高溫小井眼大直徑巖心旋轉井壁取心儀研制及應用

劉鐵民 田志賓 黃琳 馮永仁 魏贊慶 賈奇勇 彭碩

(中海油田服務股份有限公司)

0 引 言

旋轉井壁取心技術經過20多年的發展，取得了長足的進步，但仍然存在一些問題[1]，諸如：鉆頭動力不足、取心作業時容易卡鉆；取心時鉆頭的轉速、鉆壓不可調節，對地層的適應能力較差；一次取心成功率、取心效率有待提高；儀器所需供電電壓高、電流大，對絕緣要求高；儀器外徑尺寸大，不能滿足小井眼作業需求。這些問題嚴重阻礙了儀器的推廣應用。

大直徑巖心對分析地層儲量有很大幫助，因此勘探開發對獲取大直徑巖心的需求也越來越多，在這方面投入也越來越大[2]。近年來，國內外油氣服務公司先后推出多種大直徑旋轉井壁取心儀，例如斯倫貝謝的XL-Rock、貝克休斯的MaxCORE、中海油田服務股份有限公司(以下簡稱中海油服)的MRCT，這幾種大直徑取心儀均有各自的特點。經過現場應用，中海油服研制的MRCT在地層適應性、鉆頭鉆壓自調節方面具有顯著優點，也得到了用戶的肯定。但MRCT只能從大于?215.9 mm(8.5 in)井眼里獲取大直徑巖心，對小于?215.9 mm井眼巖心的獲取目前只能使用早期斯倫貝謝的MSCT、中海油服的ERSC及及貝克休斯的PCORE，這幾款取心儀均是獲取小巖心的井壁取心儀器。

為了能在小于?215.9 mm井眼獲取大直徑巖心，滿足用戶作業需求，中海油服依托研發項目，成功研制出高溫小井眼大直徑巖心旋轉井壁取心儀MRCT-dumpy，該取心儀可完成6 in井眼的大直徑井壁取心作業。通過現場多口井的應用表明，該取心儀及取心技術在小井眼大直徑取心領域能力獲得充分驗證。

1 MRCT-dumpy工作原理及儀器組成

通過機械、軟件、電子技術，攻克了電機直接帶動鉆頭取心難題，形成高可靠高精密鉆頭運動軌跡小型化控制技術、插裝式井下巖心精確區分技術、高溫大功率控制技術等，成功研制了適用于?152.4 mm井眼的高溫小井眼大直徑巖心旋轉井壁取心儀MRCT-dumpy。MRCT-dumpy由遠程專家支持系統、地面控制系統和井下儀器3部分組成，其系統組成如圖1所示。其中，地面控制系統包含大電機電源、小電機電源、控制面板、采集計算機共4部分，該系統主要負責與井下儀器進行通信，控制井下儀器完成推靠、鉆進鉆退、推心、反推等功能[3-5]。井下儀器包含七芯馬籠頭、電源短節、張力短節、電子控制短節以及機械液壓短節；電子控制短節的線路采用新型的保溫瓶結構，對整個電路系統進行熱管理設計，可以有效控制儀器內部溫度，增強整套儀器的耐溫性能；機械液壓短節采用機電結合的設計方法，使用液壓油作為介質，通過電機泵組合產生壓力、控制多個液壓缸完成取心動作。該套儀器可以獲取深層井下優質巖心樣本，一趟取心作業最多可收獲巖心60顆，巖心體積大，巖心直徑38.1 mm、長度54.6 mm，可以借此更深入地了解深井地層特別是深海潛山油氣層地質參數[6]。該儀器具備反推解卡功能，當儀器在井下遇卡時，可以反推井壁進行解卡以保證儀器的井下作業安全。

1—遠程專家支持系統；2—地面控制系統；3—井下儀器。

MRCT-dumpy已成功在中國海上油田完成4井次?152.4 mm小井眼的大直徑巖心樣本的取心作業，解決了深海深層不能獲取大直徑巖心樣本的難題，為高難度油氣層開發提供了數據支撐[7-9]。該儀器配套遠程專家支持系統，遠程人員可通過該系統隨時看到作業現場數據。

本文研制的MRCT-dumpy主要性能指標如表1所示。

表1 MRCT-dumpy技術指標

2 關鍵技術

2.1 電子控制短節設計

電子控制短節采用整體保溫瓶結構，內部設計添加有吸熱劑。通過熱交換模擬，對電路需要的吸熱劑進行布局，以達到工作時最大的吸熱效果，并對吸熱劑的材料和工藝進行優化設計，使該短節的導熱、吸熱、隔熱能力顯著增強。其總體結構為超高溫真空絕熱耐高壓保溫瓶外殼+隔熱體+分布式模塊化吸熱劑設計。完成的電子控制短節在205 ℃試驗條件下連續正常工作20 h，內部溫度控制在150 ℃以內[10]。其內部零部保溫情況如圖2所示。

圖2 MRCT-dumpy一體化熱管理保溫瓶保溫示意圖

2.2 機械液壓短節設計

機械液壓短節是該套系統的核心部件，而主液壓基體是構成短節的主要配件。主液壓基體裝配有多個模塊，包括主副推靠模塊、鉆進推心模塊、動力模塊、分割巖心模塊及平衡筒模塊。通過上述模塊實現收開推靠、收緊液缸、收開反推等功能。

機械液壓短節的動力模塊主要功能是提供該短節所需的液壓動力；主副推靠模塊主要功能是將該短節牢固坐封于井壁，保證其在取心過程中不會移動；鉆進推心模塊主要功能是為取心的運動導軌提供動力，并將獲取的巖心平穩地推到巖心筒中；分割巖心模塊主要功能是在取心完成后能主動取、分巖心，確保所有巖心與井下深度一致；平衡筒模塊則主要保證儀器在高溫高壓環境下的液壓平衡，確保整個儀器內外壓力平衡。所有模塊均安裝在主液壓基體結構上，該結構上共設計了5個液壓閥座安裝孔(見圖3)，用來裝配液壓閥座，以完成收開推靠、收緊所有液壓缸及收開反推等功能。閥座安裝完畢后，設計有專門的密封蓋將閥座孔與外界鉆井液進行密封隔離，所有閥座浸泡在液壓油里面，通過電動控制操作閥體，執行動作[11-13]。該短節設計有專門的安裝壓力采集傳感器密封腔，以采集儀器工作過程中的壓力數據，用于判斷儀器在井下的工作狀態。

1—壓力調節閥座；2—收緊閥座；3—張開控制閥座；4—隔片控制閥座；5—反推控制閥座。

2.2.1 液壓系統設計

MRCT-dumpy在井下需要完成鉆進、退鉆、推心、隔片、張開支撐臂等多個復雜的動作，其液壓系統設計較為復雜，既要考慮其完整性，又要考慮其可靠性及效率；由于其工作環境為井下，還需要考慮井下鉆井液對整套液壓系統的影響。該液壓系統采用總線式設計，共設計有5個液壓缸，10多個兩位三通電磁閥、10個液控單向閥、10多個單向閥等。取心電機直接浸泡在鉆井液環境中，內部充滿液壓油來保證其壓力平衡，組成完整的液壓系統。圖4為液壓系統動力實現流程圖。

圖4 液壓系統動力實現流程示意圖

2.2.2 取心電機模塊設計

取心電機模塊是機械液壓短節的核心模塊，其功能是為了獲取井下高質量的巖心。該模塊需跟隨儀器導軌在井下進行鉆頭姿態控制，其總體結構分為電機、減速機以及鉆頭鉆桿部分，如圖5所示。

1—取心電機模塊；2—取心鉆桿；3—取心鉆頭。

模塊主要結構是電機與減速結構的高集成化模塊，具有體積小、功率密度大的特點，能浸泡在鉆井液中進行工作[14-15]。

模塊設計采用電機和減速機組合方式。為了保證其工作性能，需要對模塊開展設計分析。在二維有限元中建立電機仿真模型，進行空負載計算。設置繞組電流為0，對電機進行空載特性分析。計算所得的空載磁通密度分布如圖6所示。

圖6 取心電機空載磁通密度分布圖

電機電勢計算式如下：

(1)

E0=4.44fN1Kdp1Φm

(2)

式中：Φm為電機的氣隙磁通量，Wb；lef為電機的電樞計算長度，m；τ為電機的極距，m；Bδ為電機的氣隙磁通密度，T；E0為電機繞組的感應電動勢，V；f為繞組感應電動勢的頻率，Hz；N1為電機繞組每相串聯匝數，無量綱；Kdp1為繞組因數，無量綱。

通過輸入電機的額定轉速，可以得到電機的空載相、線電勢曲線。

根據直流無刷電機的特性，電機轉子在不同位置的氣隙磁通密度如圖7所示。

圖7 電機空載氣隙磁通密度

根據運動控制系統理論與轉速動態控制結構框圖，可以得到速度環開環傳遞函數為：

(3)

模擬分析中，向電機通入正弦電流，計算電機的平均轉矩，可得電機的T-I曲線如圖8所示。

圖8 電機T-I曲線

由圖8可以看出，取心模塊的電機線性度較好，并在該電機達到額定轉矩后的較大轉矩范圍內，仍工作在線性階段。目前該系統工作的T-I范圍為8 A以內，電機的扭矩T滿足設計要求。

為了驗證取心電機模塊的扭矩性能，專門設計了一套完整的扭矩測試裝置。該裝置包括制動器、扭矩限制器等。通過測試發現，研制的取心電機模塊扭矩達到10 N·m，完全滿足井下取心作業需求。圖9為取心電機地面扭矩測試圖。

圖9 取心電機地面扭矩測試示意圖

3 MRCT-dumpy取心工藝與實踐

為了能使MRCT-dumpy更好地適應現場復雜井環境特別是高溫高壓、深井的作業環境，針對該儀器進行了取心工藝研究。主要解決鉆頭從儀器中伸出、鉆進、收回的過程中，如何折斷巖心、不損傷巖心，如何把巖心帶出地層、實時判斷取心是否成功，如何精確區分不同層位巖心，如何取出完整巖心等問題。通過優化取心流程、鉆頭制造工藝，針對不同巖心進行技術參數摸索，最終形成適用于該儀器的一套取心作業工藝，可滿足現場的作業需求[4-5]。

MRCT-dumpy完成實驗室調試后，在試驗井進行功能測試，見圖10。包括對長電纜通信測試，各種閥功能測試，鉆進、鉆退、推心、隔片等功能測試，以及取心電機模塊在井下水環境中電流、負載變化情況的測試。測試結果表明，取心電機的性能表現符合設計要求，該儀器功能滿足小井眼大直徑取心要求，滿足現場作業需要。

圖10 試驗井測試

為了充分驗證儀器的可靠性及實用性，先后在現場開展了5口井的作業應用，其中在?152.4 mm井眼作業2口井，儀器最高工作溫度將近170 ℃。通過十幾個小時的工作，內部溫度不高于100 ℃，熱管理系統滿足設計要求，取心收獲率97%，取心功能均正常，最高單趟收獲巖心43顆，鉆頭性能及取心電機性能得到充分驗證。圖11為該儀器在BZ井作業現場及取心樣品。

圖11 MRCT-dumpy實井作業及巖心樣品圖

4 結 論

(1)高溫小井眼大直徑巖心旋轉井壁取心儀采用模塊化設計，維修保養方便，工程作業適應能力強。

(2)高溫小井眼大直徑巖心旋轉井壁取心儀集成化的設計及獨特的取心電機模塊的設計對小尺寸井眼油田取心作業，特別是對深井取心具有一定的應用價值。

(3)高溫小井眼大直徑巖心旋轉井壁取心儀系統所涵蓋的液壓油路、機械結構、電動取心技術等關鍵技術的攻克，對后期同類技術設備的發展有很好的指導作用。