電驅型大直徑旋轉井壁取心儀及應用效果評價

劉鐵民，李廣帥，龔晶，田志賓，賈奇勇，譚仕，常毓強

(中海油田服務股份有限公司，河北 三河 065201)

0 引言

在石油勘探開發過程中，利用巖心分析確定儲層的巖性、物性參數是一項重要工作。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)鉆進式旋轉井壁取心[1]。鉆井取心所取巖心規整，可直觀進行巖性、電性、物性和含油性分析化驗，但效率低、工藝復雜、勞動強度大，成本高且影響鉆井速度，并且只能在鉆井過程中取心作業。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，更換管柱進行取心作業。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則，分析數據不夠全面。鉆進式旋轉井壁取心所取巖心顆粒較大且規整，可以鉆進到泥餅后端真正獲取地層樣品，可直觀進行巖性、含油性觀察，亦可直接進行巖性、電性、物性和含油性分析化驗，求取飽和度、孔隙度、滲透率等儲層參數，并且施工簡便，成本低。鉆進式旋轉井壁取心技術一經出現，受到了各個石油公司的歡迎[2-4]。中海油田服務股份有限公司承擔的“模塊式大顆粒井壁取心測井儀”項目課題研制出的電動取心儀器采用電動機直驅機構完成取心，截至目前，該套設備已經在渤海區塊完成了多井次的取心作業，通過測試應用，該取心器應用效果好，收獲巖心效率高。

1 儀器簡述

電驅型大直徑旋轉井壁取心儀整體系統包括地面控制系統及井下儀器。地面控制系統包括地面控制機箱，大小電機控制電源等，井下儀器包括馬龍頭、4430短節、張力短節、電子線路短節、取心液壓機械短節。地面控制系統采用專門設計的通訊模式對井下進行控制，實現人機交互的功能，操作工程師通過控制操作軟件實現對井下機械動力的控制，實現取心功能，地面控制機箱采用標準的機箱尺寸設計，方便使用和運輸。電驅型大直徑旋轉井壁取心儀系統其取心動力技術是采用電動機直接驅動鉆頭，打破傳統的采用液壓馬達進行取心的設計方法，動力更強，效率更高[5]。主要特點是收獲巖心速度快，大大節約井口占用時間，提高作業成功率。主要參數如表1所示。

表1 主要技術參數數據表

2 技術特點

電驅型大直徑旋轉井壁取心儀整套系統采用模塊化設計，主要核心模塊均采用插裝式設計，方便維修保養，取心電機模塊采用設計的高功率密度電動機功率大，帶動鉆頭直接取心，傳動效率高，功率損耗小，克服了常規液壓馬達取心功率小損耗大的缺點。在取心作業時，采用拖撬絞車帶動七芯電纜下放井壁取心測井儀到達目的層位。拖撬絞車與地面系統采用數據滑環線纜進行連接。地面系統具有供電及下發和接收電控制信號的功能，可以實時控制井下儀器完成相應的作業[6-9]。把井壁取心測井儀下放到井下目的層后，給設備供電，通過電信號控制完成推靠坐封、鉆進取心、鉆退推心的復雜功能。

2.1 機械機構設計

電驅型大直徑旋轉井壁取心儀包括多個機械機構設計：用于鉆進鉆退的推心鉆進模塊設計，其中設計難度最大的是運動導軌模塊的設計，該運動導軌既要完成取心鉆頭從水平位置翻轉到垂直位置，完成對井壁的鉆進，又要實現取心完成后將巖心折斷并取回的功能；巖心檢測及加隔片功能設計，主要功能是實時檢測巖心是否獲取成功，如果出現已混淆地層，采用增加隔片的功能將兩個巖心分割開，可以清晰地區分地層；支撐腿和反推機構設計，支撐腿機構主要作用是將儀器牢牢地固定在井壁，輔助儀器進行取心作業；反推機構設計，主要目的是當儀器長時間在井壁停留后，容易出現粘卡，反推機構可以將儀器快速脫離井壁，保證儀器井下安全。

2.2 液壓系統設計

液壓系統設計是電驅型大直徑井壁取心儀的核心，整套液壓動力系統采用高溫直流電機，驅動柱塞泵，提供高壓油，通過溢流閥保證整個油路的安全。液壓系統需要根據現場作業的要求，控制張開支撐臂動作，鉆進鉆退、推心及隔片和反推解卡等多種復雜聯動功能，因此對液壓執行軟件的設計要求也相當高。由于液壓系統需要長期使用，液壓油會被設備中殘留的或者磨削出的雜質進行污染，因此關鍵的油路進口和出口需設計過濾裝置，液壓動力部分必須具有足夠的可靠性。由于該設備應用在井下，受高溫高壓泥漿的影響，因此壓力平衡的設計是很關鍵的，保證井下的泥漿對液壓系統不產生壓差，這樣既能保護整套設備的運行安全，耐壓低的關鍵部件也能正常工作。

2.3 安全性設計

電驅型大直徑井壁取心儀具有多種井下安全設計，包括反推解卡技術設計、運動導軌滑塊結構安全設計、鉆頭弱點安全設計。當井下儀器出現安全事故時候，可以通過其多種安全設計進行解卡。當儀器粘卡時，采用反推解卡將儀器快速脫離井壁，當鉆頭遇卡時，可以拉斷運動導軌滑塊和拉斷鉆頭弱點，將儀器與地層脫離，這幾種安全設計，可以大大提高儀器的井下安全，提高儀器安全性[10]。

3 現場應用

電驅型大直徑旋轉井壁取心儀已經在渤海區塊進行了多井次的實井作業。作業過程涵蓋該區塊不同地層巖心，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]。該設備均高效完成取心任務，為甲方分析地層地質結構，油氣分析提供了強有力的技術數據支持。

3.1 旅大區塊某井取心作業

該井鉆進井深1 950 m，井溫73 ℃，泥漿密度1.24 g/cm3，井眼尺寸31.115 cm，最終獲取優質巖心數量17顆。本井所涉及的地層包括砂巖、含礫砂巖，泥巖地層，整個取心過程儀器電流在0.4～2.0 A，滿足設計要求，電動取心克服了液壓馬達大電流的問題，有效保護七芯電纜，最終獲取優質巖心17顆，滿足甲方地質分析要求。圖1為該井取心巖樣及數據。

圖1 LD25井所取巖樣及數據

3.2 CFD區塊某井取心作業

電動取心儀對本井兩個井段進行的巖心樣本的采集，整個過程順利，兩層取心地層聲波時差范圍寬，密度大，地層巖性復雜，巖性聲波時差范圍50～110 μs/ft。在取心過程中，取心電機電流范圍0.5 A～2.0 A，鉆進導軌運行流暢，整套設備在取心過程中地層適應能力強，巖心檢測及隔片功能對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。本層根據地層顯示情況共獲取優質巖心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井數據進行對比，電驅大直徑取心儀所取的巖心不論長度和直徑均符合設計要求[11]。由于大直徑巖心長度長，規避了小直徑巖心由于泥餅存在導致的對地質分析的影響，所獲取的巖心對本井的評價、后期的區塊勘探、以及臨井的鉆井指導都起到了很好的指導作用。

4 應用總結

通過現場作業認為，電驅型大直徑井壁取心儀對不同地層巖樣具有很好的適應性。突破性地采用直接浸泡在泥漿中的電機進行取心，取心時電機的電流基本在2 A以內，這樣可以有效保護電纜受損、提高取心效率。

通過作業可以看到，井壁取心測井儀可以通過深度數據的不斷改變，以及油氣層顯示的數據進行多次的取心作業，所獲取的巖心如果包含的深度點比較多時，由于巖心筒為開放的儲心筒，很容易混進去泥漿及碎石，影響巖心分析數據的準確性。因此，巖心定位區分對巖心的后期處理至關重要，這也同樣是現有的電纜井壁大直徑取心儀在巖心定位區分方面需要提高可靠性的方面。該種技術可以擴展小井眼大直徑取心儀應用及取心測壓一體化技術及取心取樣一體化技術，由于具有效率高、扭矩大等特點，可以在實現隨鉆旋轉井壁取心的技術方面進行摸索及突破。