劉鐵民，馮永仁，田志賓

（中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)事業(yè)部，河北燕郊 065201）

井壁取心測(cè)井儀作為讀取地層信息最直接的一款測(cè)井工具，一直受到甲方的歡迎。井壁取心測(cè)井儀經(jīng)歷了從小顆粒取心儀到大顆粒取心儀的轉(zhuǎn)變，并經(jīng)歷了從液壓取心到電動(dòng)取心的發(fā)展，但是所有改進(jìn)目的都是為了獲取指定地層的巖心，為后期地質(zhì)工程師獲取地層信息提供依據(jù)和數(shù)據(jù)保障。在取心完成后，如何得知獲取巖心成功與否，是指導(dǎo)下一步取心作業(yè)的前提。

目前巖心檢測(cè)的方法包括接觸開(kāi)關(guān)檢測(cè)、聲學(xué)探頭檢測(cè)以及壓力檢測(cè)等方法。開(kāi)關(guān)檢測(cè)作為一種既簡(jiǎn)單又可靠的檢測(cè)方法是大多數(shù)取心儀器使用的檢測(cè)方法之一。聲學(xué)探頭檢測(cè)作為一種新型的檢測(cè)手段，目前還僅僅處于理論研究和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試階段，工程使用還沒(méi)有出現(xiàn)。壓力檢測(cè)也包含其自身的優(yōu)缺點(diǎn)，當(dāng)巖心通過(guò)檢測(cè)點(diǎn)時(shí)，通過(guò)壓力的變化，可以判斷巖心是否獲取成功及巖心的長(zhǎng)度，但由于井下環(huán)境比較復(fù)雜，壓力檢測(cè)受環(huán)境影響比較大，其可靠性和穩(wěn)定性有待摸索。

電動(dòng)井壁取心儀器除具有取心功能外也擴(kuò)充了巖心檢測(cè)功能。為實(shí)時(shí)確定取心儀是否取到巖心，為后期巖心分析、儲(chǔ)層分析提供可靠的依據(jù)[1-4]。

1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

文中涉及巖心檢測(cè)開(kāi)關(guān)機(jī)械結(jié)構(gòu)部分采用模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊，牢固可靠，便于安裝和拆卸；同時(shí)與巖心筒直接連接，可以單獨(dú)從儀器骨架拆卸下來(lái)進(jìn)行更換、維修、保養(yǎng)，大大簡(jiǎn)化了維修保養(yǎng)難度。采用連桿機(jī)械機(jī)構(gòu)進(jìn)行力的放大，把水平力轉(zhuǎn)化為垂直的壓力，這樣有利于檢測(cè)信號(hào)的提取，大大增大巖心檢測(cè)的可靠性。該檢測(cè)裝置為獨(dú)立的檢測(cè)單元，通過(guò)連桿的支撐運(yùn)動(dòng)把力轉(zhuǎn)換分解為垂直向上的力，壓縮彈簧，使接觸開(kāi)關(guān)接觸。在設(shè)計(jì)時(shí)專門考慮了井下取心的多種情況，包括巖心長(zhǎng)短影響、巖心直徑影響等因素。

包括用戶管理和權(quán)限設(shè)置兩種功能。用戶可以管理三種類型的用戶：考生，教師和管理人員(只能由管理員管理，教師沒(méi)有這樣的管理權(quán)限)。用戶信息可被編輯，批量刪除，查詢等操作，還可以添加一個(gè)新的角色給用戶。此外，如果用戶(學(xué)生或教師)忘記密碼，管理員可以重置六個(gè)數(shù)字用戶密碼。用戶角色分類是考生，教師和管理人員，通過(guò)權(quán)限設(shè)置來(lái)設(shè)置角色，這取決于使用權(quán)限。

采用SPSS15.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件對(duì)本研究所有數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析，（±s）表示計(jì)量資料，采用t檢驗(yàn)，率（%）表示計(jì)數(shù)資料，采用χ2檢驗(yàn)，差異有明顯統(tǒng)計(jì)學(xué)意義以P＜0.05表示。

由于井下環(huán)境比較復(fù)雜，采用傳統(tǒng)的機(jī)械機(jī)構(gòu)和電位開(kāi)關(guān)相配合進(jìn)行檢測(cè)，此方法檢測(cè)顯然不能滿足現(xiàn)場(chǎng)需要。一旦某層取心失敗，或者取心不完整，如果在地面不能實(shí)時(shí)檢測(cè)井下取得巖心情況，對(duì)后期巖心分析，儲(chǔ)層分析都帶來(lái)很多問(wèn)題，巖心檢測(cè)模塊示意圖（見(jiàn)圖1）。

圖1 巖心檢測(cè)模塊示意圖

2 工作原理及方法

對(duì)于簡(jiǎn)易連桿機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，運(yùn)動(dòng)靈活，不存在死點(diǎn)是首要要求，文中所設(shè)計(jì)的檢測(cè)開(kāi)關(guān)部件經(jīng)過(guò)多次的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)測(cè)試，運(yùn)動(dòng)比較靈活，彈簧壓力比較合適，滿足使用要求。

該連桿機(jī)構(gòu)開(kāi)關(guān)檢測(cè)裝置機(jī)械裝配設(shè)計(jì)比較精細(xì)，裝配比較復(fù)雜，為了保證在巖心檢測(cè)過(guò)程中巖心不被破壞，在推心過(guò)程中，巖心只能采用點(diǎn)與檢測(cè)臂接觸并僅受垂直于巖心軸線的壓力，由于巖心大部分為沉積砂巖抗壓強(qiáng)大部分為30 MPa，在設(shè)計(jì)過(guò)程中只需要保證平行于巖心軸線的外表面僅受摩擦力就能滿足要求，因此機(jī)構(gòu)中壓縮彈簧的設(shè)計(jì)至關(guān)重要?，F(xiàn)對(duì)該專用彈簧進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)。

3 關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

實(shí)時(shí)處理，可以實(shí)時(shí)確定取心儀是否取到巖心，為后期巖心分析、儲(chǔ)層分析提供可靠的依據(jù)。該檢測(cè)系統(tǒng)性能可靠，對(duì)大顆粒井壁取心儀器的研發(fā)和推廣有十分重要的意義。

電動(dòng)取心儀已經(jīng)成功完成14 井次的作業(yè)，該5 口井作業(yè)成功率均達(dá)到了90%以上，其中4 口井均為100%，這5 井次的作業(yè)成功，可以充分驗(yàn)證取心儀核心模塊的可靠性。

主要特點(diǎn)：（1）采用專門的定制的接觸開(kāi)關(guān)進(jìn)行巖心檢測(cè)，可以實(shí)時(shí)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)取心作業(yè)；（2）采用連桿機(jī)械機(jī)構(gòu)進(jìn)行力的放大，把水平力轉(zhuǎn)化為垂直的壓力；（3）機(jī)械結(jié)構(gòu)部分采用模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊，牢固可靠，便于安裝和拆卸。

該巖心檢測(cè)裝置，采用機(jī)電結(jié)合的方式進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)巖心通過(guò)檢測(cè)臂時(shí)，巖心外表面給檢測(cè)臂一個(gè)向上的推力，檢測(cè)臂推動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)并推動(dòng)接觸開(kāi)關(guān)10 向上運(yùn)動(dòng)，壓縮彈簧使兩個(gè)檢測(cè)開(kāi)關(guān)組合件接觸導(dǎo)通，通過(guò)電路加載5 V 電源，通過(guò)檢測(cè)點(diǎn)檢測(cè)電壓值，以檢測(cè)是否獲取巖心成功。當(dāng)巖心通過(guò)檢測(cè)裝置以后，被壓縮彈簧回位，組合開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，檢測(cè)點(diǎn)檢測(cè)電壓為0，通過(guò)不斷的循環(huán)檢測(cè)，達(dá)到檢測(cè)巖心的目的。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

根據(jù)巖心與檢測(cè)臂之間的摩擦系數(shù)為0.5，假設(shè)推心桿推力為F，則檢測(cè)臂所受摩擦力f=F；檢測(cè)臂所受向上垂直巖心軸線的推力為N=0.5F。為保證連桿機(jī)構(gòu)上下運(yùn)動(dòng)靈活，伸縮接頭位于檢測(cè)軸檢測(cè)臂的中間部位，力臂成倍數(shù)關(guān)系。因此檢測(cè)軸受到的垂直巖心軸線的推力N1=2×0.5F、設(shè)計(jì)彈簧工作壓縮5 mm、彈簧總長(zhǎng)27 mm，則彈簧剛度K=Gd。因此所需要彈簧參數(shù)為中經(jīng)D=15 mm、線徑d=2 mm、螺距P=3 mm，取彈簧圈數(shù)n=7 圈，則彈簧剛度K=（G×d4）/（8×c3×n）=13.13 N/mm。

在進(jìn)行花萼濕地公園的人文要素設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該遵循以下幾點(diǎn)原則：（1）著重發(fā)揚(yáng)文化優(yōu)勢(shì)，將著名畫(huà)家張大千在個(gè)人畫(huà)作中所描繪出來(lái)的美好景象，有效地在花萼濕地公園景觀中予以體現(xiàn)；（2）充分與CBD相互融合，打造出更多個(gè)更能夠體現(xiàn)都市形象的活動(dòng)項(xiàng)目，最終為當(dāng)?shù)厥忻窠ㄔO(shè)出一個(gè)宜家、宜居的公共服務(wù)環(huán)境。

4.1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)井作業(yè)一

以渤海某平臺(tái)某井為例，本口井電動(dòng)取心儀器共設(shè)計(jì)巖心19 顆，成功獲取優(yōu)質(zhì)巖心19 顆，收獲率100%，本口井井筒不規(guī)則，如果百分之百獲取巖心樣本，挑戰(zhàn)還是很大的。本口井的成功，不僅可以證明電動(dòng)取心其優(yōu)越的取心性能，還充分驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的巖心檢測(cè)功能模塊的可靠性，如果該功能不可靠，或者不能給出正確的判斷，那么將給操作工程師很大的誤導(dǎo)，不能準(zhǔn)確的判斷該層位是否獲取巖心，操作工程師必然要對(duì)本層位進(jìn)行再次獲取，這樣會(huì)浪費(fèi)很多作業(yè)時(shí)間，增加作業(yè)成本（見(jiàn)表1）。

表1 取心現(xiàn)場(chǎng)記錄表

4.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)井作業(yè)二

本口井井深3 066 m，主要成型目的層為含礫砂巖和花崗巖裂縫巖層，地層巖性復(fù)雜，巖性聲波時(shí)差范圍110～50 μs/ft，取心難度大，油技自研的電驅(qū)型大直徑井壁取心儀器在311.15 mm 和215.9 mm 井段共獲取巖心29 顆，巖心收獲成功率97%，巖心成型規(guī)整飽滿，得到甲方監(jiān)督的充分肯定。截止目前，電驅(qū)型大直徑井壁取心儀已經(jīng)在渤海區(qū)塊順利完成5 井次的取心作業(yè)，收獲成功率高達(dá)96%以上，標(biāo)志著油技自研的電驅(qū)型大直徑取心儀已經(jīng)真正具備現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)能力。該井分為311.15 mm 井眼和215.9 mm 井眼兩個(gè)規(guī)格尺寸（見(jiàn)表2、表3），其中311.15 mm 井眼設(shè)計(jì)17 顆，由于儀器零長(zhǎng)不夠，收獲16 顆，最后1 顆靠近井底，無(wú)法獲取，215.9 mm 井眼設(shè)計(jì)巖心13 顆，收獲13 顆，收獲成功率100%，兩層取心巖心包括致密砂巖、含礫砂巖，泥巖以及潛山太古界裂縫花崗巖和純花崗巖巖性，地層巖性復(fù)雜，巖性聲波時(shí)差范圍110～50 μs/ft，所取巖心規(guī)格齊整，深度準(zhǔn)確，符合甲方要求。本口井巖心檢測(cè)功能依然表現(xiàn)可靠，檢測(cè)巖心準(zhǔn)確率100%，有效提供了巖心數(shù)量數(shù)據(jù)，操作根據(jù)該數(shù)據(jù)有效提高了取心效率，節(jié)約了取心成本，可以說(shuō)巖心檢測(cè)模塊是機(jī)械旋轉(zhuǎn)井壁取心儀的核心模塊之一，其性能的好壞對(duì)取心影響很大，因此研究取心儀，必須把巖心檢測(cè)模塊作為重中之重。

某一負(fù)摩擦樁現(xiàn)場(chǎng)試樁工程，地基為淤泥質(zhì)軟黏土，土層厚度達(dá)43 m，地下水位埋深為2.5 m。上部土層厚度達(dá)22 m，土體的密度為ρ=1.75 g/mm3，土的固結(jié)系數(shù)為Cv=9.318×10-6m2/s；下層土體厚21 m，密度為ρ=1.87 g/mm3，固結(jié)系數(shù)Cv=5.9832×10-6m2/s。工程采用φ609×11，長(zhǎng)50 m的鋼管樁，彈性模量Ep=210 000 MPa。場(chǎng)地土承受100 kPa的均布荷載，堆載的面積為45 m×45 m，堆載的歷時(shí)為295 d。

表2 311.15 mm取心現(xiàn)場(chǎng)記錄表

表3 215.9 mm取心現(xiàn)場(chǎng)記錄表

5 結(jié)論

帶連桿的巖心檢測(cè)開(kāi)關(guān)裝置采用模塊化設(shè)計(jì)，安裝維修保養(yǎng)方便，體積小所占空間小，檢測(cè)可靠性和穩(wěn)定性高，檢測(cè)行程短，有效的降低了推心桿的設(shè)計(jì)難度，所有密封采用成熟密封，工作壓力和溫度范圍較寬。電動(dòng)井壁取心儀器經(jīng)過(guò)了地面和現(xiàn)場(chǎng)多次的取心測(cè)試，帶連桿機(jī)構(gòu)的巖心檢測(cè)開(kāi)關(guān)裝置通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)多口井的測(cè)試，功能可靠，可以有效保證檢測(cè)效果，大大節(jié)約取心時(shí)間和成本。與同類相似的檢測(cè)裝置比較，性能更加可靠。