CN1203671A - 减小信号衰减的复合材料结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及复合材料结构,它可减小信号的衰减。特别是,本发明涉及具有电磁和声学性能的复合材料钻柱组件,它使得可以使用电磁、声和中子检测设备在钻杆内从井筒获得数据。在一个特定实施例中,复合材料管接合端部配件,端部配件使之连接到钻柱中,从而在复合材料管内可以使用测井设备。

Description

减小信号衰减的复合材料结构
本申请是1995年12月5日提交的美国专利申请08/567,337的部分继续申请。
本发明涉及减少信号衰减特性的的复合材料结构，特别是，本发明涉及复合材料钻柱组件，它呈现出一定程度的透明度，允许电磁场、声信号、回声和核介质传递，因此，使得能够使用电磁、声音、和核测定设备在钻杆内从井眼获取数据。在一个特定实施例中，一种复合材料管接合使它能够结合到一个钻柱中的端部配件，从而可在该管内使用测井设备。
在井眼的掘进过程中，目前通用的方法是通过使用所谓的随钻测量(MWD)，随钻测井(LWD)，起下钻测并(LWT)和起下钻测量(MWT)的方法获得有关地层的数据。这些方法使用测定技术和装置，如光谱伽马射线，中子辐射和检测，射频工具，核磁共振，声象技术，声密度技术，声波井径技术，伽马辐射和测定，密度测井，声波测井和其他仪器获取围绕井眼的地层详细的资料。这些测量技术要求精密的装置或程序，以获得高质量的地层数据，要求的精密的程度是井下操作环境的严酷性直接造成的。而且，测量设备可以设计成钻井设备的一个组件，这个组件在与钻井设备内的测量设备的结合使之进一部复杂化。然而，测量设备与标准钻井设备的合成在从井眼获得数据的质量和类型方面均有限制。
例如，在一个钻柱内使用一个测井或测量工具，数据的类型和分辨率受钻柱钻杆的材料性质的限制。通常，钻杆是钢的，因此，限制了测井和测量工具获取数据的范围。特别是，由于电磁或声测定装置不能通过金属钻杆工作，电磁和声测定装置不能在金属的钻杆内操作。其次，使用可通过金属管操作的测定装置会导致数据信号的严重衰减，从而，使获得地层测井数据的准确度受到限制。
一旦井眼钻毕，操作人员常在井的生产当中不断从井眼获取数据。为了保持井眼的稳定性，常常要在井眼中下套管，这通常是将套管用水泥固定在位。但由于使用金属，会妨碍或严重衰减测定设备的操作。
因此，在钻井和下套管阶段均需要使用一种管子，它不妨碍在井眼内使用测定设备，或使用测定设备时不严重衰减。因此，需要能够全范围地利用MWD，LWD，LWT和MWT技术的管子。
钻井中的井眼环境是具有极大磨损性，高应力的环境，它要求钻井设备有很高的标准的性能和质量。这些钻井设备的标准和性能特征，在美国石油学会(API标准7旋转钻柱元件)，和在井眼中使用的钻杆和套管的几个细则标准(API套管标准5)中部分地进行了说明。
因此，需要一种管子，它满足API的钻柱组件的标准，还具有MWD，LWD，LWT和MWT测定设备的工作频率的所必需的传导性。特别是，需要一种复合材料管，它对射频和声信号是传导的，它还减少通过管的自然衰变波和粒子(伽马射线，β粒子)的衰减。
然而，复合材料管代替钢管是不实际的。因此，在使用MWD，LWD，LWT和MWT测量仪器仅要求较小的窗口以获得井下数据时，仅要求复合材料管的相应短段提供窗口。因此，在一个钻柱中结合一较短的段的复合材料管，要求金属/复合材料的接合处的性能特征与钻柱的复合材料和金属段的相同，从而，使得复合材料管能够以常规方式安装到钻柱的金属组件上。复合材料的钻铤也起旋转扭矩缓冲器的作用，减小钻柱中形成的旋转扭矩造成扭断的危险。
如上所述，井下的钻井环境在磨损，压力和温度方面是严酷的。复合材料管不具有钢的耐磨性，因此需要一种复合材料管，其外表面材料可减少由于接触井壁引起的钻井接头(drilling sub)或套管磨损。
如碳等传导纤维具有电磁屏蔽性，常被用于加强绝缘塑料的屏蔽能力。例如，碳纤维加到尼龙中增加信号的衰减。因此，已知选择碳纤维作为强化介质的材料有损于EM透明度，需要设计一种结构的复合材料管，使得能够使用碳纤维，同时又使管具有可以接受的EM透明度。
因此，需要一种结构的复合材料管，其中，复合材料的显微结构既有物理强度又有可接受的EM透明度，允许在管内使用测定设备。
而且，需要一种复合材料钻井接头，它的复合材料结构使钻井接头的刚度增加，同时提高该接头的耐磨性和电磁透明度。因此，需要一种粘结剂合剂，它是以水泥为基的，通过强化复合材料钻井接头的刚度，能够从复合材料结构中消除或部分消除碳纤维。
检索表明，现有技术未涉及到上述问题。例如，美国专利5,097,870，55,332,049和5,398,975,PCT公开WO91/14123提到复合材料管结构。美国专利5,250,806，美国专利5,339,036和5,128,902提到收集井下数据的各种装置和方法。加拿大专利申请2,044,623公开一种减少钻柱信号噪音的方法。
根据本发明，提供了一种复合材料体，对于物理和性能设计点，其具有信号衰减特性，所述复合材料体包括多个浸渍粘结剂的多层纤维层，其中，每个纤维层是由具有不同机械和信号衰减特性的纤维材料选出的，并且每层纤维是根据所希望的机械性能，信号衰减和相移特性，相对于一个参考轴定向的。
最好，所述纤维层包括玻璃纤维，aramid纤维和碳纤维任何一种，或这些纤维的组合，其中，碳纤维方向相对于参考轴线为±10°，使得信号衰减最小，粘结剂是环氧树脂。在另一个实施例中，粘结剂是下列水泥中任何一个或它们的结合：硅酸盐水泥，硅酸盐-铝-石膏水泥，石膏水泥，铝-磷酸盐水泥，硅酸盐-磺基铝酸盐水泥，硅酸钙-单磺铝酸盐水泥，玻璃离子交联聚合物水泥，或其他无机水泥。
在一个优选实施例中，本发明提供钻柱用的复合材料管，所述复合材料管包括多层第一类和第二类树脂浸渍纤维层，其中第二类层散布在第一类层中，所述复合材料管适于容纳测井工具。
最好，所述第一类层相对于所述管的纵轴以±10°的角度缠绕，所述第一类层包括0-50％高模量的碳纤维，0-50％aramid纤维和16-50％的高强度玻璃纤维，并且第二类层是相对于所述管纵轴以90°角缠绕，第二类包括100％的高强度玻璃纤维。
在另一种形式中，所述第一类层构成90％的管壁厚度，所述第二类层以1-9个离散径向位置均匀地沿整个管壁散开。
在一个特定的形式中，本发明提供一种复合材料管，其中，第一类层相对于管的纵轴以±10°缠绕，第一类层包括25％高模量碳纤维，25％aramid纤维和50％高强度玻璃纤维。
在另一个形式中，复合材料管在20kHz时具有至少70％的信号衰减响应，纤维大约占60％体积的显微结构。
在钻柱中使用时，所述管最好7.31英尺长，并满足表1详列的性能要求，包括拉伸负荷，压缩负荷，扭转负荷，内压，疲劳极限，横向刚度，冲击强度，拉伸强度和屈服强度，这满足或超过美国石油学会标准7的规定。
在另一形式中，复合材料管还包括在所述管外表面的耐磨涂层和/或混合陶瓷粉末的树脂浸渍的纤维层。
在另一优选的形式中，复合材料管还包括通过附加的纤维层和树脂和/或水泥一体地装在复合材料管上的端部配件。
最好，端部配件包括：
一个管座，用于将所述端部配件安在基本复合材料管内；
至少一个压缩支承表面，在端部配件和基本复合材料管间支承压缩负荷；
至少一个扭转传递表面，在端部配件和基本复合材料管间传递扭转负荷；
一个弯曲应力传递表面，在端部配件和基本复合材料管间支承弯曲应力负荷；
至少一个轴向拉伸表面，在端部配件和基本复合材料管间支承轴向拉伸负荷。
在一个优选的形式中，所述扭转传递表面包括八个表面，它们相对于端部配件的纵轴平行或带锥度。
最好，通过附加缠绕粘结剂浸渍纤维将端部配件安装到基本复合材料管，在此，附加缠绕的是以90度缠绕的高模量碳纤维。
在又一形式中，端部配件还包括稳定器，所述稳定器可包括与微脉冲成象无线电探测器配用的金红石或锆聚焦透镜。
在又一形式中，复合材料管/端部配件接合头是预应力的，或预加负荷的，以减少疲劳损坏的敏感性。
在一个特定形式中，本发明提供的钻柱件，具有一个带整体端部配件的复合材料管的中段，具有信号透明度的所述复合材料管中段包括：
一个基本复合材料管，所述基本复合材料管包括第一和第二类粘结剂浸渍的多层纤维，其中，所述第一类层中散布有所述第二类层，第一类层以相对于管纵轴±10°的角缠绕，第一类层包括40％的高模量碳纤维，44％aramid纤维和16％高强度玻璃纤维，第一类层构成整个管壁厚的90％，其中，第二类层是以相对于所述管纵轴的90°角缠绕，第二类层包括100％高强度玻璃纤维，在多个分散的径向位置处，在管壁中均匀地散布；
端部配件包括：
一个管座，用于将所述端部配件设置在一个基本复合材料管内。
至少一个压缩支承表面，在端部配件和基本复合材料管间支承压缩负荷；
至少一个扭转传递表面，在端部配件和基本复合材料管间传递扭转负荷；
一个弯曲应力传递表面，在端部配件和基本复合材料管间支承弯曲应力负荷；
至少一个轴向拉伸表面，在端部配件和基本复合材料管间支承轴向拉伸负荷。
在本发明的另一个实施例中，提供了形成带整体端部配件的复合材料管的方法，它包括以下步骤：
a)在一个钢芯上缠绕粘结剂饱和的纤维的基本内管；
b)固化所述粘结剂，形成一个固化管；
c)从所述固化管除去所述芯；
d)切割所述固化管成定尺，形成一个基本管；
e)在所述基本管内插入一个对准芯，将端部配件置于所述对准芯上的所述基本管内；
f)在所述基本管和端部配件上缠绕粘结剂饱和纤维的外层，形成带端部配件的复合材料管。
在另一个实施例中，一种粘结剂涂层加到所述复合材料管的外表面，以提高耐磨性。
本发明的其他实施例提供了将所述复合材料/端部配件接合处预加应力的方法，如在外纤维层缠绕和固化时，压缩固化的管和端部配件；确保复合材料管的热膨胀系数小于所述端部配件的热膨胀系数，其中，当所述外纤维层缠绕和固化时，在所述端部配件上产生一个压缩力；使得所述端部配件接受一个锁定螺母，用于在所述复合材料/端部配件接合处施加一个压力，或提供一个端部配件，它包括一个内，外端部配件，它们可以在所述的复合材料/端部配件接合处施加压力。
参考附图所作的以下说明会使本发明的诸特点更为明了。
图1是几个基本复合材料管试样的相移和频率关系图，横坐标是log x，纵坐标是y的线性值；
图2是几个基本复合材料管试样的信号衰减和频率关系图，横坐标是logx，纵坐标是y的线性值；
图3是归一化为2.5”工作厚度的图2结果的局部放大图，示出几个基本复合材料管试样的信号衰减和频率关系图，横坐标是x的线性值，纵坐标是y的线性值；
图4是归一化为2.5”工作厚度时，几个基本复合材料管试样的相移和频率关系图，横坐标是x的线性值，纵坐标是log y；
图5是根据本发明复合材料管和端部配件的总成图；
图6是根据本发明端部配件的剖面图；
图6A是沿图6中6A-6A线的端部配件的剖面图；
图6B是沿图6中6B-6B线的端部配件的剖面图；
图6C是沿图6的端部配件的剖面图，示出标称尺寸为63/4-7”的工具的优选尺寸；
图7是根据本发明的实施例的复合材料管和端部配件总成图，示出在所述总成体内的测井工具；
图8是用于扭矩传递表面设计的扭转负荷自由体受力图；
图9是复合材料管/端部配件总成剖面图，其中端部配件包括一个内和一个外端部配件；
图9A是复合材料管/端部配件总成另一个实施例部分剖面图，其中端部配件包括一个内和一个外端部配件；
图10是复合材料管/端部配件总成部分剖面图，其中端部配件包括一个锁定螺母；
图11是复合材料管/端部配件总成部分剖面图，其中端部配件包括一个内和一个外端部配件；
图12是在一段井眼中用伽马射线测井时常规钢丝绳测井和起下钻测井的数据比较。
业已发现，复合材料体的电磁衰减特性受构成该复合材料体的纤维层的方向影响，因此，使得有可能设计和构成复合材料体，用于迄今尚不适用的场合。
如上所指出的，已知在复合材料体中使用高模量碳纤维影响复合材料体的电磁衰减特性。还已知，如玻璃纤维和aramid纤维等材料对这些性能影响不大。对一些具体场合，高模量碳纤维具有比玻璃纤维和aramid纤维优越的强度和性能特性，因此非常适于特定场合。在以前，提供具有电磁透明度的复合材料体时，尽量少用碳纤维。
然而，在特定物理尺寸内，设计具有特定强度和/或性能的复合材料体，要求该复合材料体在该尺寸限制内满足或超过设计条件。因此，随着引入附加的参数，如最小电磁信号衰减，以前认为，使用已知的衰减材料，如碳纤维等，必须尽量少，或不用，以便满足电磁衰减的设计要求。然而，在某些应用中，鉴于复合材料体的实际尺寸的要求和/或强度/物理性能要求，不能不使用碳纤维来满足强度/物理性能的要求。
为了克服这个问题，本发明认识到，在复合材料体内碳纤维相对于复合材料体的电磁衰减性能定向，从而使得可能设计这样的复合材料体，它们具有要求的高强度/实际尺寸限制，而同时达到希望的电磁衰减性能。
具体地说，本发明认识到，在复合材料体内的碳纤维方向，特定地复合材料管的内的碳纤维方向，能够使得测定设备利用设在复合材料管内的提供数据探测信号的电磁传感器。实质上是，通过用玻璃纤维分散碳纤维，加之小缠绕角，避免了导电纤维的高导电环。
在一个特定的应用中，本发明开发了用于井下钻井操作钻柱的复合材料/金属管。所设计的复合材料/金属钻井管，在复合材料的中段两侧带有端部配件的分段。所述的端部配件使得复合材料/金属钻井管能够结合到一个存在的钢钻柱，而同时，所述复合材料中段使得可在该段内，布置和使用起下钻时测井，钻井时测井，起下钻时测量，钻井时测量的设备。为了可以使用测井或测量设备，所述的复合材料中段具有0-200kHz的可接受的电磁透明度。
因此，设计复合材料管和整体端部配件，同时具有用在钻柱中的特定电磁性能，要求复合材料管段既有物理强度性能，也有现有的钢钻井管的尺寸特征(适用的话用API标准)，以及要求的电磁性能。而且，带整体端部配件的复合材料管必须具有一个复合材料/金属接合部，它具有最佳工作特性，主要是在高应力钻井环境中的令人满意的寿命。
复合材料/金属管具有下列组件：
1.基本复合材料管；
2.端部配件；
3.在基本复合材料管和端部配件间的接头部。
如所指出的，除了复合材料管的物理强度特性外，也要求电磁透明度，以便使得测井设备能够有效地记录井下参数。信号衰减的下降为捕获数据提供了优越的条件。
主要是，在20kHz范围内要求有电磁透明度，但是，在0-200kHz范围减小衰减也是有用的。
测井设备可包括从地层获取资料的电极装置和/或感应装置。电极装置要求直接接触中等导电的井眼泥浆，以便向地层发射电流。当在低电导率的充气或油基泥浆中进行测量时，常规的基于电极的方法是不可能的。当该测量限于直接接触井眼泥浆时，既不通过高导电全钢钻井接头，也不通过复合材料钻井接头进行测量是可能的。
在另一方面，感应装置是通过使用向地层感应的二次涡流测量地层的电导率。这个方法在低电导率的的充气或油基泥浆中是优越的，并且，它也可对付普通遇到的中等导电的泥浆环境。感应测井证明是多用途的，并构成迄今评定地层电阻率的主要方法。在用电极装置时，通过全钢钻井接头进行测量是不可能的，但可通过中等导电的复合材料接头进行测量。
在基本感应装置中，一个固定振幅和频率的交变电流输入到一个发射线圈。在该发射线圈周围产生的合成磁场在地层中感生涡流。该涡流将在井眼的同轴路线中流动，呈现一个圆柱的对称体。该涡流在检测器线圈中感生一交变电压，所述电压与发射器的电流位相位差是180°。涡流的大小与地层的电导率成比例。
检测器信号的电阻分量形成感应测量的基础。90°相位差的直接耦合信号也由该检测器线圈接收，但经电子滤波滤出。
测量地层电阻率的(单位ohm m)电流感应装置一般以20kHz的频率工作。地层的电阻率常规地是提供在打印纸带上按四位打印输出，其范围是0.2-2000ohm m。
而且，使用复合材料也允许使用声传送和接收装置，测量井筒的直径。这包括，使用声传送和接收装置，测量在直接邻近井眼的地层中的声脉冲运行时间，但不限于此。这个运行时间Δt，特定的声学时间，根据矿物的成分和气孔率以及在地层中的流体变化(原处的)。因此，进一步的数据，如岩石特性或机械特性，裂缝的位置也可获得。使用声反射数据成象也是可能的。可采取通过复合材料传播声波，并对复合材料的声学特性进行补偿，以致产生上述情况，然而，通过钢管的传播是成问题的。
而且，复合材料的低密度，使得伽马/中子/β射线在接头的本体中的传送增强，从而，可以用设在接头内的接收器对它们进行较准确的测定。基本复合材料管的设计
复合材料管的基本设计要求低吸水性，耐热性和耐腐蚀。复合材料管也必须具有如表1所列的现有的全钢管的机械性能。下面的计算涉及公称尺寸为63/4英寸的钻铤。应理解，相似的计算也适于不同尺寸的钻具的设计。表1-性能参数要求(仅限于公称直径63/4”直径的钻具)拉伸负荷，最大      200,000lb，静止
                800,000lb，冲击压缩负荷，最大      50,000lb，静止
                300,000lb，冲击扭转负荷，最大      50,000ft-lb内压，    最大      10,000psi疲劳极限            75,000psi横向刚度，最小      钢钻铤的70％中击强度，最小      40ft-lb，v形切口，在室温下抗拉强度，最小      120,000psi屈服强度，最小      110,000psi物理尺寸，最大外径  7.25”
      最小内径  2.25”全长，    最大      31ft工作温度，最高      300°F基本管的结构
通过计算机控制的纤维缠绕工艺制备基本复合材料管。这个过程是在一个钢芯上加粘结剂浸渍的纤维连续层制成该基本管。控制缠绕速度，卷筒的位置和卷筒的纤维，使得纤维和纤维的方向和厚度得以控制，以便根据希望的最终产品的特性，形成连续层。一般来说，根据设计的物理和电磁性能选择纤维和纤维的方向。
粘结剂最好是有机成分的或无机成分的。在用于钻柱的复合材料管的特定结构中，基本复合材料管中有两个纤维主层，第一是小角度缠绕(例如，与管的纵轴线偏离±10°)，第二类是围绕管圆周缠绕(与管纵轴线成90°)。每层是用纤维的一半以正的缠绕角缠绕，纤维的另外一半以负的缠绕角缠绕而成的。第一层中可包括几种不同的纤维，，如包括碳纤维，aramid纤维或玻璃纤维。对于具有电磁透明度的一个给定的设计，在碳纤维的数量最少的情况下，而仍可得到一个给定的物理性能。第二类层中也可包括几种不同的纤维。但是，如果该设计要求电磁透明度，碳纤维就不包括在这层中。
最好，第二类层均匀地在几个分散的径向位置在复合材料管壁中散布，以便提高复合材料层强度。
粘结剂可以是水泥为基的合剂，或标准的环氧树脂。水泥为基的粘结剂
在水泥为基组成的情况中，便不需要高模量的碳纤维，使得钻井接头的相当大的部分能用高模量的aramid纤维代替碳纤维。
水泥可以选自下列中的一种，或者是它们的组合：硅酸盐水泥，硅酸盐-铝-石膏水泥，石膏水泥，铝-磷酸盐水泥，硅酸盐-磺化铝酸盐水泥，钙硅酸盐-单磺化铝酸盐水泥，玻璃离子交联聚合物水泥和其他无机水泥。
水泥为基合剂的掺合技术包括在将玻璃纤维围绕钢芯缠绕时，用水泥合剂的水浆在玻璃纤维上涂敷，然后固化。也可以在缠绕时通过使纤维上带负静电荷，将水泥合剂加到玻璃纤维上，以使其与纤维粘结。在这时，该水泥合剂最好通过已知的流体化技术流体化，并通过一个极化栅格，使得水泥带有正的静电荷。最好电压差大约是20kv。在缠绕后也可以在高压釜中热固化时，加水或蒸汽，添加附加的水泥。
用水泥为基的粘结剂制造复合材料管是在管内不用或减少使用碳纤维的情况下，使得钻井接头具有高的刚度。如所指出，减少碳纤维将提高电磁信号的透明度和/或在一个频率范围的场的传播。而且，使用水泥粘结剂也用于改善钻井接头的耐磨性，并降低管的密度，后者对于粒子基测定设备是有利的。树脂基的粘结剂
标准的环氧树脂可以作粘结剂。在一个辅助的测定取样中对显示低电衰减性的特定组成的树脂进行了评价，发现它没有在标准环氧树脂粘结剂之上对减低电衰减有显著的效果。测定试样的特定树脂是带有MTHPA固化剂的双酚F树脂。
层厚度一般是0.01-0.040英寸。对于特定的钻柱管，第一类层厚度是0.038英寸，第二类层厚度是0.035英寸。
在所有的纤维缠绕完成后立即在对流炉中进行固化。固化的时间表依照树脂生产厂家推荐的程序进行。一般的固化包括将炉温保持在180°F四小时，将温度升到225°F保温四小时，将温度升到300°F保温六小时，停炉并在炉中缓慢冷却到室温。
固化后，取出芯子，将内管切割成一定长度。
使用Grafil HR40碳纤维(Courtaulds Advanced Materials，Sacramento，加里福尼亚)，DuPont Kevlar 149和Owens-Corning E和S-2 Glass设计复合材料管。该管用多层制成，其厚度和纤维的方向角在表2示出。表3示出基线纤维(baseline fiber)的机械性能。基线设计用的树脂系统是Shell’s DPL862树脂。可用的其他纤维包括3M Nextel，陶瓷纤维。可用的其他树脂有Bryte Technologies Inc.EX-1545 RTM体系。表2-基线复合材料管材料                角度     厚度％HR40碳纤维          10°             36Kevlar149           10°             40S-2Glass            10°             14S-2Glass            90°             10表3-纤维性能类别            生产厂            拉伸模量，msi         抗拉强度，ksiHR40            Grafil，Inc.      55.3                  700Kevlar149       DuPont            26.0                  500S-2Glass        Owens-Corning     12.5                  530横向刚度
复合材料测井钻铤的刚度设计是通过使用由以下纤维中选出的多个纤维实现的：碳纤维，aramid纤维和玻璃纤维，但不限于这些。通过对这些纤维的方向和每种所用的相对量，以及有机和/或无机粘结剂的选用，对刚度进行控制。
油田一般要求钻铤，接头和马达等的刚度等于同样直径的实体钢棒刚度的70-80％。例如，一个6.75”直径的钻铤必须具有6.75”同样实体钢棒刚度的70-80％。这个刚度要求是使得钻工能够控制钻井的方向。钻工可在钻头上施加压负荷达到这一点。钻工利用钢丝绳系统和井架，部分地从井筒中提升钻柱，并用钻井液使钻柱受到浮力，减小在钻柱上保持的拉伸，控制这个压负荷。
因此，通过控制在钻柱下部的压负荷，钻工能够控制钻井的方向，确保下部沿其组件相对于刚度来说是等效的，。
在要求高刚度的情况中，需要较多数量的碳纤维和/或无机粘结剂，以便使得接头具有刚度。在要求小刚度时，如水平钻井，可以去掉碳纤维。
因此，虽然API标准7或RP7G没有规定横向刚度，但如上所述，行业标准一直要求最小的横向刚度是相似钢的段65-70％，以便保持钻柱的定向控制。因此，除了表1的要求外，复合材料管的设计横向刚度是相似钢段的70-80％，要求的内外径，分别是最小为2.25英寸和最大为7.25英寸。因此，29msi(钢的轴向模量)的钢段的横向刚度是2.9E9lb-平方英寸时，复合材料管的最小横向刚度则是2.03E9lb-平方英寸。外径7.25英寸，内径是2.5英寸时，最小的轴向模量至少必须是15.1msi。基本管的轴向模量设计成17.8msi
基本复合材料管的应力应变分析
在800,000lb轴向拉力和50,000lb-ft扭矩的综合负荷下，对基线复合材料管的应力和应变进行了分析。用经典的复合层理论分析了离开轴端段的复合层设计。见由Robert M.Jones撰写的Mechanics of Composite Materials(McGraw-Hill Book Company出版)。该分析用于确定在外负荷条件下的层的应力和应变状态。该分析提供了在平面负荷下的复合层的点应力分析。对复合层结构关系列出了方程式，用以确定由于中平面负荷出现的中平面应变和弯曲。然后用中平面应变和弯曲确定复合层的应变和每层的应力。程序中用该负荷作为工作负荷输入。复合材料体的轴向和扭转工作负荷计算如下。
在下列分析中仅用5.25英寸内径到7.25英寸外径的间的区域。在5.25英寸直径以下的材料被考虑是仅提供承受压负荷的能力。
轴向工作负荷，Nx
σ＝负荷/面积
Nx＝σt＝负荷×厚度/面积，在800,000lb拉力负荷下，
Nx＝800,000(1.0)/19.6＝40,816lb/in.
扭转工作负荷，Nxy
σ＝Tr/J
T＝扭矩
r＝平均半径
J＝极惯矩
Nxy＝σt＝T/2r2  t＝壁厚
在50,000lb-ft下
Nxy＝50,000(12)/(2π(6.25/2))＝9778lb/in
离开金属端部配件的轴端的材料性能示于表4，设计许可值示于表5。轴向负荷和扭转负荷叠加产生的应力应变示于表6。请注意，在这些负荷下的所有余量都是正的。
表4-复合材料体的材料性质轴向模量     17.8msi圆环模量     1.81msi剪切模量     1.09msi泊松比，AH 0.47泊松比，HA 0.048
表5-复合材料设计允许值
 HR40  Kevlar.149  S-2Glass
纤维方向拉伸强度Ksi  210  200  200
横向拉伸强度Ksi  6  4  6
纤维方向压缩强度Ksi  100  60  100
横向压缩强度Ksi  30  30  30
剪切强度Ksi  9  3  9
支承极限强度Ksi  6O  60  60
表6-应力概览
10°层    HR40  Kevlar 149      S-2
拉伸应力，纤维方向/允许Ksi   120/210   57.4/200   27.4/200
拉伸应力，横向/允许Ksi   1/6   .6/4   1.3/6
压缩应力，纤维方向/允许Ksi 0/100 0/60 0/100
压缩应力，横向/允许Ksi   2/30   .8/30  .3/30
剪切应力/允许Ksi   6.8/9   2.4/3  8.8/9
90°层  HR40  Kevlar 149      S-2
拉伸应力，纤维方向/允许Ksi    0/200
拉伸应力，横向/允许Ksi    3.7/6
压缩应力，纤维方向/允许Ksi    7.2/100
压缩应力，横向/允许Ksi    0/30
剪切应力/允许Ksi    8.3/9
下面用销端柱体(pin-ended columns)Eulers公式检验复合材料管的柱体弯曲。
临界弯曲负荷，Pcr
Pcr＝π2EI/L2
E＝轴向模量
I＝惯性矩
L＝长度
假设复合材料体的长度为235英寸
Pcr＝π2(2.03E9)/2352＝362,000lbs
最大压缩冲击负荷是300,000lbs
基本复合材料管电磁透明度的测试
构造管试样A作为对照物，以比较和希望的衰减和相位特性的不同。管A也用于测试装置制造的参考。
管A是100％的碳纤维，是由Grafil HR-40纤维制成的，这种纤维与Grafil碳纤维比较具有低电导率。而且，HR-40纤维具有较差的机械性能，使得它不适于做成EM透明管。
管B和C是由不同比例的机械性能优良的Grafil 55-500纤维制成。在制造时，限于在同轴方向(即圆周方向)缠绕该碳纤维。
管D是由Grafil 55-500碳纤维制造，同轴方向碳纤维的缠绕减少到机械性能制约的最低限度。
管E和F与管D相同，但是，树脂性能不同。碳纤维的比例减少。
制成管G的碳纤维是管E和F的一半，用Kevlar代替去掉的碳纤维。
表7示出管的结构和电磁测试结果
复合材料管试样的感应特性测试
对测试管进行电感特性测试。
测试装置包括位于内部(发送器)和外部(检测器)的两个同轴环绕的线圈。一个信号发生器连接到内线圈，一个固定振幅，交变频率的信号输入到该线圈。从外线圈测量相对于内线圈的电压和相位。
表皮效应深度方程式说明交变信号通过导电材料时的振幅和相位的关系。该方程式指出振幅是以距离的指数函数衰减，相位滞后是距离的函数(即时间滞后)。
表7-复合材料管试样结构，衰减和相移数据
试样 主要参数 配比
 碳纤维   S-Glass Kevlar   纤维方向(度)    传递系数20kHz   信号相移10kHz(弧度)     信号相移20kHz(弧度)    信号相移70kHz(弧度)
A  Grafil HR-40   100％   0％      0％    45    74.73％   0.0192     0.0384    2.691
B  Grafil 55-500   75％   25％      0％    90    12.48％   0.3269     0.3827    2.6233
C     5  Grafil 55-500   55％   45％      0％    90    48.34   0.1691     0.2255    2.8195
D  新树脂   73％   27％      0％    10    70.64％   0.0327     0.0655    2.7490
E  老树脂   50％   50％      0％    10    76.39％   0.0000     0.0061    0.0000
F  新树脂   50％   50％      0％    10    74.88   0.0031     0.0062    0.0000
G  Kevlar   25％   10％      65％    10    76.51％   0.0000     0.0000    0.0000
该方程式的数量表达式如下：
μr*μ0＝磁导率，复合材料的μr＝1
σ＝材料的电导率，mho/m
衰减＝exp(-距离/δ)
相移＝cos(ωt+距离/d)单位为弧度
每个管试样的衰减和相移是在5-70kHz频率范围测试d的。
测试是在制造的每个试样依次迭代进行。复合材料管性能的改进是为了强化20kHz时的电磁透明度。前几个迭代步骤起标定复合材料管性能的作用。
表8示出在管试样的衰减和相移测试结果。该结果是基于每个管的单独特性，没有归一到固定的管的工作厚度。表9表示在归一到2.5”管的工作厚度之后的结果。
图1-4示出复合材料管试样的衰减和相移结果。图3和4示出归一到2.5”工作厚度的结果。图3示出在线性x轴和y轴上的统一的衰减结果的局部放大图。
结果
所研究的复合材料管的三个主要参数是：
1.碳纤维的同轴排列
2.碳纤维的比例
3.树脂对电导率的影响
结果示出，在管试样B和C的情况中，同轴排列在确定管试样的响应中具有主要影响。从表9可见到，20kHz时管B和C的衰减值分别是0.1248表8-衰减和相移结果(未归一化)
  频率kHz         管子试样1Aamp  A phase          管子试样2B amp  B phase          管子试样3C amp  C phase         管子试样4D amp   D phase          管子试样5E amp    E phase         管子试样6F amp   F phase          管子试样7G amp  G phase
   5101516171819202122232425303540455055606570     0.9958    0.00790.9882    0.01570.9669    0.02360.9646    0.02510.9559    0.03200.9513    0.03390.9489    0.03580.9442    0.03140.9386    0.02840.9322    0.02760.9231    0.02890.9183    0.03020.9076    0.03140.8824    0.03770.8291    0.04400.7758    0.05030.6861    0.06360.5734    0.11000.3734    0.12960.0921    0.18850.0120    0.40840.0220    2.1991      0.9748    0.13820.9025    0.25760.8134    0.30160.8043    0.29150.7994    0.28840.7995    0.29410.7994    0.29850.8010    0.30160.8045    0.31670.8061    0.33180.8077    0.34880.8034    0.37700.8044    0.39270.7801    0.52780.7312    0.85970.8895    0.82940.6376    1.04620.5927    1.28810.5709    1.55510.5969    1.88500.7871    2.20540.5796    2.0672      0.9882   0.08800.9548   0.13190.9008   0.16020.8939   0.17090.8904   0.17090.8862   0.15960.8830   0.16710.8816   0.17590.8827   0.18470.8799   0.19350.8787   0.20230.8725   0.21110.8712   0.21990.8422   0.28270.8002   0.35190.7474   0.45240.5831   0.56550.5949   0.56120.4800   0.96760.3504   0.31950.2289   1.71530.1064   2.1991     0.9976    0.01260.9824    0.02510.9570    0.03770.9517    0.04020.9432    0.04270.9415    0.04520.9372    0.04760.9319    0.05030.9275    0.03960.9213    0.04150.9165    0.05780.9100    0.05030.9042    0.06280.8687    0.07540.8254    0.08800.7654    0.11310.6839    0.12720.5248    0.21890.3657    0.27650.0464    0.37700.0189    0.77600.0323    2.1112       0.9978    0.00000.9894    0.00000.9724    0.00750.9577    0.00400.9828    0.00430.9592    0.00900.9511    0.00980.9480    0.00500.9418    0.00530.9351    0.00550.9275    0.00580.9200    0.01210.9199    0.01260.8785    0.00750.8383    0.00440.7789    0.00250.7150    0.00000.5747    0.00000.4491    0.00000.0642    0.00000.0159    0.00000.0309    0.0000      0.9971    0.00000.9894    0.00250.9724    0.00750.9677    0.00800.9513    0.00880.9584    0.00900.9503    0.00960.9438    0.00500.9399    0.00530.9328    0.00550.9282    0.01160.9227    0.01210.9164    0.01280.8785    0.00780.8347    0.00880.7753    0.01010.6921    0.01130.5874    0.01280.4073    0.01380.1020    0.01510.0159    0.00000.0309    0.0000      0.9977    0.00000.9890    0.00000.9738    0.00000.9894    0.00000.9841    0.00000.9590    0.00000.9512    0.00000.9469    0.00000.9416    0.00000.9348    0.00000.9270    0.00000.9233    0.00000.9180    0.00000.8785    0.00000.8333    0.00000.7754    0.00000.6953    0.00000.5845    0.00000.4037    0.00000.1288    0.00000.0207    0.00000.0333    0.0000
 成分测试的参数     100％HR-40碳参考试样   75％Grafil碳                  55％Grafil碳碳纤维含量改变全用环形碳纤维缠绕  75％Grafil碳环形碳纤维缠绕最少  50％Grafil碳                    50％Grafil碳不同的树脂绝缘性能管减少碳纤维含量时管样4的参数  25％Grafil碳用Kevlar纤维代替，Grafil减少到25％
表9-衰减和相移测试结果(未归一到2.5＂厚度)
  频率kHz         管子试样1A amp    A phase         管子试样2B amp    B phase          管子试样3C amp    C phase           管子试样4D amp    D phase         管子试样5E amp     E phase         管子试样6F amp    F phase       管子试样7G amp    G phase
5101516171819202122232425303540455055606570 0.9855    0.00970.9458    0.01920.8501    0.02890.8397    0.03070.8003    0.03920.7795    0.04150.7686    0.04380.7473    0.03840.7220    0.03230.6930    0.03380.6518    0.03540.6300    0.03700.5816    0.03840.4675    0.04810.2261    0.05380.0000    0.08180.0000    0.07780.0000    0.13460.0000    0.15660.0000    0.23070.0000    0.49980.0000    2.6910 0.8892    0.17540.5712    0.32590.1793    0.38270.1393    0.36990.1178    0.36600.1182    0.37320.1178    0.37880.1248    0.38270.1402    0.40190.1472    0.42110.1543    0.44010.1354    0.47840.1398    0.49830.0329    0.88980.0000    0.53720.0000    1.05250.0000    1.32760.0000    1.83450.0000    1.87340.0000    2.39210.0000    2.79870.0000    2.6233 0.9485    0.08460.8028    0.16910.5872    0.20540.5371    0.21910.5218    0.21910.5035    0.21740.4895    0.21420.4834    0.22550.4882    0.23880.4760    0.24810.4708    0.25940.4437    0.27070.4381    0.28190.3115    0.38240.1283    0.45120.0000    0.58000.0000    0.72500.0000    0.88620.0000    1.24060.0000    1.69170.0000    2.19920.0000    2.8195 0.9897    0.01640.9241    0.03270.8146    0.04910.7918    0.05230.7551    0.05560.7478    0.05890.7291    0.06220.7064    0.06550.6875    0.05180.6807    0.05400.6400    0.07530.6120    0.07850.5870    0.08180.4340    0.09820.2473    0.11480.0000    0.14730.0000    0.15560.0000    0.28630.0000    0.36000.0000    0.49090.0000    1.01040.0000    2.7490 0.9800    0.00000.9519    0.00000.8747    0.00910.8533    0.00490.8302    0.00520.8147    0.01100.7779    0.01170.7539    0.09510.7357    0.00850.7053    0.00870.6708    0.00710.6367    0.01480.5363    0.01540.4392    0.00910.2657    0.00540.0000    0.00300.0000    0.00000.0000    0.00000.0000    0.00000.0000    0.00000.0000    0.00000.0000    0.0000 0.9870    0.00000.9528    0.00310.8787    0.00930.8557    0.01000.8271    0.01070.8052    0.01120.7779    0.01190.7488    0.60620.7314    0.00660.6997    0.00880.6791    0.01440.6548    0.01500.6264    0.01570.4570    0.00930.2613    0.01090.0000    0.01280.0000    0.01410.0000    0.01570.0000    0.01720.0000    0.01880.0000    0.00000.0000    0.0000 0.9896    0.00000.9513    0.00000.8841    0.00000.8646    0.00000.8412    0.00000.8188    0.00000.7841    0.00000.7651    0.00000.7416    0.00000.7115    0.00000.6770    0.00000.6808    0.00000.6283    0.00000.4624    0.00000.2824    0.00000.0053    0.00000.0000    0.00000.0000    0.00000.0000    0.00000.0000    0.00000.0000    0.00000.0000    0.0000
 成分测试的参数  100％HR-40碳参考试样  75％Grafil碳                55％Grafil碳碳纤维含量改变全用环形碳纤维缠绕  75％Grafil碳环形碳纤维缠绕最少  50％Grafil碳                   50％Garfil碳不同的树脂绝缘性能管减少碳纤维含量时管样4的参数  25％Grafil碳用Kevlar纤维代替，Grafil减少到25％
和0.4838。在管D中，同轴排列的影响最小，响应增加到0.7064。
比较管D，E和F的结果，碳纤维比例的减少使得响应由0.7064提高到0.7639。而且，管E和F的相移特性表明了在上述试样上的相位特性的急剧改变。这个特性可归因于电导率与碳纤维比例的最小的阈值间的非线性关系。可以看出，相移特性远比振幅特性敏感的多。对于幅值响应，它对阈值的钝性被少量的纤维的同轴排列的残余影响缓和。
管E和F近乎一致的特性表明，树脂的选择对电导率特性的影响是可忽略的。
管G的碳纤维减少到25％，衰减响应为0.7651，对相移没有影响。
复合材料管/端部配件接头
除了复合材料管的物理和电磁性能外，复合材料管必须容易接合在现有的钻柱内。因此，设计包括与端部配件的接合处，如图5，6和7所示，以使复合材料管与现有的钻柱接合。
图5是一个根据本发明的复合材料管和端部配件接合处的总成图，示出基本管12和组装在一起的端部配件14。示出的外层缠绕16连接基本复合材料管12和端部配件14。图6是详细示出端部配件的剖面图。图6A和6B详细示出分别沿6A-6A和6B-6B线取的端部配件的剖面。图6C示出与钻柱接合的端部配件的优选尺寸。图7是另一个实施例的复合材料管/端部配件的装配图。
就基本复合材料管设计来说，端部配件的设计关键问题，除了在复合材料体和端部配件间负荷传递外，包括本体的刚度和强度。
根据本发明，接合处设计成提供，从复合材料管体到端部配件的轴向压缩和拉伸负荷的分开的负荷路线，以便避免依赖一个接合点在配合过程中承受负荷。压缩负荷从直接相对于支撑表面20的基本复合材料管12承受，轴向拉伸负荷相对于轴向拉伸表面22承受，扭转力相对于扭转传递表面24承受，弯曲应力相对于弯曲应力传递表面26承受。
弯曲应力传递表面26形成一个段，在其上，弯曲负荷从端部配件14向复合材料管16传递。为避免在端部配件14中发生旋转弯曲疲劳，该表面是必须的。旋转弯曲疲劳是井下工具疲劳的主要原因。弯曲应力传递表面的最大直径为6.00英寸，以维持复合材料管中要求的强度。这个直径做的尽可能大，以将台阶28上的弯曲应力减至最小。已显示出，为了防止疲劳断裂，钻井接头的减小的截面的最小直径是，它的惯性矩(I)不小于用钻井接头的公称外径计算所得惯性矩的29.5％。在这种情况下，这个最小的直径是5英寸。示出的4.25英寸直径是小于这个5英寸最小值的，因此，端部配件的这个截面不能承受全部的弯曲负荷。因此，弯曲应力传递表面26带有每英尺2英寸的锥度，使得弯曲负荷在到4.25英寸处之前，可从端部配件14向复合材料管传递。
扭转传递表面24提供在端部配件14和复合材料管16的扭转能力间的平衡，这样使总成10的整个扭转能力达到最大。4.25英寸的直径是满足端部配件14扭转要求所需的最小值。使用这个最小直径使扭转传递表面24可得到最大面积。
轴向拉伸表面也具有带锥度的表面22。
最好端部配件14是由无磁材料制造，以便于容纳MWD工具。然而，如果不考虑磁性影响，它们可由AISI4145H MOD制造。
接合理论和设计
如指出的，金属/复合材料接合处被设计成用来传递扭矩，轴向压缩和拉伸以及弯曲负荷。下面是端部配件的设计和分析所考虑的：
1.承受负荷要求的最小厚度；
2.在配件的带锥度段上的复合材料的界面压力；
3.由带锥度的金属配件产生的冲出负荷。
用八面剪切应力准则，假设在最大的负荷环境下不允许屈服，确定出端部配件的最小直径。在计算冲击环境的应力时，假设最大轴向和扭转负荷同时发生时，分析中用的最小安全系数是1.0。
八面剪切应力，Y Y = σ 2 + 3 τ 2
负荷状态：轴向800,000lbs，扭矩600,000lb-in
外径＝4.25”
内径＝2.25”
σ＝轴向应力＝负荷/面积＝800,000/10.2＝78,350psi
τ＝剪切应力＝T(OD/2J)＝600,000(4.25)/2(29.5)＝43,200psi Y = 78,350 2 + ( 3 ) 43,200 2 = 108,300 psi
屈服强度(最小)＝110,000psi
安全系数＝110,000/108,300＝1.01
端部配件带锥度段的设计是根据W.Rumberger，B.Spencer在“NCF(NoCut Fibre)Coupling”所述的原理，此文献出自American Helicopter SocietyMeeting，June，1985，Stanford，Connecticut。
图8示出扭转负荷是如何通过在端部配件上的多边形作用的。对轴向负荷使用一个相似的立体受力图，但除了在多边形表面上的负荷是固定的，不是三角形的，并且，两个收缩处用于接受轴向拉伸负荷。
T＝(dμP+PL)F
T＝施加的扭矩＝600,000lb-in
μ＝摩擦系数＝0.2
d＝2.367”(平均值)
L＝0.327”(平均值)
F＝平面数＝8
对P的解
P＝93.710lbs
用垂直于配件带锥度多边形截面的力，可计算出扭转负荷造成的复合材料的支承应力σBT。
平面面积＝5.76平方英寸
σBT＝93.710/5.76
σBT＝16.270
再计算由钻井接头上的拉伸负荷产生的应力，并加到上面扭转负荷造成的应力上。
此分析包括在内收缩处圆锥段的附加面积。因为这个收缩处不是多边形，对扭转负荷的计算中没有包括。用前面提出的相似的立体图，对800，000lbs的轴向负荷，平面和圆锥上的支承负荷如下。
σBT＝负荷/面积
平面面积＝(8)5.76＝46.08平方英寸
圆锥面积＝28.83平方英寸
整个面积＝74.91
垂直负荷＝800,000/sin15lbs
σBT＝800,000/sin15(74.91)
σBT＝41,260psi
配件的锥度段承受的总应力是：
带锥度的多边形承受的应力＝16,270+41,260＝57,530psi
圆锥内承受应力＝41,260psi
极限支承强度是60ksi平方英寸。因为计算的应力是由冲击负荷产生的，即使考虑在两个锥度部分间有不均匀的剪切负荷，安全系数也是足够的。
其次，用垂直负荷，可对复合的轴向和扭转负荷，计算出冲出负荷。
总冲出负荷，KL
KL＝F*Pcos15+拉伸负荷/tan15＝8(93,710)cos15+800,000/tan15
KL＝3,710,000lbs
碳纤维的允许拉伸应力采用525ksi，对付冲出需要的纤维环箍面积可计算如下：
面积＝3,710,000/525,000
面积＝7.07平方英寸
该配件的设计允许有足够的纤维环箍。
为了改善负荷传递和减小应力集中，纤维环箍散布有螺旋缠绕的纤维。
最后考虑的负荷是压负荷。当仅考虑邻近金属配件端部的复合材料的面积传递压负荷时，造成的应力可计算如下：
σB＝负荷/面积＝300,000(π/4*(5.25-2.50))
σB＝17,900psi
如上所述，极限强度是60ksi。
应力分析表明，钻井接头的设计对所有的负荷条件都是适当的。
带一体的端部配件的复合材料管的制造
根据下面的基本方法制造总成10。应理解，在本发明的范围内，对于一个具体设计，可使用各种纤维，纤维方向和粘结剂进行制造。
下面是基本内管12的制造和定尺切割步骤：
1.将一金属杆置于基本复合材料管内，端部配件14置于金属杆上。将凸缘29插入到基本复合材料管12的每端；
2.端板安装到金属杆上，将基本复合材料管12和端部配件14锁在一起，以放置到纤维缠绕器；
3.在复合材料管12的外表面和端部配件14的轴向拉伸面22，扭转传递面24和弯曲应力传递面26，用树脂浸渍的纤维缠绕，螺旋形和圆形纤维缠绕相结合，使得达到与端部配件的14的外径相应的外径。
其他设计考虑
在纤维缠绕时和在纤维缠绕后，耐磨涂层可混合在粘结剂中，或在该总成固化后加到复合材料管的外表面上。耐磨涂层最好是可抹上的耐磨涂层，如DuraWear公司生产的ArmorStone CeraTrowel。
在端部配件14或复合材料管体16上可用一个稳定器/磨损套30减小对复合材料管的磨损。稳定器/磨损套30也可包括附加的检测元件，如图7所示的金红石聚焦透镜32，用于微脉冲激光设备。稳定器30可与总成10是一体的，或是可卸下的。图7还示出在总成10的内孔中的一个测井工具40和一般的探测装置，如中子源和测定器42，伽马射线测定器44，电阻率组件46和声波测距设备48也示出。示出的总成10的端带有各自的带螺纹的表面50和52，用于端部配件14与钻柱接合。
而且，混有一定量陶瓷粉末的树脂可用于加强复合材料的耐磨性。
金属/复合材料接合处的密封
用胶，垫圈和/或O型环在几个金属/复合材料接合处表面进行密封，不会影响到表面的功能。
在图9中示出用O型环密封系统的一个例子。在此实施例中，端部配件是两个组件，一个内配件14a和一个外配件14b，它们用螺纹14c接合。基本复合材料管12和外缠绕复合材料层16如上所述组装在内配件14a上。在内配件和外配件14a和14b接合处设有一个O型环14d，通过将外配件14b拧紧，可使其压在内配件上14a上。
可用密封复合材料管内面和接合处的另一个方法，其中，在纤维层固化后，在总成内压入硅酸钠溶液，使得硅酸钠溶液被挤压到复合材料管或接合处的任何缝隙或空洞中，然后进行二次固化。
另外，还可以用通过复合材料管和金属端部配件内孔穿过一个可取下的管达到密封。在该管是复合材料管时，该管可穿过复合材料管和端部配件的全长。这个内复合材料管带有在两端它的外径上的密封，用于相对外复合材料管和端部配件密封内管，因此，复合材料管/端部配件的接合处被密封。
还可以用金属套进行复合材料管/金属接合处的密封。此时，在复合材料管/端部配件结构的两端用两个分开的套筒与端部配件的和内复合材料管的一小段重叠，使得复合材料段在管的中部。在套筒的每端有适当的密封，用以将复合材料/金属接合处密封。
金属/复合材料接合处的预应力处理
另外，可在复合材料管/端部配件接合处进行预应力处理，以便减少在负荷下复合材料管相对于端部配件运动的可能性。可使用的方法有几个。
例如，在内复合材料管组装在金属端部配件后，在缠绕外纤维层前和在缠绕时，可纵向压缩总成。端部配件和基本复合材料管在组装杆上时，通过压缩这些组件，和在外层缠绕和固化时保持适当的压力可达到此目的。固化后，除去压缩负荷，从而在外管中留下拉负荷，因此，在金属端部配件上的锥度收缩处留下压缩负荷。
另外，或同时，可使复合材料管的热膨胀系数小于钢端部配件。此时，在固化和随后冷却时，复合材料管的收缩比金属的快。因此，如果固化温度在钻铤的工作温度上，复合材料管在金属端部配件上施加一个压缩负荷(径向)。
还可以使得端部配件的几何形状能够做成这样，使得用一个锁紧螺母系统在端部配件的收缩处上施加一个压缩负荷。用图9和9A所示的系统可达到此目的，其中，端部配件是两部分，即内和外端部配件14a和14b。如所示，在外端部配件14b上有一个压缩面14e，它可以在固化后相对于外纤维层16紧固，从而在金属端部配件的收缩处施加一个压负荷。
另外，如图10所示还可以使得端部配件的几何形状能够做成这样，使得使用一个锁紧螺母在端部配件的收缩处上施加一个压缩负荷。一个螺母14f在金属端部配件14的螺纹段14c旋拧。如所示，螺母具有一个压缩面14e，它在固化后相对于外纤维层16紧固，从而在金属端部配件的收缩处施加一个压负荷。
图11示出接合处预应力的另一个例子，其中，端部配件也是两个部分：14a和14b。在此实施例中，带螺纹段14c形成在内外端部配件上。外部有一个几何形状，使得弯曲应力传递表面26包括在外端部配件上。如所示，外端部配件可相对于内端部配件上紧。因此，围绕内外端部配件缠绕外纤维层后，外端部配件可相对于内端部配件紧固，从而在接合处施加一个压缩和径向负荷。
带端部配件的复合材料管的静态测试数据
带端部配件的6.75英寸外径25英尺复合材料钻井接头的静测试完成如下：
a)轴向负荷测试
用轴向负荷循环测试评估在循环的拉和压负荷下的复合材料性能。
在3.5百万磅的管材测试系统(TTS)中进行拉/压测试。制成特别的测试夹具将试样的端部连接到TTS的启动器和十字头上。施加的负荷由TTS压差传感器(系列号135841)对测试用的1500kN的范围测量。压差传感器具有压力全量程-0.135％和拉力全量程+0.151％的误差。
直接从TTS启动器线性变量差动变换器(LVDT)测量位移。LVDT(系列号91203)对测试用的±50mm范围具有±0.5％(±0.010英寸)的全量程误差。在测试时连续监视施加的负荷，启动器的位移和时间，并由数字数据采集系统记录在盘上。
拉/压测试包括
轴向拉力到300千磅；
在0和200千磅件进行10次轴向拉伸循环；
轴向压力到75千磅；
在0和50千磅间进行10次轴向压缩循环；
在310千磅一小时蠕变测试。
b)扭转测试
在顺时针(上紧)和反时针(松开)方向进行扭转测试，检验扭转能力。
用160,000英尺磅上紧力矩200,000英尺磅松开扭矩机进行测试。在接头的端部装有100,000英尺磅上紧和松开的扭矩仪，监测施加的扭矩。
扭转测试包括高达50,000英尺磅的静力矩上紧，上紧力矩增量5,000英尺磅，继之以高达45,000英尺磅的静力矩松开，松开力矩增量5,000英尺磅。
附加的测试包括在20,000-25,000英尺磅的力矩上紧，继之以20,000-25,000英尺磅松开力矩各循环10次。在循环测试后为了检验扭转的完整性，再施加到50,000英尺磅的上紧力矩和45,000英尺磅的松开静力矩。
复合材料钻井接头的测井接头透明度测试
在典型的油田钻机环境中的井下培训维修设施上对复合钻井接头成功地进行了测试。复合材料钻井接头经受了典型的井下条件，以及测井运行，其中，与全钢测井接头进行了比较，钻井接头的透明度和传播特性增强。
该测试包括在地面将复合钻井接头组装到钻柱的井下总成中，将该钻柱下入到650米深的井中。在钻井接头中的复合材料钻井接头的存在不影响钻机在井内的1〕起下钻，2〕旋转转盘，3〕动力钳接钻杆，4〕卸钻杆或5〕循环流体等工作。
在650米的深度，一补偿中子-伽马射线仪器下入到复合钻井接头中，测井数据送至地面。
与全钢钻井接头比较，该测井结果
1.提高了伽马射线灵敏度。2.5”厚的复合材料管壁使得伽马射线的衰减为最小。相比之下，0.8”厚的钢壁，伽马射线的传播衰减达到60％。2.5”厚的钢壁基本是对伽马射线传播是不透明的。
2.提高了中子灵敏度。复合材料钻井接头与钢比具有低衰减特性。复合钻井接头内进行中子孔隙度测量得到改善，因为，复合材料纤维排开井中的流体，从而使得井中流体的中子缓和影响达到最小。
3.改善了电磁传播。复合材料钻井接头电磁透明度比钢高。而且，如2所述的，由于排开了井中的流体，也有助于电磁传播。
在图12中示出了在常规的钢丝绳测井和起下钻测并之间的伽马射线测井的比较。可见到，在这两种测量技术间伽马射线测井数据具有很好的相关性。
复合材料钻井接头因衰减减小，传播性能提高，整个的测井速度可提高，操作时间减小，这表明，与全钢设计比较，使用复合材料钻井接头具有根本的改进。
在本说明中用的术语和表达式是为了便于说明，而不是限定。无意使用这些术语和表达式排除所述特征或部件的等同物。应理解，在本发明的范围内可能有各种变形。

Claims (46)

1.一种复合材料体，它对物理和性能设计点有信号衰减特性，所述复合材料体包括用粘结剂浸渍的多层纤维层，其中，每个纤维层是由具有不同机械和信号衰减性能的纤维材料选出的，并且每层纤维是根据设计点希望的机械性能，信号衰减和相移性能相对于一个参考点定向的。
2.根据权利要求1所述的复合材料体，其中，所述粘结剂是水泥或是树脂或是它们的结合。
3.根据权利要求1所述的复合材料体，其中，所述复合材料体是具有纵轴线的管，所述纤维层包括玻璃纤维，aramid纤维和碳纤维任何一种，或这些纤维的结合，其中，所述纤维的方向相对于纵轴线±10°，使得信号衰减最小。
4.根据权利要求3所述的复合材料管，其中，碳纤维是从Grafil HR40，或Grafil55-500碳纤维中选择其一，或是它们的结合。
5.根据权利要求3所述的复合材料管，其中，玻璃纤维是从e-glass，s-glass，Owens Corning S-2 glass或Nextel中选其一，或是它们的结合。
6.根据权利要求3所述的复合材料管，其中，aramid纤维是Kevlar149。
7.根据权利要求1所述的复合材料管，其中，粘结剂是环氧树脂。
8.根据权利要求7所述的复合材料管，其中，环氧树脂是从Shell DPL862树脂或EX-1545RTM系统选其一。
9.根据权利要求1所述的复合材料体，其中，粘结剂是水泥为基的，是下列任何一种或它们的结合：硅酸盐水泥，硅酸盐-铝-石膏水泥，石膏水泥，铝-磷酸盐水泥，硅酸盐-磺基铝酸盐水泥，硅酸钙-单磺铝酸盐水泥，玻璃离子交联聚合物水泥，或其他无机水泥。
10.一种复合材料管钻井接头，包括多层第一类和第二类树脂浸渍纤维层，其中第二类层散布在第一类层中，所述复合材料管钻柱适于与一测井工具配用。
11.根据权利要求10所述的复合材料管，其中，所述第一类层是相对于所述管的纵轴以±10°的角度缠绕，所述第一类层包括0-50％高模量的碳纤维，0-50％aramid纤维和16-50％的高强度玻璃纤维。
12.根据权利要求10所述的复合材料管，其中，第二类层相对于所述管纵轴以90°角缠绕，第二类包括100％的高强度玻璃纤维。
13.根据权利要求10所述的复合材料管，其中，所述第一类层构成90％的管壁总厚度。
14.根据权利要求10所述的复合材料管，其中，所述第二类层以1-9个离散径向位置均匀地通过管壁散布。
15.根据权利要求10所述的复合材料管，其中，第一类层相对于管的纵轴以±10°缠绕，第一类层包括25％高模量碳纤维，25％aramid纤维和50％高强度玻璃纤维。
16.根据权利要求10所述的复合材料管，其中，复合材料管在20kHz具有至少70％的信号衰减响应。
17.根据权利要求10所述的复合材料管，其中，所述的复合材料管具有纤维大约占60％体积的显微结构。
18.根据权利要求10所述的复合材料管，其中，所述管是7.31英尺长。
19.根据权利要求10所述的复合材料管，其中，所述管的性能要求包括拉伸负荷，压缩负荷，扭转负荷，内压，疲劳极限，横向刚度，冲击强度，拉伸强度和屈服强度，达到或超过美国石油学会标准7的规定。
20.根据权利要求10所述的复合材料管还包括，混在所述纤维层中的或所述管外表面的涂敷的耐磨层。
21.根据权利要求20所述的复合材料管，其中，所述的耐磨层是ArmorStone CeraTrowel。
22.根据权利要求10所述的复合材料管，其中，所述粘结剂浸渍的纤维层包括和粘结剂混合的陶瓷粉末。
23.根据权利要求10所述的复合材料管还包括，通过附加的纤维层和粘结剂，一体地装在复合材料管上的端部配件。
24.一种钻柱组件包括，根据权利要求3所述的复合材料管，还包括结合在所述复合材料管结构内的一体的端部配件，所述端部配件包括：
一个管座，用于将所述端部配件设置在所述复合材料管内；
至少一个压缩支承表面，在端部配件和基本复合材料管间支承压缩负荷；
至少一个扭转传递表面，在端部配件和基本复合材料管间传递扭转负荷；
至少一个弯曲应力传递表面，在端部配件和基本复合材料管间支承弯曲应力负荷；
至少一个轴向拉伸表面，在端部配件和基本复合材料管间支承轴向拉伸负荷。
25.根据权利要求24所述的钻柱组件，其中，所述至少一个扭转传递表面包括多个表面。
26.根据权利要求25所述的钻柱组件，其中，所述至少一个扭转传递表面包括八个表面。
27.根据权利要求26所述的钻柱组件，其中，所述八个表面中均相对于端部配件的纵轴平行。
28.根据权利要求26所述的钻柱组件，其中，所述八个表面中每个是相对于端部配件的纵轴带锥度的表面。
29.根据权利要求26所述的钻柱组件，其中，所述多个表面是相对于所述端部配件的纵轴带锥度的表面和平行的表面的结合。
30.根据权利要求24所述的钻柱组件，其中，通过附加缠绕浸渍粘结剂的纤维将端部配件安装到复合材料管。
31.根据权利要求30所述的钻柱组件，其中，以90°缠绕附加的高模量玻璃纤维。
32.根据权利要求24所述的钻柱组件，其中，端部配件还包括稳定器和/或耐磨垫。
33.根据权利要求32所述的钻柱组件，其中，所述稳定器包括与微脉冲成象无线电探测装置配用的金红石或锆聚焦透镜。
34.根据权利要求24所述的钻柱组件，其中，所述端部配件是由AISI4145H MOD钢制成的。
35.根据权利要求24所述的钻柱组件，其中，所述端部配件是由无磁材料制的。
36.一种钻柱组件，具有一个带整体端部配件的复合材料管的中段，它具有信号透明度，所述钻柱组件包括：
一个基本复合材料管，所述基本复合材料管包括第一和第二类浸渍粘结剂的多层纤维，其中，所述第一类层中散布着第二类层，第一类层以相对于管纵轴±10°的角缠绕，第一类层包括40％的高模量碳纤维，44％aramid纤维和16％高强度玻璃纤维，第一类层构成整个管壁厚的90％，并且，第二类层是以相对于所述管纵轴的90°角缠绕，第二类层包括100％高强度玻璃纤维，在多个分散的径向位置处在管壁中均匀地散布；
并且所述整体端部配件包括：
一个管座，用于将所述端部配件设置在一个复合材料管内。
至少一个压缩支承表面，在端部配件和基本复合材料管间支承压缩负荷；
至少一个扭转传递表面，在端部配件和基本复合材料管间传递扭转负荷；
至少一个弯曲应力传递表面，在端部配件和基本复合材料管间支承弯曲应力负荷；
至少一个轴向拉伸表面，在端部配件和基本复合材料管间支承轴向拉伸负荷；
其中所述整体端部配件是通过附加缠绕浸渍粘结剂的纤维安装到所述基本复合材料管。
37.一种形成带整体端部配件的复合材料管的方法，它包括以下步骤：
a)在一个钢芯上缠绕粘结剂饱和的纤维的基本内管；
b)固化所述粘结剂，形成一个固化管；
c)从所述固化管除去所述芯；
d)切割所述固化管成定尺，形成一个基本管；
e)在所述基本管内插入一个对准芯，将端部配件置于所述对准芯上的所述基本管内；
f)在所述基本管和端部配件上缠绕粘结剂饱和纤维的外层，形成带端部配件的复合材料管。
38.根据权利要求37所述的方法还包括将一种粘结剂涂层加到所述复合材料管的外表面的步骤。
39.根据权利要求37所述的方法，其中，所述端部配件和外层限定复合材料/端部配件接合处，还包括将复合材料/端部配件接合处预加应力的步骤。
40.根据权利要求39所述的方法，其中，向所述复合材料/端部配件接合处施加预应力的步骤包括在缠绕和固化外纤维层时，压缩所述固化管和端部配件。
41.根据权利要求39所述的方法，其中，所述复合材料管的热膨胀系数小于所述端部配件的热膨胀系数，并且当所述外纤维层缠绕和固化时，在所述端部配件上产生一个压缩力。
42.根据权利要求30所述的复合材料管，其中，所述端部配件和外层限定复合材料/端部配件接合处，所述端部配件可接受一个锁定螺母，用于在所述复合材料/端部配件接合处施加一个压力。
43.根据权利要求30所述的复合材料，其中，所述端部配件包括一个内和一个外端部配件，它们可以在所述的复合材料/端部配件接合处施加压力。
44.根据权利要求30所述的复合材料管，其中，所述端部配件和复合材料层限定内复合材料/端部配件接合处，所述复合材料还包括一个内套，它可以密封所述内复合材料/端部配件接合处。
45.根据权利要求44所述的复合材料管，其中，所述内套是一个金属或复合材料件。
46.根据权利要求3所述的复合材料管适于从井眼中采集数据，所述复合材料管具有信号透明度，允许使用数据采集设备，所述数据采集设备是下述设备中选出的任何一个，或它们的结合：复合材料管内进行工作的伽马射线发射器和传感器、中子发射器和传感器、声发射器和接收器、感应EM发射器和接收器、定向测定设备。
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