一種隨鉆中子測井儀器外殼改造設(shè)計(jì)與應(yīng)用

（中海油田服務(wù)股份有限公司，河北 廊坊065201）

1 儀器改造設(shè)計(jì)背景

在南海西部地區(qū)，地層情況不甚理想，由于地層原因?qū)е露嘀浑S鉆中子儀器磨損過度，出現(xiàn)外殼鋼套裂紋和轉(zhuǎn)動(dòng)的情況，如繼續(xù)使用出現(xiàn)問題的儀器，將會(huì)有蓋住源口的安全隱患，嚴(yán)重如圖1所示（鋼套蓋住了源口），如需取出放射源，需近距離、無屏蔽、長時(shí)間地對蓋住源口的鋼套進(jìn)行切割作業(yè)，因此對取源造成了非常大的困難。

圖2 出現(xiàn)裂紋和轉(zhuǎn)動(dòng)的鋼套

隨鉆中子儀器鋼套的安裝是生產(chǎn)廠家的設(shè)計(jì)缺陷，個(gè)別儀器使用不到200小時(shí)鋼套出現(xiàn)裂紋，并與本體有相對轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖2所示；更換過新鋼套的儀器，在使用不到100小時(shí)后出現(xiàn)類似問題。因此，非常有必要針對此缺陷進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)改造。

2 儀器外殼設(shè)計(jì)缺陷說明

儀器外觀如圖3所示，設(shè)計(jì)缺陷的部分為矩形框所示。安裝在儀器上的鋼套如圖4所示。鋼套安裝在圖5所示的儀器本體上。

圖3 儀器外觀

圖4 鋼套外觀

圖5 無鋼套的儀器本體

鋼套套進(jìn)儀器本體后，防止轉(zhuǎn)動(dòng)的配件僅是兩個(gè)圓柱形的銷子[1]（見圖6），因此，如果地層環(huán)境較為惡劣的話，僅靠圓柱形銷子不多的接觸截面來克服鉆井過程中所產(chǎn)生的摩擦力是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

圖6 圓柱形銷子與其安裝位置

3 改造思路與理論依據(jù)

3.1 改造思路

要解決以上問題，設(shè)計(jì)了一個(gè)新的固定結(jié)構(gòu)（見圖7）。新的固定設(shè)計(jì)消除了舊設(shè)計(jì)中，圓柱形較薄鍵槽截面易導(dǎo)致鋼套轉(zhuǎn)動(dòng)、開裂的影響。此外，一個(gè)更強(qiáng)大的固定設(shè)計(jì)有助于防止過度形變。

新設(shè)計(jì)如下：在儀器本體上增加三個(gè)新的鍵位槽，位置選在儀器探頭背面，和兩個(gè)圓柱形銷子在一條直線上，其次，鋼套上開鍵位槽窗口，用于安裝固定鍵塊，固定鋼套（見圖8）。

3.2 理論依據(jù)

圖7 本體改造示意圖

圖8 鋼套改造示意圖

圖9 三個(gè)鍵和鋼套的新設(shè)計(jì)安裝示意圖

圖9為新設(shè)計(jì)的三個(gè)鍵安裝和鋼套安裝。

所要計(jì)算的三個(gè)鍵所能承受剪切扭矩，涉及到機(jī)械方面的材料科學(xué)，即剪切扭矩所產(chǎn)生的擠壓應(yīng)力。

擠壓應(yīng)力有如下計(jì)算公式[2]

由上得，剪切力矩為

式中 T——剪切扭矩

k——單個(gè)鍵與鋼套接觸的高度

L——單個(gè)鍵的長度（受剪切的長度）

D——本體直徑

[許用擠壓應(yīng)力]： 在輕微沖擊下的靜連接計(jì)算，范圍在100-120 MPa之間，為了安全起見，選用的值為100 MPa。

k=4.572 mm，L=45.5 mm，D=232.15 6mm

1 N·m=0.738225 ft·lb

單個(gè)鍵的力矩計(jì)算為

T＜=100×4.572×45.5×232.156/2

=2414724.208 N·mm

=2414 N·m=2414×0.738225f t·lb

=1782.6ft·lb

則三個(gè)鍵所能承受住的剪切扭矩安全范圍必須在以下數(shù)值以內(nèi)：1782×3=5346 ft·lb

向定向作業(yè)線的工程師咨詢，在鉆井時(shí)，頂曲帶動(dòng)鉆桿的扭矩一般在1 萬多左右，我們計(jì)算使用15000 ft·lb，摩擦系數(shù)一般為0.3左右。

所以，可以計(jì)算，在井下，摩擦所產(chǎn)生的剪切力矩為15000×0.3=4500 ft·lb。

由上所述，所要安裝的三個(gè)鍵在安全范圍之內(nèi)（上述鍵的計(jì)算，未包括原來安放在鋼套兩端的圓柱形定位銷，如加上，安全范圍較5346 ft·lb更大一些）。

4 改造方案設(shè)計(jì)

所涉及的改造方案，相同點(diǎn)如圖10所示，皆需要在本體上開三個(gè)鍵位槽，間距為11.485”，主要不同點(diǎn)在于固定鍵的設(shè)計(jì)。

4.1 方案一

采用新的耐磨套和較舊設(shè)計(jì)多開三個(gè)鍵位窗口的鋼套。

圖10 鍵槽整體圖

圖11 固定鍵的設(shè)計(jì)（方案一）

固定鍵的設(shè)計(jì)如圖11所示： 固定鍵分為三部分，底部鍵，頂部鍵，鎖緊螺絲。

圖12 固定鍵的設(shè)計(jì)（方案二）

優(yōu)缺點(diǎn)分析： 需要采購新的耐磨套和鋼套，進(jìn)口配件的話大概需1年時(shí)間，國產(chǎn)配件大概需要半年時(shí)間，等待周期較長。

該設(shè)計(jì)使用一組固定塊和一組螺絲起到了固定作用，儀器作業(yè)過程中，將鋼套的剪切巧妙的傳導(dǎo)到了固定塊組和本體上，而不是螺絲與本體之間。螺絲的受力僅限于兩個(gè)固定塊之間，在兩個(gè)固定塊相對貼合緊密的情況下，螺絲基本上是不受力的。

4.2 方案二

保留儀器原來的鋼套，對已破損的鋼套進(jìn)行簡單修復(fù)，加固。直接在鋼套和本體上開鍵位槽窗口，窗口為長方形，邊角做弧度，類似方案一，開三個(gè)鍵位槽，間距為11.485”。

固定鍵的設(shè)計(jì)如12圖所示，固定鍵分為兩部分：固定塊，固定螺絲。

優(yōu)缺點(diǎn)分析：方案二是根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行的改造，最大限度保留目前耐磨套和鋼套，直接在鋼套和本體上開固定槽，耗時(shí)較短，工藝簡單。

該設(shè)計(jì)螺紋部分為鋼套轉(zhuǎn)動(dòng)的受力點(diǎn)，而這點(diǎn)正作用于固定塊與本體之間，導(dǎo)致螺絲成為受力對象之一。螺絲畢竟是螺絲，誰都不能保證它能用多久，其次，在長期受力或受腐蝕的情況下，螺絲若是斷裂了將很難取出，取螺絲或是鉆下一個(gè)固定螺絲孔時(shí)，可能破壞本體的其它部分。

4.3 方案三

類似方案一，采用新的耐磨套和新開三個(gè)鍵位窗口的鋼套。

固定鍵的設(shè)計(jì)如圖13所示： 2個(gè)底部鍵，2個(gè)頂部鍵，1個(gè)鎖緊螺絲。

圖13 固定鍵設(shè)計(jì)（方案三）

優(yōu)缺點(diǎn)分析：本設(shè)計(jì)采用4個(gè)鍵，為嵌入式設(shè)計(jì)，但擺放較為麻煩，鋼套與固定鍵接觸面積減少（面對螺絲那一面，無固定鍵接觸面），螺絲擰緊固定鍵，會(huì)產(chǎn)生較多縫隙，在作業(yè)過程中，如果震動(dòng)較大，可能會(huì)導(dǎo)致螺絲震松，固定鍵脫落。

4.4 方案選擇

從日后維修保養(yǎng)難易度和維修保養(yǎng)成本角度分析，方案一的螺絲或是絲扣壞了，可以將整個(gè)固定鍵組合換了。而對于方案二，若是螺絲或是絲扣壞了，則需要在本體上修螺絲孔或是重新尋找固定螺絲孔，成本更高且相當(dāng)麻煩。方案三，由于設(shè)計(jì)的局限性，易受震動(dòng)影響。

綜上所述，方案一可靠性是最高的，也是最易于保養(yǎng)和低成本維修保養(yǎng)的。

5 使用情況說明

5.1 使用情況說明

2012年至今，隨鉆維修班組按照方案一更換了5 支隨鉆中子儀器的鋼套，使用情況良好。未出現(xiàn)廠家設(shè)計(jì)缺陷所導(dǎo)致的鋼套轉(zhuǎn)動(dòng)、裂紋的情況，井下使用效果良好，達(dá)到預(yù)期設(shè)想。

5.2 經(jīng)濟(jì)效益說明

一支隨鉆中子儀器送回廠家在國外維修，維修費(fèi)用加上運(yùn)費(fèi)，總的價(jià)錢大概在85 萬人民幣左右，并且維修周期在一年半左右；國內(nèi)購買材料，通過自修，一支儀器所產(chǎn)生的費(fèi)用不超過10萬人民幣，維修周期在半年以內(nèi)。

6 結(jié)論

對隨鉆中子儀器廠家設(shè)計(jì)缺陷的機(jī)械改造，設(shè)計(jì)多種方案，選擇最優(yōu)，達(dá)到相應(yīng)的可靠性，通過自修有效地降低成本，提高利用率，最重要的是預(yù)防了問題的發(fā)生，杜絕了取源困難的重大安全隱患。