(中國石油集團大慶鉆探工程公司測井公司 黑龍江 大慶 163412)

·開發(fā)設計·

SDZ-3000伽馬探測器減震裝置的改進

趙廣平

(中國石油集團大慶鉆探工程公司測井公司 黑龍江 大慶 163412)

分析了SDZ-3000遙測伽馬儀探測器在水平井測井中經(jīng)常出現(xiàn)晶體損壞的現(xiàn)象，建立了橡膠墊力學模型和泡沫塑料力學模型，得出減震器的理論設計方法，并應用于減震器的改進設計中。實際應用情況表明，改進后的儀器故障率降低，節(jié)約了成本，增強了儀器的耐用性。

遙測伽馬儀器；探測器；故障；減震

0 引 言

自然伽馬測井是測量巖層中自然存在的放射性核素衰變過程中放射出來的總自然伽馬射線強度，來研究地層性質(zhì)的一種測井方法[1]。自然伽馬測井儀主要是利用碘化鈉晶體作為閃爍體，接收自然伽馬射線而產(chǎn)生熒光。光電倍增管搜集熒光產(chǎn)生電子，通過整形、計數(shù)，計算出地層的伽馬值[2]。因此作為傳感器的伽馬探測器(晶體+光電倍增管)的穩(wěn)定性[3]，直接影響到自然伽馬的測量結(jié)果。

由于探測器是易碎物品，不能受到大的沖擊和振動。而SDZ-3000型自然伽馬測井儀在大慶油田主要用于水平井測井。而在水平井測井過程中，通常采用鉆桿推動的方法進行測井，因此在對接或井況不好的情況下，會產(chǎn)生很大的沖擊和振動，很容易造成探測器的損壞。本文主要針對遙測伽馬儀器探測器的減震裝置設計的弱點，進行了改進。

1 SDZ-3000遙測伽馬探測器減震裝置

SDZ-3000遙測伽馬探測器減震裝置主要由三部分組成：貫通線、上接頭保護座、下接頭保護座[4]。上接頭保護座其形狀如下圖1所示：晶體下接頭為帶螺絲眼的形狀，其下接頭的殼體上根據(jù)螺絲尺寸大小設置了幾個圓形的螺絲孔，以固定晶體的位置。其晶體上接頭通過帶扣的方式與裝有光電倍增管的外殼相連接，從而固定晶體的位置。

圖1 改造前遙測伽馬探測器實物圖

此種設計能起到固定晶體的作用，但是在測水平井時，強沖擊力的作用下，此設計就有一定的缺陷，當受到大的沖擊時，其螺絲眼與螺絲大小一樣，沒有活動的空間，上接頭與光電倍增管相連接，因此沖擊力全部加在光電倍增管和晶體上，很容易造成探測器損壞。而一個晶體和一個光電倍增管價格為1.85萬元，因而對探測器減震裝置的改進顯得尤為重要。

2 改進方案

為了找到解決辦法，我們對SDZ-3000測井儀自然伽馬減震裝置的結(jié)構(gòu)進行了研究和分析。發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)存在兩個弱點，一個為螺絲孔大小與螺絲眼大小相同，導致在儀器受到?jīng)_擊時，螺絲孔沒有可以退讓的空間，造成晶體受力，從而損壞。同時，該減震裝置下接頭與晶體之間有一定的空隙。而此空間如果裝入具有彈性形變的材料，那么晶體就將受到保護。因此，本文主要從以上兩個方面進行了改進。

2.1 對底座的改進

由圖1可得出改造前的底座螺絲孔，其形狀為圓形，大小和緊固螺絲一致。一旦儀器受到?jīng)_擊，則該螺絲孔就會變成一個弱點，從而發(fā)生變形，嚴重時連螺絲一起發(fā)生變形，造成維修的時候，連螺絲都無法拆卸，不得不采用破壞性的拆卸。對此情況，我們將螺絲孔進行了改進。其改造后的底座螺絲孔如圖2所示，我們由原來的圓形螺絲孔改成了長方形，這樣一旦晶體受到?jīng)_擊，螺絲有一定的緩沖空間，使晶體的受力就會小一些，從而保護了晶體。

圖2 改造后遙測伽馬探測器實物圖

2.2 加裝減震器

減震器由橡膠墊和泡沫塑料串聯(lián)組成，如圖2所示。由于橡膠的特點是既有高彈態(tài)又有高黏態(tài)，橡膠的彈性是由其卷曲分子構(gòu)象的變化產(chǎn)生的，橡膠分子間相互作用會妨礙分子鏈的運動，又表現(xiàn)出黏性特點，以致應力與應變往往處于不平衡狀態(tài)。橡膠的這種卷曲的長鏈分子結(jié)構(gòu)及分子間存在的較弱的次級力；使得橡膠材料呈現(xiàn)出獨特的黏彈性能，因而具有良好的減震和緩沖性能[5]。橡膠部件因為其具有滯后、阻尼及能進行可逆大變形的特點，我們將其應用到晶體減震中來。

將橡膠減震墊放在晶體下端與底座的連接處，使得晶體與底座不再是硬連接，而是有一個彈性保護減震墊，起到很好的減震作用。

泡沫塑料有較高的內(nèi)阻尼，空間利用率大、易于成型、不需要維護保養(yǎng)等優(yōu)點，而且采用泡沫塑料制作的減震器可以有效地降低及消除寬頻帶的隨機振動及多共振峰的機械振動，同時也具有良好的緩沖效果。

將橡膠和泡沫塑料串聯(lián)組合使用，構(gòu)成減震器，充分利用橡膠和泡沫塑料的特性，能很好地實現(xiàn)減震效果。

3 橡膠減震設計原理

減震墊的承載元件是橡膠塊，具有剛度K和阻尼C。減震墊在探測器中用于被動隔振，假設減震墊各個支撐點受力均勻，其力學模型可簡化為如圖3所示，

圖3 橡膠墊力學模型

橡膠減震墊的減振大小由振動傳遞率表示：

(1)

圖4 不同tanδ值下傳遞率與v的關(guān)系

一般情況下，可將應力-應變關(guān)系假設為線性關(guān)系，從而用有效壓模量Ec來評價減震墊的特性。橡膠材料的Ks比K小，Ks/K一般為1.2～2，且橡膠材料阻尼值越大，Ks越大[6]。

式中，Ks為減震墊的靜剛度，N·mm-1；Ec為減震墊的有效壓縮模量，MPa；S為減震墊的有效載荷面積，mm2；h為減震墊高度，mm；

減震墊幾何形狀對模量的影響極大，Ec與外形的關(guān)系式為：

Ec=E0(1+2kC2)

式中，E0為橡膠材料的楊氏模量；C為減震墊的形狀因數(shù)；k為材料特性校正因數(shù)，一般取0.5～1。

為避免應力集中，減震墊應該采用合適的結(jié)構(gòu)，杜宇圓柱形減震墊，為保證減震墊受力穩(wěn)定及不產(chǎn)生彎曲變形，一般取h/D<1，D為減震墊直徑[7,8]。

4 泡沫塑料減震設計原理

泡沫塑料的靜力學特性和動力學特性都呈現(xiàn)出明顯的非線性特性，對變形速度很敏感，因而它的靜力學特性和動力學特性的差別很大，如圖5所示。

圖5 泡沫塑料的應力-應變曲線

泡沫塑料的壓縮過程是泡沫塑料吸收能量的最有效的狀態(tài)。在壓縮過程中，泡沫塑料的阻力由泡沫塑料本身的彈性力，粘彈性力和虛擬粘彈性力組成。其力學模型可用圖6來描述。

圖6 泡沫塑料的力學模型

泡沫塑料的振動傳遞率為:

泡沫塑料力學模型中的非線性彈簧元件反映了軟質(zhì)泡沫塑料的固有彈性特性，滿足方程如下：

泡沫塑料力學模型中的麥克斯韋元件反映了其粘彈性效應和虛擬彈性效應，滿足如下方程：

5 減震器減震效果

5.1 理論計算與試驗結(jié)果對比

減震器采用橡膠墊和泡沫塑料串聯(lián)組合方式構(gòu)成。減震器減振能力大小由振動傳遞率T來表述，當減震橡膠和泡沫塑料串聯(lián)組合在一起時，減震器的傳遞率為：

T=T1·T2

(1)

其中T1、T2分別為橡膠墊和泡沫塑料的振動傳遞率。

實際測得試驗結(jié)果，對比理論計算如圖7所示和表1。

圖7 理論計算與試驗結(jié)果對比

表1 試驗值與計算值對照表

*注：g≈9.8 m/s2

對比理論計算值與試驗值可以看出，減震器的力學模型是可靠的，可以滿足工程設計要求。

5.2 改進效果

改進前，平均一年損壞4個晶體，2個倍增管，共計68 400元。水平井下井底對接時沖擊力大，如果導致晶體碎裂，需要全部儀器串起鉆需4～5 h，更換儀器重新下放到井底需6～7 h，可節(jié)約測井隊和井隊時間10～12 h，成本在2萬元左右。

改進后，自2013年5月投入使用后上井40余口次，未出現(xiàn)損壞現(xiàn)象。不僅大大減少了經(jīng)濟損失，而且大大提高了作業(yè)效率和下井成功率。

6 結(jié)束語

本文對減震器中的橡膠墊和泡沫塑料建立了非線性力學建模，得出減震器的設計方法。通過試驗結(jié)果與理論計算對比可以看出，減震器的力學模型可靠，設計方法滿足工程設計要求。

將此設計方法應用在探測器中的減震器設計中，并對比改進前和改進后的遙測伽馬儀器探測器故障率得出，改進后的探測器故障率降低80%。

因此改進后的裝置對探測器進行了有效的保護，降低了損耗，降低了探測器的故障率，節(jié)約了生產(chǎn)成本，提高了作業(yè)效率。

[1] 龐巨豐.測井原理及儀器[M].北京：科學出版社,2008:289-316.

[2] 中國電子科技集團第22研究所.SDZ3000快速測井平臺(電路篇)[Z].2008.

[3] 宋德杰.傳感器技術(shù)與應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2014:108-129.

[4] 中國電子科技集團第22研究所.SDZ3000快速測井平臺(結(jié)構(gòu)篇)[Z].2008.

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[8] 李樹森，王開和，徐 瑋.空調(diào)壓縮機選頻隔震減震降噪研究[J].噪聲與振動控制，2003,24(3)：27-30.

ImprovementofSDZ-3000GammaDetectorDampingDevice

ZHAOGuangping

(WellLoggingCompany,DaqingDrillingandExplorationCorporation,CNPC,Daqing,Heilongjiang163412,China)

The crystal damage phenomenon of SDZ-3000 telemetry gamma ray detector in horizontal well logging was analyzed, the mechanical models of rubber mat and plastic foam were established, and the theory design method of shock absorber was obtained and applied to improvement design. The practical application shows that the failure rate of the instrument is reduced, the cost is saved, and the durability of the instrument is enhanced.

telemetry gamma instrument； detector； fault； shock absorption

趙廣平，男，1968年生，工程師，2007年畢業(yè)吉林大學計算機應用軟件專業(yè)，現(xiàn)從事儀修工作。E-mail: dqzhaogp@163.com

P631

A

2096-0077(2017)05-0005-04

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.05.002

2016-11-07編輯屈憶欣)