頁巖氣旋轉式井壁取心工具研究現狀及發展

趙戰航，張朝界，朱維兵，封志明，張宇奇

(西華大學 機械工程學院，成都 610039)

高速發展的全球經濟，推動著世界各國對煤炭、石油等常規能源的需求不斷增加，導致能源緊缺加劇，環境污染嚴重。為了改善能源消費結構和減少環境污染，全球能源供給將由煤炭和石油為主，轉變為清潔環保的能源，促進了天然氣[1]的勘探開發。天然氣主要來源于地下頁巖、煤層、含碳質巖層、天然氣水合物等地層中，其資源潛力很大[2-3]。近些年來，我國對清潔新能源的勘探開發十分重視，尤其對頁巖氣的勘探開發如火如荼。頁巖氣屬于非常規天然氣，它賦存于頁巖和致密砂巖中，通過壓裂等方法才能釋放氣體[4-5]。在頁巖氣勘探開發過程中，鉆井取心作業是關鍵。技術人員利用鉆井取心作業獲得的巖心，分析儲層的巖性、物性等特性，獲得所鉆井段巖性的有效數據，有利于頁巖氣資源調查評價，準確識別頁巖氣水平井段的巖性，提高鉆遇頁巖氣的成功率，降低壓裂和生產的盲目性，提升完井質量，實現有效開采，減少鉆完井成本。

目前，鉆井取心主要有全尺寸取心、沖擊式井壁取心和旋轉式井壁取心。全尺寸取心的1次起下鉆作業長達2～3 d，耗時長、工藝復雜、成本高。沖擊式井壁取心的爆炸沖擊工作機理使得取心質量較差，無法較好地表達儲層物性特征。旋轉式井壁取心工具利用自身攜帶的取心鉆頭從井壁上切取1段圓柱形巖心，并將其儲存至儲樣機構中，所取巖心質量好，可直接進行巖性、電性、含油性分析，并且施工簡單、效率高、成本低、巖心規則，兼有全尺寸取心和沖擊式井壁取心的優點，是目前應用最廣泛的鉆井取心方式[6]。

旋轉式井壁取心工具是頁巖氣勘探階段的核心設備之一，在目前的頁巖氣勘探過程中逐漸體現出一定的技術不適用性，例如取心品質低、巖心尺寸小、取心層位無法精確定位、水平井段取心困難等問題，對頁巖氣的勘探造成了一定的影響。因此，頁巖氣高效勘探開發的關鍵就是改善旋轉式井壁取心工具的各項工作性能。為了加快頁巖氣的勘探開發進程，提高頁巖氣勘探效率，優化頁巖氣勘探用旋轉式井壁取心工具已成為行業的研究熱點。本文結合頁巖氣勘探階段的特殊性和復雜性，總結了頁巖氣勘探用旋轉式井壁取心工具的性能要求和發展趨勢，為頁巖氣勘探用旋轉式井壁取心工具的深入研究奠定堅實的基礎。

1 旋轉式井壁取心工具的研究現狀

1.1 國外研究現狀

旋轉式井壁取心工具最早是法國Schlumberger公司于1947年推出的，由于設備復雜、操作需要高超的技術，沒能廣泛使用，大約在1955年便停止使用[7]。

20世紀80年代，Schlumberger公司和其它幾家公司推出了采用液壓技術的旋轉式井壁取心工具，才使得這種取心工具投入實用階段。目前，國外的旋轉式井壁取心工具(如表1)研制較為領先，相比于國內的初代產品而言，國外公司已研發出第2代、第3代產品，主要有：哈里伯頓公司的HRSCT-B型旋轉式井壁取心工具，具備改進式取心鉆頭，可取得大尺寸、高品質的巖心樣品[8]；哈里伯頓公司的CoreVault型旋轉式井壁取心工具，采用密閉取樣、儲樣機構，巖心樣品在獲取和運輸過程中皆保存在密閉容器內，有效避免儲層流體流失，有助于更準確評價儲層[9]；哈里伯頓公司的Xaminer型旋轉式井壁取心工具，采用新型耐高壓高溫材料、全自動取心控制系統、超大容量儲心筒，大幅度提高了工具壽命和取心效率[10]；貝克休斯公司的MaxCOR型旋轉式井壁取心工具，采用直流電機驅動，優化鉆頭設計，提升鉆頭鉆速，大幅提升了工具取心效率和巖心收獲率[11]；斯倫貝謝公司的XL-Rock型和MSCT型旋轉式井壁取心工具，在取心機構上使用結構簡單的液壓滑道機構，僅需單個液壓缸即可完成旋轉組件、鉆進井壁和折斷巖心等功能，具備一定的先進性[12-13]。

表1 國外各型旋轉式井壁取心工具的技術參數

1.2 國內研究現狀

我國對旋轉式井壁取心工具的研究開發起步較晚。20世紀80年代末，國內開始使用從國外引進的旋轉式井壁取心工具。1986年，河南油田測井公司與航天部一院十二所組成攻關小組，進行旋轉式井壁取心工具的相關研究，于1994年研制出我國第1臺3推靠臂HH-1型旋轉式井壁取心工具[14]。目前，我國的旋轉式井壁取心工具初具規模，生產技術逐步完善。國內研制的旋轉式井壁取心工具(如表2)主要有：北京華能通達能源科技有限公司研制的FCT-2型旋轉式井壁取心工具，采用大、小泵雙液壓系統分別給取心鉆頭提供鉆壓和轉矩，提高了地層適應能力、取心效率，同時它也是在各大油田應用的首套國產旋轉式井壁取心工具[15]；中石油集團測井有限公司研制的SRCT系列旋轉式井壁取心工具，采用智能變頻技術，可根據電機工作情況自動調節輸出電流、電壓及頻率，避免電纜和其他用電設備的過流損壞，去除了地面預熱環節，提高了取心作業時效[16]；中石油集團大慶鉆探工程公司測井公司研制的ESCT型旋轉式井壁取心工具，采用便攜式機箱、井下大功率直流無刷電機和數字電磁閥技術，提高了工具的可靠性和巖心收獲率[17]；中海油服技術中心研制的ERSC-Ⅱ型旋轉式取心工具，采用了高精度伽馬校深和液壓自反饋調節技術，提高了取心作業效率[18]。總體而言，國內生產的旋轉式井壁取心工具性能與國外相比還存在一定差距，具體體現在旋轉式井壁取心工具的使用壽命、取心收獲率、取心品質等方面，主要原因是我國在新材料研發、耐受度更高的新型溫度和壓力傳感器研發、機械加工制造業等方面相對落后，密封裝置的設計、取心工藝的研究等還存在一定的不足。

表2 國內各型旋轉式井壁取心工具的技術參數

2 頁巖氣對旋轉式井壁取心工具性能要求

2.1 水平井段爬行能力

目前，國內頁巖氣鉆井主要采用水平井技術。相對直井而言，水平井能使更多的生產區域和井筒接觸，并和裂縫相交，改善儲層流動狀況和獲得較大的排泄區域，能將直井中20～40 m的頁巖泄氣厚度在水平井中提高到3 000 m[19]。常規旋轉式井壁取心工具在直井或微傾斜井中進行取心作業時，旋轉式井壁取心工具靠自身重力用電纜下入井內。頁巖氣水平井出現后，在水平井段內重力不能推動旋轉式井壁取心工具到達目的層，導致旋轉式井壁取心工具在頁巖氣水平井段內下入困難，取心難度加大。因此，井下爬行能力對頁巖氣勘探用旋轉式井壁取心工具在水平井段內能否成功取心至關重要。

2.2 井底極端環境耐受能力

頁巖氣的地質條件復雜，鉆井通常為深井和超深井，其井底為高溫、高壓、有污染的惡劣環境。這種環境會加劇各種不利因素對旋轉式井壁取心工具液壓系統的橡膠密封件、各種傳感器和電子元器件、外殼等的損害，降低了旋轉式井壁取心工具的壽命和可靠性。因此，頁巖氣勘探用旋轉式井壁取心工具自身含有的大量部件必須具有一定的耐熱、耐高壓、耐腐蝕性能。

2.3 密閉儲心能力

常規旋轉式井壁取心工具采用的是巖心直接出筒，且存儲巖心數量少，巖心的出筒過程和搬運過程對巖心結構造成嚴重破壞，導致巖心質量不高，無法滿足頁巖氣井對巖心樣本及施工作業的要求。因此，應對頁巖氣勘探用旋轉式井壁取心工具的儲心機構進行合理優化改進，使其具備大數量、高保真能力，來保證巖心樣品在儲存和運輸過程中不丟失地質特征信息。

2.4 防阻減震能力

頁巖氣鉆井過程中，井身軌跡復雜，在旋轉式井壁取心工具下放過程中，自身會與井壁接觸和碰撞，如果遇到的阻力過大，會壓壞或者折斷旋轉式井壁取心工具。因此，需要對頁巖氣勘探用旋轉式井壁取心工具各功能模塊單元的連接方式進行合理優化設計，以有效減小下放過程中對旋轉式井壁取心工具的沖擊力，同時又提高了旋轉式井壁取心工具的過彎能力，最終通過方向導引實現旋轉式井壁取心工具的安全順利下井。

2.5 取心位置精確定位能力

通常情況下，旋轉式井壁取心工具完成取心作業后，井下取心的精確位置需要使用FMI全井眼地層微成像儀進行確認，這無疑增加了取心作業成本。因此，急需研制頁巖氣勘探用旋轉式井壁取心工具自身的定位機構，可測得旋轉式井壁取心工具的井深信息，更好地標記巖心所在的儲存地理位置信息，提高鉆遇頁巖氣的成功率，降低取心作業成本。

2.6 大尺寸取心能力

常規旋轉式井壁取心工具有個很大的局限性，即從井壁上取得的巖心直徑和長度都比較小，巖心體積過小會造成分析結果不準確。因此，應對頁巖氣勘探用旋轉式井壁取心工具所攜帶取心鉆頭以及取心馬達進行合理優化設計，使其所取巖心品質更高、體積更大，有助于提高實驗室巖心分析測試的準確性，為頁巖氣儲層評價提供更詳細的參考數據。

3 頁巖氣勘探用旋轉式井壁取心工具的發展趨勢

1) 優化旋轉式井壁取心工具，取心鉆頭的驅動方式，使其滿足頁巖氣勘探過程中高可靠性要求，以及高效率鉆進取心的工作需求。采用直流電機直接驅動取心鉆頭，取代傳統的液壓泵驅動取心鉆頭，這種新型驅動方式的動力傳輸效率高，取心鉆頭轉矩大，且受溫度影響較小，可實現在地面系統控制下實時對鉆進取心速度的調整。

2) 改進旋轉式井壁取心工具取心馬達傳動軸的機械結構。采用取心鉆桿和取心馬達傳動軸主體分開的結構，可以根據實際要求更換安裝不同的取心鉆桿、取心鉆頭。在取心鉆桿磨損之后只需要更換鉆桿，而不需要將取心馬達整體更換，從而延長了旋轉式井壁取心工具的使用壽命，提高了取心工具的通用性，降低了使用成本。

3) 設計和優化旋轉式井壁取心工具的取心機構。取心機構要完成伸出、取心、折斷巖心等動作，采用大直徑取心鉆頭結合大轉矩取心馬達，參考離合器軟軸機構、減速器軟軸機構，設計優化出結構簡單、可靠性好、巖心質量高的取心機構，使取心過程更加高效。

4) 采用彈簧復位機構，將旋轉式井壁取心工具的被動解卡轉化為主動解卡。在旋轉式井壁取心工具失去動力或發生故障導致卡堵時，實現旋轉式井壁取心工具整體解卡和取心鉆頭解卡，從而保證頁巖氣井眼安全。

5) 改善現有材料使用性能，研發高性能新材料。旋轉式井壁取心工具所使用的金屬材料、橡膠密封材料及復合材料應具備一定的耐高溫、耐高壓和抗腐蝕等的優良性能，具備優異的適應頁巖氣復雜井下取心的能力。

6) 研究開發具有不同結構和工作特性的高性能頁巖氣勘探用旋轉式井壁取心工具，使產品系列化，形成多功能、多類別、智能化的頁巖氣勘探用旋轉式井壁取心工具。

7) 開發井下取心作業工況地面監測軟件，對取心馬達轉速、鉆進壓力等參數進行監測，從而精確地模擬井下旋轉式井壁取心工具的各項輸出參數，實現對旋轉式井壁取心工具工作狀態的實時監測功能，以保證取心過程的高效、可靠、安全。

4 結論

1) 頁巖氣是一種高效、清潔的新能源，勘探開發頁巖氣有助于緩解常規能源緊缺和環境污染的現狀。旋轉式井壁取心工具作為勘探開發的關鍵設備之一，其性能優化對于頁巖氣的高效、可靠、低成本勘探開發意義重大。

2) 頁巖氣勘探對旋轉式井壁取心工具的性能要求較高。分析頁巖氣本身的特殊性和復雜性，得出頁巖氣勘探用旋轉式井壁取心工具需要滿足水平井段爬行能力、井底極端環境耐受能力、密閉儲心能力、防阻減震能力、取心位置精確定位能力、大尺寸取心能力等性能要求，是今后的研究重點。

3) 展望了頁巖氣勘探用旋轉式井壁取心工具的發展趨勢，未來可從取心鉆頭驅動方式、取心馬達傳動軸結構、取心機構、解卡機構、材料性能、地面監測軟件等方面進行旋轉式井壁取心工具的優化設計，使其更加適合于我國的頁巖氣勘探開發。