一种基于液压平衡的油基泥浆电成像极板的设计

2021-06-22任燕敏刘春莹朱凤芹

科海故事博览 2021年2期

任燕敏柏强刘磊刘春莹朱凤芹

（1.中石化经纬有限公司胜利测井公司，山东东营 257096；2.潍柴雷沃重工股份有限公司，山东潍坊 261206）

测井仪器工作在数千米的地下，处于高温、高压环境，仪器一直浸泡在各种腐蚀性介质中。同时，在测井过程中还伴有不同程度的振动，工况十分恶劣，因此对仪器的机械性能要求很高。液压系统因其质量轻，以及可以无级调速，节省设计空间等优点，已应用于多种测井仪器中。其主要应用方式有两种：一种是液压平衡系统，另一种是液压驱动系统。而本次设计的油基泥浆电成像极板，采取的是液压平衡方式。在仪器限定外形尺寸的前提下，合理进行机械结构排布设计，满足仪器技术指标要求。

1 油基泥浆电成像极板的应用背景

1.1 极板工作原理

常规测井时，在井下普通泥浆中，微电阻率扫面测井仪通过传导电流将泥浆、地层和仪器联通起来，形成回路，继而测量所需参数。但是油基泥浆不导电，导致此回路被破坏。因此，在这样的环境中，需要将极板和导电地层作为电容器两极，给其加高频交变电流，使电流能越过不导电的油基泥浆层流动，形成回路[1]。因此，油基泥浆电成像极板在仪器测量中占据非常重要的地位。

1.2 极板设计要求

测井仪器的工作环境多高温高压且伴有介质腐蚀，此次极板在设计时要求满足耐温170℃，耐压140MPa。同时，满足在8寸井眼中测量范围不小于80%的要求，极板的外形尺寸也受到了限制。为了在有限的空间内实现极板功能，最终决定采取液压平衡的方式来实现极板的耐压系统。

2 液压平衡系统的设计

2.1 液压平衡系统总体设计方案

通过多方计算，得到液压平衡系统极板结构如下图1所示。

图1 油基泥浆电成像极板

2.1.1 确定极板外形尺寸

为满足井眼测量覆盖率，仪器整体采取两组共八个极板的排布方式，同一个平面排布四个极板（如图2所示）。

图2 一组极板排布

2.1.2 设计液压平衡系统

在得到电路板尺寸后，首先确定了极板腔体的尺寸。鉴于电路板尺寸给极板留下的密封空间很小，普通结构耐压达不到140MPa的要求，因此采用液压平衡[2]。在极板前端的主体上，做了四组液压平衡活塞（如图3所示）。1是平衡活塞，数量为二，在极板对称位置还有一个。2是注油处活塞，3是排气处活塞，4是液压平衡腔体。

图3 极板活塞示意图

2.1.3 排布极板电极

极板电极平面布局如图4所示。极板中间为纽扣电极阵列，纽扣电极外围是一圈屏蔽电极，极板两侧为两个回流电极。

图4 极板电极排布

此次电极排布的难点在于中间纽扣电极的排列，因为极板表面是圆弧形，纽扣电极数量较多，且要求每个电极的底端都要连接到腔体内的线路板上，因此给设计带来了很大的困难。经过多次尝试，将21个纽扣电极分成两列，且交叉均匀排布，同时采取不同弧度不同打孔深度的方式，实现了纽扣电极的无干扰排布[3]。（如图5所示）

图5 纽扣电极排布

2.2 液压平衡装置零部件的选用

极板主体本着高强度且耐腐蚀的原则，选用了测井仪器常用的0Cr17Ni4Cu4Nb/17-4PH（沉淀硬化不锈钢）。而极板电极主体部分，要求采用绝缘材料，考虑到耐温性能及加工工艺，选用了聚醚醚酮PEEK。极板主体与电极主体之间采用高强度螺钉连接，密封方式用耐高温的氟橡胶密封圈，增加了系统的可靠性。

2.3 机械部件加工精度要求

液压系统在应用过程中，活塞的运动流畅度至关重要，这就对活塞及活塞筒的加工工艺提出了很高的要求，我们在设计的时候，要求表面粗糙度不低于0.6，以保证活塞运动顺畅。另外，纽扣电极孔为阶梯孔，且最大孔径2mm，最小孔径1mm，对同轴度要求不超过0.01。

3 液压平衡电成像极板的可靠性保障

3.1 组装之前务必对液压腔进行清洗

液压系统在正式使用之前都要经过清洗，清洗的目的主要是清除残留在系统内的尘土、金属屑等污染物：（1）用电子清洗剂清洗液压腔，再用带压空气清除清洗剂残余；（2）清洗四组活塞，并彻底晾干后再装配；（3）检查所有活塞是否运行流畅，活塞卡簧是否安装到位。

3.2 定期维护保养

井下工作环境恶劣，极板使用一段时间后，由于密封圈形变，或者活塞受腐蚀老化，极易出现漏油现象，因此，要求在工作3口井后，要对密封圈进行及时的更换，并且定期检查活塞受损情况。液压油是平衡系统的关键，在使用过程中，要定期更换，并且对液压腔进行清洗过滤[4]。每次更换液压油，要对液压腔整体进行几次抽真空操作，减少系统内部的空气残留，保障液压系统的稳定性。