石油测井仪器的耐高压设计.doc

(中国电子科技集团第二十二研究所 河南 新乡)摘要 : 文章阐述了在高温高压作用下测井仪器的耐高压设计方法及原理 ,定量分析了硅油在高温和高压综合作用下的体积变化量 ,为压力平衡设计提供了依据 ;通过对活塞式 、波纹管式和胶囊式三种压力平衡测井设计方法进行分析对比 ,总结了三种平衡方法的优缺点 。关 键 词 : 压力平衡 ; 胶囊 ; 活塞 ; 波纹管中图法分类号 : p631 . 8文献标识码 : b文章编号 : 100429134 (2009) 0220012203当油在高温高压作用下体积发生改变时 ,仪器内部的油腔空间也应随之增大或减小 ,从而使仪器内外压力 保持平衡 ,达到压力补偿的作用 。下面 ,以 201 # 甲基硅油为例分析油在高温高压 作用下的体积变化量 。1 . 1压力影响仪器在测井过程中 ,油液随着压力增大 ,体积会减 小 。假设油液所受压力为 p , 体积 为 v , 当 压 力 升 高 p , 油液的体积就减少 v ,v 和p 关系为 :v = v p 1则体积减小的百分比 :引言0在油田勘探与开发过程中 ,测井是确定和评价油 、气层的重要手段之一 ,也是解决一系列地质问题的重 要手段 。它能直接为石油地质和工程技术人员提供各 项资料和数据 。根据需要 ,人们研制了各种测井仪器 ,如声波测井仪 、感应测井仪和地层倾角测井仪等等 ,以 及各种辅助测井短节 ,以获取各种地层的岩石物理参 数和工程技术参数 。这些测井仪器由于工作在高温 、 高压的恶劣环境下 ( 例如 ,井下深度至 7 000 m 时 ,温 度可达 175 , 压力达 140 mpa ) , 因此必须具有耐高温 、耐高压的性能 。现有的测井仪器大都采用耐高温 的元器件或材料来实现仪器的耐高温性能 ,也有用保 温瓶来实现仪器的耐温度性能 ;同时 ,测井仪器在井下 要承受高压 ,为了避免仪器因高压而损坏 ,在测井仪器 强度不够的地方 ,就需要耐高压设计 。在选用强度高的材料仍不能满足要求的情况下 ,保持仪器的内外压 力平衡是防止仪器被压坏的有效方法 。目前 ,平衡压 力的方法主要是在仪器内注硅油 ,通过保持仪器的内 外压力平衡来实现仪器的耐高压性能 。v= p 100 %(1)v式中 ,v 为 液 体 体 积 的 变 化 量 ; v 为 液 体 原 体积 ;为液体压缩率 ; p 为压力变化量 。对于 201 # 甲基硅油 , = ( 57) 10 - 4/ mpa 2 ,取 = 6 10 - 4/ mpa 。仪 器 在 井 下 最 大 压 力 为 140mpa ,井口压力为 0 . 1 mpa ,则仪器测井过程中油液的 最大压力差为 :p = 140 - 0 . 1 = 139 . 9 mpa ,代入上式 求得油液体积压缩率为 :v= p 100 %= 6 10 - 4 139 . 9 = 8 . 4 %在高温高压下硅油的体积变化1v由于硅油具有 : ( 1) 氧化稳定性 ; ( 2) 良好的润滑性 ; (3) 无腐蚀性 、对密封件/ 软管等无溶解及其他有害 影响 ; (4) 消泡性 ; ( 5) 不导电性和抗燃性等良好的性 质 ,而且在高温 、高压作用下体积变化不大 ,现有的测井仪器大都选用硅油作为实现内外压力平衡的介质 。1 . 2温度影响在测井过程中 ,随着井的深度增加 ,温度升高 ,液 体体积膨胀 ,密度减小 。设某温度下体积为 v , 温度升 高为 t 时 , 体积为 :第一作者简介 : 赵 昕 , 男 ,1963 年生 ,高级工程师 ,1984 年毕业于合肥工业大学 , 现在中国电子科技集团第二十二研究所第七研究部工作 ,主要从事石油仪器研发工作 。邮编 :453003v内壁的滑动摩擦是损伤密封圈的重要影响因素 。因此应尽量减小摩擦力 。可以如图 1 所示 ,在平衡活塞内 部设计一道润滑油路 ,为平衡活塞与芯轴间的密封圈= t 100 %(2)v式中 , v 为液体体 积 的 变 化 量 ; v 为 液 体 原 体积 ;为油液热膨胀系数 = ( 8 . 5 9) 10 - 4 1/ ; t为温度变化量 。设测井仪在常温 ( 25 ) 下内部油液体积为 v , 油 温升高到 175 时的内部油液体积增加 v , 对于 201# 甲 基 硅 油 , 取 油 液 热 膨 胀 系 数 为 = 8 . 75 10 - 41/ ,t = 150 , 则体积膨胀率为 :及密封面提供润滑 ,防止干磨擦损坏密封圈及密封面 。同时为了保证活塞与芯轴的同轴度 ,可以增大平衡活塞与芯轴接触面的轴向长度 ,保证平衡活塞轴向运动 的稳定性 ,防止其在装配或工作期间卡滞 。利用活塞 平衡来实现仪器内外压力平衡 ,可以有效抵抗腐蚀 ,但 是由于是活动件 ,因此容易漏油 ,或者工作期间卡滞 ,v拆装不太方便 。因此对零件加工提出了更高的要求 。= t- 4= 8 . 75 10150= 13 . 1 %v此外 ,在使用过程中 ,也要对仪器及时补充硅油 。此种平衡方式在下井仪器中较为常用 ,如液压推 靠器 、辅助测量探头和旋转短节等都是以活塞平衡来 保持仪器内外压力平衡3 。2 . 2波纹管压力平衡及补偿方法图 2 为波纹管压力平衡原理图 。波纹管组件由大 波纹管和小波纹管组成 ,两端通过小波纹管接头和大 波纹管接头固定在仪器上4 。在测井仪器下井的过程 中 ,随着地层温度和压力的变化 ,波纹管内的油液体积 将增大或减小 。计算得到仪器在 175 工作下 , 其内部硅油体积将增大 13 . 1 % 。1 . 3综合影响假设地层温度与地层压力梯度理想 ,井下仪器在 极限工作压力和温度下 ,仪器内部硅油体积的变化即 是由于温度升高膨胀的体积与由于压力增大压缩的体积之差 ,为 13 . 1 % - 8 . 4 % = 4 . 7 %。 至此可以得出结论 ,理想情况下 ,仪器在极限工作压 力 与 极 限 工 作 温 度 下 , 其 内 部 硅 油 体 积 将 增 大4 . 7 % 。测井仪在井下高温作用下 ,仪器内部的油液体 积将膨胀 13 . 1 % ; 在高压的作用下 , 仪器内部的油液体积将缩小 8 . 4 % ;在任何情况下 ,仪器内部的油液体 积将在 ( - 8 . 4 % ,13 . 1 %) 内变动 。压力平衡及补偿方法2图 2 波纹管压力平衡原理当内部油液体积增大时 ,由于波纹管有良好的弹 性 ,大波纹管长度将增加 ,体积增大 ,小波纹管长度缩 短 ,体积将减小 ,中间接头向左移动 ; 当内部油液体积 减小时 ,波纹管在外界压力及自身弹性的作用下 ,大波 纹管体积减小 , 小波纹管体积增大 , 中间接头向右移 动 。从而 ,使仪器内外压力保持平衡 ,达到压力补偿的 作用 。由于金属波纹管管壁很薄 ( 0 . 09 mm1 mm) ,其 腐蚀余量非常小 。在应力和腐蚀的共同作用下 ,即使 波纹管上有很小的腐蚀点 ,都可能造成裂纹 ,从而导致密封失效 。因此 ,选择金属波纹管的材质时候 ,应选用 强度高 、耐磨性能高 、耐腐蚀 、耐高温 、热膨胀系数小的 材料 ,如镍铬不锈钢 、镍铬钼合金 、高镍合金钢 。避免 密封过早失效 。此种压力平衡结构形式在声波测井仪 器中常使用 ,可有效减小直达波的影响 。2 . 3 胶囊压力平衡及补偿方法图 3 为胶囊压力平衡原理图 。胶囊的两端套在堵2 . 1活塞平衡原理及设计图 1 为活塞平衡原理图 。仪器测井过程中 ,仪器 内的油液随着井下温度和压力的变化 ,体积随之膨胀 或缩小 。当油液体积膨胀时 ,活塞被推动向右移动 ;当 平衡筒内压力过高 ,大于溢流阀开启压力时候 ,溢流阀 释放一部分油 ,直到小于开启压力 ;当油图 1 活塞平衡原理液体积缩小时 ,活塞在弹簧的作用下向左移动 ,从而使 仪器内外压力保持平衡 ,达到压力补偿的作用 。注意 活塞行程的空间体积要大于平衡筒内总油液缩小的体 积 ,使油液体积缩小时候 ,活塞有足够的压缩空间以保芯轴同心度不好 ,易卡滞 。(3) 波纹管式压力平衡方法能抵抗硫化氢腐蚀 ,同 时由于波纹管自身有伸缩功能 ,所以平衡能力较强 ,但 是管壁很薄 ,如果波纹管上有很小的腐蚀点 ,都可能造 成裂纹 。综上所述 ,在设计测井仪器时 ,应根据仪器的结构 形式和使用条件选择合适的压力平衡方法 。图 3 胶囊压力平衡原理胶囊压力平衡及补偿方法最为简单 ,而且易装配 , 维护和检修非常方便 。但因为材料为橡胶 ,所以在遇 到含 h2s 较多的井时 ,容易被腐蚀 ,需要经常更换 。但是随着技术的进步 ,现在多采用氟胶囊 ,提高抗腐蚀性 。因此 ,胶囊式平衡在石油仪器中还是很常见 的 。在每次下井前 ,应保证胶囊里面注满油 ,保证内外 压力平衡 。此种结构在测井仪器中最为常见 ,如马笼 头 、挠性短节和声波测井仪器等 。参 考 文 献徐灏 . 机 械 设 计 手 册 m .1992北 京 : 机 械 工 业 出 版 社 ,123梁智权 . 流体力学 m . 重庆 : 重庆大学出版社 , 2002中国电子科技集团第二十二研究所 . sdz - 3000 快速测 井平台维修手册 (结构篇) . 2003 (资料)曾振华. 用于高压的金属波纹管机械密 封 设 计 j . 机 械 ,2001 ,28 (5)4结束语通过对测井仪器最常用的三种压力平衡及补偿方4(收稿日期 :2008 - 09 - 18 编辑 : 姜 婷)(上接第 11 页)的耦合途径 ,三是对敏感的检测电路采取抗干扰措施 。 在本设计中采用屏蔽的方法来消除外界噪声的干扰 。综述 j . 石油仪器 . 2006 ,20 (5)高 晋 占 . 微 弱 信 号 检 测 m .2004北 京 : 清 华 大 学 出 版 社 ,2结束语稳定的电源电压及正确的接地方式是电路正常工 作的首要条件 。综合考虑上述措施 ,在实验室环境下 , 过套管电极间的电压差信号经超低噪声前置放大器的 输出后 ,信号的信噪比得到了很大提高 ,该输出信号经 后续的数字累加平均及数字相敏检波处理后 ,信号的 测量稳定度达到了纳伏级 ,满足了工程应用的要求 。5松井邦彦 ,邓 学. op 放大器应用技巧 100 例 m .京 :科学出版社 ,北京 ,2006北3刘 俊 , 张斌珍. 微弱信号检测技术 m . 北京 : 电子工业出版社 ,北京 ,20054(收稿日期 :2009 - 01 - 08 编辑 : 姜 婷)参 考 文 献吴银川 , 张家田 , 严正国. 过套管地层电阻率测井技术1ab 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 logging 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 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 hysical 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 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 obtain 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 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 measuring 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 logging 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 regulator . 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 inp 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 basis