СИЛОВАЯ ОБОЛОЧКА РАДИОПРОЗРАЧНОГО КОРПУСА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ИЗ СТЕКЛОБАЗАЛЬТОПЛАСТИКА ДЛЯ УСТРОЙСТВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО КАРОТАЖА СКВАЖИН
PRESSURE SHELL OF RADIOTRANSPARENT HIGH-PRESSURE HOUSING MADE OF BASALT-REINFORCED FIBREGLASS FOR ELECTROMAGNETIC WELL LOGGING DEVICES

Изобретение относится к области измерительных устройств электромагнитного каротажа скважин при поисках нефти и газа, а именно к разработке силовой оболочки радиопрозрачного корпуса высокого давления из стеклобазальтопластика для электронной аппаратуры и защиты ее от влияния агрессивных факторов среды, циклических динамических осевых нагрузок, изгибающих моментов и высокого внешнего давления в процессе исследований скважин.
При эксплуатации корпус подвергается воздействию химически активной (агрессивной) среды: щелочи (pH от 7 до 9), щелочных ионов, кислоты (соляной до 10%), сероводорода (до 0,1%); температуры (до 150°C); циклических динамических осевых нагрузок, изгибающего момента, высокого внешнего давления (до 100 МПа).
Корпус (несущая конструкция) представляет собой соединение силовой оболочки из полимерного композиционного материала и металлических переходников, где внутри силовой оболочки расположена электронная аппаратура.
В современном этапе развития промышленной индустрии в области геофизического электромагнитного каротажа скважин наиболее применяемым для силовой оболочки корпуса материалом является радиопрозрачный композиционный стеклопластик (см., например, патент №2236716 РФ, опубл. 20.09.2004). Силовые оболочки из такого материала обладают диэлектрическими и радиопрозрачными свойствами, а изготовленные методом косослойно-продольно-поперечной намотки приобретают достаточно высокие прочностные свойства. Но имеют существенный недостаток - низкую стойкость в условиях щелочной среды, т.к. для их изготовления используется наиболее дешевое стекловолокно на основе стекла алюмоборосиликатного состава (волокно «Е»). Высокая гигроскопичность данного волокна (до 10%) обуславливает низкую смачиваемость поверхности связующим компаундом и формирование слабого адгезионного соединения на стадии формования стеклопластиковой силовой оболочки. Эксплуатация корпуса в агрессивной среде приводит к локальной потере прочности стеклопластикового материала с разрушением слабых связей на границе раздела армирующее волокно - связующая матрица. Падение упругопрочностных и диэлектрических свойств из-за необратимых диффузионных процессов щелочей и кислот отрицательно сказывается на точности получения информации в ходе геофизического исследования.
Известен кожух зондовой части скважинного индукционного прибора (патент №1242603 РФ, опубл. 07.07.86), где в качестве материала силовой оболочки корпуса выступает волокнистный наполнитель со связующим, намотанный вдоль образующей корпуса при помощи закрепленных на металлических переходниках фиксаторов или намотанный по винтовой линии при помощи укладки и закрепления в кольцевых канавках на металлических переходниках. Одноосная ориентация волокон приводит к существенному различию механических свойств в продольном и поперечном направлениях. Если направление действия нагрузки совпадает с направлением укладки волокна, то реализуются максимальные прочностные и упругие свойства; в случае действия всестороннего внешнего давления в условиях буровой скважины, т.е. сжатия волокна в поперечном направлении, наступает потеря устойчивости корпуса, поэтому силовая оболочка данного изделия основана на керамических кольцах, что ненадежно (хрупкость колец) и дорого.
Наиболее близким к заявляемому является техническое решение по патенту РФ №2386077 (опубл. 10.04.2010), принятое за прототип. Данное изобретение представляет собой несущую корпусную конструкцию в виде соединения силовой оболочки из полимерного композиционного материала (например, стеклопластика, базальтопластика или углепластика) и металлических переходников. Предлагаемое изобретение относится к области измерительных устройств электромагнитного каротажа скважин при поисках нефти и газа. Но высокая электропроводность углепластика препятствует передаче и приему данных в ходе исследования, следовательно, высокие прочностные свойства углеродного волокна рационально не реализуются. Стеклопластик на основе алюмоборосиликатного стекла, как описано выше, не способен сохранить стабильность свойств в течение жизненного цикла эксплуатации устройства. В скважинах при геофизических исследованиях внешнее давление достигает 100 МПа, а предлагаемая силовая оболочка из стеклопластика или базальтопластика сохраняет работоспособность только до 80 МПа, следовательно, изобретение имеет ограниченные функциональные возможности в диапазоне применения.
Задачей заявляемого изобретения является создание силовой оболочки радиопрозрачного корпуса высокого давления, обеспечивающей защиту электронной аппаратуры, расположенной внутри корпуса, от влияния агрессивных факторов среды, циклических динамических осевых нагрузок, изгибающих моментов и высокого внешнего давления, что позволит повысить точность данных, стабильность результатов исследования скважин, увеличить ресурс геофизического прибора.
Поставленная задача решается тем, что в качестве материала для изготовления силовой оболочки радиопрозрачного корпуса высокого давления согласно предлагаемому изобретению использован стеклобазальтопластик, при этом силовая оболочка изготовлена косослойно-продольно-поперечной намоткой стеклобазальтоволокна на оправку, при этом поперечная укладка, т.е. по кольцу по отношению к оси оправки, выполнена базальтовым волокном, пропитанным компаундом на основе эпоксидной смолы, а продольная укладка, т.е. параллельно оси оправки, выполнена стекловолокном, которое оплетает базальтовое волокно.
В частности, силовая оболочка может быть выполнена намоткой стеклобазальтоволокна с количественным соотношением базальтового волокна и стекловолокна в пределах 1,0-1,4.
В частности, силовая оболочка может быть выполнена намоткой стеклобазальтоволокна, состоящего из базальтового директ волокна с линейной плотностью от 400 до 600 текс с замасливателем под эпоксидные смолы и стекловолокна на основе магнийалюмоборосиликатного стекла с линейной плотностью от 50 до 100 текс с замасливателем под эпоксидные смолы - 4С или 78.
В качестве базальтового волокна могут быть использованы директ ровинги, в качестве стеклянного волокна - нити.
Высокий уровень физико-механических и диэлектрических свойств стеклобазальтопластика достигается за счет использования высокомодульного и высокопрочного волокна на основе магнийалюмоборосиликатного стекла (волокно S) и базальтового волокна.
По сравнению с материалом на основе волокна алюмоборосиликатного стекла (волокно «Е») предлагаемый материал существенно повышает прочностные свойства корпуса. Модуль упругости при растяжении волокна «S» составляет 86,19 ГПа, а волокна «Е» - 72,40 ГПа (табл.5.1, Аникеева Л.М., Маркин В.Б. Композиционные материалы: учеб. пособие. Часть 1. / Алт. гос. техн. ун-т им. И.И.Ползунова - Изд-во АлтГТУ). Но стеклянное волокно хорошо работает на растяжение только вдоль волокна, а на сжатие от действия высокого давления, т.е. в поперечном направлении, произойдет образование микротрещин, служащих очагом дальнейшего разрушения структуры волокна. Наличие значительных местных перенапряжений вблизи зоны разрушения приводит к большим деформациям, релаксирующим после разрыва. Сдерживающим фактором, препятствующим образованию локальных и магистральных трещин, является базальтовое волокно. Базальтовое волокно является каркасом для стекловолокна, воспринимает часть растягивающей нагрузки и служит для более равномерного перехода всей структуры в состояние равновесия после нагружения. Для справки: модуль упругости базальтового волокна составляет 113 ГПа (с.76; Джигирис Д.Д, Махова М.Ф. Основы производства базальтовых волокон и изделий. - М.: Теплоэнергетик, 2002. - 416 с. - Каменный век). Кроме того, базальтовое волокно полностью воспринимает действие внешнего давления, т.е. поперечная укладка волокна работает на сжатие, и нагрузка действует вдоль волокна. Следовательно, высокие прочностные свойства каждого наполнителя полностью реализованы и рационально использованы.
Молекулярная и надмолекулярная упорядоченность звеньев и цепочек объясняют химическую стойкость базальтового волокна (табл.5.2, Аникеева Л.М., Маркин В.Б. Композиционные материалы: учеб. пособие. Часть 1. / Алт. гос. техн. ун-т им. И.И.Ползунова - Изд-во АлтГТУ). Химический состав существенно определяет диэлектрические свойства: диэлектрическая проницаемость, тангенс угла диэлектрических потерь отличается от стеклянного волокна, что предопределяет получение стабильных данных геофизическим прибором (http://www.naftaros.ru/articles/21/ [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.naftaros.ru/articles/21/ - Загл. с экрана). Низкий коэффициент гигроскопичности базальтового волокна (1%) способствует повышению смачивания связующим компаундом поверхности наполнителя, следовательно, происходит формирование прочного адгезионного соединения в процессе формования изделия без появления микротрещин, способных инициировать разрушение под действием щелочей и кислот. Как следствие, сохраняются диэлектрические характеристики изделия во время всего цикла эксплуатации. Химическая устойчивость базальтового волокна и волокна на основе алюмоборосиликатного стекла представлена в табл.2.10 (с.73 Джигирис Д.Д, Махова М.Ф. Основы производства базальтовых волокон и изделий. - М.: Теплоэнергетик, 2002. - 416 с. - Каменный век)
Кроме того, силовая оболочка, изготовленная из стеклобазальтопластика по технологии косослойно-продольно-поперечной намотки, обуславливает достижение синергетического эффекта. (Синергетика - суммирующий эффект взаимодействия двух или более факторов, характеризующееся тем, что их действие существенно превосходит эффект каждого отдельного компонента в виде их простой суммы. Википедия, 2011 г.) Близкие по химическому составу волокна в совокупности достигают прочностных свойств, не имеющихся у каждого в отдельности. Так как в процессе эксплуатации от базальтового волокна требуются более высокие значения механических свойств, технологическим процессом производства предусмотрено создание в структуре равнопрочного состояния с небольшим превалированием базальтового волокна по отношению к стеклянному (количественное соотношение базальтового волокна к стекловолокну - 1,2 и линейная плотность стекловолокна от 50 до 100 текс, базальтового волокна от 400 до 600 текс).
Использование базальтового волокна для силовой оболочки радиопрозрачного корпуса высокого давления по сравнению со стеклянным волокном марки РВМПН на основе магнийалюмоборосиликатного стекла позволяет снизить стоимость изделия при одновременном улучшении потребительских свойств (стеклянное волокно марки РВМПН в 5 раз превышает стоимость базальтового волокна).
В частности, технологические свойства базальтового и стеклянного волокон, а именно наличие замасливателя под эпоксидные смолы, позволяют получить химически однородную структуру на стадии формования изделия и полимеризации (отверждения), что в совокупности с другими факторами (гигроскопичность, химическая стойкость, упругопрочностные свойства волокон) объясняет получение высокопрочного изделия.
Пример конкретного выполнения силовой оболочки радиопрозрачного корпуса высокого давления из стеклобазальтопластика
Силовая оболочка радиопрозрачного корпуса высокого давления из стеклобазальтопластика выполнена технологическим способом намотки стекло- и базальтового директ волокна косослойно-продольно-поперечным способом на оправку. При таком способе укладки базальтовый директ ровинг поступает со шпулярника на оправку через пропиточный узел, содержащий компаунд на основе эпоксидной смолы, и наматывается на нее по кольцу, т.е. в поперечном направлении по отношению к оси оправки при ее вращении, а стеклонить поступает с вращающегося укладчика (с вертлюга) на базальтовое волокно и оплетает его параллельно оси оправки. Пропитка стекловолокна происходит непосредственно на оправке за счет захваченного количества компаунда на основе эпоксидной смолы, унесенного из пропиточного узла базальтовым директ волокном. Количественное соотношение базальтового волокна к стекловолокну - 1,2; стекловолокно на основе магнийалюмоборосиликатного стекла, линейная плотность стекловолокна от 58 текс с замасливателем под эпоксидные смолы - 4С; линейная плотность базальтового директ волокна - от 450 текс, замасливатель базальтового директ волокна - под эпоксидные смолы.
Изготовленная силовая оболочка диаметром 76 мм с толщиной стенки 13 мм, длиной 820 мм, выдержала испытания внешним давлением 100 МПа при температуре 120°C; квазистатическое осевое растягивающее нагружение - 245 кН (25 тонн) и 196 кН (20 тонн); изгибающий момент - 21,12 кН·м.
Использование стеклобазальтопластика в качестве материала для силовой оболочки корпуса позволяет получить качественную и точную информацию, поскольку этот диэлектрический материал не препятствует приему и передаче электромагнитной волны определенной частоты, позволяет сохранить минимальное значение тангенса угла диэлектрических потерь и стабильное значение относительной диэлектрической проницаемости в ходе исследования окружающих скважину горных пород.
Силовая оболочка корпуса прибора является «связующим узлом» между внутренней электронной частью устройства и исследуемой средой, поэтому от качества ее исполнения и уровня физико-механических свойств материала будут зависеть результаты измерений.
Результаты испытаний подтверждают целесообразность изготовления силовой оболочки из стеклобазальтопластика для корпуса высокого давления, при этом высокие упругопрочностные свойства материала обеспечивают стабильность диэлектрических свойств в исследованиях, повышают ресурс эксплуатационной надежности геофизического устройства.