一種基于液壓平衡的油基泥漿電成像極板的設計

任燕敏 柏 強 劉 磊 劉春瑩 朱鳳芹

（1.中石化經緯有限公司勝利測井公司，山東 東營 257096；2.濰柴雷沃重工股份有限公司，山東 濰坊 261206）

測井儀器工作在數千米的地下，處于高溫、高壓環境，儀器一直浸泡在各種腐蝕性介質中。同時，在測井過程中還伴有不同程度的振動，工況十分惡劣，因此對儀器的機械性能要求很高。液壓系統因其質量輕，以及可以無級調速，節省設計空間等優點，已應用于多種測井儀器中。其主要應用方式有兩種：一種是液壓平衡系統，另一種是液壓驅動系統。而本次設計的油基泥漿電成像極板，采取的是液壓平衡方式。在儀器限定外形尺寸的前提下，合理進行機械結構排布設計，滿足儀器技術指標要求。

1 油基泥漿電成像極板的應用背景

1.1 極板工作原理

常規測井時，在井下普通泥漿中，微電阻率掃面測井儀通過傳導電流將泥漿、地層和儀器聯通起來，形成回路，繼而測量所需參數。但是油基泥漿不導電，導致此回路被破壞。因此，在這樣的環境中，需要將極板和導電地層作為電容器兩極，給其加高頻交變電流，使電流能越過不導電的油基泥漿層流動，形成回路[1]。因此，油基泥漿電成像極板在儀器測量中占據非常重要的地位。

1.2 極板設計要求

測井儀器的工作環境多高溫高壓且伴有介質腐蝕，此次極板在設計時要求滿足耐溫170℃，耐壓140MPa。同時，滿足在8寸井眼中測量范圍不小于80%的要求，極板的外形尺寸也受到了限制。為了在有限的空間內實現極板功能，最終決定采取液壓平衡的方式來實現極板的耐壓系統。

2 液壓平衡系統的設計

2.1 液壓平衡系統總體設計方案

通過多方計算，得到液壓平衡系統極板結構如下圖1所示。

圖1 油基泥漿電成像極板

2.1.1 確定極板外形尺寸

為滿足井眼測量覆蓋率，儀器整體采取兩組共八個極板的排布方式，同一個平面排布四個極板（如圖2所示）。

圖2 一組極板排布

2.1.2 設計液壓平衡系統

在得到電路板尺寸后，首先確定了極板腔體的尺寸。鑒于電路板尺寸給極板留下的密封空間很小，普通結構耐壓達不到140MPa的要求，因此采用液壓平衡[2]。在極板前端的主體上，做了四組液壓平衡活塞（如圖3所示）。1是平衡活塞，數量為二，在極板對稱位置還有一個。2是注油處活塞，3是排氣處活塞，4是液壓平衡腔體。

圖3 極板活塞示意圖

2.1.3 排布極板電極

極板電極平面布局如圖4所示。極板中間為紐扣電極陣列，紐扣電極外圍是一圈屏蔽電極，極板兩側為兩個回流電極。

圖4 極板電極排布

此次電極排布的難點在于中間紐扣電極的排列，因為極板表面是圓弧形，紐扣電極數量較多，且要求每個電極的底端都要連接到腔體內的線路板上，因此給設計帶來了很大的困難。經過多次嘗試，將21個紐扣電極分成兩列，且交叉均勻排布，同時采取不同弧度不同打孔深度的方式，實現了紐扣電極的無干擾排布[3]。（如圖5所示）

圖5 紐扣電極排布

2.2 液壓平衡裝置零部件的選用

極板主體本著高強度且耐腐蝕的原則，選用了測井儀器常用的0Cr17Ni4Cu4Nb/17-4PH（沉淀硬化不銹鋼）。而極板電極主體部分，要求采用絕緣材料，考慮到耐溫性能及加工工藝，選用了聚醚醚酮PEEK。極板主體與電極主體之間采用高強度螺釘連接，密封方式用耐高溫的氟橡膠密封圈，增加了系統的可靠性。

2.3 機械部件加工精度要求

液壓系統在應用過程中，活塞的運動流暢度至關重要，這就對活塞及活塞筒的加工工藝提出了很高的要求，我們在設計的時候，要求表面粗糙度不低于0.6，以保證活塞運動順暢。另外，紐扣電極孔為階梯孔，且最大孔徑2mm，最小孔徑1mm，對同軸度要求不超過0.01。

3 液壓平衡電成像極板的可靠性保障

3.1 組裝之前務必對液壓腔進行清洗

液壓系統在正式使用之前都要經過清洗，清洗的目的主要是清除殘留在系統內的塵土、金屬屑等污染物：（1）用電子清洗劑清洗液壓腔，再用帶壓空氣清除清洗劑殘余；（2）清洗四組活塞，并徹底晾干后再裝配；（3）檢查所有活塞是否運行流暢，活塞卡簧是否安裝到位。

3.2 定期維護保養

井下工作環境惡劣，極板使用一段時間后，由于密封圈形變，或者活塞受腐蝕老化，極易出現漏油現象，因此，要求在工作3口井后，要對密封圈進行及時的更換，并且定期檢查活塞受損情況。液壓油是平衡系統的關鍵，在使用過程中，要定期更換，并且對液壓腔進行清洗過濾[4]。每次更換液壓油，要對液壓腔整體進行幾次抽真空操作，減少系統內部的空氣殘留，保障液壓系統的穩定性。

4 結論

隨著石油勘探開發的快速發展，測井儀器也在隨之更新換代。在機械結構中，液壓系統作為相對精密的裝置，需要設計人員有足夠的相關經驗，同時要求維修保養人員按照規程進行操作，這樣才可以保證液壓系統在高溫高壓環境下的穩定性和安全性。