一種基于液壓平衡的油基泥漿電成像極板的設(shè)計(jì)

任燕敏 柏強(qiáng) 劉磊 劉春瑩 朱鳳芹

摘 要 隨著油氣田的不斷開發(fā)，油基泥漿的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，對(duì)油基泥漿電成像測(cè)井儀的要求也越來(lái)越高。在高溫高壓的井下環(huán)境中，如何保證測(cè)井儀器穩(wěn)定運(yùn)行成為目前研究人員重點(diǎn)解決的問題。本文介紹了一種基于液壓平衡的油基泥漿電成像極板的設(shè)計(jì)研究，并重點(diǎn)對(duì)高溫高壓環(huán)境下液壓平衡系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行分析，提出設(shè)計(jì)及使用過程中的注意事項(xiàng)，降低測(cè)井儀器的故障率，提高測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞 油基泥漿電成像極板 液壓平衡 可靠性分析

中圖分類號(hào)：TH137 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0745（2021）01-0001-02

測(cè)井儀器工作在數(shù)千米的地下，處于高溫、高壓環(huán)境，儀器一直浸泡在各種腐蝕性介質(zhì)中。同時(shí)，在測(cè)井過程中還伴有不同程度的振動(dòng)，工況十分惡劣，因此對(duì)儀器的機(jī)械性能要求很高。液壓系統(tǒng)因其質(zhì)量輕，以及可以無(wú)級(jí)調(diào)速，節(jié)省設(shè)計(jì)空間等優(yōu)點(diǎn)，已應(yīng)用于多種測(cè)井儀器中。其主要應(yīng)用方式有兩種：一種是液壓平衡系統(tǒng)，另一種是液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。而本次設(shè)計(jì)的油基泥漿電成像極板，采取的是液壓平衡方式。在儀器限定外形尺寸的前提下，合理進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)排布設(shè)計(jì)，滿足儀器技術(shù)指標(biāo)要求。

1 油基泥漿電成像極板的應(yīng)用背景

1.1 極板工作原理

常規(guī)測(cè)井時(shí)，在井下普通泥漿中，微電阻率掃面測(cè)井儀通過傳導(dǎo)電流將泥漿、地層和儀器聯(lián)通起來(lái)，形成回路，繼而測(cè)量所需參數(shù)。但是油基泥漿不導(dǎo)電，導(dǎo)致此回路被破壞。因此，在這樣的環(huán)境中，需要將極板和導(dǎo)電地層作為電容器兩極，給其加高頻交變電流，使電流能越過不導(dǎo)電的油基泥漿層流動(dòng)，形成回路[1]。因此，油基泥漿電成像極板在儀器測(cè)量中占據(jù)非常重要的地位。

1.2 極板設(shè)計(jì)要求

測(cè)井儀器的工作環(huán)境多高溫高壓且伴有介質(zhì)腐蝕，此次極板在設(shè)計(jì)時(shí)要求滿足耐溫170℃，耐壓140MPa。同時(shí)，滿足在8寸井眼中測(cè)量范圍不小于80%的要求，極板的外形尺寸也受到了限制。為了在有限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)極板功能，最終決定采取液壓平衡的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)極板的耐壓系統(tǒng)。

2 液壓平衡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 液壓平衡系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

通過多方計(jì)算，得到液壓平衡系統(tǒng)極板結(jié)構(gòu)如下圖1所示。

2.1.1 確定極板外形尺寸

為滿足井眼測(cè)量覆蓋率，儀器整體采取兩組共八個(gè)極板的排布方式，同一個(gè)平面排布四個(gè)極板（如圖2所示）。

2.1.2 設(shè)計(jì)液壓平衡系統(tǒng)

在得到電路板尺寸后，首先確定了極板腔體的尺寸。鑒于電路板尺寸給極板留下的密封空間很小，普通結(jié)構(gòu)耐壓達(dá)不到140MPa的要求，因此采用液壓平衡[2]。在極板前端的主體上，做了四組液壓平衡活塞（如圖3所示）。1是平衡活塞，數(shù)量為二，在極板對(duì)稱位置還有一個(gè)。2是注油處活塞，3是排氣處活塞，4是液壓平衡腔體。

2.1.3 排布極板電極

極板電極平面布局如圖4所示。極板中間為紐扣電極陣列，紐扣電極外圍是一圈屏蔽電極，極板兩側(cè)為兩個(gè)回流電極。

此次電極排布的難點(diǎn)在于中間紐扣電極的排列，因?yàn)闃O板表面是圓弧形，紐扣電極數(shù)量較多，且要求每個(gè)電極的底端都要連接到腔體內(nèi)的線路板上，因此給設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大的困難。經(jīng)過多次嘗試，將21個(gè)紐扣電極分成兩列，且交叉均勻排布，同時(shí)采取不同弧度不同打孔深度的方式，實(shí)現(xiàn)了紐扣電極的無(wú)干擾排布[3]。（如圖5所示）

2.2 液壓平衡裝置零部件的選用

極板主體本著高強(qiáng)度且耐腐蝕的原則，選用了測(cè)井儀器常用的0Cr17Ni4Cu4Nb/17-4PH（沉淀硬化不銹鋼）。而極板電極主體部分，要求采用絕緣材料，考慮到耐溫性能及加工工藝，選用了聚醚醚酮PEEK。極板主體與電極主體之間采用高強(qiáng)度螺釘連接，密封方式用耐高溫的氟橡膠密封圈，增加了系統(tǒng)的可靠性。

2.3 機(jī)械部件加工精度要求

液壓系統(tǒng)在應(yīng)用過程中，活塞的運(yùn)動(dòng)流暢度至關(guān)重要，這就對(duì)活塞及活塞筒的加工工藝提出了很高的要求，我們?cè)谠O(shè)計(jì)的時(shí)候，要求表面粗糙度不低于0.6，以保證活塞運(yùn)動(dòng)順暢。另外，紐扣電極孔為階梯孔，且最大孔徑2mm，最小孔徑1mm，對(duì)同軸度要求不超過0.01。

3 液壓平衡電成像極板的可靠性保障

3.1 組裝之前務(wù)必對(duì)液壓腔進(jìn)行清洗

液壓系統(tǒng)在正式使用之前都要經(jīng)過清洗，清洗的目的主要是清除殘留在系統(tǒng)內(nèi)的塵土、金屬屑等污染物：（1）用電子清洗劑清洗液壓腔，再用帶壓空氣清除清洗劑殘余;（2）清洗四組活塞，并徹底晾干后再裝配;（3）檢查所有活塞是否運(yùn)行流暢，活塞卡簧是否安裝到位。

3.2 定期維護(hù)保養(yǎng)

井下工作環(huán)境惡劣，極板使用一段時(shí)間后，由于密封圈形變，或者活塞受腐蝕老化，極易出現(xiàn)漏油現(xiàn)象，因此，要求在工作3口井后，要對(duì)密封圈進(jìn)行及時(shí)的更換，并且定期檢查活塞受損情況。液壓油是平衡系統(tǒng)的關(guān)鍵，在使用過程中，要定期更換，并且對(duì)液壓腔進(jìn)行清洗過濾[4]。每次更換液壓油，要對(duì)液壓腔整體進(jìn)行幾次抽真空操作，減少系統(tǒng)內(nèi)部的空氣殘留，保障液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

隨著石油勘探開發(fā)的快速發(fā)展，測(cè)井儀器也在隨之更新?lián)Q代。在機(jī)械結(jié)構(gòu)中，液壓系統(tǒng)作為相對(duì)精密的裝置，需要設(shè)計(jì)人員有足夠的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)要求維修保養(yǎng)人員按照規(guī)程進(jìn)行操作，這樣才可以保證液壓系統(tǒng)在高溫高壓環(huán)境下的穩(wěn)定性和安全性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 馮永仁，秦小飛，徐鳳陽(yáng).測(cè)井儀器液壓動(dòng)力系統(tǒng)高溫高壓試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)[J].液壓氣動(dòng)與密封，2008，28（01）：23-25.

[2] 劉磊，葛承河，劉春瑩，陳波，張建新，于云華.基于電容耦合法的油基泥漿電成像極板設(shè)計(jì)[C].中國(guó)石油學(xué)會(huì)第二十一屆測(cè)井年會(huì)論文集，2020：66-75.

[3] 王珺，楊長(zhǎng)春，許大華.微電阻率掃描成像測(cè)井方法應(yīng)用及發(fā)展前景[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2005（20）：357-364.

[4] 李清松，潘和平，張榮.電阻率成像測(cè)井進(jìn)展[J].工程地球物理學(xué)報(bào)，2005（l2）：304-310.

（1.中石化經(jīng)緯有限公司勝利測(cè)井公司，山東 東營(yíng) 257096;2.濰柴雷沃重工股份有限公司，山東 濰坊 261206）