和涂覆在粘合涂层204之上的电隔离层206。粘合涂层204可提供配置成为电隔离层206 促进更适合的粘附表面的衬底。在至少一个实施方案中，粘合涂层204可为镍铬合金。在 其它实施方案中，粘合涂层204可为能为后续电隔离层206帮助促进恰当粘合的任何其它 衬底材料，包括但不限于钼、镍铝复合物、铝青铜、预合金化镍铝或锌基合金。
[0016] 可使用热喷涂技术将隔离层206涂覆到粘合涂层204上。例如，在至少一个实施 方案中，可使用高速氧燃料涂层方法将隔离层206涂覆到粘合涂层204上。在其它实施方 案中，可使用任何其它热喷涂技术，例如但不限于等离子喷涂、爆炸喷涂、丝电弧喷涂、火焰 喷涂、热喷涂、冷喷涂、其组合等，将隔离层206涂覆到粘合涂层204上。
[0017] 电隔离层206可由在相对金属表面或界面之间提供电隔离的任何金属制成。在一 些实施方案中，例如，电隔离层206可为陶瓷，包括但不限于氧化锆、氧化铝、氧化铬、氧化 钛、其二氧化物、其任何组合。在其它实施方案中，电隔离层206可为任何其它类型的陶瓷。 正如本领域中的技术人员将认识到那样，因为陶瓷的高强度、陶瓷承受在恶劣的井下环境 中常常经历的更高压力和温度的能力和陶瓷的耐腐蚀性，所以使用陶瓷作为电隔离层206 可显出优势。因为其为优良的电隔离材料，所以陶瓷也可显出优势。还有其它实施方案中， 然而，电隔离层206可由烤制玻璃、瓷（例如，粘土、石英或氧化铝、长石等）、聚合材料、树脂 材料（包括天然或合成树脂）、塑料、其任何复合物、其任何组合等制成。
[0018] 为了防止对隔离层206的不良污染或损伤，可将密封剂208,例如第一密封剂层 208a涂覆到隔离层206上。在一些实施方案中，第一密封剂层208a可具有能够对气体和液 体形成防护屏障的任何材料。在一些实施方案中，第一密封剂层208a可为耐高温，例如井 下环境中遭遇的高温的热密封剂。在一些实施方案中，第一密封剂层208a可由任何材料制 成，包括但不限于环氧树脂、酚醛树脂、呋喃、聚甲基丙烯酸酯、硅酮、聚酯、聚氨酯、聚乙烯 酯、蜡、磷酸、磷酸铝、硅酸钠、硅酸乙酯、铬酸及其任何组合。在其它实施方案中，可通过溶 胶-凝胶方法制成第一密封剂层208a，其中将稳定的溶胶（或胶体悬浮液）前体水解成凝 胶，接着在更高温度下将凝胶煅烧成氧化物。溶胶前体可为烷氧化物、硝酸盐、氢氧化物及 其任何组合。
[0019] 在一些实施方案中，可将第一密封剂层208a直接涂覆到电隔离层206上。如本领 域中的技术人员所知，可将第一密封剂层208a配置成热喷涂密封剂。一经干燥和硬化，第 一密封剂层208a就可形成对气体和液体的防护屏障。在一些实施方案中，在电隔离层206 沉积在心轴100之后，立即将第一密封剂层208a涂覆到电隔离层206上。可将第一密封剂 层208a配置成密封电隔离层206内存在的否则可能被大气中的水分或其它污染物透过的 任何孔隙。
[0020] 也可将第一密封剂层208a配置成在也可危及电隔离层206的完整性的后续机械 加工操作期间保护电隔离层206。例如，涂覆第一密封剂层208a后，可将心轴100机械加工 至最后筛分。这种机械加工可牵涉转动、铣削和/或磨削心轴100,直至达到适当公差。第 一密封剂层208a可保护电隔离层206免于机械加工碎片和/或使用任何切削液。
[0021] 然后可在烘箱中在高温下热处理（例如，烤制）心轴100。在一些实施方案中，更 高温度可为超过水沸点的任何温度。热处理心轴100可配置成从心轴100的表面，并且尤 其从电隔离层206和/或第一密封剂层208a去除任何剩余水分和/或切削液。例如，在最 后筛分操作之前、期间和/或之后，来自空气或加工液的水分可能已经污染了电隔离层206 和/或第一密封剂层208a。
[0022] 在一些实施方案中，在热处理后，可将第二密封剂层208b涂覆到电隔离层206上。 在至少一个实施方案中，在心轴100由于热处理仍然温热时或在其冷却至室温之前，可将 第二密封剂层208b涂覆到第一密封剂层208a上或周围。第二密封剂层208b可由以上为 第一密封剂层208a所列的一种或多种材料制成并且也可用于形成对气体和液体的防护屏 障。而且，第二密封剂层208b也可为耐高温，例如井下环境中遭遇的高温的热密封剂。相 应地，在至少一个实施方案中，心轴100可具有涂覆到电隔离层206上以保护电隔离层206 免受污染和/或损伤的两层密封剂208,第一密封剂层208a和第二密封剂层208b。
[0023] 现参考图3,继续参考图2,根据一个或多个实施方案说明了电绝缘材料108的另 一实施方案的放大视图。如图所示，电绝缘材料108又可包括粘合涂层204和涂覆在粘合涂 层204之上的电隔离层206。然而，图3的电绝缘材料108可进一步包括置于粘合涂层204 和心轴100的径向外表面202之间的缓冲层302。在一些实施方案中，例如，粘合涂层204 与心轴100的径向外表面202困难地粘合，并且可涂覆缓冲层302以允许粘合涂层204的 粘合能力增强。这可特别在心轴100展现出奥氏体-非磁性性质的实施方案中显出优势。 在至少一个实施方案中，缓冲层302可由INCONEL'? 625或任何其它奥氏体镍铬基合金 制成。
[0024] 可使用与以上参考图2描述的方法大体