王 蕙，廖勝軍，竇錦愛，王芝江，劉耀偉，于增輝，侯洪為

(中海油田服務(wù)股份有限公司 河北 廊坊 065201)

0 引 言

隨著油氣勘探工作的不斷加深，尋找優(yōu)質(zhì)油氣藏的難度日益增大，同時(shí)復(fù)雜的地質(zhì)形態(tài)對(duì)測井儀器的集成性、陣列性等要求也越來越高，各種各樣的儲(chǔ)層特征也給測井裝備帶來一個(gè)個(gè)全新的挑戰(zhàn)。對(duì)井壁成像儀器來說，覆蓋率的高低直接影響到對(duì)地層信息采集的多少。覆蓋率越高，獲取的信息也就相應(yīng)越詳盡。目前，我國電成像儀器的最高覆蓋率為85%(8.5 in井眼中)，這就意味著在8.5 in(1 in=25.4 mm)井眼中還有15%的信息無法被采集。因此，開展提高電成像儀器覆蓋率的研究非常必要。

本文旨在介紹最新研制的一種適用于6.5～21 in井眼的電成像測井裝備——高覆蓋率推靠器的研制方法。

1 測量原理

電成像測井是一種井壁電成像測井技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)以傾角測井技術(shù)為基礎(chǔ)，基于電法測井的基本原理——“歐姆定律”發(fā)展而來[1-2]。電成像測井儀由絕緣節(jié)、電路節(jié)以及推靠器3個(gè)部分組成。推靠器上搭載有探頭(極板)，是直接獲取井壁信息的部分。

電成像測井儀的測量原理如圖1所示。測井作業(yè)時(shí)，推靠臂張開，使得極板以一定大小的力與井壁貼靠，電源會(huì)在極板、被測井壁以及回流電極之間形成變化的電流，如圖2所示。極板上搭載的電扣能夠?qū)诘貙舆M(jìn)行陣列掃描，從而采集得到沿井眼周向與縱向的地層電阻率信息[3]。通過軟件對(duì)電扣上電流采集和處理，可以生成彩色或灰度等級(jí)的二維視電阻率圖像，淺色代表高電阻率，深色代表低電阻率[4]。

圖1 電成像測井儀測量原理圖

圖2 電成像測井儀測量電流路徑圖

2 推靠器機(jī)械設(shè)計(jì)

2.1 主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1.1 主體外型結(jié)構(gòu)

高覆蓋率推靠器為十二臂推靠結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 高覆蓋率推靠器外型結(jié)構(gòu)

由于所適應(yīng)井眼大小的局限，12組推靠臂無法實(shí)現(xiàn)圓周均布，因此將12組推靠臂設(shè)計(jì)成上下兩排，每排有6組推靠臂的陣列形式。其中，上排與下排推靠臂之間進(jìn)行“插空”布置，同排間相鄰兩組推靠臂間夾角為60°；上下排間相鄰兩個(gè)推靠臂間夾角為30°，如圖4所示。

圖4 同排間及上下排間相鄰?fù)瓶勘畚恢酶┮暿疽鈭D

2.1.2 工作原理

如圖5所示，推靠器由直流電機(jī)、扭矩限制器、聯(lián)軸器、超越離合器、滾珠絲杠以及分動(dòng)式推靠機(jī)構(gòu)等部分組成。在推靠器內(nèi)，除了各組推靠臂各搭載有一個(gè)井徑電位器外，還安裝有一只行程電位器，用來檢測推靠臂開合時(shí)極板上的壓力，以監(jiān)控推靠臂的開合情況，同時(shí)也可以通過該數(shù)據(jù)來調(diào)節(jié)推靠力的大小，從而獲得所需的清晰圖像[5]。

圖5 高覆蓋率推靠器工作原理圖

在接通直流電源后，電機(jī)正轉(zhuǎn)，扭矩通過聯(lián)軸器、扭矩限制器、傳動(dòng)軸、滾珠絲杠，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)檩S向直線運(yùn)動(dòng)，動(dòng)力盤壓縮彈簧總成，推動(dòng)推靠臂向外打開從而使得極板貼靠井壁。反之，電機(jī)反轉(zhuǎn)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)反向運(yùn)動(dòng)，動(dòng)力盤通過彈簧總成將推靠臂收回。超越離合器控制電機(jī)與滾珠絲杠的接合與脫開，以防止過大的外力損壞電機(jī)。

由于井徑電位器、推力電位器以及軸承等部件需要浸在油液中才可以正常工作，推靠器中設(shè)計(jì)有用于調(diào)節(jié)儀器內(nèi)部與外部之間壓力的平衡部分，置于推靠器的下端。

2.2 分動(dòng)式推靠機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算

2.2.1 分動(dòng)式推靠機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析

高覆蓋率推靠器采用分動(dòng)式推靠機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)形式要求每組運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)都能獨(dú)立進(jìn)行動(dòng)作，并保證各推靠臂能隨井徑的變化而開合[6]。其桿系工作原理如圖6所示。主臂為主動(dòng)件，副臂為從動(dòng)件，極板為連桿，該結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個(gè)雙曲柄機(jī)構(gòu)。由于連桿(極板)與基體上的機(jī)架長度相同，其與基體部分組成只有一個(gè)自由度的平行四邊形機(jī)構(gòu)，這個(gè)機(jī)構(gòu)使得在測井作業(yè)中極板能夠與井壁有效貼合[5]。除平行四邊形機(jī)構(gòu)外，在該結(jié)構(gòu)中頂桿、短連桿和OA桿三者構(gòu)成了一個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。這兩組機(jī)構(gòu)的共同作用使推靠臂得以張開和收攏。

圖6 桿系機(jī)構(gòu)工作簡圖

上排推靠機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖7所示，由上推力桿、上推力連接桿、上排主臂、上排副臂、上推力大彈簧、上推力小彈簧以及極板組成。上推力桿上裝有上推力大彈簧和上推力小彈簧。彈簧與傳動(dòng)部分的動(dòng)力盤相接觸，動(dòng)力盤通過壓縮提供主動(dòng)力的上推力大彈簧將運(yùn)動(dòng)傳遞至上推力桿，再通過上推力連接桿傳遞至上排主臂，從而實(shí)現(xiàn)上排推靠臂的開合動(dòng)作。其中，上推力小彈簧為運(yùn)動(dòng)的啟動(dòng)和停止起緩沖作用。

圖7 上排推靠機(jī)構(gòu)示意圖

下排推靠機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與上排推靠機(jī)構(gòu)相類似，如圖8所示。其由下推力桿、下推力連接桿、下排主臂、下排副臂、下推力大彈簧、下推力小彈簧以及極板組成，推靠臂開合運(yùn)動(dòng)原理與上排推靠機(jī)構(gòu)相同。

圖8 下排推靠機(jī)構(gòu)示意圖

由于下推力桿的總長度超過1 m，過長的桿體使其與基體配合時(shí)的同軸度難以得到保證，因此該部分采用了三段式的設(shè)計(jì)。如圖9所示，下推力桿由下推力桿上部、下推力桿中部和下推力桿下部組成，三部分依次相連。此外，下推力桿中部與下推力桿上部的連接端設(shè)計(jì)有一個(gè)凸臺(tái)，在與基體配合的過程中可以起到限位的作用。

圖9 下排推力桿示意圖

2.2.2 彈簧的選擇與計(jì)算

分動(dòng)式推靠機(jī)構(gòu)需要每組機(jī)構(gòu)都能分別進(jìn)行精確運(yùn)動(dòng)，選擇合理的彈簧是每個(gè)運(yùn)動(dòng)臂能夠靈活開合的根本[7]。高覆蓋率推靠器較常規(guī)推靠器增加了6組推靠臂，儀器的總長有所增加，現(xiàn)場作業(yè)時(shí)過長的儀器在運(yùn)輸、裝接時(shí)會(huì)引起諸多不便。使用一個(gè)暴露在泥漿中可以正常工作的彈簧代替原先需要置于油中的碟簧，能夠很大程度減少平衡油液的使用量，使得平衡部分的尺寸得以大幅縮短。因此，具有特性線成線性、剛度穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、制造方便等特點(diǎn)的圓形截面圓柱螺旋壓縮彈簧[8]是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

經(jīng)過試驗(yàn)和對(duì)比，彈簧的材料選取一種無磁的鎳鈷鉻鉬合金，常用于制造高精密彈簧的材料——MP35N。這種材料具有超高的抗拉強(qiáng)度、良好的延展性、韌性以及抗腐蝕性。此外，它還具有極好的耐硫化、耐高溫氧化、耐氫脆、耐鹽溶液(包括海水)和大多數(shù)無機(jī)酸腐蝕的性能[9]。使用該材料制造的彈簧能夠在水基、油基泥漿等推靠器所處的各種極限工況下正常工作。

彈簧外形如圖10所示。

圖10 彈簧外形示意圖

根據(jù)推靠力和儀器內(nèi)徑可對(duì)彈簧的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。胡克的彈性定律指出：在彈性限度內(nèi)，彈簧的彈力F和彈簧的長度x成正比，即

F=-kx

(1)

壓縮彈簧的設(shè)計(jì)，除彈簧的外形尺寸外，還需要計(jì)算出最大負(fù)荷及變位尺寸的負(fù)荷，也就是需要計(jì)算出彈簧常數(shù)k，即

k=(G×d4)/(8×Dm3×Nc)

(2)

式(2)中，G為材料的切變模量(MP35N的切變模量為78.5 kN/mm2)；d為線徑；Do為外徑(O.D.)；Di為內(nèi)徑(I.D.)；Dm為中徑(M.D.=Do-d)；Nc為有效圈數(shù)。

根據(jù)儀器內(nèi)部空間以及力學(xué)要求，設(shè)計(jì)彈簧線徑為5 mm，中徑為19.2 mm，有效圈數(shù)為40圈。由(2)式計(jì)算的彈簧剛度k=31.715 N/mm。

2.2.3 推靠機(jī)構(gòu)受力情況及力學(xué)計(jì)算

推靠機(jī)構(gòu)桿系受力情況如圖11所示。

圖11 桿系受力情況示意圖

設(shè)彈簧在推靠臂完全收起時(shí)的預(yù)壓縮量為x1，動(dòng)力盤的運(yùn)動(dòng)距離為S，推力桿著力點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)距離為S1。那么，推靠臂從收起到張開的過程中彈簧的變形量為：

Δx=S-S1

(3)

此時(shí)，彈簧的總變形量為：

x=x1+Δx

(4)

在推靠臂為α角時(shí)有一個(gè)xmin，當(dāng)推靠臂完全收起時(shí),α=0°

xmax=xmin+S1

(5)

根據(jù)式(1)可計(jì)算出彈簧在變形量最大時(shí)的彈簧力Fmax。根據(jù)儀器指標(biāo)中對(duì)推靠臂張開的最大尺寸的要求，可計(jì)算出彈簧變形量最小時(shí)的彈簧力Fmin。

由圖11的桿系受力情況可知，桿系參數(shù)α+β，αmax及FA(FA=F彈簧力)，設(shè)lOB∶lOA=c，則極板力為：

(6)

根據(jù)式(2)計(jì)算的彈簧剛度k=31.715 N/mm，儀器開腿時(shí)，彈簧預(yù)壓縮量為41.5 mm，根據(jù)式(1)可得，F(xiàn)彈簧力=1 316.18 N。

圖12為推靠器開腿至8.5 in井徑時(shí)的位置情況。此時(shí),α=6°，β=105°，lOB=306 mm，lOA=29.5 mm，根據(jù)式(6)可得，極板力FT=121.88 N。

圖12 8.5 in井眼中推靠臂位置情況

在開腿至井眼大小后，彈簧還設(shè)計(jì)有3.5 mm的加力行程，此時(shí)彈簧的壓縮量最大可為45 mm。此時(shí)，根據(jù)式(1)可得，F(xiàn)彈簧力=1 427.18 N。再次根據(jù)式(6)可得，極板力FT=132.16 N。

可見，極板力可在121.88～132.16 N之間進(jìn)行調(diào)整，從而根據(jù)實(shí)際情況來調(diào)整極板與井壁之間的貼靠效果。

2.2.4 覆蓋率的計(jì)算

推靠器的覆蓋率是根據(jù)推靠器極板上搭載的電極數(shù)來計(jì)算的。電極外形如圖13所示，電極尺寸見圖14。每個(gè)測量電極上有25個(gè)小的電扣，最左側(cè)電扣和最右側(cè)電扣絕緣層外側(cè)間的夾角n為35.74°，曲率半徑r為4.25 in。

圖13 測量電極

弧長公式為：

l=n/180πr

(7)

由式(7)可得，每塊極板在8.5 in井眼中所能夠覆蓋的弧長范圍為2.65 in。

周長公式為：

圖14 電極尺寸

L=πD

(8)

由式(8)可得，8.5 in井周周長為26.69 in。

覆蓋率的計(jì)算公式為：

單個(gè)極板覆蓋的弧長范圍(l)×極板個(gè)數(shù)/井周周長(L)×100%

(9)

由式(9)可得， 12個(gè)極板在8.5 in井眼中覆蓋率為119.2%，大于100%

至此可知，本文中所述高覆蓋率推靠器可以在8.5 in井眼中達(dá)到全井眼覆蓋。

同樣，根據(jù)式(7)～(9)可計(jì)算出，該高覆蓋率推靠器在12.25 in井眼中覆蓋率達(dá)到89.4%。

2.3 平衡部分結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

平衡部分如圖15所示，其置于推靠器下部，用于維持推靠器內(nèi)外壓力平衡，由活塞桿、活塞、彈簧、下部轉(zhuǎn)接頭以及溢流閥組成?；钊麠U與推靠器基體的中心管相連，管內(nèi)的油液能夠通過活塞桿上的開孔進(jìn)行流動(dòng)?；钊獠坑心酀{壓力時(shí)，泥漿推動(dòng)活塞上移，直至壓力平衡；推靠器內(nèi)部油液在高溫下膨脹時(shí)，管內(nèi)油液通過活塞桿上的開孔進(jìn)入活塞上方，推動(dòng)活塞下移，直至壓力平衡。

圖15 平衡部分示意圖

3 結(jié)束語

本文所述高覆蓋率推靠器采用由平行四邊形機(jī)構(gòu)和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)共同組成的推靠式分動(dòng)機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)中使用MP35N制成的圓柱螺旋彈簧在保證可靠傳動(dòng)和適宜極板力的同時(shí)，有效地控制了儀器的長度。

該高覆蓋率推靠器在8.5 in的井眼中可實(shí)現(xiàn)100%的覆蓋，在12.25 in井眼中的覆蓋率接近90%，能夠很大程度獲取詳盡真實(shí)的地層信息，可提供精細(xì)的、有針對(duì)性的測井?dāng)?shù)據(jù)，從而提高國產(chǎn)電成像儀器在高端測井服務(wù)市場的競爭力。