一种中子测井仪偏心弓测试装置研制

吕焕军，黄 宇，燕欢庆

（中海油田服务股份有限公司油田技术事业部，广东 湛江 524057）

0 引言

补偿中子测井是最通用的确定地层孔隙度的石油测井技术，测井仪器紧贴井壁，减少了井的影响[1]。仪器偏心状态与井壁的贴合程度，直接影响测井曲线的质量及与之相关的解释结果、油气划分的准确度。中子偏心弓合适的贴合力，既能够让仪器测井更精确，又能够避免仪器遇卡，因此中子偏心弓的贴合力测量尤为重要[2]。我们设计了一种测试偏心弓偏心力的装置，既能准确测量偏心力，又能安全高效完成测量。

目前使用的裸眼测井中子偏心弓测力装置为一个手持测力计，测试偏心弓时需要3 个人配合压偏心弓，1 人扶住偏心弓，还需要1 人拿钢板尺读取偏心弓尺寸及力的大小[3]。

该方法存在如下几个问题：

（1）压力计头部是尖的容易滑落，偏心弓弹出容易伤人，存在安全隐患。

（2）手压偏心弓需要多人配合，还要测量臂的位置，而且稳定性较差，测量存在较大误差。

（3）目前的手持压力计调零旋钮很容易碰到，造成测量不准确。

（4）手持指针必须在按压时动态读数，也是造成误差的原因之一。

（5）整个测量需要5 人配合完成，非常不方便。

为了解决以上问题，我们研究制作了一个偏心弓测力装置，便捷、快速、准确地测量偏心弓的偏心力。

1 初步设计方案

1.1 初步设计

设计方案总体设计遵循以下原则：

（1）所用设备成熟可靠：所设计的装置配件，尽量选用现实中应用普遍的配件，底座设计需要坚固耐用。偏心弓的压缩装置需要有足够的强度，稳定可控。

（2）测量精准、测量过程快捷：测量部分需选用精确度高的探头，显示模块需保证显示清晰易读取，测量精度高。

（3）安全系数高：受力部件设计需要保留足够的余量，确保安全性。

经过论证设计总体方案分成3 个部分组成，分别为测量底座、偏心弓压缩机构、偏心弓弹力测量模块。

1.2 中子偏心弓测试装置的细化设计

整个测量装置分为测量装置底座、偏心弓压缩机构、偏心弓弹力测量模块。各个模块的细化设计如图1 所示。

1.2.1 测量装置底座

测量装置底座是所有部件的承载平台，底座设计的优劣决定了整个装置的结构合理性。底座的设计方案有不锈钢和铝合金方管底座两种，铝合金方管底座的设计如图2 所示。

图2 铝合金方管底座

对比两种设计方案，不锈钢底座重量相对较重，成本也较高，两个方案的可靠度都较高。综合比较成本、重量等方面分析，铝合金方管底座为优选方案。

1.2.2 偏心弓压缩机构

偏心弓压缩机构有电动丝杠和手摇丝杠两种设计方案，其中手摇丝杠方案如图3 所示。

图3 手摇丝杠压缩机构

综合比较两种方案，电动丝杠由于电动控制需要设计控制单元，设计相对复杂，成本较高，手摇丝杠具有结构简单、成本低、轻便等优点，偏心弓压缩单元优选手摇丝杠。

1.2.3 偏心弓测量模块

压力测量单元有压力传感器和数显表组合及指针式传感器一体测量仪。两种方案中数显表和传感器组合具有精度高，读数直观，每次启动自动清零的特点。而指针式的拉压力传感器则读数精度不高，需要手动归零，误触表盘就会造成读数不准。

1.3 确定最佳方案

（1）底座材质选择，铝的密度为2.7 g/cm3，不锈钢的密度在7.7 ～8.0 g/cm3之间，相同的体积不锈钢的重量是铝的3 倍，从设备的强度和便携性上考虑，我们选用铝方管材质的底座。

（2）偏心弓压缩机构电动压缩丝杠会增加设备的复杂程度，且含有电动机构增加了操作的复杂程度。所以手摇丝杠是最经济、简易、可靠的选择。

（3）机械表盘式和传感器数字化显示压力值方案中，数字化测量显示具备高精度、高速直观显示优势是此方案的不二选择。

所以综合最佳方案是铝方管底座与手摇轮丝杠和数字化测量显示为最佳组合方案。

2 测试设备细化设计

2.1 压力测量单元设计

按照设计的最终方案，采用的是压力传感器。压力测量采用的惠斯通电桥电路，惠斯通电桥是一种测量电阻或电容的电路，其原理是通过四个电阻分压运算的方式，将微小的测量物理量转化为电信号输出，从而达到测量目的。它使用方便，灵敏度高且结构简单.随着科学技术的发展，惠斯通电桥也被广泛地应用于实际生活中，可以更准确地测量杨氏模量，获得精确度更高的称重传感器[4]。在压力传感器中，通过将惠斯通电桥的电阻片制作成弹性变形的结构形式，当受到外界的压力变化时，电桥电阻发生微小的变化，产生微弱的电信号输出，从而实现对压力的准确测量，其原理如图4 所示。

图4 压力探头电路原理

图5 新型偏心弓测试工具应用

惠斯通电桥的输出信号输入仪表放大器放大，增益放大级之后进行低通滤波器。采集的信号输入A/D转换电路进行A/D 转换，最后在LED 数码管进行测量值显示。

2.2 偏心弓的压缩单元及底座结构的细化设计

滚动精密螺母螺杆的啮合间隙趋近于零，在往复直线运动换向时消除了空行程，全部为滚动接触使摩擦阻力更小，有效消除了往复间隙，提高了运动定位精度和效率。与现有技术相比，该螺母加工简便，具有易于调整和维护特点，降低了能耗，成本[5]。偏心弓压缩单元采用滚珠丝杠进行压缩，滚珠丝杆机构的工作原理与螺母和螺杆之间的传动原理基本相同。当丝杆能够转动而螺母不能转动时，转动丝杆，由于螺母及负载滑块与导向部件（如直线导轨、直线轴承）连接在一起，所以螺母的转动自由度就被限制了，这样螺母及与其连接在一起的负载滑块只能在导向部件作用下作直线运动。当改变轴的转向时，丝杆的转动方向也同时发生改变，螺母及负载滑块将进行反方向的直线运动，所以负载滑块能进行往返直线运动。由于手摇轮可以在需要的位置启动或停止，所以很容易实现负载滑块的启动或停止，停止位置的精度很准确。

2.3 测试装置底座设计与整体组装测试

为保证最终制作的工具轻便，底座采用铝方管结构。丝杠压缩机构、压力测量装置、压力显示装置等在底座相应位置固定。经过组装与调试，测试装置工作正常，此装置既能很稳定、安全压缩偏心弓，又能精确显示偏心弓的偏心力，实验效果达到了设计的要求。

3 偏心弓测试装置的效果检验

3.1 使用统计

制作出测试工具后，经过近1 年的使用，已经完成32 次测量。通过对比测量的精确度、安全性、时效性均达到预期目标。

新的测试工具制作后，与原来的旧工具进行了对比测量，对比测量数据见表1。

表1 新旧工具的时效性对比

3.2 新测试装置的效果提升

新的偏心弓测试装置经过实际使用检验。与之前的测试装置对比，旧工具平均每次测量时效为62.5人/分钟，新工具的平均测量时效性为2.2 人/分钟，时效性提高了96.48%。新测量设备不仅减小了测量误差，且消除了之前测试偏心弓存在的偏心弓弹出伤人风险。在时效性、准确性、安全性方面均有全面的提升。

4 结语

新型中子偏心弓测试装置应用1 年多，不仅测试更高效，测量也更精准，还更安全。以前5 个人15 分钟才能完成的工作，现在只需一个人3 分钟即可完成。该装置的使用从根本上消除了人力按压偏心弓的弹出伤人风险，提升了本质安全。此装置现场应用效果良好，自2021 年初广泛使用后，获得现场作业人员一致好评。该新型中子偏心弓测试装置具有很强的推广性，后续计划向国内其他作业公司进行推广，全面提高中子偏心弓测试工作时效性和准确性，保证测试工作的安全性。