一种随钻侧向电极系主‑屏一体式电极结构及其制备方法与流程

本发明属于油气田测井领域，具体涉及一种随钻侧向电极系主-屏一体式电极结构及其制备方法。

背景技术：

随钻侧向电阻率测井是实现并应用最早的一种随钻测井方法，是电路直接给钻铤、电极供电流进行聚焦。随钻电极电流型(不是通过线圈感应电流供电)聚焦能力强、电阻率测量范围大，但受技术及工艺水平的局限，目前为止未能成熟和广泛商业应用，其主要原因是：仪器电极之间、电极与钻铤之间的绝缘及其电极系绝缘带的耐磨性能无法满足随钻长时间、高温、高压钻井环境的需要。

随钻侧向电阻率测井仪电极与钻铤本体之间难以像电缆侧向电阻率仪器采用充油的办法来保证绝缘。随钻侧向电阻率测井仪需要电极系长时间在井下工作，其绝缘性能很容易降低；受到泥浆长时间冲刷，磨损也易导致电极环损坏、电气连接特性不稳定等。为解决以上问题，曾先后多次尝试过在钻铤与电极、主屏电极之间绕制玻璃钢、填充特定材料橡胶和喷涂陶瓷等，都没能满足绝缘要求。这些材料在高温高压长时间下井过程中其绝缘性能将变差，而且会经常出现绝缘值在下井后很快降低到很小，绝缘层受到冲刷严重等现象，满足不了传统侧向电阻率测井仪器对绝缘性能的高要求。通过调研和试验表明：在随钻钻铤上采用传统双侧向电极系结构难以达到侧向测井所要求的绝缘性能，目前钻铤上制作电极系工艺无法确保其性能。因此急需新型的主-屏一体式电极结构及制作方法，利用软屏蔽特性克服传统侧向仪器对电极系绝缘性能及制作工艺的较高要求，避免高温高压绝缘性能降低导致测井效果不佳，提高随钻侧向电阻率测井仪器的稳定性、可靠性。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种随钻侧向电极系主-屏一体式电极结构及其制备方法，用于解决现有技术的问题，本发明利用屏蔽电极封闭主电极的结构和主-屏电极的电极等电位设计达到仪器屏蔽效果，依此可以克服传统侧向电阻率测井仪器对电极系绝缘性能及制作工艺的高要求，提高深浅侧向电阻率的测量性能，满足在油气钻井环境中长时间稳定、可靠工作的需要。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种随钻侧向电极系主-屏一体式电极结构，包括钻铤本体，钻铤本体的外侧套设有第一绝缘层，第一绝缘层的外侧套设有屏蔽电极，屏蔽电极上设有环形安装槽，环形安装槽中设置有主电极，且主电极与屏蔽电极之间设置有第二绝缘层，屏蔽电极上设有供主电极的引线束通过的穿线孔。

进一步地，所述屏蔽电极被环形安装槽分为第一屏蔽电极和第二屏蔽电极，且第一屏蔽电极和第二屏蔽电极通过环形安装槽底部金属体连接。

进一步地，第二绝缘层包括位于主电极内侧的绝缘层以及位于主电极两侧的绝缘层，且位于主电极两侧的绝缘层外径和主电极、第一屏蔽电极以及第二屏蔽电极的外径一致。

进一步地，第二绝缘层为玻璃钢绝缘层或橡胶绝缘层。

进一步地，屏蔽电极的两侧分别设有若干电极环，且屏蔽电极两侧的电极环个数相等。

进一步地，屏蔽电极与其相邻的电极环之间以及相邻的电极环之间均设有绝缘层。

一种上述的随钻侧向电极系主-屏一体式电极结构的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：在钻铤本体的周向上制备第一绝缘层，然后在第一绝缘层的外侧安装屏蔽电极；

步骤二：在屏蔽电极的中部加工一个环形安装槽；

步骤三：对环形安装槽的表面进行打磨；

步骤四：在环形安装槽的底面制备绝缘层，并在此绝缘层上安装主电极，并将主电极的引线束从屏蔽电极内部的穿线孔穿出；

步骤五：在主电极与环形安装槽的两个侧面之间制备绝缘层，此绝缘层与步骤四制备的绝缘层共同形成第二绝缘层。

进一步地，屏蔽电极被环形安装槽分为第一屏蔽电极和第二屏蔽电极，且第一屏蔽电极和第二屏蔽电极通过环形安装槽底部金属体连接。

进一步地，主电极与环形安装槽的两个侧面之间的绝缘层外径和主电极、第一屏蔽电极以及第二屏蔽电极的外径一致。

进一步地，第二绝缘层为玻璃钢绝缘层或橡胶绝缘层。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

采用本发明的随钻侧向电极系主-屏一体式电极结构研制了样机并在油田进行了多口井测井试验，均得到了合格的深、浅侧向电阻率曲线，验证了该一体式电极结构的效果，该结构电极系降低了侧向仪器对电极间较高绝缘性能的要求，解决了在钻铤上利用传统工艺制作随钻侧向电极系时因引线结构复杂、材料选用困难、技术水平所限等因素造成电极绝缘值偏低、测值不准的难题，明显提高了随钻侧向电阻率测井仪器的稳定性和可靠性。该发明可应用于其它随钻侧向电阻率测井或电缆侧向电阻率测井仪器中。

利用本发明方法制备的随钻侧向电极系主-屏一体式电极结构，可以封闭主电极的电流，避免因底部绝缘层效果不好直接漏入钻铤本体。此外，依据侧向电阻率测井仪器工作原理，控制电路可以保证主电极、第一屏蔽电极或第二屏蔽电极的电位相等，利用主电极、第一屏蔽电极、第二屏蔽电极等电位特性就可以阻断因主电极绝缘不好、通过导线外皮或线槽流到回路电极的漏电流，以达到提高深、浅侧向电阻率的测量效果，降低侧向仪器对电极间绝缘性能的较高要求。

附图说明

图1为传统的侧向电阻率测井仪器主屏蔽电极系示意图；

图2为本发明的侧向电阻率测井仪器主-屏一体化电极结构示意图；

图3为本发明的侧向电极系一体式电极a1a0a1′结构示意图；

图4为本发明用于双侧向电阻率测井仪器电极系结构示意图；

图5为本发明用于三侧向电极系的结构示意图；

图6为本发明用于阵列侧向电极系的结构示意图；

图7为本发明用于方位侧向电极系的结构示意图。

其中，1、钻铤本体；2、第一绝缘层；3、第二绝缘层；4、第一引线束；5、第二引线束；6、第三引线束；a0、主电极；a1、第一屏蔽电极；a1′、第二屏蔽电极；a2、a2′、a3、a3′、……an、an′均为电极环；b、b′均为回路电极。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

传统侧向电阻率测井仪器电极系主-屏电极结构如图1所示，其弊端是主电极a0与钻铤之间的绝缘性能无法满足长时间、高温、高压钻井环境的需要，在仪器下井后随着绝缘层的性能下降，主电极a0电流可能会透过玻璃钢材料或顺着走线槽分流一部分漏到钻铤本体1上，将会降低侧向电阻率测井主电流的聚焦效果，导致电阻率测量值偏低。虽然电缆侧向电阻率测井电极与金属心轴之间可以采取充油的方式保证其绝缘性能，但随钻测井环境下难以实现。

为了克服随钻侧向电阻率测井时的上述问题和不足，本发明提出了一种随钻侧向电阻率测井仪器电极系主-屏一体化电极结构，特别适用于随钻侧向电阻率测井仪器，以提高深、浅侧向电阻率的测量效果，降低随钻侧向电阻率测井仪器对电极系绝缘性能的要求，本发明也可用于电缆侧向电阻率测井仪器。如图2所示，本发明采用屏蔽电极包围主电极a0的电极结构，即可在屏蔽电极的中部加工一个主电极a0的环形安装槽，且屏蔽电极上下两端分别作为第一屏蔽电极a1和第二屏蔽电极a1′，环形安装槽底金属体将第一屏蔽电极a1和第二屏蔽电极a1′连为一体；在环形安装槽底部缠绕玻璃钢或浇注橡胶绝缘层后在中部安装主电极a0，并将主电极a0引线(即第一引线束4)从第二屏蔽电极a1′内部的穿线孔中通过，该穿线孔应设计合适，既要保证第一引线束4能够顺利穿过，又要保证第一引线束4外皮能够和第二屏蔽电极a1′紧密接触上；最后再把主电极a0两边的绝缘层缠绕完成，并将其外径缠绕至与主电极a0和第一屏蔽电极a1外径一致。

该结构可以封闭主电极a0的电流避免因底部绝缘层效果不好直接漏入钻铤本体1。此外，依据侧向电阻率测井仪器工作原理，控制电路可以保证主电极a0、第一屏蔽电极a1或第二屏蔽电极a1′的电位相等，利用主电极a0、第一屏蔽电极a1、第二屏蔽电极a1′等电位特性就可以阻断因主电极a0绝缘不好、通过导线外皮或线槽流到回路电极的漏电流，以达到提高深、浅侧向电阻率的测量效果，降低侧向仪器对电极间绝缘性能的较高要求。

下面对本发明的制备过程做详细描述：

在整体屏蔽电极上加工主电极a0的环形安装槽，通过使用玻璃钢或者橡胶等高温耐磨绝缘材料填充方式，保证电极系主屏电极之间有一定的绝缘性；通过在屏蔽电极中加工穿线孔方式，让主电极a0的第一引线束4从上述穿线孔中引出，利用其主电极和屏蔽电极的电位相等原理和软屏蔽的设计思想，通过主屏电极等电位使主电流更好地达到聚焦效果，降低仪器对电极间较高绝缘性的要求，提高随钻侧向电阻率仪器在高温高压环境中长时间工作的稳定性和可靠性。

本发明结构是采用第一屏蔽电极a1和第二屏蔽电极a1′包围主电极a0、将监督电极a0*置于对应的主电极a0表层区域内，第一屏蔽电极a1和第二屏蔽电极a1′通过环形安装槽底金属体连为一体，在屏蔽电极中打一个穿线孔，让主电极a0、监督电极a0^*的引线从屏蔽电极穿线孔中引出，主电极a0和屏蔽电极之间通过玻璃钢或者橡胶等高温耐磨绝缘材料进行填充，玻璃钢绝缘层材料采用耐高温高压环氧树脂，橡胶绝缘层材料选用氟橡胶，加工孔中的过线可用于电气连接或其他用途，采用玻璃钢作为绝缘层进行填充是先在腔内抽真空，再用注射机注入树脂的vartm技术，将玻璃钢绝缘层缠绕在聚四氟乙烯涂层上；采用橡胶绝缘层进行填充是通过特殊模具将橡胶层均匀压胶成型，并附着于屏蔽电极和主电极a0间隙中，主电极a0以及其余电极环均为tc11无磁不锈钢，且采用上、下电极环相扣，通过销子固定后再电焊的固定方式，将电极环紧扣在第二绝缘层3外侧。该主-屏一体式电极结构及工艺方法可用于各种侧向电阻率测井仪，包括随钻和电缆侧向电阻率测井仪器。本发明可用于随钻/电缆双侧向电阻率测井仪，见图4；也可用于随钻/电缆三侧向电阻率测井仪，见图5；或用于随钻/电缆阵列侧向电阻率测井仪，见图6(电极环a3、a3′、……an、an′分别为阵列侧向的第三屏蔽电极至第n屏蔽电极对)；或用于随钻/电缆方位侧向电阻率测井仪见图7。

本发明的制备过程具体如下：

1)采用屏蔽电极包围主电极a0的电极结构，即可在钻铤短节(即屏蔽电极)的中部加工一个主电极a0的环形安装槽，屏蔽电极的上下两端分别作为第一屏蔽电极a1和第二屏蔽电极a1′，环形安装槽底金属体将两端连为一体。

2)处理打磨好环形安装槽内表面，以便于在其上绕制玻璃钢绝缘层或浇注橡胶绝缘层。

3)环形安装槽底部缠绕玻璃钢或浇注橡胶绝缘层后在中部安装一定宽度的主电极a0，并将主电极a0引线从第二屏蔽电极a1′内部的穿线孔中通过，该穿线孔应设计合适，既要保证第一引线束4能够顺利穿过，又要保证第一引线束4外皮能够和屏蔽电极紧密接触。

4)最后再把主电极a0两边的绝缘层缠绕或浇注完成，并将其外径缠绕或浇注至主电极a0、第一屏蔽电极a1和第二屏蔽电极a1′外径一致。

该随钻侧向电极系主-屏一体化电极结构可以在随钻双侧向电阻率测井仪的电极系设计中得到应用，其结构示意图如附图4所示。其中第二引线束5是随钻双侧向电极系制作时第一屏蔽电极的供电信号引线、第三引线束6是侧向电极系制作时电极a2、a2′之间的短路连线，b、b′均为侧向类仪器的回路电极。