模块式大直径岩心旋转井壁取心仪的研制*

田志宾，刘铁民，魏赞庆，冯永仁，王 晶

(中海油田服务股份有限公司油田技术研究院 河北 三河 065201)

0 引 言

在石油勘探过程中，获取地层固体岩石样品可直观进行岩性、含油性观察，亦可直接进行岩性、电性、物性和含油性分析化验，求取饱和度、孔隙度、渗透率等储层参数[1]。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，又兼具传统钻井取心优点的取心技术[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[3-4]。岩心体积越大，用途越广，所分析的地层数据越真实，越能有效指导油田的勘探开发。目前，市场主流的常规旋转钻进式井壁取心仪仅能够钻取直径1 in(1 in=25.4 mm)、长度2 in的岩心[5]，岩心体积小，不能够完全满足油公司的地质数据需求，因此能够获取更大体积岩心(直径1.5 in、长度2.5 in)的旋转井壁取心仪受到石油公司欢迎。贝克休斯、斯伦贝谢等国外油田服务公司率先研制出大直径岩心(直径1.5 in、长度2.5 in)旋转井壁取心仪，2012年开始在中国南海得到应用，深受用户欢迎[6]。但在使用过程中，一直存在取心效率低、岩心收获率低、仪器频繁卡钻、故障率高等问题，严重制约了大直径取心技术的推广应用。

根据以上市场需求，中海油服成功研制出模块式大直径岩心旋转井壁取心仪(Maximun Rotary Sidewall Coring Tool，后续简称MRCT)，该仪器一次下井可获取直径1.5 in,长度2.75 in的岩心80颗，有效克服了现有大直径取心仪器的缺点，取心作业高效、安全、可靠，在中国海上及陆地得到广泛应用。

1 原理及系统组成

模块式大直径岩心旋转井壁取心仪采用机械液压、测量控制技术，通过机械运动机构控制空心金刚石钻头以垂直井壁的方向横向钻入地层，利用液压马达带动空心金刚石钻头高速旋转，获取大直径岩心。仪器在井下依次完成仪器固定、摆动空心钻头使钻头垂直井壁、驱动钻头旋转、驱动钻头钻进地层、钻进到位后折断岩心、收回钻头及岩心、推心。在推心时，系统能够实时监测岩心是否有收获、并能够测量出所获取岩心长度，之后插入隔片区分不同深度岩心。

仪器采用双直流无刷电机动力控制系统，其中一个电机是控制电机，用于完成井下取心辅助动作，另一个是动力电机，用于驱动钻头旋转，钻头最大输出扭矩可达10 N·m。取心作业时，在地面通过调节动力电源供电电压，可实时调节钻头旋转速度以适应不同地层作业需求。地面系统能够全面监测井下仪器状态并实时调节取心过程参数，提高取心作业效率。仪器采用模块化可插装结构设计，可靠性大幅提升，维修保养方便。

模块式大直径岩心旋转井壁取心仪组成如图1所示。

图1 模块式大直径岩心旋转井壁取心仪组成示意图

模块式大直径岩心旋转井壁取心仪主要由地面控制系统和井下仪器组成。地面控制系统由采集计算机、控制面板、控制电源、钻头动力电源组成，实现对井下仪器取心过程的监测与实时控制。井下仪器由马笼头、井下电源适配器、温度张力短节、电子节、平衡节、液压节、机械节和岩心筒短节组成。

仪器最复杂、保养维修频率最高的液压节机体采用模块化结构设计，所有控制阀设计为插装阀座结构，如图2所示；插装阀座可以直接插装在液压节机体上，如图3所示。

图2 模块化插装阀座

图3 模块化液压节机体

仪器技术指标：

耐温175 ℃；

耐压140 MPa；

适用井眼190～431.8 mm；

岩心规格：直径1.5 in，长度2.75 in；

单颗岩心取心时间3～8 min；

一次下井获取岩心80颗，可根据需要增减。

2 关键参数设计

井壁取心仪的目的是从井壁钻取地层岩心，采用空心钻头钻取岩心，钻头的关键参数如图4所示。为提高取心效率及提升地层适应能力，仪器可根据地层特性，实时调节钻头的钻压F、旋转转速r，达到提升作业效率、岩心收获率、岩心完整性的目的。针对一次下井所取岩心数量较多，不同深度的岩心容易混淆，通过井下岩心长度测量系统、隔片插入机构，达到了区分岩心的目的。

图4 钻头关键参数示意图

2.1 钻头旋转速度控制

对取心作业来说，钻头输出扭矩大、旋转速度调节范围宽且灵活，取心效率及成功率就越高。为了提高取心钻头的输出扭矩及调速性能，地面系统采用独立的动力电源向井下单独供电，驱动井下独立的动力电机带动液压泵、驱动液压马达，液压马达直接带动空心钻头旋转进行取心作业。通过控制液压马达的输出转速，从而控制钻头的旋转速度。

液压马达输出转速可以通过式(1)进行计算。

(1)

式中：n为液压马达的输出转速,rpm；V1为液压泵的排量,L；V2为液压马达的排量,L；ηv1为泵的容积效率；ηv2为液压马达的容积效率；n1为直流无刷电机的转速,rpm。

本系统所选用的液压泵为具有压力温度补偿机制的定量泵，液压马达为定量液压马达，其排量v1、v2为固定值。式(1)中容积效率ηv1、ηv2随着液压油温度及工作压力的变化稍有变化，但变化范围比较小。在一定温度及一定压力范围内，可以理解为一个固定值。

从公式(1)可以看出，钻头的转速n∝n1, 通过调节地面的动力电源的输出电压，进而调节直流无刷电机的供电电压，可以调节电机的输出转速n1，从而调节钻头的旋转转速[7-8]。

液压马达输出扭矩如下：

(2)

式中：▽p为液压马达进油口压力与回油口之间压力差，MPa；ηm2为液压马达的机械效率；V2为液压马达的排量,L。

公式(2)中，本系统液压泵出口直通液压马达进口，液压泵出口压力与液压马达进口压力相等，液压马达回油直通油箱，即液压马达回油压力为0，因此液压马达压力差▽p基本与液压泵出口压力p相等。

因此，液压马达输出扭矩如下：

(3)

式中：p为液压泵出口压力，MPa；ηm2为液压马达的机械效率；V2为液压马达的排量,L。

液压马达排量V2为固定值，液压马达的机械效率ηm2随液压油温度及工作压力的变化而稍微变化，但其变化范围较小，在一定温度及一定压力范围内，可以理解为一个固定值，通过测量与控制液压泵的出口压力p，即可计算出液压马达的输出扭矩T，即钻头的输出扭矩。通过控制液压泵的输出压力，即可近似估算出钻头的最大输出扭矩。

2.2 钻头钻压与钻进速度控制

采用一个独立的控制用电机完成井下取心辅助动作，主要包括仪器的固定、钻头钻进、推心、隔片插入等动作，所需力量大小、速度快慢差别很大。其中，推靠、钻头钻退、隔片插入等动作，要求快速且力量大，而钻进所需速度较低，但钻进力量需要根据地层特性实时进行调节。为此，采用单电机拖动双液压泵。假设控制用电机转速为n2,控制泵1的排量为V3、最大工作压力为p3，控制泵2的排量为V4、最大工作压力为p4；V3远远大于V4,但p3低于p4压力。其液压原理图如图5所示。

图5 取心控制液压系统框架示意图

主油路1用于向推靠、隔片插入、推心等动作供油，主油路2用于向钻进液压缸供油。溢流阀不起作用时，主油路1供油量为Q1,主油路2的供油量为Q2。

Q1=n2×V3

(4)

Q2=n2×V4

(5)

式中：n2为调节控制用直流无刷电机旋转速度，rpm;V3为控制泵1的排量,L;V4为控制泵2的排量,L。

液压缸在运动过程中，运动速度与提供油量成正比[8，9]，调节控制用直流无刷电机旋转速度n2，即可调节钻进液压缸的运动速度，从而调节钻进速度；由于V3≫V4， 因此Q1≫Q2,正常运动过程中，推靠、隔片插入、推心等动作速度快。钻头钻退时，需要高速钻退，电磁阀1YA得电，主油路1液压油通过电磁换向阀1YA进入主油路2，加快钻退速度；当推靠到位时，此时推靠压力为p3,电磁阀2YA得电，主油路2的高压油进入主油路1，主油路1的工作压力变为p4,大幅提升推靠工作压力，使仪器固定牢固，确保作业安全。通过以上措施，节省非必要钻取岩心时间，从而提升取心效率。在钻进取心过程中，根据地层特性，通过电磁阀3YA、4YA、5YA的通断，选择不同的钻进压力，满足不同地层取心作业需求。

利用以上液压控制技术，实现了钻进速度、压力的精确控制及仪器固定力的大小切换，克服了因7芯电缆供电不足而无法同时满足运动速度高、力量大的取心动作需求。

2.3 岩心检测机构设计

仪器一次下入井中可以获取多达80颗岩心。地层井况复杂，不同深度层位的岩心容易混淆。设计了一种井下检测岩心装置，在一个深度点位取心成功后，能够实时监测井下是否取心成功并测量岩心的长度。如果岩心没有取成功或者所获得的岩心长度满足不了岩心分析需求，可以重新定位仪器，在同一层位再次进行取心作业，保证获取高质量岩心。岩心检测原理如图6所示。

图6 岩心开关检测原理示意图

当岩心开始通过检测装置时，岩心外表面施压给检测臂一个向上的推力，推力通过传力机构，迫使接触开关运动轴向上运动，接触开关导通，岩心开关关闭，此时监测点电压值降低；当岩心完全通过检测装置后，在开关压缩弹簧的作用下，接触开关运动轴向下运动，开关断开，监测点电压值升高。井下主控电路采集岩心接触开关的状态变化，同时采集推心位移，记录岩心开关接触、断开时的两个推心位移值，将两次位移值做差，得到岩心的长度值。

通过对钻头的精确控制，有效提高了仪器的地层适应能力、取心效率。在地面能够实时监测岩心长度，如果获取岩心长度不符合要求，可以对仪器重新定位，大幅提升了岩心收获率。

3 典型地质作业应用

自MRCT现场作业以来，已成功作业超过100井次，收获岩心突破2 000颗，岩心收获率91%，平均获取单颗岩心所用时间为5.6 min。在砂岩、泥岩、煤层、花岗岩等地层均表现良好；能够适应深水井、大斜度井、高温高压井等复杂井况作业。

3.1 深水极疏松地层取心作业

2020年3月21日，在中国南海YL1-X-X井，水深2 020 m，井深4 275 m，采用中国自主研制的深水平台981作业。设计岩心45颗，一趟下井收获岩心45颗，取心收获率100%。其中，收获疏松岩心12颗(声波时差>120 μs/ft的疏松地层,不适合旋转井壁取心作业[11])。

3.2 大斜度井中取心作业情况

东海NB19-X-XD#井，井深4 527 m，裸眼段2 100 m，井斜42°，井温156 ℃，其井眼结构如图7所示。

图7 井身结构设计图

MRCT仪器一趟下井收获41颗岩心，收获率100%，钻取单颗岩心平均用时5.8 min。

截止目前，在15°以上大斜度井中共作业23井次，收获岩心486颗，岩心收获率90.3%，井眼涵盖8.5 in井眼和12.5 in井眼。

3.3 深层高温井取心作业情况

2020年6月6日，渤海BZ21-X-X井，井深4 933 m，井温166 ℃，泥浆比重1.62 g/cm3,该井为重点高温勘探井，MRCT一趟下井，收获岩心样本42颗。

截止目前，150 ℃以上高温井，作业16井次，共计收获岩心226颗，岩心收获率93%。

3.4 复杂井况取心作业情况

在南海西部WC14-2X-X井，井深3 541 m，井温151 ℃，8.5 in井眼，该井地质结构复杂，裂缝比较多，常规测井作业时仪器频繁发生粘卡。电缆允许静置时间不超过5 min，电缆极易发生吸附卡；仪器固定静置时间超出7 min，则大概率出现仪器粘卡。

该井与国外公司背靠背作业，国外公司大直径取心仪下井作业5 h，收获岩心1颗。由于地层不均匀，频繁卡钻，取心作业耗时较长，电缆吸附卡频繁发生，为安全起见，放弃作业。MRCT一趟下井作业9 h，收获岩心38颗。

类似复杂地质结构，在东海、南海东部等区块，多次与国际一流公司的大直径取心仪进行背靠背对比作业，整体表现优于国外仪器。

4 结束语

模块式大直径岩心旋转井壁取心仪通过采用关键取心参数根据地层进行调节技术、井下岩心检测技术，解决了疏松地层无法进行旋转取心的技术难题，提升了仪器取心效率及地层适应能力。经过100多井次的作业应用，作业效果理想，得到了用户的高度信任。

随着中国石油勘探开发的不断深入，探勘井深度越来越深、井温越来越高，井眼直径越来越小，研制可使用于6 in及更小直径井眼、200 ℃以上井温环境的大直径岩心取心仪，对石油勘探具有重要意义。