頁(yè)巖氣旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具研究現(xiàn)狀及發(fā)展

趙戰(zhàn)航，張朝界，朱維兵，封志明，張宇奇

(西華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，成都 610039)

高速發(fā)展的全球經(jīng)濟(jì)，推動(dòng)著世界各國(guó)對(duì)煤炭、石油等常規(guī)能源的需求不斷增加，導(dǎo)致能源緊缺加劇，環(huán)境污染嚴(yán)重。為了改善能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)和減少環(huán)境污染，全球能源供給將由煤炭和石油為主，轉(zhuǎn)變?yōu)榍鍧嵀h(huán)保的能源，促進(jìn)了天然氣[1]的勘探開(kāi)發(fā)。天然氣主要來(lái)源于地下頁(yè)巖、煤層、含碳質(zhì)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(lái)，我國(guó)對(duì)清潔新能源的勘探開(kāi)發(fā)十分重視，尤其對(duì)頁(yè)巖氣的勘探開(kāi)發(fā)如火如荼。頁(yè)巖氣屬于非常規(guī)天然氣，它賦存于頁(yè)巖和致密砂巖中，通過(guò)壓裂等方法才能釋放氣體[4-5]。在頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中，鉆井取心作業(yè)是關(guān)鍵。技術(shù)人員利用鉆井取心作業(yè)獲得的巖心，分析儲(chǔ)層的巖性、物性等特性，獲得所鉆井段巖性的有效數(shù)據(jù)，有利于頁(yè)巖氣資源調(diào)查評(píng)價(jià)，準(zhǔn)確識(shí)別頁(yè)巖氣水平井段的巖性，提高鉆遇頁(yè)巖氣的成功率，降低壓裂和生產(chǎn)的盲目性，提升完井質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)有效開(kāi)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(zhuǎn)式井壁取心。全尺寸取心的1次起下鉆作業(yè)長(zhǎng)達(dá)2～3 d，耗時(shí)長(zhǎng)、工藝復(fù)雜、成本高。沖擊式井壁取心的爆炸沖擊工作機(jī)理使得取心質(zhì)量較差，無(wú)法較好地表達(dá)儲(chǔ)層物性特征。旋轉(zhuǎn)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(chǔ)存至儲(chǔ)樣機(jī)構(gòu)中，所取巖心質(zhì)量好，可直接進(jìn)行巖性、電性、含油性分析，并且施工簡(jiǎn)單、效率高、成本低、巖心規(guī)則，兼有全尺寸取心和沖擊式井壁取心的優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用最廣泛的鉆井取心方式[6]。

旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具是頁(yè)巖氣勘探階段的核心設(shè)備之一，在目前的頁(yè)巖氣勘探過(guò)程中逐漸體現(xiàn)出一定的技術(shù)不適用性，例如取心品質(zhì)低、巖心尺寸小、取心層位無(wú)法精確定位、水平井段取心困難等問(wèn)題，對(duì)頁(yè)巖氣的勘探造成了一定的影響。因此，頁(yè)巖氣高效勘探開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵就是改善旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具的各項(xiàng)工作性能。為了加快頁(yè)巖氣的勘探開(kāi)發(fā)進(jìn)程，提高頁(yè)巖氣勘探效率，優(yōu)化頁(yè)巖氣勘探用旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具已成為行業(yè)的研究熱點(diǎn)。本文結(jié)合頁(yè)巖氣勘探階段的特殊性和復(fù)雜性，總結(jié)了頁(yè)巖氣勘探用旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具的性能要求和發(fā)展趨勢(shì)，為頁(yè)巖氣勘探用旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具的深入研究奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具的研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具最早是法國(guó)Schlumberger公司于1947年推出的，由于設(shè)備復(fù)雜、操作需要高超的技術(shù)，沒(méi)能廣泛使用，大約在1955年便停止使用[7]。

20世紀(jì)80年代，Schlumberger公司和其它幾家公司推出了采用液壓技術(shù)的旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具，才使得這種取心工具投入實(shí)用階段。目前，國(guó)外的旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具(如表1)研制較為領(lǐng)先，相比于國(guó)內(nèi)的初代產(chǎn)品而言，國(guó)外公司已研發(fā)出第2代、第3代產(chǎn)品，主要有：哈里伯頓公司的HRSCT-B型旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具，具備改進(jìn)式取心鉆頭，可取得大尺寸、高品質(zhì)的巖心樣品[8]；哈里伯頓公司的CoreVault型旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具，采用密閉取樣、儲(chǔ)樣機(jī)構(gòu)，巖心樣品在獲取和運(yùn)輸過(guò)程中皆保存在密閉容器內(nèi)，有效避免儲(chǔ)層流體流失，有助于更準(zhǔn)確評(píng)價(jià)儲(chǔ)層[9]；哈里伯頓公司的Xaminer型旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具，采用新型耐高壓高溫材料、全自動(dòng)取心控制系統(tǒng)、超大容量?jī)?chǔ)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(zhuǎn)式井壁取心工具，采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，優(yōu)化鉆頭設(shè)計(jì)，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(zhuǎn)式井壁取心工具，在取心機(jī)構(gòu)上使用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的液壓滑道機(jī)構(gòu)，僅需單個(gè)液壓缸即可完成旋轉(zhuǎn)組件、鉆進(jìn)井壁和折斷巖心等功能，具備一定的先進(jìn)性[12-13]。

表1 國(guó)外各型旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具的技術(shù)參數(shù)

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)對(duì)旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具的研究開(kāi)發(fā)起步較晚。20世紀(jì)80年代末，國(guó)內(nèi)開(kāi)始使用從國(guó)外引進(jìn)的旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具。1986年，河南油田測(cè)井公司與航天部一院十二所組成攻關(guān)小組，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具的相關(guān)研究，于1994年研制出我國(guó)第1臺(tái)3推靠臂HH-1型旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具[14]。目前，我國(guó)的旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具初具規(guī)模，生產(chǎn)技術(shù)逐步完善。國(guó)內(nèi)研制的旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具(如表2)主要有：北京華能通達(dá)能源科技有限公司研制的FCT-2型旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具，采用大、小泵雙液壓系統(tǒng)分別給取心鉆頭提供鉆壓和轉(zhuǎn)矩，提高了地層適應(yīng)能力、取心效率，同時(shí)它也是在各大油田應(yīng)用的首套國(guó)產(chǎn)旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具[15]；中石油集團(tuán)測(cè)井有限公司研制的SRCT系列旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具，采用智能變頻技術(shù)，可根據(jù)電機(jī)工作情況自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出電流、電壓及頻率，避免電纜和其他用電設(shè)備的過(guò)流損壞，去除了地面預(yù)熱環(huán)節(jié)，提高了取心作業(yè)時(shí)效[16]；中石油集團(tuán)大慶鉆探工程公司測(cè)井公司研制的ESCT型旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具，采用便攜式機(jī)箱、井下大功率直流無(wú)刷電機(jī)和數(shù)字電磁閥技術(shù)，提高了工具的可靠性和巖心收獲率[17]；中海油服技術(shù)中心研制的ERSC-Ⅱ型旋轉(zhuǎn)式取心工具，采用了高精度伽馬校深和液壓自反饋調(diào)節(jié)技術(shù)，提高了取心作業(yè)效率[18]?？傮w而言，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具性能與國(guó)外相比還存在一定差距，具體體現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具的使用壽命、取心收獲率、取心品質(zhì)等方面，主要原因是我國(guó)在新材料研發(fā)、耐受度更高的新型溫度和壓力傳感器研發(fā)、機(jī)械加工制造業(yè)等方面相對(duì)落后，密封裝置的設(shè)計(jì)、取心工藝的研究等還存在一定的不足。

表2 國(guó)內(nèi)各型旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具的技術(shù)參數(shù)

2 頁(yè)巖氣對(duì)旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具性能要求

2.1 水平井段爬行能力

目前，國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣鉆井主要采用水平井技術(shù)。相對(duì)直井而言，水平井能使更多的生產(chǎn)區(qū)域和井筒接觸，并和裂縫相交，改善儲(chǔ)層流動(dòng)狀況和獲得較大的排泄區(qū)域，能將直井中20～40 m的頁(yè)巖泄氣厚度在水平井中提高到3 000 m[19]。常規(guī)旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具在直井或微傾斜井中進(jìn)行取心作業(yè)時(shí)，旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具靠自身重力用電纜下入井內(nèi)。頁(yè)巖氣水平井出現(xiàn)后，在水平井段內(nèi)重力不能推動(dòng)旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具到達(dá)目的層，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具在頁(yè)巖氣水平井段內(nèi)下入困難，取心難度加大。因此，井下爬行能力對(duì)頁(yè)巖氣勘探用旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具在水平井段內(nèi)能否成功取心至關(guān)重要。

2.2 井底極端環(huán)境耐受能力

頁(yè)巖氣的地質(zhì)條件復(fù)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(huán)境。這種環(huán)境會(huì)加劇各種不利因素對(duì)旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具液壓系統(tǒng)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(zhuǎn)式井壁取心工具的壽命和可靠性。因此，頁(yè)巖氣勘探用旋轉(zhuǎn)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(chǔ)心能力

常規(guī)旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具采用的是巖心直接出筒，且存儲(chǔ)巖心數(shù)量少，巖心的出筒過(guò)程和搬運(yùn)過(guò)程對(duì)巖心結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重破壞，導(dǎo)致巖心質(zhì)量不高，無(wú)法滿足頁(yè)巖氣井對(duì)巖心樣本及施工作業(yè)的要求。因此，應(yīng)對(duì)頁(yè)巖氣勘探用旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具的儲(chǔ)心機(jī)構(gòu)進(jìn)行合理優(yōu)化改進(jìn)，使其具備大數(shù)量、高保真能力，來(lái)保證巖心樣品在儲(chǔ)存和運(yùn)輸過(guò)程中不丟失地質(zhì)特征信息。

2.4 防阻減震能力

頁(yè)巖氣鉆井過(guò)程中，井身軌跡復(fù)雜，在旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具下放過(guò)程中，自身會(huì)與井壁接觸和碰撞，如果遇到的阻力過(guò)大，會(huì)壓壞或者折斷旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具。因此，需要對(duì)頁(yè)巖氣勘探用旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具各功能模塊單元的連接方式進(jìn)行合理優(yōu)化設(shè)計(jì)，以有效減小下放過(guò)程中對(duì)旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具的沖擊力，同時(shí)又提高了旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具的過(guò)彎能力，最終通過(guò)方向?qū)б龑?shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)式井壁取心工具完成取心作業(yè)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(jìn)行確認(rèn)，這無(wú)疑增加了取心作業(yè)成本。因此，急需研制頁(yè)巖氣勘探用旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具自身的定位機(jī)構(gòu)，可測(cè)得旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具的井深信息，更好地標(biāo)記巖心所在的儲(chǔ)存地理位置信息，提高鉆遇頁(yè)巖氣的成功率，降低取心作業(yè)成本。

2.6 大尺寸取心能力

常規(guī)旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具有個(gè)很大的局限性，即從井壁上取得的巖心直徑和長(zhǎng)度都比較小，巖心體積過(guò)小會(huì)造成分析結(jié)果不準(zhǔn)確。因此，應(yīng)對(duì)頁(yè)巖氣勘探用旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具所攜帶取心鉆頭以及取心馬達(dá)進(jìn)行合理優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其所取巖心品質(zhì)更高、體積更大，有助于提高實(shí)驗(yàn)室?guī)r心分析測(cè)試的準(zhǔn)確性，為頁(yè)巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)提供更詳細(xì)的參考數(shù)據(jù)。

3 頁(yè)巖氣勘探用旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具的發(fā)展趨勢(shì)

1) 優(yōu)化旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具，取心鉆頭的驅(qū)動(dòng)方式，使其滿足頁(yè)巖氣勘探過(guò)程中高可靠性要求，以及高效率鉆進(jìn)取心的工作需求。采用直流電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)取心鉆頭，取代傳統(tǒng)的液壓泵驅(qū)動(dòng)取心鉆頭，這種新型驅(qū)動(dòng)方式的動(dòng)力傳輸效率高，取心鉆頭轉(zhuǎn)矩大，且受溫度影響較小，可實(shí)現(xiàn)在地面系統(tǒng)控制下實(shí)時(shí)對(duì)鉆進(jìn)取心速度的調(diào)整。

2) 改進(jìn)旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具取心馬達(dá)傳動(dòng)軸的機(jī)械結(jié)構(gòu)。采用取心鉆桿和取心馬達(dá)傳動(dòng)軸主體分開(kāi)的結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)實(shí)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(dá)整體更換，從而延長(zhǎng)了旋轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)和優(yōu)化旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具的取心機(jī)構(gòu)。取心機(jī)構(gòu)要完成伸出、取心、折斷巖心等動(dòng)作，采用大直徑取心鉆頭結(jié)合大轉(zhuǎn)矩取心馬達(dá)，參考離合器軟軸機(jī)構(gòu)、減速器軟軸機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)優(yōu)化出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性好、巖心質(zhì)量高的取心機(jī)構(gòu)，使取心過(guò)程更加高效。

4) 采用彈簧復(fù)位機(jī)構(gòu)，將旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具的被動(dòng)解卡轉(zhuǎn)化為主動(dòng)解卡。在旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具失去動(dòng)力或發(fā)生故障導(dǎo)致卡堵時(shí)，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具整體解卡和取心鉆頭解卡，從而保證頁(yè)巖氣井眼安全。

5) 改善現(xiàn)有材料使用性能，研發(fā)高性能新材料。旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具所使用的金屬材料、橡膠密封材料及復(fù)合材料應(yīng)具備一定的耐高溫、耐高壓和抗腐蝕等的優(yōu)良性能，具備優(yōu)異的適應(yīng)頁(yè)巖氣復(fù)雜井下取心的能力。

6) 研究開(kāi)發(fā)具有不同結(jié)構(gòu)和工作特性的高性能頁(yè)巖氣勘探用旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具，使產(chǎn)品系列化，形成多功能、多類(lèi)別、智能化的頁(yè)巖氣勘探用旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具。

7) 開(kāi)發(fā)井下取心作業(yè)工況地面監(jiān)測(cè)軟件，對(duì)取心馬達(dá)轉(zhuǎn)速、鉆進(jìn)壓力等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而精確地模擬井下旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具的各項(xiàng)輸出參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，以保證取心過(guò)程的高效、可靠、安全。

4 結(jié)論

1) 頁(yè)巖氣是一種高效、清潔的新能源，勘探開(kāi)發(fā)頁(yè)巖氣有助于緩解常規(guī)能源緊缺和環(huán)境污染的現(xiàn)狀。旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具作為勘探開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵設(shè)備之一，其性能優(yōu)化對(duì)于頁(yè)巖氣的高效、可靠、低成本勘探開(kāi)發(fā)意義重大。

2) 頁(yè)巖氣勘探對(duì)旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具的性能要求較高。分析頁(yè)巖氣本身的特殊性和復(fù)雜性，得出頁(yè)巖氣勘探用旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具需要滿足水平井段爬行能力、井底極端環(huán)境耐受能力、密閉儲(chǔ)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(diǎn)。

3) 展望了頁(yè)巖氣勘探用旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具的發(fā)展趨勢(shì)，未來(lái)可從取心鉆頭驅(qū)動(dòng)方式、取心馬達(dá)傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)、取心機(jī)構(gòu)、解卡機(jī)構(gòu)、材料性能、地面監(jiān)測(cè)軟件等方面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)式井壁取心工具的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其更加適合于我國(guó)的頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)。