石油測井儀器的耐高壓設(shè)計

1、(中國電子科技集團第二十二研究所 河南 新鄉(xiāng))摘要 : 文章闡述了在高溫高壓作用下測井儀器的耐高壓設(shè)計方法及原理 ,定量分析了硅油在高溫和高壓綜合作用下的體積變化量 ,為壓力平衡設(shè)計提供了依據(jù) ;通過對活塞式 、波紋管式和膠囊式三種壓力平衡測井設(shè)計方法進行分析對比 ,總結(jié)了三種平衡方法的優(yōu)缺點 。關(guān) 鍵 詞 : 壓力平衡 ; 膠囊 ; 活塞 ; 波紋管中圖法分類號 : p631 . 8文獻標識碼 : b文章編號 : 100429134 (2009) 0220012203當油在高溫高壓作用下體積發(fā)生改變時 ,儀器內(nèi)部的油腔空間也應隨之增大或減小 ,從而使儀器內(nèi)外壓力 保持平衡 ,達到壓力補償?shù)淖?/p>

2、用 。下面 ,以 201 # 甲基硅油為例分析油在高溫高壓 作用下的體積變化量 。1 . 1壓力影響儀器在測井過程中 ,油液隨著壓力增大 ,體積會減 小 。假設(shè)油液所受壓力為 p , 體積 為 v , 當 壓 力 升 高 p , 油液的體積就減少 v ,v 和p 關(guān)系為 :v = v × ×p 1則體積減小的百分比 :引言0在油田勘探與開發(fā)過程中 ,測井是確定和評價油 、氣層的重要手段之一 ,也是解決一系列地質(zhì)問題的重 要手段 。它能直接為石油地質(zhì)和工程技術(shù)人員提供各 項資料和數(shù)據(jù) 。根據(jù)需要 ,人們研制了各種測井儀器 ,如聲波測井儀 、感應測井儀和地層傾角測井儀等等 ,以

3、 及各種輔助測井短節(jié) ,以獲取各種地層的巖石物理參 數(shù)和工程技術(shù)參數(shù) 。這些測井儀器由于工作在高溫 、 高壓的惡劣環(huán)境下 ( 例如 ,井下深度至 7 000 m 時 ,溫 度可達 175 , 壓力達 140 mpa ) , 因此必須具有耐高溫 、耐高壓的性能 ?，F(xiàn)有的測井儀器大都采用耐高溫 的元器件或材料來實現(xiàn)儀器的耐高溫性能 ,也有用保 溫瓶來實現(xiàn)儀器的耐溫度性能 ;同時 ,測井儀器在井下 要承受高壓 ,為了避免儀器因高壓而損壞 ,在測井儀器 強度不夠的地方 ,就需要耐高壓設(shè)計 。在選用強度高的材料仍不能滿足要求的情況下 ,保持儀器的內(nèi)外壓 力平衡是防止儀器被壓壞的有效方法 。目前 ,平衡壓

4、 力的方法主要是在儀器內(nèi)注硅油 ,通過保持儀器的內(nèi) 外壓力平衡來實現(xiàn)儀器的耐高壓性能 。v= ×p ×100 %(1)v式中 ,v 為 液 體 體 積 的 變 化 量 ; v 為 液 體 原 體積 ;為液體壓縮率 ; p 為壓力變化量 。對于 201 # 甲基硅油 , = ( 57) ×10 - 4/ mpa 2 ,取 = 6 ×10 - 4/ mpa 。儀 器 在 井 下 最 大 壓 力 為 140mpa ,井口壓力為 0 . 1 mpa ,則儀器測井過程中油液的 最大壓力差為 :p = 140 - 0 . 1 = 139 . 9 mpa ,代入上式

5、求得油液體積壓縮率為 :v= ×p ×100 %= 6 ×10 - 4 ×139 . 9 = 8 . 4 %在高溫高壓下硅油的體積變化1v由于硅油具有 : ( 1) 氧化穩(wěn)定性 ; ( 2) 良好的潤滑性 ; (3) 無腐蝕性 、對密封件/ 軟管等無溶解及其他有害 影響 ; (4) 消泡性 ; ( 5) 不導電性和抗燃性等良好的性 質(zhì) ,而且在高溫 、高壓作用下體積變化不大 ,現(xiàn)有的測井儀器大都選用硅油作為實現(xiàn)內(nèi)外壓力平衡的介質(zhì) 。1 . 2溫度影響在測井過程中 ,隨著井的深度增加 ,溫度升高 ,液 體體積膨脹 ,密度減小 。設(shè)某溫度下體積為 v , 溫

6、度升 高為 t 時 , 體積為 :第一作者簡介 : 趙 昕 , 男 ,1963 年生 ,高級工程師 ,1984 年畢業(yè)于合肥工業(yè)大學 , 現(xiàn)在中國電子科技集團第二十二研究所第七研究部工作 ,主要從事石油儀器研發(fā)工作 。郵編 :453003v內(nèi)壁的滑動摩擦是損傷密封圈的重要影響因素 。因此應盡量減小摩擦力 。可以如圖 1 所示 ,在平衡活塞內(nèi) 部設(shè)計一道潤滑油路 ,為平衡活塞與芯軸間的密封圈= ×t ×100 %(2)v式中 , v 為液體體 積 的 變 化 量 ; v 為 液 體 原 體積 ;為油液熱膨脹系數(shù) = ( 8 . 5 9) ×10 - 4 1/ ; t

7、為溫度變化量 。設(shè)測井儀在常溫 ( 25 ) 下內(nèi)部油液體積為 v , 油 溫升高到 175 時的內(nèi)部油液體積增加 v , 對于 201# 甲 基 硅 油 , 取 油 液 熱 膨 脹 系 數(shù) 為 = 8 . 75 ×10 - 41/ ,t = 150 , 則體積膨脹率為 :及密封面提供潤滑 ,防止干磨擦損壞密封圈及密封面 。同時為了保證活塞與芯軸的同軸度 ,可以增大平衡活塞與芯軸接觸面的軸向長度 ,保證平衡活塞軸向運動 的穩(wěn)定性 ,防止其在裝配或工作期間卡滯 。利用活塞 平衡來實現(xiàn)儀器內(nèi)外壓力平衡 ,可以有效抵抗腐蝕 ,但 是由于是活動件 ,因此容易漏油 ,或者工作期間卡滯 ,v拆裝

8、不太方便 。因此對零件加工提出了更高的要求 。= ×t- 4= 8 . 75 ×10×150= 13 . 1 %v此外 ,在使用過程中 ,也要對儀器及時補充硅油 。此種平衡方式在下井儀器中較為常用 ,如液壓推 靠器 、輔助測量探頭和旋轉(zhuǎn)短節(jié)等都是以活塞平衡來 保持儀器內(nèi)外壓力平衡3 。2 . 2波紋管壓力平衡及補償方法圖 2 為波紋管壓力平衡原理圖 。波紋管組件由大 波紋管和小波紋管組成 ,兩端通過小波紋管接頭和大 波紋管接頭固定在儀器上4 。在測井儀器下井的過程 中 ,隨著地層溫度和壓力的變化 ,波紋管內(nèi)的油液體積 將增大或減小 。計算得到儀器在 175 工作下

9、 , 其內(nèi)部硅油體積將增大 13 . 1 % 。1 . 3綜合影響假設(shè)地層溫度與地層壓力梯度理想 ,井下儀器在 極限工作壓力和溫度下 ,儀器內(nèi)部硅油體積的變化即 是由于溫度升高膨脹的體積與由于壓力增大壓縮的體積之差 ,為 13 . 1 % - 8 . 4 % = 4 . 7 %。 至此可以得出結(jié)論 ,理想情況下 ,儀器在極限工作壓 力 與 極 限 工 作 溫 度 下 , 其 內(nèi) 部 硅 油 體 積 將 增 大4 . 7 % 。測井儀在井下高溫作用下 ,儀器內(nèi)部的油液體 積將膨脹 13 . 1 % ; 在高壓的作用下 , 儀器內(nèi)部的油液體積將縮小 8 . 4 % ;在任何情況下 ,儀器內(nèi)部的油液

10、體 積將在 ( - 8 . 4 % ,13 . 1 %) 內(nèi)變動 。壓力平衡及補償方法2圖 2 波紋管壓力平衡原理當內(nèi)部油液體積增大時 ,由于波紋管有良好的彈 性 ,大波紋管長度將增加 ,體積增大 ,小波紋管長度縮 短 ,體積將減小 ,中間接頭向左移動 ; 當內(nèi)部油液體積 減小時 ,波紋管在外界壓力及自身彈性的作用下 ,大波 紋管體積減小 , 小波紋管體積增大 , 中間接頭向右移 動 。從而 ,使儀器內(nèi)外壓力保持平衡 ,達到壓力補償?shù)?作用 。由于金屬波紋管管壁很薄 ( 0 . 09 mm1 mm) ,其 腐蝕余量非常小 。在應力和腐蝕的共同作用下 ,即使 波紋管上有很小的腐蝕點 ,都可能造成

11、裂紋 ,從而導致密封失效 。因此 ,選擇金屬波紋管的材質(zhì)時候 ,應選用 強度高 、耐磨性能高 、耐腐蝕 、耐高溫 、熱膨脹系數(shù)小的 材料 ,如鎳鉻不銹鋼 、鎳鉻鉬合金 、高鎳合金鋼 。避免 密封過早失效 。此種壓力平衡結(jié)構(gòu)形式在聲波測井儀 器中常使用 ,可有效減小直達波的影響 。2 . 3 膠囊壓力平衡及補償方法圖 3 為膠囊壓力平衡原理圖 。膠囊的兩端套在堵2 . 1活塞平衡原理及設(shè)計圖 1 為活塞平衡原理圖 。儀器測井過程中 ,儀器 內(nèi)的油液隨著井下溫度和壓力的變化 ,體積隨之膨脹 或縮小 。當油液體積膨脹時 ,活塞被推動向右移動 ;當 平衡筒內(nèi)壓力過高 ,大于溢流閥開啟壓力時候 ,溢流閥

12、 釋放一部分油 ,直到小于開啟壓力 ;當油圖 1 活塞平衡原理液體積縮小時 ,活塞在彈簧的作用下向左移動 ,從而使 儀器內(nèi)外壓力保持平衡 ,達到壓力補償?shù)淖饔?。注意 活塞行程的空間體積要大于平衡筒內(nèi)總油液縮小的體 積 ,使油液體積縮小時候 ,活塞有足夠的壓縮空間以保芯軸同心度不好 ,易卡滯 。(3) 波紋管式壓力平衡方法能抵抗硫化氫腐蝕 ,同 時由于波紋管自身有伸縮功能 ,所以平衡能力較強 ,但 是管壁很薄 ,如果波紋管上有很小的腐蝕點 ,都可能造 成裂紋 。綜上所述 ,在設(shè)計測井儀器時 ,應根據(jù)儀器的結(jié)構(gòu) 形式和使用條件選擇合適的壓力平衡方法 。圖 3 膠囊壓力平衡原理膠囊壓力平衡及補償方

13、法最為簡單 ,而且易裝配 , 維護和檢修非常方便 。但因為材料為橡膠 ,所以在遇 到含 h2s 較多的井時 ,容易被腐蝕 ,需要經(jīng)常更換 。但是隨著技術(shù)的進步 ,現(xiàn)在多采用氟膠囊 ,提高抗腐蝕性 。因此 ,膠囊式平衡在石油儀器中還是很常見 的 。在每次下井前 ,應保證膠囊里面注滿油 ,保證內(nèi)外 壓力平衡 。此種結(jié)構(gòu)在測井儀器中最為常見 ,如馬籠 頭 、撓性短節(jié)和聲波測井儀器等 。參 考 文 獻徐灝 . 機 械 設(shè) 計 手 冊 m .1992北 京 : 機 械 工 業(yè) 出 版 社 ,123梁智權(quán) . 流體力學 m . 重慶 : 重慶大學出版社 , 2002中國電子科技集團第二十二研究所 . sd

14、z - 3000 快速測 井平臺維修手冊 (結(jié)構(gòu)篇) . 2003 (資料)曾振華. 用于高壓的金屬波紋管機械密 封 設(shè) 計 j . 機 械 ,2001 ,28 (5)4結(jié)束語通過對測井儀器最常用的三種壓力平衡及補償方4(收稿日期 :2008 - 09 - 18 編輯 : 姜 婷)(上接第 11 頁)的耦合途徑 ,三是對敏感的檢測電路采取抗干擾措施 。 在本設(shè)計中采用屏蔽的方法來消除外界噪聲的干擾 。綜述 j . 石油儀器 . 2006 ,20 (5)高 晉 占 . 微 弱 信 號 檢 測 m .2004北 京 : 清 華 大 學 出 版 社 ,2結(jié)束語穩(wěn)定的電源電壓及正確的接地方式是電路正常

15、工 作的首要條件 。綜合考慮上述措施 ,在實驗室環(huán)境下 , 過套管電極間的電壓差信號經(jīng)超低噪聲前置放大器的 輸出后 ,信號的信噪比得到了很大提高 ,該輸出信號經(jīng) 后續(xù)的數(shù)字累加平均及數(shù)字相敏檢波處理后 ,信號的 測量穩(wěn)定度達到了納伏級 ,滿足了工程應用的要求 。5松井邦彥 ,鄧 學. op 放大器應用技巧 100 例 m .京 :科學出版社 ,北京 ,2006北3劉 俊 , 張斌珍. 微弱信號檢測技術(shù) m . 北京 : 電子工業(yè)出版社 ,北京 ,20054(收稿日期 :2009 - 01 - 08 編輯 : 姜 婷)參 考 文 獻吳銀川 , 張家田 , 嚴正國. 過套管地層電阻率測井技術(shù)1ab

16、 s tractsvol . 23 no . 2 apr . 2009y in guoping an d yang ha il i. challenges f or ma intenance engineers brought by the development of well logging technology . pi , 2009 , 23( 2) :13the design and manufacture of instruments have been more and more integrated along with the development of well logg

17、ing technology and instruments . and the conventional maintenance methods will be backward gradually . this paper introduces the developing trend of logging technology and p resent situation of the repair of logging instrument . it elabo2 rates the challenges that maintenance engineers who have only

18、 traditional repair methods face with , and analyzes its mea2 sures of solution .key words :well logging ; instrument ; maintenance ; challengey i jiyong , l iang yan qiang , ju l ihua an d hu yan . techn ical keys to ensure rt k mea suring precision . pi ,2009 , 23( 2) :46in the field of geop hysic

19、al surveying , rtk technique has already been applied into the domain of surveying and mapping because of its high p recision , real2time and high efficiency . according to the fact of geop hysical surveying , this paper introduces rtk technical characters , and discusses the key technique of rtk to

20、 ensure measuring p recision .key words :rtk survey ; technical key ; positioning p recision ; reliabilitydang ruirong , zha o wenta o an d ren zhiping . analysis of the receiving coils transitional process in tem . pi , 2009 , 23( 2) :79in tem systems , the receiving coil is the key section to obta

21、in information , so it relates to overall system perfor2 mance . while actually the receiving coil is inductive load and excitation signal is the slanting step wave , there is transi2 tional p rocess in receiving coil that have great influence on measuring the second field . based on the equivalent

22、circuit of receiving coil , the concrete forms of the first induced voltage and second induced voltage are deduced in this paper and the transitional p rocess of the first induced voltage and second induced voltage are respectively analyzed , then the rule how transitional p rocess influence measuri

23、ng abnormal signal is concluded . at the end of this paper , some advice about how to eliminating the influence of transitional p rocess are listed .key words :tem ; receiving coil ; transitional p rocess ; induced voltagezha o xia olei , l i si an d l i kun . ultalo w2noise a mpl if ier design in l

24、ogging technology of f or ma tion resistivity through ca sing . pi , 2009 , 23( 2) :1011 , 14ultralow2noise amplifier technology is the key to logging technology of formation resistivity through casing . in order to reduce the power noise , this paper adopts multi2level stabilivolt and low dropout r

25、egulator . the resistances to reduce heat noise and ultralow2noise amplifier are caref ully chosen to reduce equivalent inp ut noise voltage , and a method of multi2level filtering and amplification is adopted to imp rove the signal2to2noise ratio . after the theory calculating , the e2 quivalent in

26、p ut noise voltage of this circuit is only 5 . 58 .key words :ultralow2noise amplifier ; ldo ; multi2level filtering and amplificationzha o minxin . the design of compression resistance on the logging tool of petroleum . pi , 2009 , 23( 2) :1214this paper introduces the method and theory of comp ression resistance of logging tool under the influence of high p ressure and temperature , and analyzes the volume change of oil quantificationally under the composite influence of high p ressure and high temperature , which p rovides the