一種中子測井儀偏心弓測試裝置研制

呂煥軍，黃 宇，燕歡慶

（中海油田服務股份有限公司油田技術事業部，廣東 湛江 524057）

0 引言

補償中子測井是最通用的確定地層孔隙度的石油測井技術，測井儀器緊貼井壁，減少了井的影響[1]。儀器偏心狀態與井壁的貼合程度，直接影響測井曲線的質量及與之相關的解釋結果、油氣劃分的準確度。中子偏心弓合適的貼合力，既能夠讓儀器測井更精確，又能夠避免儀器遇卡，因此中子偏心弓的貼合力測量尤為重要[2]。我們設計了一種測試偏心弓偏心力的裝置，既能準確測量偏心力，又能安全高效完成測量。

目前使用的裸眼測井中子偏心弓測力裝置為一個手持測力計，測試偏心弓時需要3 個人配合壓偏心弓，1 人扶住偏心弓，還需要1 人拿鋼板尺讀取偏心弓尺寸及力的大小[3]。

該方法存在如下幾個問題：

（1）壓力計頭部是尖的容易滑落，偏心弓彈出容易傷人，存在安全隱患。

（2）手壓偏心弓需要多人配合，還要測量臂的位置，而且穩定性較差，測量存在較大誤差。

（3）目前的手持壓力計調零旋鈕很容易碰到，造成測量不準確。

（4）手持指針必須在按壓時動態讀數，也是造成誤差的原因之一。

（5）整個測量需要5 人配合完成，非常不方便。

為了解決以上問題，我們研究制作了一個偏心弓測力裝置，便捷、快速、準確地測量偏心弓的偏心力。

1 初步設計方案

1.1 初步設計

設計方案總體設計遵循以下原則：

（1）所用設備成熟可靠：所設計的裝置配件，盡量選用現實中應用普遍的配件，底座設計需要堅固耐用。偏心弓的壓縮裝置需要有足夠的強度，穩定可控。

（2）測量精準、測量過程快捷：測量部分需選用精確度高的探頭，顯示模塊需保證顯示清晰易讀取，測量精度高。

（3）安全系數高：受力部件設計需要保留足夠的余量，確保安全性。

經過論證設計總體方案分成3 個部分組成，分別為測量底座、偏心弓壓縮機構、偏心弓彈力測量模塊。

1.2 中子偏心弓測試裝置的細化設計

整個測量裝置分為測量裝置底座、偏心弓壓縮機構、偏心弓彈力測量模塊。各個模塊的細化設計如圖1 所示。

1.2.1 測量裝置底座

測量裝置底座是所有部件的承載平臺，底座設計的優劣決定了整個裝置的結構合理性。底座的設計方案有不銹鋼和鋁合金方管底座兩種，鋁合金方管底座的設計如圖2 所示。

圖2 鋁合金方管底座

對比兩種設計方案，不銹鋼底座重量相對較重，成本也較高，兩個方案的可靠度都較高。綜合比較成本、重量等方面分析，鋁合金方管底座為優選方案。

1.2.2 偏心弓壓縮機構

偏心弓壓縮機構有電動絲杠和手搖絲杠兩種設計方案，其中手搖絲杠方案如圖3 所示。

圖3 手搖絲杠壓縮機構

綜合比較兩種方案，電動絲杠由于電動控制需要設計控制單元，設計相對復雜，成本較高，手搖絲杠具有結構簡單、成本低、輕便等優點，偏心弓壓縮單元優選手搖絲杠。

1.2.3 偏心弓測量模塊

壓力測量單元有壓力傳感器和數顯表組合及指針式傳感器一體測量儀。兩種方案中數顯表和傳感器組合具有精度高，讀數直觀，每次啟動自動清零的特點。而指針式的拉壓力傳感器則讀數精度不高，需要手動歸零，誤觸表盤就會造成讀數不準。

1.3 確定最佳方案

（1）底座材質選擇，鋁的密度為2.7 g/cm3，不銹鋼的密度在7.7 ～8.0 g/cm3之間，相同的體積不銹鋼的重量是鋁的3 倍，從設備的強度和便攜性上考慮，我們選用鋁方管材質的底座。

（2）偏心弓壓縮機構電動壓縮絲杠會增加設備的復雜程度，且含有電動機構增加了操作的復雜程度。所以手搖絲杠是最經濟、簡易、可靠的選擇。

（3）機械表盤式和傳感器數字化顯示壓力值方案中，數字化測量顯示具備高精度、高速直觀顯示優勢是此方案的不二選擇。

所以綜合最佳方案是鋁方管底座與手搖輪絲杠和數字化測量顯示為最佳組合方案。

2 測試設備細化設計

2.1 壓力測量單元設計

按照設計的最終方案，采用的是壓力傳感器。壓力測量采用的惠斯通電橋電路，惠斯通電橋是一種測量電阻或電容的電路，其原理是通過四個電阻分壓運算的方式，將微小的測量物理量轉化為電信號輸出，從而達到測量目的。它使用方便，靈敏度高且結構簡單.隨著科學技術的發展，惠斯通電橋也被廣泛地應用于實際生活中，可以更準確地測量楊氏模量，獲得精確度更高的稱重傳感器[4]。在壓力傳感器中，通過將惠斯通電橋的電阻片制作成彈性變形的結構形式，當受到外界的壓力變化時，電橋電阻發生微小的變化，產生微弱的電信號輸出，從而實現對壓力的準確測量，其原理如圖4 所示。

圖4 壓力探頭電路原理

圖5 新型偏心弓測試工具應用

惠斯通電橋的輸出信號輸入儀表放大器放大，增益放大級之后進行低通濾波器。采集的信號輸入A/D轉換電路進行A/D 轉換，最后在LED 數碼管進行測量值顯示。

2.2 偏心弓的壓縮單元及底座結構的細化設計

滾動精密螺母螺桿的嚙合間隙趨近于零，在往復直線運動換向時消除了空行程，全部為滾動接觸使摩擦阻力更小，有效消除了往復間隙，提高了運動定位精度和效率。與現有技術相比，該螺母加工簡便，具有易于調整和維護特點，降低了能耗，成本[5]。偏心弓壓縮單元采用滾珠絲杠進行壓縮，滾珠絲桿機構的工作原理與螺母和螺桿之間的傳動原理基本相同。當絲桿能夠轉動而螺母不能轉動時，轉動絲桿，由于螺母及負載滑塊與導向部件（如直線導軌、直線軸承）連接在一起，所以螺母的轉動自由度就被限制了，這樣螺母及與其連接在一起的負載滑塊只能在導向部件作用下作直線運動。當改變軸的轉向時，絲桿的轉動方向也同時發生改變，螺母及負載滑塊將進行反方向的直線運動，所以負載滑塊能進行往返直線運動。由于手搖輪可以在需要的位置啟動或停止，所以很容易實現負載滑塊的啟動或停止，停止位置的精度很準確。

2.3 測試裝置底座設計與整體組裝測試

為保證最終制作的工具輕便，底座采用鋁方管結構。絲杠壓縮機構、壓力測量裝置、壓力顯示裝置等在底座相應位置固定。經過組裝與調試，測試裝置工作正常，此裝置既能很穩定、安全壓縮偏心弓，又能精確顯示偏心弓的偏心力，實驗效果達到了設計的要求。

3 偏心弓測試裝置的效果檢驗

3.1 使用統計

制作出測試工具后，經過近1 年的使用，已經完成32 次測量。通過對比測量的精確度、安全性、時效性均達到預期目標。

新的測試工具制作后，與原來的舊工具進行了對比測量，對比測量數據見表1。

表1 新舊工具的時效性對比

3.2 新測試裝置的效果提升

新的偏心弓測試裝置經過實際使用檢驗。與之前的測試裝置對比，舊工具平均每次測量時效為62.5人/分鐘，新工具的平均測量時效性為2.2 人/分鐘，時效性提高了96.48%。新測量設備不僅減小了測量誤差，且消除了之前測試偏心弓存在的偏心弓彈出傷人風險。在時效性、準確性、安全性方面均有全面的提升。

4 結語

新型中子偏心弓測試裝置應用1 年多，不僅測試更高效，測量也更精準，還更安全。以前5 個人15 分鐘才能完成的工作，現在只需一個人3 分鐘即可完成。該裝置的使用從根本上消除了人力按壓偏心弓的彈出傷人風險，提升了本質安全。此裝置現場應用效果良好，自2021 年初廣泛使用后，獲得現場作業人員一致好評。該新型中子偏心弓測試裝置具有很強的推廣性，后續計劃向國內其他作業公司進行推廣，全面提高中子偏心弓測試工作時效性和準確性，保證測試工作的安全性。