大直徑旋轉(zhuǎn)井壁取心儀研制與應(yīng)用

牛延吉, 劉先平,2, 嵇成高, 蔡井維, 李偉, 李衛(wèi)強

(1.中國石油集團測井有限公司天津分公司, 天津 300280;2.中國石油大學(北京)博士后科研流動站, 北京 102249)

0 引 言

傳統(tǒng)取心主要有鉆井取心、火藥撞擊取心2種方式,這2種取心方式都存在缺陷。鉆井取心施工復(fù)雜、取心時間長、取心層位跨度大且定位不準確,無法實現(xiàn)對全井段各類地層取心;火藥撞擊式取心所獲得的巖心尺寸小、形狀不規(guī)則,不利于物性化驗分析。旋轉(zhuǎn)式井壁取心是一種既彌補了鉆井取心與火藥撞擊式取心的不足,又兼具傳統(tǒng)取心優(yōu)點的新型取心技術(shù)[1-2],在裸眼井中用金剛石空心鉆頭以垂直井壁的方向橫向鉆入地層獲取巖心,具有定位精確、操作簡便、效率高、巖心規(guī)則等優(yōu)點,且對井壁取心的過程可實現(xiàn)全程監(jiān)控,適用于全井段各種地層,尤其適合硬地層的井壁取心任務(wù)[3-5]。

目前國內(nèi)外的旋轉(zhuǎn)式井壁取心儀多數(shù)采用液壓泵驅(qū)動取心鉆頭[6-7],這種驅(qū)動方式動力傳輸效率低,且受溫度影響較大,當鉆頭遇到堅硬地層時,往往出現(xiàn)卡鉆、跳鉆的情況,巖心的收獲率較低,大大影響了后期的地質(zhì)物性分析。大直徑旋轉(zhuǎn)井壁取心儀(LRCT)是中國石油集團渤海鉆探工程有限公司研制的一種新型井壁取心儀,該取心儀以直流電機直接驅(qū)動鉆頭的方式鉆取巖心,該驅(qū)動方式能大大提高旋轉(zhuǎn)取心儀在硬地層的收獲率,動力傳輸效率高,鉆頭扭矩從3 N·m提高到8 N·m,可實現(xiàn)在地面系統(tǒng)控制下實時對鉆進速度的調(diào)整。儀器配有2種儲心桶,巖心在儲心桶里順序排放,根據(jù)鉆取巖心數(shù)量的不同需求,可以實現(xiàn)一次下井鉆取巖心30顆或60顆,收獲的巖心尺寸直徑為38 mm,長度為63 mm。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與技術(shù)指標

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

LRCT大直徑旋轉(zhuǎn)井壁取心儀系統(tǒng)由地面系統(tǒng)與井下儀器兩大部分組成(見圖1)。地面系統(tǒng)部分包括:便攜式電腦、采集控制機箱、電機供電箱。井下儀器部分包括:控制短節(jié)、取心探頭。

圖1 LRCT系統(tǒng)示意圖

1.2 技術(shù)指標

耐溫175 ℃,耐壓138 MPa;儀器外徑116 mm;適用井眼178～483 mm。巖心規(guī)格:直徑38 mm,長度63 mm;單次取心顆數(shù)有30顆、60顆2種工作模式。

2 工作原理

2.1 地面系統(tǒng)

LRCT地面系統(tǒng)由電源模塊、數(shù)據(jù)采集電路、控制面板、通信電路、顯示面板等組成(見圖2)。測井車載220 V發(fā)電機提供電源,為整個系統(tǒng)中除井下直流電機以外各部分供電,包括地面控制系統(tǒng)所需要的各路弱電電源、井下儀器需要的交流電源、以及井下液壓電機所需的直流電源。取心電機電源箱將井場380 V三相交流電轉(zhuǎn)換成600 V直流電,提供給井下儀器的直流取心電機工作。筆記本電腦通過網(wǎng)線與采集控制箱中通信電路建立通訊,通過可視化操作軟件實時監(jiān)測儀器數(shù)據(jù)。

圖2 LRCT地面系統(tǒng)原理框圖

2.2 控制短節(jié)

控制短節(jié)是井下儀的控制核心,負責與地面系統(tǒng)進行交互式通訊,接收解析來自地面系統(tǒng)的命令并上傳儀器參數(shù)和工作狀態(tài)信息,控制取心過程。井下儀器控制短節(jié)電子線路按功能分為主控板、主參數(shù)測量板、電源變壓器、電磁閥變壓器、電磁閥控制板、取心電機控制板、液壓電機控制板、取心電機驅(qū)動板、液壓電機驅(qū)動板采用電源變壓器和電磁閥變壓器對井下儀器交流電源進行降壓處理,然后經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓電路后得到±15、±12、±5 V的直流電壓。其中±15、±5 V給每個板卡提供工作電壓,±12 V給電磁閥控制板提供電磁閥工作電壓,主控板接收地面總線下傳指令并進行解碼,根據(jù)指令向電磁閥控制板發(fā)送命令,電磁閥控制板接收命令后,對取心電機控制板與液壓電機控制板上的電磁閥進行相應(yīng)控制。主控板將各個電磁閥狀態(tài)、自然伽馬信號和主參數(shù)測量板反饋的巖心長度、系統(tǒng)壓力、鉆頭位置等參數(shù)進行采集,上傳發(fā)送給地面系統(tǒng)。取心電機驅(qū)動板與液壓電機驅(qū)動板分別給取心電機和液壓電機提供直流600 V與直流180 V的電源,并對電機工作狀態(tài)進行監(jiān)測,對電機進行過流過壓保護。

2.3 取心探頭

LRCT采用主、輔推靠技術(shù),推靠力大且使儀器在鉆進過程中牢穩(wěn)貼緊井壁。液壓電機M2工作時,驅(qū)動高壓柱塞泵產(chǎn)生系統(tǒng)所需液壓條件,在電磁閥1、2與控制閥1、2的控制下,控制推靠活塞1、推靠活塞2、巖心推桿活塞、鉆頭轉(zhuǎn)向活塞的往復(fù)運動,由活塞帶動相應(yīng)的機械結(jié)構(gòu)完成儀器推靠臂的推靠與收縮、鉆頭的鉆進與回收、巖心折斷、巖心桿推心等各種動作。在鉆頭轉(zhuǎn)向活塞缸中安裝有鉆壓壓力計,根據(jù)鉆壓壓力計數(shù)值的大小,調(diào)節(jié)電磁閥2的占空比,實現(xiàn)對進入鉆頭轉(zhuǎn)向活塞缸油液的流量、活塞運動速度的控制,從而調(diào)節(jié)鉆進速度。取心探頭原理框圖見圖3。

圖3 取心探頭原理框圖

當儀器下至取心層段,上提測量曲線,與完井自然伽馬曲線進行較深,經(jīng)校深并定位后鉆頭處于待取心深度點。地面系統(tǒng)采集控制箱供電給控制短節(jié)建立通信連接,供180 V左右直流電給液壓電機M2帶動高壓柱塞泵產(chǎn)生液壓動力。地面系統(tǒng)通過采集控制箱依次下發(fā)推靠臂開臂、取心電機旋轉(zhuǎn)、鉆頭鉆進命令后,電磁閥1與控制閥1控制液流推動推靠活塞1、2帶動推靠臂張開,將儀器緊貼于井壁,巖心推桿活塞將推心桿收回推心缸內(nèi)。溢流閥將整個液壓系統(tǒng)壓力控制在19.3 MPa左右。地面系統(tǒng)取心電機電源箱供600 V直流電給直流電機M1,驅(qū)動齒輪箱及鉆頭轉(zhuǎn)動,電磁閥2與控制閥2控制液流推動鉆頭轉(zhuǎn)向活塞帶動鉆頭、旋轉(zhuǎn)板、固定板、折斷板和位于鉆頭兩側(cè)的橢圓滑塊及半圓形滑塊相互配合,使金剛石空心鉆頭轉(zhuǎn)向并以1 280 r/min的旋轉(zhuǎn)速度垂直鉆入地層。行程電位計監(jiān)控鉆頭位置,待鉆頭進入折心位置時,地面控制系統(tǒng)通過采集控制箱依次下發(fā)取心電機停轉(zhuǎn)、鉆頭鉆退、推靠臂收臂等命令,儀器鉆頭自動折心并退回推心位置。推靠臂收臂后巖心推桿活塞驅(qū)動推心桿從推心缸內(nèi)伸出將巖心從鉆頭推入儲心筒中,監(jiān)控巖心檢測電位計信號,可判斷所取巖心長度。然后上提儀器、待電纜張力穩(wěn)定后進行下一次取心。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

LRCT自2016年投產(chǎn)以來,至今已經(jīng)在多個油井工作多次,使用效果良好,統(tǒng)計信息見表1。所取巖心形狀規(guī)整、顆粒飽滿、巖石層理及微裂縫等特征顯示清楚。圖4為在港古某井所取巖心的實物圖,有效長度約為62 mm,直徑約為38 mm。

表1 LRCT使用統(tǒng)計表

圖4 港古某井巖心實物照片

4 結(jié)束語

傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)井壁取心儀采用液壓動力驅(qū)動鉆頭,易受傳輸動力損耗及溫度影響,在高溫井段及堅硬地層,巖心收獲率低。LRCT大直徑旋轉(zhuǎn)井壁取心儀采用直流電機驅(qū)動鉆頭設(shè)計,儀器具有受溫度影響小、對硬地層適應(yīng)能力強、鉆速低、卡鉆風險小、鉆頭使用壽命長、取得的巖心尺寸大等優(yōu)點。用直流電機驅(qū)動取心鉆頭,是未來旋轉(zhuǎn)井壁取心儀器的發(fā)展方向。

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