一种电磁随钻测量系统中的电极的制作方法

本发明涉及石油、矿山以及地质勘探
技术领域：
，尤其涉及一种电磁随钻测量系统中的电极。
背景技术：
：众所周知，电磁随钻测量系统能够在钻井过程中实时测量井下工程、地质信息，然后使用低频电磁波将井下信息实时发送至地面。发射电磁信号使用的天线的材质和结构，对产生的电磁信号的性能有很大影响。目前使用比较广泛的一种天线为耦合式天线，其具有结构简单、易于加工、发射的电磁信号强度高以及激励效果稳定等优点。耦合式天线安装在钻铤上，由一节绝缘段将钻铤分成天线的上下两极，井下发射机将两路电信号施加于天线两端，即可激励生成相应的电磁信号发送给地面。耦合式天线由壳体和内部耦合组件构成，分别实现外部绝缘和内部绝缘。内部耦合组件为金属导体材质，由一段实心绝缘段分隔为上下两极。内部耦合组件的上下两极需要和壳体两级充分接触，才能成功激励生成电磁信号。由于内部耦合组件和井下发射机、电池、测量短节等井下仪器是采用座键的形式固定吊装在天线壳体内部的，因此，内部耦合组件的一极依靠座键和壳体接触导通，另一极则需要采取措施和壳体接触实现导通。目前主流天线的内部耦合组件与壳体的接触方式包括以下三种：(1)从内部耦合组件的下方开设凹槽，用螺丝固定弹簧片接触壳体。上述方法中弹簧片接触力较小，且不耐冲击和冲蚀容易损坏。(2)从内部耦合组件中伸出侧向的螺钉，将螺丝拧紧实现与壳体的接触导通。使用上述方法，每次仪器下井时都需要在井口将其重新拧紧。另外，钻井液容易随着螺钉的方向冲蚀壳体，在该点形成刺漏，危害钻井安全。(3)在内部耦合组件上浇铸爪式金属片或弯曲的弧形金属片，依靠张力和壳体压接。然而，这种外伸的金属片很容易被泥浆冲蚀损坏。另外，这种一体式结构导致金属片不可拆卸，一旦发生损坏必须全部更换，使用成本较高。技术实现要素：为了解决上述部分或全部技术特征，本发明提供了一种电磁随钻测量系统中的电极，用于将天线内部的耦合组件与天线壳体导通。电极包括多个弹性件以及固定弹性件上下两端的定位筒，多个弹性件沿定位筒的周向上间隔设置，弹性件的中部相对于两端向外凸出。当定位筒套装在耦合组件上时，弹性件的凸出部位与天线壳体的内壁接触。优选地，定位筒包括间隔开的上定位筒和下定位筒。弹性件为三个弓形金属片，弹性件的上端固定于上定位筒，弹性件的下端固定于下定位筒，相邻两个弹性件之间环向间隔为120°。在这种情况下，电极相对于天线内部的耦合组件与天线壳体独立成型，可以根据具体需要灵活拆卸和更换位置。这种独立成型式电极，一方面可以有效避免电流反复刺激内部耦合组件的同一位置，造成电腐蚀导致仪器损坏；另一方面，对于上座键和下座键结构的仪器都能使用，具有通用性。例如，当座键在上面时，电极安装在下方；当座键在下面时，电极安装在上方。进一步地，定位筒的端部均构造有20°的倒角。由此，钻井液只冲蚀定位筒，而不会冲蚀到本体。进一步地，定位筒的内侧端部构造有朝向弹性件中心方向倾斜的斜面。由此，可以避免仪器在井下工作时，由于钻井液的涡流效应，造成弹簧片和定位筒交界处的仪器本体被钻井液冲蚀而损坏的情况。进一步地，弹性件的凸出部位与所述天线壳体的内壁的接触为过盈配合，且过盈量为2mm-3.5mm。由此，既可以保证弹性件与天线壳体之间电接触良好，又可以避免因两者之间的摩擦力过大而造成仪器下井时下入困难的问题。在这种情况下，当弹性件与天线壳体之间的过盈量为2mm-3.5mm时，两者之间所对应的接触摩擦力为110-180N。上述摩擦力的范围是考虑施工现场因素、仪器下入情况和仪器自身重力的影响，在多次现场实验数据的基础上，对实验数据进行校正后而确定的最优值。进一步地，弹性件通过铆合的方式固定在电极上下两端的定位筒上。优选地，在定位筒上设有铆合螺孔，在所述弹性件上设有能与所述铆合螺孔配合的铆合螺钉。由此，可以增强弹性件与定位筒之间连接的牢固性，避免弹性件被钻井液冲蚀开，造成电极损坏的情况。进一步地，弹性件采用一体成型的方式浇铸而成。由此，可以保证多个弹性件的弯曲弧度一致，均匀地与天线壳体的内壁接触。进一步地，弹性件与定位筒均采用无磁金属材料制备而成，无磁金属材料包括铍青铜。天线壳体采用标准孔径的无磁钻铤制备而成。在这种情况下，制备的电极强度高，且不会产生电火花，进而不会对仪器电路造成损害。本发明的优点在于：(1)电极安装在天线的内部耦合组件上，可以根据需要灵活拆卸和更换位置，维护方便，使用成本低。(2)电极采用特殊结构设计，电接触性能良好，工作寿命长；且避免了下入时发生卡滞现象。(3)电极结构简单、可靠性高，在国内现有技术水平和加工工艺下容易实现，经现场施工应用证明，使用效果良好。附图说明在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：图1为本发明实施例的电极的结构示意图；图2为图1的A-A截面示意图；图3为本发明实施例的电极的弹性件与天线壳体之间过盈量的示意图；图4为本发明实施例的电极的弹性件与天线壳体之间过盈量的测定试验工装示意图。在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。具体实施方式下面将结合附图对本发明作进一步说明。如图1至图3所示，一种电磁随钻测量系统中的电极100，用于将天线内部的耦合组件7与天线壳体8导通。电极100包括多个弹性件3以及固定弹性件上下两端的定位筒2。如图2所示，多个弹性件3沿定位筒2的周向上间隔设置。多个弹性件3的中部相对于两端向外凸出，如图3所示，当定位筒2套装在耦合组件7上时，弹性件3的凸出部位与天线壳体8的内壁接触。在本发明的一个具体实施例中，电极100采用无磁、强度高且不产生电火花的金属导体材质，例如，铍青铜制备而成。电极100包括三个上下固定于定位筒2上面的环向相隔120°的弹性件3。电极100依靠多个弹性件3的弹性形变产生 的接触力和天线壳体8的内壁紧密接触，进而将耦合组件7与天线壳体8导通。优选地，弹性件3为弓形金属片。弓形金属片采用一体成型的方式浇铸而成，这样以便确保三个弓形金属片的弯曲弧度一致，进而能均匀的和天线壳体8的内壁紧密接触。在这种情况下，由于电极100是完全独立的设计，其在使用过程中可以直接套装在圆柱形的内部耦合组件7上，使用顶紧螺丝对电极100进行具体位置固定，并可以根据需要灵活拆卸和更换位置。这样，避免了电极100上的电流反复刺激内部耦合组件7的同一位置，造成电腐蚀，以至于导致仪器损坏。在本发明的一个具体实施例中，如图1所示，弓形金属片采用铆合的方式固定在电极100上下两端的定位筒2上。优选地，在所述定位筒2上设有铆合螺孔4，在所述弹性件3上设有能与铆合螺孔4配合的铆合螺钉1。这样，可以增强弓形金属片与定位筒2之间连接的牢固性，有效避免电极使用过程中被钻井液冲蚀开，造成电极损坏的情况。在本发明的一个具体实施例中，为了避免仪器在井下工作时，钻井液的涡流效应造成弓形金属片和定位筒2之间的交界处被冲蚀损坏，如图1所示，本发明将定位筒2向内侧设有升高部5，并做20°倒角6。这样，钻井液只冲蚀定位筒2，而不会冲蚀到本体；配合采用铆合固定弓形金属片、选择高硬度材质加工电极等手段，能大大延长电极100的使用寿命，满足现场使用的需要。为了保证电极100的电接触性能，弓形金属片与天线壳体8内壁之间的接触力应该确定在一个合适的范围内，因为接触力太小容易导致电接触不良，但接触力太大会造成仪器下井时下入困难。接触力的大小取决于弹性件3和天线壳体8内壁过盈配合的过盈量A，如图3所示，过盈量A为弓形金属片3相对于下入仪器后被压缩而发生形变的弓形金属片9在垂直于天线壳体8内壁方向上的变化量。A越大，产生的接触力越大，仪器下入时电极100的弹性件3和天线壳体8内壁的摩擦力就越大。为了确定过盈量A的尺寸，本发明设计了一种试验工装对过盈在壳体内壁产生的摩擦力F进行了测定，如图4所示。将内部耦合组件7和电极100连接固定好后，与压紧工装12进行装配，组成试验仪器串。压紧工装采用T字形结构，接头和内部耦合组件7的接头配套，采用螺纹拧紧，上端装有压力计11。取长度为1m的标准孔径无磁钻铤13作为模拟钻具，将试验仪器串居中穿过钻铤13，观察压力计11读数，然后取最大值，即为该过盈量A条件下产生的摩擦力F。 考虑到现场钻进过程中起下仪器时，电极100和天线壳体8内壁的配合面上均带有钻井液固相颗粒和岩屑，因此，下入仪器时产生的摩擦力要比上述试验中求得的实验数据大。考虑施工现场因素、下入工况和仪器自重影响后，在多次现场试验数据的基础上，对实验数据进行校正，最终确定摩擦力F在110N至180N范围内时是最优值。最后，根据试验工装，可以反推进而确定由不同的材质制备的电极的最佳过盈量A。在本发明的一个具体实施例中，使用发明中提供的试验工装对铍青铜材质的电极进行过盈量测试，不同过盈量所产生的摩擦力如表1所示。考虑仪器自重、下入工况，按照实际使用并校正后所提供的摩擦力F在110N至180N范围内是最优值的标准，确定当过盈量A取2mm-3.5mm时为最优。表1铍青铜材质的电极的过盈量和摩擦力关系数据过盈量A/mm摩擦力(N)是否卡滞1-1.560否2-2.5110否3-3.5180否4-4.5260否5-5.5350否综上所述，本发明涉及的电极装置可安装在耦合式天线中，使用时，可以将钻头、钻具组合以及耦合式天线依次连接组成工具串。本发明的电极结构简单、可靠性高且在国内现有技术和加工条件下容易实现。使用本发明的电极的电磁随钻测量系统工作稳定、数据连续，电极连续使用时间可超过200小时。虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。当前第1页1 2 3