□ 謝昱北 □ 肖加奇 □ 黃 濤

中國石油集團(tuán)長城鉆探工程有限公司 測井技術(shù)研究院 北京 100206

陣列感應(yīng)測井儀器線圈系的關(guān)鍵部分由多個(gè)單側(cè)布置的三線圈天線陣列 （例如7個(gè)三線圈天線陣列）構(gòu)成，并且工作在多個(gè)頻率模式下［1］。線圈天線陣列的精度對測量精度起決定性作用，常用的結(jié)構(gòu)是使用導(dǎo)線繞制在某種絕緣基體上形成線圈天線，纏繞之后的線圈天線絕緣基體沿著儀器的軸線依次排列組成線圈天線陣列，這些線圈天線陣列便構(gòu)成線圈系［2］。在測井過程中，環(huán)境溫度可達(dá)180℃，探頭內(nèi)部測井環(huán)境具有相同的溫度［3］。測井環(huán)境下，零件具有熱膨脹效應(yīng)，當(dāng)儀器所處環(huán)境的溫度改變時(shí)，會導(dǎo)致儀器線圈天線絕緣基體的尺寸發(fā)生變化，于是線圈系的線圈面積和線圈之間的距離等幾何結(jié)構(gòu)會微小改變，這種由溫度變化引起的測量偏差稱為溫度效應(yīng)。為消除溫度效應(yīng)，感應(yīng)儀器一般通過溫度實(shí)驗(yàn)的方法來獲得溫度和溫度效應(yīng)之間的定量關(guān)系，然后再通過數(shù)據(jù)處理來補(bǔ)償溫度效應(yīng)，這個(gè)過程稱為溫度校正［4］。烘箱的主要功能是為被測試的感應(yīng)儀器提供一定溫度范圍內(nèi)的可控溫度測試環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)上述的溫度校正過程。本烘箱的溫度控制需要達(dá)到一定精度和均勻性要求和模擬測井環(huán)境，目前常用的烘箱是對材料進(jìn)行燒結(jié)、回火、退火等的熱處理設(shè)備［5］，腔體材料為金屬材料，不能滿足感應(yīng)測井儀器溫度校正的要求。

1 烘箱的結(jié)構(gòu)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

如圖1所示，二次換熱烘箱的循環(huán)系統(tǒng)包括內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)兩路，內(nèi)循環(huán)為一次換熱，外循環(huán)為二次換熱。內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)主要包括電加熱換熱器1、電加熱換熱管道2，以及電加熱換熱器風(fēng)機(jī)3。外循環(huán)系統(tǒng)主要包括循環(huán)風(fēng)機(jī)8、烘箱出風(fēng)管道9、烘箱體10，以及烘箱進(jìn)風(fēng)管道12。內(nèi)循環(huán)的熱源是位于電加熱換熱器1中的大功率電加熱管，外循環(huán)的熱源是位于電加熱換熱器1中的換熱器。烘箱體10是用來進(jìn)行溫度校正的空腔，工作時(shí)把感應(yīng)測井儀器推入到烘箱體10中進(jìn)行溫度校正。

圖1 二次換熱無感空氣循環(huán)烘箱的立體圖

內(nèi)循環(huán)的熱源是位于電加熱換熱器1中的大功率電加熱管，電加熱換熱器風(fēng)機(jī)3提供內(nèi)循環(huán)的動力，電加熱換熱管道2位于電加熱換熱器1上并連接兩者。外循環(huán)的熱源是位于電加熱換熱器1中的換熱器，循環(huán)風(fēng)機(jī)8提供外循環(huán)的動力，烘箱進(jìn)風(fēng)管道12和烘箱出風(fēng)管道9連接烘箱體10和電加熱換熱器1，內(nèi)、外循環(huán)的介質(zhì)均為空氣，管道架13為烘箱進(jìn)風(fēng)管道12和烘箱出風(fēng)管道9提供良好的固定支撐。

如圖2所示，虛線的左側(cè)為無感烘箱的金屬區(qū)，虛線的右側(cè)為無感烘箱的非金屬區(qū)，即無感區(qū)。烘箱體全部由非金屬材料制成，包括木料、工程塑料、工程陶瓷和非金屬保溫材料。烘箱體的保溫層為多層構(gòu)造。烘箱體由進(jìn)風(fēng)通道、工作通道和出風(fēng)通道構(gòu)成，進(jìn)風(fēng)通道連接烘箱進(jìn)風(fēng)管道，出風(fēng)通道連接烘箱出風(fēng)管道。工作時(shí)把感應(yīng)測井儀器自左向右推入到烘箱體中的工作通道并進(jìn)行溫度校正。烘箱進(jìn)風(fēng)管道和烘箱出風(fēng)管道也全為非金屬材料制成。

圖2 二次換熱無感空氣循環(huán)烘箱的俯視圖

1.2 烘箱體結(jié)構(gòu)

在圖3中，烘箱體由進(jìn)風(fēng)通道11、工作通道12和出風(fēng)通道5構(gòu)成，進(jìn)風(fēng)通道通過注風(fēng)口6連接烘箱進(jìn)風(fēng)管道，出風(fēng)通道通5過出風(fēng)口3連接烘箱出風(fēng)管道。熱空氣從注風(fēng)口16注入進(jìn)風(fēng)管道，通過工作通道12流經(jīng)出風(fēng)通道5后由出風(fēng)口3流出。在烘箱體的兩端分別有前門2和后門17，分別安裝在前端蓋1和后端蓋7上。前門2和后門17的材料可以是陶瓷或聚四氟乙烯。儀器進(jìn)入烘箱體后門17關(guān)閉，保證溫腔內(nèi)溫度的均勻性。前端蓋1和后端蓋7的保溫材料為硅酸鋁陶瓷。前門2留有測量儀器接線穿出孔，整個(gè)后門17設(shè)為爆炸卸壓口，確保設(shè)備和人員的安全，后門留有硅油管線（軟管）出口，直徑20 mm。

圖3 烘箱體長度方向剖視圖

如圖3所示，烘箱體由寬向木框8、高向木框9和長向木框10三個(gè)方向的木框榫卯連接成形，這些木框作為烘箱體的支撐構(gòu)件。寬向木框8給出的是其截面的位置，烘箱體在長度方向分為兩段可拆卸的結(jié)構(gòu)，從而方便設(shè)備的拆裝。通過烘箱體連接螺栓6連接兩段烘箱體，從而形成一個(gè)整體，烘箱體連接螺栓6連接的是兩段烘箱體的寬向木框8和高向木框9。

如圖4所示，烘箱體的內(nèi)壁PTFE襯板11采用聚四氟乙烯（PTFE）板料制成，耐溫性能良好，使用可靠性高。烘箱體的保溫層包括硅酸鋁板12和硅酸鋁纖維13，外殼14為玻璃鋼絕緣板。烘箱體由內(nèi)至外依次為PTFE襯板11、硅酸鋁板12、硅酸鋁纖維13以及外殼14，通過聚四氟乙烯的螺栓15把PTFE襯板11、硅酸鋁板12和硅酸鋁纖維13緊固在外殼上。外殼14通過尼龍螺栓緊固在3個(gè)方向的木框上。

烘箱體內(nèi)的上部設(shè)有由上活動調(diào)節(jié)板3和上固定調(diào)節(jié)板5組成的布?xì)獍?，上活動調(diào)節(jié)板3和上固定調(diào)節(jié)板5上具有很多孔，通過上調(diào)節(jié)桿4的水平移動，調(diào)節(jié)上活動調(diào)節(jié)板3對上固定調(diào)節(jié)板5的相對位置以實(shí)現(xiàn)出風(fēng)孔大小的調(diào)節(jié)，水平方向?yàn)楹嫦潴w的寬度方向。同樣，在烘箱體內(nèi)的下部設(shè)有由下活動調(diào)節(jié)板8和下固定調(diào)節(jié)板10組成的布?xì)獍澹抡{(diào)節(jié)桿9為實(shí)現(xiàn)下活動調(diào)節(jié)板8移動的調(diào)節(jié)螺桿。通過下活動調(diào)節(jié)板8對下固定調(diào)節(jié)板10的相對位置的調(diào)節(jié)以實(shí)現(xiàn)進(jìn)風(fēng)開度的調(diào)節(jié)。于是，沿烘箱體長度方向具有不同大小的孔，實(shí)現(xiàn)在不同長度位置上進(jìn)風(fēng)孔和出風(fēng)口大小的調(diào)節(jié)，確保了烘箱體內(nèi)溫度均勻性。上述多處調(diào)節(jié)板的材料均為陶瓷。

如圖3所示，儀器導(dǎo)向用的滾輪裝配15安裝在U型支架14上，在烘箱體的工作通道12中沿著長度方向依次均勻排開，保證儀器受力均勻。如圖4所示，滾輪裝配包括滾輪6和襯套7。滾輪6的兩端通過襯套7安裝在U型支架兩端的凹槽里。襯套7的材料為聚四氟乙烯，作為滾輪6轉(zhuǎn)動的軸瓦，要確保較小的摩擦力，U型支架和滾輪6的材料均為陶瓷。U型支架的下底面具有很多孔，這些孔為連通進(jìn)風(fēng)通道和工作通道的風(fēng)孔。

如圖4所示，烘箱體由上蓋板1和側(cè)蓋板2構(gòu)成。上蓋板1和側(cè)蓋板2為電工板，并通過尼龍螺栓緊固在多處木質(zhì)的木框上，結(jié)實(shí)美觀。上蓋板1和側(cè)蓋板2同外殼14之間具有一定的距離，從而確保烘箱體不會產(chǎn)生過高的溫度。

圖4 烘箱體的寬度方向剖視圖

1.3 電加熱器結(jié)構(gòu)

電加熱換熱器由加熱器和換熱器兩部分組成，加熱器的加熱元件采用帶翅片電熱管，經(jīng)過電熱管加熱的一次循環(huán)熱空氣為二次循環(huán)熱空氣提供熱源。一次風(fēng)道中熱空氣溫度控制在280℃以內(nèi)，低于感應(yīng)測井儀器內(nèi)含油品的閃點(diǎn)。可保證在油品泄漏時(shí)設(shè)備的安全運(yùn)行。換熱器采用管殼式換熱器，保證控制靈敏度。兩個(gè)熱空氣循環(huán)風(fēng)機(jī)與電加熱器實(shí)現(xiàn)連鎖控制，即開始工作時(shí)，必須先啟動風(fēng)機(jī)，再啟動電加熱器。

經(jīng)電加熱換熱器換熱的空氣由循環(huán)風(fēng)機(jī)吹入烘箱體的腔體內(nèi)，經(jīng)過烘箱體腔體循環(huán)后再由出風(fēng)管道回到電加熱換熱器。通過烘箱體腔體內(nèi)的控溫?zé)犭娕?，閉環(huán)控制加熱器的加熱功率。如果箱體腔體要求的降溫速率大于自然降溫速率，通過進(jìn)風(fēng)閥和排風(fēng)閥向腔體補(bǔ)充冷空氣、排出熱空氣，風(fēng)量由手動閥的開啟度決定。

1.4 測控系統(tǒng)

一次熱空氣測控系統(tǒng)由鉑電阻、測溫儀、超溫報(bào)警執(zhí)行電路組成，其功能是保證電加熱換熱器的一次熱空氣溫度控制在280℃以內(nèi)，以保證設(shè)備的安全運(yùn)行。

烘箱體腔體的溫度主要由安裝于腔體中段的控溫鉑電阻、溫控儀和過零觸發(fā)可控硅模塊組成的溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)控制，通過PID調(diào)整溫控儀對電加熱器的加熱功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制腔體循環(huán)熱空氣的溫度，實(shí)現(xiàn)腔體溫度的自動控制。如果腔體的降溫速率大于自然降溫速率，通過進(jìn)風(fēng)閥和排風(fēng)閥向腔體補(bǔ)充冷空氣、排出熱空氣，已滿足降溫速率要求。腔體溫度測量系統(tǒng)有兩路，由安裝于腔體左、右段的測量鉑電阻、測溫儀組成，用于監(jiān)測腔體溫度。

2 均勻性計(jì)算

根據(jù)上述設(shè)計(jì)，使用SolidWorks對烘箱進(jìn)行了建模，并使用SolidWorks Flow Simulation插件對烘箱體進(jìn)行了計(jì)算流體分析［6］。多次優(yōu)化結(jié)果表明，上下孔徑40 mm、中間板為12 mm的設(shè)計(jì)可以滿足要求。圖5給出了烘箱體的溫度場分布，取某時(shí)刻的環(huán)境溫度，例如入口溫度為393K（120℃）。截取溫度下限為溫度上限的-6K，即387K。經(jīng)測定滿足設(shè)計(jì)要求，即烘箱的溫度均勻度小于±3℃。圖6給出了烘箱體內(nèi)的速度場分布，可見儀器層形成了明顯的平行風(fēng)帶，有利于溫度均勻。

圖5 烘箱體的溫度場分布

圖6 烘箱體內(nèi)的速度場分布

3 特點(diǎn)

二次換熱無感空氣循環(huán)烘箱設(shè)計(jì)具有如下的優(yōu)點(diǎn)：

1）二次換熱的具體實(shí)施包括內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)兩路，內(nèi)循環(huán)為一次換熱，外循環(huán)為二次換熱。一次風(fēng)道中熱空氣溫度控制在280℃以內(nèi)，低于感應(yīng)測井儀器內(nèi)含油品的閃點(diǎn)，可保證在油品泄漏時(shí)設(shè)備的安全運(yùn)行。

2）烘箱體全部由非金屬材料制成，包括木料、工程塑料、工程陶瓷和非金屬保溫材料，烘箱進(jìn)風(fēng)管道和烘箱出風(fēng)管道由非金屬材料制成。保證了無感測試環(huán)境，確保不能干擾感應(yīng)儀器溫度校正過程。烘箱體在長度方向分為兩段可拆卸的結(jié)構(gòu)，從而方便設(shè)備的拆裝。

3）烘箱體的保溫層包括硅酸鋁板和硅酸鋁纖維，外殼為玻璃鋼絕緣板，烘箱體由內(nèi)至外依次為聚四氟乙烯板，硅酸鋁板和硅酸鋁纖維，以及外殼。保溫結(jié)構(gòu)簡單有效。外殼外面有蓋板，并通過尼龍螺栓緊固在多處木質(zhì)的木框上，結(jié)實(shí)美觀。蓋板為烘箱體的最外層，可防止溫度過高。

4）使用Solidworks Flow Simulation插件對烘箱的烘箱體的進(jìn)行了流體分析，溫度場均勻性滿足設(shè)計(jì)要求，對烘箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及實(shí)施提供了有力的依據(jù)。

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