CN103696754A - 用于感应式测井仪器探头短节的芯轴组件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于感应式测井仪器探头短节（13）的芯轴组件及其制造方法。所述感应式测井仪器探头短节（13）包括沿芯轴组件的轴线设置的线圈天线阵列（22），所述线圈天线阵列（22）通过在绝缘基体上缠绕导线形成，所述芯轴组件包括芯轴（21）和轴向隔开的多个衬套（32），所述多个衬套（32）同心地包覆在芯轴（21）的圆柱形外表面上，所述绝缘基体安装在所述衬套（32）上。

Description

用于感应式测井仪器探头短节的芯轴组件及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种测井仪器，更具体地涉及感应式测井仪器探头短节的芯轴组件及其制造方法。 

背景技术

感应式测井是利用交流电的互感原理，利用发射线圈天线中的交流电流在接收线圈中感应出电动势，由于发射线圈天线和接收线圈天线都在井内，发射线圈天线的交流电流必然在井筒周围地层中感应出涡流，而该涡流又对接收线圈天线的感应电动势产生影响，因此该电动势与涡流的强度有关，即与地层的电导率有关。 

阵列感应式测井仪是在普通感应仪器的基础之上发展起来的，该仪器具有一定的径向探测能力。该阵列感应式测井仪采用一系列不同线圈距的线圈天线阵列对同一地层进行测量，然后通过硬件或软件进行聚焦处理来获得不同径向探测深度的地层电导率，从而有效地识别油气层。阵列感应式测井仪向地层发送电磁场，由各个线圈天线阵列接收，接收到的信号经井下仪器处理后遥传至地面仪器。整个仪器的线圈系的关键部分由多个单侧布置的三线圈天线阵列（例如七个三线圈天线阵列）构成，并且工作在多个频率模式下。 

在测井过程中环境温度可达180℃，环境压力可达140Mpa。感应式测井仪器探头部件一般为非金属材料，为使探头承受如此高温高压的环境条件，一般使用压力平衡系统，即通过硅油介质使泥浆的环境温度和压力引入探头内部。于是探头内部和地层具有相同的温度。 

线圈天线阵列的精度对测量精度起决定性作用。在设计的过程中，需根据现有的工艺能力水平形成合理的线圈系构型。常用的结构是使用导线绕制在某种绝缘基体上形成线圈天线。缠绕之后的线圈天线绝缘基体沿着仪器的轴线依次排列组成线圈天线阵列。 

常用的绝缘基体材料有耐高温玻璃钢，但缺点在于玻璃钢的热膨胀系数比较大，当温度升高时线圈的测量信号会发生温度漂移，若漂移超过许可范围，则需拆下线圈构件重新绕制线圈，重新校准仪器。因为阵列感应线圈较多，所以拆装线圈多有不便，而且，由于耐高温玻璃钢多采用高温树脂和玻璃布缠绕工艺实现，属于复合材料，所以切削加工的精度等级较低，作为线圈天线绝缘基体也不能满足阵列感应线圈系的精度要求。 

为了使绝缘基体获得较高的切削加工精度和较高的热稳定性，行业已引入工程结构陶瓷作为线圈天线的绝缘基体。常用的陶瓷材料一般为氧化铝陶瓷和氮化硅陶瓷，高温烧结成型为空心圆柱体，利用其热膨胀系数小和无磁绝缘的特性。于是就需要一种探头短节芯轴来安装这些绝缘基体，并确保每一个绝缘基体上的线圈天线满足感应式测井仪器的同轴要求。此外，传统的芯轴边角处由于多处安装结构会使电位产生畸变，丧失空间一致性。 

感应式测井仪器结构所需的探头芯轴直径一般为30毫米至50毫米，其长细比超过60。所需的阵列的绝缘基体的内孔对探头芯轴的同轴度小于0.1毫米。目前没有这种高精度探头芯轴的实施案例。 

发明内容

为满足感应式测井仪器的探头短节芯轴所需的结构尺寸，以及线圈天线绝缘基体所需的同轴度要求，本发明为感应式测井仪器探头短节提供了一种用于安装线圈天线绝缘基体的芯轴组件。 

根据本发明的一个实施例，提供一种用于感应式测井仪器探头短节的芯轴组件，所述感应式测井仪器探头短节包括沿芯轴组件的轴线设置的线圈天线阵列，所述线圈天线阵列通过在绝缘基体上缠绕导线形成，所述芯轴组件包括芯轴和轴向隔开的多个衬套，所述多个衬套同心地包覆在芯轴的圆柱形外表面上，所述绝缘基体安装在所述衬套上。 

根据本发明的优选实施例，所述芯轴为细长中空圆管，其长细比超过100，材料为金属合金；所述衬套由耐高温玻璃钢制成，所述芯轴和所述衬套具有大致相同的热膨胀系数。 

根据本发明的优选实施例，所述芯轴的两端分别包括第一带螺纹部分和第二带螺纹部分。 

根据本发明的优选实施例，所述衬套的外表面具有轴向延伸的多个线槽，所述多个线槽分布在所述衬套的外表面上。 

根据本发明的优选实施例，所述衬套和所述芯轴在相同位置具有沿着径向方向延伸的出线孔。 

根据本发明的优选实施例，所述衬套的外表面具有多个环形槽，用于接收O型密封圈，所述多个环形槽沿着衬套的轴向分布，绝缘基体的内表面只与O型密封圈接触；所述多个环形槽、所述衬套和芯轴同轴。 

根据本发明的优选实施例，所述衬套具有键槽，用来安装约束所述绝缘基体周向自由度的键。 

根据本发明的优选实施例，所述键槽具有半圆形截面。 

根据本发明的另一个实施例，提供一种感应式测井仪器探头短节，包括： 

芯轴组件，所述芯轴组件包括芯轴和轴向隔开的多个衬套，所述多个衬套同心地包覆在芯轴的圆柱形外表面上；和

沿芯轴组件的轴线设置的线圈天线阵列，所述线圈天线阵列通过在绝缘基体上缠绕导线形成，所述绝缘基体安装在所述衬套上。

根据本发明的另一个实施例，提供一种制造感应式测井仪器探头短节的芯轴组件的方法，包括： 

在芯轴的圆柱形外表面上沿着轴向分段紧固金属嵌件，所述金属嵌件为圆管，所述圆管剖开后紧固在芯轴的圆柱形外表面上；

在芯轴的圆柱形外表面上和金属嵌件上缠绕玻璃钢；

以缠绕玻璃钢为基准粗车玻璃钢直到出现金属嵌件；

卸除金属嵌件，以形成轴向隔开的多个衬套；以及

夹持金属嵌件所覆盖的芯轴的圆柱形外表面，且以芯轴的圆柱形外表面为基准精车衬套的外表面。

根据本发明的芯轴组件采用多个衬套包覆芯轴的结构形式，确保芯轴金属空心管结构的完整性，该结构作为感应式测井仪器平衡电位的导体，具有空间一致性。即芯轴的圆柱形外表面具有相同的电位。 

此外，绝缘基体的圆柱形内表面只与安装在环形槽里的O型密封圈接触，这样的安装方式不但确保了线圈绝缘基体的内表面与芯轴同轴，而且避免了在较高温度的环境中时衬套把绝缘基体胀开裂。 

另外，以芯轴的圆柱形外表面为基准分段精车衬套的外表面和环形槽直至设计尺寸，从而确保芯轴的外径、衬套的外径以及环形槽的外径的同轴度。芯轴为金属件，通过精密加工获得，其同轴度小于0.05毫米。通过本方法，获得的芯轴外径，衬套外径以及环形槽外径的同轴度小于0.1毫米。 

附图说明

通过下面结合附图的详细说明，本发明的这些和其它目的和优点将变得更清楚，附图中： 

图1是包括根据本发明实施例的感应式测井仪器探头短节的芯轴组件的感应式测井仪器的外形图。

图2是根据本发明实施例的感应式测井仪器探头短节的线圈天线阵列的外形图。 

图3A是根据本发明实施例的感应式测井仪器探头短节的芯轴组件的立体图。 

图3B是根据本发明实施例的感应式测井仪器探头短节的芯轴组件的外形图，芯轴组件水平放置。 

图4A是根据本发明实施例的感应式测井仪器探头短节的芯轴组件的A-A剖视图。 

图4B是根据本发明实施例的感应式测井仪器探头短节的芯轴组件的B-B剖视图。 

图5是根据本发明实施例的感应式测井仪器探头短节的芯轴组件的加工毛坯示意图。 

其中：电子线路短节11，前置放大短节12，探头短节13，芯轴21，线圈天线阵列22，衬套32，键槽33，环形槽34，出线孔35，螺纹36，螺纹37，线槽41。 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例通过示例性的方式对本发明做进一步的详细说明。 

如图1所示，感应式测井仪器一般由电子线路短节11，前置放大短节12和探头短节13组成。这些短节连接后向上连接测井仪器串的其他短节，最后连接马龙头和测井电缆至地面采集系统。电子线路短节11和前置放大短节12中装有测井仪器的电源、发射和采集电路以及通讯电路。探头短节13中装有测井仪器的传感器。电子线路短节11和前置放大短节12为金属材料制成，承载外部140Mpa的环境压力；而探头短节13的外壳为非金属材料制成，内部由硅油填充，通过装置把外部140Mpa的环境压力引导至硅油，确保硅油和外部140Mpa的环境压力相同。 

如本文使用的那样，术语“短节”指的是一种电子模块，其包括多个电子单元且被适当地包装和固定以便于使用。同样，术语“探头短节”指的是包括被适当地包装和固定的多个探头单元的探头模块，且可以与术语“探头模块”互换地使用。 

如图2所示，感应式测井仪器探头短节13包括芯轴组件和沿芯轴组件的轴线设置的线圈天线阵列22，所述线圈天线阵列22通过在绝缘基体上缠绕导线形成。感应式测井仪器探头短节13的线圈天线阵列22依次排布在芯轴组件上。 

如图3A所示，所述芯轴组件包括芯轴21和轴向隔开的多个衬套32，所述多个衬套32同心地包覆在芯轴21的圆柱形外表面上。所述绝缘基体安装在所述衬套32上。作为一个例子，图3A中衬套32分为4段，即4个独立的衬套32。然而，应当理解的是，探头短节13可以包括其它数量的衬套32，例如但不限于2、3、5等等，而不偏离本发明的范围。 

如图3B所示，芯轴21为细长中空圆管，其长细比超过100，材料为金属合金。所述衬套32由耐高温玻璃钢制成。所述芯轴21和所述衬套32具有大致相同的热膨胀系数。芯轴21的同轴度小于0.05毫米。感应式测井仪器工作过程中，温度可达180℃，然而由于芯轴21和衬套32的热膨胀系数大致相同，而且是绝缘基体的两倍左右，绝缘基体的圆柱形内表面只同所述O型密封圈接触，这样的安装方式不但确保了线圈绝缘基体的内表面同芯轴21同轴，而且避免了在较高的温度环境时衬套32把绝缘基体胀开。 

根据本发明的优选实施例，芯轴21的两端分别包括第一带螺纹部分36和第二带螺纹部分37，分别与测井仪器的其他构件连接。然而，应当理解的是，芯轴21的两端可以通过其它连接方式与测井仪器的其他构件连接，而不偏离本发明的范围。 

根据本发明的优选实施例，所述衬套（32）在剖面B-B处具有键槽33，键槽用来安装约束绝缘基体周向自由度的键。 

根据本发明的优选实施例，所述衬套32的外表面具有轴向延伸的多个线槽41，所述多个线槽41分布在所述衬套32的外表面上。芯轴21和衬套32均在相同位置具有沿着径向方向延伸的出线孔35，感应式测井仪器的发射信号线从出线孔35中引出。 

如图3B所示，作为一个例子，所述衬套32的外表面具有多个环形槽34，用于接收O型密封圈。所述多个环形槽34沿着衬套32的轴向分布。绝缘基体的内表面只与O型密封圈接触。所述环形槽34的外径，衬套32的外径和芯轴21的外径同轴。绝缘基体的内表面通过O型密封圈和芯轴21同轴。 

如图4A-4B所示，衬套32同心地包覆在芯轴21的圆柱形外表面上构成本发明所述的感应式测井仪器探头短节13的芯轴组件。芯轴21的材料为合金，具有一定的强度和刚度。衬套32的材料为玻璃钢。所述键槽33在这里是半圆槽。芯轴21具有中心圆孔。所述衬套32具有多个沿着轴向延伸的线槽41，线槽41具有矩形截面。线槽41分布在玻璃钢衬套32的外表面上，感应式测井仪器的信号线放置在这些线槽41里。芯轴21和衬套32共同具有的出线孔35通向芯轴21的中心圆孔，感应式测井仪器的发射信号线从出线孔35中引出。 

现在参考图5描述这种感应式测井仪器探头短节13的芯轴组件的成形方法。 

首先，在芯轴21的圆柱形外表面上沿着轴向分段紧固金属嵌件，所述金属嵌件为圆管，所述圆管剖开后紧固在芯轴的圆柱形外表面上。具体地，圆管沿径向剖切为两半相同的C形结构，并紧固在芯轴21的圆柱形外表面上。如图5所示，作为一个例子，图中3个不加工表面的位置分别装有3套金属嵌件52。金属嵌件为圆管，套在芯轴21的圆柱形外表面上。然而，应当理解的是，在芯轴21的圆柱形外表面上可以安装其它数量的金属嵌件52，例如但不限于2、4、5等等，而不偏离本发明的范围。 

然后，在芯轴21的圆柱形外表面上和金属嵌件52上缠绕玻璃钢，缠绕后如虚线53所示的探头芯轴的加工毛坯。 

以缠绕玻璃钢的圆柱形外表面为基准粗车玻璃钢直到出现金属嵌件52。然后，卸除金属嵌件52。 

在车床上分段夹持金属嵌件所覆盖的芯轴圆柱形外表面，如图5中的不加工表面符号 

所示的位置。于是，以芯轴21的圆柱形外表面为基准分段精车衬套32的外表面和环形槽直至设计尺寸。最终得到如图3A所示的芯轴组件，图中衬套32包覆在芯轴21圆柱形外表面上。作为一个例子，图3A中衬套32分为4段。 

最终，芯轴21的同轴度小于0.05毫米时，可以确保芯轴21外径，衬套32外径以及环形槽34外径的同轴度小于0.1毫米。 

本发明的有益效果如下： 

（1）根据本发明的芯轴组件采用多个衬套32包覆芯轴21的结构形式，确保芯轴21金属空心管结构的完整性，该结构作为感应式测井仪器平衡电位的导体，具有空间一致性。即芯轴21的圆柱形外表面具有相同的电位。

（2）绝缘基体的圆柱形内表面只与安装在环形槽34里的O型密封圈接触，这样的安装方式不但确保了线圈绝缘基体的内表面与芯轴21同轴，而且避免了在较高温度的环境中时衬套32把绝缘基体胀开裂。 

（3）以芯轴21的圆柱形外表面为基准分段精车衬套32的外表面和环形槽直至设计尺寸，从而确保芯轴21的外径、衬套32的外径以及环形槽34的外径的同轴度。芯轴21为金属件，通过精密加工获得，其同轴度小于0.05毫米。通过本方法，获得的芯轴21外径，衬套32外径以及环形槽34外径的同轴度小于0.1毫米。 

应该理解的是，实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，但是本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，而所附权利要求意在涵盖落入本发明精神和范围中的这些修改或者等同替换。 

Claims (17)

1.一种用于感应式测井仪器探头短节（13）的芯轴组件，所述感应式测井仪器探头短节（13）包括沿芯轴组件的轴线设置的线圈天线阵列（22），所述线圈天线阵列（22）通过在绝缘基体上缠绕导线形成，所述芯轴组件包括芯轴（21）和轴向隔开的多个衬套（32），所述多个衬套（32）同心地包覆在芯轴（21）的圆柱形外表面上，所述绝缘基体安装在所述衬套（32）上。

2.根据权利要求1所述的芯轴组件，其特征在于：所述芯轴（21）为细长中空圆管，其长细比超过100，材料为金属合金；所述衬套（32）由耐高温玻璃钢制成，所述芯轴（21）和所述衬套（32）具有大致相同的热膨胀系数。

3.根据权利要求1所述的芯轴组件，其特征在于：所述芯轴（21）的两端分别包括第一带螺纹部分（36）和第二带螺纹部分（37）。

4.根据权利要求1所述的芯轴组件，其特征在于：所述衬套（32）的外表面具有轴向延伸的多个线槽（41），所述多个线槽（41）分布在所述衬套（32）的外表面上。

5.根据权利要求1所述的芯轴组件，其特征在于：所述衬套（32）和所述芯轴（21）在相同位置具有沿着径向方向延伸的出线孔（35）。

6.根据权利要求1所述的芯轴组件，其特征在于：所述衬套（32）的外表面具有多个环形槽（34），用于接收O型密封圈，所述多个环形槽（34）沿着衬套（32）的轴向分布，绝缘基体的内表面只与O型密封圈接触；所述多个环形槽（34）、所述衬套（32）和芯轴（21）同轴。

7.根据权利要求1所述的芯轴组件，其特征在于：所述衬套（32）具有键槽（33），用来安装约束所述绝缘基体周向自由度的键。

8.根据权利要求7所述的芯轴组件，其特征在于：所述键槽（33）具有半圆形截面。

9.一种感应式测井仪器探头短节（13），包括：

芯轴组件，所述芯轴组件包括芯轴（21）和轴向隔开的多个衬套（32），所述多个衬套（32）同心地包覆在芯轴（21）的圆柱形外表面上；和

沿芯轴组件的轴线设置的线圈天线阵列（22），所述线圈天线阵列（22）通过在绝缘基体上缠绕导线形成，所述绝缘基体安装在所述衬套（32）上。

10.根据权利要求9所述的感应式测井仪器探头短节（13），其特征在于：所述芯轴（21）为细长中空圆管，其长细比超过100，材料为金属合金；所述衬套（32）由耐高温玻璃钢制成，所述芯轴（21）和所述衬套（32）具有大致相同的热膨胀系数。

11.根据权利要求9所述的感应式测井仪器探头短节（13），其特征在于：所述芯轴（21）的两端均设置有螺纹（36，37）。

12.根据权利要求9所述的感应式测井仪器探头短节（13），其特征在于：所述衬套（32）的外表面具有轴向延伸的多个线槽（41），所述多个线槽（41）分布在所述衬套（32）的外表面上。

13.根据权利要求9所述的感应式测井仪器探头短节（13），其特征在于：所述衬套（32）和所述芯轴（21）在相同位置具有沿着径向方向延伸的出线孔。

14.根据权利要求9所述的感应式测井仪器探头短节（13），其特征在于：所述衬套（32）的外表面具有多个环形槽（34），用于接收O型密封圈，所述多个环形槽（34）沿着衬套（32）的轴向分布，绝缘基体的内表面只与O型密封圈接触；所述多个环形槽（34）、所述衬套（32）和芯轴（21）同轴。

15.根据权利要求9所述的感应式测井仪器探头短节（13），其特征在于：所述衬套（32）具有键槽（33），用来安装约束所述绝缘基体周向自由度的键。

16.根据权利要求15所述的感应式测井仪器探头短节（13），其特征在于：所述键槽（33）具有半圆形截面。

17.一种制造感应式测井仪器探头短节（13）的芯轴组件的方法，包括：

在芯轴（21）的圆柱形外表面上沿着轴向分段紧固金属嵌件（52），所述金属嵌件为圆管，所述圆管剖开后紧固在芯轴的圆柱形外表面上；

在芯轴（21）的圆柱形外表面上和金属嵌件上缠绕玻璃钢；

以缠绕玻璃钢为基准粗车玻璃钢直到出现金属嵌件；

卸除金属嵌件，以形成轴向隔开的多个衬套（32）；以及

夹持金属嵌件所覆盖的芯轴（21）的圆柱形外表面，且以芯轴（21）的圆柱形外表面为基准精车衬套（32）的外表面。

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