SDZ-3000伽马探测器减震装置的改进

(中国石油集团大庆钻探工程公司测井公司 黑龙江 大庆 163412)

·开发设计·

SDZ-3000伽马探测器减震装置的改进

赵广平

(中国石油集团大庆钻探工程公司测井公司 黑龙江 大庆 163412)

分析了SDZ-3000遥测伽马仪探测器在水平井测井中经常出现晶体损坏的现象，建立了橡胶垫力学模型和泡沫塑料力学模型，得出减震器的理论设计方法，并应用于减震器的改进设计中。实际应用情况表明，改进后的仪器故障率降低，节约了成本，增强了仪器的耐用性。

遥测伽马仪器；探测器；故障；减震

0 引 言

自然伽马测井是测量岩层中自然存在的放射性核素衰变过程中放射出来的总自然伽马射线强度，来研究地层性质的一种测井方法[1]。自然伽马测井仪主要是利用碘化钠晶体作为闪烁体，接收自然伽马射线而产生荧光。光电倍增管搜集荧光产生电子，通过整形、计数，计算出地层的伽马值[2]。因此作为传感器的伽马探测器(晶体+光电倍增管)的稳定性[3]，直接影响到自然伽马的测量结果。

由于探测器是易碎物品，不能受到大的冲击和振动。而SDZ-3000型自然伽马测井仪在大庆油田主要用于水平井测井。而在水平井测井过程中，通常采用钻杆推动的方法进行测井，因此在对接或井况不好的情况下，会产生很大的冲击和振动，很容易造成探测器的损坏。本文主要针对遥测伽马仪器探测器的减震装置设计的弱点，进行了改进。

1 SDZ-3000遥测伽马探测器减震装置

SDZ-3000遥测伽马探测器减震装置主要由三部分组成：贯通线、上接头保护座、下接头保护座[4]。上接头保护座其形状如下图1所示：晶体下接头为带螺丝眼的形状，其下接头的壳体上根据螺丝尺寸大小设置了几个圆形的螺丝孔，以固定晶体的位置。其晶体上接头通过带扣的方式与装有光电倍增管的外壳相连接，从而固定晶体的位置。

图1 改造前遥测伽马探测器实物图

此种设计能起到固定晶体的作用，但是在测水平井时，强冲击力的作用下，此设计就有一定的缺陷，当受到大的冲击时，其螺丝眼与螺丝大小一样，没有活动的空间，上接头与光电倍增管相连接，因此冲击力全部加在光电倍增管和晶体上，很容易造成探测器损坏。而一个晶体和一个光电倍增管价格为1.85万元，因而对探测器减震装置的改进显得尤为重要。

2 改进方案

为了找到解决办法，我们对SDZ-3000测井仪自然伽马减震装置的结构进行了研究和分析。发现该结构存在两个弱点，一个为螺丝孔大小与螺丝眼大小相同，导致在仪器受到冲击时，螺丝孔没有可以退让的空间，造成晶体受力，从而损坏。同时，该减震装置下接头与晶体之间有一定的空隙。而此空间如果装入具有弹性形变的材料，那么晶体就将受到保护。因此，本文主要从以上两个方面进行了改进。

2.1 对底座的改进

由图1可得出改造前的底座螺丝孔，其形状为圆形，大小和紧固螺丝一致。一旦仪器受到冲击，则该螺丝孔就会变成一个弱点，从而发生变形，严重时连螺丝一起发生变形，造成维修的时候，连螺丝都无法拆卸，不得不采用破坏性的拆卸。对此情况，我们将螺丝孔进行了改进。其改造后的底座螺丝孔如图2所示，我们由原来的圆形螺丝孔改成了长方形，这样一旦晶体受到冲击，螺丝有一定的缓冲空间，使晶体的受力就会小一些，从而保护了晶体。

图2 改造后遥测伽马探测器实物图

2.2 加装减震器

减震器由橡胶垫和泡沫塑料串联组成，如图2所示。由于橡胶的特点是既有高弹态又有高黏态，橡胶的弹性是由其卷曲分子构象的变化产生的，橡胶分子间相互作用会妨碍分子链的运动，又表现出黏性特点，以致应力与应变往往处于不平衡状态。橡胶的这种卷曲的长链分子结构及分子间存在的较弱的次级力；使得橡胶材料呈现出独特的黏弹性能，因而具有良好的减震和缓冲性能[5]。橡胶部件因为其具有滞后、阻尼及能进行可逆大变形的特点，我们将其应用到晶体减震中来。

将橡胶减震垫放在晶体下端与底座的连接处，使得晶体与底座不再是硬连接，而是有一个弹性保护减震垫，起到很好的减震作用。

泡沫塑料有较高的内阻尼，空间利用率大、易于成型、不需要维护保养等优点，而且采用泡沫塑料制作的减震器可以有效地降低及消除宽频带的随机振动及多共振峰的机械振动，同时也具有良好的缓冲效果。

将橡胶和泡沫塑料串联组合使用，构成减震器，充分利用橡胶和泡沫塑料的特性，能很好地实现减震效果。

3 橡胶减震设计原理

减震垫的承载元件是橡胶块，具有刚度K和阻尼C。减震垫在探测器中用于被动隔振，假设减震垫各个支撑点受力均匀，其力学模型可简化为如图3所示，

图3 橡胶垫力学模型

橡胶减震垫的减振大小由振动传递率表示：

(1)

图4 不同tanδ值下传递率与v的关系

一般情况下，可将应力-应变关系假设为线性关系，从而用有效压模量Ec来评价减震垫的特性。橡胶材料的Ks比K小，Ks/K一般为1.2～2，且橡胶材料阻尼值越大，Ks越大[6]。

式中，Ks为减震垫的静刚度，N·mm-1；Ec为减震垫的有效压缩模量，MPa；S为减震垫的有效载荷面积，mm2；h为减震垫高度，mm；

减震垫几何形状对模量的影响极大，Ec与外形的关系式为：

Ec=E0(1+2kC2)

式中，E0为橡胶材料的杨氏模量；C为减震垫的形状因数；k为材料特性校正因数，一般取0.5～1。

为避免应力集中，减震垫应该采用合适的结构，杜宇圆柱形减震垫，为保证减震垫受力稳定及不产生弯曲变形，一般取h/D<1，D为减震垫直径[7,8]。

4 泡沫塑料减震设计原理

泡沫塑料的静力学特性和动力学特性都呈现出明显的非线性特性，对变形速度很敏感，因而它的静力学特性和动力学特性的差别很大，如图5所示。

图5 泡沫塑料的应力-应变曲线

泡沫塑料的压缩过程是泡沫塑料吸收能量的最有效的状态。在压缩过程中，泡沫塑料的阻力由泡沫塑料本身的弹性力，粘弹性力和虚拟粘弹性力组成。其力学模型可用图6来描述。

图6 泡沫塑料的力学模型

泡沫塑料的振动传递率为:

泡沫塑料力学模型中的非线性弹簧元件反映了软质泡沫塑料的固有弹性特性，满足方程如下：

泡沫塑料力学模型中的麦克斯韦元件反映了其粘弹性效应和虚拟弹性效应，满足如下方程：

5 减震器减震效果

5.1 理论计算与试验结果对比

减震器采用橡胶垫和泡沫塑料串联组合方式构成。减震器减振能力大小由振动传递率T来表述，当减震橡胶和泡沫塑料串联组合在一起时，减震器的传递率为：

T=T1·T2

(1)

其中T1、T2分别为橡胶垫和泡沫塑料的振动传递率。

实际测得试验结果，对比理论计算如图7所示和表1。

图7 理论计算与试验结果对比

表1 试验值与计算值对照表

*注：g≈9.8 m/s2

对比理论计算值与试验值可以看出，减震器的力学模型是可靠的，可以满足工程设计要求。

5.2 改进效果

改进前，平均一年损坏4个晶体，2个倍增管，共计68 400元。水平井下井底对接时冲击力大，如果导致晶体碎裂，需要全部仪器串起钻需4～5 h，更换仪器重新下放到井底需6～7 h，可节约测井队和井队时间10～12 h，成本在2万元左右。

改进后，自2013年5月投入使用后上井40余口次，未出现损坏现象。不仅大大减少了经济损失，而且大大提高了作业效率和下井成功率。

6 结束语

本文对减震器中的橡胶垫和泡沫塑料建立了非线性力学建模，得出减震器的设计方法。通过试验结果与理论计算对比可以看出，减震器的力学模型可靠，设计方法满足工程设计要求。

将此设计方法应用在探测器中的减震器设计中，并对比改进前和改进后的遥测伽马仪器探测器故障率得出，改进后的探测器故障率降低80%。

因此改进后的装置对探测器进行了有效的保护，降低了损耗，降低了探测器的故障率，节约了生产成本，提高了作业效率。

[1] 庞巨丰.测井原理及仪器[M].北京：科学出版社,2008:289-316.

[2] 中国电子科技集团第22研究所.SDZ3000快速测井平台(电路篇)[Z].2008.

[3] 宋德杰.传感器技术与应用[M].北京：机械工业出版社，2014:108-129.

[4] 中国电子科技集团第22研究所.SDZ3000快速测井平台(结构篇)[Z].2008.

[5] 邓本诚,纪奎江.橡胶工艺原理[M].北京：化学工业出版社，1984.

[6] A N 詹特.橡胶工程—如何设计橡胶配件[M].北京：化学工业出版社，2003：31.

[7] 龚积球，龚震震，赵熙雍.橡胶件的工程设计及应用[M].上海：上海交通大学出版社，2003：173-176.

[8] 李树森，王开和，徐 玮.空调压缩机选频隔震减震降噪研究[J].噪声与振动控制，2003,24(3)：27-30.

ImprovementofSDZ-3000GammaDetectorDampingDevice

ZHAOGuangping

(WellLoggingCompany,DaqingDrillingandExplorationCorporation,CNPC,Daqing,Heilongjiang163412,China)

The crystal damage phenomenon of SDZ-3000 telemetry gamma ray detector in horizontal well logging was analyzed, the mechanical models of rubber mat and plastic foam were established, and the theory design method of shock absorber was obtained and applied to improvement design. The practical application shows that the failure rate of the instrument is reduced, the cost is saved, and the durability of the instrument is enhanced.

telemetry gamma instrument； detector； fault； shock absorption

赵广平，男，1968年生，工程师，2007年毕业吉林大学计算机应用软件专业，现从事仪修工作。E-mail: dqzhaogp@163.com

P631

A

2096-0077(2017)05-0005-04

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.05.002

2016-11-07编辑屈忆欣)