大直径电缆井壁取心仪岩心分隔片机构设计

2023-04-29刘铁民田志宾金亚余强李先达龚晶刘耀伟谭仕王鹏

石油矿场机械 2023年3期

刘铁民田志宾金亚余强李先达龚晶刘耀伟谭仕王鹏

摘要：现有的大直径井壁取心仪在取心过程中只使用井深参数定位岩心，无法明确区分取心岩层与岩心的对应关系。在新型大直径井壁取心仪研制过程中，设计了岩心分隔片机构，在钻取岩心过程中加入隔片，可以与深度参数一起区分岩心在目的层的具体位置，为后期岩心分析、储层分析提供可靠数据。岩心分隔片机构采用液压力驱动导板，导板带动隔片进入隔片舱，实现区分岩心的目的。该机构设计了不同性能的弹簧，可以加入30个或60个隔片。地面试验证明，该机构能完成隔片加入功能，性能可靠，对大直径井壁取心仪器的推广具有重要意义。

关键词：电缆井壁取心仪; 岩心; 分隔机构; 设计

中图分类号：TE921.302 文献标识码：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2023.03.009

Abstract：The existing large-diameter wall setting only adopts depth positioning core in the process of coring， and the corresponding relationship between core rock and core cannot be clearly distinguished. In the development process of a new type of large-diameter wall-picking tool， a core separator machine was designed. When adding spacers in the process of core drilling， the specific position of the core in the target layer can be distinguished together with the depth parameter， providing reliable data for later core analysis and reservoir analysis. The core separator mechanism uses hydraulic pressure to drive the guide plate， and the guide plate drives the spacer into the spacer chamber to realize the purpose of separating the core. The mechanism is designed with springs of different properties， which can include 30 or 60 compartments. The ground test shows that the machine can complete the function of adding spacers and has reliable performance， which is of great significance to the popularization of large-diameter wall coring instruments.

Key words：cable-sidewall coring gun; core; separator mechanism; design

在石油勘探行业，对岩心进行分析，确定储层的岩性、物理参数是了解地层真实构造的重要手段［1］。机械式旋转井壁取心仪是获取岩心的重要设备。该设备利用运动导轨控制空心金刚石钻头，使钻头垂直钻进井壁，获取岩心，适用于全井段的各种地层取心。随着大功率直流电机以及机械技术的发展，大直径井壁取心仪器已经研制成功，且成为取心仪器的发展趋势。目前，如何区分岩心层位是取心仪器必须要解决的问题［2-5］。现有技术是只靠深度数据来定位岩心层位，定位精度差。为了精确定位岩心层位，研制了岩心分隔片机构。本文介绍了该机构的结构和工作原理，并分析了该机构中关键零件的力学特性。

1 大直径电缆井壁取心仪研制现状

大直径电缆井壁取心仪是目前油田开发技术方面比较靠前的前沿技术，斯伦贝谢、贝壳休斯等国际大的油田公司均已研制出各自的大直径取心仪产品［5-7］。中海油田服务股份有限公司经过多年的技术积累，也研制出具有自主知识产权的大直径取心仪，其可靠的取心性能、先进的岩心检测及岩心区分机构是其技术亮点。

电缆井壁取心仪包括地面系统、井下仪器（井壁取心测井仪）2个部分。在取心作业时，如图1所示，采用拖撬絞车带动七心电缆下放井壁取心测井仪到达目的层位。拖撬绞车与地面系统采用数据滑环线缆进行连接。地面系统具有供电及下发和接收电控制信号的功能，可以实时控制井下仪器完成相应的作业。把井壁取心测井仪下放到井下目的层后，给设备供电，通过电信号控制完成推靠坐封、钻进取心，钻退推心的复杂功能。井壁取心测井仪可以通过深度数据的不断改变，以及油气层显示的数据进行多次的取心作业。所获取的岩心如果包含的深度点比较多时，由于岩心筒为开放的储心筒，很容易混进去泥浆及碎石，影响岩心分析数据的准确性。因此，岩心定位区分对岩心的后期处理至关重要。现有的电缆井壁大直径取心仪在岩心定位区分方面还存在不足［7-9］。

2 新型电缆井壁取心仪的井下仪器组成

新型电缆井壁取心仪的井下仪器采用模块化的结构，各个模块之间相互配合，共同完成获取岩心的动作。一支完整的井壁取心仪的井下仪器包含副推靠、钻进推心、主推靠、动力及分隔岩心和平衡筒模块，如图2所示。其中分隔岩心模块是本文的主要研究对象。

由于井下环境比较复杂，各种地层成型样式不同，有的地层岩心特别坚硬，有的地层特别疏松，为了更有效地分割开不同地层、不同位置的岩心，避免混淆，研制了分隔岩心模块，这样可以有效保证岩心质量，确保所获取的岩心层位清晰。

3 岩心分隔片机构设计

3.1 结构

岩心分隔片机构的结构如图3所示。该装置直接插装到大直径电缆井壁取取心仪的井下仪器的主液压基体上，完成给岩心加隔片的功能。岩心分隔片机构包括隔片底座、隔片活塞缸、连接销钉、限位支架、摆动臂、旋转销钉等关键部件组成。供油块设计有密封圈与主液压基体油路进行连接，可以给隔片底座进行供油，驱动隔片活塞缸并推动活塞杆运动。隔片装在隔片仓内，隔片仓最多可以装配60个隔片，压缩弹簧主要是推动隔片进入隔片推板与限位支架之间，通过隔片推板将隔片带入岩心筒，完成加隔片功能。

3.2 工作原理

岩心分隔片机构采用机械、液压技术，通过液压油控制隔片活塞缸，其活塞杆带动摆动臂，将圆周运动转变为直线运动。通过精确模拟计算，达到角度和力量的最优组合，完成加隔片的动作［4-6］。在进行结构设计时，为了安装拆卸方便，该岩心分隔片机构采用模块化设计，并采用控制阀及液压驱动，油路通过供油块进入隔片底座，控制隔片底座内的隔片活塞缸，其活塞杆带动摆动臂运动。旋转销带动摆动臂，摆动臂带动隔片推板，取出隔片仓内的隔片。然后，由钻进推心模块中的推心杆将隔片推入岩心筒。该机构设计了不同性能的弹簧，可以完成加30个或60个隔片的功能，完全可以解决岩心区分问题，为后期进行岩心分析和油气储层分析提供可靠的岩心样本。该机构采用模块化设计，拆卸、安装、维修方便。

3.3 关键部件分析

1）隔片底座。

隔片底座采用模块化设计，采用螺钉与取心仪主液压基体进行连接，结构如图4所示。隔片基体设计有活塞缸和多条油路，完成隔片活塞的伸出和收回。这种隔片基体设计使整个装置更加紧凑，便于维修保养。

隔片底座材料为钛合金，此种材料的可加工性强，温度性能好，强度高，符合油田测井仪器对材料的要求。为了保证对导板的力平衡，设计2个活塞缸孔，在基体上设计有油路1和油路2，用于该基体的进油和回油，通过复杂的连接孔到达活塞缸油腔。该基体与主取心基体采用螺钉进行连接，安装拆卸方便。

2）摆动臂。

摆动臂的结构如图5所示，作用为在活塞杆推出力的作用下完成插入隔片功能，在活塞杆收回力的作用下完成取隔片功能。摆动臂的结构设计直接影响隔片推板运动的位移及角度，因此，对摆动臂的结构设计、材料选择、硬度均有很高的要求。为了提高摆动臂使用寿命，其材料选用耐腐蚀的1515超硬度材料进行加工，在高温高压的井下泥浆环境中具有耐腐蚀性和超硬强度，该材料在钻铤上应用广泛。结构方面，该摆动臂设计有旋转销钉安装孔，推臂活塞连接槽，以及隔片活塞安装槽等结构。通过软件模拟、数据分析，能完成插入及取出隔片功能。

4 岩心分隔片机构运动分析及受力分析

4.1 运动范围模拟分析

运动范围模拟分析可以辅助整套机构的设计，包括导板结构的设计，以及活塞尺寸的设计。加隔片机构要完成取隔片和加隔片2个动作，图6为取隔片动作示意，图7为加隔片动作示意。岩心筒是存储岩心的筒子，安装在旋转取心器的基体上。隔片被加进岩心筒后，能起到区分岩心的目的。图6位置是整个机构的极限位置，此时隔片在隔片仓内。当隔片被取到后，导板旋转，带动隔片往上移动到岩心筒的位置。岩心筒的内孔尺寸比隔片外径大，隔片由于重力或推心杆推力作用，被推到岩心筒内，完成加隔片的功能。每取完1颗岩心，重复1次加隔片动作，防止岩心由于破碎而导致无法区分取心层位。

4.2 隔片机构受力分析

电缆井壁取心仪的岩心分隔片机构设计完成后，需要对该隔片机构的关键部件，即隔片推板进行受力分析。在受力分析时，隔片底座、限位支架作为关联装配部件必须被限定并进行整体分析，这样分析的结果更加合理，可以防止在使用过程中由于结构不合理而产生疲劳断裂事故。

4.2.1 网格划分

首先对主隔片机构的隔片底座进行网格划分，网格为六面体结构，结点数为224 718个，划分单元数量为126 376，并对隔片推板进行网格细化。如图8所示。

4.2.2 计算结果

按照上述部件结构进行分析，计算其中工况最复杂的隔片推板的Von-Mises最大应力、等效应变、总变形量、速度曲线和使用寿命。

1） Von-Mises应力（第四强度）计算结果。

隔片推板Von-Mises最大应力集中在与其接触导轨处，最大应力约0.014 MPa，受力基本可忽略。如图9所示。

2）应变计算结果。

隔片推板的等效应变最大集中在与其接触导轨处，如图10所示，最大应变可忽略。

3）总变形量计算结果。

隔片推板总变形（行程）量为100 mm，是依据初始条件中施加的力和速度进行计算，根据实际模拟仿真结果可知，按照设计中选取的活塞直径和油缸推力能够满足隔片推板的上下运动。如图11所示。

4）移动速度计算结果。

隔片推板速度与受力相关，依据初始条件中施加的力和速度进行计算，根据实际模拟仿真结果可知，隔片推板上下运动平衡。如图12所示。

5）使用寿命计算结果。

隔片推板理论计算寿命结果如图13所示，最低使用寿命能够达到100万次，满足现场需要。

5 使用情况

截止目前，研制的大直径电缆井壁取心仪已经在中国海上油田及陆地煤层气田作业多井次，收获岩心上千颗，所获取的岩心样本包括裂缝花岗岩、煤层、疏松砂岩等，在岩心取心区分操作方面积累了很好的经验。电缆井壁取心仪岩心分隔片机构对疏松岩心及裂缝地层岩心的获取起到了很关键的作用，操作工程师实时在岩心与岩心之间插入隔片进行区分，彻底防止岩心混淆，提高作业成功率。图14～15为某井获取的岩心样品［10-11］。图15a为隔片分割不同岩性岩心示意图，操作工程師根据提前测到的岩心的岩性，在获取该层岩心时，主动加入隔片用于岩心的取分，避免由于电缆校深不准确带来的岩心区分问题。图15b为当在地面得知所获取的岩心有可能粉碎时，或者地层显示有可能为裂缝地层时，操作工程师主动使用插入隔片进行对粉碎岩心取分示意图的典型案例［12-14］。

6 结论

1）随着勘探井难度的增大，裂缝地层及疏松地层的增多，电缆井壁取心仪岩心分隔片机构作为大直径旋转井壁取心测井仪的关键模块，在大直径岩心的取心作业中所起的作用越来越明显。如果依靠原有的取心技术去获取疏松岩心样本，岩心与岩心之间很容易连接到一起，甚至混合起来，很难区分，会对地层数据的分析带来很大的风险，甚至会导致取心作业失败，严重影响油气田的勘探开发。

2）研制了岩心分隔片机构。操作工程师利用采集到的隔片机构的压力和位移数据，可以实时控制隔片机构，并在地面对每个深度点的岩心进行深度上的区分，可以将裂缝地层岩心、疏松地层岩心在岩心筒中进行隔离开，提高取心作业成功率，提高油气田的勘探開发可靠性。

3）通过多口井的测试，研制的大直径电缆井壁取心仪及其岩心分隔片机构的结构设计合理，安装拆卸方便，完全可以满足现场作业需要。

4）研制的岩心分隔片机构对大直电缆井壁径取心仪的的推广应用及其技术发展具有重要意义。

参考文献：

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