周祺,张肖

(湖北工业大学工业设计学院,湖北武汉430068)

0 引 言

温度变化对感应测井仪测量结果有较大的影响,其影响因素包括电子电路的温度漂移和线圈系的温度形变[1]。通常整个感应测井仪器串上只设计一个温度传感器,仪器设计要求仪器串需工作在一个温度均匀度较高的环境,温度传感器的读数认为是整个测井仪器串的工作温度。生产车间求取仪器温度校正系数时,如果加温器的恒温效果差,仪器串各处温度不均匀,获得的校正系数用于实际测井中会带来较大误差,甚至错误的测量结果。

因此,温度均匀度是感应测井仪器加温器的重要技术指标。调研中发现,多数感应测井仪器加温器的加温腔结构设计不合理,设备温度均匀度、波动度和温度偏差等参数都有提升空间。

本文分析了感应测井仪器加温器,根据加温腔体的结构热传递特点,对测试条件要求较高的感应类测井仪器加温器加温腔的结构进行优化设计,对热量利用、环境保护、温度均衡等方面得到改善,同时扩展了设备的功能,对各类测井仪器加温器的设计与改进也具有参考价值。

1 感应测井仪器加温器优化设计

1.1 感应测井仪器加温器加温腔优化设计前后的热传递分析

通常感应测井仪器加温器加温腔几何形状接近管型,导热介质流动方向如图1(a)所示。在导热介质沿加温腔向前流动过程中,由于导热介质温度高于管腔周围的环境温度,在径向温差的作用下,导热介质携带的热能不断地向腔管外散失。由于加温腔外部空间无限大,这种热耗散永远不会停止,从加温腔A点到B点温度会逐渐降低,引起轴向温降,因此,如图1(a)所示的加温腔内部理论上永远不会达到恒温状态。即便加温腔裹覆了保温层,也只是减缓温降。轴向温降可用苏霍夫公式表示[2]

TL=T0+(TA-T0)eKπD L/(G C)

(1)

式中,D为加温腔外径;T0为周围环境温度;K为总传热系数;G为导热介质排量;C为导热介质的比热容;TA为加温腔入口的导热介质温度;L为导热介质离开加温腔入口的距离;TL为导热介质离开加温腔入口L处的温度。由式(1)可以得到如图2所示的加温腔轴向温降曲线。

图1 优化设计前后加温腔的结构示意图

图2 加温腔轴向温降曲线

由图2可以看出,加温腔内各处温度落在T～TA之间,不改变式(1)中的其他参数,只要提高加温腔周围环境温度T0,减小TA和T的温差可以改善加温腔内部的温度均匀度。因此,通过优化设计,改变加温腔外部无限大空间为有限空间[见图1(b)],在导热介质进入加温腔前先提高加温腔周围环境温度T0。导热介质首先由外腔从A点流动到B点,导热介质携带的热量部分传递给内腔,部分耗散到外界环境,到达B点温度最低;导热介质由内腔从B点流动到C点,把热量传递给感应测井器的同时也会从外腔吸取热量进行补偿,经过一段时间的热交换,测试仪器吸收足够的热量后,加温腔内部的热交换达到动态平衡。所以,采用如图1(b)所示双层加温腔结构可使设备的温度均匀度得到提高。

1.2 测井感应仪器加温器优化设计方案

测井感应仪加温器通常采用空气或特种油作为导热介质。空气为导热介质的优点:①对加温器各部件连接处的密封要求较低,易于维修保养;②无挥发物排放,不污染环境,适宜于室内安装;③加热过程中不污染仪器;④仪器加温结束后,热循环系统可及时转为降温系统,对仪器和设备实施风冷;⑤导热介质零成本。导热油为导热介质唯一优点是油的比热容大于空气,有利于制造加温腔外径更小的加温器。总体来讲,选择导热介质时建议优先考虑空气,除非特殊工艺要求才选择导热油。

图3为以空气为导热介质、以高温承压无感复合绝缘材料为构建材料的感应测井仪器加温器加温腔的结构示意图。如果采用特种导热油作为导热介质,需要对图3所示结构的加温内腔前后端进行设计修改,提高加温内腔[图3(a)中蓝色部分]导热介质的进出口高度,保证在加热循环过程中导热介质能充满加温内腔的内外空间。

图3所示结构仅说明了设计思想,未给出各部件的具体尺寸,在实际设计中需结合式(1),根据所选用导热介质的比热容、热循环系统的排量、感应仪器外径、构建设备所选用结构材料、设备外附绝热材料的热传导特性以及腔体对导热介质的摩阻等,综合计算腔体各部位导热介质的通过面积,计算方法可参考文献[3-7]。设备建设完成后,外表裹覆绝热层,绝热层的选择及各指标的计算可参考文献[8]。

图3 感应测井仪无感空气热介质加温器结构示意图

根据构建材料强度确定管腔厚度和支架间的最大跨度,支架2和支架3之间的距离要满足刻度环在滑道上移动扫过整个线圈系,设备安装时保证有4个支撑器分别落在4个支架的上部,使仪器串的大部分重量通过支撑器分散在4个支架上。加温腔与支架1通过限位箍固定,其他支架上的限位箍和加温腔保留一定间隙,而且在其他支架与加温腔的接触部位安装滚轮,保证加温腔热胀冷缩时能在支架2、3和4上轴向自由移动。

为进一步提高加温腔的温度均匀度,可在加温内腔管壁局部钻孔,形成导热介质回流支路,增加加温内腔内部温度补偿,具体钻孔位置和孔径可通过建模进行模拟计算。

2 结 论

(1)设计方案通过优化感应测井仪器加温器的热循环路线,提高了加温腔的温度均匀度,对提高感应测井仪测量精度具有重要意义。

(2)优化后的加温腔体,使暴露在环境中的管线减少,降低了导热介质热量耗损和泄漏风险,提高了加温效率。

(3)设计方案实现了加热过程中实时测试感应仪器对刻度环响应的功能,可为感应仪器的研发提供更丰富的实验数据。

(4)该方案可用作其他通用测井仪器加温器的设计参考。