一種中子測(cè)井儀偏心弓測(cè)試裝置研制

呂煥軍，黃 宇，燕歡慶

（中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)事業(yè)部，廣東 湛江 524057）

0 引言

補(bǔ)償中子測(cè)井是最通用的確定地層孔隙度的石油測(cè)井技術(shù)，測(cè)井儀器緊貼井壁，減少了井的影響[1]。儀器偏心狀態(tài)與井壁的貼合程度，直接影響測(cè)井曲線的質(zhì)量及與之相關(guān)的解釋結(jié)果、油氣劃分的準(zhǔn)確度。中子偏心弓合適的貼合力，既能夠讓儀器測(cè)井更精確，又能夠避免儀器遇卡，因此中子偏心弓的貼合力測(cè)量尤為重要[2]。我們?cè)O(shè)計(jì)了一種測(cè)試偏心弓偏心力的裝置，既能準(zhǔn)確測(cè)量偏心力，又能安全高效完成測(cè)量。

目前使用的裸眼測(cè)井中子偏心弓測(cè)力裝置為一個(gè)手持測(cè)力計(jì)，測(cè)試偏心弓時(shí)需要3 個(gè)人配合壓偏心弓，1 人扶住偏心弓，還需要1 人拿鋼板尺讀取偏心弓尺寸及力的大小[3]。

該方法存在如下幾個(gè)問(wèn)題：

（1）壓力計(jì)頭部是尖的容易滑落，偏心弓彈出容易傷人，存在安全隱患。

（2）手壓偏心弓需要多人配合，還要測(cè)量臂的位置，而且穩(wěn)定性較差，測(cè)量存在較大誤差。

（3）目前的手持壓力計(jì)調(diào)零旋鈕很容易碰到，造成測(cè)量不準(zhǔn)確。

（4）手持指針必須在按壓時(shí)動(dòng)態(tài)讀數(shù)，也是造成誤差的原因之一。

（5）整個(gè)測(cè)量需要5 人配合完成，非常不方便。

為了解決以上問(wèn)題，我們研究制作了一個(gè)偏心弓測(cè)力裝置，便捷、快速、準(zhǔn)確地測(cè)量偏心弓的偏心力。

1 初步設(shè)計(jì)方案

1.1 初步設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)方案總體設(shè)計(jì)遵循以下原則：

（1）所用設(shè)備成熟可靠：所設(shè)計(jì)的裝置配件，盡量選用現(xiàn)實(shí)中應(yīng)用普遍的配件，底座設(shè)計(jì)需要堅(jiān)固耐用。偏心弓的壓縮裝置需要有足夠的強(qiáng)度，穩(wěn)定可控。

（2）測(cè)量精準(zhǔn)、測(cè)量過(guò)程快捷：測(cè)量部分需選用精確度高的探頭，顯示模塊需保證顯示清晰易讀取，測(cè)量精度高。

（3）安全系數(shù)高：受力部件設(shè)計(jì)需要保留足夠的余量，確保安全性。

經(jīng)過(guò)論證設(shè)計(jì)總體方案分成3 個(gè)部分組成，分別為測(cè)量底座、偏心弓壓縮機(jī)構(gòu)、偏心弓彈力測(cè)量模塊。

1.2 中子偏心弓測(cè)試裝置的細(xì)化設(shè)計(jì)

整個(gè)測(cè)量裝置分為測(cè)量裝置底座、偏心弓壓縮機(jī)構(gòu)、偏心弓彈力測(cè)量模塊。各個(gè)模塊的細(xì)化設(shè)計(jì)如圖1 所示。

1.2.1 測(cè)量裝置底座

測(cè)量裝置底座是所有部件的承載平臺(tái)，底座設(shè)計(jì)的優(yōu)劣決定了整個(gè)裝置的結(jié)構(gòu)合理性。底座的設(shè)計(jì)方案有不銹鋼和鋁合金方管底座兩種，鋁合金方管底座的設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖2 鋁合金方管底座

對(duì)比兩種設(shè)計(jì)方案，不銹鋼底座重量相對(duì)較重，成本也較高，兩個(gè)方案的可靠度都較高。綜合比較成本、重量等方面分析，鋁合金方管底座為優(yōu)選方案。

1.2.2 偏心弓壓縮機(jī)構(gòu)

偏心弓壓縮機(jī)構(gòu)有電動(dòng)絲杠和手搖絲杠兩種設(shè)計(jì)方案，其中手搖絲杠方案如圖3 所示。

圖3 手搖絲杠壓縮機(jī)構(gòu)

綜合比較兩種方案，電動(dòng)絲杠由于電動(dòng)控制需要設(shè)計(jì)控制單元，設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜，成本較高，手搖絲杠具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、輕便等優(yōu)點(diǎn)，偏心弓壓縮單元優(yōu)選手搖絲杠。

1.2.3 偏心弓測(cè)量模塊

壓力測(cè)量單元有壓力傳感器和數(shù)顯表組合及指針式傳感器一體測(cè)量?jī)x。兩種方案中數(shù)顯表和傳感器組合具有精度高，讀數(shù)直觀，每次啟動(dòng)自動(dòng)清零的特點(diǎn)。而指針式的拉壓力傳感器則讀數(shù)精度不高，需要手動(dòng)歸零，誤觸表盤就會(huì)造成讀數(shù)不準(zhǔn)。

1.3 確定最佳方案

（1）底座材質(zhì)選擇，鋁的密度為2.7 g/cm3，不銹鋼的密度在7.7 ～8.0 g/cm3之間，相同的體積不銹鋼的重量是鋁的3 倍，從設(shè)備的強(qiáng)度和便攜性上考慮，我們選用鋁方管材質(zhì)的底座。

（2）偏心弓壓縮機(jī)構(gòu)電動(dòng)壓縮絲杠會(huì)增加設(shè)備的復(fù)雜程度，且含有電動(dòng)機(jī)構(gòu)增加了操作的復(fù)雜程度。所以手搖絲杠是最經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)易、可靠的選擇。

（3）機(jī)械表盤式和傳感器數(shù)字化顯示壓力值方案中，數(shù)字化測(cè)量顯示具備高精度、高速直觀顯示優(yōu)勢(shì)是此方案的不二選擇。

所以綜合最佳方案是鋁方管底座與手搖輪絲杠和數(shù)字化測(cè)量顯示為最佳組合方案。

2 測(cè)試設(shè)備細(xì)化設(shè)計(jì)

2.1 壓力測(cè)量單元設(shè)計(jì)

按照設(shè)計(jì)的最終方案，采用的是壓力傳感器。壓力測(cè)量采用的惠斯通電橋電路，惠斯通電橋是一種測(cè)量電阻或電容的電路，其原理是通過(guò)四個(gè)電阻分壓運(yùn)算的方式，將微小的測(cè)量物理量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出，從而達(dá)到測(cè)量目的。它使用方便，靈敏度高且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單.隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，惠斯通電橋也被廣泛地應(yīng)用于實(shí)際生活中，可以更準(zhǔn)確地測(cè)量楊氏模量，獲得精確度更高的稱重傳感器[4]。在壓力傳感器中，通過(guò)將惠斯通電橋的電阻片制作成彈性變形的結(jié)構(gòu)形式，當(dāng)受到外界的壓力變化時(shí)，電橋電阻發(fā)生微小的變化，產(chǎn)生微弱的電信號(hào)輸出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的準(zhǔn)確測(cè)量，其原理如圖4 所示。

圖4 壓力探頭電路原理

圖5 新型偏心弓測(cè)試工具應(yīng)用

惠斯通電橋的輸出信號(hào)輸入儀表放大器放大，增益放大級(jí)之后進(jìn)行低通濾波器。采集的信號(hào)輸入A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換，最后在LED 數(shù)碼管進(jìn)行測(cè)量值顯示。

2.2 偏心弓的壓縮單元及底座結(jié)構(gòu)的細(xì)化設(shè)計(jì)

滾動(dòng)精密螺母螺桿的嚙合間隙趨近于零，在往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)換向時(shí)消除了空行程，全部為滾動(dòng)接觸使摩擦阻力更小，有效消除了往復(fù)間隙，提高了運(yùn)動(dòng)定位精度和效率。與現(xiàn)有技術(shù)相比，該螺母加工簡(jiǎn)便，具有易于調(diào)整和維護(hù)特點(diǎn)，降低了能耗，成本[5]。偏心弓壓縮單元采用滾珠絲杠進(jìn)行壓縮，滾珠絲桿機(jī)構(gòu)的工作原理與螺母和螺桿之間的傳動(dòng)原理基本相同。當(dāng)絲桿能夠轉(zhuǎn)動(dòng)而螺母不能轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)絲桿，由于螺母及負(fù)載滑塊與導(dǎo)向部件（如直線導(dǎo)軌、直線軸承）連接在一起，所以螺母的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度就被限制了，這樣螺母及與其連接在一起的負(fù)載滑塊只能在導(dǎo)向部件作用下作直線運(yùn)動(dòng)。當(dāng)改變軸的轉(zhuǎn)向時(shí)，絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)方向也同時(shí)發(fā)生改變，螺母及負(fù)載滑塊將進(jìn)行反方向的直線運(yùn)動(dòng)，所以負(fù)載滑塊能進(jìn)行往返直線運(yùn)動(dòng)。由于手搖輪可以在需要的位置啟動(dòng)或停止，所以很容易實(shí)現(xiàn)負(fù)載滑塊的啟動(dòng)或停止，停止位置的精度很準(zhǔn)確。

2.3 測(cè)試裝置底座設(shè)計(jì)與整體組裝測(cè)試

為保證最終制作的工具輕便，底座采用鋁方管結(jié)構(gòu)。絲杠壓縮機(jī)構(gòu)、壓力測(cè)量裝置、壓力顯示裝置等在底座相應(yīng)位置固定。經(jīng)過(guò)組裝與調(diào)試，測(cè)試裝置工作正常，此裝置既能很穩(wěn)定、安全壓縮偏心弓，又能精確顯示偏心弓的偏心力，實(shí)驗(yàn)效果達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。

3 偏心弓測(cè)試裝置的效果檢驗(yàn)

3.1 使用統(tǒng)計(jì)

制作出測(cè)試工具后，經(jīng)過(guò)近1 年的使用，已經(jīng)完成32 次測(cè)量。通過(guò)對(duì)比測(cè)量的精確度、安全性、時(shí)效性均達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

新的測(cè)試工具制作后，與原來(lái)的舊工具進(jìn)行了對(duì)比測(cè)量，對(duì)比測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 新舊工具的時(shí)效性對(duì)比

3.2 新測(cè)試裝置的效果提升

新的偏心弓測(cè)試裝置經(jīng)過(guò)實(shí)際使用檢驗(yàn)。與之前的測(cè)試裝置對(duì)比，舊工具平均每次測(cè)量時(shí)效為62.5人/分鐘，新工具的平均測(cè)量時(shí)效性為2.2 人/分鐘，時(shí)效性提高了96.48%。新測(cè)量設(shè)備不僅減小了測(cè)量誤差，且消除了之前測(cè)試偏心弓存在的偏心弓彈出傷人風(fēng)險(xiǎn)。在時(shí)效性、準(zhǔn)確性、安全性方面均有全面的提升。

4 結(jié)語(yǔ)

新型中子偏心弓測(cè)試裝置應(yīng)用1 年多，不僅測(cè)試更高效，測(cè)量也更精準(zhǔn)，還更安全。以前5 個(gè)人15 分鐘才能完成的工作，現(xiàn)在只需一個(gè)人3 分鐘即可完成。該裝置的使用從根本上消除了人力按壓偏心弓的彈出傷人風(fēng)險(xiǎn)，提升了本質(zhì)安全。此裝置現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好，自2021 年初廣泛使用后，獲得現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員一致好評(píng)。該新型中子偏心弓測(cè)試裝置具有很強(qiáng)的推廣性，后續(xù)計(jì)劃向國(guó)內(nèi)其他作業(yè)公司進(jìn)行推廣，全面提高中子偏心弓測(cè)試工作時(shí)效性和準(zhǔn)確性，保證測(cè)試工作的安全性。