一种感应测井仪器线圈系的机械结构设计

秦才会 侯洪为

（中海油田服务股份有限公司油技研究院 北京）

一种感应测井仪器线圈系的机械结构设计

秦才会 侯洪为

（中海油田服务股份有限公司油技研究院 北京）

文章提出一种新型的感应类测井仪器线圈系的机械结构设计，包括锥紧式承拉结构、玻璃钢外壳承压、线圈系附近直接安装信号调理电路等。文中分析为什么采用此种结构，采用此种结构的优点，此种设计如何克服高温高压以及抗拉结构等难题，为感应类测井仪器线圈系的结构设计提供参考。

感应测井仪器；锥紧；承拉结构；铍铜棒；线圈系

0引言

由于感应测井仪器线圈系部分需要向地层中发射电磁波及从地层中接收电磁波，金属对电磁波信号有屏蔽，因此感应线圈系外壳部分一般由非金属材料（玻璃钢）来充当。然而玻璃钢是由玻璃钢丝或玻璃钢布缠绕而成，因此不易加工螺纹，不能承受较大的拉力。常用感应测井仪器的承拉结构设计是采用穿芯铍铜棒来承受拉、压力，然而铍铜棒材料昂贵，密度大，较为笨重，还需要考虑上下两段的绝缘性，因此采用此种设计不仅结构复杂，而且成本较高。另外，此种感应测井仪器线圈系承压需要采用充油结构来实现内外压的平衡，而充油又会对电信号产生较大影响，信号处理时就变得较为困难。

本文提出一种新型感应测井仪器线圈系的机械结构设计，在结构设计上攻克了高温高压和抗拉结构等难题。有效地节约了仪器制造成本，提高测量精度，使仪器拆卸更方便。基于该方案设计的仪器已经取得了一系列阶段性成果。

1 仪器承压部分的设计

常规感应测井仪器通常需要在仪器中充油，采用皮囊或者平衡活塞来实现内外压平衡，从而实现仪器的承压目的。这样仪器拆卸就非常麻烦，每次拆卸均需先放掉硅油，清洗、装完后再重新充油。而且更重要的一点是，充油结构对电信号产生很大的影响。试验证明：传输线在压力变化时其电常数会受到影响，对高频信号线电常数影响尤为显著。这是由于传输线中的气体无法排尽，受压后线间距变化的原因，这将会使高频信号在传输过程中相位发生变化，影响到仪器的测量稳定性1、2。

了追求最佳的检测效果，通常我们会将信号的调理部分放在靠近接收线圈的位置，电路芯片和电路板的脆弱性将使得充油设计更加难以实现。因此在高频电磁波感应测井仪器机械结构设计中，需要完成一个使用非充油结构的设计。

由此我们需要研制一种可耐高温高压的非金属外壳。当前国内的玻璃钢外壳结构抗压性能在常温压力下一般不超过60 MPa（内径60 mm，外径92 mm），以俄罗斯的感应测井仪器（VIKIZ）为例，其直接以玻璃钢外壳进行承压，其标定最高工作温度150℃，最大承压是80MPa，实际工作压力在60MPa以下。而随着测井向更深地层的发展，其工作压力已经不能满足现在测井的需要。因此，我们急需找到一种新的玻璃钢缠绕工艺，来实现承压100MPa，最高工作温度150℃。经反复试验和改进，我们设计研制出新型的玻璃钢外壳在尺寸不变的情况下，可以承受常温下140MPa，以及150℃下100 MPa高压，满足了井下仪器的设计需求。我们实现了仪器外径97 mm，内径61 mm，总长 2710 mm，承受高温150℃，高压100 MPa，保压30分钟，并进行多次疲劳试验。

2 仪器承拉部分的设计

常规感应仪器承拉通常是由穿芯铍铜棒或者钛合金棒来承受拉力，这样线圈系结构就非常复杂，给测量信号带来不利的影响，又由于受到仪器外径的影响，穿芯铍铜棒或钛棒尺寸非常有限，因此其抗拉性能不佳，通常不设计贯通线，只能挂接于测井仪器串的最下端。在此方案中我们尝试为仪器设计贯通线，让其可以挂接在仪器串任意位置。为实现这一目标，我们查阅相关资料并进行大量实验，发现玻璃钢棒这种材料承拉能力大于 1600 MPa，承压能力大于 600 MPa，抗剪、抗弯等性能均很优良3、4，因此我们使用线圈系玻璃钢芯棒来承受拉力，而不采用穿心钛钢或铍铜棒来承受压力，从而可以减少因线圈系结构复杂带来的对信号测量的不利影响。在该抗拉力结构中，线圈系芯棒的材料和线圈系两端的抗拉装置是研制的难点。

我们仪器两端均采用锥紧结构，如图1所示。依靠内外锥套之间的锥紧力，以及外锥套与玻璃钢间的摩擦力，实现了仪器不需用穿芯玻铜棒就能有10t的承拉能力，从而可以实现将仪器挂接在仪器串的任何位置。下面简要分析仪器如何实现受力平衡。

图1 线圈系锥紧承拉结构

当仪器上、下护帽分别承受向上和向下的拉力F时，他们分别通过上、下护帽等将力F传递给上、下承力螺母4，上、下承力螺母4再将拉力F传递给上、下内锥套。

2.1 理论受力分析

我们只需分析拉力F如何传递到玻璃钢芯轴，同时主要传力部件如何保持平衡即可，为了分析方便，我们将拉力F、摩擦力、支持力等都简化到轴对称的截面上，如图2、3、4所示。

（1）上、下内锥套1受力分析可以简化如图2所示。

图2 上、下内锥套1受力分析

（2）上、下外锥套8受力分析可以简化如图3所示。

图3 上、下外锥套8受力分析

而上、下内锥套，上、下外锥套，玻璃钢芯棒轴向方向受力平衡，径向方向受力可以相互抵消，也处于平衡状态。

2.2 内、外锥套的半锥角：

内、外锥套在受力时我们必须保证它们不能相对滑动，即此种半锥角需要能够自锁。半锥角可分为两种类型：不自锁型，拆卸时不需要很大的力；自锁型，抱紧力非常大。设计时我们将半锥角取为＝4.5°，而锥套接触面摩擦系数＝0.12（中国和德国均取 0.12）5此时，摩擦角＝arctan＝6°5034 ，因此＜，所以此种结构具有自锁功能。

通过大量测试和改进，我们研制出一种锥紧式承拉的结构。锥紧承拉结构很好地避免了这种问题，其依靠玻璃钢本身承拉，避免了铍铜棒材料的使用。从而在60mm直径玻璃钢芯棒上实现了10t的抗拉性能。

3 线圈系部分的结构设计

为了追求最佳的检测效果，通常我们会将信号的调理部分放在靠近接收线圈的位置，将发射线圈、接收线圈的电路板部分放在发射线圈和接收线圈的附近。这样对线圈系部分的设计就提出了更高的要求。一方面电路板要固定在玻璃钢棒上，另一方面线圈系也要固定的玻璃钢棒上。经过多方面的努力，我们最后将电路板做成挠性电板路，电阻、电容等器件全部采用表贴器件。玻璃钢线圈系部分采用圆柱和三棱柱交替结构来实现，这样就减少了信号在传输中的损耗。如图5所示，它是截取典型的线圈系部分结构示意图，电路骨架部分用来安装挠性电路板制作成的信号调理电路，线圈架部分用来缠绕发射或接收线圈。

图5 玻璃钢线圈系部分简化示意图

4 结论

（1）线圈系外壳承压，使得感应类测井仪器可以不用充油，仪器折卸、维修更加方便，有效地减少了高温高压油对电信号的影响。

（2）锥紧承拉结构使得感应类仪器可置于测井仪器串中的任何位置，同时在线圈系部分没有金属芯棒，有效地增加了磁通面积，使发射和接收的电磁波信号更加强列，同时可以有效地节约成本。

（3）线圈系结构使得信号的调理部分与发射线圈和接收线圈更加靠近，减少了信号在传输中的损耗。

（4）此种感应测井仪的机械结构经多次疲劳测试能满足我们对测井仪器的性能要求。

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Designofthemechanicalstructureofinductionloggingcoilarray.

QinCaihuiandHouHongwei.

Thispaperpresentsakindofmechanicalstructuredesignfornovelinductionloggingcoilarray,includingthebearing pull structure of the taper locking,the casing pressure of fiber reinforced plastics,the signal conditioning circuit which is directly mounted around coil.This paper analyzes why adopts the structure,and what are the advantages of this design of adopting the structure,how to overcome thehigh temperatureand high pressureand bearing tensile structure problem.This paper gives the advantages of the structure model,which can provide an useful reference for the structure design of induction logging coil array.

induction logging instrument;taper locking;bearing pull structure;beryllium copper rod;coil array

TE91

B

1004-9134(2012)03-0017-03

秦才会，男，1980生，工程师。2006年毕业于中国石油大学（北京）机械设计及理论专业，获硕士学位，现从事石油测井仪器的研发工作。邮编：101149

2012-01-13

姜 婷）

PI,2012,26（3）：17～19

计算机与通迅技术