电驱型大直径旋转井壁取心仪及应用效果评价

刘铁民，李广帅，龚晶，田志宾，贾奇勇，谭仕，常毓强

(中海油田服务股份有限公司，河北 三河 065201)

0 引言

在石油勘探开发过程中，利用岩心分析确定储层的岩性、物性参数是一项重要工作。获取岩心主要有以下三种方式：(1)钻井取心；(2)爆炸撞击式井壁取心；(3)钻进式旋转井壁取心[1]。钻井取心所取岩心规整，可直观进行岩性、电性、物性和含油性分析化验，但效率低、工艺复杂、劳动强度大，成本高且影响钻井速度，并且只能在钻井过程中取心作业。在钻井完成后，若想重新获某一深度的岩石样品，只能选择起钻，更换管柱进行取心作业。爆炸撞击式井壁取心虽然施工简便、成本低，但所取岩心体积小且不规则，分析数据不够全面。钻进式旋转井壁取心所取岩心颗粒较大且规整，可以钻进到泥饼后端真正获取地层样品，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，并且施工简便，成本低。钻进式旋转井壁取心技术一经出现，受到了各个石油公司的欢迎[2-4]。中海油田服务股份有限公司承担的“模块式大颗粒井壁取心测井仪”项目课题研制出的电动取心仪器采用电动机直驱机构完成取心，截至目前，该套设备已经在渤海区块完成了多井次的取心作业，通过测试应用，该取心器应用效果好，收获岩心效率高。

1 仪器简述

电驱型大直径旋转井壁取心仪整体系统包括地面控制系统及井下仪器。地面控制系统包括地面控制机箱，大小电机控制电源等，井下仪器包括马龙头、4430短节、张力短节、电子线路短节、取心液压机械短节。地面控制系统采用专门设计的通讯模式对井下进行控制，实现人机交互的功能，操作工程师通过控制操作软件实现对井下机械动力的控制，实现取心功能，地面控制机箱采用标准的机箱尺寸设计，方便使用和运输。电驱型大直径旋转井壁取心仪系统其取心动力技术是采用电动机直接驱动钻头，打破传统的采用液压马达进行取心的设计方法，动力更强，效率更高[5]。主要特点是收获岩心速度快，大大节约井口占用时间，提高作业成功率。主要参数如表1所示。

表1 主要技术参数数据表

2 技术特点

电驱型大直径旋转井壁取心仪整套系统采用模块化设计，主要核心模块均采用插装式设计，方便维修保养，取心电机模块采用设计的高功率密度电动机功率大，带动钻头直接取心，传动效率高，功率损耗小，克服了常规液压马达取心功率小损耗大的缺点。在取心作业时，采用拖撬绞车带动七芯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[6-9]。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。

2.1 机械机构设计

电驱型大直径旋转井壁取心仪包括多个机械机构设计：用于钻进钻退的推心钻进模块设计，其中设计难度最大的是运动导轨模块的设计，该运动导轨既要完成取心钻头从水平位置翻转到垂直位置，完成对井壁的钻进，又要实现取心完成后将岩心折断并取回的功能；岩心检测及加隔片功能设计，主要功能是实时检测岩心是否获取成功，如果出现已混淆地层，采用增加隔片的功能将两个岩心分割开，可以清晰地区分地层；支撑腿和反推机构设计，支撑腿机构主要作用是将仪器牢牢地固定在井壁，辅助仪器进行取心作业；反推机构设计，主要目的是当仪器长时间在井壁停留后，容易出现粘卡，反推机构可以将仪器快速脱离井壁，保证仪器井下安全。

2.2 液压系统设计

液压系统设计是电驱型大直径井壁取心仪的核心，整套液压动力系统采用高温直流电机，驱动柱塞泵，提供高压油，通过溢流阀保证整个油路的安全。液压系统需要根据现场作业的要求，控制张开支撑臂动作，钻进钻退、推心及隔片和反推解卡等多种复杂联动功能，因此对液压执行软件的设计要求也相当高。由于液压系统需要长期使用，液压油会被设备中残留的或者磨削出的杂质进行污染，因此关键的油路进口和出口需设计过滤装置，液压动力部分必须具有足够的可靠性。由于该设备应用在井下，受高温高压泥浆的影响，因此压力平衡的设计是很关键的，保证井下的泥浆对液压系统不产生压差，这样既能保护整套设备的运行安全，耐压低的关键部件也能正常工作。

2.3 安全性设计

电驱型大直径井壁取心仪具有多种井下安全设计，包括反推解卡技术设计、运动导轨滑块结构安全设计、钻头弱点安全设计。当井下仪器出现安全事故时候，可以通过其多种安全设计进行解卡。当仪器粘卡时，采用反推解卡将仪器快速脱离井壁，当钻头遇卡时，可以拉断运动导轨滑块和拉断钻头弱点，将仪器与地层脱离，这几种安全设计，可以大大提高仪器的井下安全，提高仪器安全性[10]。

3 现场应用

电驱型大直径旋转井壁取心仪已经在渤海区块进行了多井次的实井作业。作业过程涵盖该区块不同地层岩心，包含粉砂岩，泥岩、致密砂岩，含砾砂岩，花岗岩、裂缝花岗岩等[11]。该设备均高效完成取心任务，为甲方分析地层地质结构，油气分析提供了强有力的技术数据支持。

3.1 旅大区块某井取心作业

该井钻进井深1 950 m，井温73 ℃，泥浆密度1.24 g/cm3，井眼尺寸31.115 cm，最终获取优质岩心数量17颗。本井所涉及的地层包括砂岩、含砾砂岩，泥岩地层，整个取心过程仪器电流在0.4～2.0 A，满足设计要求，电动取心克服了液压马达大电流的问题，有效保护七芯电缆，最终获取优质岩心17颗，满足甲方地质分析要求。图1为该井取心岩样及数据。

图1 LD25井所取岩样及数据

3.2 CFD区块某井取心作业

电动取心仪对本井两个井段进行的岩心样本的采集，整个过程顺利，两层取心地层声波时差范围宽，密度大，地层岩性复杂，岩性声波时差范围50～110 μs/ft。在取心过程中，取心电机电流范围0.5 A～2.0 A，钻进导轨运行流畅，整套设备在取心过程中地层适应能力强，岩心检测及隔片功能对地面分心起到了很大的辅助作用，其反推功能，有效保证了仪器的井下安全。本层根据地层显示情况共获取优质岩心16颗，所取岩心包括致密砂岩，含砾砂岩以及泥岩和花岗岩，岩心长度合格，深度复合要求，如图2所示。

图2 31.115 cm井眼岩样(长度满足要求，隔片功能正常)

从所取岩样外形及岩性来看，以及跟录井和其他测井数据进行对比，电驱大直径取心仪所取的岩心不论长度和直径均符合设计要求[11]。由于大直径岩心长度长，规避了小直径岩心由于泥饼存在导致的对地质分析的影响，所获取的岩心对本井的评价、后期的区块勘探、以及临井的钻井指导都起到了很好的指导作用。

4 应用总结

通过现场作业认为，电驱型大直径井壁取心仪对不同地层岩样具有很好的适应性。突破性地采用直接浸泡在泥浆中的电机进行取心，取心时电机的电流基本在2 A以内，这样可以有效保护电缆受损、提高取心效率。

通过作业可以看到，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，这也同样是现有的电缆井壁大直径取心仪在岩心定位区分方面需要提高可靠性的方面。该种技术可以扩展小井眼大直径取心仪应用及取心测压一体化技术及取心取样一体化技术，由于具有效率高、扭矩大等特点，可以在实现随钻旋转井壁取心的技术方面进行摸索及突破。