電驅(qū)型大直徑旋轉(zhuǎn)井壁取心儀及應(yīng)用效果評價

劉鐵民，李廣帥，龔晶，田志賓，賈奇勇，譚仕，常毓強

(中海油田服務(wù)股份有限公司，河北 三河 065201)

0 引言

在石油勘探開發(fā)過程中，利用巖心分析確定儲層的巖性、物性參數(shù)是一項重要工作。獲取巖心主要有以下三種方式：(1)鉆井取心；(2)爆炸撞擊式井壁取心；(3)鉆進式旋轉(zhuǎn)井壁取心[1]。鉆井取心所取巖心規(guī)整，可直觀進行巖性、電性、物性和含油性分析化驗，但效率低、工藝復(fù)雜、勞動強度大，成本高且影響鉆井速度，并且只能在鉆井過程中取心作業(yè)。在鉆井完成后，若想重新獲某一深度的巖石樣品，只能選擇起鉆，更換管柱進行取心作業(yè)。爆炸撞擊式井壁取心雖然施工簡便、成本低，但所取巖心體積小且不規(guī)則，分析數(shù)據(jù)不夠全面。鉆進式旋轉(zhuǎn)井壁取心所取巖心顆粒較大且規(guī)整，可以鉆進到泥餅后端真正獲取地層樣品，可直觀進行巖性、含油性觀察，亦可直接進行巖性、電性、物性和含油性分析化驗，求取飽和度、孔隙度、滲透率等儲層參數(shù)，并且施工簡便，成本低。鉆進式旋轉(zhuǎn)井壁取心技術(shù)一經(jīng)出現(xiàn)，受到了各個石油公司的歡迎[2-4]。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”項目課題研制出的電動取心儀器采用電動機直驅(qū)機構(gòu)完成取心，截至目前，該套設(shè)備已經(jīng)在渤海區(qū)塊完成了多井次的取心作業(yè)，通過測試應(yīng)用，該取心器應(yīng)用效果好，收獲巖心效率高。

1 儀器簡述

電驅(qū)型大直徑旋轉(zhuǎn)井壁取心儀整體系統(tǒng)包括地面控制系統(tǒng)及井下儀器。地面控制系統(tǒng)包括地面控制機箱，大小電機控制電源等，井下儀器包括馬龍頭、4430短節(jié)、張力短節(jié)、電子線路短節(jié)、取心液壓機械短節(jié)。地面控制系統(tǒng)采用專門設(shè)計的通訊模式對井下進行控制，實現(xiàn)人機交互的功能，操作工程師通過控制操作軟件實現(xiàn)對井下機械動力的控制，實現(xiàn)取心功能，地面控制機箱采用標(biāo)準(zhǔn)的機箱尺寸設(shè)計，方便使用和運輸。電驅(qū)型大直徑旋轉(zhuǎn)井壁取心儀系統(tǒng)其取心動力技術(shù)是采用電動機直接驅(qū)動鉆頭，打破傳統(tǒng)的采用液壓馬達進行取心的設(shè)計方法，動力更強，效率更高[5]。主要特點是收獲巖心速度快，大大節(jié)約井口占用時間，提高作業(yè)成功率。主要參數(shù)如表1所示。

表1 主要技術(shù)參數(shù)數(shù)據(jù)表

2 技術(shù)特點

電驅(qū)型大直徑旋轉(zhuǎn)井壁取心儀整套系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，主要核心模塊均采用插裝式設(shè)計，方便維修保養(yǎng)，取心電機模塊采用設(shè)計的高功率密度電動機功率大，帶動鉆頭直接取心，傳動效率高，功率損耗小，克服了常規(guī)液壓馬達取心功率小損耗大的缺點。在取心作業(yè)時，采用拖撬絞車帶動七芯電纜下放井壁取心測井儀到達目的層位。拖撬絞車與地面系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)滑環(huán)線纜進行連接。地面系統(tǒng)具有供電及下發(fā)和接收電控制信號的功能，可以實時控制井下儀器完成相應(yīng)的作業(yè)[6-9]。把井壁取心測井儀下放到井下目的層后，給設(shè)備供電，通過電信號控制完成推靠坐封、鉆進取心、鉆退推心的復(fù)雜功能。

2.1 機械機構(gòu)設(shè)計

電驅(qū)型大直徑旋轉(zhuǎn)井壁取心儀包括多個機械機構(gòu)設(shè)計：用于鉆進鉆退的推心鉆進模塊設(shè)計，其中設(shè)計難度最大的是運動導(dǎo)軌模塊的設(shè)計，該運動導(dǎo)軌既要完成取心鉆頭從水平位置翻轉(zhuǎn)到垂直位置，完成對井壁的鉆進，又要實現(xiàn)取心完成后將巖心折斷并取回的功能；巖心檢測及加隔片功能設(shè)計，主要功能是實時檢測巖心是否獲取成功，如果出現(xiàn)已混淆地層，采用增加隔片的功能將兩個巖心分割開，可以清晰地區(qū)分地層；支撐腿和反推機構(gòu)設(shè)計，支撐腿機構(gòu)主要作用是將儀器牢牢地固定在井壁，輔助儀器進行取心作業(yè)；反推機構(gòu)設(shè)計，主要目的是當(dāng)儀器長時間在井壁停留后，容易出現(xiàn)粘卡，反推機構(gòu)可以將儀器快速脫離井壁，保證儀器井下安全。

2.2 液壓系統(tǒng)設(shè)計

液壓系統(tǒng)設(shè)計是電驅(qū)型大直徑井壁取心儀的核心，整套液壓動力系統(tǒng)采用高溫直流電機，驅(qū)動柱塞泵，提供高壓油，通過溢流閥保證整個油路的安全。液壓系統(tǒng)需要根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)的要求，控制張開支撐臂動作，鉆進鉆退、推心及隔片和反推解卡等多種復(fù)雜聯(lián)動功能，因此對液壓執(zhí)行軟件的設(shè)計要求也相當(dāng)高。由于液壓系統(tǒng)需要長期使用，液壓油會被設(shè)備中殘留的或者磨削出的雜質(zhì)進行污染，因此關(guān)鍵的油路進口和出口需設(shè)計過濾裝置，液壓動力部分必須具有足夠的可靠性。由于該設(shè)備應(yīng)用在井下，受高溫高壓泥漿的影響，因此壓力平衡的設(shè)計是很關(guān)鍵的，保證井下的泥漿對液壓系統(tǒng)不產(chǎn)生壓差，這樣既能保護整套設(shè)備的運行安全，耐壓低的關(guān)鍵部件也能正常工作。

2.3 安全性設(shè)計

電驅(qū)型大直徑井壁取心儀具有多種井下安全設(shè)計，包括反推解卡技術(shù)設(shè)計、運動導(dǎo)軌滑塊結(jié)構(gòu)安全設(shè)計、鉆頭弱點安全設(shè)計。當(dāng)井下儀器出現(xiàn)安全事故時候，可以通過其多種安全設(shè)計進行解卡。當(dāng)儀器粘卡時，采用反推解卡將儀器快速脫離井壁，當(dāng)鉆頭遇卡時，可以拉斷運動導(dǎo)軌滑塊和拉斷鉆頭弱點，將儀器與地層脫離，這幾種安全設(shè)計，可以大大提高儀器的井下安全，提高儀器安全性[10]。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

電驅(qū)型大直徑旋轉(zhuǎn)井壁取心儀已經(jīng)在渤海區(qū)塊進行了多井次的實井作業(yè)。作業(yè)過程涵蓋該區(qū)塊不同地層巖心，包含粉砂巖，泥巖、致密砂巖，含礫砂巖，花崗巖、裂縫花崗巖等[11]。該設(shè)備均高效完成取心任務(wù)，為甲方分析地層地質(zhì)結(jié)構(gòu)，油氣分析提供了強有力的技術(shù)數(shù)據(jù)支持。

3.1 旅大區(qū)塊某井取心作業(yè)

該井鉆進井深1 950 m，井溫73 ℃，泥漿密度1.24 g/cm3，井眼尺寸31.115 cm，最終獲取優(yōu)質(zhì)巖心數(shù)量17顆。本井所涉及的地層包括砂巖、含礫砂巖，泥巖地層，整個取心過程儀器電流在0.4～2.0 A，滿足設(shè)計要求，電動取心克服了液壓馬達大電流的問題，有效保護七芯電纜，最終獲取優(yōu)質(zhì)巖心17顆，滿足甲方地質(zhì)分析要求。圖1為該井取心巖樣及數(shù)據(jù)。

圖1 LD25井所取巖樣及數(shù)據(jù)

3.2 CFD區(qū)塊某井取心作業(yè)

電動取心儀對本井兩個井段進行的巖心樣本的采集，整個過程順利，兩層取心地層聲波時差范圍寬，密度大，地層巖性復(fù)雜，巖性聲波時差范圍50～110 μs/ft。在取心過程中，取心電機電流范圍0.5 A～2.0 A，鉆進導(dǎo)軌運行流暢，整套設(shè)備在取心過程中地層適應(yīng)能力強，巖心檢測及隔片功能對地面分心起到了很大的輔助作用，其反推功能，有效保證了儀器的井下安全。本層根據(jù)地層顯示情況共獲取優(yōu)質(zhì)巖心16顆，所取巖心包括致密砂巖，含礫砂巖以及泥巖和花崗巖，巖心長度合格，深度復(fù)合要求，如圖2所示。

圖2 31.115 cm井眼巖樣(長度滿足要求，隔片功能正常)

從所取巖樣外形及巖性來看，以及跟錄井和其他測井?dāng)?shù)據(jù)進行對比，電驅(qū)大直徑取心儀所取的巖心不論長度和直徑均符合設(shè)計要求[11]。由于大直徑巖心長度長，規(guī)避了小直徑巖心由于泥餅存在導(dǎo)致的對地質(zhì)分析的影響，所獲取的巖心對本井的評價、后期的區(qū)塊勘探、以及臨井的鉆井指導(dǎo)都起到了很好的指導(dǎo)作用。

4 應(yīng)用總結(jié)

通過現(xiàn)場作業(yè)認(rèn)為，電驅(qū)型大直徑井壁取心儀對不同地層巖樣具有很好的適應(yīng)性。突破性地采用直接浸泡在泥漿中的電機進行取心，取心時電機的電流基本在2 A以內(nèi)，這樣可以有效保護電纜受損、提高取心效率。

通過作業(yè)可以看到，井壁取心測井儀可以通過深度數(shù)據(jù)的不斷改變，以及油氣層顯示的數(shù)據(jù)進行多次的取心作業(yè)，所獲取的巖心如果包含的深度點比較多時，由于巖心筒為開放的儲心筒，很容易混進去泥漿及碎石，影響巖心分析數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。因此，巖心定位區(qū)分對巖心的后期處理至關(guān)重要，這也同樣是現(xiàn)有的電纜井壁大直徑取心儀在巖心定位區(qū)分方面需要提高可靠性的方面。該種技術(shù)可以擴展小井眼大直徑取心儀應(yīng)用及取心測壓一體化技術(shù)及取心取樣一體化技術(shù)，由于具有效率高、扭矩大等特點，可以在實現(xiàn)隨鉆旋轉(zhuǎn)井壁取心的技術(shù)方面進行摸索及突破。