模塊式大直徑巖心旋轉(zhuǎn)井壁取心儀的研制*

田志賓，劉鐵民，魏贊慶，馮永仁，王 晶

(中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)研究院 河北 三河 065201)

0 引 言

在石油勘探過程中，獲取地層固體巖石樣品可直觀進(jìn)行巖性、含油性觀察，亦可直接進(jìn)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)[1]。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(zhǔn)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)鉆井取心優(yōu)點的取心技術(shù)[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)[3-4]。巖心體積越大，用途越廣，所分析的地層數(shù)據(jù)越真實，越能有效指導(dǎo)油田的勘探開發(fā)。目前，市場主流的常規(guī)旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)式井壁取心儀僅能夠鉆取直徑1 in(1 in=25.4 mm)、長度2 in的巖心[5]，巖心體積小，不能夠完全滿足油公司的地質(zhì)數(shù)據(jù)需求，因此能夠獲取更大體積巖心(直徑1.5 in、長度2.5 in)的旋轉(zhuǎn)井壁取心儀受到石油公司歡迎。貝克休斯、斯倫貝謝等國外油田服務(wù)公司率先研制出大直徑巖心(直徑1.5 in、長度2.5 in)旋轉(zhuǎn)井壁取心儀，2012年開始在中國南海得到應(yīng)用，深受用戶歡迎[6]。但在使用過程中，一直存在取心效率低、巖心收獲率低、儀器頻繁卡鉆、故障率高等問題，嚴(yán)重制約了大直徑取心技術(shù)的推廣應(yīng)用。

根據(jù)以上市場需求，中海油服成功研制出模塊式大直徑巖心旋轉(zhuǎn)井壁取心儀(Maximun Rotary Sidewall Coring Tool，后續(xù)簡稱MRCT)，該儀器一次下井可獲取直徑1.5 in,長度2.75 in的巖心80顆，有效克服了現(xiàn)有大直徑取心儀器的缺點，取心作業(yè)高效、安全、可靠，在中國海上及陸地得到廣泛應(yīng)用。

1 原理及系統(tǒng)組成

模塊式大直徑巖心旋轉(zhuǎn)井壁取心儀采用機(jī)械液壓、測量控制技術(shù)，通過機(jī)械運動機(jī)構(gòu)控制空心金剛石鉆頭以垂直井壁的方向橫向鉆入地層，利用液壓馬達(dá)帶動空心金剛石鉆頭高速旋轉(zhuǎn)，獲取大直徑巖心。儀器在井下依次完成儀器固定、擺動空心鉆頭使鉆頭垂直井壁、驅(qū)動鉆頭旋轉(zhuǎn)、驅(qū)動鉆頭鉆進(jìn)地層、鉆進(jìn)到位后折斷巖心、收回鉆頭及巖心、推心。在推心時，系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測巖心是否有收獲、并能夠測量出所獲取巖心長度，之后插入隔片區(qū)分不同深度巖心。

儀器采用雙直流無刷電機(jī)動力控制系統(tǒng)，其中一個電機(jī)是控制電機(jī)，用于完成井下取心輔助動作，另一個是動力電機(jī)，用于驅(qū)動鉆頭旋轉(zhuǎn)，鉆頭最大輸出扭矩可達(dá)10 N·m。取心作業(yè)時，在地面通過調(diào)節(jié)動力電源供電電壓，可實時調(diào)節(jié)鉆頭旋轉(zhuǎn)速度以適應(yīng)不同地層作業(yè)需求。地面系統(tǒng)能夠全面監(jiān)測井下儀器狀態(tài)并實時調(diào)節(jié)取心過程參數(shù)，提高取心作業(yè)效率。儀器采用模塊化可插裝結(jié)構(gòu)設(shè)計，可靠性大幅提升，維修保養(yǎng)方便。

模塊式大直徑巖心旋轉(zhuǎn)井壁取心儀組成如圖1所示。

圖1 模塊式大直徑巖心旋轉(zhuǎn)井壁取心儀組成示意圖

模塊式大直徑巖心旋轉(zhuǎn)井壁取心儀主要由地面控制系統(tǒng)和井下儀器組成。地面控制系統(tǒng)由采集計算機(jī)、控制面板、控制電源、鉆頭動力電源組成，實現(xiàn)對井下儀器取心過程的監(jiān)測與實時控制。井下儀器由馬籠頭、井下電源適配器、溫度張力短節(jié)、電子節(jié)、平衡節(jié)、液壓節(jié)、機(jī)械節(jié)和巖心筒短節(jié)組成。

儀器最復(fù)雜、保養(yǎng)維修頻率最高的液壓節(jié)機(jī)體采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，所有控制閥設(shè)計為插裝閥座結(jié)構(gòu)，如圖2所示；插裝閥座可以直接插裝在液壓節(jié)機(jī)體上，如圖3所示。

圖2 模塊化插裝閥座

圖3 模塊化液壓節(jié)機(jī)體

儀器技術(shù)指標(biāo)：

耐溫175 ℃；

耐壓140 MPa；

適用井眼190～431.8 mm；

巖心規(guī)格：直徑1.5 in，長度2.75 in；

單顆巖心取心時間3～8 min；

一次下井獲取巖心80顆，可根據(jù)需要增減。

2 關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計

井壁取心儀的目的是從井壁鉆取地層巖心，采用空心鉆頭鉆取巖心，鉆頭的關(guān)鍵參數(shù)如圖4所示。為提高取心效率及提升地層適應(yīng)能力，儀器可根據(jù)地層特性，實時調(diào)節(jié)鉆頭的鉆壓F、旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速r，達(dá)到提升作業(yè)效率、巖心收獲率、巖心完整性的目的。針對一次下井所取巖心數(shù)量較多，不同深度的巖心容易混淆，通過井下巖心長度測量系統(tǒng)、隔片插入機(jī)構(gòu)，達(dá)到了區(qū)分巖心的目的。

圖4 鉆頭關(guān)鍵參數(shù)示意圖

2.1 鉆頭旋轉(zhuǎn)速度控制

對取心作業(yè)來說，鉆頭輸出扭矩大、旋轉(zhuǎn)速度調(diào)節(jié)范圍寬且靈活，取心效率及成功率就越高。為了提高取心鉆頭的輸出扭矩及調(diào)速性能，地面系統(tǒng)采用獨立的動力電源向井下單獨供電，驅(qū)動井下獨立的動力電機(jī)帶動液壓泵、驅(qū)動液壓馬達(dá)，液壓馬達(dá)直接帶動空心鉆頭旋轉(zhuǎn)進(jìn)行取心作業(yè)。通過控制液壓馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)速，從而控制鉆頭的旋轉(zhuǎn)速度。

液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速可以通過式(1)進(jìn)行計算。

(1)

式中：n為液壓馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)速,rpm；V1為液壓泵的排量,L；V2為液壓馬達(dá)的排量,L；ηv1為泵的容積效率；ηv2為液壓馬達(dá)的容積效率；n1為直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速,rpm。

本系統(tǒng)所選用的液壓泵為具有壓力溫度補償機(jī)制的定量泵，液壓馬達(dá)為定量液壓馬達(dá)，其排量v1、v2為固定值。式(1)中容積效率ηv1、ηv2隨著液壓油溫度及工作壓力的變化稍有變化，但變化范圍比較小。在一定溫度及一定壓力范圍內(nèi)，可以理解為一個固定值。

從公式(1)可以看出，鉆頭的轉(zhuǎn)速n∝n1, 通過調(diào)節(jié)地面的動力電源的輸出電壓，進(jìn)而調(diào)節(jié)直流無刷電機(jī)的供電電壓，可以調(diào)節(jié)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速n1，從而調(diào)節(jié)鉆頭的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速[7-8]。

液壓馬達(dá)輸出扭矩如下：

(2)

式中：▽p為液壓馬達(dá)進(jìn)油口壓力與回油口之間壓力差，MPa；ηm2為液壓馬達(dá)的機(jī)械效率；V2為液壓馬達(dá)的排量,L。

公式(2)中，本系統(tǒng)液壓泵出口直通液壓馬達(dá)進(jìn)口，液壓泵出口壓力與液壓馬達(dá)進(jìn)口壓力相等，液壓馬達(dá)回油直通油箱，即液壓馬達(dá)回油壓力為0，因此液壓馬達(dá)壓力差▽p基本與液壓泵出口壓力p相等。

因此，液壓馬達(dá)輸出扭矩如下：

(3)

式中：p為液壓泵出口壓力，MPa；ηm2為液壓馬達(dá)的機(jī)械效率；V2為液壓馬達(dá)的排量,L。

液壓馬達(dá)排量V2為固定值，液壓馬達(dá)的機(jī)械效率ηm2隨液壓油溫度及工作壓力的變化而稍微變化，但其變化范圍較小，在一定溫度及一定壓力范圍內(nèi)，可以理解為一個固定值，通過測量與控制液壓泵的出口壓力p，即可計算出液壓馬達(dá)的輸出扭矩T，即鉆頭的輸出扭矩。通過控制液壓泵的輸出壓力，即可近似估算出鉆頭的最大輸出扭矩。

2.2 鉆頭鉆壓與鉆進(jìn)速度控制

采用一個獨立的控制用電機(jī)完成井下取心輔助動作，主要包括儀器的固定、鉆頭鉆進(jìn)、推心、隔片插入等動作，所需力量大小、速度快慢差別很大。其中，推靠、鉆頭鉆退、隔片插入等動作，要求快速且力量大，而鉆進(jìn)所需速度較低，但鉆進(jìn)力量需要根據(jù)地層特性實時進(jìn)行調(diào)節(jié)。為此，采用單電機(jī)拖動雙液壓泵。假設(shè)控制用電機(jī)轉(zhuǎn)速為n2,控制泵1的排量為V3、最大工作壓力為p3，控制泵2的排量為V4、最大工作壓力為p4；V3遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于V4,但p3低于p4壓力。其液壓原理圖如圖5所示。

圖5 取心控制液壓系統(tǒng)框架示意圖

主油路1用于向推靠、隔片插入、推心等動作供油，主油路2用于向鉆進(jìn)液壓缸供油。溢流閥不起作用時，主油路1供油量為Q1,主油路2的供油量為Q2。

Q1=n2×V3

(4)

Q2=n2×V4

(5)

式中：n2為調(diào)節(jié)控制用直流無刷電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度，rpm;V3為控制泵1的排量,L;V4為控制泵2的排量,L。

液壓缸在運動過程中，運動速度與提供油量成正比[8，9]，調(diào)節(jié)控制用直流無刷電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度n2，即可調(diào)節(jié)鉆進(jìn)液壓缸的運動速度，從而調(diào)節(jié)鉆進(jìn)速度；由于V3?V4， 因此Q1?Q2,正常運動過程中，推靠、隔片插入、推心等動作速度快。鉆頭鉆退時，需要高速鉆退，電磁閥1YA得電，主油路1液壓油通過電磁換向閥1YA進(jìn)入主油路2，加快鉆退速度；當(dāng)推靠到位時，此時推靠壓力為p3,電磁閥2YA得電，主油路2的高壓油進(jìn)入主油路1，主油路1的工作壓力變?yōu)閜4,大幅提升推靠工作壓力，使儀器固定牢固，確保作業(yè)安全。通過以上措施，節(jié)省非必要鉆取巖心時間，從而提升取心效率。在鉆進(jìn)取心過程中，根據(jù)地層特性，通過電磁閥3YA、4YA、5YA的通斷，選擇不同的鉆進(jìn)壓力，滿足不同地層取心作業(yè)需求。

利用以上液壓控制技術(shù)，實現(xiàn)了鉆進(jìn)速度、壓力的精確控制及儀器固定力的大小切換，克服了因7芯電纜供電不足而無法同時滿足運動速度高、力量大的取心動作需求。

2.3 巖心檢測機(jī)構(gòu)設(shè)計

儀器一次下入井中可以獲取多達(dá)80顆巖心。地層井況復(fù)雜，不同深度層位的巖心容易混淆。設(shè)計了一種井下檢測巖心裝置，在一個深度點位取心成功后，能夠?qū)崟r監(jiān)測井下是否取心成功并測量巖心的長度。如果巖心沒有取成功或者所獲得的巖心長度滿足不了巖心分析需求，可以重新定位儀器，在同一層位再次進(jìn)行取心作業(yè)，保證獲取高質(zhì)量巖心。巖心檢測原理如圖6所示。

圖6 巖心開關(guān)檢測原理示意圖

當(dāng)巖心開始通過檢測裝置時，巖心外表面施壓給檢測臂一個向上的推力，推力通過傳力機(jī)構(gòu)，迫使接觸開關(guān)運動軸向上運動，接觸開關(guān)導(dǎo)通，巖心開關(guān)關(guān)閉，此時監(jiān)測點電壓值降低；當(dāng)巖心完全通過檢測裝置后，在開關(guān)壓縮彈簧的作用下，接觸開關(guān)運動軸向下運動，開關(guān)斷開，監(jiān)測點電壓值升高。井下主控電路采集巖心接觸開關(guān)的狀態(tài)變化，同時采集推心位移，記錄巖心開關(guān)接觸、斷開時的兩個推心位移值，將兩次位移值做差，得到巖心的長度值。

通過對鉆頭的精確控制，有效提高了儀器的地層適應(yīng)能力、取心效率。在地面能夠?qū)崟r監(jiān)測巖心長度，如果獲取巖心長度不符合要求，可以對儀器重新定位，大幅提升了巖心收獲率。

3 典型地質(zhì)作業(yè)應(yīng)用

自MRCT現(xiàn)場作業(yè)以來，已成功作業(yè)超過100井次，收獲巖心突破2 000顆，巖心收獲率91%，平均獲取單顆巖心所用時間為5.6 min。在砂巖、泥巖、煤層、花崗巖等地層均表現(xiàn)良好；能夠適應(yīng)深水井、大斜度井、高溫高壓井等復(fù)雜井況作業(yè)。

3.1 深水極疏松地層取心作業(yè)

2020年3月21日，在中國南海YL1-X-X井，水深2 020 m，井深4 275 m，采用中國自主研制的深水平臺981作業(yè)。設(shè)計巖心45顆，一趟下井收獲巖心45顆，取心收獲率100%。其中，收獲疏松巖心12顆(聲波時差>120 μs/ft的疏松地層,不適合旋轉(zhuǎn)井壁取心作業(yè)[11])。

3.2 大斜度井中取心作業(yè)情況

東海NB19-X-XD#井，井深4 527 m，裸眼段2 100 m，井斜42°，井溫156 ℃，其井眼結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

MRCT儀器一趟下井收獲41顆巖心，收獲率100%，鉆取單顆巖心平均用時5.8 min。

截止目前，在15°以上大斜度井中共作業(yè)23井次，收獲巖心486顆，巖心收獲率90.3%，井眼涵蓋8.5 in井眼和12.5 in井眼。

3.3 深層高溫井取心作業(yè)情況

2020年6月6日，渤海BZ21-X-X井，井深4 933 m，井溫166 ℃，泥漿比重1.62 g/cm3,該井為重點高溫勘探井，MRCT一趟下井，收獲巖心樣本42顆。

截止目前，150 ℃以上高溫井，作業(yè)16井次，共計收獲巖心226顆，巖心收獲率93%。

3.4 復(fù)雜井況取心作業(yè)情況

在南海西部WC14-2X-X井，井深3 541 m，井溫151 ℃，8.5 in井眼，該井地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裂縫比較多，常規(guī)測井作業(yè)時儀器頻繁發(fā)生粘卡。電纜允許靜置時間不超過5 min，電纜極易發(fā)生吸附卡；儀器固定靜置時間超出7 min，則大概率出現(xiàn)儀器粘卡。

該井與國外公司背靠背作業(yè)，國外公司大直徑取心儀下井作業(yè)5 h，收獲巖心1顆。由于地層不均勻，頻繁卡鉆，取心作業(yè)耗時較長，電纜吸附卡頻繁發(fā)生，為安全起見，放棄作業(yè)。MRCT一趟下井作業(yè)9 h，收獲巖心38顆。

類似復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)，在東海、南海東部等區(qū)塊，多次與國際一流公司的大直徑取心儀進(jìn)行背靠背對比作業(yè)，整體表現(xiàn)優(yōu)于國外儀器。

4 結(jié)束語

模塊式大直徑巖心旋轉(zhuǎn)井壁取心儀通過采用關(guān)鍵取心參數(shù)根據(jù)地層進(jìn)行調(diào)節(jié)技術(shù)、井下巖心檢測技術(shù)，解決了疏松地層無法進(jìn)行旋轉(zhuǎn)取心的技術(shù)難題，提升了儀器取心效率及地層適應(yīng)能力。經(jīng)過100多井次的作業(yè)應(yīng)用，作業(yè)效果理想，得到了用戶的高度信任。

隨著中國石油勘探開發(fā)的不斷深入，探勘井深度越來越深、井溫越來越高，井眼直徑越來越小，研制可使用于6 in及更小直徑井眼、200 ℃以上井溫環(huán)境的大直徑巖心取心儀，對石油勘探具有重要意義。