大直徑電纜井壁取心儀巖心分隔片機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

劉鐵民 田志賓 金亞 余強(qiáng) 李先達(dá) 龔晶 劉耀偉 譚仕 王鵬

摘要：現(xiàn)有的大直徑井壁取心儀在取心過程中只使用井深參數(shù)定位巖心，無法明確區(qū)分取心巖層與巖心的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在新型大直徑井壁取心儀研制過程中，設(shè)計(jì)了巖心分隔片機(jī)構(gòu)，在鉆取巖心過程中加入隔片，可以與深度參數(shù)一起區(qū)分巖心在目的層的具體位置，為后期巖心分析、儲(chǔ)層分析提供可靠數(shù)據(jù)。巖心分隔片機(jī)構(gòu)采用液壓力驅(qū)動(dòng)導(dǎo)板，導(dǎo)板帶動(dòng)隔片進(jìn)入隔片艙，實(shí)現(xiàn)區(qū)分巖心的目的。該機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了不同性能的彈簧，可以加入30個(gè)或60個(gè)隔片。地面試驗(yàn)證明，該機(jī)構(gòu)能完成隔片加入功能，性能可靠，對(duì)大直徑井壁取心儀器的推廣具有重要意義。

關(guān)鍵詞：電纜井壁取心儀; 巖心; 分隔機(jī)構(gòu); 設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TE921.302? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：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

在石油勘探行業(yè)，對(duì)巖心進(jìn)行分析，確定儲(chǔ)層的巖性、物理參數(shù)是了解地層真實(shí)構(gòu)造的重要手段［1］。機(jī)械式旋轉(zhuǎn)井壁取心儀是獲取巖心的重要設(shè)備。該設(shè)備利用運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌控制空心金剛石鉆頭，使鉆頭垂直鉆進(jìn)井壁，獲取巖心，適用于全井段的各種地層取心。隨著大功率直流電機(jī)以及機(jī)械技術(shù)的發(fā)展，大直徑井壁取心儀器已經(jīng)研制成功，且成為取心儀器的發(fā)展趨勢(shì)。目前，如何區(qū)分巖心層位是取心儀器必須要解決的問題［2-5］。現(xiàn)有技術(shù)是只靠深度數(shù)據(jù)來定位巖心層位，定位精度差。為了精確定位巖心層位，研制了巖心分隔片機(jī)構(gòu)。本文介紹了該機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和工作原理，并分析了該機(jī)構(gòu)中關(guān)鍵零件的力學(xué)特性。

1 大直徑電纜井壁取心儀研制現(xiàn)狀

大直徑電纜井壁取心儀是目前油田開發(fā)技術(shù)方面比較靠前的前沿技術(shù)，斯倫貝謝、貝殼休斯等國際大的油田公司均已研制出各自的大直徑取心儀產(chǎn)品［5-7］。中海油田服務(wù)股份有限公司經(jīng)過多年的技術(shù)積累，也研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大直徑取心儀，其可靠的取心性能、先進(jìn)的巖心檢測(cè)及巖心區(qū)分機(jī)構(gòu)是其技術(shù)亮點(diǎn)。

電纜井壁取心儀包括地面系統(tǒng)、井下儀器（井壁取心測(cè)井儀）2個(gè)部分。在取心作業(yè)時(shí)，如圖1所示，采用拖撬絞車帶動(dòng)七心電纜下放井壁取心測(cè)井儀到達(dá)目的層位。拖撬絞車與地面系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)滑環(huán)線纜進(jìn)行連接。地面系統(tǒng)具有供電及下發(fā)和接收電控制信號(hào)的功能，可以實(shí)時(shí)控制井下儀器完成相應(yīng)的作業(yè)。把井壁取心測(cè)井儀下放到井下目的層后，給設(shè)備供電，通過電信號(hào)控制完成推靠坐封、鉆進(jìn)取心，鉆退推心的復(fù)雜功能。井壁取心測(cè)井儀可以通過深度數(shù)據(jù)的不斷改變，以及油氣層顯示的數(shù)據(jù)進(jìn)行多次的取心作業(yè)。所獲取的巖心如果包含的深度點(diǎn)比較多時(shí)，由于巖心筒為開放的儲(chǔ)心筒，很容易混進(jìn)去泥漿及碎石，影響巖心分析數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。因此，巖心定位區(qū)分對(duì)巖心的后期處理至關(guān)重要。現(xiàn)有的電纜井壁大直徑取心儀在巖心定位區(qū)分方面還存在不足［7-9］。

2 新型電纜井壁取心儀的井下儀器組成

新型電纜井壁取心儀的井下儀器采用模塊化的結(jié)構(gòu)，各個(gè)模塊之間相互配合，共同完成獲取巖心的動(dòng)作。一支完整的井壁取心儀的井下儀器包含副推靠、鉆進(jìn)推心、主推靠、動(dòng)力及分隔巖心和平衡筒模塊，如圖2所示。其中分隔巖心模塊是本文的主要研究對(duì)象。

由于井下環(huán)境比較復(fù)雜，各種地層成型樣式不同，有的地層巖心特別堅(jiān)硬，有的地層特別疏松，為了更有效地分割開不同地層、不同位置的巖心，避免混淆，研制了分隔巖心模塊，這樣可以有效保證巖心質(zhì)量，確保所獲取的巖心層位清晰。

3 巖心分隔片機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)

巖心分隔片機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。該裝置直接插裝到大直徑電纜井壁取取心儀的井下儀器的主液壓基體上，完成給巖心加隔片的功能。巖心分隔片機(jī)構(gòu)包括隔片底座、隔片活塞缸、連接銷釘、限位支架、擺動(dòng)臂、旋轉(zhuǎn)銷釘?shù)汝P(guān)鍵部件組成。供油塊設(shè)計(jì)有密封圈與主液壓基體油路進(jìn)行連接，可以給隔片底座進(jìn)行供油，驅(qū)動(dòng)隔片活塞缸并推動(dòng)活塞桿運(yùn)動(dòng)。隔片裝在隔片倉內(nèi)，隔片倉最多可以裝配60個(gè)隔片，壓縮彈簧主要是推動(dòng)隔片進(jìn)入隔片推板與限位支架之間，通過隔片推板將隔片帶入巖心筒，完成加隔片功能。

3.2 工作原理

巖心分隔片機(jī)構(gòu)采用機(jī)械、液壓技術(shù)，通過液壓油控制隔片活塞缸，其活塞桿帶動(dòng)擺動(dòng)臂，將圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)。通過精確模擬計(jì)算，達(dá)到角度和力量的最優(yōu)組合，完成加隔片的動(dòng)作［4-6］。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，為了安裝拆卸方便，該巖心分隔片機(jī)構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)，并采用控制閥及液壓驅(qū)動(dòng)，油路通過供油塊進(jìn)入隔片底座，控制隔片底座內(nèi)的隔片活塞缸，其活塞桿帶動(dòng)擺動(dòng)臂運(yùn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)銷帶動(dòng)擺動(dòng)臂，擺動(dòng)臂帶動(dòng)隔片推板，取出隔片倉內(nèi)的隔片。然后，由鉆進(jìn)推心模塊中的推心桿將隔片推入巖心筒。該機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了不同性能的彈簧，可以完成加30個(gè)或60個(gè)隔片的功能，完全可以解決巖心區(qū)分問題，為后期進(jìn)行巖心分析和油氣儲(chǔ)層分析提供可靠的巖心樣本。該機(jī)構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)，拆卸、安裝、維修方便。

3.3 關(guān)鍵部件分析

1） 隔片底座。

隔片底座采用模塊化設(shè)計(jì)，采用螺釘與取心儀主液壓基體進(jìn)行連接，結(jié)構(gòu)如圖4所示。隔片基體設(shè)計(jì)有活塞缸和多條油路，完成隔片活塞的伸出和收回。這種隔片基體設(shè)計(jì)使整個(gè)裝置更加緊湊，便于維修保養(yǎng)。

隔片底座材料為鈦合金，此種材料的可加工性強(qiáng)，溫度性能好，強(qiáng)度高，符合油田測(cè)井儀器對(duì)材料的要求。為了保證對(duì)導(dǎo)板的力平衡，設(shè)計(jì)2個(gè)活塞缸孔，在基體上設(shè)計(jì)有油路1和油路2，用于該基體的進(jìn)油和回油，通過復(fù)雜的連接孔到達(dá)活塞缸油腔。該基體與主取心基體采用螺釘進(jìn)行連接，安裝拆卸方便。

2） 擺動(dòng)臂。

擺動(dòng)臂的結(jié)構(gòu)如圖5所示，作用為在活塞桿推出力的作用下完成插入隔片功能，在活塞桿收回力的作用下完成取隔片功能。擺動(dòng)臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接影響隔片推板運(yùn)動(dòng)的位移及角度，因此，對(duì)擺動(dòng)臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇、硬度均有很高的要求。為了提高擺動(dòng)臂使用壽命，其材料選用耐腐蝕的1515超硬度材料進(jìn)行加工，在高溫高壓的井下泥漿環(huán)境中具有耐腐蝕性和超硬強(qiáng)度，該材料在鉆鋌上應(yīng)用廣泛。結(jié)構(gòu)方面，該擺動(dòng)臂設(shè)計(jì)有旋轉(zhuǎn)銷釘安裝孔，推臂活塞連接槽，以及隔片活塞安裝槽等結(jié)構(gòu)。通過軟件模擬、數(shù)據(jù)分析，能完成插入及取出隔片功能。

4 巖心分隔片機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析及受力分析

4.1 運(yùn)動(dòng)范圍模擬分析

運(yùn)動(dòng)范圍模擬分析可以輔助整套機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，包括導(dǎo)板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，以及活塞尺寸的設(shè)計(jì)。加隔片機(jī)構(gòu)要完成取隔片和加隔片2個(gè)動(dòng)作，圖6為取隔片動(dòng)作示意，圖7為加隔片動(dòng)作示意。巖心筒是存儲(chǔ)巖心的筒子，安裝在旋轉(zhuǎn)取心器的基體上。隔片被加進(jìn)巖心筒后，能起到區(qū)分巖心的目的。圖6位置是整個(gè)機(jī)構(gòu)的極限位置，此時(shí)隔片在隔片倉內(nèi)。當(dāng)隔片被取到后，導(dǎo)板旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)隔片往上移動(dòng)到巖心筒的位置。巖心筒的內(nèi)孔尺寸比隔片外徑大，隔片由于重力或推心桿推力作用，被推到巖心筒內(nèi)，完成加隔片的功能。每取完1顆巖心，重復(fù)1次加隔片動(dòng)作，防止巖心由于破碎而導(dǎo)致無法區(qū)分取心層位。

4.2 隔片機(jī)構(gòu)受力分析

電纜井壁取心儀的巖心分隔片機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，需要對(duì)該隔片機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件，即隔片推板進(jìn)行受力分析。在受力分析時(shí)，隔片底座、限位支架作為關(guān)聯(lián)裝配部件必須被限定并進(jìn)行整體分析，這樣分析的結(jié)果更加合理，可以防止在使用過程中由于結(jié)構(gòu)不合理而產(chǎn)生疲勞斷裂事故。

4.2.1 網(wǎng)格劃分

首先對(duì)主隔片機(jī)構(gòu)的隔片底座進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格為六面體結(jié)構(gòu)，結(jié)點(diǎn)數(shù)為224 718個(gè)，劃分單元數(shù)量為126 376，并對(duì)隔片推板進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。如圖8所示。

4.2.2 計(jì)算結(jié)果

按照上述部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，計(jì)算其中工況最復(fù)雜的隔片推板的Von-Mises最大應(yīng)力、等效應(yīng)變、總變形量、速度曲線和使用壽命。

1） Von-Mises應(yīng)力（第四強(qiáng)度）計(jì)算結(jié)果。

隔片推板Von-Mises最大應(yīng)力集中在與其接觸導(dǎo)軌處，最大應(yīng)力約0.014 MPa，受力基本可忽略。如圖9所示。

2） 應(yīng)變計(jì)算結(jié)果。

隔片推板的等效應(yīng)變最大集中在與其接觸導(dǎo)軌處，如圖10所示，最大應(yīng)變可忽略。

3） 總變形量計(jì)算結(jié)果。

隔片推板總變形（行程）量為100 mm，是依據(jù)初始條件中施加的力和速度進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)實(shí)際模擬仿真結(jié)果可知，按照設(shè)計(jì)中選取的活塞直徑和油缸推力能夠滿足隔片推板的上下運(yùn)動(dòng)。如圖11所示。

4） 移動(dòng)速度計(jì)算結(jié)果。

隔片推板速度與受力相關(guān)，依據(jù)初始條件中施加的力和速度進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)實(shí)際模擬仿真結(jié)果可知，隔片推板上下運(yùn)動(dòng)平衡。如圖12所示。

5） 使用壽命計(jì)算結(jié)果。

隔片推板理論計(jì)算壽命結(jié)果如圖13所示，最低使用壽命能夠達(dá)到100萬次，滿足現(xiàn)場(chǎng)需要。

5 使用情況

截止目前，研制的大直徑電纜井壁取心儀已經(jīng)在中國海上油田及陸地煤層氣田作業(yè)多井次，收獲巖心上千顆，所獲取的巖心樣本包括裂縫花崗巖、煤層、疏松砂巖等，在巖心取心區(qū)分操作方面積累了很好的經(jīng)驗(yàn)。電纜井壁取心儀巖心分隔片機(jī)構(gòu)對(duì)疏松巖心及裂縫地層巖心的獲取起到了很關(guān)鍵的作用，操作工程師實(shí)時(shí)在巖心與巖心之間插入隔片進(jìn)行區(qū)分，徹底防止巖心混淆，提高作業(yè)成功率。圖14～15為某井獲取的巖心樣品［10-11］。圖15a為隔片分割不同巖性巖心示意圖，操作工程師根據(jù)提前測(cè)到的巖心的巖性，在獲取該層巖心時(shí)，主動(dòng)加入隔片用于巖心的取分，避免由于電纜校深不準(zhǔn)確帶來的巖心區(qū)分問題。圖15b為當(dāng)在地面得知所獲取的巖心有可能粉碎時(shí)，或者地層顯示有可能為裂縫地層時(shí)，操作工程師主動(dòng)使用插入隔片進(jìn)行對(duì)粉碎巖心取分示意圖的典型案例［12-14］。

6 結(jié)論

1） 隨著勘探井難度的增大，裂縫地層及疏松地層的增多，電纜井壁取心儀巖心分隔片機(jī)構(gòu)作為大直徑旋轉(zhuǎn)井壁取心測(cè)井儀的關(guān)鍵模塊，在大直徑巖心的取心作業(yè)中所起的作用越來越明顯。如果依靠原有的取心技術(shù)去獲取疏松巖心樣本，巖心與巖心之間很容易連接到一起，甚至混合起來，很難區(qū)分，會(huì)對(duì)地層數(shù)據(jù)的分析帶來很大的風(fēng)險(xiǎn)，甚至?xí)?dǎo)致取心作業(yè)失敗，嚴(yán)重影響油氣田的勘探開發(fā)。

2） 研制了巖心分隔片機(jī)構(gòu)。操作工程師利用采集到的隔片機(jī)構(gòu)的壓力和位移數(shù)據(jù)，可以實(shí)時(shí)控制隔片機(jī)構(gòu)，并在地面對(duì)每個(gè)深度點(diǎn)的巖心進(jìn)行深度上的區(qū)分，可以將裂縫地層巖心、疏松地層巖心在巖心筒中進(jìn)行隔離開，提高取心作業(yè)成功率，提高油氣田的勘探開發(fā)可靠性。

3） 通過多口井的測(cè)試，研制的大直徑電纜井壁取心儀及其巖心分隔片機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，安裝拆卸方便，完全可以滿足現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)需要。

4） 研制的巖心分隔片機(jī)構(gòu)對(duì)大直電纜井壁徑取心儀的的推廣應(yīng)用及其技術(shù)發(fā)展具有重要意義。

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