石油鉆井用井下儀器的抗震性設計綜述

安立恒

摘 要 鉆井用井下儀器在工作時不僅要實現其作業功能還要承受巨大的振動和沖擊，這就要求儀器整體都要具備抗震性，這樣才能保障作業的成功率和作業的安全性。

關鍵詞 石油鉆井;井下儀器;抗震

在整個鉆井和隨鉆測量的過程中，由于鉆頭實時在沖擊地層，所以會給井下鉆測儀器帶來巨大且不規則的振動和沖擊。井下儀器在工作過程中要承受這些振動和沖擊就應具備合理的抗震結構設計和合理的抗震裝配工藝。下面我就闡述下這些抗震選材、抗震結構設計和抗震裝配工藝。

1 儀器的選材

（1）儀器鉆鋌的選材：根據儀器井下作業的振級和環境工況，鉆鋌本體應選擇高強度、高韌性、高耐腐蝕性、非磁性、良好的高溫性，加工性、焊接性的金屬材料，例如Inconel 718或10NiCrMoTiB1515都是不錯的選擇[1]。

（2）電子元器件的選擇：為了增加整體電路的抗震性，電子元器件需要選擇抗震性能優良的，元器件的防振規格要滿足振動加速度不小于8g。

2 儀器結構的抗震設計和裝配工藝

（1）儀器鉆鋌和儀器骨架的裝配固定方式

首先在儀器骨架的兩端位置使用鎖緊漲緊機構把儀器骨架牢固的固定在儀器鉆鋌的內壁，其次在儀器骨架的中軸方向均布扶正環和扶正密封圈來避免巨大的沖擊和振動。

（2）儀器鉆鋌連接處螺紋的表面特種工藝和裝配工藝

①為了增加螺紋表面的強度可以采用噴丸工藝;②鉆鋌連接處的螺紋必須施加扭矩，根據儀器的材質和螺紋的大小確定施加扭矩的大小;在公螺紋與儀器骨架之間安裝阻尼墊片，最佳的阻尼墊片為尼龍材質。③為了防止螺紋表面發生裂紋的風險，在安裝在之前需在螺紋表面均勻地涂抹銅基絲扣油。

（3）配件與鉆鋌的連接方式設計

①配件與鉆鋌的最佳連接方式為螺紋連接。螺紋需做噴丸或鍍銅處理。②對于不宜使用螺紋連接的配件，需要設置固定附件、限位卡簧、波紋彈簧為組合的方式進行連接。③執行機構之間最佳連接方式為彈性聯軸器連接，例如泵和馬達的連接、電機和泵的連接、馬達與減速機的連接等。

（4）儀器固定螺釘材質的選擇和裝配工藝

①儀器表面的固定螺釘及儀器內部的關鍵部位的固定螺釘需選擇強度等級為A4-100或以上的防銹螺釘。②鉆鋌表面的固定螺釘在安裝時需涂抹高強度螺紋膠。③螺釘需要根據強度等級施加扭矩。④螺釘需要加裝防松墊圈。

（5）儀器內部密封處的抗震設計

①儀器內部密封方式以密封圈密封方式為最佳選擇，如果密封處尺寸空間足夠建議使用雙密封圈結構并且密封圈直徑不小于3毫米。②為了達到更好的抗震效果，可以在密封處加裝擋圈，PEEK材質為擋圈的最佳材質。③密封處在安裝時需在密封圈表面均勻涂抹硅脂。

（6）儀器電路固定方式的抗震性設計及裝配工藝

①為了提高電路的抗震性，電路板需進行灌膠處理，且膠塊的四周需做成網格狀。②電路板與電子元器件需進行可靠的焊接，焊接標準應符合 IPC J-STD-001E標準規范。③若電路板安裝處的空間尺寸足夠，可設計一層金屬護套來避免電路板的與儀器本體的相對運動。④電路插接件連接時一定要用螺釘和彈性墊圈的組合固定，且在螺釘的螺紋均與的涂抹絕緣緊固劑，在螺釘擰緊之后還需在螺帽處涂抹室溫硫化硅橡膠來提高其連接處的抗震效果。⑤對于不滿足灌膠工藝處理的電路板，需在連接螺釘處加裝抗震墊，抗震墊的材質最佳選擇為硅膠。⑥電路的連接線相對于儀器本體要進行可靠的固定，需使用高溫膠帶和EVA膠帶的組合將導向固定在儀器的本體上，且在線束的接頭處要使用扎線繩將線束本身捆綁，來提高其抗震能力。⑦液壓閉環系統內部的線束需使用銅絲和本體進行捆扎。⑧對于不具備使用螺釘、綁線及室溫硫化硅等固定的線路及接頭處，需在其密封腔內注滿硅脂來提高其抗震性。

（7）儀器本體軸承處的抗震性設計

①對于相對本體轉動的部位，需要使用耐磨軸承，其中研磨部位的金屬材料同樣要求滿足振動加速度等級不小于8g。②軸承本體設計以分體設計為最佳，能起到應力釋放的效果讓耐磨軸承更好的承受井下振動沖擊，延長其使用壽命。③為防止研磨部位金屬在振動條件下脫落，需采用硬質合金燒結技術來提高軸承本體的抗震性。④在軸承本體連接尺寸空間允許的情況下，可加裝扶正密封圈來增加其抗震性。⑤可選擇尺寸過盈配合、定位銷和熱裝形式的組合來實現軸承與儀器本體的連接，也可選擇螺紋形式與本體進行連接。⑥軸承自身若采用分體設計，可采用尺寸過盈配合、定位銷和熱裝形式的組合作為連接方式。⑦若軸承與本體之間采用螺紋方式連接，需根據螺紋的尺寸施加合理的扭矩，以及加裝波紋彈簧來減少井下振動對軸承產生的振動沖擊。

（8）儀器本體銷軸固定處的抗震性設計

①在儀器本體和配件連接方式不能選擇螺紋連接或者過盈配合熱裝連接的方法時，可選擇銷軸的固定連接的方式。②銷軸本體材質需選擇高耐腐性、高強度、高韌性的金屬材料，可選用TC4、Inconel 718或10NiCrMoTiB1515材料。③銷軸與儀器本體接觸表面，應加裝銅材質保護套，并留有潤滑脂孔，最佳的潤滑脂為銅基潤滑脂，用此減少銷軸收到的振動沖擊。④銷軸的兩端應加裝孔用卡簧，防止銷軸受振動沖擊產生的軸向竄動。

（9）儀器鉆鋌表面的金屬密封堵頭的抗震性設計

這些金屬密封堵頭與儀器本體的連接方式以螺紋連接為最佳，并設置雙密封圈槽，增大其抗震性，在堵頭安裝時需要在螺紋處均與涂抹螺紋緊固劑，密封圈處均與涂抹硅脂，擰緊時施加扭矩，并在最外側安裝孔用卡簧[2]。

3 結束語

對鉆井用井下儀器進行抗震性設計是非常必要的，它是安全生產和儀器可靠性的前提條件。希望這些設計對行業內的技術人員有指導性的意義。

參考文獻

[1] 葛亮，胡澤，陳平.井下工程參數隨鉆測試系統設計[J].傳感器與微系統，2013，（8）：105-107

[2] 李迅科，周建良，李嗣貴，等.深水表層鉆井動態壓井裝置的研制與應用試驗[J].中國海上油氣，2013，（6）：70-74，81.