保壓取心工具連續(xù)割心系統(tǒng)設計

劉 合，溫鵬云，宋 微，李金波，王素玲

(1.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；2.東北石油大學機械科學與工程學院，黑龍江大慶 163318)

保真巖心是儲層巖物性、礦物特征、地下構造、油氣分布等信息最真實的賦存體[1-2]，是了解地層力學性質、油氣分布及深部生命體信息最直觀、最有效、最真實的資料[3-5]；鉆探取心技術是獲取巖心最直接，也是唯一的手段[6-8]，如何行之有效地實現(xiàn)井下巖心割取是鉆探取心技術發(fā)展的關鍵；現(xiàn)行保壓取心工具割心系統(tǒng)中差動機構普遍通過投球堵塞鉆井液流道憋壓的方式[9-11]，實現(xiàn)內外筒差動，利用此段差動位移來帶動巖心爪收縮，割取巖心，此方式要經歷卸鉆桿、啟停泵、調節(jié)泵壓等復雜操作過程，耗時長，響應速度慢，且其通過鉆桿的下行距離及儲心筒的儲心長度來判斷投球的時機，忽略了鉆桿在幾千米深的地層中會產生較大的彎曲長度損失問題，巖心收獲率較低[12-14]；現(xiàn)行保壓取心工具巖心爪普遍利用差動機構內外筒差動位移自鎖卡緊巖心，實現(xiàn)巖心割取，其存在著鎖緊力不足、巖心易滑脫的問題，造成巖心丟失，空筒現(xiàn)象的產生[15-17]。為解決這些問題，筆者設計研發(fā)一套適用于保壓取心工具的連續(xù)可控割心系統(tǒng)，其中活塞式可控差動機構利用傳感器信號反饋控制電磁閥通斷實現(xiàn)內外筒差動，免于投球，從根本上解決由于投球信號誤差造成的巖心長度損失，杠桿加壓自鎖式巖心爪利用杠桿原理加壓使巖心爪鎖緊下行巖心，有效避免由于巖心爪摩擦力不足造成巖心滑脫、取心失敗問題，對提高取心效率及巖心收獲率具有重要意義。

1 結構及工作原理

1.1 活塞式可控差動機構

活塞式可控差動機構組成如圖1所示，整套機構通過安全總成連接在鉆桿下端，內筒在彈簧一作用下處于差動軸的最下端，差動活塞上部通孔與差動軸注液孔連通，電磁閥處于關閉狀態(tài)。差動活塞安裝在差動筒內部，通過上下浮動來實現(xiàn)鉆井液流道改變。差動筒下部安裝有由電磁閥座及密封蓋所組成的密閉腔室用于放置電磁閥，防止鉆井液的污染。在電磁閥座內表面安裝有磁性開關，在內筒下部安裝有磁環(huán)。磁性開關可以透過金屬筒壁監(jiān)測到磁環(huán)所發(fā)出的磁場，并將監(jiān)測信號反饋傳輸給控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)通過控制電磁閥的通斷實現(xiàn)差動結構的內外筒差動控制。

圖1 活塞式可控差動機構Fig.1 Piston type controllable differential mechanism

工作原理：活塞式可控差動機構初始工作狀態(tài)如圖2(a)所示，內筒位于差動活塞軸的最下端，差動活塞上部的通孔與差動軸泄流槽連通；開始鉆進取心時，鉆井液沿鉆桿，差動活塞中孔，差動軸泄流槽，一直流到差動筒下部空間，通過內筒側面鉆井液泄流孔排出到內外筒環(huán)空；當監(jiān)測到巖心快到達儲心筒底部時，傳感器反饋信號給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)控制電磁閥開啟，鉆井液沿高壓管道通過電磁閥流通到差動活塞底部，導通其上下空間，在壓差作用下，差動活塞上行至其通孔與差動軸注液孔連通，其位置如圖2(b)所示，此時鉆井液憋壓，開始注入到差動軸與內筒套所形成的空腔，在壓力作用下內筒相對外筒上行，實現(xiàn)內外筒差動，其位置如圖2(c)所示；當內筒上磁環(huán)上行到被電磁閥座中的磁性開關檢測到時，其反饋信號給控制系統(tǒng)，控制電磁閥關閉，差動活塞在壓力作用下下行，擠壓底部鉆井液沿活塞泄流孔排出，實現(xiàn)復位，差動筒在彈簧一及壓差共同作用下回到初始位置，鉆井液恢復正常循環(huán)狀態(tài)，完成一次差動過程。

圖2 活塞式可控差動機構工作原理Fig.2 Working principle of piston controllable differential mechanism

1.2 杠桿加壓自鎖式巖心爪

圖3 杠桿式自鎖巖心爪結構Fig.3 Structure of lever type self-locking core claw

杠桿加壓自鎖式巖心爪組成如圖3所示。其安裝于球閥總成內部的密封座內表面，與上述活塞式可控差動機構配合實現(xiàn)巖心割取，其中預緊環(huán)、預緊彈簧及壓片配合給巖心爪提供了一個彈性縮放的空間，使巖心爪具備了一定的預緊自鎖力，巖心不易滑脫。同時滑動塊、割心片及支撐環(huán)三者形成了一個杠桿，割心片上端部外表面與巖心爪座之間留有一定間隙，且其可繞支撐環(huán)發(fā)生一個微小旋轉位移。同時滑塊可沿割心片上的滑槽上下滑動，三者巧妙配合，利用滑塊隨巖心向下移動時給割心片上端部的外推力，通過杠桿原理轉變?yōu)楦钚钠露瞬扛钚凝X壓緊巖心的壓力，使得巖心爪可以緊緊抱住巖心，實現(xiàn)巖心的成功割取，較大層度上避免了空筒現(xiàn)象的出現(xiàn)，極大地提高了割心成功率及巖心收獲率。

工作原理：該巖心爪置于球閥總成內部，球閥總成的預緊密封座即為巖心爪總成的巖心爪座，保證割取巖心后球閥可以順利關閉；巖心爪片在支撐環(huán)作用下置于巖心爪座錐形環(huán)面上，向上依次安裝有滑動塊、壓片、預緊彈簧，最后通過螺紋連接在巖心爪座上的預緊環(huán)壓緊整個巖心爪總成，預緊彈簧保證巖心爪具有了一個預緊自鎖力；當巖心進入時，帶動整個巖心爪總成向上運動，支撐環(huán)直徑擴大，方便巖心進入，同時預緊彈簧被壓緊，當巖心停止運動時，預緊彈簧將巖心爪總成向下壓，使巖心爪內齒壓緊在巖心上，保證割心片可以緊緊抱住巖心；同時滑動塊、割心片及支撐環(huán)三者巧妙配合，形成了一個杠桿，割心片上端部外表面與巖心爪座之間留有一定間隙，且其可繞支撐環(huán)發(fā)生一個微小旋轉位移；滑塊可沿割心片上的滑槽上下滑動，巖心下行時，滑動鎖緊塊隨巖心沿割心片滑槽下行，錐形環(huán)面的設計使其對割心片上端部產生一個外推力，巧妙利用杠桿原理轉變?yōu)闀r割心片下端三角形臺階對巖心的內壓力，增大了割心片三角形臺階與巖心的摩擦力，保證三角形臺階凸棱緊緊卡在巖心上，避免巖心滑脫；隨著巖心繼續(xù)下行，割心片隨巖心沿巖心爪座錐形環(huán)面下行縮徑，成功割斷巖心。

2 控制系統(tǒng)設計

現(xiàn)行保壓取心工具割心系統(tǒng)普遍為機械式控制，其靈活性差、割心效率及割心成功率較低，且會產生一定長度的巖心損失，巖心收獲率較低。本設計提出一種適用于保壓取心工具，智能可控的連續(xù)割心系統(tǒng)通過傳感器監(jiān)測位置信號反饋傳輸給單片機控制系統(tǒng)，利用PID算法控制電磁閥實現(xiàn)對割心系統(tǒng)差動機構的控制，提高了保壓取心工具靈活性及智能化程度。

智能割心系統(tǒng)包括磁性開關、超高壓電磁閥、超高壓管道及單片機控制系統(tǒng)，其控制流程如圖4所示。巖心開始進入巖心筒推動密閉蓋上行，到磁性開關監(jiān)測到密閉蓋上的磁環(huán)時，反饋信號給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)控制電磁閥開啟，差動活塞上下導通，在壓差作用下上行改變鉆井液流道實現(xiàn)內外筒差動，杠桿加壓自鎖式巖心爪在內外筒差動位移下抱緊巖心沿錐形環(huán)面下行實現(xiàn)巖心的成功割取。

圖4 控制流程Fig.4 Control flow

3 巖心爪自鎖條件

杠桿加壓自鎖式巖心爪通過其與巖心之間的摩擦力卡緊巖心，避免發(fā)生滑脫。保證巖心不打滑是實現(xiàn)巖心爪成功割心的關鍵條件[18-19]，杠桿式自鎖巖心爪卡緊巖心時的狀態(tài)如圖5所示，對其進行受力分析如下：

(1)

(2)

由式(1)、(2)可得

f2>(f1+0.2)/(1-0.2f1).

(3)

式中，F(xiàn)1和F2分別為卡箍座對巖心爪、巖心爪對巖心的摩擦力，N；N1和N2分別為卡箍座對巖心爪、巖心對巖心爪的正應力,N；f1和f2分別為卡箍座與巖心爪、巖心與巖心爪之間的摩擦系數(shù)，杠桿式自鎖巖心爪卡箍座錐度為1∶5;α為卡箍座錐形環(huán)面錐角,(°)。

為了保證巖心爪可以順利自鎖，巖心爪與巖心爪座之間的摩擦系數(shù)f1需要控制在較小范圍內，此時(1-0.2f1)取值近似為1，因此得出當滿足f2>(f1+0.2)時，可以保證巖心爪卡緊巖心，不會發(fā)生滑脫；同時由式f2>(f1+0.2)也可以看出，在對巖心爪進行設計時，需盡量減小卡箍座與巖心爪之間的摩擦系數(shù)f1，增大巖心與巖心爪之間的摩擦系數(shù)f2，保證其滿足自鎖條件，提高割心成功率。

圖5 巖心爪受力示意圖Fig.5 Force diagram of core claw

4 有限元分析

沉積巖為地表的主要巖類，抗拉強度通常在2～15 MPa；本次仿真假設所取巖心為沉積巖，抗拉強度為15 MPa，對巖心爪割心過程進行分析，所設計工具取心直徑為62 mm，由單軸抗拉強度計算公式得到破壞載荷為51.78 kN。

巖心爪割心受力模型為對稱結構，將其進行簡化，只保留巖心爪座、巖心爪及巖心3個結構的一半進行仿真分析，巖心爪及巖心爪座材料選用42GrMo,其抗拉強度極限和屈服強度極限分別為1 080和930 MPa，取安全系數(shù)為1.5，則許用應力為620 MPa[20]。受力模型主體網格劃分尺寸(邊長)為5 mm，將巖心爪與巖心爪座、巖心爪與巖心接觸面進行網格細化，尺寸(邊長)為1 mm，將巖心爪與巖心接觸面設置為摩擦接觸，摩擦系數(shù)設置為0.3，巖心爪與巖心爪座理想化為無摩擦接觸，仿真結果如圖6所示。

圖6 巖心爪關鍵部件應力分布Fig.6 Stress distribution of key components of core claw

由圖6可知，巖心應力最大值為94.454 MPa，割心片應力最大值為132.32 MPa，出現(xiàn)在與卡箍座接觸部位，卡箍座應力最大值為79.669 MPa，仿真結果表明，所設計巖心爪各關鍵部件最大應力遠小于許用應力，滿足強度設計要求。

5 結 論

(1)設計了一套連續(xù)可控割心裝置，其中活塞式可控差動機構利用活塞運動來實現(xiàn)內外筒差動控制，免于投球，提高了取心效率及巖心長度；杠桿加壓自鎖式巖心爪巧妙利用杠桿原理加壓，增大巖心爪與巖心之間摩擦力，防止巖心滑脫，增大了割心成功率及取心收獲率，該裝置對保壓取心技術的發(fā)展具有一定的促進作用。

(2)提出一種與割心裝置配套的控制系統(tǒng)，通過傳感器反饋信號給單片機，單片機控制電磁閥啟閉實現(xiàn)內外筒差動控制，割心位置精確，靈活性強，較大提高了取心效率。

(3)對割心裝置可靠性進行分析計算得出了巖心爪的自鎖條件，同時對巖心爪割心過程進行的靜力學仿真結果表明該裝置強度可靠，可行性強，滿足設計要求。