专利名称：复合材料与使用复合材料的校准组件的制作方法
复合材料与使用复合材料的校准组件
背景技术：
井孔可被钻出以便例如确定并产出烃类。在钻探操作过程中评价和/或测量所遇到地层、地层流体和/或地层气体的性质是必要的。在某些情况下，移开钻柱并将线缆工具部署在井孔中以对地层、地层气体和/或地层流体进行测试、评价和/或取样。在其它情况下，钻柱可设有用于对周围地层、地层气体和/或地层流体进行测试和/或取样的装置，而无需从井孔移开钻柱。可要求校准以提高这种井下地层评价工具的精确性。校准程序可涉及将工具放置在具有已知特性和/或参数的一个或多个标准环境下、记录在标准环境中工具的一个或多个传感器的测量值、以及将测量值与一个或多个基准测量值关联起来。通过校准工具，可减小和/或基本消除用于实现所述工具的部件中公差和/或变化所引起的测量差异。
通过以下详细描述并理解各附图可最佳理解本公开。应强调，根据业界标准惯例， 各特征未依照比例绘制。实际上，为清楚描述，各特征尺寸可随意增大或减小。图1显示示例井场钻探系统的局部剖视图，所述示例井场钻探系统包括可根据本公开一个或多个方面进行校准的井下模块。图2显示示例井场线缆系统的局部剖视图，所述示例井场线缆系统包括可根据本公开一个或多个方面进行校准的井下模块。图3A至图3E显示根据本公开一个或多个方面的示例校准组件。图4A至图8B显示根据本公开一个或多个方面的其它示例复合材料。图9A至图9F与图IOA至图IOF显示根据本公开一个或多个方面复合材料的示例模拟性质。
具体实施例方式应理解以下公开提供许多不同实施例或示例，用以实现各实施例不同特征。以下描述部件和布置的特定示例，以简化本公开。当然这些仅为示例，并非用于限制。此外，本公开各示例中参考序号和/或字母可重复。该重复用于简化明晰目的，其本身并不指示所述各实施例和/或配置之间的关系。此外，以下详述中第二特征上方或其上第一特征的地层可包括所述第一与第二特征形成为直接接触的实施例，也可包括附加特征形成为置于所述第一与第二特征间的实施例，使得所述第一与第二特征不会直接接触。为精确校准井下工具，标准化校准环境中公差和/或变化相对于这些经校准工具应较小。这可能难以实现。校准环境可包括如铝合金等一种或多种校准材料，所述材料具有可被工具测量并且可用于校准所述工具的性质。因为常规用于校准工具的校准材料可随不同批次和/或不同样本而改变，使用这种材料进行校准可导致错误结果。此外，具有充分受控的性质值的校准材料在足够大数值范围不会具有那些性质。此处，校准材料为如合金等具有基本已知性质的任一材料，所述性质由工具测量并再用于调整、设定和/或此外校准工具的一个或多个部件、装置、元件和/或计算。为至少克服这些不足，本公开描述可用于模拟和/或模仿其它材料性质的复合材料，以及采用复合材料构建的校准组件。所公开的示例复合材料将均具有良好受控和/或熟知性质的两种或多种不同材料组合和/或组装，以形成其具有性质在所需范围有足够精度的复合材料。复合材料可通过机加工、层压和/或组装过程而实现，而非在工厂内的熔合过程而形成合金。因为用于制成复合物的材料可选自大体纯的材料(如铝和/或钛)，所述材料不同批次之间性质变化不显著，所成复合材料能可靠、可重复、一致地形成，以具有所需和/或所要求的紧密公差和较小参数变化。材料的类型和/或布置可选择和/或调整为以制造具有所需性质范围的复合材料。此处所描述复合材料可用于模仿和/或模拟不同材料性质，包括用于校准井下地层评价工具的校准合金和/或校准材料。但是，根据本公开一个或多个方面的复合材料，无论其是否用于构建校准组件，无需设计、拟定和/或选择为模仿和/或模拟其它材料性质。根据本公开一个或多个方面可模拟的示例性质包括(但不限于)电子密度、有效原子序数和/或光电因子(Pe)。尽管此处描述了可用于模拟铝合金性质的示例复合材料，应理解复合材料根据本公开一个或多个方面可制成为模拟其它类型材料和/或合金、金属和/或其它。此外，如金属、合金(金属和/或其它)、塑料、流体和/或陶瓷等任一数量和/或类型的材料可用于制成根据本公开一个或多个方面的复合材料。此外，尽管此处描述了校准组件包括可用于校准井下地层评价工具的复合材料，应理解根据本公开一个或多个方面的复合材料可附加地或替代地用于代替其它应用中的材料。图1显示可在岸上和/或离岸部署的示例井场钻探系统的局部剖视图。在图1示例井场系统中，通过旋转和/或定向钻探，在一个或多个地下地层F中形成钻孔11。在图1 所显示的示例中，钻柱12悬挂在钻孔11内并具有底部钻具组合(BHA) 100，所述底部钻具组合在其下端具有钻头105。地面系统包括位于在钻孔11上方的平台和井架组件10。组件10可包括旋转台16、方钻杆17、吊钩18和/或旋转节19。钻柱12可由旋转台16转动旋转台由未示出装置提供能量，所述旋转台在钻柱12上端与方钻杆17接合。示例钻柱12 可悬挂在可附连到游动滑车(未示出)的吊钩18上，并通过方钻杆17和旋转节19，所述旋转节允许钻柱12相对于吊钩18转动。附加地或替代地，可使用顶部驱动系统。在图1示例中，地面系统也可包括钻探流体沈，所述钻探流体在业界常称为泥浆， 贮存在井场处形成的池坑27中。泵四可将钻探流体沈经由转节19中端口(未示出)输送至钻柱12内部，导致钻探流体如方向箭头8所指示向下流过钻柱12。钻探流体沈可经由钻头105中的端口离开钻柱12，并如方向箭头9所指示再向上循环通过钻柱12外侧与钻孔壁之间的环形区域。钻探流体沈可用于润滑钻头105，当其返回池坑27以再循环时携带地层岩屑向上到达地面，和/或在钻孔11壁上产生泥饼层(未示出)。此外，图1示例BHA100可包括任一数量和/或类型的井下测井工具，如随钻测井 (LffD)模块120和/或随钻测量(MWD)模块130，转动操纵系统或泥浆马达150，和/或示例钻头105。图1示例LWD模块120安放在特定类型的钻铤中，如本领域已知，并可包含任一数量和/或类型的测井工具、地层评价工具和/或流体取样装置。示例LWD模块120可包括测量、处理和/或存储信息，以及与MWD模块150和/或直接与如测井和控制计算机160等地面设备通讯的能力。图1示例MWD模块130也安放在特定类型的钻铤中，并包含用于测量钻柱12和/ 或钻头105特性的一个或多个装置。示例MWD工具130也可包括用于产生井下系统100所使用的电能的装置(未示出)。为产生电能的示例装置包括(但不限于)以钻探流体的流动为动力的泥浆涡轮发电机，以及电池系统。示例测量装置包括(但不限于)钻压测量装置、扭矩测量装置、振动测量装置、冲击测量装置、粘着滑动测量装置、方向测量装置、以及倾角测量装置。MWD模块130也可包括使用任一曾用、现有或未来的双向遥测系统与如测井和控制计算机160等地面设备通讯的能力，所述双向遥测系统如泥浆-脉冲遥测系统、有线钻管遥测系统、电磁遥测系统和/或声学遥测系统。图2显示可在岸上和/或离岸部署的示例井场线缆地层评价系统的局部剖视图。 在图2的显示中，井下线缆工具205由钻塔210悬挂在形成于地质地层F中的井孔11中。 图2示例工具205由钻塔210经由线缆215部署在井孔11内，并可安置在地质地层F的任一特定部分之内和/或移动经过所述部分。井孔11待检测的部分可使用任一数量和/或类型的方法(如炸药)进行打孔。当示例线缆工具205工作时，任一数量和/或类型的地层评价模块(其中一个标识为参考序号220)的输出可例如经由遥测发送至测井和控制计算机160，和/或可存储在任一数量和/或类型的存储器中用于随后检索和/或处理。图1和图2示例模块120、130和/或220可实现任一数量和/或类型的地层评价传感器、模块和/或工具，所述工具包括(但不限于)密度测量工具、光电因子测量工具、中子孔隙度工具、脉冲-中子工具、声学工具、电磁工具和/或磁共振工具。示例工具120、130 和/或220可使用任一合金模拟复合物和/或此处所述校准组件进行校准，和/或可使用校准合金进行校准。尽管钻柱和线缆工具120、130与220示于图1和图2，无论传输类型和/或连接方法如何，此处所描述复合材料可用于校准任一数量和/或类型的附加或替代工具。其它示例工具包括(但不限于)滑线工具、存储器测井工具，以及随起下钻测井工具。附加地或替代地，衬垫型和/或心轴型工具也可采用此处所公开复合材料进行校准。这些列表并非全部涵盖，但旨在说明本公开的方面可用于校准多种工具。图3A至图3E显示可用于校准图1和图2任一示例井下工具120、130和220的示例校准组件300。尽管任一示例井下工具120、130和220可使用图3A至图3E示例校准组件300进行校准，为便于讨论，图3A至图3E工具将被称为井下工具305。图3A至图3E示例校准组件300包括校准插入体310和校准基体和/或块315。图3示例校准插入体310 可包括配置为模仿和/或模拟校准合金和/或校准材料的一种或多种性质的一个或多个复合材料和/或复合材料区域，其中一个区域标识为参考序号320。图3A显示示例校准组件300的分解视图。图3C为沿图与图3E中的线3C-3C 所截取的示例校准组件300的顶剖视图。图3D为沿图;3B中的线3D-3D所截取的示例校准组件300的侧剖视图。图3E为沿图3B、图3C与图3D中的线3E-3E所所截取的示例校准组件300的另一侧剖视图。图3A至图3E的示例校准块315尺寸设定成、制成和/或机加工成可接纳和/或接收校准插入体310。示例校准块315也可配置为使示例井下工具305与环境中信号隔离，和 /或防止在校准过程中由井下工具305所发出和/或发射的信号从校准组件300发射进入周围环境。使用校准块315也可允许校准插入体310比其它情况所要求更薄。校准块315 可由铝制成。图3A至图3E的示例校准插入体310具有配置为和/或成型为接收特定井下工具类型的内表面325。内表面325尺寸设定成、制成和/或机加工成与特定类型、形状和/或尺寸的井下工具305对应。示例校准插入体310具有配置为与校准块315的形状和/或轮廓对应的外表面330。于是，在对具有不同尺寸和/或形状的任一数量和/或类型的井下工具305的校准过程中，示例校准插入体310使得能够使用一般形成的校准块315。换言之，具有不同轮廓或形状的内部的校准插入体310使得不同形状的工具305可采用相同校准块315进行校准。使用校准插入体310也使得井下工具305或其它工具的不同测量值和 /或传感器可使用同一校准块315校准。图3A至图3E的示例校准插入体310可由如铝等大体纯的金属、合金、校准合金、校准材料制成，和/或可包含一个或多个示例复合材料区域320。使用合金和/或复合材料比大体纯的金属具有更宽范围的材料性质。图3A至图3E的示例井下工具305包括信号源和/或发射器S。示例井下工具305 也包括短源距探测器和/或传感器SS和长源距探测器和/或传感器LS，所述长源距传感器比传感器SS更远离所述信号源S。示例的信号源S可发射伽马射线，传感器SS和LS可探测伽马射线。使用任一数量和/或类型的方法、算法和/或计算，校准组件300的表观密度、体积密度和/或光电因子可使用传感器SS和LS获得的伽马射线测量值确定。尽管在图3A至图3E中显示具有信号源S与传感器SS和LS的特定井下工具305，根据本公开一个或多个方面的校准组件可用于校准具有任一数量和/或类型附加和/或替代源和/或传感器的井下工具应是明显的。如上所述，因为大体纯的金属和合金可具有校准井下工具的缺点，图3A至图3E的示例校准插入体310包括示例复合材料区域320。尽管图3A至图3E中示例说明，复合材料区域320位于靠近传感器SS和LS处，附加和/或替代地，校准插入体310的更大部分可包括复合材料。例如，复合材料区域320可以尺寸设定成延伸超出传感器SS和LS尺寸，以适应井下工具305和校准插入体310的错位。此外，尽管图3A至图3E的示例复合材料和/ 或复合材料区域320基本相同，校准组件300可包括任一数量和/或类型的附加和/或替代复合材料和/或复合材料区域。图3A至图3E的示例校准插入体310由大体纯的铝组成，多个大体纯的钛销钉和/ 或圆柱体(其中一个标识为参考序号33 插入其中、与其粘合和/或压配合。如所示，示例钛销钉335可布置为基本等距矩形阵列以形成复合材料或材料区域。钛销钉335的直径和间隔可选择为模拟特定材料和/或合金的性质，和/或实现具有一个或多个所需校准性质的复合材料。附加地，销钉的直径和/或间隔可附加地选择为使得示例传感器SS和LS 感知销钉阵列320为复合材料，而非其构成部件。示例复合材料320包括中心与中心之间间隔约0. 424英寸的5/16"直径的钛销钉。尽管图3A至图3E未示出，示例校准组件300可包括任一数量和/或类型的附加元件，所述附加元件将校准插入体310安置和/或保持在校准块315内，将井下工具305安置和/或保持在校准插入体310内，和/或便于承载或此外输送校准插入体310。此外，材料(如罩盖)可放置在校准插入体310和井下工具305的顶部，以减少和/或基本防止校准插入体310与井下工具305之间存在水和/或湿气。这种水和/或湿气可导致错误校准。也可在校准块315的任一端存在挡板以防止围绕校准块315的水从校准插入体310和/或井下工具305之间和/或其顶部渗入。图3A至图3E的示例校准插入体310可由大体纯的铝的片和/或块通过钻削矩形栅格的孔制成，示例钛销钉335被压入和/或插入所述孔。插入销钉335的铝片可被磨削和/或机加工以制成图3A至图3E所述几何形状。替代地，在钻孔和/或插入钛销钉335 之前可将铝片磨削和/或机加工。尽管图3A至图3E示例复合材料和/或材料区域320包括销钉阵列，复合材料可由具有其它尺寸和/或几何形状的材料制成。例如，分别如图4A和图4B的顶剖视图与侧剖视图所示，圆柱销钉可布置为六边形阵列。分别如图5A与图5B的顶剖视图与侧剖视图所示，可使用矩形或正方形销钉而非圆柱销钉。如图6A、图6B、图7A、图7B、图8A和图8B剖视图所示，复合材料可通过将一个或多个材料嵌入校准插入体310表面制成。在图6A与图6B示例中，诸如钛的第一材料的平行条(其中一个标识为参考序号60 嵌入校准插入体310的顶面610。在图7A与图7B示例中，诸如钛的第一材料的矩形片体705嵌入校准插入体310的顶面610。在图8A与图8B 示例中，不同材料的两片体805与810的叠层嵌入校准插入体310的顶面610。如图3A至图3E、图4A、图4B、图5A、图5B、图6A、图6B、图7A、图7B、图8A、图8B所示，具有不同尺寸和/或几何形状的任一数量和/或类型的材料可组合和/或组装以形成复合材料。通常，可根据任一数量准则选择材料、尺寸和/或几何形状。示例准则包括(但不限于)可制造性、井下工具305对不同波长信号的敏感性、与腐蚀材料相互作用的可能性、材料对诸如阳极化的表面处理的耐受性、材料可用性、井下工具305与校准插入体310 的错位的容受度，和/或复合材料可感知、测量和/或以复合物而非其构成部分为特性的程度。可根据熟知材料性质的知识确定材料和/或几何形状选择，并可使用建模和/或仿真工具评价以确认和/或调整材料和/或几何形状选择。附加地或替代地，复合材料可使用并非金属和/或金属合金的材料制成。例如，复合材料可由金属、合金、陶瓷、塑料和/或诸如水或油的流体的任一组合制成。通常，可根据井下工具305拟进行的测试类型选择材料。例如，金属材料适用于密度测量，诸如塑料的含氢材料或水可适用于中子孔隙度工具，和/或金属与塑料的组合用于电磁和/或声学工具。图9A至图9F说明图3A至图3E示例销钉阵列复合材料320的示例模拟性质。横贯图9A至图9F的每一示例图表的χ轴为待模拟的基准AI7049-T73铝合金，销钉直径为 3/16" ,4/16"和5/16"，以及固态片状钛。图9A示例图表显示传感器SS所测得的表观密度值，图9B示例图表显示传感器LS测得的表观密度值。图9D显示由图9A和图9B的表观密度计算得到的补偿密度值。图9C显示图9D的补偿密度与图9B的表观密度之间的差异。 图9E与图9F分别为使用传感器SS和传感器LS测量的光电因子。如图9A至图9E所示， 4/16"销钉直径导致基本匹配、模仿和/或模拟基准铝合金的性质。因为在图3A至图3E 示例中，需在[5，6]范围内略微更高的光电因子，于是选择销钉直径5/16"，图3A至图3E 示例复合材料320可能优于拟代替的AI 7049-T73铝合金。如图9A至图F示例说明，一种或多种材料和/或复合材料几何形状可选择为和/或设计为模仿和/或模拟另一材料的一个或多个性质，和/或具有一个或多个特定性质值。即，复合材料无需模仿、模拟和/或替代另一材料，而可设计为具有特定和/或所需性质。
图IOA至图IOF显示图7A和图7B的示例复合材料几何形状的示例模拟性质。横贯图IOA至图IOF每一示例图表的χ轴为基准AI 7049-T73铝合金，所插入材料705厚度为0.05〃、0·1"、0·2"、0.3"和0.4〃。图IOA至图IOF所绘制分别为与图9A至图9F相同的值和/或性质。如图IOA至图IOF所示，0. 1"至0.2〃插入体厚度所获得材料性质与
基准铝合金基本相似。考虑到前述描述和附图，应明确本公开引入模拟和/或模仿其它材料性质的复合材料，且校准组件采用复合材料。特别地，本公开引入用于校准井下地层评价工具的校准组件，包括具有第一材料并具有第一几何形状的第一本体、形成为接收所述第一本体并具有第二材料的第二本体，其中所述第一与第二材料和所述第一几何形状选择为使得校准组件的校准性质大体与第三材料的对应校准性质匹配。本公开此外引入方法包括选择第一和第二材料，选择几何形状，机加工所述第一材料成所述几何形状以制成第一本体，机加工第二材料制成第二本体以接收所述第一本体，以及将经加工的第一和第二本体组装以形成复合材料，其中复合材料具有大体与第三材料对应校准性质匹配的校准性质，其中所述性质包括电荷密度、有效原子序数或光电因子中的至少一个，且第三材料与所述第一与第二材料不同。本公开此外引入方法包括从井下工具发射信号，在井下工具传感器处接收通过复合材料的信号，所述复合材料通过加工或组装中的至少一种由两种或多种其它材料形成， 其中所述复合材料配置为使得传感器配置为测量复合材料性质，所述复合材料性质与对校准材料所测量的基本相似；以及根据所测量复合材料性质调整传感器的输出。前述概要了若干实施例的特征使得本领域技术人员可更好地理解本公开方面。本领域技术人员应认识到其易于使用本公开作为其它方法和结构进行设计或修改的基础，所述其它方法和结构具有实现相同目标和/或获得此处引入实施例的相同优点。本领域技术人员也应认识到这种等同构造不背离本公开的精神和范围，在不背离本公开的精神和范围情况下其可进行多种更改、替代和变更。本公开最后的摘要依照37C. F. R. § 1. 72(b)以使读者快速确定本技术公开的实质。应理解其提交内容不用于解释或限制权利要求的范围或含义。
权利要求
1.一种装置，包括用于校准井下地层评价工具的校准组件，所述组件具有包括第一材料并具有第一几何形状的第一本体；以及包括第二材料并形成为接收所述第一本体的第二本体，其中，所述第一和第二材料以及所述第一几何形状被选择成使得所述校准组件的校准性质大体与第三材料的对应校准性质匹配，所述第三材料与所述第一和第二材料不同。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括具有第三材料并具有第二几何形状的第三本体，其中，所述第二本体形成为为接收所述第三本体。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二材料基本包括铝，所述第一材料基本包括钛，所述第一几何形状包括可插入所述第二本体的圆柱形。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二材料包括第二几何形状，所述组件还包括第三本体，所述第三本体包括第四材料并且形成为接收所述第二本体。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述工具选自包括以下工具的组密度工具、中子孔隙度工具、脉冲-中子工具、声学工具、电磁工具和磁共振工具。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一和第二材料以及所述第一几何形状根据所述工具评价地层所使用的信号性质选择。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述信号性质包括波长、能量、散射性或吸收性中的至少一个。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一材料包括第一金属，所述第二材料包括不同于所述第一金属的第二金属。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一材料包括塑料或流体中的至少一种。
10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一材料包括塑料或流体中的至少一种，所述第二材料包括金属。
11.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一材料包括金属，所述第二材料包括塑料或流体中的至少一种。
12.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一材料包括第一塑料或第一流体中的至少一种，所述第二材料包括第二塑料或第二流体中的至少一种，其中，所述第一塑料与所述第二塑料不同，所述第一流体与所述第二流体不同。
13.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一材料包括陶瓷，所述第二材料包括金属。
14.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一材料包括陶瓷，所述第二材料包括塑料或流体中的至少一种。
15.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一本体包括插入所述第二本体中的多个销钉中的一个，所述多个销钉布置成矩形阵列。
16.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第三材料包括铝合金。
17.一种方法，使用如权利要求1所述的装置进行校准，包括从井下工具发射信号；在井下工具传感器处接收通过复合材料的信号，所述复合材料由两种或多种其它材料通过机加工或组装中的至少一种形成，其中，所述复合材料配置为使得所述传感器配置为测量所述复合材料的性质，所述复合材料的性质与对校准材料所测量的性质基本相似；以及根据复合材料的所测量性质调整传感器的输出。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述性质是密度或光电因子中的其至少一种。
19.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述复合材料包括插入本体的多个销钉， 所述多个销钉包括第一材料，所述本体包括与所述第一材料不同的第二材料，所述多个销钉布置成矩形阵列。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述第一材料大体包括钛，所述第二材料大体包括铝。
全文摘要
一种用于校准井下地层评价工具(305)的校准组件，其包括包含第一材料并具有第一几何形状的第一本体(335)、包括第二材料并形成为接收所述第一本体的第二本体(310)，其中所述第一与第二材料和所述第一几何形状选择为使得校准组件的校准性质与第三材料对应校准性质基本匹配。
文档编号G01V13/00GK102317814SQ201080008056
公开日2012年1月11日 申请日期2010年1月13日 优先权日2009年1月20日
发明者A·J·桑帕, C·S·戴尔坎波, D·W·克林顿, Q·何, R·J·拉特克 申请人:普拉德研究及开发股份有限公司