石油测井仪用小型保温瓶的研制

王亚芳沙蒙钧

(南京大学物理系制冷实验室南京210093 Tel：025—3594252)

摘要：本文总结了石油超深井测试用小型保温瓶的研制情况，给出了保温瓶的技术指标，分析了设计 原 理．结构设计，漏热估算及实验结果．并提出了今后的改进措施．

关键词：保温瓶原理结构实验结果改进

随着石油工业的不断发展．对于测井的要求亦越来越高。目前，随着钻井深度的增加， 井 下温度亦越来越高．当井深超过5000米时，井内温度将达150"C，当井深超过7000米时，井内温 度将达200"C。而测井仪正常工作的环境温度不能超过125"C，因此必须使用一种隔 热装置。这 种装置就是测井仪专用金属保温瓶。近年来，测井仪正朝着小型化、多样化方向 发展。以前研 制的金属保温瓶已不能满足需求。为此，我们研制了JP．47型，JP-25型等小型金属保温瓶。现 以JP．25A型金属保温瓶为例．将它的研制情况分析如下：

1．技术指标及主要尺寸

1．1技术指标：

①环境境温度：150"C；②恒温时间：4H：③容器内温升1H一<24"C(无热源时)。

1 2主要尺寸：

①外径：030man：内径：中25mm；②容器总长：1190mm；③容器内有效长度：(指仪器部 分长度)800mm；④型式：单开口。

2．设计原理

由于该型号的容器内外胆之间间隙很小，仅1．5rrtrn，而管子总长又大于l米，由于管 子本身 的不直度可能超过1 toni，如果内外胆管壁相碰，外界热量将直接以传导的方式传入 内部，导 致隔热失效。因此，要想达到理想的隔热效果，除了提高内外胆的制造精度外．在 这狭小的空 间选择什么样的绝热系统便成了设计上的关键。国外同类产品中，有的是采用内 外管壁间镀银 的高真空绝热，有的是采用内外管间加一紫铜屏结构。这些绝热方式具有工艺 简单、效率高等 优点，但目前国内的加工工艺还不能达到要求。因此，我们采用目前广泛使 用的高真空多层绝 热系统。它具有成本低、可靠性强等优点。

2．1多层绝热特点：多层绝热系统是由具有高反射性能的金属屏及非金属间隔物交替叠置 组成，它是利用辐

射热流与反射屏屏数组成反比的原理即：

qr 2j而’q。r1

式中：N为温度T1一一T2间的反射屏数；qor是温度T，一一T2间没有加入屏时的辐射热

流。

利用这种特点，增加反射屏数，将能够有效地降低辐射热流。多层中的热传递过和是极 其 复杂的，这个过程是传导——辐射的复合热传递过程，它们之间是相互影响，相互制约的， 为了定性地说明绝热系统的性能，我们把传导和辐射热传递分开考虑。在真空条件下，采用 非 金属材料隔离的高反射屏间的热传递可以分成三个部份：

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q e珊+qs+％ 式中：qT_一辐射热传递分量；qs一固体热传导分量；‰一残余气体的热传 导分量。我们知道．辐热传递和反射屏数成反比，即q，和层密度成反比，因为随着层密 度增大，

的反射屏与隔离层间的压力也增大，从而接触热导增加。在这种情况下，总存在个最佳层密 度，而这个层密度的选择正确与否，会严重地影响绝热效果。

另外，残余气体的热传递分量‰一般说来，当系统的真空度度好于104mmhg时，它 已十分 小，可以忽略，为了完全消除气体热传导分量．这就要求系统必须保持低于104mmhg 的压力。实 验证明，多层绝热系统外部的压力要比层与层间的压力低2．3个数量级，当多层 外的压力达到 104mmhg时．多层内的压力才达10．2．10一mmhg。由此看来，提高多层的真 空度，对改善绝热效果有显著的意义。

多层的另一特点是热性能的各向异性，这种各向异性极容易看出，因为横向热导极小， 而 纵向热导大约要比横向热导率大3．5个数量级。这一特点，向多层的包扎工艺提出了严格 的要 求，如果包扎工艺不恰当，会改变理论上的多层温度分布，从而导致多层绝热效率的损 失。我 们对包扎采用梯度包扎法。实践证明．我们包扎方式与理论分析是吻合的。

2 2多屡材料的选择：

由于容器处在150℃以上的环境中，这就要求绝热系统不仅要有较高的绝热性能，而且 要有较高 的耐温性能，要达到这种绝热效果，必须要求良好的工艺性能，尤其是真空工艺性 能。我们采 用16 u的铝箔和30 u的玻璃纤维布，就其性能来看，是合适的。如果有更薄一 点的玻璃布，即可增 加层密度，对容器性能而言，将会得到进一步提高，

2 3吸热材料的选择：

由于容器处于1504C以上的环境中工作，绝热层很小，从外壁辐射的热量，口部漏热，加 上内部仪器工作时发出的热量等等。会使容器内的温度很快上升，使其不能满足测井工作所需 要的必要时间：我们利用某些材料的物理性能，把热量储存在容器内，以控制容器的温升，来 满足测井工作所需要的时间，美国开始使用金属低熔点合金，后来太部分己使用化学吸热剂。 我们一开始也采用了低熔点金属吸热剂，它在升温和熔化时，将仪器发出的热和容器的漏热吸 收掉大部分．从而保证了测井仪器能在规定时间正常工作。但金属吸热剂比重大，制造时毒性 大，对材料腐蚀性大，成本高。我们也改用了成本低，无毒性，比重小的非金属吸热剂，它吸 收的热量完全能符合我们的设计要求。

3．结构设计

JP一25A型金属保温瓶的结构设计分两部分考虑的，～部分是绝热容器部分，另一部分 是吸热部分。总体结构如下图：

图中：i保护罩：2．抽气管；3．吸气盒；4．外管；5．内管：6下吸熟体；7．上吸热体；8．隔热管塞体；9．堵头 3．1容器都分的设计及漏热计算．：由于容器使用条件的限制，外径必须小于中30mm，内 径必须大于中25nma-保证仪器

能装进去，而且要保证容器的有效长度不能小了800^{toni(指安装仪器的有效长度)a由于} 这些条 件的限制，这样就把容器的内外径限制在一个很小的范围内。我们选用耐腐蚀，导热 小的1Crl8Ni9Ti不锈钢制作．选用锫．铅16吸气剂来提高容器的真空和使用寿命。国外同 类产品是在真空层中安装了两组钛升华泵，容器在使用一段时间后，如果发现性能降低，可

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