劉鐵民，馮永仁，田志賓，郝桂清，魏贊慶，褚曉冬

(中海油田服務(wù)股份有限公司 河北 三河 065201)

0 引 言

旋轉(zhuǎn)井壁取心技術(shù)經(jīng)過20多年的發(fā)展仍然存在一些問題：鉆頭動(dòng)力不足、取心作業(yè)時(shí)容易卡鉆；解卡時(shí)儀器固定不牢，鉆頭承受橫向剪切力，不容易收回；折斷鉆頭后，容易損壞液壓馬達(dá)，造成灌漿等惡性事故；取心時(shí)鉆頭的轉(zhuǎn)速、鉆壓不可調(diào)節(jié)，對(duì)地層的適應(yīng)能力較差，一次取心成功率、取心效率待提高；儀器供電電壓高、電流大，需要使用絕緣性能好的電纜、馬籠頭進(jìn)行作業(yè)[1]。這些問題嚴(yán)重阻礙了儀器的推廣應(yīng)用。

電動(dòng)取心測井儀是由中海油田服務(wù)股份有限公司承擔(dān)的“模塊式大顆粒井壁取心測井儀”項(xiàng)目研制出的一款電動(dòng)取心儀器，該儀器與目前已有的取心儀器的本質(zhì)區(qū)別在于取心動(dòng)力方面。常規(guī)取心儀器采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)泵帶動(dòng)液壓馬達(dá)進(jìn)行取心[2]，所取巖心規(guī)格比較小，直徑為1 in(1 in=25.4 mm),長度為2 in；而電動(dòng)取心儀采用電動(dòng)機(jī)直接帶動(dòng)鉆頭進(jìn)行取心，所取巖心規(guī)格為直徑1.5 in,長度2.5 in，所獲取的巖心體積更大，更有利于對(duì)地層的特性及地質(zhì)進(jìn)行真實(shí)評(píng)價(jià)。雖然國際油價(jià)持續(xù)低迷，高端測井發(fā)展緩慢，然而測壓取樣和井壁取心基本是每口探井必測的科目。井壁取心仍然是評(píng)價(jià)地層最直接的手段之一。

1 電動(dòng)取心測井儀性能特點(diǎn)

1.1 模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電動(dòng)取心測井儀設(shè)計(jì)取巖心直徑1.5 in，長度2.5 in。該儀器采用模塊化設(shè)計(jì)，方便拆卸，鉆進(jìn)靈活，鉆進(jìn)阻力小。通過專門設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制鉆頭的姿態(tài)，控制鉆頭的前進(jìn)速度、前進(jìn)力；通過液壓缸提供鉆進(jìn)力，能一次性完成鉆進(jìn)、折心的功能，達(dá)到取心的目的；利用電動(dòng)機(jī)直接帶動(dòng)鉆頭鉆取巖心[3-5]，電動(dòng)機(jī)功率大，帶動(dòng)鉆頭直接取心，功率損耗小，克服了常規(guī)液壓馬達(dá)取心功率小損耗大的缺點(diǎn)；鉆取巖心到位后，折斷巖心，在折斷巖心時(shí)，通過機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)確保不破壞巖心。

1.2 集成化的取心機(jī)構(gòu)模塊設(shè)計(jì)

整體設(shè)計(jì)中最核心的技術(shù)為鉆進(jìn)、折心、推心模塊，其內(nèi)部包含鉆進(jìn)液壓缸，折心液壓缸以及推心液壓缸，通過集成閥座對(duì)缸體進(jìn)行動(dòng)作控制。當(dāng)鉆進(jìn)閥開啟后，鉆進(jìn)缸推動(dòng)活塞前進(jìn)，活塞推動(dòng)主導(dǎo)板機(jī)構(gòu)鉆進(jìn)，帶動(dòng)鉆頭進(jìn)行翻轉(zhuǎn)和鉆進(jìn)動(dòng)作，此時(shí)啟動(dòng)取心大電機(jī)，完成取心動(dòng)作。根據(jù)位移傳感器的參數(shù)值，當(dāng)鉆進(jìn)到折心位置時(shí)，加大鉆進(jìn)力，達(dá)到折心的目的，然后鉆退到水平位置，推心閥啟動(dòng)，把巖心推進(jìn)到巖心筒中。集成化取心機(jī)構(gòu)如圖1所示。

1- 主導(dǎo)板；2-導(dǎo)軌限位塊；3-固定基座；4-固定橫梁；5-導(dǎo)線隨動(dòng)系統(tǒng)；6-雙側(cè)導(dǎo)板；7-下固定橫梁圖1 集成化取心機(jī)構(gòu)示意圖

1.3 液壓動(dòng)力模塊設(shè)計(jì)

電動(dòng)取心儀功能復(fù)雜，該設(shè)備對(duì)液壓系統(tǒng)及各個(gè)控制閥座有很高的要求。儀器在井下作業(yè)時(shí)，需要完成推靠固定儀器，控制鉆頭鉆進(jìn)、鉆退，鉆取巖心，推收巖心等動(dòng)作[4-7]。其中鉆取巖心所需功率較大， 要求動(dòng)力性要足、轉(zhuǎn)速可調(diào)節(jié);而推靠固定儀器、控制鉆頭鉆進(jìn)、鉆退、推收巖心是取心作業(yè)的輔助動(dòng)作,這些動(dòng)作為取心作業(yè)提供安全保障，要求反應(yīng)靈敏，動(dòng)作可靠。由于取心作業(yè)和取心時(shí)的輔助動(dòng)作對(duì)液壓系統(tǒng)的性能特點(diǎn)要求相差較大，一套液壓系統(tǒng)很難同時(shí)滿足。采用一個(gè)直流無刷電機(jī)進(jìn)行儀器坐封，另一個(gè)直流電機(jī)完成取心作業(yè)，采用電動(dòng)機(jī)直接取心效率高，功率大，取心電流控制在2 A左右，單顆取心完成時(shí)效高。

鉆進(jìn)取心液壓系統(tǒng)單元是井壁取心儀器最核心的控制單元之一，內(nèi)部包含鉆進(jìn)、鉆退模塊單元以及壓力選擇模塊單元。鉆進(jìn)、鉆退模塊單元主要控制完成取心的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程。壓力選擇模塊單元主要保證整個(gè)液壓系統(tǒng)能夠適應(yīng)不同硬度、不同聲波時(shí)差的地層巖心，取不同巖性的巖心采用不同的壓力選擇檔位，以有效控制取心過程的電壓電流及鉆頭轉(zhuǎn)速，達(dá)到平穩(wěn)快速取心的目的。

1.4 取心電機(jī)模塊設(shè)計(jì)

電動(dòng)機(jī)直接取心與傳統(tǒng)液壓馬達(dá)取心有根本區(qū)別。液壓馬達(dá)取心經(jīng)過多年的技術(shù)積累，各個(gè)性能參數(shù)基本固定，但取心動(dòng)力不足的問題一直存在。電動(dòng)機(jī)直接取心技術(shù)所涉及的電機(jī)模塊，其工作環(huán)境要求取心大電機(jī)能夠在0～180°C的泥漿環(huán)境下可靠工作，且體積要足夠小。此外，電機(jī)供電線布置方便，在取心大電機(jī)翻轉(zhuǎn)、鉆進(jìn)過程中避免電機(jī)供電線同時(shí)跟隨擺動(dòng)也是設(shè)計(jì)難點(diǎn)[8]。取心電動(dòng)機(jī)模塊是電動(dòng)取心儀器的核心模塊之一，其所用的電機(jī)為高功率密度電機(jī)，特點(diǎn)是體積小，功率大，能可靠地工作在泥漿中。圖2為取心電機(jī)模塊示意圖。

1-取心大電機(jī)；2-減速機(jī)；3-旋轉(zhuǎn)銷釘；4-旋轉(zhuǎn)銷釘；5-金剛石鉆頭；6-導(dǎo)線隨動(dòng)系統(tǒng)圖2 取心電機(jī)模塊示意圖

取心電機(jī)性能理論計(jì)算過程如下：

大電機(jī)效率η，假設(shè)鉆取巖心所需扭矩為T，金剛石鉆頭的輸出轉(zhuǎn)速ft;大電機(jī)的轉(zhuǎn)速為n1，(輸入電壓v,電流s，輸入功率w), 取心大電機(jī)的受負(fù)載扭矩T1(輸出功率w1) 鉆頭轉(zhuǎn)速n2減速機(jī)速比為1∶2，則：

大電機(jī)輸入功率：w=v×s

大電機(jī)輸出功率：T1=(9 550×w1)/n1[2]

(1)

大電機(jī)效率η=w1/w= [ (T×n1/2)/9 550] / (v×s)

(2)

從式(2)可知，電動(dòng)機(jī)直接取心中取心大電機(jī)輸出的功率與大電機(jī)的功率有直接的關(guān)系，通過實(shí)驗(yàn)室加扭矩測試試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，大電機(jī)效率能達(dá)到85%以上。通過改變大電機(jī)的供電電壓、電流即可改變鉆頭的取心功率，功率傳遞比較直接，傳遞效率比較高，大大增加了取心動(dòng)力，根本上可以解決液壓馬達(dá)效率不高的缺點(diǎn)。

1.5 安全可靠性設(shè)計(jì)

井壁取心儀器由于要與地層接觸，獲取每顆巖心時(shí)間大致在10 min左右，儀器停留時(shí)間相對(duì)較長，需要對(duì)儀器的安全可靠性進(jìn)行考慮：一是鉆頭所連接的鉆桿循環(huán)槽設(shè)計(jì)有拉斷弱點(diǎn)，此弱點(diǎn)的設(shè)計(jì)是一旦儀器遇卡，如果儀器鉆頭通過位移判斷，鉆頭卡在地層，通過電纜拉力拉到一定數(shù)值，鉆桿弱點(diǎn)被拉斷，與地層脫離，起到解卡的目的；二是在鉆頭的同一方向，設(shè)計(jì)有異向解卡功能，在儀器鉆進(jìn)取心完畢后，在鉆退時(shí)候，一旦鉆頭遇卡，可以開啟反推功能，使鉆頭脫離井壁，達(dá)到解卡的目的。這些設(shè)計(jì)通過現(xiàn)場測試，大大降低了作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。電動(dòng)取心儀反推解卡原理如圖3所示。

1-井壁；2-推靠；3-取心電機(jī)；4-鉆頭；5-反推圖3 電動(dòng)取心儀反推解卡原理示意圖

2 電動(dòng)取心儀現(xiàn)場應(yīng)用

為了充分驗(yàn)證儀器的各個(gè)性能參數(shù)，以及功能模塊的工作狀態(tài)，在儀器研制完成后，項(xiàng)目組先后在試驗(yàn)井和山西作業(yè)實(shí)井對(duì)取心儀器功能進(jìn)行了多次測試，驗(yàn)證了儀器最初的設(shè)計(jì)參數(shù)。通過不斷的作業(yè)積累，并不斷改進(jìn)儀器的性能參數(shù)，儀器性能穩(wěn)定可靠。

2.1 試驗(yàn)井測試

通過測試驗(yàn)證了電動(dòng)取心儀器的各個(gè)功能模塊的可靠性，閥控功能的可靠性、以及在液壓環(huán)境中取心機(jī)構(gòu)的阻力大小，和取心電動(dòng)機(jī)的動(dòng)密封可靠性和取心電動(dòng)機(jī)在液體環(huán)境中的工作性能參數(shù)，可以有效指導(dǎo)后續(xù)的實(shí)井作業(yè)。如圖4所示。

圖4 取心儀試驗(yàn)井測試示意圖

2.2 山西某作業(yè)井作業(yè)

山西xx井，井眼8.5 in，深度2 278 m，取心井段1 653～2 175 m。泥漿密度1.23 g/cm3，設(shè)計(jì)粘度66 s/cc(小井眼取心儀標(biāo)準(zhǔn)60 s/cc)。該井的井深結(jié)構(gòu)、地質(zhì)特征以及井壁穩(wěn)定性十分理想，成功完成作業(yè)。山西作業(yè)井測試為電動(dòng)取心儀的第一口實(shí)井作業(yè)，取心作業(yè)單顆時(shí)間體現(xiàn)了電動(dòng)取心的優(yōu)勢，取心動(dòng)力更足，可以獲取地層中不同種類的巖石，如圖5所示。

圖5 山西井作業(yè)及所獲取巖心示意圖

2.3 山西某作業(yè)井二次作業(yè)

山西xx井，井眼8.5 in，深度2 248 m，取心井段1 643～2 079.9 m。泥漿密度1.18 g/cm3，設(shè)計(jì)粘度50 s/cc(地層含礫比較多) 該井的井深結(jié)構(gòu)復(fù)雜、地質(zhì)特征比較奇特，砂巖里面含有多礫石。電動(dòng)取心儀器獲取巖心示意圖如圖6所示。

圖6 電動(dòng)取心儀器獲取巖心示意圖

從取出的地層巖石情況可以看出，此口井所取砂巖含有多種礫石，巖石硬度不均，滲透性不同，取心難度很大，電動(dòng)取心儀順利完成試驗(yàn)和測試任務(wù)。通過試驗(yàn)井的測試，采用電動(dòng)機(jī)直接取心測井儀滿足所有儀器參數(shù)，該設(shè)備在滿足取心功能的前提下，增加了取隔片和巖心檢測的功能，有效驗(yàn)證了采用電動(dòng)機(jī)直接取心的可行性以及其優(yōu)越性。

2.4 渤海某區(qū)塊取心作業(yè)

該井井深3千多米，所取巖心樣品為花崗巖裂縫成型地層，地層聲波時(shí)差比較小，所取50～55 μs/ft之間，取芯電流在1.6～2 A之間，取芯時(shí)間5 min左右。整個(gè)取芯過程中，取芯順利，所取巖心成型規(guī)整，尺寸符合要求;與錄井巖屑對(duì)比，深度一致，符合要求。巖心與錄井巖樣如圖7所示。

圖7 渤海作業(yè)所獲取巖心與錄井巖樣

該井該層位比較堅(jiān)硬，錄井巖樣以及電驅(qū)取心儀器取出來的樣品可以看出與設(shè)計(jì)一致，電驅(qū)型旋轉(zhuǎn)井壁取心儀在該口井作業(yè)時(shí)效高，平均每3 min取一顆巖樣，與傳統(tǒng)的取心器相比，其優(yōu)勢明顯，電流比較低，而且整個(gè)取心過程比較穩(wěn)定，取心電流在2 A以內(nèi)，有效保護(hù)了電纜，作業(yè)安全系數(shù)大大提高。

3 結(jié) 論

針對(duì)目前井壁取心儀器存在的問題，提出了一種采用電動(dòng)機(jī)進(jìn)行直接取心的井壁取心測井儀。該取心儀器采用電動(dòng)機(jī)直接取心，可以克服目前高溫液壓馬達(dá)效率低的缺點(diǎn)，可以快速完成取心作業(yè)，而且增加了安全可靠性設(shè)計(jì)，可以大大降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。采用電動(dòng)機(jī)直接取心，有效規(guī)避了傳統(tǒng)液壓馬達(dá)效率低的缺點(diǎn)，能有效控制取心電壓電流，鉆進(jìn)速度更快，取心效率更高，可以有效地節(jié)約平臺(tái)占用時(shí)間。由于取心鉆進(jìn)電壓電流比較小，可以掛接取樣、測壓儀器，可以串聯(lián)多支儀器共同組合作業(yè)，實(shí)現(xiàn)測試作業(yè)滿貫測試，提高了測井作業(yè)效率。