劉 合，溫鵬云，宋 微，李金波，王素玲

(1.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；2.東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江大慶 163318)

保真巖心是儲(chǔ)層巖物性、礦物特征、地下構(gòu)造、油氣分布等信息最真實(shí)的賦存體[1-2]，是了解地層力學(xué)性質(zhì)、油氣分布及深部生命體信息最直觀、最有效、最真實(shí)的資料[3-5]；鉆探取心技術(shù)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(shí)現(xiàn)井下巖心割取是鉆探取心技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵；現(xiàn)行保壓取心工具割心系統(tǒng)中差動(dòng)機(jī)構(gòu)普遍通過(guò)投球堵塞鉆井液流道憋壓的方式[9-11]，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外筒差動(dòng)，利用此段差動(dòng)位移來(lái)帶動(dòng)巖心爪收縮，割取巖心，此方式要經(jīng)歷卸鉆桿、啟停泵、調(diào)節(jié)泵壓等復(fù)雜操作過(guò)程，耗時(shí)長(zhǎng)，響應(yīng)速度慢，且其通過(guò)鉆桿的下行距離及儲(chǔ)心筒的儲(chǔ)心長(zhǎng)度來(lái)判斷投球的時(shí)機(jī)，忽略了鉆桿在幾千米深的地層中會(huì)產(chǎn)生較大的彎曲長(zhǎng)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(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)外筒差動(dòng)位移自鎖卡緊巖心，實(shí)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(chǎn)生[15-17]。為解決這些問題，筆者設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)構(gòu)利用傳感器信號(hào)反饋控制電磁閥通斷實(shí)現(xiàn)內(nèi)外筒差動(dòng)，免于投球，從根本上解決由于投球信號(hào)誤差造成的巖心長(zhǎng)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(duì)提高取心效率及巖心收獲率具有重要意義。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 活塞式可控差動(dòng)機(jī)構(gòu)

活塞式可控差動(dòng)機(jī)構(gòu)組成如圖1所示，整套機(jī)構(gòu)通過(guò)安全總成連接在鉆桿下端，內(nèi)筒在彈簧一作用下處于差動(dòng)軸的最下端，差動(dòng)活塞上部通孔與差動(dòng)軸注液孔連通，電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài)。差動(dòng)活塞安裝在差動(dòng)筒內(nèi)部，通過(guò)上下浮動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)鉆井液流道改變。差動(dòng)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(nèi)表面安裝有磁性開關(guān)，在內(nèi)筒下部安裝有磁環(huán)。磁性開關(guān)可以透過(guò)金屬筒壁監(jiān)測(cè)到磁環(huán)所發(fā)出的磁場(chǎng)，并將監(jiān)測(cè)信號(hào)反饋傳輸給控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)通過(guò)控制電磁閥的通斷實(shí)現(xiàn)差動(dòng)結(jié)構(gòu)的內(nèi)外筒差動(dòng)控制。

圖1 活塞式可控差動(dòng)機(jī)構(gòu)Fig.1 Piston type controllable differential mechanism

工作原理：活塞式可控差動(dòng)機(jī)構(gòu)初始工作狀態(tài)如圖2(a)所示，內(nèi)筒位于差動(dòng)活塞軸的最下端，差動(dòng)活塞上部的通孔與差動(dòng)軸泄流槽連通；開始鉆進(jìn)取心時(shí)，鉆井液沿鉆桿，差動(dòng)活塞中孔，差動(dòng)軸泄流槽，一直流到差動(dòng)筒下部空間，通過(guò)內(nèi)筒側(cè)面鉆井液泄流孔排出到內(nèi)外筒環(huán)空；當(dāng)監(jiān)測(cè)到巖心快到達(dá)儲(chǔ)心筒底部時(shí)，傳感器反饋信號(hào)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(guò)電磁閥流通到差動(dòng)活塞底部，導(dǎo)通其上下空間，在壓差作用下，差動(dòng)活塞上行至其通孔與差動(dòng)軸注液孔連通，其位置如圖2(b)所示，此時(shí)鉆井液憋壓，開始注入到差動(dòng)軸與內(nèi)筒套所形成的空腔，在壓力作用下內(nèi)筒相對(duì)外筒上行，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外筒差動(dòng)，其位置如圖2(c)所示；當(dāng)內(nèi)筒上磁環(huán)上行到被電磁閥座中的磁性開關(guān)檢測(cè)到時(shí)，其反饋信號(hào)給控制系統(tǒng)，控制電磁閥關(guān)閉，差動(dòng)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(shí)現(xiàn)復(fù)位，差動(dòng)筒在彈簧一及壓差共同作用下回到初始位置，鉆井液恢復(fù)正常循環(huán)狀態(tài)，完成一次差動(dòng)過(guò)程。

圖2 活塞式可控差動(dòng)機(jī)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(nèi)部的密封座內(nèi)表面，與上述活塞式可控差動(dòng)機(jī)構(gòu)配合實(shí)現(xiàn)巖心割取，其中預(yù)緊環(huán)、預(yù)緊彈簧及壓片配合給巖心爪提供了一個(gè)彈性縮放的空間，使巖心爪具備了一定的預(yù)緊自鎖力，巖心不易滑脫。同時(shí)滑動(dòng)塊、割心片及支撐環(huán)三者形成了一個(gè)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(gè)微小旋轉(zhuǎn)位移。同時(shí)滑塊可沿割心片上的滑槽上下滑動(dòng)，三者巧妙配合，利用滑塊隨巖心向下移動(dòng)時(shí)給割心片上端部的外推力，通過(guò)杠桿原理轉(zhuǎn)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(shí)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(nèi)部，球閥總成的預(yù)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(guān)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(dòng)塊、壓片、預(yù)緊彈簧，最后通過(guò)螺紋連接在巖心爪座上的預(yù)緊環(huán)壓緊整個(gè)巖心爪總成，預(yù)緊彈簧保證巖心爪具有了一個(gè)預(yù)緊自鎖力；當(dāng)巖心進(jìn)入時(shí)，帶動(dòng)整個(gè)巖心爪總成向上運(yùn)動(dòng)，支撐環(huán)直徑擴(kuò)大，方便巖心進(jìn)入，同時(shí)預(yù)緊彈簧被壓緊，當(dāng)巖心停止運(yùn)動(dòng)時(shí)，預(yù)緊彈簧將巖心爪總成向下壓，使巖心爪內(nèi)齒壓緊在巖心上，保證割心片可以緊緊抱住巖心；同時(shí)滑動(dòng)塊、割心片及支撐環(huán)三者巧妙配合，形成了一個(gè)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(gè)微小旋轉(zhuǎn)位移；滑塊可沿割心片上的滑槽上下滑動(dòng)，巖心下行時(shí)，滑動(dòng)鎖緊塊隨巖心沿割心片滑槽下行，錐形環(huán)面的設(shè)計(jì)使其對(duì)割心片上端部產(chǎn)生一個(gè)外推力，巧妙利用杠桿原理轉(zhuǎn)變?yōu)闀r(shí)割心片下端三角形臺(tái)階對(duì)巖心的內(nèi)壓力，增大了割心片三角形臺(tái)階與巖心的摩擦力，保證三角形臺(tái)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(shè)計(jì)

現(xiàn)行保壓取心工具割心系統(tǒng)普遍為機(jī)械式控制，其靈活性差、割心效率及割心成功率較低，且會(huì)產(chǎn)生一定長(zhǎng)度的巖心損失，巖心收獲率較低。本設(shè)計(jì)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(guò)傳感器監(jiān)測(cè)位置信號(hào)反饋傳輸給單片機(jī)控制系統(tǒng)，利用PID算法控制電磁閥實(shí)現(xiàn)對(duì)割心系統(tǒng)差動(dòng)機(jī)構(gòu)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(guān)、超高壓電磁閥、超高壓管道及單片機(jī)控制系統(tǒng)，其控制流程如圖4所示。巖心開始進(jìn)入巖心筒推動(dòng)密閉蓋上行，到磁性開關(guān)監(jiān)測(cè)到密閉蓋上的磁環(huán)時(shí)，反饋信號(hào)給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)控制電磁閥開啟，差動(dòng)活塞上下導(dǎo)通，在壓差作用下上行改變鉆井液流道實(shí)現(xiàn)內(nèi)外筒差動(dòng)，杠桿加壓自鎖式巖心爪在內(nèi)外筒差動(dòng)位移下抱緊巖心沿錐形環(huán)面下行實(shí)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(guò)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(shí)現(xiàn)巖心爪成功割心的關(guān)鍵條件[18-19]，杠桿式自鎖巖心爪卡緊巖心時(shí)的狀態(tài)如圖5所示，對(duì)其進(jìn)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(duì)巖心爪、巖心爪對(duì)巖心的摩擦力，N；N1和N2分別為卡箍座對(duì)巖心爪、巖心對(duì)巖心爪的正應(yīng)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(nèi)，此時(shí)(1-0.2f1)取值近似為1，因此得出當(dāng)滿足f2>(f1+0.2)時(shí)，可以保證巖心爪卡緊巖心，不會(huì)發(fā)生滑脫；同時(shí)由式f2>(f1+0.2)也可以看出，在對(duì)巖心爪進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，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(qiáng)度通常在2～15 MPa；本次仿真假設(shè)所取巖心為沉積巖，抗拉強(qiáng)度為15 MPa，對(duì)巖心爪割心過(guò)程進(jìn)行分析，所設(shè)計(jì)工具取心直徑為62 mm，由單軸抗拉強(qiáng)度計(jì)算公式得到破壞載荷為51.78 kN。

巖心爪割心受力模型為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，將其進(jìn)行簡(jiǎn)化，只保留巖心爪座、巖心爪及巖心3個(gè)結(jié)構(gòu)的一半進(jìn)行仿真分析，巖心爪及巖心爪座材料選用42GrMo,其抗拉強(qiáng)度極限和屈服強(qiáng)度極限分別為1 080和930 MPa，取安全系數(shù)為1.5，則許用應(yīng)力為620 MPa[20]。受力模型主體網(wǎng)格劃分尺寸(邊長(zhǎng))為5 mm，將巖心爪與巖心爪座、巖心爪與巖心接觸面進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，尺寸(邊長(zhǎng))為1 mm，將巖心爪與巖心接觸面設(shè)置為摩擦接觸，摩擦系數(shù)設(shè)置為0.3，巖心爪與巖心爪座理想化為無(wú)摩擦接觸，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 巖心爪關(guān)鍵部件應(yīng)力分布Fig.6 Stress distribution of key components of core claw

由圖6可知，巖心應(yīng)力最大值為94.454 MPa，割心片應(yīng)力最大值為132.32 MPa，出現(xiàn)在與卡箍座接觸部位，卡箍座應(yīng)力最大值為79.669 MPa，仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)巖心爪各關(guān)鍵部件最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力，滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié) 論

(1)設(shè)計(jì)了一套連續(xù)可控割心裝置，其中活塞式可控差動(dòng)機(jī)構(gòu)利用活塞運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)內(nèi)外筒差動(dòng)控制，免于投球，提高了取心效率及巖心長(zhǎng)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(duì)保壓取心技術(shù)的發(fā)展具有一定的促進(jìn)作用。

(2)提出一種與割心裝置配套的控制系統(tǒng)，通過(guò)傳感器反饋信號(hào)給單片機(jī)，單片機(jī)控制電磁閥啟閉實(shí)現(xiàn)內(nèi)外筒差動(dòng)控制，割心位置精確，靈活性強(qiáng)，較大提高了取心效率。

(3)對(duì)割心裝置可靠性進(jìn)行分析計(jì)算得出了巖心爪的自鎖條件，同時(shí)對(duì)巖心爪割心過(guò)程進(jìn)行的靜力學(xué)仿真結(jié)果表明該裝置強(qiáng)度可靠，可行性強(qiáng)，滿足設(shè)計(jì)要求。