劉鐵民，李廣帥，龔晶，田志賓，賈奇勇，譚仕，常毓強(qiáng)

(中海油田服務(wù)股份有限公司，河北 三河 065201)

0 引言

在石油勘探開發(fā)過程中，利用巖心分析確定儲(chǔ)層的巖性、物性參數(shù)是一項(xiàng)重要工作。獲取巖心主要有以下三種方式：(1)鉆井取心；(2)爆炸撞擊式井壁取心；(3)鉆進(jìn)式旋轉(zhuǎn)井壁取心[1]。鉆井取心所取巖心規(guī)整，可直觀進(jìn)行巖性、電性、物性和含油性分析化驗(yàn)，但效率低、工藝復(fù)雜、勞動(dòng)強(qiáng)度大，成本高且影響鉆井速度，并且只能在鉆井過程中取心作業(yè)。在鉆井完成后，若想重新獲某一深度的巖石樣品，只能選擇起鉆，更換管柱進(jìn)行取心作業(yè)。爆炸撞擊式井壁取心雖然施工簡便、成本低，但所取巖心體積小且不規(guī)則，分析數(shù)據(jù)不夠全面。鉆進(jìn)式旋轉(zhuǎn)井壁取心所取巖心顆粒較大且規(guī)整，可以鉆進(jìn)到泥餅后端真正獲取地層樣品，可直觀進(jìn)行巖性、含油性觀察，亦可直接進(jìn)行巖性、電性、物性和含油性分析化驗(yàn)，求取飽和度、孔隙度、滲透率等儲(chǔ)層參數(shù)，并且施工簡便，成本低。鉆進(jìn)式旋轉(zhuǎn)井壁取心技術(shù)一經(jīng)出現(xiàn)，受到了各個(gè)石油公司的歡迎[2-4]。中海油田服務(wù)股份有限公司承擔(dān)的“模塊式大顆粒井壁取心測(cè)井儀”項(xiàng)目課題研制出的電動(dòng)取心儀器采用電動(dòng)機(jī)直驅(qū)機(jī)構(gòu)完成取心，截至目前，該套設(shè)備已經(jīng)在渤海區(qū)塊完成了多井次的取心作業(yè)，通過測(cè)試應(yīng)用，該取心器應(yīng)用效果好，收獲巖心效率高。

1 儀器簡述

電驅(qū)型大直徑旋轉(zhuǎn)井壁取心儀整體系統(tǒng)包括地面控制系統(tǒng)及井下儀器。地面控制系統(tǒng)包括地面控制機(jī)箱，大小電機(jī)控制電源等，井下儀器包括馬龍頭、4430短節(jié)、張力短節(jié)、電子線路短節(jié)、取心液壓機(jī)械短節(jié)。地面控制系統(tǒng)采用專門設(shè)計(jì)的通訊模式對(duì)井下進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的功能，操作工程師通過控制操作軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)井下機(jī)械動(dòng)力的控制，實(shí)現(xiàn)取心功能，地面控制機(jī)箱采用標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)箱尺寸設(shè)計(jì)，方便使用和運(yùn)輸。電驅(qū)型大直徑旋轉(zhuǎn)井壁取心儀系統(tǒng)其取心動(dòng)力技術(shù)是采用電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)鉆頭，打破傳統(tǒng)的采用液壓馬達(dá)進(jìn)行取心的設(shè)計(jì)方法，動(dòng)力更強(qiáng)，效率更高[5]。主要特點(diǎn)是收獲巖心速度快，大大節(jié)約井口占用時(shí)間，提高作業(yè)成功率。主要參數(shù)如表1所示。

表1 主要技術(shù)參數(shù)數(shù)據(jù)表

2 技術(shù)特點(diǎn)

電驅(qū)型大直徑旋轉(zhuǎn)井壁取心儀整套系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要核心模塊均采用插裝式設(shè)計(jì)，方便維修保養(yǎng)，取心電機(jī)模塊采用設(shè)計(jì)的高功率密度電動(dòng)機(jī)功率大，帶動(dòng)鉆頭直接取心，傳動(dòng)效率高，功率損耗小，克服了常規(guī)液壓馬達(dá)取心功率小損耗大的缺點(diǎn)。在取心作業(yè)時(shí)，采用拖撬絞車帶動(dòng)七芯電纜下放井壁取心測(cè)井儀到達(dá)目的層位。拖撬絞車與地面系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)滑環(huán)線纜進(jìn)行連接。地面系統(tǒng)具有供電及下發(fā)和接收電控制信號(hào)的功能，可以實(shí)時(shí)控制井下儀器完成相應(yīng)的作業(yè)[6-9]。把井壁取心測(cè)井儀下放到井下目的層后，給設(shè)備供電，通過電信號(hào)控制完成推靠坐封、鉆進(jìn)取心、鉆退推心的復(fù)雜功能。

2.1 機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

電驅(qū)型大直徑旋轉(zhuǎn)井壁取心儀包括多個(gè)機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)：用于鉆進(jìn)鉆退的推心鉆進(jìn)模塊設(shè)計(jì)，其中設(shè)計(jì)難度最大的是運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌模塊的設(shè)計(jì)，該運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌既要完成取心鉆頭從水平位置翻轉(zhuǎn)到垂直位置，完成對(duì)井壁的鉆進(jìn)，又要實(shí)現(xiàn)取心完成后將巖心折斷并取回的功能；巖心檢測(cè)及加隔片功能設(shè)計(jì)，主要功能是實(shí)時(shí)檢測(cè)巖心是否獲取成功，如果出現(xiàn)已混淆地層，采用增加隔片的功能將兩個(gè)巖心分割開，可以清晰地區(qū)分地層；支撐腿和反推機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，支撐腿機(jī)構(gòu)主要作用是將儀器牢牢地固定在井壁，輔助儀器進(jìn)行取心作業(yè)；反推機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要目的是當(dāng)儀器長時(shí)間在井壁停留后，容易出現(xiàn)粘卡，反推機(jī)構(gòu)可以將儀器快速脫離井壁，保證儀器井下安全。

2.2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)是電驅(qū)型大直徑井壁取心儀的核心，整套液壓動(dòng)力系統(tǒng)采用高溫直流電機(jī)，驅(qū)動(dòng)柱塞泵，提供高壓油，通過溢流閥保證整個(gè)油路的安全。液壓系統(tǒng)需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的要求，控制張開支撐臂動(dòng)作，鉆進(jìn)鉆退、推心及隔片和反推解卡等多種復(fù)雜聯(lián)動(dòng)功能，因此對(duì)液壓執(zhí)行軟件的設(shè)計(jì)要求也相當(dāng)高。由于液壓系統(tǒng)需要長期使用，液壓油會(huì)被設(shè)備中殘留的或者磨削出的雜質(zhì)進(jìn)行污染，因此關(guān)鍵的油路進(jìn)口和出口需設(shè)計(jì)過濾裝置，液壓動(dòng)力部分必須具有足夠的可靠性。由于該設(shè)備應(yīng)用在井下，受高溫高壓泥漿的影響，因此壓力平衡的設(shè)計(jì)是很關(guān)鍵的，保證井下的泥漿對(duì)液壓系統(tǒng)不產(chǎn)生壓差，這樣既能保護(hù)整套設(shè)備的運(yùn)行安全，耐壓低的關(guān)鍵部件也能正常工作。

2.3 安全性設(shè)計(jì)

電驅(qū)型大直徑井壁取心儀具有多種井下安全設(shè)計(jì)，包括反推解卡技術(shù)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌滑塊結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)、鉆頭弱點(diǎn)安全設(shè)計(jì)。當(dāng)井下儀器出現(xiàn)安全事故時(shí)候，可以通過其多種安全設(shè)計(jì)進(jìn)行解卡。當(dāng)儀器粘卡時(shí)，采用反推解卡將儀器快速脫離井壁，當(dāng)鉆頭遇卡時(shí)，可以拉斷運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌滑塊和拉斷鉆頭弱點(diǎn)，將儀器與地層脫離，這幾種安全設(shè)計(jì)，可以大大提高儀器的井下安全，提高儀器安全性[10]。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

電驅(qū)型大直徑旋轉(zhuǎn)井壁取心儀已經(jīng)在渤海區(qū)塊進(jìn)行了多井次的實(shí)井作業(yè)。作業(yè)過程涵蓋該區(qū)塊不同地層巖心，包含粉砂巖，泥巖、致密砂巖，含礫砂巖，花崗巖、裂縫花崗巖等[11]。該設(shè)備均高效完成取心任務(wù)，為甲方分析地層地質(zhì)結(jié)構(gòu)，油氣分析提供了強(qiáng)有力的技術(shù)數(shù)據(jù)支持。

3.1 旅大區(qū)塊某井取心作業(yè)

該井鉆進(jìn)井深1 950 m，井溫73 ℃，泥漿密度1.24 g/cm3，井眼尺寸31.115 cm，最終獲取優(yōu)質(zhì)巖心數(shù)量17顆。本井所涉及的地層包括砂巖、含礫砂巖，泥巖地層，整個(gè)取心過程儀器電流在0.4～2.0 A，滿足設(shè)計(jì)要求，電動(dòng)取心克服了液壓馬達(dá)大電流的問題，有效保護(hù)七芯電纜，最終獲取優(yōu)質(zhì)巖心17顆，滿足甲方地質(zhì)分析要求。圖1為該井取心巖樣及數(shù)據(jù)。

圖1 LD25井所取巖樣及數(shù)據(jù)

3.2 CFD區(qū)塊某井取心作業(yè)

電動(dòng)取心儀對(duì)本井兩個(gè)井段進(jìn)行的巖心樣本的采集，整個(gè)過程順利，兩層取心地層聲波時(shí)差范圍寬，密度大，地層巖性復(fù)雜，巖性聲波時(shí)差范圍50～110 μs/ft。在取心過程中，取心電機(jī)電流范圍0.5 A～2.0 A，鉆進(jìn)導(dǎo)軌運(yùn)行流暢，整套設(shè)備在取心過程中地層適應(yīng)能力強(qiáng)，巖心檢測(cè)及隔片功能對(duì)地面分心起到了很大的輔助作用，其反推功能，有效保證了儀器的井下安全。本層根據(jù)地層顯示情況共獲取優(yōu)質(zhì)巖心16顆，所取巖心包括致密砂巖，含礫砂巖以及泥巖和花崗巖，巖心長度合格，深度復(fù)合要求，如圖2所示。

圖2 31.115 cm井眼巖樣(長度滿足要求，隔片功能正常)

從所取巖樣外形及巖性來看，以及跟錄井和其他測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，電驅(qū)大直徑取心儀所取的巖心不論長度和直徑均符合設(shè)計(jì)要求[11]。由于大直徑巖心長度長，規(guī)避了小直徑巖心由于泥餅存在導(dǎo)致的對(duì)地質(zhì)分析的影響，所獲取的巖心對(duì)本井的評(píng)價(jià)、后期的區(qū)塊勘探、以及臨井的鉆井指導(dǎo)都起到了很好的指導(dǎo)作用。

4 應(yīng)用總結(jié)

通過現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)認(rèn)為，電驅(qū)型大直徑井壁取心儀對(duì)不同地層巖樣具有很好的適應(yīng)性。突破性地采用直接浸泡在泥漿中的電機(jī)進(jìn)行取心，取心時(shí)電機(jī)的電流基本在2 A以內(nèi)，這樣可以有效保護(hù)電纜受損、提高取心效率。

通過作業(yè)可以看到，井壁取心測(cè)井儀可以通過深度數(shù)據(jù)的不斷改變，以及油氣層顯示的數(shù)據(jù)進(jìn)行多次的取心作業(yè)，所獲取的巖心如果包含的深度點(diǎn)比較多時(shí)，由于巖心筒為開放的儲(chǔ)心筒，很容易混進(jìn)去泥漿及碎石，影響巖心分析數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。因此，巖心定位區(qū)分對(duì)巖心的后期處理至關(guān)重要，這也同樣是現(xiàn)有的電纜井壁大直徑取心儀在巖心定位區(qū)分方面需要提高可靠性的方面。該種技術(shù)可以擴(kuò)展小井眼大直徑取心儀應(yīng)用及取心測(cè)壓一體化技術(shù)及取心取樣一體化技術(shù)，由于具有效率高、扭矩大等特點(diǎn)，可以在實(shí)現(xiàn)隨鉆旋轉(zhuǎn)井壁取心的技術(shù)方面進(jìn)行摸索及突破。