测井仪器芯轴结构的优化设计

关键词 测井仪器；结构；芯轴；优化设计
探头是下井仪器一个非常重要的组成部分，需 要承受高温高压，并符合抗拉要求[1]。目前常用仪 器的耐温耐压指标大多数在 150℃～177℃、<140 MPa。随着深井、超深井的勘探开发，对超过 200℃、 170 MPa 的超高温、超高压测井仪器的需求不断增 加，因此，对测井仪器的设计提出了新的挑战[2]。
行周向和轴向紧固。通过分段式结构将芯轴整体结构 分拆，化整为零，降低零件加工难度，同时整体部件 维修方便。改进后的芯轴整体结构如图 2。
图 2 芯轴结构示意图
为保证在超高温下芯轴金属部分与外部绝缘 效 果 ， 选 用 绝 缘 性 能 更 好 的 进 口 PEEK （PolyEtherEtherKetone）材料[4]，该种材料具有卓 越的耐高温特性，同时在 23℃～200℃温度范围内， 介电消散因子保持不变，具有良好的电气绝缘性。 同时，PEEK 的玻璃转变温度为 143℃，而熔点为 340℃。高熔点使 PEEK 具有优异的耐高温性。纤 维补强级 PEEK 的热变形温度可高达 315℃，长期 的连续使用温度(UL 946B)可达 260℃。此外，PEEK 在高温下可维持高水准的强度与模数，也就是说其 具有优良的高温机械性能。PEEK 套管与芯轴用螺 钉紧固，方便拆卸。
2 结构优化
2.1 优化设计 基于以上的分析以及产品技术指标的要求，对现
有的芯轴结构做出改进。为保证芯轴的可维修性和可
刘叶兴 等：测井仪器芯轴结构的优化设计
加工性，采用分段式结构，由上接头、芯轴、绝缘套 组成。上接头和芯轴之间由梯形螺纹连接，并通过销 进行周向定位。绝缘套安装在芯轴上，并通过螺钉进
该结构在温度 232℃、压应力 172 MPa、抗拉 70 t 的条件下具有一定的局限性：（1）玻璃钢材料 在超高温下的绝缘性能变差。由于其功能要求，芯 轴外层包覆的非金属材料对于绝缘要求有极强的
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要求，一般的 FRP（Fiber Reinforced Polymer）不 能在高温下长期使用，在实际使用过程中，也发现 绝缘性能下降的情况。（2）芯轴可维修性差，芯轴 结构过于复杂。如果焊接成型、后期检验出现问题 会导致芯轴报废，无法维修。（3）加工太复杂。整 支芯轴的加工包括深孔、密封面、螺纹等工艺，同 时焊接成型，加工过程过于繁琐，需要技术工人经 验的积累。
超高温超高压阵列侧向主电极就是为满足极端条
件而研制的一款产品。技术指标要求仪器井下工作 温度最高为 232℃，压力最高为 172 MPa，抗拉强 度为 70 t（行业习惯用 t，更加直观，1 t=9 800 N，
下同）。同时，该仪器的整体长度超过了 4.5 m，对 结构设计工作提出了严峻的要求。本文对传统的芯 轴结构设计进行了优化，使之符合该项目的技术指 标要求，并对此结构进行了讨论和验证。
1 芯轴
1.1 芯轴结构 探头由上管壳、芯轴、电极系、下管壳等零件
组成。芯轴是探头中一个主体部分，芯轴连接起了 上下两端的结构件，直接决定了整个探头一些机械 性能指标，如抗拉、抗弯等，其结构示意见图 1。
图 1 芯轴结构示意图
不锈钢 0Cr17Ni4Cu4Nb（17-4PH）为马氏体沉 淀硬化不锈钢，碳含量低、高铬且含铜，具有十分 优异的机械性能和耐蚀性[3]，十分适合制作需要承 压的部件，因此选作芯轴主体材料。由于芯轴结构 的复杂性，为简化加工难度，金属部分分成三段加 工，再焊接而成。芯轴外部的玻璃钢层起到与电极 系的绝缘作用。玻璃钢具有优良的电绝缘性能和耐 热性能，在温度指标不是很高的情况下，符合该仪 器的使用要求。 1.2 结构的局限性
2019年第 3 期
声学与电子工程
总第 135 期
测井仪器芯轴结构的优化设计
刘叶兴 1 周峰 2 任晋廷 3 （1.杭州瑞利声电技术有限公司，杭州，310023；2.青海油田测试公司，酒泉，736202）
(3.中国石油集团测井有限公司塔里木分公司，库尔勒，841001）
摘要 对测井仪器芯轴结构进行简要介绍，对现有芯轴结构的局限性进行了讨论并进行了优化设计。通过 理论计算和实验，对设计更改的合理性进行了论证。使用新结构后增强了可维修性，并满足在高温高压下的 使用性能。
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D dΒιβλιοθήκη 56 153.73
（1）
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13.9 1 661.5 307 （2）
2 13.9
式中，D 受压零件外径，mm；d 为受压零件内径， mm；k 为外径内径比值；［P］为许用压力，MPa； n 为安全系数；σs 为屈服强度，MPa。根据式（2） 可知，307 MPa>172 MPa。在 1.3 的安全系数下， 芯轴的设计满足极限温度压力下的使用要求。芯轴 内部的密封选用进口的全氟 O 形圈，通过挡圈来进 一步提高其高温适用性。通过以往的项目实践表明， 全氟 O 形圈和挡圈这样的密封组合可以实现在高 温高压下的密封。 2.2.2 抗拉指标校核
相比于传统的芯轴结构，此种结构有以下几种 优势：（1）可维修性高。芯轴整体采用分段式设计， 通过梯形螺纹连接，可拆卸。同时将玻璃钢套更改 为 PEEK 管，可通过螺钉紧固，可拆卸。任何一个 零件加工出现误差，均可进行拆卸更换。（2）加工 简化。将结构复杂的上接头和需要深孔加工芯轴分 开加工，并通过梯形螺纹连接，降低了工艺难度和 风险。绝缘套管和其表面的槽采用分段加工，容错 率增加。（3）满足超高温超高压下的使用要求。芯 轴和上接头通过两道密封圈将外界环境与中心过 线孔隔离[5]。密封圈采用进口全氟 O 型圈，具有杰 出的耐高温性，在高温下的各种机械性能优异。 2.2 技术指标校核
芯轴外侧充二甲基硅油，与外界压力平衡，因 此，芯轴外侧温度压力值与外界接近。芯轴过线孔 走线，需要与外侧超高温超高压环境隔绝。 2.2.1 温度压力指标校核
芯 轴 材 料 为 钛 合 金 TC4 ， TC4 材 料 的 为 Ti-6Al-4V，属于（α+β）型钛合金，热稳定性好， 在 232℃的温度下能够保持良好的机械性能，TC4 棒料在高温下屈服点较大，约为 860 MPa。芯轴外 径为 φ56 mm，过线孔内径 φ15 mm，对其进行高温 下的强度校核[6]。