СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ИЗОЛИРУЮЩИХ ПОКРЫТИЙ НА СЕРДЕЧНИКИ ДЛЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ
METHOD OF INSULATING COATINGS APPLICATION ON CORES FOR ELECTROMAGNETIC TELEMETRIC SYSTEMS

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0001] Представленные варианты реализации изобретения относятся к скважинным электромагнитным телеметрическим системам и, конкретнее, к способам нанесения изолирующих покрытий на элементы узлов электромагнитных телеметрических антенн.
[0002] В измерениях, проводимых во время бурения (ИПВБ), используется множество технологий связи и передачи данных во время бурильных работ в режиме реального времени из области, прилегающей к буровому долоту, на поверхность. Известна технология использования скважинной антенны, связанной с бурильной колонной, и инструмента ИПВБ для передачи электромагнитных волн через землю и к приемнику, расположенному на поверхности. Приемник принимает и записывает электромагнитные сигналы, таким образом предоставляя оператору в режиме реального времени данные, связанные с параметрами бурения, такими как нагрузка на долото, крутящий момент, износ и состояние подшипников. Приложения ИПВБ могут также обеспечивать оператора в режиме реального времени данными, связанными с физическими свойствами пробуриваемых подземных пластов, такими как давление, температура и траектория ствола скважины. Анализ такой информации может привести к более высокой скорости проходки, лучшему планированию спускоподъемных операций, уменьшению частоты отказов оборудования, сокращению количества задержек для проведения инклинометрии и устранению необходимости прерывания бурения вследствие обнаружения аномального давления.
[0003] Как составляющая инструмента ИПВБ, скважинная антенна размещается в сердечнике, который электрически изолирует две части бурильной колонны, обеспечивая таким образом подходящие свойства антенны. В целях электрической изоляции двух частей бурильной колонны сердечник обычно содержит изолирующее покрытие, нанесенное на его внешнюю поверхность. Однако было установлено, что некоторые способы нанесения на сердечник изолирующих покрытий дают в результате неравномерное и/или загрязненное покрытие. Например, известные способы нанесения покрытий часто приводят к загрязнению покрытия из-за проникновения в покрытие влаги, содержащейся в воздухе или связанной с операциями резки и подгонки по размеру. В результате, изолирующее покрытие будет более подвержено повреждениям в неблагоприятных условиях бурения. Повреждение покрытия нарушает электрическую изоляцию, что эквивалентно отказу антенны и невозможности выполнения ИПВБ.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
[0004] Приведенные чертежи включены для иллюстрации некоторых аспектов описанных здесь вариантов реализации изобретения и не должны рассматриваться как исключительные варианты реализации изобретения. Заявленный предмет изобретения предполагает возможность значительных модификаций, изменений, комбинаций и эквивалентов по форме и функции, что будет очевидно для специалистов в данной области и лиц, использующих настоящее изобретение.
[0005] Фиг. 1 иллюстрирует вид сбоку в разрезе примера реализации сердечника, который может вмещать антенну, используемую скважинной электромагнитной телеметрической системой, в соответствии с одним или более вариантов реализации изобретения.
[0006] Фиг. 2 иллюстрирует увеличенное изображение примера реализации электрической изоляции в соответствии с одним или более вариантов реализации изобретения.
[0007] Фиг. 3 иллюстрирует увеличенное изображение другого примера электрической изоляции в соответствии с одним или более вариантов реализации изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0008] Представленные варианты реализации изобретения относятся к скважинным электромагнитным телеметрическим системам и более конкретно к способам нанесения изолирующих покрытий на элементы узлов антенн электромагнитных телеметрических систем.
[0009] Обратимся к Фиг. 1, иллюстрирующей вид в разрезе примера реализации сердечника 100, который может формировать часть антенны, используемой в скважиной электромагнитной телеметрической системе в соответствии с одним или более вариантов реализации изобретения. В частности, сердечник 100 может быть использован как неотъемлемая часть антенны для инструмента, предназначенного для измерений, проводимых во время бурения (ИПВБ). Как проиллюстрировано, сердечник 100 может иметь верхний конец 102а и нижний конец 102б. Верхний конец 102а сердечника 100 может быть соединен или по-другому прикреплен к верхней части секции бурильной колонны 104а, а нижний конец 102б сердечника 100 может быть соединен или по-другому прикреплен к нижней секции бурильной колонны 104б. В по меньшей мере одном варианте реализации изобретения, как проиллюстрировано, гильза 106 и подвесное кольцо 110 (показано в полуразрезе) могут быть размещены на нижнем конце 102б сердечника 100 и по-другому обеспечивать соединение нижнего конца 102б с нижней секцией бурильной колонны 104б.
[0010] Сердечник 100 может иметь различные размеры, включая, но не ограничиваясь, 8,89 см (3,5 дюйма), 12,065 см (4,75 дюйма), 16,51 см (6,5 дюйма), 20,32 см (8 дюймов) и 24,13 см (9,5 дюйма). В работе сердечник 100 может обеспечивать электрическую изоляцию верхней секции бурильной колонны 104а от нижней секции бурильной колонны 104б. Электрическая изоляция позволяет генерировать электромагнитные сигналы данных телеметрии и передавать их на поверхность. Для по меньшей мере частичной реализации этого электроизолирующий слой или подложка 108 может быть нанесена на часть сердечника 100.
[0011] Например, электрическая изоляция 108 может быть нанесена на участок уменьшенного диаметра сердечника 100, который может быть предназначен для размещения гильзы 106 для соединения сердечника 100 с нижней секцией бурильной колонны 104б. В других вариантах реализации изобретения электрическая изоляция 108 может быть нанесена на любой другой участок сердечника 100 без выхода за пределы объема изобретения. Например, в некоторых вариантах реализации изобретения, электрическая изоляция 108 может быть нанесена на внешнюю цилиндрическую поверхность всего сердечника 100. В других вариантах реализации изобретения электрическая изоляция 108 может быть нанесена на участок верхнего конца 102а сердечника 100 без выхода за пределы объема изобретения.
[0012] Обратимся к Фиг. 2, в продолжение обращения к Фиг. 1, иллюстрирующей увеличенное изображение слоя электрической изоляции 108, соответствующее одному или более вариантов реализации изобретения. Как показано, электрическая изоляция 108 может быть нанесена на внешнюю цилиндрическую поверхность 202 сердечника 100. В некоторых вариантах реализации изобретения сердечник 100 может быть сделан из основного металла, такого как, но не ограничиваясь, сталь, нержавеющая сталь, сплав стали или любой обычный металл, подходящий для использования в скважине. Электрическая изоляция 108 может содержать связующее покрытие 204, нанесенное прямо на внешнюю цилиндрическую поверхность 202 сердечника 100, и электроизолирующий слой 206, нанесенный поверх связующего покрытия 204. Связующее покрытие 204 может обеспечить подложку с более высокой адгезией поверхности к электроизолирующему слою 206. В по меньшей мере одном варианте реализации изобретения связующее покрытие 204 может быть никель-хромовым сплавом. В других вариантах реализации изобретения связующее покрытие 204 может быть любым другим материалом подложки, обеспечивающим соответствующую адгезию к последующему слою электрической изоляции 206, включая, но не ограничиваясь, молибден, никель-алюминиевые композиты, алюминиевую бронзу, лигатурный никель-алюминий или сплавы на основе цинка.
[0013] Изоляционный слой 206 может быть нанесен на связующее покрытие 204 с использованием технологии газотермического напыления. Например, в по меньшей мере одном варианте реализации изобретения изоляционный слой 206 может быть нанесен на связующее покрытие 204 с использованием способа высокоскоростного газопламенного напыления. В других вариантах реализации изобретения изоляционный слой 206 может быть нанесен на связующее покрытие 204 с использованием любой другой технологии термического напыления, такой как, но не ограничиваясь, плазменное напыление, взрывное напыление, дуговое напыление, пламенное напыление, горячее напыление, холодное напыление, их комбинация или подобное.
[0014] Электроизолирующий слой 206 может быть выполнен из любого материала, который обеспечивает электрическую изоляцию между смежными металлическими поверхностями или плоскостями контакта. В некоторых вариантах реализации изобретения, например, слой электрической изоляции 206 может быть керамическим, включая, но не ограничиваясь, оксид циркония, оксид алюминия, оксид хрома, оксид титана, их диоксиды, любую их комбинацию. В других вариантах реализации изобретения слой электрической изоляции 206 может быть керамикой любого другого типа. Специалисту в данной области техники очевидно, что использование керамики в качестве слоя электрической изоляции 206 может быть эффективным, учитывая высокую прочность керамики, устойчивость керамики к высоким давлениям и температурам, часто имеющим место в сложных условиях бурения, и коррозионную стойкость керамики. Керамика может также эффективно использоваться, поскольку является отличным электроизолирующим материалом. В последующих вариантах реализации изобретения слой электрической изоляции 206 может быть выполнен из отожженного стекла, фарфора (например, полученного на основе глины, кварца или глинозема, полевого шпата и т.д.), полимерного материала, смол (включая натуральные или синтетические смолы), пластика, любых композитов на их основе, любых их комбинаций или тому подобного.
[0015] С целью предотвращения нежелательного загрязнения или повреждения изоляционного слоя 206 герметик 208, такой как первый слой герметика 208а, может быть нанесен на изоляционный слой 206. В некоторых вариантах реализации изобретения первый слой герметика 208а может быть выполнен из любого материала, способного формировать защитный барьер от газов и жидкостей. В некоторых вариантах реализации изобретения первый слой герметика 208а может быть термогерметиком, стойким к высоким температурам, которые имеют место в условиях бурения. В некоторых вариантах реализации изобретения первый слой герметика 208а может быть выполнен из материалов, таких как, но не ограничиваясь ими, эпоксидная смола, феноловая смола, фуран, полиметакрилат, силикон, полиэстер, полиуретан, поливиниловый эфир, воск, фосфорная кислота, фосфат алюминия, силикат натрия, этилсиликат, хромовая кислота и любые их комбинации. В других вариантах реализации изобретения первый слой герметика 208а может быть получен посредством применения золь-гель процесса, в котором стабильный золь (или коллоидная суспензия), представляющий собой прекурсор, гидролизуется в гель, после чего осуществляется кальцинирование геля при повышенной температуре в оксид. Золь-прекурсоры могут быть алкоголятами металлов, нитратами, гидроксидами и представлять собой любую их комбинацию.
[0016] В некоторых вариантах реализации изобретения первый слой герметика 208а может быть нанесен прямо на слой электрической изоляции 206. Первый слой герметика 208а может быть нанесен методом термического напыления, как это известно специалистам в данной области техники. После сушки и термообработки первый слой герметика 208а формирует защитный барьер от газов и жидкостей. В некоторых вариантах реализации изобретения первый слой герметика 208а наносится на слой электрической изоляции 206 сразу после осаждения слоя электрической изоляции 206 на сердечник 100. Первый слой герметика 208а может обеспечивать герметизацию существующих пор в слое электрической изоляции 206, в которые в противном случае может проникать атмосферная влага или другие загрязнители.
[0017] Первый слой герметика 208а может также быть сформирован для защиты слоя электрической изоляции 206 во время последующих операций механической обработки, которые также могут нарушать целостность слоя электрической изоляции 206. Например, после нанесения первого слоя герметика 208а сердечник 100 может быть подвергнут механической обработке для достижения окончательных размеров. Такая механическая обработка может включать токарную обработку, фрезерование и/или шлифование сердечника 100, пока не будут достигнуты соответствующие допуски. Первый слой герметика 208а может защищать слой электрической изоляции 206 от повреждения частицами металла при механической обработке и/или воздействия используемых смазочно-охлаждающих жидкостей.
[0018] Сердечник 100 может затем подвергаться термической обработке (например, отжигу) в печи при повышенных температурах. В некоторых вариантах реализации изобретения повышенная температура может быть любой температурой, превышающей точку кипения воды. Термическая обработка сердечника 100 может быть предназначена для удаления оставшейся влаги и/или смазочно-охлаждающих жидкостей с поверхности сердечника 100 и, в частности, из слоя электрической изоляции 206 и/или первого слоя герметика 208а. Например, влага, содержащаяся в воздухе, или жидкости, используемые при механической обработке, могут загрязнять слой электрической изоляции 206 и/или первый слой герметика 208а до, во время, и/или после обработки с целью получения окончательных размеров.
[0019] В некоторых вариантах реализации изобретения после термической обработки второй слой герметика 208б может быть нанесен на слой электрической изоляции 206. В по меньшей мере одном варианте реализации изобретения второй слой герметика 208б может быть нанесен поверх первого слоя или другим способом на первый слой герметика 208а, пока сердечник 100 еще имеет повышенную температуру вследствие термической обработки или других операций до его остывания до комнатной температуры. Второй слой герметика 208б может быть выполнен из одного или более материалов, перечисленных выше для первого слоя герметика 208а, и может также служить для формирования защитного барьера от газов и жидкостей. Более того, второй слой герметика 208б может также быть термогерметиком, устойчивым к высоким температурам, таким как те, что имеют место в условиях бурения. Соответственно, в по меньшей мере одном варианте реализации изобретения сердечник 100 может иметь два слоя герметика 208: первый слой герметика 208а и второй слой герметика 208б, нанесенные на слой электрической изоляции 206 для защиты слоя электрической изоляции 206 от загрязнения и/или повреждения.
[0020] Обратимся теперь к Фиг. 3, в продолжение обращения к Фиг. 2, на которой в соответствии с одним или более вариантов реализации изобретения проиллюстрировано увеличенное изображение другого варианта реализации электрической изоляции 108. Как проиллюстрировано, снова электрическая изоляция 108 может содержать связующее покрытие 204 и слой электрической изоляции 206, нанесенный поверх связующего покрытия 204. Однако электрическая изоляция 108 (Фиг. 3) может дополнительно содержать буферный слой 302, размещающийся между связующим покрытием 204 и внешней цилиндрической поверхностью 202 сердечника 100. В некоторых вариантах реализации изобретения, например, связующее покрытие 204 может иметь недостаточную адгезию к внешней цилиндрической поверхности 202 сердечника 100 и буферный слой 302 может быть нанесен для повышения адгезии связующего покрытия 204. Этот метод может быть особенно эффективным в вариантах реализации изобретения, в которых сердечник 100 демонстрирует аустенитно-немагнитные свойства. В по меньшей мере одном варианте реализации изобретения буферный слой 302 может быть изготовлен из сплава INCONEL 625 или любого другого аустенитного сплава на основе никеля-хрома.
[0021] Электрическая изоляция 108, проиллюстрированная на Фиг. 3, может быть нанесена на сердечник 100 с использованием способа, по существу, подобного способу, описанному выше, ссылаясь на Фиг. 2. Соответственно, электрическая изоляция 108 может быть нанесена с использованием способа двойной герметизации, включающего нанесение первого слоя герметика 208а и второго слоя герметика 208б. Известны попытки использования только одного этапа герметизации или полного отсутствия нанесения герметика. Нанесение герметика 208 прямо на изоляционный слой 206 обеспечивает повышение изоляционных свойств сердечника 100 и защиту изоляционного слоя 206 от проникновения влаги из атмосферы.
[0022] В некоторых вариантах реализации изобретения толщина связующего покрытия 204, нанесенного на внешнюю цилиндрическую поверхность 202 сердечника 100, может находиться в диапазоне от примерно 0,00254 см (0,001 дюйма) до примерно 0,127 см (0,05 дюйма) и иметь любою толщину в указанных пределах. В некоторых вариантах реализации изобретения толщина слоя электрической изоляции 206, нанесенного на связующее покрытие 204, может находиться в диапазоне от примерно 0,0254 см (0,01 дюйма) до примерно 1,27 см (0,5 дюйма) и иметь любую толщину в указанных пределах. В по меньшей мере одном варианте реализации изобретения слой электрической изоляции 206 может иметь толщину примерно 0,0762 см (0,030 дюйма). В некоторых вариантах реализации изобретения толщина буферного слоя 302, нанесенного на внешнюю цилиндрическую поверхность 202 сердечника 100, может находиться в диапазоне от примерно 0,0254 см (0,01 дюйма) до примерно 1,27 см (0,5 дюйма) и иметь любую толщину в указанных пределах.
[0023] Варианты реализации изобретения, описанные здесь, содержат:
[0024] А. Сердечник, который содержит продолговатый корпус с первым и вторым концами, электрическую изоляцию, нанесенную на по меньшей мере часть продолговатого корпуса, причем электрическая изоляция содержит связующее покрытие, нанесенное на внешнюю цилиндрическую поверхность продолговатого корпуса, и слой электрической изоляции, нанесенный поверх связующего покрытия, и первый слой герметика, нанесенный на слой электрической изоляции с последующей термической обработкой сердечника.
[0025] Б. Способ, который включает нанесение электрической изоляции на внешнюю цилиндрическую поверхность сердечника, причем электрическая изоляция содержит связующее покрытие и электроизолирующий слой, нанесение первого слоя герметика на слой электрической изоляции и термическую обработку сердечника в печи.
[0026] Каждый из вариантов реализации изобретения А и Б может иметь один или более следующих дополнительных элементов в любой комбинации. Элемент 1: дополнительно содержит второй слой герметика, нанесенный на первый слой герметика. Элемент 2: в котором первый и второй слои герметика содержат материал, выбранный из группы, состоящей из эпоксидной смолы, феноловой смолы, фурана, полиметакрилата, силикона, полиэстера, полиуретана, поливинилового эфира, воска, фосфорной кислоты, фосфата алюминия, силиката натрия, этилсиликата, хромовой кислоты и любых их комбинаций. Элемент 3: в котором второй слой герметика нанесен на первый слой герметика после термической обработки сердечника. Элемент 4: в котором второй слой герметика нанесен на первый слой герметика до того, как сердечник достигнет комнатной температуры. Элемент 5: в котором электрическая изоляция дополнительно содержит буферный слой, размещающийся между связующим покрытием и внешней цилиндрической поверхностью продолговатого корпуса. Элемент 6: в котором первый и второй концы соединены с верхней и нижней секциями бурильной колонны соответственно. Элемент 7: в котором электрическая изоляция нанесена на участок продолговатого корпуса уменьшенного диаметра. Элемент 8: в котором связующее покрытие содержит материал, выбранный из группы, состоящей из сплава никель-хром, молибдена, никель-алюминиевых композитов, алюминиевой бронзы, лигатурного никель-алюминия или сплавов на основе цинка. Элемент 9: в котором слой электрической изоляции содержит материал, выбранный из группы, состоящей из оксида циркония, оксида алюминия, оксида хрома, оксида титана, их диоксидов, отожженного стекла, фарфора, полимерного материала, смол (включая натуральные или синтетические смолы), пластиков и любых их комбинаций. Элемент 10: в котором слой электрической изоляции нанесен толщиной примерно 0,030 дюйма.
[0027] Элемент 11: в котором нанесение электрической изоляции включает нанесение связующего покрытия на внешнюю цилиндрическую поверхность сердечника и нанесение слоя электрической изоляции поверх связующего покрытия. Элемент 12: дополнительно включает нанесение слоя электрической изоляции термонапылением. Элемент 13: дополнительно включает нанесение второго слоя герметика на первый слой герметика после термической обработки сердечника в печи. Элемент 14: дополнительно включает нанесение второго слоя герметика на первый слой герметика до того, как сердечник достигнет комнатной температуры. Элемент 15: в котором нанесение электрической изоляции включает нанесение буферного слоя на внешнюю цилиндрическую поверхность сердечника, нанесение связующего покрытия на буферный слой и нанесение слоя электрической изоляции поверх связующего слоя. Элемент 16: дополнительно включает нанесение электрической изоляции на участок уменьшенного диаметра сердечника. Элемент 17: дополнительно включает нанесение электрической изоляции толщиной примерно 0,030 дюйма.
[0028] Таким образом, представленные варианты реализации изобретения обеспечивают эффективное достижение указанных целей и преимуществ, а также преимуществ неотъемлемо присущих изобретению. Частные варианты реализации изобретения, представленные выше, являются всего лишь иллюстративными и могут быть модифицированы и применимы по-другому, но эквивалентными способами, очевидными для специалиста в данной области техники, который использует приведенное описание. Более того, нет ограничений относительно показанных здесь деталей структуры или конструкции, за исключением ограничений, указанных в формуле изобретения. Таким образом, очевидно, что частные иллюстративные варианты реализации изобретения, описанные выше, могут быть изменены, объединены или модифицированы, и все такие изменения находятся в пределах сущности и объема изобретения. Варианты реализации изобретения, приведенные здесь иллюстративно, в зависимости от ситуации могут быть реализованы без использования любого элемента, который конкретно здесь не указан и/или любого указанного опционального элемента. Хотя структуры и способы описаны в терминах «включающий», «содержащий» или «включающий в том числе», различные компоненты или этапы, указанные структуры и способы могут также «состоять, по-существу, из» или «состоять из» различных компонентов и этапов. Все числа и диапазоны, описанные выше, могут изменяться на некоторую величину. Всякий раз, когда описывается числовой диапазон с нижней и верхней границами, этот диапазон охватывает любое число и любой диапазон, попадающие в указанный диапазон. В частности, каждый диапазон значений, описанный здесь (в форме «от примерно а до примерно б» или, что эквивалентно, «от приблизительно а до б» или, что эквивалентно, «приблизительно а-б»), следует понимать как указание того, что граничный диапазон значений охватывает каждое число и диапазон, попадающие в его пределы. Далее, термины в формуле изобретения имеют их очевидное, обычное значение, пока иное недвусмысленно и ясно не указано владельцем патента. Кроме того, элементы, указанные в формуле изобретения в единственном числе, определены здесь как представляющие один или большее количество соответствующих элементов. При наличии какого-либо несоответствия в использовании слова или термина в этом описании и одном или более патентов или других документов, которые могут быть включены в настоящий документ посредством ссылки, следует использовать определения, указанные в настоящем описании.