CN1149404C - 高温高压微电阻率扫描成像测井仪极板 - Google Patents

Abstract

本发明是一种在温度155℃、压力100MPa下，承压密封腔不发生渗漏，电扣与极板基体间可获得高绝缘性能的测井仪器极板。该极板主要由极板基体、绝缘锥套、电扣及相关电子线路组成，现用于微电阻率扫描成像测井仪。

Description

一种微电阻率扫描成像测井仪极板

所属领域

本发明涉及的是一种微电阻率扫描成像测井仪极板。特别是能在置电子线路，在井下温度155℃，压力100Mpa的高温高压条件下保证极板高绝缘和密封。

背景技术

微电阻率扫描成像测井主要用于裂缝识别与评价，高分辨率薄层评价，地层沉积环境分析，地层层内结构分析及构造解释，以及岩芯定位和描述。由这种仪器测井可获得真实的可视化的高质量井壁地质图像。极板作为仪器测量的传感器，直接影响着测井质量。由于极板内置不承压的电子线路，极板基体、电扣及绝缘套之间的密封和绝缘就成为该极板发明的关键。

1988年10月19日公开的中国专利88201543号，名称为小井眼微球形聚焦测井仪极板；1992年8月12日公开的中国利92210107(公开号2112688)，名称为组合型地层倾角测井仪极板；1994年4月13日公开的中国专利93207337号(公开号2161721)，名称为窄型微球形聚焦测井仪极板。1994年12月14日公开的中国专利94225587号(公开号2185321)，名称为测井仪测量极板转动装置，其结构和密封方法与本发明不同。

发明内容

本发明的目的是提供保证测井过程仪器在高温高压状态下，井下高温高压导电流体不能从电扣处渗漏到极板内腔，极板内腔的电子线路能正常工作，极板电扣在温度155℃、压力100Mpa时不渗漏，电扣与极板基体之间的电绝缘性大于10MΩ的一种微电阻率扫描成像测井仪极板。

本发明是以如下方法完成的：

一种微电阻率扫描成像测井仪极板，由电扣、绝缘套、极板基体组成，绝缘套、极板基体和电扣为圆锥型，锥顶半角必须小于自锁摩擦角，绝缘密封层用聚酰亚胺工程塑料。

极板基体和电扣为不锈钢制造。

绝缘锥套有双重作用。由于锥套材料选用的是耐高温高强度工程塑料—聚酰亚胺，所以，该材料第一能起绝缘作用，第二起密封作用。

采用锥形结构。把井下液体作用在电扣和绝缘环上的力，通过锥形结构放大转化成作用在锥面上的力，通过调整锥形绝缘套的长度来改变作用在锥形面上的应力，从而使作用在锥形面上的应力大于井下液体压力。

设计上要保证锥体的锥形半角小于自锁角，密封机构才能实现自锁，装配好的密封机构才能长时间处于稳定状态。

利用绝缘锥套、电扣、基体两种类型材料—工程塑料和钢材热膨胀系数不一样以形成热膨胀系数差的特点来提高密封性能。由于工程塑料的热膨胀系数比钢材要大一个数量级，加上井下温度梯度的存在，产生的热应力会增加锥面的接触应力，有利于密封。热应力关系式如下：δ_热＝Δt*Δk*E/(1-v)²。

通过以上几种因素的联合作用，必然会随着井深的增加，电扣锥面上的应力也同时增加，且电扣锥面上的应力始终大于井下液体的压力，加上绝缘材料在高压下产生一定的弹性变形，从而保证电扣不会出现渗漏。

本发明效果是：

1.利用井下压力来实现自动增力密封。

2.利用井下温度梯度，材料热膨胀性能不一样的特点，产生热应力增加密封性能。

3.利用锥面增力，小角度锥面自锁，达到密封，结构稳定和工程应用的目的。

4.高强度绝缘套，一种材料发挥两种作用，既作为绝缘层又作为密封层。

附图说明

图1是本发明锥面增力自密封结构模型图；

图2为本发明产生热应力结构图；

图3为本发明工作图；

图4为使用本发明获取信号的处理图。

具体实施例

以下将结合附图对本发明作进一步详细描述

图1是锥面增力自密封结构模型图。当井下压力б_液作用在Ф4毫米的电扣端面上，产生的作用力为4πб_液。通常耐高温、高强度工程塑料与钢的摩擦系数一般大于0.2，所以临界摩擦角arctg0.2＝11.3°，设计上选用锥顶半角为4°，小于11.3°，就能实现自锁，并满足结构稳定和工程安全可靠的要求。锥体增力系数K＝1/sin4°＝14.33，通过锥面增力，把作用在电扣端面上的力4πб_液转化为作用在电扣锥面上的力4πKб_液＝57.32πб_液。选用锥套长度为L＝10毫米，锥套内表面积S_AA’BB’＝103.7平方毫米，那么锥套内表面的应力为б_锥＝1.735б_液，其值大于液体压力б_液，能满足自动增力密封要求。而锥形绝缘套内外表面结构相同，外表面的接触应力比内表面要大，所以表面也能满足自密封要求。以上选取的参数是综合考虑微电阻率扫描极板所要求的电极尺寸并通过计算比较后确定的。

总之，这种能够实现绝缘和密封的自增力结构，只要满足锥面接触应力大于液体压力，锥体的锥顶半角小于材料的自锁摩擦角，一次装配预紧后，结构再不需长期加预紧力，就能长期处于稳定的密封和绝缘状态。锥顶半角和密封套长短可适当调整。

图2为产生热应力结构图，图中1是极板基体，材料为不锈钢；2是绝缘锥套，材料为耐高温且绝缘性能高的高强度工程塑料；3是测量电扣，材料为不锈钢。

如图结构经装配后，材料产生一定的弹性变形，结构处于稳定。经高温高压试验可以满足井下使用的密封要求。实际使用中，随着井深增加，压力和温度也随之升高，且压力升高的幅度与井内泥浆比重成正比。虽然各地区的温度梯度不同，但通常也是井深每增加100米，温度升高约3℃。由于采用不同的热膨胀性能材料，在温度的作用下就会产生热应力，加上结构的自锁性，热应力使锥面的接触应力增加，密封性能可进一步提高。热应力表达式：б_热＝Δt*Δk*E/(1-γ)²，不锈钢的热膨胀系数为11.1*10^-6/℃，工程塑料的热膨胀系数为5.8*10^-5/℃，杨式模量E＝2.6*10⁹Pa，泊松比γ＝0.5，当结构温度每升高1℃，产生的热应力为[1*(5.8-1.11)*10^-5*2.6*10⁹]/(1-0.5)²，即为4.8*10⁵Pa，即井下温度每升高1℃，锥面接触应力增加4.8*10⁵Pa。

图3为微电阻率扫描极板工作图。图中1为极板基体，2为绝缘密封锥套，3为测量电扣，7为电子线路，8为高压引线插头。

微电阻率扫描测井仪极板设计方案要求测量极板电扣横向间距为5毫米，电扣大小为Ф4毫米，纵向间距为7.62毫米，第一排电扣和第二排电扣横向错开2.5毫米，井下工作时电扣与电扣间，电扣与极板基体间电绝缘要求大于10MΩ，极板内置电子线路，在高温155℃、高压100Mpa条件下，电扣、绝缘套、极板基体之间不能出现渗漏，仪器井下工作时，当极板与井壁摩擦时也不能出现任何渗漏和绝缘降低。由于电扣间距仅为5毫米，电扣边缘间距只有1毫米，要保证电扣与电扣、电扣与极板基体之间绝缘，且在高温高压摩擦条件下不出现一点渗漏，采用自增力密封型结构，能有效地解决微小尺寸阵列电极密封和绝缘的技术要求。

图4为微电阻率扫描测井仪通过井下极板传感器获取的电信号，经过成像处理得到的图像。深色表示低电阻率地层，浅色为高电阻地层。

参数表：

б_热：热应力。

Δt：温度差。

Δk：不同材料热膨胀系数差。

E：工程塑料弹性模量。

γ：工程塑料泊松比。

б_液：井下液体压应力。

α：锥体的锥顶半角。

β：锥体展开的扇形角。

k：增力系数。

SAA’BB’：锥体展开的扇形面积或锥体表面积。

б_锥：电扣锥表面的接触应力。

Pa：应力单位，牛顿/米²。

MΩ：电阻单位，兆欧。

Claims (2)

1.一种微电阻率扫描成像测井仪极板，由电扣(3)、绝缘套(2)、极板基体(1)组成，其特征是：绝缘套(2)、极板基体(1)和电扣(3)为圆锥型，锥顶半角必须小于自锁摩擦角，绝缘套(2)用聚酰亚胺工程塑料。

2.根据权利要求1所述的一种微电阻率扫描成像测井仪极板，其特征在于极板基体(1)和电扣(3)为不锈钢制造。

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