石油测井仪器高温高压密封电连接设计.pdf

旦 d o i l O ． 3 9 6 9 ． is s n ． 1 0 0 8 - 0 8 1 3 ． 2 0 1 5 ． 0 5 ． 0 0 7 石油测井仪器高温高压密封电连接设计 林荣娜 ， 谢昱北 1 ． 莱芜职业技术 学院， 山东 莱芜2 7 1 1 0 0 ；2 ． 长城钻探测井技术研究 院， 北京1 0 2 2 0 6 摘 要 为了解决石油测井仪器耐高温高压电连接问题 ， 设计了承压接头连接仪器的探头短节和电子线路短节 ， 该承压接头提供了有 效的电连接通道 ， 承压接头主要由接头体构成 ， 对接头体进行了强度分析和试验测试 ， 结果满足要求。该设计已成功应用于感应测井 仪器和声波测井仪器。 关键词 测井仪器 ； 高温高压 ； 电连接 ； 承压接头 中图分类 号 T B 4 2 文献标 志码 A 文章 编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 5 0 5 0 0 1 9 0 3 S e a l e d El e c t r i c Co n ne c t i o n De s i g n o f P e t r o l e u m L o g g i n g I n s t r u me n t L I N Ro n g - n a ， XI E Y u b e f f 1 ． L a i wu Vo c a t i o n a l a n d T e c h n i c a l Co l l e g e ， L a i wu 2 7 1 l O 0 ， C h i n a ； 2 ． C NP C Gr e a t wa l l Dr i l l i n g C o mp a n y , We l l L o g g i n g T e c h n o l o g y R e s e a r c h I n s t i t u t e ， B e i j i n g 1 0 2 2 0 6 ， C h i n a Abs t r a c t I n o r d e r t o s o l v e t h e p r o b l e ms o f o i l we l l l o g g i n g i n s t ru me n t s o f h i g h t e mp e r a t u r e a n d h i g h p r e s s u r e r e s i s t a n t e l e c t r i c a l c o n n e c ‘ t i o n ， th e p r e s s ur e c o n n e c t o r wa s d e s i g n e d ． T h e p r e s s ure c o n n e c t o r c o n n e c t s t h e p r o b e p a r t a n d t h e e l e c t r o n i c c a r t r i d g e ， p r o v i d i n g a l l e f f e c t i v e e l e c t ric a l c o nn e c t i o n c h a n n e 1 ． T h e p r e s s u r e c o nn e c t o r ma i n l y c o n s i s t s o f the c o n n e c t o r b o d y ． S tre n g t h a n a l y s i s a n d e x p e r i me n t s we r e ma d e o n t h e p r e s s u r e c o n n e c t o r , a n d the r e s u l t s me e t t h e r e q u i r e me n t s ． Th e d e s i gn h a s b e e n a p p l i e d t o i n d u c t i o n l o g g i n g an d a c o u s t i c l o g g i ng i ns t r u m e nt s uc c e s s f ul l y Ke y wo r d s l o g g i n g i n s t r u m e n t ； h i g h t e mp e r a t u r e a n d h i g h p r e s s u r e ； e l e c t r i c c o n n e c t i o n ； p r e s s ur e c o nn e c t o r 0 前言 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n 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 ， 在井 下深度至 7 0 0 0 m时 ， 温 度可达 l 7 5 ℃， 压 力达 1 4 0 MP a 而必须具有耐 高温 、 耐 高压的性能嘲 。 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 的耐高温性能 ； 同时 ， 测井仪器 具体地为高温高压探 头段 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 。 收稿 日期 2 0 1 4 1 1 一 O 3 作者简介 林荣娜 1 9 7 8 一 ， 女 ， 山东荣成人， 讲师， 硕士， 主要研究方向 为产品创新设计和密封设计。 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 。 电子线路段对探头信号进行采集和传输 ， 内置有 电路板以对采集的信号进行处理 ， 其中电子线路段的 环境压力为 1 个大气压。为确保感应测井仪器在上述 高温高压环境下的可靠工作， 需要一种承压接头， 该承 压接头连接高温高压探头段和 电子线路常压段 ， 实现 高低压的隔离 。 1 密封电连接的整体设计 本部分根据感应钡 4 井仪 器 的特点给 出设计的要 点。如图 1 所示 ， 测井仪器一般由电子线路短节 1 ， 前 放短节2 ， 承压接头3 和探头短节4 组成。电子线路短 节 1 和前放短节2 中装有测井仪器的电源、 发射和采集 电路以及通讯电路。承压接头3 中装有测井仪器的传 感器 。电子线路短节 1 、 前放短节 2 和承压接头 3 例如 为金属材料制成 ， 承载外部 1 4 0 MP a 的环境压力 ； 而探 头短节4 的外壳例如为非金属材料制成， 内部由硅油填 充 ， 通过装置把外部 1 4 0 MP a 的环境压力引导 至硅油 ， 确保硅油和外部 1 4 0 M P a 的环境压力相同。 如 图 2 ～图4 所 示 ， 该承压 接头 3 包括承压 接头体 1 7 ， 承压接头体 1 7的一端连接 电子线路铁 管 5 并且具 有一个空腔而另一端连接探头铁管 1 5 。该承压接头3 1 9 液 压 气 动 与 密 封 ／20 1 5．牟句 05期 还包括 多芯密封塞 1 3 ， 设置在 电子线路铁管 5 与探头 铁管 l 5 之间的第一通路 中并且通过密封 圈同承压接头 体 l 7 密封以阻断第一通路， 电子线路铁管5 内的电子 线路 经 由多芯 密封 塞 1 3与探 头铁 管 1 5内的探 头相 连接 。 I 2 3 4 ／ ／ ／ ／ 哑即 [ } 丰 三 ] 嚣 [ j [ 二 二 二 二 } { 二二 { 二 图 1承压接 头在 测井仪器中的连接关 系示意 图 图 2 承压接头 的俯视 图 图3 承压接头的剖切多芯密封塞的剖视图 l 6 图 4 另一平面剖切 多芯密封 塞的剖视 图 如图 2 所示 ， 承压接头体 1 7 两端外表 面各有两处 凹槽 ， 凹槽 为密封 圈槽 ， 均安装有密封 圈进行密封 ， 其 中左密封圈同电子线路外壳密封 ， 右密封圈同非金属 材料外壳密封。 如 图3 所示 ， 例如承压接头体 1 7 的左端有一个 可 以容纳 电子线路线槽 6 的空腔 ， 右端还有一个可以连接 仪器探头短节4 的内螺纹孔。内螺纹孔上有沿轴向的 半圆槽 ， 该半圆槽为油路以确保硅油在内螺纹孑 L 里畅 通 。在承压接头体 1 7的右端端面上分布多个密封孔 ， 密封孔通过相应 的通孔同左端的空腔连通 。承压接头 体 l 7 右端的中心有一个密封孔， 密封孔通过通孔同左 端的空腔连通。感应测井仪器的接收测试信号线通过 上述相应的孔引到电子线路线槽6 上， 而发射信号线通 过中心处 的孑 L 引到电子线路铁管 5 里。 承压接头体 l 7 有多处密封孔 ， 密封孔人 口处全部 为倒角， 倒角的内外边修圆以便于密封塞9 、 1 3 、 1 6 的顺 利安装 ， 如下面进一步解释的。 如图 3 所示 ， 电子线路铁管 5 通过螺纹同承压接头 体 1 7 连接 ， 电子线路铁管 5 位于电子线路线槽 6 的中心 通孔里 。电子线路铁管 由高磁导率低碳钢制成 ， 可以 消除发射信号对接收信号的干扰。在感应测井仪器工 作时， 发射信号的强度为接收信号强度的1 0 0 0 倍以上， 电子线路铁管5 的作用在于给发射信号线提供一个良 好的电磁通道以减少对接收信号的影响。 图 3中的电子线 路线槽 6 表面圆周分 布多个矩形 槽。为方便安装各种信号线 ， 矩形槽的右侧人口棱角 被充分修圆 ， 从 而确保不伤及信号线 。电子线路线槽 6 有 中心孔 ， 电子线路铁管 5 从 中穿过并且固定到承压接 头体 l 7 中。电子线路线槽 6 有一个斜孔 ， 泥浆电阻率 极板 1 1 的信号线经由多芯密封塞 1 3 通过该斜；f L O I 向 电路板 。 半螺套7 为半环结构 ， 可以拆开之后套在承压接头 体 1 7 的外圆柱面 1 9 上 ， 实现与电子线路外壳的连接功 能。承压堵头 8 具有外螺纹 ， 承压堵头 8 的内孔同电子 线路线槽 6内的斜孔 出 口圆同轴 。承压堵头 的 目的在 于承载多芯密封塞 1 3 端面上 的 1 4 0 MP a 压力 。 图3中泥浆 电阻率极板 1 1 基体 的绝缘材料为耐高 温塑料 。泥浆 电阻率极板 1 1 为具有测量 电极 同心环 ， 这些 同心环实现对泥浆电阻率的测量 。泥浆 电阻率极 板 1 1 装有橡胶密封圈， 同承压接头体 1 7 的孔密封。泥 浆电阻率极板 1 1 的最外电极具有螺纹， 可使用内螺纹 套筒套在螺纹上来安装 、 拆卸极板。泥浆电阻率极板 1 1 的测量 电极外有锥槽 ， 锥槽位于承压接头体 1 7 的外 表面上 ， 锥槽的锥角为钝角。泥浆 电阻率极板 1 1 外有 孔用挡圈 1 O ， 限制其移动。 图3 中的承压接头体 1 7 安装有注油丝堵 1 2 ， 具有 外螺纹 ， 注油丝堵 1 2 装有一个高温高压橡胶密封圈。 注油 丝堵 1 2的安装孔同泥浆 电阻率极 板 1 1 安装孔 的 腔体连通 ， 注油丝堵 1 2的安装孔 同承压接头体 1 7 的右 端面连通。通过该通道 ， 连通泥浆电阻率极板的空腔 和探头短节4内部的空腔。 图3 中多芯密封塞 1 3 位于承压接头体 l 7 的密封孔 内， 多芯密封塞 1 3 装有两个高温高压橡胶密封圈， 多芯 密封塞1 3 的轴心同承压接头体 1 7 ， 电子线路铁管5 、 探 头铁管 1 5 和探头芯轴 1 7 的轴心重合。该密封塞用来 连接仪器的发射信号线。 探头铁管 1 5 通过螺钉同承压接头体 1 7 的螺纹孔 端面连接。同样地 ， 探头铁管由高磁导率低碳钢制成 ， 可以消除发射信号对接收信号的干扰。 如图4 所示 ， 多芯密封塞 l 6 例如为 1 2 个 ， 位于承压 接头体 1 7 的密封孔内， 这些密封塞用来连接仪器的接 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 0 5 ． 2 0 1 5 收信号线。多芯密封塞 1 6 装有两个高温高压橡胶密封 圈 ， 多芯密封塞 1 6 左端 有 1 2 处 细长的通孔 ， 通 孔一直 延伸到承压接头体 1 7 左端腔体内。细长孑 L 用来容纳多 路接收信号线 。 2 承压接头体的结构设计 如 图 5 所示 ， 承压接头体 1 7 材料 为高磁 导率高强 度 材料 ， 比如 高磁 导 率 高 强度 沉 淀 硬化 不 锈 钢 1 7 4 P H。使用此种材料一方面可以对多路信号进行有效 地 电磁屏 蔽 ， 另 一方面 可用 来承 载 1 4 0 MP a的环境压 力。承压接头体 1 7 的左端为容纳电子线路线槽的常压 空气腔 ， 右端为液压腔 ， 其 中填充硅油 。硅油压力 和泥 浆压力平衡 ， 最大可达 1 4 0 M P a 。 图5 承压接头体 的立体 图 承压接头体 1 7 的 1 8 为两处密封槽中的一处， 2 3 为 两处密封槽中的一处。1 9 为承压接头体 1 7 安装半螺 套 7的外圆柱面。槽 2 0 为泥浆电阻率极板 1 1 的测量电 极 的锥槽 。密封孔 2 1 为泥浆 电阻率极板 7的密 封孔 。 半圆槽 2 4 为承压接头体 1 7 内螺纹孔上的半圆槽。螺 纹2 6 为连接仪器探头短节4 的内螺纹孔。孔2 5 为安装 多芯密封塞 1 6的密封孔 。 3 承压接头体 的强度分析 承压接头体是最为关键的受力件， 对其材料的要 求很高， 材料选用 1 7 4 P H 0 c r 1 7 N i 4 c u 4 N b 马氏体不 锈 钢 ， 热 处 理 要 求 4 0 HR C左 右 ， 其 屈 服 强 度 o r 为 1 1 8 0MPa t 4 1 。 在 S O L I D WO R K S中使 用 了 C O S MO S WO R K S进行 了有限元分析计算 1。图6 是网格划分结果， 进行了局 部细化 。图7 是应力分析结果 ， 结果表 明承压接头体 1 7 的外圆柱面 1 9 的内腔体表面具有8 6 0 M P a 的最大应力， 安全系数为1 ． 3 7 ， 满足 1 ．3 倍安全系数的设计要求 】。在 所开发的试压装置 1里模拟测井环境进行了外压试验， 零件无塑性变形 。 图6承压接头体的网格划分结果 蓝 簟 ■ ⋯ 。 图7承压接头体的应力分析结果 4 结论 设计了承压接头连接仪器的探头短节和电子线路 短节 ， 该承压接头提供 了有效的电连接通道 ， 从 而解决 石油测井仪器耐高温高压电连接问题。承压接头主要 由接头体构成， 由1 7 4 P H不锈钢制成。对接头体进行 了强度分析和试验测试 ， 结果满足要求。该设计已成 功应用于感应测井仪器和声波测井仪器rs ， 进行产业化 生产， 已取得不错的经济效果。 参考文献 [ 1 ] 肖加 奇， 陈文 轩， 白庆 杰， 等． 新 一 代 网 络化 测 井 系 统 L E A P 8 0 0 [ J ] ． 石油仪器， 2 0 1 2 ， 2 6 1 2 6 - 2 9 ． [ 2 ] s Y 厂 r 5 0 9 9 2 0 0 7 ， 石油测井仪器环境试验及可靠性要求[ s ] ． [ 3 ] 包德洲， 周军， 王正， 等． 新型阵列感应成像测井仪的研制与 应用[ J ] ． 测井技术， 2 0 0 4 ， 2 8 6 5 4 7 5 5 0 ． [ 4 ] 刘瑞 良， 闫牧夫， 乔英杰， 等． 马氏体不锈钢热处理及其拉伸 性能[ J ] ． 金属热处理， 2 0 1 3 ， 3 8 2 8 7 9 1 ． 【 5 】 谢昱北， 许哗． S OL I D WO R K S 2 0 0 7中文版机械设计与典型范 例[ M】 ． 北京 电子工业出版社， 2 0 0 7 1 6 5 2 1 4 ． f 6 ] 刘策， 贾桑， 许晶， 等． 石油测井仪器承压外壳强度计算的实 用方法探究【 J ] ． 石油仪器， 2 0 1 2 ， 2 6 1 6 - 1 7 ． [ 7 】 谢昱北． ／ J 、 型超高压密封性试验装置的研制与试验方法l J 】 ． 液压气动与密封， 2 0 1 3 ， 3 3 4 3 7 3 9 ． 【 8 ] 鞠晓东， 乔文孝， 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