高覆蓋率電成像測井儀推靠器的研制*

王 蕙，廖勝軍，竇錦愛，王芝江，劉耀偉，于增輝，侯洪為

(中海油田服務股份有限公司 河北 廊坊 065201)

0 引 言

隨著油氣勘探工作的不斷加深，尋找優(yōu)質(zhì)油氣藏的難度日益增大，同時復雜的地質(zhì)形態(tài)對測井儀器的集成性、陣列性等要求也越來越高，各種各樣的儲層特征也給測井裝備帶來一個個全新的挑戰(zhàn)。對井壁成像儀器來說，覆蓋率的高低直接影響到對地層信息采集的多少。覆蓋率越高，獲取的信息也就相應越詳盡。目前，我國電成像儀器的最高覆蓋率為85%(8.5 in井眼中)，這就意味著在8.5 in(1 in=25.4 mm)井眼中還有15%的信息無法被采集。因此，開展提高電成像儀器覆蓋率的研究非常必要。

本文旨在介紹最新研制的一種適用于6.5～21 in井眼的電成像測井裝備——高覆蓋率推靠器的研制方法。

1 測量原理

電成像測井是一種井壁電成像測井技術，這項技術以傾角測井技術為基礎，基于電法測井的基本原理——“歐姆定律”發(fā)展而來[1-2]。電成像測井儀由絕緣節(jié)、電路節(jié)以及推靠器3個部分組成。推靠器上搭載有探頭(極板)，是直接獲取井壁信息的部分。

電成像測井儀的測量原理如圖1所示。測井作業(yè)時，推靠臂張開，使得極板以一定大小的力與井壁貼靠，電源會在極板、被測井壁以及回流電極之間形成變化的電流，如圖2所示。極板上搭載的電扣能夠對井壁地層進行陣列掃描，從而采集得到沿井眼周向與縱向的地層電阻率信息[3]。通過軟件對電扣上電流采集和處理，可以生成彩色或灰度等級的二維視電阻率圖像，淺色代表高電阻率，深色代表低電阻率[4]。

圖1 電成像測井儀測量原理圖

圖2 電成像測井儀測量電流路徑圖

2 推靠器機械設計

2.1 主體結構的設計

2.1.1 主體外型結構

高覆蓋率推靠器為十二臂推靠結構，如圖3所示。

圖3 高覆蓋率推靠器外型結構

由于所適應井眼大小的局限，12組推靠臂無法實現(xiàn)圓周均布，因此將12組推靠臂設計成上下兩排，每排有6組推靠臂的陣列形式。其中，上排與下排推靠臂之間進行“插空”布置，同排間相鄰兩組推靠臂間夾角為60°；上下排間相鄰兩個推靠臂間夾角為30°，如圖4所示。

圖4 同排間及上下排間相鄰推靠臂位置俯視示意圖

2.1.2 工作原理

如圖5所示，推靠器由直流電機、扭矩限制器、聯(lián)軸器、超越離合器、滾珠絲杠以及分動式推靠機構等部分組成。在推靠器內(nèi)，除了各組推靠臂各搭載有一個井徑電位器外，還安裝有一只行程電位器，用來檢測推靠臂開合時極板上的壓力，以監(jiān)控推靠臂的開合情況，同時也可以通過該數(shù)據(jù)來調(diào)節(jié)推靠力的大小，從而獲得所需的清晰圖像[5]。

圖5 高覆蓋率推靠器工作原理圖

在接通直流電源后，電機正轉，扭矩通過聯(lián)軸器、扭矩限制器、傳動軸、滾珠絲杠，旋轉運動變?yōu)檩S向直線運動，動力盤壓縮彈簧總成，推動推靠臂向外打開從而使得極板貼靠井壁。反之，電機反轉，傳動機構反向運動，動力盤通過彈簧總成將推靠臂收回。超越離合器控制電機與滾珠絲杠的接合與脫開，以防止過大的外力損壞電機。

由于井徑電位器、推力電位器以及軸承等部件需要浸在油液中才可以正常工作，推靠器中設計有用于調(diào)節(jié)儀器內(nèi)部與外部之間壓力的平衡部分，置于推靠器的下端。

2.2 分動式推靠機構的設計與計算

2.2.1 分動式推靠機構運動分析

高覆蓋率推靠器采用分動式推靠機構，該機構形式要求每組運動機構都能獨立進行動作，并保證各推靠臂能隨井徑的變化而開合[6]。其桿系工作原理如圖6所示。主臂為主動件，副臂為從動件，極板為連桿，該結構相當于一個雙曲柄機構。由于連桿(極板)與基體上的機架長度相同，其與基體部分組成只有一個自由度的平行四邊形機構，這個機構使得在測井作業(yè)中極板能夠與井壁有效貼合[5]。除平行四邊形機構外，在該結構中頂桿、短連桿和OA桿三者構成了一個曲柄滑塊機構。這兩組機構的共同作用使推靠臂得以張開和收攏。

圖6 桿系機構工作簡圖

上排推靠機構設計如圖7所示，由上推力桿、上推力連接桿、上排主臂、上排副臂、上推力大彈簧、上推力小彈簧以及極板組成。上推力桿上裝有上推力大彈簧和上推力小彈簧。彈簧與傳動部分的動力盤相接觸，動力盤通過壓縮提供主動力的上推力大彈簧將運動傳遞至上推力桿，再通過上推力連接桿傳遞至上排主臂，從而實現(xiàn)上排推靠臂的開合動作。其中，上推力小彈簧為運動的啟動和停止起緩沖作用。

圖7 上排推靠機構示意圖

下排推靠機構設計與上排推靠機構相類似，如圖8所示。其由下推力桿、下推力連接桿、下排主臂、下排副臂、下推力大彈簧、下推力小彈簧以及極板組成，推靠臂開合運動原理與上排推靠機構相同。

圖8 下排推靠機構示意圖

由于下推力桿的總長度超過1 m，過長的桿體使其與基體配合時的同軸度難以得到保證，因此該部分采用了三段式的設計。如圖9所示，下推力桿由下推力桿上部、下推力桿中部和下推力桿下部組成，三部分依次相連。此外，下推力桿中部與下推力桿上部的連接端設計有一個凸臺，在與基體配合的過程中可以起到限位的作用。

圖9 下排推力桿示意圖

2.2.2 彈簧的選擇與計算

分動式推靠機構需要每組機構都能分別進行精確運動，選擇合理的彈簧是每個運動臂能夠靈活開合的根本[7]。高覆蓋率推靠器較常規(guī)推靠器增加了6組推靠臂，儀器的總長有所增加，現(xiàn)場作業(yè)時過長的儀器在運輸、裝接時會引起諸多不便。使用一個暴露在泥漿中可以正常工作的彈簧代替原先需要置于油中的碟簧，能夠很大程度減少平衡油液的使用量，使得平衡部分的尺寸得以大幅縮短。因此，具有特性線成線性、剛度穩(wěn)定、結構簡單、制造方便等特點的圓形截面圓柱螺旋壓縮彈簧[8]是一個不錯的選擇。

經(jīng)過試驗和對比，彈簧的材料選取一種無磁的鎳鈷鉻鉬合金，常用于制造高精密彈簧的材料——MP35N。這種材料具有超高的抗拉強度、良好的延展性、韌性以及抗腐蝕性。此外，它還具有極好的耐硫化、耐高溫氧化、耐氫脆、耐鹽溶液(包括海水)和大多數(shù)無機酸腐蝕的性能[9]。使用該材料制造的彈簧能夠在水基、油基泥漿等推靠器所處的各種極限工況下正常工作。

彈簧外形如圖10所示。

圖10 彈簧外形示意圖

根據(jù)推靠力和儀器內(nèi)徑可對彈簧的參數(shù)進行計算。胡克的彈性定律指出：在彈性限度內(nèi)，彈簧的彈力F和彈簧的長度x成正比，即

F=-kx

(1)

壓縮彈簧的設計，除彈簧的外形尺寸外，還需要計算出最大負荷及變位尺寸的負荷，也就是需要計算出彈簧常數(shù)k，即

k=(G×d4)/(8×Dm3×Nc)

(2)

式(2)中，G為材料的切變模量(MP35N的切變模量為78.5 kN/mm2)；d為線徑；Do為外徑(O.D.)；Di為內(nèi)徑(I.D.)；Dm為中徑(M.D.=Do-d)；Nc為有效圈數(shù)。

根據(jù)儀器內(nèi)部空間以及力學要求，設計彈簧線徑為5 mm，中徑為19.2 mm，有效圈數(shù)為40圈。由(2)式計算的彈簧剛度k=31.715 N/mm。

2.2.3 推靠機構受力情況及力學計算

推靠機構桿系受力情況如圖11所示。

圖11 桿系受力情況示意圖

設彈簧在推靠臂完全收起時的預壓縮量為x1，動力盤的運動距離為S，推力桿著力點的運動距離為S1。那么，推靠臂從收起到張開的過程中彈簧的變形量為：

Δx=S-S1

(3)

此時，彈簧的總變形量為：

x=x1+Δx

(4)

在推靠臂為α角時有一個xmin，當推靠臂完全收起時,α=0°

xmax=xmin+S1

(5)

根據(jù)式(1)可計算出彈簧在變形量最大時的彈簧力Fmax。根據(jù)儀器指標中對推靠臂張開的最大尺寸的要求，可計算出彈簧變形量最小時的彈簧力Fmin。

由圖11的桿系受力情況可知，桿系參數(shù)α+β，αmax及FA(FA=F彈簧力)，設lOB∶lOA=c，則極板力為：

(6)

根據(jù)式(2)計算的彈簧剛度k=31.715 N/mm，儀器開腿時，彈簧預壓縮量為41.5 mm，根據(jù)式(1)可得，F(xiàn)彈簧力=1 316.18 N。

圖12為推靠器開腿至8.5 in井徑時的位置情況。此時,α=6°，β=105°，lOB=306 mm，lOA=29.5 mm，根據(jù)式(6)可得，極板力FT=121.88 N。

圖12 8.5 in井眼中推靠臂位置情況

在開腿至井眼大小后，彈簧還設計有3.5 mm的加力行程，此時彈簧的壓縮量最大可為45 mm。此時，根據(jù)式(1)可得，F(xiàn)彈簧力=1 427.18 N。再次根據(jù)式(6)可得，極板力FT=132.16 N。

可見，極板力可在121.88～132.16 N之間進行調(diào)整，從而根據(jù)實際情況來調(diào)整極板與井壁之間的貼靠效果。

2.2.4 覆蓋率的計算

推靠器的覆蓋率是根據(jù)推靠器極板上搭載的電極數(shù)來計算的。電極外形如圖13所示，電極尺寸見圖14。每個測量電極上有25個小的電扣，最左側電扣和最右側電扣絕緣層外側間的夾角n為35.74°，曲率半徑r為4.25 in。

圖13 測量電極

弧長公式為：

l=n/180πr

(7)

由式(7)可得，每塊極板在8.5 in井眼中所能夠覆蓋的弧長范圍為2.65 in。

周長公式為：

圖14 電極尺寸

L=πD

(8)

由式(8)可得，8.5 in井周周長為26.69 in。

覆蓋率的計算公式為：

單個極板覆蓋的弧長范圍(l)×極板個數(shù)/井周周長(L)×100%

(9)

由式(9)可得， 12個極板在8.5 in井眼中覆蓋率為119.2%，大于100%

至此可知，本文中所述高覆蓋率推靠器可以在8.5 in井眼中達到全井眼覆蓋。

同樣，根據(jù)式(7)～(9)可計算出，該高覆蓋率推靠器在12.25 in井眼中覆蓋率達到89.4%。

2.3 平衡部分結構的設計

平衡部分如圖15所示，其置于推靠器下部，用于維持推靠器內(nèi)外壓力平衡，由活塞桿、活塞、彈簧、下部轉接頭以及溢流閥組成?；钊麠U與推靠器基體的中心管相連，管內(nèi)的油液能夠通過活塞桿上的開孔進行流動?；钊獠坑心酀{壓力時，泥漿推動活塞上移，直至壓力平衡；推靠器內(nèi)部油液在高溫下膨脹時，管內(nèi)油液通過活塞桿上的開孔進入活塞上方，推動活塞下移，直至壓力平衡。

圖15 平衡部分示意圖

3 結束語

本文所述高覆蓋率推靠器采用由平行四邊形機構和曲柄滑塊機構共同組成的推靠式分動機構。該機構中使用MP35N制成的圓柱螺旋彈簧在保證可靠傳動和適宜極板力的同時，有效地控制了儀器的長度。

該高覆蓋率推靠器在8.5 in的井眼中可實現(xiàn)100%的覆蓋，在12.25 in井眼中的覆蓋率接近90%，能夠很大程度獲取詳盡真實的地層信息，可提供精細的、有針對性的測井數(shù)據(jù)，從而提高國產(chǎn)電成像儀器在高端測井服務市場的競爭力。