大体积人造石岩性密度测井刻度模块的研究.pdf

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 2016年第6期       玻璃钢/复合材料 21   大体积人造石岩性密度测井刻度模块的研究           徐强,冯冬,刘杰,杨志高        (1.西京学院应用统计与理学院,西安710123;2.西京学院工程研究院,西安710123)    摘要:设计并制作了一种双参数刻度模块,可以使用同一组模块对岩性密度石油测井仪进行光电吸收指数(P值)和密 度两种参数的刻度校准。由于双参数人造石刻度模块可完成原需用光电吸收指数和密度两组模块完成的刻度工作,可使人造   石刻度模块的数目减少一半,节约了建造成本和保存成本。通过制作小样、中样、大样确定了模块的制作工艺,成功制造出了   致密、密度均匀、无开裂的大体积不饱和聚酯树脂模块,并使用特种天平对模块进行了密度定标,使其质量的测量精度达到  了克。           关键词:岩性密度测井仪;刻度;岩性密度标准模块;大体积人造石     —— 中图分类号:TB332文献标识码:A文章编号:1003-0999(2016)06002104 1前 言   岩性密度测井法是一种常规的测井技术,它是  在密度测井基础上发展起来的一种地球物理测井方 法,是原子核物理研究与应用的拓展技术¨ J。该方      法不仅可以划分出密度不同的岩层或矿层,而且与 其他测井资料(如声波测井、补偿中子测井及自然伽 马能谱测井等)相结合,能够准确地确定地层岩性、    孔隙度、矿物成分等。在采用含重晶石钻井液的井 中,光电吸收指数的局部高值可用来识别孔洞和裂  缝4。。为使岩性密度测井技术为地层评价有效地 提供服务,保证岩性密度测井仪的响应一致和准确   是极其重要的。 为了保证测量准确,测井仪器每过一段时间必 须进行刻度,即把仪器的输出电参数和地质参数的    转换关系做确认,这个工作是通过刻度模块来完成   的,且要求刻度模块的数据点尽量在仪器测量区间 内均匀散布,由于天然岩石无法满足这个要求,不足 的数据点由人造岩石补充。一     般由人造密度模块和人造光电吸收指数(P   值)模块各一组来完成天然石模块的数据点补充工 作。采用不饱和聚酯树脂和碳酸钙为主的原料的配   方设计后,可使用同一组人造石模块来完成这个工      作。用这种方法可以设计出密度在1.25~2.50g/     cm范围内和P值在0.90~124.07b/e范围内,两  个参数任意搭配的人造石刻度模块,这大大增加了  人造石刻度模块组参数设计的灵活性,并可节约一 半的建造成本。利用蒙特卡洛方法对i贝0井仪的探测               情况做模拟计算,得到模块的外形尺寸最小为700minx800ram× 1100mm的长方体¨  ,由于模块体  积较大,节约的经费非常可观。 作为专用计量标准,要求人造石模块致密、密度   均匀、表面及内部无裂缝。为满足刻度模块的要求, 选用近年发展起来的聚酯型人造大理石材料来制作 模块。聚酯型人造大理石是以不饱和聚酯树脂(Un-  “”  saturatedPolyesterResin,简称UPR)为粘合剂,加   入无机填料、固化剂及其他辅助试剂,经固化成型所     得的一种复合材料,它具有足够的强度、硬度,可耐   水、耐冲击、耐腐蚀,且成本较低¨  "J。   本文通过对岩性密度测井方法的原理分析,找   出影响其P值测量结果的关键化学元素,以确定制 作人造石模块的原料。光电吸收指数/密度双参数 人造石模块设计采用程序计算与实验相结合的方  法,通过程序可精确设计光电吸收指数,可以较准确 地估计模块密度。由于刻度模块要求非常严格,故  必须在初步设计的基础上通过小样、中样、大样实验  确定模块配方。 在制作过程中,利用二次浇筑法解决了大体积    模块固化过程中因放热导致内应力过大而造成开裂   的问题,并采用阿基米德浮力法对模块的密度进行      定标。为精确测量模块质量,使用了臂长为3m、量  程为2000kg的特种天平。  — 收稿日期:2016.0408  本文作者还有白超良。      基金项目:陕西省教育厅科研项目自然科学专项(11JK0845);西京学院高层次人才计划项目(XJ14B02)   作者简介:徐强(1980一),男,博士,主要从事核测井方法和核测井仪器的开发研究。  2016 ̄No6 22     大体积人造石岩性密度测井刻度模块的研究  2016年6月  2测量原理       岩性密度测井是利用铯(cs)伽马源向地层 发射伽马射线,测量经过地层散射和吸收后的伽马  射线强度来探测地层相关物理参数的。铯源放出的  661keV伽马射线与物质作用后主要发生康普顿.吴 有训效应,其散射截面与地层体积密度密切相关,这  可以用来测量岩石的密度值:    Pe=2Ne/NA:  2(I/o")In(1o/1)=∑   (C・Q)・P  i=1      其中,P为电子密度指数;N为电子密度;Na为阿   伏伽德罗常数;为康普顿一吴有训效应截面;L为     源距;Io为源强;,为探测器处的伽马射线强度;p为    岩石的密度;C为第种岩石成分的荷质比的2倍    fn,z1l ,).   !i;Qi为第i种岩石成分的质量百分比。 /}   当伽马射线在地层中能量衰减到100keV以下 时,光电效应使低能伽马射线大幅度减少,由于光电   效应受地层影响远较康普顿效应明显,所以可在测 量康普顿效应的同时测量地层的光电吸收指数(P  值),以便更好地分析地层岩性。P值与岩石物质的 关系如下:    P=(Z/10)。  _(niZ∑    Ij(2)      其中,P。为光电吸收指数;z为等效电荷数;n+i和z    分别为岩石中所含化合物的第i种原子的个数和原 子序数。  3原料的选取 根据伽马射线的康普顿效应、光电效应公式,可 以知道原子序数低的元素对伽马射线的影响小,原 子序数高的的元素对伽马射线的影响大。选取主要    由原子序数低的N、C、O、S等元素构成的不饱和聚 脂树脂作为刻度模块的粘合剂,同时选用高纯度的   CaCO和BaSO作为刻度模块的基料,这三者的比例    决定了刻度模块的密度与P值J。   其中,用量较大的CaCO和作为粘合剂的不饱   和树脂的比例决定了模块的密度;而BaSO则因其   P/C|2016,No'6‰    Pe较大(Ps04151・204b/e;Pcn35・084b/e;P   <0.4481)/e),用来调节模块的P值。  4配方的设计    4.1P值设计原理     在各元素P值已知的情况下,不同混合物充分  混合后形成新混合物的P值为:  m P P× K (3)      其中,P(i=1一m)表示新混合物中第i种成分的P    值;表示该成分在新混合物中的含量。  4.2密度设计原理    要确定配方,首先要解决不同原料配比与模块   密度的关系。假设标定模块是由凝固后的不饱和树       脂(UPR)粉末、CaCO粉末、BaSO粉末紧密堆积的,   那么:  ‘     PjIf=uPRPuPR+caco。Pcco3+咖Baso4。PBaso4(4)   其中,、P分别为对应的原料含量和密度。   事实上,由于混料过程中必然混入空气,所以模    块密度会比上式计算密度要低,可以粗略认为:        ‘  P肘C。(咖uPR。PuPR+cco3。Pcco+Bs04PBso4) (5)     其中,c为一个小于1的常数,须由实验测出。    4.3双参数人造石配方的设计     根据公式(3)设计出已知物体化学成分,求其    P值的程序PFP,其允许的最大误差为0.1%。      根据公式(5)设计出已知配方,求其密度的程     序PFD,结果多次小样验证,取常数c为0.83,使用    该系数时在密度为2.o0g/cm时计算密度与实际密    度较为符合,误差约为1.3%,在全部密度设计范围  内,最大误差约为5%。 由于人造石的密度只是和理论密度是粗略对应     的,所以在计算出配方后,又加工了100mmxlOOmm× lOOmm的小样进行了验证,密度不符合设计要求,     根据公式(5)调整配方重新制作小样,最后保证定  标模块可以同时满足密度、P值的设计要求。     经实验,用这种方法可以制作出密度在1.25~    — 2.50g/cm范围内和P值在0.90124.07b/e范围 内两参数任意搭配的人造石刻度模块。  5标准模块的制作与定标      经过小样、中样、大样三种不同大小的样品制   作,确定了模块制作工艺。样品形状及尺寸见表1。  2016年第6期       玻璃钢/复合材料 23   表1样品形状及尺寸          Table1Theshapeandsizeofthesimples  小样主要是实验不同原料配比时人造石样品的 密度,以满足定标模块的密度要求,在这个过程中发      现了模块开裂的问题;中样实验中探索了解决开裂    的不同方法;大样制作解决了大尺寸模块浇筑中消      除气泡问题,并通过限制凝固时间保证了样品的均 匀性。      为了消除大尺寸模块的气泡,专门制作了可拆    卸的真空箱。该真空箱为900ramx1000minx1700mm   的长方体,六个面均可拆卸,面与面的交界处采用密   封胶条密封,上面板上开有3个直径为200ram的窗 口,一个用来连接真空设备抽真空,另外两个用玻璃 密封,用来观察抽真空时的情况。将不饱和树脂与 基料}昆合后直接倒人真空箱浇筑,然后盖上上面板,    趁树脂还没开始凝固使用真空泵抽真空,待气泡不      再冒出,真空度达到10Pa左右后,停止抽真空,这时    模块中的气泡基本消除,加工出的模块较为致密。      5.1模块开裂问题的解决      在工艺研究过程中发现了样品开裂问题,由于 样品制作时考虑了不饱和聚酯树脂固化时的体积收        缩,并采取了加入偶联剂以抑制体积收缩的方        法,H,,故样品开裂主要是由于不饱和聚酯树脂  凝固时放热带来的内应力造成的。     模块在凝固过程中,不饱和聚酯树脂会放出大               量的热,经实际测定,模块外表面的温度可达到 127 ̄C。由于模块体积大,不饱和树脂模块是热的不 良导体,内部的热很难及时传导到外部,而模块外部 降温较快,会先于内部凝固,随着内部的热持续释    放,由于热胀冷缩,模块很容易出现开裂。 针对模块的开裂情况,采取加入增强纤维、降低 放热峰值并延长模块凝固时间和二次浇筑等方法来 解决这个问题。 (1)加入增强纤维        在搅拌时向不饱和树脂中加入单根长度大于 100ram的玻璃纤维,以增强模块各部分的连接,增   加模块的强度,含不饱和聚酯树脂比例较小的模     块未发生开裂,但含不饱和聚酯树脂比例较大的部   分小样还是出现了开裂。    开裂的样品露出的纤维可以很容易地抽出,说    明增强纤维与树脂之间的结合并不牢固,这是由于   纤维表面光滑,树脂凝固时无法与之产生较大的摩 擦力。加入玻璃纤维限制模块开裂的方法未能达到  预期要求。 (2)降低放热峰值并延长模块凝固时间 由于降低固化剂用量可降低不饱和聚脂树脂在     凝固过程中放出的热量且延长模块凝固时间,采取 这种方法希望可以通过使不饱和树脂平缓放热来解  决模块开裂问题。将固化剂由3%减少到0.8%,制     作10cm见方的小样。部分小样凝固后仍然出现了   开裂,这种方法未能解决模块开裂问题。 (3)二次浇筑法 由于模块开裂的根本原因是不饱和树脂凝固放  热,若减少不饱和树脂使用比例则放热自然就会减    少,开裂问题也就随之解决。但由于要制造的是密   度定标模块,对模块的密度有严格的要求,因此不饱 和树脂的比例无法减少。仔细研究后发现液态树脂 凝固才会放热,需要降低的实际上是浇筑时液态树 脂的比例,而配方中树脂含量与凝固时树脂含量的 差值可由提前凝固的树脂补充。      经实验,搅拌机可以工作的不饱和聚脂树脂的    含量下限约为27%,而且在采用这个比例时,大样不    会发生开裂。于是,采用了在浇筑时令液态不饱和  树脂含量为27%的二次浇筑法。 二次浇筑法的具体做法如下:   第一次浇筑:把原料分成两个部分,每一部分的 原料比例都与配方一致,并使其中第二部分中的不   饱和树脂占全部原料质量的27%。将其中第一部分 按工艺要求制作成致密的人造石薄板。   第二次浇筑:将薄板粉碎,将这些粉末和另一部 分的无机填料一起作为第二次浇筑时的固体部分, 与剩余的不饱和树脂进行二次浇筑。    这样就可以在不改变配方的情况下,减少大体  积不饱和树脂模块浇筑时的液态树脂比例。使用二  次浇筑法成功地防止了模块开裂。  为避免开裂还采取了浇筑完成后将模块放置于5O±   10oC的恒温房间内48h的方法,以防止模块外部   由于散热快而开始收缩,引起模块开裂的情况。   5.2密度模块定标 采用浮力法测量模块体积,则模块的密度为: M  MQ p P        其中,为模块在空气中的质量;帆为模块在水中   FRP/CM2016iNoi6   大体积人造石岩性密度测井刻度模块的研究  2016年6月    的质量;P为水的密度。  要保证模块密度的测量精度,对模块在空气和    水中的两次质量测量是关键。模块体积较大,其质    量范围为750~1300kg,由于量程为2000kg的电子  吊称的精度是0.5kg,不能满足标准模块的精度要  求,故采用大型特种天平测量。    采用臂长为3m,量程为2000kg的特种天平,使    用最小为1克的砝码,将模块质量测量的精度精确  到克,完全满足了密度标准模块的精度要求。   6结论 利用自编程序,计算得出了双参数人造石密度     测井刻度模块的配方,经过小样、中样、大样的制作,  确定了密度标准模块的制作工艺。  采用真空消泡法保证模块致密,通过采用超细   固体原料、减少模块固化时问保证了模块密度均匀, 主要采用二次浇筑法防止模块开裂。对模块定标时  使用特种天平测量质量,使{=914量精度达到克,完全满  足了密度测井仪对定标模块的要求。    用这种方法可以制作出密度在1.25~2.50g/     cln范围内和P值在0.90~124.07b/e范围内的两   个参数任意搭配的人造石刻度模块,这大大增加了  人造石刻度模块组参数设计的灵活性,并可节约一  半的建造成本。 参考文献— [1]杨福家.原子物理学[M].北京:高等教育出版社,2000:290359.        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