用于感應式測井儀器探頭短節的芯軸組件及其制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種用于感應式測井儀器探頭短節（13）的芯軸組件及其制造方法。所述感應式測井儀器探頭短節（13）包括沿芯軸組件的軸線設置的線圈天線陣列（22），所述線圈天線陣列（22）通過在絕緣基體上纏繞導線形成，所述芯軸組件包括芯軸（21）和軸向隔開的多個襯套（32），所述多個襯套（32）同心地包覆在芯軸（21）的圓柱形外表面上，所述絕緣基體安裝在所述襯套（32）上。
【專利說明】用于感應式測井儀器探頭短節的芯軸組件及其制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種測井儀器，更具體地涉及感應式測井儀器探頭短節的芯軸組件及其制造方法。
【背景技術】
[0002]感應式測井是利用交流電的互感原理，利用發射線圈天線中的交流電流在接收線圈中感應出電動勢，由于發射線圈天線和接收線圈天線都在井內，發射線圈天線的交流電流必然在井筒周圍地層中感應出渦流，而該渦流又對接收線圈天線的感應電動勢產生影響，因此該電動勢與渦流的強度有關，即與地層的電導率有關。
[0003]陣列感應式測井儀是在普通感應儀器的基礎之上發展起來的，該儀器具有一定的徑向探測能力。該陣列感應式測井儀采用一系列不同線圈距的線圈天線陣列對同一地層進行測量，然后通過硬件或軟件進行聚焦處理來獲得不同徑向探測深度的地層電導率，從而有效地識別油氣層。陣列感應式測井儀向地層發送電磁場，由各個線圈天線陣列接收，接收到的信號經井下儀器處理后遙傳至地面儀器。整個儀器的線圈系的關鍵部分由多個單側布置的三線圈天線陣列(例如七個三線圈天線陣列)構成，并且工作在多個頻率模式下。
[0004]在測井過程中環境溫度可達180°C，環境壓力可達140Mpa。感應式測井儀器探頭部件一般為非金屬材料，為使探頭承受如此高溫高壓的環境條件，一般使用壓力平衡系統，即通過硅油介質使泥漿的環境溫度和壓力弓I入探頭內部。于是探頭內部和地層具有相同的溫度。
[0005]線圈天線陣列的精度對測量精度起決定性作用。在設計的過程中，需根據現有的工藝能力水平形成合理的線圈系構型。常用的結構是使用導線繞制在某種絕緣基體上形成線圈天線。纏繞之后的線圈天線絕緣基體沿著儀器的軸線依次排列組成線圈天線陣列。
[0006]常用的絕緣基體材料有耐高溫玻璃鋼，但缺點在于玻璃鋼的熱膨脹系數比較大，當溫度升高時線圈的測量信號會發生溫度漂移，若漂移超過許可范圍，則需拆下線圈構件重新繞制線圈，重新校準儀器。因為陣列感應線圈較多，所以拆裝線圈多有不便，而且，由于耐高溫玻璃鋼多采用高溫樹脂和玻璃布纏繞工藝實現，屬于復合材料，所以切削加工的精度等級較低，作為線圈天線絕緣基體也不能滿足陣列感應線圈系的精度要求。
[0007]為了使絕緣基體獲得較高的切削加工精度和較高的熱穩定性，行業已引入工程結構陶瓷作為線圈天線的絕緣基體。常用的陶瓷材料一般為氧化鋁陶瓷和氮化硅陶瓷，高溫燒結成型為空心圓柱體，利用其熱膨脹系數小和無磁絕緣的特性。于是就需要一種探頭短節芯軸來安裝這些絕緣基體，并確保每一個絕緣基體上的線圈天線滿足感應式測井儀器的同軸要求。此外,傳統的芯軸邊角處由于多處安裝結構會使電位產生畸變,喪失空間一致性。
[0008]感應式測井儀器結構所需的探頭芯軸直徑一般為30毫米至50毫米，其長細比超過60。所需的陣列的絕緣基體的內孔對探頭芯軸的同軸度小于0.1毫米。目前沒有這種高精度探頭芯軸的實施案例。
【發明內容】

[0009]為滿足感應式測井儀器的探頭短節芯軸所需的結構尺寸，以及線圈天線絕緣基體所需的同軸度要求，本發明為感應式測井儀器探頭短節提供了一種用于安裝線圈天線絕緣基體的芯軸組件。
[0010]根據本發明的一個實施例，提供一種用于感應式測井儀器探頭短節的芯軸組件，所述感應式測井儀器探頭短節包括沿芯軸組件的軸線設置的線圈天線陣列，所述線圈天線陣列通過在絕緣基體上纏繞導線形成，所述芯軸組件包括芯軸和軸向隔開的多個襯套，所述多個襯套同心地包覆在芯軸的圓柱形外表面上，所述絕緣基體安裝在所述襯套上。
[0011]根據本發明的優選實施例，所述芯軸為細長中空圓管，其長細比超過100，材料為金屬合金；所述襯套由耐高溫玻璃鋼制成，所述芯軸和所述襯套具有大致相同的熱膨脹系數。
[0012]根據本發明的優選實施例，所述芯軸的兩端分別包括第一帶螺紋部分和第二帶螺紋部分。
[0013]根據本發明的優選實施例，所述襯套的外表面具有軸向延伸的多個線槽，所述多個線槽分布在所述襯套的外表面上。
[0014]根據本發明的優選實施例，所述襯套和所述芯軸在相同位置具有沿著徑向方向延伸的出線孔。
[0015]根據本發明的優選實施例，所述襯套的外表面具有多個環形槽，用于接收O型密封圈，所述多個環形槽沿著襯套的軸向分布，絕緣基體的內表面只與O型密封圈接觸；所述多個環形槽、所述襯套和芯軸同軸。
[0016]根據本發明的優選實施例，所述襯套具有鍵槽，用來安裝約束所述絕緣基體周向自由度的鍵。
[0017]根據本發明的優選實施例，所述鍵槽具有半圓形截面。
[0018]根據本發明的另一個實施例，提供一種感應式測井儀器探頭短節，包括:
芯軸組件，所述芯軸組件包括芯軸和軸向隔開的多個襯套，所述多個襯套同心地包覆在芯軸的圓柱形外表面上；和
沿芯軸組件的軸線設置的線圈天線陣列，所述線圈天線陣列通過在絕緣基體上纏繞導線形成，所述絕緣基體安裝在所述襯套上。
[0019]根據本發明的另一個實施例，提供一種制造感應式測井儀器探頭短節的芯軸組件的方法，包括:
在芯軸的圓柱形外表面上沿著軸向分段緊固金屬嵌件，所述金屬嵌件為圓管，所述圓管剖開后緊固在芯軸的圓柱形外表面上；
在芯軸的圓柱形外表面上和金屬嵌件上纏繞玻璃鋼；
以纏繞玻璃鋼為基準粗車玻璃鋼直到出現金屬嵌件；
卸除金屬嵌件，以形成軸向隔開的多個襯套；以及
夾持金屬嵌件所覆蓋的芯軸的圓柱形外表面，且以芯軸的圓柱形外表面為基準精車襯套的外表面。
[0020]根據本發明的芯軸組件采用多個襯套包覆芯軸的結構形式，確保芯軸金屬空心管結構的完整性，該結構作為感應式測井儀器平衡電位的導體，具有空間一致性。即芯軸的圓柱形外表面具有相同的電位。
[0021]此外，絕緣基體的圓柱形內表面只與安裝在環形槽里的O型密封圈接觸，這樣的安裝方式不但確保了線圈絕緣基體的內表面與芯軸同軸，而且避免了在較高溫度的環境中時襯套把絕緣基體脹開裂。
[0022]另外，以芯軸的圓柱形外表面為基準分段精車襯套的外表面和環形槽直至設計尺寸，從而確保芯軸的外徑、襯套的外徑以及環形槽的外徑的同軸度。芯軸為金屬件，通過精密加工獲得，其同軸度小于0.05毫米。通過本方法，獲得的芯軸外徑，襯套外徑以及環形槽外徑的同軸度小于0.1毫米。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]通過下面結合附圖的詳細說明，本發明的這些和其它目的和優點將變得更清楚，附圖中:
圖1是包括根據本發明實施例的感應式測井儀器探頭短節的芯軸組件的感應式測井儀器的外形圖。
[0024]圖2是根據本發明實施例的感應式測井儀器探頭短節的線圈天線陣列的外形圖。
[0025]圖3A是根據本發明實施例的感應式測井儀器探頭短節的芯軸組件的立體圖。
[0026]圖3B是根據本發明實施例的感應式測井儀器探頭短節的芯軸組件的外形圖，芯軸組件水平放置。
[0027]圖4A是根據本發明實施例的感應式測井儀器探頭短節的芯軸組件的A-A剖視圖。
[0028]圖4B是根據本發明實施例的感應式測井儀器探頭短節的芯軸組件的B-B剖視圖。
[0029]圖5是根據本發明實施例的感應式測井儀器探頭短節的芯軸組件的加工毛坯示意圖。
[0030]其中:電子線路短節11，前置放大短節12，探頭短節13，芯軸21，線圈天線陣列22，襯套32，鍵槽33，環形槽34，出線孔35，螺紋36，螺紋37，線槽41。
【具體實施方式】
[0031]下面結合附圖和具體實施例通過示例性的方式對本發明做進一步的詳細說明。
[0032]如圖1所示，感應式測井儀器一般由電子線路短節11，前置放大短節12和探頭短節13組成。這些短節連接后向上連接測井儀器串的其他短節，最后連接馬龍頭和測井電纜至地面采集系統。電子線路短節11和前置放大短節12中裝有測井儀器的電源、發射和采集電路以及通訊電路。探頭短節13中裝有測井儀器的傳感器。電子線路短節11和前置放大短節12為金屬材料制成，承載外部140Mpa的環境壓力；而探頭短節13的外殼為非金屬材料制成，內部由硅油填充，通過裝置把外部HOMpa的環境壓力引導至硅油，確保硅油和外部140Mpa的環境壓力相同。
[0033]如本文使用的那樣，術語“短節”指的是一種電子模塊，其包括多個電子單元且被適當地包裝和固定以便于使用。同樣，術語“探頭短節”指的是包括被適當地包裝和固定的多個探頭單元的探頭模塊，且可以與術語“探頭模塊”互換地使用。
[0034]如圖2所示，感應式測井儀器探頭短節13包括芯軸組件和沿芯軸組件的軸線設置的線圈天線陣列22，所述線圈天線陣列22通過在絕緣基體上纏繞導線形成。感應式測井儀器探頭短節13的線圈天線陣列22依次排布在芯軸組件上。
[0035]如圖3A所示，所述芯軸組件包括芯軸21和軸向隔開的多個襯套32，所述多個襯套32同心地包覆在芯軸21的圓柱形外表面上。所述絕緣基體安裝在所述襯套32上。作為一個例子，圖3A中襯套32分為4段，即4個獨立的襯套32。然而，應當理解的是，探頭短節13可以包括其它數量的襯套32，例如但不限于2、3、5等等，而不偏離本發明的范圍。
[0036]如圖3B所示，芯軸21為細長中空圓管，其長細比超過100，材料為金屬合金。所述襯套32由耐高溫玻璃鋼制成。所述芯軸21和所述襯套32具有大致相同的熱膨脹系數。芯軸21的同軸度小于0.05毫米。感應式測井儀器工作過程中，溫度可達180°C，然而由于芯軸21和襯套32的熱膨脹系數大致相同，而且是絕緣基體的兩倍左右，絕緣基體的圓柱形內表面只同所述O型密封圈接觸，這樣的安裝方式不但確保了線圈絕緣基體的內表面同芯軸21同軸，而且避免了在較高的溫度環境時襯套32把絕緣基體脹開。
[0037]根據本發明的優選實施例，芯軸21的兩端分別包括第一帶螺紋部分36和第二帶螺紋部分37，分別與測井儀器的其他構件連接。然而，應當理解的是，芯軸21的兩端可以通過其它連接方式與測井儀器的其他構件連接，而不偏離本發明的范圍。
[0038]根據本發明的優選實施例，所述襯套(32)在剖面B-B處具有鍵槽33，鍵槽用來安裝約束絕緣基體周向自由度的鍵。
[0039]根據本發明的優選實施例，所述襯套32的外表面具有軸向延伸的多個線槽41，所述多個線槽41分布在所述襯套32的外表面上。芯軸21和襯套32均在相同位置具有沿著徑向方向延伸的出線孔35，感應式測井儀器的發射信號線從出線孔35中引出。
[0040]如圖3B所示，作為一個例子，所述襯套32的外表面具有多個環形槽34，用于接收O型密封圈。所述多個環形槽34沿著襯套32的軸向分布。絕緣基體的內表面只與O型密封圈接觸。所述環形槽34的外徑，襯套32的外徑和芯軸21的外徑同軸。絕緣基體的內表面通過O型密封圈和芯軸21同軸。
[0041]如圖4A-4B所示，襯套32同心地包覆在芯軸21的圓柱形外表面上構成本發明所述的感應式測井儀器探頭短節13的芯軸組件。芯軸21的材料為合金，具有一定的強度和剛度。襯套32的材料為玻璃鋼。所述鍵槽33在這里是半圓槽。芯軸21具有中心圓孔。所述襯套32具有多個沿著軸向延伸的線槽41，線槽41具有矩形截面。線槽41分布在玻璃鋼襯套32的外表面上，感應式測井儀器的信號線放置在這些線槽41里。芯軸21和襯套32共同具有的出線孔35通向芯軸21的中心圓孔，感應式測井儀器的發射信號線從出線孔35中引出。
[0042]現在參考圖5描述這種感應式測井儀器探頭短節13的芯軸組件的成形方法。
[0043]首先，在芯軸21的圓柱形外表面上沿著軸向分段緊固金屬嵌件，所述金屬嵌件為圓管，所述圓管剖開后緊固在芯軸的圓柱形外表面上。具體地，圓管沿徑向剖切為兩半相同的C形結構，并緊固在芯軸21的圓柱形外表面上。如圖5所示，作為一個例子，圖中3個不加工表面的位置分別裝有3套金屬嵌件52。金屬嵌件為圓管，套在芯軸21的圓柱形外表面上。然而，應當理解的是，在芯軸21的圓柱形外表面上可以安裝其它數量的金屬嵌件52，例如但不限于2、4、5等等，而不偏離本發明的范圍。
[0044]然后，在芯軸21的圓柱形外表面上和金屬嵌件52上纏繞玻璃鋼，纏繞后如虛線53所示的探頭芯軸的加工毛坯。
[0045]以纏繞玻璃鋼的圓柱形外表面為基準粗車玻璃鋼直到出現金屬嵌件52。然后，卸除金屬嵌件52。
[0046]在車床上分段夾持金屬嵌件所覆蓋的芯軸圓柱形外表面，如圖5中的不加工表面
符號t/所示的位置。于是，以芯軸21的圓柱形外表面為基準分段精車襯套32的外表面
和環形槽直至設計尺寸。最終得到如圖3A所示的芯軸組件，圖中襯套32包覆在芯軸21圓柱形外表面上。作為一個例子，圖3A中襯套32分為4段。
[0047]最終，芯軸21的同軸度小于0.05毫米時，可以確保芯軸21外徑，襯套32外徑以及環形槽34外徑的同軸度小于0.1毫米。
[0048]本發明的有益效果如下:
(I)根據本發明的芯軸組件采用多個襯套32包覆芯軸21的結構形式，確保芯軸21金屬空心管結構的完整性，該結構作為感應式測井儀器平衡電位的導體，具有空間一致性。即芯軸21的圓柱形外表面具有相同的電位。
[0049](2)絕緣基體的圓柱形內表面只與安裝在環形槽34里的O型密封圈接觸，這樣的安裝方式不但確保了線圈絕緣基體的內表面與芯軸21同軸，而且避免了在較高溫度的環境中時襯套32把絕緣基體脹開裂。
[0050](3)以芯軸21的圓柱形外表面為基準分段精車襯套32的外表面和環形槽直至設計尺寸，從而確保芯軸21的外徑、襯套32的外徑以及環形槽34的外徑的同軸度。芯軸21為金屬件，通過精密加工獲得，其同軸度小于0.05毫米。通過本方法，獲得的芯軸21外徑，襯套32外徑以及環形槽34外徑的同軸度小于0.1毫米。
[0051]應該理解的是，實施例僅用以說明而非限制本發明的技術方案。盡管參照實施例對本發明進行了詳細說明，但是本領域的普通技術人員應當理解:依然可以對本發明進行修改或者等同替換，而不脫離本發明的精神和范圍，而所附權利要求意在涵蓋落入本發明精神和范圍中的這些修改或者等同替換。
【權利要求】
1.一種用于感應式測井儀器探頭短節(13)的芯軸組件，所述感應式測井儀器探頭短節(13)包括沿芯軸組件的軸線設置的線圈天線陣列(22)，所述線圈天線陣列(22)通過在絕緣基體上纏繞導線形成，所述芯軸組件包括芯軸(21)和軸向隔開的多個襯套(32)，所述多個襯套(32)同心地包覆在芯軸(21)的圓柱形外表面上，所述絕緣基體安裝在所述襯套(32)上。
2.根據權利要求1所述的芯軸組件，其特征在于:所述芯軸(21)為細長中空圓管，其長細比超過100，材料為金屬合金；所述襯套(32)由耐高溫玻璃鋼制成，所述芯軸(21)和所述襯套(32 )具有大致相同的熱膨脹系數。
3.根據權利要求1所述的芯軸組件，其特征在于:所述芯軸(21)的兩端分別包括第一帶螺紋部分(36 )和第二帶螺紋部分(37 )。
4.根據權利要求1所述的芯軸組件，其特征在于:所述襯套(32)的外表面具有軸向延伸的多個線槽(41)，所述多個線槽(41)分布在所述襯套(32)的外表面上。
5.根據權利要求1所述的芯軸組件，其特征在于:所述襯套(32)和所述芯軸(21)在相同位置具有沿著徑向方向延伸的出線孔(35)。
6.根據權利要求1所述的芯軸組件，其特征在于:所述襯套(32)的外表面具有多個環形槽(34)，用于接收O型密封圈，所述多個環形槽(34)沿著襯套(32)的軸向分布，絕緣基體的內表面只與O型密封圈接觸；所述多個環形槽(34)、所述襯套(32)和芯軸(21)同軸。
7.根據權利要求1所述的芯軸組件，其特征在于:所述襯套(32)具有鍵槽(33)，用來安裝約束所述絕緣基體周向自由度的鍵。
8.根據權利要求7所述的芯軸組件，其特征在于:所述鍵槽(33)具有半圓形截面。
9.一種感應式測井儀器探頭短節(13)，包括: 芯軸組件，所述芯軸組件包括芯軸(21)和軸向隔開的多個襯套(32)，所述多個襯套(32)同心地包覆在芯軸(21)的圓柱形外表面上；和 沿芯軸組件的軸線設置的線圈天線陣列(22)，所述線圈天線陣列(22)通過在絕緣基體上纏繞導線形成，所述絕緣基體安裝在所述襯套(32 )上。
10.根據權利要求9所述的感應式測井儀器探頭短節(13)，其特征在于:所述芯軸(21)為細長中空圓管，其長細比超過100，材料為金屬合金；所述襯套(32)由耐高溫玻璃鋼制成，所述芯軸(21)和所述襯套(32 )具有大致相同的熱膨脹系數。
11.根據權利要求9所述的感應式測井儀器探頭短節(13)，其特征在于:所述芯軸(21)的兩端均設置有螺紋(36，37)。
12.根據權利要求9所述的感應式測井儀器探頭短節(13)，其特征在于:所述襯套(32)的外表面具有軸向延伸的多個線槽(41)，所述多個線槽(41)分布在所述襯套(32)的外表面上。
13.根據權利要求9所述的感應式測井儀器探頭短節(13)，其特征在于:所述襯套(32)和所述芯軸(21)在相同位置具有沿著徑向方向延伸的出線孔。
14.根據權利要求9所述的感應式測井儀器探頭短節(13)，其特征在于:所述襯套(32)的外表面具有多個環形槽(34)，用于接收O型密封圈，所述多個環形槽(34)沿著襯套(32)的軸向分布，絕緣基體的內表面只與O型密封圈接觸；所述多個環形槽(34)、所述襯套(32)和芯軸(21)同軸。
15.根據權利要求9所述的感應式測井儀器探頭短節(13)，其特征在于:所述襯套(32)具有鍵槽(33)，用來安裝約束所述絕緣基體周向自由度的鍵。
16.根據權利要求15所述的感應式測井儀器探頭短節(13)，其特征在于:所述鍵槽(33)具有半圓形截面。
17.—種制造感應式測井儀器探頭短節(13)的芯軸組件的方法，包括: 在芯軸(21)的圓柱形外表面上沿著軸向分段緊固金屬嵌件(52)，所述金屬嵌件為圓管，所述圓管剖開后緊固在芯軸的圓柱形外表面上； 在芯軸(21)的圓柱形外 表面上和金屬嵌件上纏繞玻璃鋼； 以纏繞玻璃鋼為基準粗車玻璃鋼直到出現金屬嵌件； 卸除金屬嵌件，以形成軸向隔開的多個襯套(32);以及 夾持金屬嵌件所覆蓋的芯軸(21)的圓柱形外表面，且以芯軸(21)的圓柱形外表面為基準精車襯套(32)的外表面。
【文檔編號】E21B47/00GK103696754SQ201210366467
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2012年9月28日 優先權日:2012年9月28日
【發明者】謝昱北, 肖加奇, 姚春明, 朱瑞明 申請人:中國石油集團長城鉆探工程有限公司