趙戰(zhàn)航，張朝界，朱維兵，封志明，張宇奇

(西華大學(xué) 機械工程學(xué)院，成都 610039)

高速發(fā)展的全球經(jīng)濟，推動著世界各國對煤炭、石油等常規(guī)能源的需求不斷增加，導(dǎo)致能源緊缺加劇，環(huán)境污染嚴重。為了改善能源消費結(jié)構(gòu)和減少環(huán)境污染，全球能源供給將由煤炭和石油為主，轉(zhuǎn)變?yōu)榍鍧嵀h(huán)保的能源，促進了天然氣[1]的勘探開發(fā)。天然氣主要來源于地下頁巖、煤層、含碳質(zhì)巖層、天然氣水合物等地層中，其資源潛力很大[2-3]。近些年來，我國對清潔新能源的勘探開發(fā)十分重視，尤其對頁巖氣的勘探開發(fā)如火如荼。頁巖氣屬于非常規(guī)天然氣，它賦存于頁巖和致密砂巖中，通過壓裂等方法才能釋放氣體[4-5]。在頁巖氣勘探開發(fā)過程中，鉆井取心作業(yè)是關(guān)鍵。技術(shù)人員利用鉆井取心作業(yè)獲得的巖心，分析儲層的巖性、物性等特性，獲得所鉆井段巖性的有效數(shù)據(jù)，有利于頁巖氣資源調(diào)查評價，準(zhǔn)確識別頁巖氣水平井段的巖性，提高鉆遇頁巖氣的成功率，降低壓裂和生產(chǎn)的盲目性，提升完井質(zhì)量，實現(xiàn)有效開采，減少鉆完井成本。

目前，鉆井取心主要有全尺寸取心、沖擊式井壁取心和旋轉(zhuǎn)式井壁取心。全尺寸取心的1次起下鉆作業(yè)長達2～3 d，耗時長、工藝復(fù)雜、成本高。沖擊式井壁取心的爆炸沖擊工作機理使得取心質(zhì)量較差，無法較好地表達儲層物性特征。旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具利用自身攜帶的取心鉆頭從井壁上切取1段圓柱形巖心，并將其儲存至儲樣機構(gòu)中，所取巖心質(zhì)量好，可直接進行巖性、電性、含油性分析，并且施工簡單、效率高、成本低、巖心規(guī)則，兼有全尺寸取心和沖擊式井壁取心的優(yōu)點，是目前應(yīng)用最廣泛的鉆井取心方式[6]。

旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具是頁巖氣勘探階段的核心設(shè)備之一，在目前的頁巖氣勘探過程中逐漸體現(xiàn)出一定的技術(shù)不適用性，例如取心品質(zhì)低、巖心尺寸小、取心層位無法精確定位、水平井段取心困難等問題，對頁巖氣的勘探造成了一定的影響。因此，頁巖氣高效勘探開發(fā)的關(guān)鍵就是改善旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具的各項工作性能。為了加快頁巖氣的勘探開發(fā)進程，提高頁巖氣勘探效率，優(yōu)化頁巖氣勘探用旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具已成為行業(yè)的研究熱點。本文結(jié)合頁巖氣勘探階段的特殊性和復(fù)雜性，總結(jié)了頁巖氣勘探用旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具的性能要求和發(fā)展趨勢，為頁巖氣勘探用旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具的深入研究奠定堅實的基礎(chǔ)。

1 旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具的研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具最早是法國Schlumberger公司于1947年推出的，由于設(shè)備復(fù)雜、操作需要高超的技術(shù)，沒能廣泛使用，大約在1955年便停止使用[7]。

20世紀(jì)80年代，Schlumberger公司和其它幾家公司推出了采用液壓技術(shù)的旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具，才使得這種取心工具投入實用階段。目前，國外的旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具(如表1)研制較為領(lǐng)先，相比于國內(nèi)的初代產(chǎn)品而言，國外公司已研發(fā)出第2代、第3代產(chǎn)品，主要有：哈里伯頓公司的HRSCT-B型旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具，具備改進式取心鉆頭，可取得大尺寸、高品質(zhì)的巖心樣品[8]；哈里伯頓公司的CoreVault型旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具，采用密閉取樣、儲樣機構(gòu)，巖心樣品在獲取和運輸過程中皆保存在密閉容器內(nèi)，有效避免儲層流體流失，有助于更準(zhǔn)確評價儲層[9]；哈里伯頓公司的Xaminer型旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具，采用新型耐高壓高溫材料、全自動取心控制系統(tǒng)、超大容量儲心筒，大幅度提高了工具壽命和取心效率[10]；貝克休斯公司的MaxCOR型旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具，采用直流電機驅(qū)動，優(yōu)化鉆頭設(shè)計，提升鉆頭鉆速，大幅提升了工具取心效率和巖心收獲率[11]；斯倫貝謝公司的XL-Rock型和MSCT型旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具，在取心機構(gòu)上使用結(jié)構(gòu)簡單的液壓滑道機構(gòu)，僅需單個液壓缸即可完成旋轉(zhuǎn)組件、鉆進井壁和折斷巖心等功能，具備一定的先進性[12-13]。

表1 國外各型旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具的技術(shù)參數(shù)

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國對旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具的研究開發(fā)起步較晚。20世紀(jì)80年代末，國內(nèi)開始使用從國外引進的旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具。1986年，河南油田測井公司與航天部一院十二所組成攻關(guān)小組，進行旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具的相關(guān)研究，于1994年研制出我國第1臺3推靠臂HH-1型旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具[14]。目前，我國的旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具初具規(guī)模，生產(chǎn)技術(shù)逐步完善。國內(nèi)研制的旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具(如表2)主要有：北京華能通達能源科技有限公司研制的FCT-2型旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具，采用大、小泵雙液壓系統(tǒng)分別給取心鉆頭提供鉆壓和轉(zhuǎn)矩，提高了地層適應(yīng)能力、取心效率，同時它也是在各大油田應(yīng)用的首套國產(chǎn)旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具[15]；中石油集團測井有限公司研制的SRCT系列旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具，采用智能變頻技術(shù)，可根據(jù)電機工作情況自動調(diào)節(jié)輸出電流、電壓及頻率，避免電纜和其他用電設(shè)備的過流損壞，去除了地面預(yù)熱環(huán)節(jié)，提高了取心作業(yè)時效[16]；中石油集團大慶鉆探工程公司測井公司研制的ESCT型旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具，采用便攜式機箱、井下大功率直流無刷電機和數(shù)字電磁閥技術(shù)，提高了工具的可靠性和巖心收獲率[17]；中海油服技術(shù)中心研制的ERSC-Ⅱ型旋轉(zhuǎn)式取心工具，采用了高精度伽馬校深和液壓自反饋調(diào)節(jié)技術(shù)，提高了取心作業(yè)效率[18]?？傮w而言，國內(nèi)生產(chǎn)的旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具性能與國外相比還存在一定差距，具體體現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具的使用壽命、取心收獲率、取心品質(zhì)等方面，主要原因是我國在新材料研發(fā)、耐受度更高的新型溫度和壓力傳感器研發(fā)、機械加工制造業(yè)等方面相對落后，密封裝置的設(shè)計、取心工藝的研究等還存在一定的不足。

表2 國內(nèi)各型旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具的技術(shù)參數(shù)

2 頁巖氣對旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具性能要求

2.1 水平井段爬行能力

目前，國內(nèi)頁巖氣鉆井主要采用水平井技術(shù)。相對直井而言，水平井能使更多的生產(chǎn)區(qū)域和井筒接觸，并和裂縫相交，改善儲層流動狀況和獲得較大的排泄區(qū)域，能將直井中20～40 m的頁巖泄氣厚度在水平井中提高到3 000 m[19]。常規(guī)旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具在直井或微傾斜井中進行取心作業(yè)時，旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具靠自身重力用電纜下入井內(nèi)。頁巖氣水平井出現(xiàn)后，在水平井段內(nèi)重力不能推動旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具到達目的層，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具在頁巖氣水平井段內(nèi)下入困難，取心難度加大。因此，井下爬行能力對頁巖氣勘探用旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具在水平井段內(nèi)能否成功取心至關(guān)重要。

2.2 井底極端環(huán)境耐受能力

頁巖氣的地質(zhì)條件復(fù)雜，鉆井通常為深井和超深井，其井底為高溫、高壓、有污染的惡劣環(huán)境。這種環(huán)境會加劇各種不利因素對旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具液壓系統(tǒng)的橡膠密封件、各種傳感器和電子元器件、外殼等的損害，降低了旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具的壽命和可靠性。因此，頁巖氣勘探用旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具自身含有的大量部件必須具有一定的耐熱、耐高壓、耐腐蝕性能。

2.3 密閉儲心能力

常規(guī)旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具采用的是巖心直接出筒，且存儲巖心數(shù)量少，巖心的出筒過程和搬運過程對巖心結(jié)構(gòu)造成嚴重破壞，導(dǎo)致巖心質(zhì)量不高，無法滿足頁巖氣井對巖心樣本及施工作業(yè)的要求。因此，應(yīng)對頁巖氣勘探用旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具的儲心機構(gòu)進行合理優(yōu)化改進，使其具備大數(shù)量、高保真能力，來保證巖心樣品在儲存和運輸過程中不丟失地質(zhì)特征信息。

2.4 防阻減震能力

頁巖氣鉆井過程中，井身軌跡復(fù)雜，在旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具下放過程中，自身會與井壁接觸和碰撞，如果遇到的阻力過大，會壓壞或者折斷旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具。因此，需要對頁巖氣勘探用旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具各功能模塊單元的連接方式進行合理優(yōu)化設(shè)計，以有效減小下放過程中對旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具的沖擊力，同時又提高了旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具的過彎能力，最終通過方向?qū)б龑崿F(xiàn)旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具的安全順利下井。

2.5 取心位置精確定位能力

通常情況下，旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具完成取心作業(yè)后，井下取心的精確位置需要使用FMI全井眼地層微成像儀進行確認，這無疑增加了取心作業(yè)成本。因此，急需研制頁巖氣勘探用旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具自身的定位機構(gòu)，可測得旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具的井深信息，更好地標(biāo)記巖心所在的儲存地理位置信息，提高鉆遇頁巖氣的成功率，降低取心作業(yè)成本。

2.6 大尺寸取心能力

常規(guī)旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具有個很大的局限性，即從井壁上取得的巖心直徑和長度都比較小，巖心體積過小會造成分析結(jié)果不準(zhǔn)確。因此，應(yīng)對頁巖氣勘探用旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具所攜帶取心鉆頭以及取心馬達進行合理優(yōu)化設(shè)計，使其所取巖心品質(zhì)更高、體積更大，有助于提高實驗室?guī)r心分析測試的準(zhǔn)確性，為頁巖氣儲層評價提供更詳細的參考數(shù)據(jù)。

3 頁巖氣勘探用旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具的發(fā)展趨勢

1) 優(yōu)化旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具，取心鉆頭的驅(qū)動方式，使其滿足頁巖氣勘探過程中高可靠性要求，以及高效率鉆進取心的工作需求。采用直流電機直接驅(qū)動取心鉆頭，取代傳統(tǒng)的液壓泵驅(qū)動取心鉆頭，這種新型驅(qū)動方式的動力傳輸效率高，取心鉆頭轉(zhuǎn)矩大，且受溫度影響較小，可實現(xiàn)在地面系統(tǒng)控制下實時對鉆進取心速度的調(diào)整。

2) 改進旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具取心馬達傳動軸的機械結(jié)構(gòu)。采用取心鉆桿和取心馬達傳動軸主體分開的結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)實際要求更換安裝不同的取心鉆桿、取心鉆頭。在取心鉆桿磨損之后只需要更換鉆桿，而不需要將取心馬達整體更換，從而延長了旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具的使用壽命，提高了取心工具的通用性，降低了使用成本。

3) 設(shè)計和優(yōu)化旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具的取心機構(gòu)。取心機構(gòu)要完成伸出、取心、折斷巖心等動作，采用大直徑取心鉆頭結(jié)合大轉(zhuǎn)矩取心馬達，參考離合器軟軸機構(gòu)、減速器軟軸機構(gòu)，設(shè)計優(yōu)化出結(jié)構(gòu)簡單、可靠性好、巖心質(zhì)量高的取心機構(gòu)，使取心過程更加高效。

4) 采用彈簧復(fù)位機構(gòu)，將旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具的被動解卡轉(zhuǎn)化為主動解卡。在旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具失去動力或發(fā)生故障導(dǎo)致卡堵時，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具整體解卡和取心鉆頭解卡，從而保證頁巖氣井眼安全。

5) 改善現(xiàn)有材料使用性能，研發(fā)高性能新材料。旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具所使用的金屬材料、橡膠密封材料及復(fù)合材料應(yīng)具備一定的耐高溫、耐高壓和抗腐蝕等的優(yōu)良性能，具備優(yōu)異的適應(yīng)頁巖氣復(fù)雜井下取心的能力。

6) 研究開發(fā)具有不同結(jié)構(gòu)和工作特性的高性能頁巖氣勘探用旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具，使產(chǎn)品系列化，形成多功能、多類別、智能化的頁巖氣勘探用旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具。

7) 開發(fā)井下取心作業(yè)工況地面監(jiān)測軟件，對取心馬達轉(zhuǎn)速、鉆進壓力等參數(shù)進行監(jiān)測，從而精確地模擬井下旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具的各項輸出參數(shù)，實現(xiàn)對旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具工作狀態(tài)的實時監(jiān)測功能，以保證取心過程的高效、可靠、安全。

4 結(jié)論

1) 頁巖氣是一種高效、清潔的新能源，勘探開發(fā)頁巖氣有助于緩解常規(guī)能源緊缺和環(huán)境污染的現(xiàn)狀。旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具作為勘探開發(fā)的關(guān)鍵設(shè)備之一，其性能優(yōu)化對于頁巖氣的高效、可靠、低成本勘探開發(fā)意義重大。

2) 頁巖氣勘探對旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具的性能要求較高。分析頁巖氣本身的特殊性和復(fù)雜性，得出頁巖氣勘探用旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具需要滿足水平井段爬行能力、井底極端環(huán)境耐受能力、密閉儲心能力、防阻減震能力、取心位置精確定位能力、大尺寸取心能力等性能要求，是今后的研究重點。

3) 展望了頁巖氣勘探用旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具的發(fā)展趨勢，未來可從取心鉆頭驅(qū)動方式、取心馬達傳動軸結(jié)構(gòu)、取心機構(gòu)、解卡機構(gòu)、材料性能、地面監(jiān)測軟件等方面進行旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具的優(yōu)化設(shè)計，使其更加適合于我國的頁巖氣勘探開發(fā)。