石油钻井用井下仪器的抗震性设计综述

安立恒

摘 要 钻井用井下仪器在工作时不仅要实现其作业功能还要承受巨大的振动和冲击，这就要求仪器整体都要具备抗震性，这样才能保障作业的成功率和作业的安全性。

关键词 石油钻井;井下仪器;抗震

在整个钻井和随钻测量的过程中，由于钻头实时在冲击地层，所以会给井下钻测仪器带来巨大且不规则的振动和冲击。井下仪器在工作过程中要承受这些振动和冲击就应具备合理的抗震结构设计和合理的抗震装配工艺。下面我就阐述下这些抗震选材、抗震结构设计和抗震装配工艺。

1 仪器的选材

（1）仪器钻铤的选材：根据仪器井下作业的振级和环境工况，钻铤本体应选择高强度、高韧性、高耐腐蚀性、非磁性、良好的高温性，加工性、焊接性的金属材料，例如Inconel 718或10NiCrMoTiB1515都是不错的选择[1]。

（2）电子元器件的选择：为了增加整体电路的抗震性，电子元器件需要选择抗震性能优良的，元器件的防振规格要满足振动加速度不小于8g。

2 仪器结构的抗震设计和装配工艺

（1）仪器钻铤和仪器骨架的装配固定方式

首先在仪器骨架的两端位置使用锁紧涨紧机构把仪器骨架牢固的固定在仪器钻铤的内壁，其次在仪器骨架的中轴方向均布扶正环和扶正密封圈来避免巨大的冲击和振动。

（2）仪器钻铤连接处螺纹的表面特种工艺和装配工艺

①为了增加螺纹表面的强度可以采用喷丸工艺;②钻铤连接处的螺纹必须施加扭矩，根据仪器的材质和螺纹的大小确定施加扭矩的大小;在公螺纹与仪器骨架之间安装阻尼垫片，最佳的阻尼垫片为尼龙材质。③为了防止螺纹表面发生裂纹的风险，在安装在之前需在螺纹表面均匀地涂抹铜基丝扣油。

（3）配件与钻铤的连接方式设计

①配件与钻铤的最佳连接方式为螺纹连接。螺纹需做喷丸或镀铜处理。②对于不宜使用螺纹连接的配件，需要设置固定附件、限位卡簧、波纹弹簧为组合的方式进行连接。③执行机构之间最佳连接方式为弹性联轴器连接，例如泵和马达的连接、电机和泵的连接、马达与减速机的连接等。

（4）仪器固定螺钉材质的选择和装配工艺

①仪器表面的固定螺钉及仪器内部的关键部位的固定螺钉需选择强度等级为A4-100或以上的防锈螺钉。②钻铤表面的固定螺钉在安装时需涂抹高强度螺纹胶。③螺钉需要根据强度等级施加扭矩。④螺钉需要加装防松垫圈。

（5）仪器内部密封处的抗震设计

①仪器内部密封方式以密封圈密封方式为最佳选择，如果密封处尺寸空间足够建议使用双密封圈结构并且密封圈直径不小于3毫米。②为了达到更好的抗震效果，可以在密封处加装挡圈，PEEK材质为挡圈的最佳材质。③密封处在安装时需在密封圈表面均匀涂抹硅脂。

（6）仪器电路固定方式的抗震性设计及装配工艺

①为了提高电路的抗震性，电路板需进行灌胶处理，且胶块的四周需做成网格状。②电路板与电子元器件需进行可靠的焊接，焊接标准应符合 IPC J-STD-001E标准规范。③若电路板安装处的空间尺寸足够，可设计一层金属护套来避免电路板的与仪器本体的相对运动。④电路插接件连接时一定要用螺钉和弹性垫圈的组合固定，且在螺钉的螺纹均与的涂抹绝缘紧固剂，在螺钉拧紧之后还需在螺帽处涂抹室温硫化硅橡胶来提高其连接处的抗震效果。⑤对于不满足灌胶工艺处理的电路板，需在连接螺钉处加装抗震垫，抗震垫的材质最佳选择为硅胶。⑥电路的连接线相对于仪器本体要进行可靠的固定，需使用高温胶带和EVA胶带的组合将导向固定在仪器的本体上，且在线束的接头处要使用扎线绳将线束本身捆绑，来提高其抗震能力。⑦液压闭环系统内部的线束需使用铜丝和本体进行捆扎。⑧对于不具备使用螺钉、绑线及室温硫化硅等固定的线路及接头处，需在其密封腔内注满硅脂来提高其抗震性。

（7）仪器本体轴承处的抗震性设计

①对于相对本体转动的部位，需要使用耐磨轴承，其中研磨部位的金属材料同样要求满足振动加速度等级不小于8g。②轴承本体设计以分体设计为最佳，能起到应力释放的效果让耐磨轴承更好的承受井下振动沖击，延长其使用寿命。③为防止研磨部位金属在振动条件下脱落，需采用硬质合金烧结技术来提高轴承本体的抗震性。④在轴承本体连接尺寸空间允许的情况下，可加装扶正密封圈来增加其抗震性。⑤可选择尺寸过盈配合、定位销和热装形式的组合来实现轴承与仪器本体的连接，也可选择螺纹形式与本体进行连接。⑥轴承自身若采用分体设计，可采用尺寸过盈配合、定位销和热装形式的组合作为连接方式。⑦若轴承与本体之间采用螺纹方式连接，需根据螺纹的尺寸施加合理的扭矩，以及加装波纹弹簧来减少井下振动对轴承产生的振动冲击。

（8）仪器本体销轴固定处的抗震性设计

①在仪器本体和配件连接方式不能选择螺纹连接或者过盈配合热装连接的方法时，可选择销轴的固定连接的方式。②销轴本体材质需选择高耐腐性、高强度、高韧性的金属材料，可选用TC4、Inconel 718或10NiCrMoTiB1515材料。③销轴与仪器本体接触表面，应加装铜材质保护套，并留有润滑脂孔，最佳的润滑脂为铜基润滑脂，用此减少销轴收到的振动冲击。④销轴的两端应加装孔用卡簧，防止销轴受振动冲击产生的轴向窜动。

（9）仪器钻铤表面的金属密封堵头的抗震性设计

这些金属密封堵头与仪器本体的连接方式以螺纹连接为最佳，并设置双密封圈槽，增大其抗震性，在堵头安装时需要在螺纹处均与涂抹螺纹紧固剂，密封圈处均与涂抹硅脂，拧紧时施加扭矩，并在最外侧安装孔用卡簧[2]。

3 结束语

对钻井用井下仪器进行抗震性设计是非常必要的，它是安全生产和仪器可靠性的前提条件。希望这些设计对行业内的技术人员有指导性的意义。

参考文献

[1] 葛亮，胡泽，陈平.井下工程参数随钻测试系统设计[J].传感器与微系统，2013，（8）：105-107

[2] 李迅科，周建良，李嗣贵，等.深水表层钻井动态压井装置的研制与应用试验[J].中国海上油气，2013，（6）：70-74，81.