高溫小井眼大直徑巖心旋轉(zhuǎn)井壁取心儀研制及應用

劉鐵民 田志賓 黃琳 馮永仁 魏贊慶 賈奇勇 彭碩

(中海油田服務股份有限公司)

0 引 言

旋轉(zhuǎn)井壁取心技術(shù)經(jīng)過20多年的發(fā)展，取得了長足的進步，但仍然存在一些問題[1]，諸如：鉆頭動力不足、取心作業(yè)時容易卡鉆；取心時鉆頭的轉(zhuǎn)速、鉆壓不可調(diào)節(jié)，對地層的適應能力較差；一次取心成功率、取心效率有待提高；儀器所需供電電壓高、電流大，對絕緣要求高；儀器外徑尺寸大，不能滿足小井眼作業(yè)需求。這些問題嚴重阻礙了儀器的推廣應用。

大直徑巖心對分析地層儲量有很大幫助，因此勘探開發(fā)對獲取大直徑巖心的需求也越來越多，在這方面投入也越來越大[2]。近年來，國內(nèi)外油氣服務公司先后推出多種大直徑旋轉(zhuǎn)井壁取心儀，例如斯倫貝謝的XL-Rock、貝克休斯的MaxCORE、中海油田服務股份有限公司(以下簡稱中海油服)的MRCT，這幾種大直徑取心儀均有各自的特點。經(jīng)過現(xiàn)場應用，中海油服研制的MRCT在地層適應性、鉆頭鉆壓自調(diào)節(jié)方面具有顯著優(yōu)點，也得到了用戶的肯定。但MRCT只能從大于?215.9 mm(8.5 in)井眼里獲取大直徑巖心，對小于?215.9 mm井眼巖心的獲取目前只能使用早期斯倫貝謝的MSCT、中海油服的ERSC及及貝克休斯的PCORE，這幾款取心儀均是獲取小巖心的井壁取心儀器。

為了能在小于?215.9 mm井眼獲取大直徑巖心，滿足用戶作業(yè)需求，中海油服依托研發(fā)項目，成功研制出高溫小井眼大直徑巖心旋轉(zhuǎn)井壁取心儀MRCT-dumpy，該取心儀可完成6 in井眼的大直徑井壁取心作業(yè)。通過現(xiàn)場多口井的應用表明，該取心儀及取心技術(shù)在小井眼大直徑取心領(lǐng)域能力獲得充分驗證。

1 MRCT-dumpy工作原理及儀器組成

通過機械、軟件、電子技術(shù)，攻克了電機直接帶動鉆頭取心難題，形成高可靠高精密鉆頭運動軌跡小型化控制技術(shù)、插裝式井下巖心精確區(qū)分技術(shù)、高溫大功率控制技術(shù)等，成功研制了適用于?152.4 mm井眼的高溫小井眼大直徑巖心旋轉(zhuǎn)井壁取心儀MRCT-dumpy。MRCT-dumpy由遠程專家支持系統(tǒng)、地面控制系統(tǒng)和井下儀器3部分組成，其系統(tǒng)組成如圖1所示。其中，地面控制系統(tǒng)包含大電機電源、小電機電源、控制面板、采集計算機共4部分，該系統(tǒng)主要負責與井下儀器進行通信，控制井下儀器完成推靠、鉆進鉆退、推心、反推等功能[3-5]。井下儀器包含七芯馬籠頭、電源短節(jié)、張力短節(jié)、電子控制短節(jié)以及機械液壓短節(jié)；電子控制短節(jié)的線路采用新型的保溫瓶結(jié)構(gòu)，對整個電路系統(tǒng)進行熱管理設(shè)計，可以有效控制儀器內(nèi)部溫度，增強整套儀器的耐溫性能；機械液壓短節(jié)采用機電結(jié)合的設(shè)計方法，使用液壓油作為介質(zhì)，通過電機泵組合產(chǎn)生壓力、控制多個液壓缸完成取心動作。該套儀器可以獲取深層井下優(yōu)質(zhì)巖心樣本，一趟取心作業(yè)最多可收獲巖心60顆，巖心體積大，巖心直徑38.1 mm、長度54.6 mm，可以借此更深入地了解深井地層特別是深海潛山油氣層地質(zhì)參數(shù)[6]。該儀器具備反推解卡功能，當儀器在井下遇卡時，可以反推井壁進行解卡以保證儀器的井下作業(yè)安全。

1—遠程專家支持系統(tǒng)；2—地面控制系統(tǒng)；3—井下儀器。

MRCT-dumpy已成功在中國海上油田完成4井次?152.4 mm小井眼的大直徑巖心樣本的取心作業(yè)，解決了深海深層不能獲取大直徑巖心樣本的難題，為高難度油氣層開發(fā)提供了數(shù)據(jù)支撐[7-9]。該儀器配套遠程專家支持系統(tǒng)，遠程人員可通過該系統(tǒng)隨時看到作業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)。

本文研制的MRCT-dumpy主要性能指標如表1所示。

表1 MRCT-dumpy技術(shù)指標

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 電子控制短節(jié)設(shè)計

電子控制短節(jié)采用整體保溫瓶結(jié)構(gòu)，內(nèi)部設(shè)計添加有吸熱劑。通過熱交換模擬，對電路需要的吸熱劑進行布局，以達到工作時最大的吸熱效果，并對吸熱劑的材料和工藝進行優(yōu)化設(shè)計，使該短節(jié)的導熱、吸熱、隔熱能力顯著增強。其總體結(jié)構(gòu)為超高溫真空絕熱耐高壓保溫瓶外殼+隔熱體+分布式模塊化吸熱劑設(shè)計。完成的電子控制短節(jié)在205 ℃試驗條件下連續(xù)正常工作20 h，內(nèi)部溫度控制在150 ℃以內(nèi)[10]。其內(nèi)部零部保溫情況如圖2所示。

圖2 MRCT-dumpy一體化熱管理保溫瓶保溫示意圖

2.2 機械液壓短節(jié)設(shè)計

機械液壓短節(jié)是該套系統(tǒng)的核心部件，而主液壓基體是構(gòu)成短節(jié)的主要配件。主液壓基體裝配有多個模塊，包括主副推靠模塊、鉆進推心模塊、動力模塊、分割巖心模塊及平衡筒模塊。通過上述模塊實現(xiàn)收開推靠、收緊液缸、收開反推等功能。

機械液壓短節(jié)的動力模塊主要功能是提供該短節(jié)所需的液壓動力；主副推靠模塊主要功能是將該短節(jié)牢固坐封于井壁，保證其在取心過程中不會移動；鉆進推心模塊主要功能是為取心的運動導軌提供動力，并將獲取的巖心平穩(wěn)地推到巖心筒中；分割巖心模塊主要功能是在取心完成后能主動取、分巖心，確保所有巖心與井下深度一致；平衡筒模塊則主要保證儀器在高溫高壓環(huán)境下的液壓平衡，確保整個儀器內(nèi)外壓力平衡。所有模塊均安裝在主液壓基體結(jié)構(gòu)上，該結(jié)構(gòu)上共設(shè)計了5個液壓閥座安裝孔(見圖3)，用來裝配液壓閥座，以完成收開推靠、收緊所有液壓缸及收開反推等功能。閥座安裝完畢后，設(shè)計有專門的密封蓋將閥座孔與外界鉆井液進行密封隔離，所有閥座浸泡在液壓油里面，通過電動控制操作閥體，執(zhí)行動作[11-13]。該短節(jié)設(shè)計有專門的安裝壓力采集傳感器密封腔，以采集儀器工作過程中的壓力數(shù)據(jù)，用于判斷儀器在井下的工作狀態(tài)。

1—壓力調(diào)節(jié)閥座；2—收緊閥座；3—張開控制閥座；4—隔片控制閥座；5—反推控制閥座。

2.2.1 液壓系統(tǒng)設(shè)計

MRCT-dumpy在井下需要完成鉆進、退鉆、推心、隔片、張開支撐臂等多個復雜的動作，其液壓系統(tǒng)設(shè)計較為復雜，既要考慮其完整性，又要考慮其可靠性及效率；由于其工作環(huán)境為井下，還需要考慮井下鉆井液對整套液壓系統(tǒng)的影響。該液壓系統(tǒng)采用總線式設(shè)計，共設(shè)計有5個液壓缸，10多個兩位三通電磁閥、10個液控單向閥、10多個單向閥等。取心電機直接浸泡在鉆井液環(huán)境中，內(nèi)部充滿液壓油來保證其壓力平衡，組成完整的液壓系統(tǒng)。圖4為液壓系統(tǒng)動力實現(xiàn)流程圖。

圖4 液壓系統(tǒng)動力實現(xiàn)流程示意圖

2.2.2 取心電機模塊設(shè)計

取心電機模塊是機械液壓短節(jié)的核心模塊，其功能是為了獲取井下高質(zhì)量的巖心。該模塊需跟隨儀器導軌在井下進行鉆頭姿態(tài)控制，其總體結(jié)構(gòu)分為電機、減速機以及鉆頭鉆桿部分，如圖5所示。

1—取心電機模塊；2—取心鉆桿；3—取心鉆頭。

模塊主要結(jié)構(gòu)是電機與減速結(jié)構(gòu)的高集成化模塊，具有體積小、功率密度大的特點，能浸泡在鉆井液中進行工作[14-15]。

模塊設(shè)計采用電機和減速機組合方式。為了保證其工作性能，需要對模塊開展設(shè)計分析。在二維有限元中建立電機仿真模型，進行空負載計算。設(shè)置繞組電流為0，對電機進行空載特性分析。計算所得的空載磁通密度分布如圖6所示。

圖6 取心電機空載磁通密度分布圖

電機電勢計算式如下：

(1)

E0=4.44fN1Kdp1Φm

(2)

式中：Φm為電機的氣隙磁通量，Wb；lef為電機的電樞計算長度，m；τ為電機的極距，m；Bδ為電機的氣隙磁通密度，T；E0為電機繞組的感應電動勢，V；f為繞組感應電動勢的頻率，Hz；N1為電機繞組每相串聯(lián)匝數(shù)，無量綱；Kdp1為繞組因數(shù)，無量綱。

通過輸入電機的額定轉(zhuǎn)速，可以得到電機的空載相、線電勢曲線。

根據(jù)直流無刷電機的特性，電機轉(zhuǎn)子在不同位置的氣隙磁通密度如圖7所示。

圖7 電機空載氣隙磁通密度

根據(jù)運動控制系統(tǒng)理論與轉(zhuǎn)速動態(tài)控制結(jié)構(gòu)框圖，可以得到速度環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)為：

(3)

模擬分析中，向電機通入正弦電流，計算電機的平均轉(zhuǎn)矩，可得電機的T-I曲線如圖8所示。

圖8 電機T-I曲線

由圖8可以看出，取心模塊的電機線性度較好，并在該電機達到額定轉(zhuǎn)矩后的較大轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)，仍工作在線性階段。目前該系統(tǒng)工作的T-I范圍為8 A以內(nèi)，電機的扭矩T滿足設(shè)計要求。

為了驗證取心電機模塊的扭矩性能，專門設(shè)計了一套完整的扭矩測試裝置。該裝置包括制動器、扭矩限制器等。通過測試發(fā)現(xiàn)，研制的取心電機模塊扭矩達到10 N·m，完全滿足井下取心作業(yè)需求。圖9為取心電機地面扭矩測試圖。

圖9 取心電機地面扭矩測試示意圖

3 MRCT-dumpy取心工藝與實踐

為了能使MRCT-dumpy更好地適應現(xiàn)場復雜井環(huán)境特別是高溫高壓、深井的作業(yè)環(huán)境，針對該儀器進行了取心工藝研究。主要解決鉆頭從儀器中伸出、鉆進、收回的過程中，如何折斷巖心、不損傷巖心，如何把巖心帶出地層、實時判斷取心是否成功，如何精確區(qū)分不同層位巖心，如何取出完整巖心等問題。通過優(yōu)化取心流程、鉆頭制造工藝，針對不同巖心進行技術(shù)參數(shù)摸索，最終形成適用于該儀器的一套取心作業(yè)工藝，可滿足現(xiàn)場的作業(yè)需求[4-5]。

MRCT-dumpy完成實驗室調(diào)試后，在試驗井進行功能測試，見圖10。包括對長電纜通信測試，各種閥功能測試，鉆進、鉆退、推心、隔片等功能測試，以及取心電機模塊在井下水環(huán)境中電流、負載變化情況的測試。測試結(jié)果表明，取心電機的性能表現(xiàn)符合設(shè)計要求，該儀器功能滿足小井眼大直徑取心要求，滿足現(xiàn)場作業(yè)需要。

圖10 試驗井測試

為了充分驗證儀器的可靠性及實用性，先后在現(xiàn)場開展了5口井的作業(yè)應用，其中在?152.4 mm井眼作業(yè)2口井，儀器最高工作溫度將近170 ℃。通過十幾個小時的工作，內(nèi)部溫度不高于100 ℃，熱管理系統(tǒng)滿足設(shè)計要求，取心收獲率97%，取心功能均正常，最高單趟收獲巖心43顆，鉆頭性能及取心電機性能得到充分驗證。圖11為該儀器在BZ井作業(yè)現(xiàn)場及取心樣品。

圖11 MRCT-dumpy實井作業(yè)及巖心樣品圖

4 結(jié) 論

(1)高溫小井眼大直徑巖心旋轉(zhuǎn)井壁取心儀采用模塊化設(shè)計，維修保養(yǎng)方便，工程作業(yè)適應能力強。

(2)高溫小井眼大直徑巖心旋轉(zhuǎn)井壁取心儀集成化的設(shè)計及獨特的取心電機模塊的設(shè)計對小尺寸井眼油田取心作業(yè)，特別是對深井取心具有一定的應用價值。

(3)高溫小井眼大直徑巖心旋轉(zhuǎn)井壁取心儀系統(tǒng)所涵蓋的液壓油路、機械結(jié)構(gòu)、電動取心技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的攻克，對后期同類技術(shù)設(shè)備的發(fā)展有很好的指導作用。