巖性密度測(cè)井儀分體式探頭殼體的優(yōu)化設(shè)計(jì)

高世博,孫七零,王曉冬,劉旭,韓壯科,馬穎

(1.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司制造公司,陜西西安710077;2.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司測(cè)井技術(shù)研究院,陜西西安710077; 3.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司測(cè)井技術(shù)試驗(yàn)基地,陜西西安710077)

0 引 言

非常規(guī)天然氣已經(jīng)成為全球天然氣產(chǎn)量增長(zhǎng)的主力,非常規(guī)油已經(jīng)成為全球原油產(chǎn)量的重要組成部分[1-4]。隨著中國(guó)石油勘探開發(fā)轉(zhuǎn)向深層、低滲透率等非常規(guī)油氣勘探領(lǐng)域[5-6],石油勘探開發(fā)技術(shù)面臨著變化和挑戰(zhàn),也對(duì)石油測(cè)井裝備提出更高的要求。

巖性密度測(cè)井儀主要用于地層密度、光電吸收系數(shù)和井徑的測(cè)量[7],已被廣泛應(yīng)用于石油勘探測(cè)井領(lǐng)域[8-9]。探頭殼體是巖性密度測(cè)井儀的核心部件,是探測(cè)器、放射性源等零部件的載體。在測(cè)井作業(yè)中,探頭殼體在推靠臂的作用下貼緊井壁,跟隨儀器進(jìn)行進(jìn)、退運(yùn)動(dòng),與井壁發(fā)生摩擦,造成外部表面磨損。不斷加劇的磨損會(huì)對(duì)放射性源的安全性和探測(cè)器的密封性造成影響。巖性密度測(cè)井儀在測(cè)試幾口井、有時(shí)甚至在測(cè)試1口井后,其探頭殼體的磨損已經(jīng)不能滿足繼續(xù)測(cè)井工作的要求,必須更換新的部件。由于巖性密度測(cè)井儀結(jié)構(gòu)復(fù)雜,制造成本高,更換、檢驗(yàn)、測(cè)試工藝流程復(fù)雜,所以在測(cè)井作業(yè)中頻繁更換探頭殼體,會(huì)降低作業(yè)效率、增大測(cè)井成本。近年來,中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司華北分公司、長(zhǎng)慶分公司等單位先后通過增加耐磨釘、耐磨柱、耐磨條等措施來提高探頭殼體的耐磨性,延長(zhǎng)其使用壽命,但效果都不理想。本文介紹了一種巖性密度測(cè)井儀分體式探頭殼體,設(shè)計(jì)了耐磨性高、互換性好的耐磨護(hù)殼,有效地延長(zhǎng)了探頭殼體的使用壽命,提高了測(cè)井作業(yè)效率。

1 分體式探頭殼體的設(shè)計(jì)要求

巖性密度測(cè)井儀的探頭殼體外部上端為帶圓弧面的類四方體,下端為圓柱體,其內(nèi)部腔體為圓柱形(見圖1)。探頭殼體內(nèi)部腔體裝有探測(cè)器總成和探測(cè)器電路板組件,外部安裝內(nèi)有放射性源的源倉(cāng)護(hù)殼、封口塞和鈹窗。探頭殼體的材料是沉淀硬化不銹鋼0Cr17Ni4Cu4Nb,該材料具有較好的強(qiáng)度和硬度,其力學(xué)性能表現(xiàn)為抗拉強(qiáng)度≥1 315 MPa,屈服強(qiáng)度≥1 177 MPa,洛氏硬度(HRC)為35～38。探頭殼體通過其上端的連接軸孔及兩側(cè)的導(dǎo)向滑槽與推靠臂聯(lián)接,安裝在下外殼腔體內(nèi)。在測(cè)井作業(yè)時(shí),探頭殼體在推靠臂作用下緩慢伸出下外殼腔體,貼緊井壁后開始作業(yè)。因此,分體式探頭殼體不但要滿足探測(cè)器等零部件安裝的要求,而且要實(shí)現(xiàn)測(cè)井作業(yè)的運(yùn)動(dòng)功能。

在測(cè)井作業(yè)中,探頭殼體緊貼井壁,跟隨儀器運(yùn)動(dòng),與井壁發(fā)生摩擦,造成外部表面磨損(見圖1)。對(duì)某探頭殼體失效部件磨損面進(jìn)行測(cè)量,在磨損最嚴(yán)重處,圓弧面的最大磨損深度達(dá)3 mm,兩側(cè)棱邊的最大磨損寬度達(dá)18 mm。如果在探頭殼體磨損失效后繼續(xù)作業(yè),就會(huì)直接影響放射性源的安全,也會(huì)破壞封口塞和鈹窗處的密封功能,影響測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,因此,必須進(jìn)行探頭殼體更換。由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能較多,使得探頭殼體的維修、更換、測(cè)試工藝流程周期較長(zhǎng)。為此,分體式探頭殼體的設(shè)計(jì)需要滿足:①簡(jiǎn)化易磨損零部件的更換程序,提高維修效率;②改善易磨損面的表面質(zhì)量,提高其耐磨性;③確保零部件在測(cè)井作業(yè)過程中的安全性和可靠性。

圖1 巖性密度測(cè)井儀探頭殼體

2 分體式探頭殼體的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

分體式探頭殼體主要由探頭殼體本體和耐磨護(hù)殼組成,二者采用零間隙配合,通過多基準(zhǔn)面過定位結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)定位安裝,用連接螺釘緊固、聯(lián)接(見圖2)。這種結(jié)構(gòu)使得耐磨護(hù)殼在任意方向外力作用下都能緊固在本體上,不會(huì)松動(dòng)或脫落。當(dāng)耐磨護(hù)殼在磨損失效后,可通過拆卸螺釘快速進(jìn)行更換。

圖2 分體式探頭殼體立體裝配圖

2.2 探頭殼體本體設(shè)計(jì)

為確保儀器刻度和測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,分體式探頭殼體本體繼承了原探頭殼體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),確保放射性源、鈹窗和探測(cè)器之間的位置關(guān)系不變。為實(shí)現(xiàn)耐磨護(hù)殼精準(zhǔn)的定位配合,在本體易磨損面鈹窗位置設(shè)計(jì)長(zhǎng)方形過定位臺(tái)階,在易磨損面兩側(cè)設(shè)計(jì)長(zhǎng)臺(tái)階小間隙配合接觸面,在臺(tái)階平面設(shè)計(jì)連接螺孔。此結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)探頭殼體本體與耐磨護(hù)殼之間定位精確、受力均勻、安裝牢固的設(shè)計(jì)要求,滿足密度測(cè)井儀所需的刻度和測(cè)量條件。

2.3 耐磨護(hù)殼設(shè)計(jì)

2.3.1耐磨護(hù)殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

耐磨護(hù)殼為殼式卡槽結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)覆蓋了所有易磨損面,對(duì)本體有保護(hù)作用。內(nèi)部的卡槽結(jié)構(gòu)與本體長(zhǎng)接觸面采用零間隙配合方式,使零件間配合緊固、受力均勻。耐磨護(hù)殼外表面設(shè)計(jì)成與井壁形狀相似的大圓弧面,增大與井壁的接觸面;縮小大圓弧面兩側(cè)棱邊的過渡圓角,增加易磨損棱邊的厚度。這些改進(jìn)措施保證耐磨護(hù)殼表面磨損均勻,避免局部急劇磨損,延長(zhǎng)零部件工作壽命。在外表面上設(shè)計(jì)與本體相匹配的長(zhǎng)方形定位方孔和連接螺釘孔,增加相對(duì)稱的拆卸螺釘孔,解決過定位、零間隙配合拆卸困難的問題,提高耐磨護(hù)殼的更換效率。

2.3.2表面處理工藝

巖性密度測(cè)井儀的最大測(cè)速為540 m/h,即耐磨護(hù)殼與井壁的最大相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度為0.15 m/s,屬于低速摩擦運(yùn)動(dòng)。硬質(zhì)點(diǎn)磨損是低速磨損的主要原因,在一般情況下,金屬材料的硬度越高,耐磨性越好[10]。

為提高耐磨護(hù)殼的表面硬度,本設(shè)計(jì)選用了激光熔覆技術(shù)[11]對(duì)其進(jìn)行表面強(qiáng)化處理。該技術(shù)利用高能激光束使涂層材料與基材表面薄層同時(shí)熔凝,形成冶金結(jié)合的表面涂層。區(qū)別于電刷鍍、堆焊、熱噴涂等表面強(qiáng)化技術(shù),用激光熔覆技術(shù)進(jìn)行表面改性工藝可以顯著改善基層表面的強(qiáng)度和硬度,提高基層表面的耐磨、耐腐蝕、耐高溫、抗氧化等性能[11]。

2.3.3表面處理試驗(yàn)及結(jié)果

目前,應(yīng)用最廣泛的激光熔覆材料主要有Ni基、Co基、Fe基等自熔性合金粉末[12-14]和WC復(fù)合材料[15-19]等。根據(jù)基材性能、技術(shù)要求和經(jīng)濟(jì)性,選擇了Ni基、Fe基和WC涂層材料,對(duì)耐磨護(hù)殼進(jìn)行熔覆處理試驗(yàn)和硬度測(cè)試。根據(jù)熔覆處理試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案,對(duì)耐磨護(hù)殼的6個(gè)樣件分2批次進(jìn)行熔覆處理試驗(yàn),其中樣件1(Ni基)、樣件3(Fe基)、樣件5(WC涂層材料)為第1批次,樣件2(Ni基)、樣件4(Fe基)、樣件6(WC涂層材料)為第2批次,這2批次試驗(yàn)間隔周期為7天。

試驗(yàn)選用HRS-150型數(shù)顯洛氏硬度計(jì)對(duì)6個(gè)樣件進(jìn)行硬度測(cè)試。每個(gè)樣件隨機(jī)選取不重復(fù)的3個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行硬度測(cè)試,由于基體材料0Cr17Ni4-Cu4Nb的洛氏硬度(HRC)為35～38,故硬度值誤差范圍控制在0～3,取平均值作為該樣件的硬度值,以保證硬度測(cè)試值的準(zhǔn)確性。Ni基、Fe基和WC涂層材料激光熔覆處理表面硬度見表1。

表1 Ni基、Fe基和WC涂層材料激光熔覆處理表面硬度

由表1可見,選用3種涂層材料進(jìn)行表面激光熔覆處理后,6組樣件的表面硬度都有了明顯的提升,其中WC涂層材料的熔覆處理表面硬度最高,HRC達(dá)70,比基材硬度高184%。因此,耐磨護(hù)殼選用WC涂層材料。

2.4 連接螺釘?shù)膹?qiáng)度計(jì)算

連接螺釘用于連接、緊固探頭殼體本體和耐磨護(hù)殼。在測(cè)井作業(yè)中,耐磨護(hù)殼與井壁發(fā)生摩擦運(yùn)動(dòng),當(dāng)摩擦力大于連接螺釘所能承受的最大剪切載荷時(shí),造成連接螺釘斷裂失效,耐磨護(hù)殼與本體分離。因此,必須對(duì)連接螺釘進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。由于油井作業(yè)環(huán)境不同,耐磨護(hù)殼在垂直井、斜井、水平井等不同工況條件下所受的法向力也不同。在垂直井中,耐磨護(hù)殼的法向力是推靠臂的張力,約300 N。在水平井中,法向力與推靠臂張力和儀器重力有關(guān)。當(dāng)耐磨護(hù)殼位于井壁圓周垂直方向的下端時(shí),法向力最大,約2 500 N,此狀態(tài)下的摩擦力是導(dǎo)致連接螺釘失效的主要作用力。假設(shè)測(cè)井儀器在作業(yè)時(shí)做勻速運(yùn)動(dòng),則耐磨護(hù)殼所受摩擦力見式(1)。

R=μF

(1)

式中,R為摩擦力,N;μ為摩擦系數(shù);F為法向力,N。

在摩擦力作用下連接螺釘?shù)膹?qiáng)度條件為[20]

(2)

式中,d為連接螺釘?shù)募羟忻嬷睆?mm;m為剪切面的數(shù)量;τρ為螺紋的許用剪切應(yīng)力,MPa。按照式(2)的強(qiáng)度計(jì)算條件,本研究在分體式探頭殼體上對(duì)稱設(shè)計(jì)5組共10個(gè)連接螺釘,滿足零部件在測(cè)井作業(yè)過程中的安全性和可靠性。

3 試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 高溫高壓試驗(yàn)

根據(jù)巖性密度測(cè)井儀的設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo),對(duì)分體式探頭殼體巖性密度測(cè)井儀進(jìn)行溫度為175 ℃、壓力為140 MPa的高溫高壓試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后,目測(cè)連接螺釘螺紋完好、無變形;探頭殼體腔體內(nèi)沒有液體、水珠、水霧,手測(cè)探頭殼體腔體內(nèi)沒有水膜;密封件沒有斷裂、壓扁、變形,手測(cè)和放大鏡目測(cè)密封件沒有碳化現(xiàn)象。試驗(yàn)結(jié)果表明,分體式探頭殼體在高溫高壓條件下達(dá)到了整體式探頭殼體的技術(shù)性能,能夠滿足巖性密度測(cè)井儀的設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)。

3.2 沖擊、振動(dòng)試驗(yàn)

按照沖擊、振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案,為了檢測(cè)探頭殼體本體和耐磨護(hù)殼的相對(duì)位移量,本研究對(duì)探頭殼體本體和耐磨護(hù)殼兩側(cè)及下端接觸面縫隙進(jìn)行彩色漆封口、烘干處理。根據(jù)巖性密度測(cè)井儀的設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo),對(duì)分體式探頭殼體分別進(jìn)行加速度為29.4 m/s2的沖擊試驗(yàn)和頻率為10～200 Hz的振動(dòng)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后,耐磨護(hù)殼兩側(cè)及下端的彩色漆均封口完好、沒有斷裂,表明探頭殼體本體和耐磨護(hù)殼無徑向及軸向相對(duì)位移;拆卸1個(gè)連接螺釘,連接螺釘螺紋完好、無剪切變形。試驗(yàn)結(jié)果表明,部件連接緊固,達(dá)到了整體式探頭殼體的技術(shù)性能。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

目前,巖性密度測(cè)井儀分體式探頭殼體在長(zhǎng)慶油田、華北油田等油氣區(qū)塊測(cè)井作業(yè)中已成功應(yīng)用400余井次。以081號(hào)的分體式探頭殼體為例,其生產(chǎn)、維修反饋數(shù)據(jù)顯示,該分體式探頭殼體在磨損失效前單體有效測(cè)井為7口,比原整體式探頭殼體單體平均有效測(cè)井4口提高75%;維修工時(shí)由原來的7 h縮短至0.5 h。同時(shí),該公司某車間的安裝、調(diào)試生產(chǎn)數(shù)據(jù)顯示,整體式探頭殼體的更換、安裝及調(diào)試的平均工時(shí)為6.5 h,分體式探頭殼體耐磨護(hù)殼的更換、安裝及調(diào)試的工時(shí)為0.5 h。從市場(chǎng)銷售數(shù)據(jù)來看,分體式探頭殼體耐磨護(hù)殼的銷售價(jià)格為2萬元,與整體式探頭殼體銷售價(jià)格10萬元相比,價(jià)格降低8萬元。

綜上可見,分體式探頭殼體的優(yōu)化設(shè)計(jì),使失效零部件的維修效率提高了92.3%,維修費(fèi)用降低了80%。通過對(duì)耐磨護(hù)殼的表面處理,提高了易磨損面的耐磨性,延長(zhǎng)了零部件的工作壽命,整體式探頭殼體和分體式探頭殼體綜合數(shù)據(jù)比較見表2。

表2 整體式探頭殼體和分體式探頭殼體綜合數(shù)據(jù)比較

4 結(jié) 論

(1)巖性密度測(cè)井儀分體式探頭殼體通過高溫高壓試驗(yàn)、加速度為29.4 m/s2的沖擊試驗(yàn)、頻率為10～200 Hz的振動(dòng)試驗(yàn)和測(cè)井作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用驗(yàn)證,達(dá)到了設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)。其采用的過定位殼式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使部件安裝緊固、安全可靠,為連續(xù)、安全的測(cè)井作業(yè)提供保障。

(2)分體式探頭殼體的優(yōu)化設(shè)計(jì),能夠保證探頭殼體本體與放射性源、探測(cè)器、鈹窗、密封件等零部件及電子線路位置關(guān)系不變的情況下,通過快速更換磨損失效的耐磨護(hù)殼實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)井作業(yè),使維修效率提高92.3%、維修費(fèi)用降低80%,具有較好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

(3)分體式探頭殼體耐磨護(hù)殼的表面處理技術(shù),有效地提高了部件的表面硬度和復(fù)雜地質(zhì)條件下的耐磨性,使單件的平均測(cè)井口數(shù)提高75%,延長(zhǎng)了該部件的工作壽命。本技術(shù)也為其他井下測(cè)井儀器易磨損面的表面處理提供了可以借鑒的技術(shù)方案,具有一定的推廣價(jià)值。