大直径旋转井壁取心仪研制与应用

牛延吉, 刘先平,2, 嵇成高, 蔡井维, 李伟, 李卫强

(1.中国石油集团测井有限公司天津分公司, 天津 300280;2.中国石油大学(北京)博士后科研流动站, 北京 102249)

0 引 言

传统取心主要有钻井取心、火药撞击取心2种方式,这2种取心方式都存在缺陷。钻井取心施工复杂、取心时间长、取心层位跨度大且定位不准确,无法实现对全井段各类地层取心;火药撞击式取心所获得的岩心尺寸小、形状不规则,不利于物性化验分析。旋转式井壁取心是一种既弥补了钻井取心与火药撞击式取心的不足,又兼具传统取心优点的新型取心技术[1-2],在裸眼井中用金刚石空心钻头以垂直井壁的方向横向钻入地层获取岩心,具有定位精确、操作简便、效率高、岩心规则等优点,且对井壁取心的过程可实现全程监控,适用于全井段各种地层,尤其适合硬地层的井壁取心任务[3-5]。

目前国内外的旋转式井壁取心仪多数采用液压泵驱动取心钻头[6-7],这种驱动方式动力传输效率低,且受温度影响较大,当钻头遇到坚硬地层时,往往出现卡钻、跳钻的情况,岩心的收获率较低,大大影响了后期的地质物性分析。大直径旋转井壁取心仪(LRCT)是中国石油集团渤海钻探工程有限公司研制的一种新型井壁取心仪,该取心仪以直流电机直接驱动钻头的方式钻取岩心,该驱动方式能大大提高旋转取心仪在硬地层的收获率,动力传输效率高,钻头扭矩从3 N·m提高到8 N·m,可实现在地面系统控制下实时对钻进速度的调整。仪器配有2种储心桶,岩心在储心桶里顺序排放,根据钻取岩心数量的不同需求,可以实现一次下井钻取岩心30颗或60颗,收获的岩心尺寸直径为38 mm,长度为63 mm。

1 系统结构与技术指标

1.1 系统结构

LRCT大直径旋转井壁取心仪系统由地面系统与井下仪器两大部分组成(见图1)。地面系统部分包括:便携式电脑、采集控制机箱、电机供电箱。井下仪器部分包括:控制短节、取心探头。

图1 LRCT系统示意图

1.2 技术指标

耐温175 ℃,耐压138 MPa;仪器外径116 mm;适用井眼178～483 mm。岩心规格:直径38 mm,长度63 mm;单次取心颗数有30颗、60颗2种工作模式。

2 工作原理

2.1 地面系统

LRCT地面系统由电源模块、数据采集电路、控制面板、通信电路、显示面板等组成(见图2)。测井车载220 V发电机提供电源,为整个系统中除井下直流电机以外各部分供电,包括地面控制系统所需要的各路弱电电源、井下仪器需要的交流电源、以及井下液压电机所需的直流电源。取心电机电源箱将井场380 V三相交流电转换成600 V直流电,提供给井下仪器的直流取心电机工作。笔记本电脑通过网线与采集控制箱中通信电路建立通讯,通过可视化操作软件实时监测仪器数据。

图2 LRCT地面系统原理框图

2.2 控制短节

控制短节是井下仪的控制核心,负责与地面系统进行交互式通讯,接收解析来自地面系统的命令并上传仪器参数和工作状态信息,控制取心过程。井下仪器控制短节电子线路按功能分为主控板、主参数测量板、电源变压器、电磁阀变压器、电磁阀控制板、取心电机控制板、液压电机控制板、取心电机驱动板、液压电机驱动板采用电源变压器和电磁阀变压器对井下仪器交流电源进行降压处理,然后经过整流、滤波、稳压电路后得到±15、±12、±5 V的直流电压。其中±15、±5 V给每个板卡提供工作电压,±12 V给电磁阀控制板提供电磁阀工作电压,主控板接收地面总线下传指令并进行解码,根据指令向电磁阀控制板发送命令,电磁阀控制板接收命令后,对取心电机控制板与液压电机控制板上的电磁阀进行相应控制。主控板将各个电磁阀状态、自然伽马信号和主参数测量板反馈的岩心长度、系统压力、钻头位置等参数进行采集,上传发送给地面系统。取心电机驱动板与液压电机驱动板分别给取心电机和液压电机提供直流600 V与直流180 V的电源,并对电机工作状态进行监测,对电机进行过流过压保护。

2.3 取心探头

LRCT采用主、辅推靠技术,推靠力大且使仪器在钻进过程中牢稳贴紧井壁。液压电机M2工作时,驱动高压柱塞泵产生系统所需液压条件,在电磁阀1、2与控制阀1、2的控制下,控制推靠活塞1、推靠活塞2、岩心推杆活塞、钻头转向活塞的往复运动,由活塞带动相应的机械结构完成仪器推靠臂的推靠与收缩、钻头的钻进与回收、岩心折断、岩心杆推心等各种动作。在钻头转向活塞缸中安装有钻压压力计,根据钻压压力计数值的大小,调节电磁阀2的占空比,实现对进入钻头转向活塞缸油液的流量、活塞运动速度的控制,从而调节钻进速度。取心探头原理框图见图3。

图3 取心探头原理框图

当仪器下至取心层段,上提测量曲线,与完井自然伽马曲线进行较深,经校深并定位后钻头处于待取心深度点。地面系统采集控制箱供电给控制短节建立通信连接,供180 V左右直流电给液压电机M2带动高压柱塞泵产生液压动力。地面系统通过采集控制箱依次下发推靠臂开臂、取心电机旋转、钻头钻进命令后,电磁阀1与控制阀1控制液流推动推靠活塞1、2带动推靠臂张开,将仪器紧贴于井壁,岩心推杆活塞将推心杆收回推心缸内。溢流阀将整个液压系统压力控制在19.3 MPa左右。地面系统取心电机电源箱供600 V直流电给直流电机M1,驱动齿轮箱及钻头转动,电磁阀2与控制阀2控制液流推动钻头转向活塞带动钻头、旋转板、固定板、折断板和位于钻头两侧的椭圆滑块及半圆形滑块相互配合,使金刚石空心钻头转向并以1 280 r/min的旋转速度垂直钻入地层。行程电位计监控钻头位置,待钻头进入折心位置时,地面控制系统通过采集控制箱依次下发取心电机停转、钻头钻退、推靠臂收臂等命令,仪器钻头自动折心并退回推心位置。推靠臂收臂后岩心推杆活塞驱动推心杆从推心缸内伸出将岩心从钻头推入储心筒中,监控岩心检测电位计信号,可判断所取岩心长度。然后上提仪器、待电缆张力稳定后进行下一次取心。

3 现场应用

LRCT自2016年投产以来,至今已经在多个油井工作多次,使用效果良好,统计信息见表1。所取岩心形状规整、颗粒饱满、岩石层理及微裂缝等特征显示清楚。图4为在港古某井所取岩心的实物图,有效长度约为62 mm,直径约为38 mm。

表1 LRCT使用统计表

图4 港古某井岩心实物照片

4 结束语

传统旋转井壁取心仪采用液压动力驱动钻头,易受传输动力损耗及温度影响,在高温井段及坚硬地层,岩心收获率低。LRCT大直径旋转井壁取心仪采用直流电机驱动钻头设计,仪器具有受温度影响小、对硬地层适应能力强、钻速低、卡钻风险小、钻头使用寿命长、取得的岩心尺寸大等优点。用直流电机驱动取心钻头,是未来旋转井壁取心仪器的发展方向。

参考文献:

[1] 黄玉科, 张付明. 提高FCT型旋转式井壁取心器收获率工艺探讨 [J]. 石油仪器, 2010, 24(4): 56-58.

[2] 苏鹤成, 苑仁国. 有效提高旋转井壁取心收获率的工艺探讨 [J]. 化工管理, 2014(33): 187-187.

[3] 高春锋. 旋转式井壁取心器液压系统的研究 [D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2012.

[4] 范光兵, 陈秋生. 旋转井壁取心仪器介绍及现场应用 [J]. 科技信息, 2013(4): 435-435.

[5] 郝桂青, 庞希顺, 欧阳剑. 增强型旋转式井壁取芯器技术及应用 [J]. 石油仪器, 2011, 25(5): 22-24.

[6] 杨亮, 王易安, 王国平, 等. 旋转式井壁取心系统软件设计 [J]. 测井技术, 2010, 34(5): 476-478.

[7] 陈小东. 测井装备中的液压调速技术 [J]. 石油管材与仪器, 2014, 28(6): 35-37.