小直径石英压力计的高温失效研究

　　0　引言

　　小直径石英压力计是为油井压力测量专门设计的测压仪器,它具有输出频率稳定、性能好、使用方便等优点[1]。从理论上说这种测压仪器可以在很宽的温度范围内工作,在石英晶体不破坏的情况下,其工作寿命与不锈钢材料的使用寿命相当。但在研制试验中发现,该测压仪器在常温条件下进行压力循环试验,各项性能均能符合要求;而经过高温试验后,再进行低温条件下压力试验,无信号输出的仪器数量随循环次数增加。首批20台常温条件下各项性能符合要求的测压仪器,在经过高温、低温循环测试后,100℃温度累计试验时间100 h时,仅有2台测压仪器还能正常工作。这一结果使得该测压仪器在0~100℃温度范围可靠工作受到质疑。针对这种情况,对试验后,高温失效的测压仪器汇总并进行解剖分析,找出主要原因,对其机理进行研究,提出测压仪器结构改进措施和装配工艺改进措施。实施改进测压仪器高温失效的具体措施后,收效显著,使该测压仪器成功地应用在油井压力现场测量中。在现场标准井(89℃,20 MPa)中连续测试30 d后,仪器的各项性能均能符合要求。

　　1　测压仪器高温失效分析

　　小直径石英压力计的主要部件包括测压传感器、参考传感器、高温电子线路、密封部件。高温失效的测压仪器检测后发现,失效部件均为测压传感器、参考传感器。这是仪器中一对结构相同、能对工作温度补偿的传感器[2],为了找出压力传感器在高温试验后无输出的原因,做了一些基础工作。

　　1.1　测压传感器的结构分析

　　组装式石英谐振压力传感器由石英谐振器的石英振子与特种不锈钢加工的外壳、弹性体电极、引线等组成。[3]具体结构如图1所示。

　　图1中,外壳与弹性支座体最后焊接成一体(解剖时只要将此焊缝切开即可,不会伤及石英振子)。石英振子在外壳与弹性支座体组成的密闭空间工作。被测量压力通过外壳传递给弹性支架,弹性支架的一端有6个爪,石英振子是由弹性支架的6个爪紧密接触,被测量压力由这6个爪传递到石英振子的周边;它的另一端带连接螺纹,可安装在下井的测量仪器中。石英振子的电极用引线与电极相连,接入测量仪器的振荡电路,传感器直接输出频率信号,当被测量压力发生变化时,传感器的输出频率变化。

　　1.2　高温失效传感器解剖情况

　　解剖实验阶段高温试验后无输出的18台测压传感器,结果见表1。分析解剖后的失效传感器,可将其分为3类,第1类占总数67%,其原因是石英晶体动态电阻增大,均超过350Ω,使得恒定的谐振激励电流无法使其产生谐振。解剖出的石英振子经过清洗、烘干后,除96013#外,在原来的电路中都能恢复正常工作,表1中可见清洗处理后石英晶体动态电阻均小于200Ω,比传感器装配完成后测出的动态电阻更小,也反映出从石英晶体谐振片到成品传感器,动态电阻显著增大。第2类占总数11%,其原因是在装配传感器时操作不当造成电极引线虚焊;石英振子经过清洗、烘干后,也能恢复正常工作。这种情况下,传感器装配完成后测出的动态电阻偏大。第3类占总数22%,其原因是装配前的准备工作不细致所致,如定位垫的尺寸偏小;金属外壳的毛刺没有清理干净,造成石英晶体的损坏。