Design and Application of a Hydraulic Rotary Sidewall Coring Tool at High Temperatures
-
摘要:
为解决勘探井获取深地层岩心困难的问题，研制了一种最高工作温度达205 ℃、具有高可靠性的液压旋转井壁取心仪。该取心仪由地面系统、控制采集短节和机械液压节组成，并采用一体式保温瓶技术、被动式热管理技术和解卡技术，提高了取心仪的耐温性和工程安全性。通过模拟仿真和地面测试，验证了这些关键技术的功能。现场试验结果表明，该取心仪可在189 ℃高温高压环境、钻井液相对密度和地层压差较大的探井正常作业，平均岩心收获率大于90%，且具有耐高温、防压差卡钻、取心时效和岩心收获率高的特点，尤其是对存在扩径、缩径和井壁垮塌等问题的井段具有良好的适应能力和较高的安全可靠性。
Abstract:Since it is difficult to obtain stratigraphic cores in deep exploration wells, a hydraulic rotary sidewall coring tool with a maximum operating temperature of 205 °C and high reliability was developed. The coring tool is composed of a ground system, a control acquisition short section, and a mechanical hydraulic section, and adopts an integrated thermos bottle technology, passive thermal management technology, and stuck-freeing technology, which effectively improve its temperature resistance and engineering safety. The performance of these key technical functions was verified through simulation and ground tests. The actual operation results show that the tool can operate normally in exploratory wells with a high temperature of 189 °C and high pressure, high relative density of drilling fluid, and large formation pressure difference, and further, the average core recovery rate exceeds 90%. In addition, it has the characteristics of high temperature resistance, stick and jam prevention, and high coring efficiency and core recovery rate and shows excellent adaptability and high safety and reliability in solving problems in complex well sections, such as hole enlargement, hole contraction, and borehole collapse.
-
石油勘探开发过程中，对地层取心可以分析地层的物性、含油性、孔隙度及渗透率等参数[1]。取心的方式主要有钻井取心、火药取心和旋转井壁取心3种[2-3]。其中，钻井取心由于施工复杂，取心钻进速度慢，作业成本较高；火药取心所取得的岩心尺寸较小，不利于地层物性分析，仅在疏松地层使用效果较好，花岗岩等坚硬地层岩心收获率低；旋转井壁取心是通过空心钻头高速旋转钻入地层，获取岩心[4]，能够实现全井段取心，可在地面通过井下反馈的数据判断是否收获岩心，岩心收获率高，并且所取岩心形状大小规则，便于分析地层参数[5]。
目前，旋转井壁取心仪已在国内外得到了较好的应用[6-10]。2011年，贝克休斯公司推出首款大直径旋转井壁取心仪MaxCOR，其采用独立电机驱动减速机，减速机驱动取心钻头，钻头动力性强；钻头转速可独立调节，其在1 200 r/min内可无级调速；该取心仪有3种钻压可选择，但钻进速度不可控，地层适应性一般；其传动机构裸露在钻井液里易卡钻；该取心仪最高耐温175 ℃，耐温性能较差，因作业时不可放松电缆，不具备主动解卡功能，工程安全性能较低。斯伦贝谢公司在小直径常规取心仪MSCT的基础上，开发了大直径旋转井壁取心仪XL-Rock，其外径165.1 mm，适用于直径不小于215.9 mm的井眼。该仪器采用独立电机驱动液压泵，由液压泵驱动液压马达，液压马达带动取心钻头，钻头动力性一般；钻头转速不可调节，钻进速度、钻压不能独立控制，地层适应性一般；其钻头运行机构简单、防卡钻能力强；最高耐温177 ℃，对井况适应能力比较弱，作业时不可放松电缆，从在中国海上的应用使用情况来看，作业效果不理想。2016年，中国海油成功研制出模块式大直径旋转井壁取心仪MRCT，该仪器最高工作环境温度150 ℃，最大外径160.0 mm，适用井径177.8～483.0 mm的井眼，一趟下井可获得岩心60颗，收获岩心的直径38.0 mm、长度70.0 mm。与国外的取心仪相比，该取心仪钻头动力方式与XL-Rock相似，但动力更强；钻头转速在500～2 000 r/min范围内可无级调速，且可以独立调速；钻压可大范围独立调节，钻速可独立控制，地层适应性强；机构设计简单、防卡钻能力强；推靠力可控，可监视推靠是否稳定，作业时可放松电缆；同时，具有独立插入隔片、检测岩心长度和直接判断取心是否成功等功能。此外，中国石油研制了一种井壁取心仪，该取心仪最高工作环境温度175 ℃，最大外径116.0 mm，单次取心数量不超过60颗，收获岩心的直径38.0 mm、长度63.0 mm。这2款取心仪在现场作业效果良好，但随着钻井深度不断增加，井温也越来越高，高温环境会导致取心仪内部电子器件出现热失效[11-13]。因此，上述取心仪在使用过程中均不能满足超高温井的作业要求，亟需研制一款取心率高、适应复杂工况（易发生扩径、缩径、井壁垮塌等）井段、性能可靠、可在205 ℃高温环境下取心的取心仪。
根据以上技术现状和取心作业实际需求，研究设计了高温液压井壁旋转井壁取心仪（maximum rotary sidewall coring tool at high temperature，简称MRCT-HT），该取心仪延续中国海油MRCT的优点，通过应用一体式金属承压保温瓶技术、被动式储热管理系统和解卡技术，实现高温井取心作业和工程安全性。该取心仪总体性能稳定、可靠，在中国多口海上油井进行了应用，取得了很好的效果，解决了深水、高温、高压力差、大斜度井和潜山裂缝性地层等取心作业难题，填补了205 ℃高温取心技术空白，破解了高端取心技术“卡脖子”困境，有力支撑了我国海上高温油气田勘探开发。
1. 系统结构方案设计
MRCT-HT系统由地面系统和井下仪器2部分组成，其结构设计方案如图1所示。
地面系统由上位机控制软件、地面控制机箱、2.4 kW液压动力直流电源和10 kW取心动力直流电源等组成。地面系统与井下控制采集短节采用FSK通信方式进行半双工模式通信，接收并解调来自井下控制采集短节上传的数据，并将上位机控制软件下发的指令调制成FSK信号加载到测井电缆上，传输给井下控制采集短节。上位机控制软件采用人机交互模式，根据井下仪器上传的数据，实时监控取心过程中仪器的姿态和状态信息。
井下仪器部分包括张力短节、取心仪热管理系统、控制采集短节和机械液压节。机械液压节采用液压动力控制系统和取心动力控制系统双液压系统，在电磁阀有序控制下，液压系统可以完成仪器推靠臂的伸出和收回动作、推心杆的伸出和收回动作、隔片臂的打出和摆回动作、高低速切换动作、钻头位置动作、钻压选择和蓄能器蓄能等。取心液压系统负责驱动液压马达带动空心钻头高速旋转，钻取地层岩心。
MRCT-HT系统最高工作环境温度205 ℃，耐压140 MPa，最大外径130.0 mm，适用井径152.0～432.0 mm的井眼。所取岩心直径38.0 mm，长度70.0 mm，一次下井最多可取心60颗。
2. 功能模块设计
MRCT-HT系统的功能模块由3部分组成：第1部分为取心系统，包括地面系统、控制采集短节及机械液压节；第2部分为取心仪热管理系统；第3部分为解卡技术。
2.1 取心系统设计
2.1.1 地面系统
MRCT-HT地面系统主要由上位机控制软件、地面控制机箱和2台直流电源组成。上位机控制软件的主要功能是对取心过程进行控制和数据监测，主要包括井下作业时深度校对，通过井下仪器反馈的温度、压力、缆头电压、电流、电机转速、位移和仪器张力等信息，方便操作人员控制取心过程。
地面控制机箱由主控通信电路板、调压器、变压器、电源滤波板和开关电源等组成，如图2所示（图2中：220VAC指220 V交流电，12VDC指12 V直流电；其他同）。发电机提供380 V交流电源，通过分线板分别产生220和380 V交流电压，为整个系统供电，包括地面控制系统所需要的各路弱电电源、井下仪器所需要的430 V交流电源、液压动力电机和取心动力电机所需要的直流电源。地面主控通信板主要负责通信调制及解调，与上位机通过网线建立通信，电源滤波器主要是对交流电源进行滤波，调压器和变压器主要将滤波后的交流电压由220 V升至430 V，为井下仪器提供电源。开关电源主要提供±12 V和+5 V直流电源，为主控通信电路板供电。
液压动力电机电源将发电机的220 V交流电转换为0～600 V直流电，取心动力电机电源将发电机的380 V交流电转换为0～1 000 V直流电，分别为液压动力电机和取心动力电机提供直流电。
2.1.2 控制采集短节
井下控制采集短节是井下仪器的控制核心，与地面系统通过FSK通信方式进行半双工模式通信，接收并解调来自地面系统下发的指令，并上传仪器的参数信息和工作状态。其包括井下电源部分、井下通信板、井下主控板、伽马电路板、压力位移采集板、电磁阀控制板、液压动力电机控制驱动部分和取心动力电机控制驱动部分，如图3所示。
井下电源变压器先对430 V交流电进行降压处理，然后经过整流、滤波、稳压后，得到+48，+15，±12和+5 V的直流电。其中±12和+5 V直流电给井下通信板、主控板和压力位移采集板供电，+5和+15 V直流电给伽马电路板供电。阀控电源产生的+12，+28 V直流电和电源板的+5 V直流电给电磁阀控制板供电，其中电磁阀开启电压为+28 V，电磁阀维持开启状态的电压为+12 V，该供电模式可以降低电磁阀的功耗，减少内部发热量。
井下通信板主要将地面系统下发的指令进行解调，通过串口发送给井下主控板。主控板对数据进行调制，转换成FSK信号，并上传给地面系统。
井下主控板接收到通信板的指令后，通过下总线向电磁阀控制板发送指令，电磁阀控制板接收到命令后，对相应的电磁阀进行控制，从而控制仪器执行动作。主控板还负责采集井下仪器的工作状态信息，包括电磁阀状态、自然伽马、岩心数量、岩心长度、液压系统状态、机械装置状态、钻头和控制采集短节线路部分工作状态信息，并将这些信息打包上传给通信板。地面系统根据这些状态信息，对取心过程进行监控。
隔离电源产生1个+5 V和4个+17 V的直流电，给电机控制驱动板供电。隔离电源与井下电源独立，这样即使通信和主控电路出现问题，液压动力电机依然可以正常启动，作业过程中可使取心仪已做出的动作（如推靠臂伸出、钻进和推心等）快速复位，大大降低取心作业风险。
电机控制驱动板分别控制液压动力电机和取心电机，并采集电机的工作状态信息，如电机电压、电机电流、钻速和电机正反转状态等信息，将该信息通过下总线发给井下主控板，并对电机进行过流、过压保护。
2.1.3 机械液压节控制
井下机械液压节包括液压动力控制系统和取心动力控制系统2部分，如图4所示。
液压动力控制系统主要由液压动力电机、液压动力泵、蓄能器、功能模块电磁阀组和功能模块液压缸组成。进行取心作业时，首先在目标取心井段上提取心仪测量伽马曲线，与电测自然伽马曲线进行校深[14]，经过校深后取心钻头处于目标深度点，分别给地面控制机箱、液压动力直流电源和取心动力直流电源供电。地面控制系统给井下控制采集短节提供430 V交流电，建立通信后，液压动力直流电源给液压动力电机提供250 V左右的直流电，电机带动泵产生20.7 MPa（3 000 psi）的液压动力。取心动力直流电源给取心动力电机提供460 V左右的直流电，取心电机转速达2 800 r/min，带动液压泵驱使液压马达旋转，带动取心钻头旋转。地面系统通过控制机箱下发打开推靠臂的指令后，推靠电磁阀组控制液流推动推靠液压缸，带动推靠臂张开，将取心仪紧贴在井壁上；然后下发钻进指令，钻头位置电磁阀组控制液流推动液压缸活塞带动钻头、旋转板、固定板和位于钻头两侧的菱形滑块与钻头导向板相互配合，使金刚石空心钻头垂直钻入地层。取心过程中，可以通过调节调速电磁阀组和钻压调速电磁阀组来调节钻头钻进力；同时，可在地面通过调节10 kW取心动力电源实时调节钻头转速，通过上述2种手段可使取心仪适应不同的地层作业需求。钻头进入折心位置后，关闭取心动力电源使取心电机停止转动，下发折心指令，查看钻头位置位移，到达折完岩心数值后，下发钻退指令，钻头位置液压缸带动钻头恢复到初始状态，使钻头与储心筒在同一轴线上。下发推心指令，推心电磁阀组控制液流推动推心缸，带动推心杆伸出，岩心进入储心筒时，岩心触发岩心开关[15]，产生一个方波信号，通过记录方波信号上升沿和下降沿时刻对应的推心杆位移，计算出岩心长度。收回推心杆，插入隔片，使不同深度的岩心更容易区分和识别。最后收回推靠臂，完成整个取心动作（作业流程如图5所示）。待电缆张力稳定后，进行下一次取心。
2.2 取心仪热管理系统设计
控制采集短节内部电子器件是整个系统耐温能力最差的部分，电子器件的耐温能力决定了整个取心仪的工作环境温度。目前，常用电子器件的耐温不超过150 ℃，取心仪的取心作业时长为4～20 h[16]。一旦环境温度超过175 ℃，高温环境的漏热及器件自身的发热会使器件在短时间超过其最高耐温，无法满足测井需求，因此需要对控制短节电路采用热管理措施[17]。MRCT-HT系统设计采用一体式金属承压保温瓶及被动式热管理系统对控制短节电路进行热保护，从而使其满足高温长时间测井需求。
2.2.1 一体式金属承压保温瓶
测井仪的电路通常采用金属承压瓶来承受外部压力，但金属具有较好的导热能力，高温环境会源源不断向内部传递热量，从而使器件温度超温。传统的保温瓶只能起到隔热效果，不能承受较高的压力。基于以上特性，将金属承压瓶与保温瓶进行有机结合，可得到一体式金属承压保温瓶（以下简称一体式保温瓶，结构如图6所示），其不仅具有耐高压及良好的绝热性能，还有利于增大保温瓶的内部空间[18]。一体式保温瓶主要包括保温瓶大开口、具有真空层的中间部分和保温瓶小开口等3个部分。保温瓶大开口、小开口的作用是与其他短节进行机械连接。真空层可以起到绝热作用，但只能隔绝保温瓶的径向漏热，无法隔绝端部漏热。
对于一体式保温瓶真空层而言，热量的传递主要由气体的热传导及热辐射组成。为了简化计算，忽略不同传热之间的耦合效应，总的等效导热系数为传导及辐射导热系数的代数和[19]。
keff=kg+kr (1) 式中：
keff 为真空层等效导热系数，W/（m·K）；kr 为辐射导热系数，W/（m·K）；kg 为气体导热系数，W/（m·K）。其中，
kg 的计算公式为[20]：kg=k01+2βKBT√2πd2gpgδ (2) 式中：
k0 为常温时自由静态空气的气体导热系数，为0.024 2 W/（m·K）；β 为常数，取1.5；KB 为波尔兹曼常数，等于1.38×10−23 J/K；T为温度，K；dg 为气体分子的直径，对于空气dg = 3.72×10−10 m；pg 为保温瓶真空层压力，Pa；δ 为真空层厚度，m。式（2）适用于计算真空层中气体导热系数，其中影响气体导热系数的因素主要为真空层压力和真空层厚度，真空层压力和厚度越小，气体导热系数越低。
kr 的计算公式为[21]：kr=16n2σT3rlr3 (3) 其中T3r=(Tw+Tin)(T2w+T2in)4 (4) 式中：n为折射率；σ为黑体辐射常数，等于5.67×10−8 W/（m2·K4）；Tr为有效辐射温度，K；lr为光子的平均自由程，m；Tw 为环境温度，K；Tin 为保温瓶内壁温度，K。
式（3）适用于计算真空层中气体辐射导热系数，辐射导热系数的主要影响因素包括环境温度与保温瓶内壁温度。
以上是一体式保温瓶的理论设计过程，但理论设计必须与现有加工水平、骨架尺寸结合才能满足工程应用要求。综合考虑加工制造的可行性，确定一体式保温瓶的参数为：材料为17-4不锈钢，外径120.0 mm，内径85.0 mm，真空层厚度3.25 mm。
2.2.2 被动式热管理系统
MRCT-HT系统的控制采集短节包含多个电路板，设计时可将其等效为位置和功率与实际电路一致的体热源。该系统控制采集电路热源的功耗为：电机驱动板功耗为20.0 W（三面），GR板功耗为2.0 W，通信板功耗为1.5 W，电机控制板功耗为4.2 W（两面）， 主控电路板功耗为1.5 W，压力位移板功耗为2.0 W，阀控板功耗为3.0 W，Power板功耗为1.0 W，其他热源和总热源的功耗分别13.8和49.0 W。控制采集短节热管理系统的设计目标是保证在环境温度205 ℃下工作20 h，其电路最高温度不能超过150 ℃，同时尽可能提升控制采集短节的均温性能。
为了满足上述控温要求，根据MRCT-HT控制采集短节内电路板功耗及分布位置，设计了被动式热管理系统。图7所示为热管理系统中热源及储热模块布置，其包含隔热技术、储热技术及导热技术[22-23]。隔热技术是采用一体式保温瓶隔绝高温环境径向漏热，由于一体式保温瓶存在大小开口，采用隔热塞减少轴向环境漏热，隔热塞由PEEK外壳及纳米气凝胶内核构成；储热技术是在控制采集短节骨架上按照电路板功率及位置布置4个储热模块及1个内埋储热模块，储热模块内含相变材料，可以就近存储电路板产生的热量，缩短传热路径长度，从而降低电路板至储热模块的传热热阻，提升控制采集短节整体的均温性；导热技术是在采用高导热骨架强化传热的同时，应用导热硅胶垫和导热硅脂降低热源与骨架之间及骨架与骨架之间的传热热阻。上述热管理技术能够显著提升控制采集短节电路的均温性，避免局部热点，满足取心需求。
![]()
图 7 热管理系统中热源及储热模块布置Figure 7. Heat source and heat storage module arrangement in thermal management system2.3 解卡技术
井况复杂井段（如地层压差大、渗透性好）易对仪器或者电缆产生吸附粘卡；取心作业时，也有可能发生钻头卡在地层中的情况。为了避免上述情况发生，减少取心作业时的工程事故，MRCT-HT系统设计了被动解卡和主动解卡2种方式[24]。
被动解卡方式是在钻头滑块处和空心钻头加长杆处设计薄弱环节，如图8所示。当钻头遇卡后，取心仪不能凭借自身功能将钻头收回时，可通过强行上拉电缆使钻头在薄弱处拉断，达到解卡的目的。
主动解卡方式是设计一个与钻头同方面的反推靠臂，当取心仪粘卡或者钻头遇卡后，取心仪先将推靠臂收回，然后控制反推靠活塞，此时确保反推靠油缸工作压力可以给支撑臂足够的推力，在不受电缆张力的情况下，将取心仪推离井壁，达到解卡的目的，如图9所示。
反推靠的推力可通过下式进行计算：
FN=mgsinα (5) 取心仪质量m=725 kg，g为重力加速度（约等于10 m/s2），计算得最大推力
FN =7 250 N，反推靠活塞直径d=32.0 mm。由式（6）可以推算出液压油作用于反推靠缸的压强：p=FNS=4FNπd2 (6) 由式（5）、式（6）可得p = 9.02 MPa，此时活塞缸最大只需输出9.02 MPa的压强即可使取心仪离开井壁，有效避免钻头卡在地层中或者井壁对取心仪的吸附。
3. 热仿真结果
MRCT-HT控制采集短节在温度205 ℃环境下工作20 h后，一体式保温瓶内部仿真温度场的变化情况如图10所示，图中包含0，3，6，9，12，15，18和20 h共 9个时间点的骨架表面温度云图。
![]()
图 10 MRCT-HT电路热仿真温度云图Figure 10. Temperature cloud diagram of thermal simulation of MRCT-HT circuit从图10可以看出，由于受外界环境温度影响，温度最高点出现在隔热塞2和隔热塞1处。取心仪中部温度场均匀，相比端部温度明显偏低，工作20 h后温度仅为120 ℃左右，环境温度对中部骨架影响小，说明隔热塞和一体式保温瓶隔热作用良好。在发热功率和环境漏热的共同作用下，骨架上温度最高点出现在电机驱动板上，其温度为138.92 ℃，说明井壁取心仪热管理系统具有良好的控温效果。骨架中温度最低的部分是储热模块，它们充当吸热体，作为整体骨架的冷源吸收来自环境漏热及电路板发热。
骨架中部分电路的温度升高情况如图11所示。从各电路温度升高情况看，电机驱动和电机控制电路温度升高曲线中均出现2个明显的拐点，其他电路温度升高曲线有一定转折，但不明显。出现这一情况的原因在于，电机驱动和电机控制电路发热功率大，两端布置的储热模块和内埋储热模块体积大，吸热能力强。当储热模块内部相变材料未发生相变时，电路产生的热量由骨架及储热模块以显热形式进行存储；当储热模块内部的相变材料温度达到熔点时，相变材料的温度保持恒定，通过其较大的相变潜热吸收电机驱动和电机控制电路产生的热量，吸热速率提高，因此出现第一个明显的拐点。当储热模块内的相变材料完成相变后，电路产生的热量又以显热形式被骨架及储热模块吸收，因此出现第二个明显的拐点。值得注意的是，2个明显拐点区间内存在一个较不明显的拐点，其对应着内埋储热模块内部相变材料完成相变。其他发热功率较小电路产生的热量主要由骨架显热储热，同时储热模块的存在也抑制了电路温度的升高，但不明显，因此在其温度升高过程中无明显的拐点。拐点的出现进一步说明了储热模块对大功率电路控温效果良好。从整体效果看，电路板整体温度升高幅度都在使用要求范围内。
4. 地面测试及现场应用
4.1 地面测试
MRCT-HT自2021年研制成功后，在室内使用长电缆进行了模拟取心测试。模拟地层岩石选用灰岩、砂岩和花岗岩等3种岩石，将地层岩石放入取心支架中并固定好，使用水泵抽水模拟钻井液给取心钻头降温。给井下控制采集短节通电，地面控制机箱液晶屏显示缆头交流电压为430 V。启动液压动力电机，液晶屏显示该电机缆头直流电压250 V，系统压力达到20.7 MPa。下达开推靠指令，打开推靠臂，等推靠缸位移达到380.0 mm、推靠压力达到20.7 MPa后，启动取心动力电机，液晶屏显示该电机缆头直流电压460 V，电机转速达到2 800 r/min。下发低压、低速和钻进3组指令进行钻进，钻进压力为1.4 MPa。在钻取岩心过程中，观察取心动力电机电源的电流以及钻进压力变化。当钻进缸位移达到428.0 mm时，下发钻停指令，取心动力电机断电，钻头停止旋转。下发高压、高速和钻进3组指令进行折心，当位移达到450.0 mm后，下发钻退指令，钻头收回到初始位置。下发推心指令，推心缸位移开始逐渐增加，当其位移为480.0 mm、推心压力为20.7 MPa时，推心过程结束，此时地面控制机箱液晶屏显示岩心数量和岩心长度分别发生变化。下发收回推心杆指令，收回推心杆后，下发插入隔片指令；当隔片压力达到20.7 MPa时，下发收回隔片指令；当隔片压力为0 MPa时，下发收回推靠臂指令；当推靠缸位移恢复到初始值、系统压力恢复到20.7 MPa左右时，整个模拟测试结束。通过地面测试，该仪器整个模拟取心用时3～5 min，取心效率高，达到了预期目标。
4.2 现场应用
MRCT-HT已在多口海上油井进行了现场应用，截至目前已成功作业8井次，具体应用情况见表1。
表 1 2MRCT-HT作业统计Table 1. Operation statistics of 2MRCT-HT井号 深度/m 井温/℃ 钻井液相对密度 取心数 岩心收获率，% 计划 实际 YC23-1-1 4 437 174 2.25 16 14 87 BD21-1-3d 5 115 160 1.42 43 43 100 DF13-3-1 2 916 134 2.04 47 43 91 WC8-3N-2d 3 850 132 1.37 33 33 100 WC16-2-2 4 612 160 1.36 50 47 94 HZ21-8-2 4 786 176 1.62 50 50 100 PY25-2-3 5 026 162 1.73 18 18 100 BD29-1-2D 5 055 189 1.63 82（2次） 82（2次） 100 岩心收获率基本都在90%以上，作业效果良好。特别在高温井、钻井液相对密度大、井眼扩径或缩径和井壁垮塌等井况下作业时，取心仪的耐温性能和可靠性得到了充分验证。如在南海BD29-1-2D井进行取心作业时，井深达到5 055 m，作业水深超过1 550 m，裸眼段长1 300 m，且为ϕ241.3 mm非标准井眼，井下环境温度189 ℃，取心作业难度很大，设计取心82颗。MRCT-HT入井2次，最终收获82颗岩心，所取岩心结构完整，顺利完成取心任务。对比国内常规取心仪，正常工作温度提高了39 ℃；对比国外同类取心仪，正常工作温度提高了12 ℃，且在取心过程中可放松电缆、防止平台浮动拉动钻头、卡钻，具有较高的耐温性和工程安全性。
5. 结论与建议
1）针对深层高温环境下探井获取地层岩心困难的问题，研制了最高工作温度达205 ℃、具有高可靠性能的液压旋转井壁取心仪MRCT-HT。该取心仪在传统的液压旋转井壁取心仪基础上，采用热管理技术达到耐温指标，采用解卡技术解决钻头卡钻问题，有效提升了取心效率和可靠性。
2）MRCT-HT已在多口海上油井完成取心任务，耐温性能和可靠性得到了充分验证。该取心仪填补了205 ℃高温取心技术空白，解决了深水、高温、高压差、大斜度井、潜山裂缝性地层等取心作业难题，破解了高端取心技术“卡脖子”困境，有力支撑了我国海上高温油气田的勘探开发。
3）MRCT-HT采用的热管理技术及解卡技术能够提高取心仪的耐温性和安全性能，可推广至其他型号取心井仪；建议后续开展取心仪自动取心研究，降低对操作人员经验的依赖，从而提高取心效率和成功率。
-
![]()
图 7 热管理系统中热源及储热模块布置
Figure 7. Heat source and heat storage module arrangement in thermal management system
![]()
图 10 MRCT-HT电路热仿真温度云图
Figure 10. Temperature cloud diagram of thermal simulation of MRCT-HT circuit
表 1 2MRCT-HT作业统计
Table 1 Operation statistics of 2MRCT-HT
井号 深度/m 井温/℃ 钻井液相对密度 取心数 岩心收获率，% 计划 实际 YC23-1-1 4 437 174 2.25 16 14 87 BD21-1-3d 5 115 160 1.42 43 43 100 DF13-3-1 2 916 134 2.04 47 43 91 WC8-3N-2d 3 850 132 1.37 33 33 100 WC16-2-2 4 612 160 1.36 50 47 94 HZ21-8-2 4 786 176 1.62 50 50 100 PY25-2-3 5 026 162 1.73 18 18 100 BD29-1-2D 5 055 189 1.63 82（2次） 82（2次） 100 
下载: 导出CSV
-
[1] 信召玲,苏鹤成,张国强,等. 旋转井壁取心作业难点及解决方案[J]. 中国石油和化工标准与质量,2019,39(21):111–112. XIN Zhaoling, SU Hecheng, ZHANG Guoqiang, et al. Difficulties and solutions of rotary sidewall coring operation[J]. China Petroleum and Chemical Standard and Quality, 2019, 39(21): 111–112.
[2] 王莹,杨帆,陆敬武,等. 直驱式旋转井壁取心仪器电路设计[J]. 石油管材与仪器,2017,3(5):9–11. WANG Ying, YANG Fan, LU Jingwu, et al. Circuit design for direct-drive extended rotary sidewall coring tools[J]. Petroleum Tubular Goods & Instruments, 2017, 3(5): 9–11.
[3] 王晋. 旋转式井壁取心地面系统设计与实现[D]. 长春: 吉林大学, 2019. WANG Jin. Design and implementation of surface system for rotary sidewall coring[D]. Changchun: Jilin University, 2019.
[4] 郝桂青,庞希顺,欧阳剑. 增强型旋转式井壁取芯器技术及应用[J]. 石油仪器,2011,25(5):22–24. HAO Guiqing, PANG Xishun, OUYANG Jian. Enhanced rotary sidewall core technology and its application[J]. Petroleum Instruments, 2011, 25(5): 22–24.
[5] 苏鹤成,苑仁国. 有效提高旋转井壁取心收获率的工艺探讨[J]. 化工管理,2014(33):187. SU Hecheng, YUAN Renguo. Discussion on the technology of effectively improving the rotary sidewall coring tool[J]. Chemical Enterprise Management, 2014(33): 187.
[6] 杨兴琴,余迎. 国外3种大直径旋转井壁取心器性能对比[J]. 测井技术,2012,36(6):610. YANG Xingqin, YU Ying. Performance comparison of three foreign large diameter rotary sidewall coring tools[J]. Well Logging Technology, 2012, 36(6): 610.
[7] 牛延吉,刘先平,嵇成高,等. 大直径旋转井壁取心仪研制与应用[J]. 测井技术,2018,42(2):235–237. NIU Yanji, LIU Xianping, JI Chenggao, et al. Development and application of the large diameter rotary sidewall coring tool[J]. Well Logging Technology, 2018, 42(2): 235–237.
[8] 陆敬武,曹扬,杨帆,等. 新型旋转井壁取心仪在大庆油田的应用[J]. 测井技术,2016,40(6):761–764. LU Jingwu, CAO Yang, YANG Fan, et al. Application of enhanced rotary sidewall coring logging tool in Daqing Oilfield[J]. Well Logging Technology, 2016, 40(6): 761–764.
[9] 邓强,谭忠健,尚锁贵,等. 新型旋转井壁取心工具在渤海油田的应用[J]. 石油天然气学报,2012,34(1):157–160. DENG Qiang, TAN Zhongjian, SHANG Suogui, et al. The application of a new rotary wall coring tool in Bohai Oilfield[J]. Journal of Oil and Gas Technology, 2012, 34(1): 157–160.
[10] 常毓强. 大直径旋转井壁取心测井技术及临兴气田应用[J]. 当代化工研究,2022(8):115–117. CHANG Yuqiang. Large-diameter rotating borehole core logging technology and its application in Linxing Gas Field[J]. Modern Chemical Research, 2022(8): 115–117.
[11] 刘辉,马辉运,曾立新,等. 高温高压井下工具试验系统的研制与应用[J]. 石油机械,2019,47(12):100–105. LIU Hui, MA Huiyun, ZENG Lixin, et al. High temperature and high pressure downhole tool test system[J]. China Petroleum Machinery, 2019, 47(12): 100–105.
[12] 罗鸣,冯永存,桂云,等. 高温高压钻井关键技术发展现状及展望[J]. 石油科学通报,2021,6(2):228–244. doi: 10.3969/j.issn.2096-1693.2021.02.018 LUO Ming, FENG Yongcun, GUI Yun, et al. Development status and prospect of key technologies for high temperature and high pressure drilling[J]. Petroleum Science Bulletin, 2021, 6(2): 228–244. doi: 10.3969/j.issn.2096-1693.2021.02.018
[13] 王喜辉,张忠强. 超高温高压井取心技术在LD13井的应用[J]. 海洋石油,2022,42(4):91–94. WANG Xihui, ZHANG Zhongqiang. Application of coring technology in ultra high temperature and high pressure well in Well LD13[J]. Offshore Oil, 2022, 42(4): 91–94.
[14] 王健. FCT-2旋转式井壁取心收获率影响因素浅析[J]. 石油管材与仪器,2020,6(1):94–97. WANG Jian. Influencing factors analysis on FCT-2 rotary sidewall coring recovery rate[J]. Petroleum Tubular Goods & Instruments, 2020, 6(1): 94–97.
[15] 刘铁民,冯永仁,田志宾. 一种新型的岩心检测原理分析研究及应用[J]. 石油化工应用,2021,40(6):67–71. LIU Tiemin, FENG Yongren, TIAN Zhibin. Analysis and application of a new core detection principle[J]. Petrochemical Industry Application, 2021, 40(6): 67–71.
[16] 魏赞庆,彭嘉乐,田志宾,等. 旋转井壁取心仪热管理系统设计及应用[J]. 测井技术,2022,46(3):251–256. WEI Zanqing, PENG Jiale, TIAN Zhibin, et al. Design and application of thermal management system for rotary sidewall coring tool[J]. Well Logging Technology, 2022, 46(3): 251–256.
[17] 魏赞庆,彭嘉乐,蓝威,等. 高温井下低熔点合金储热模块封装及试验[J]. 石油机械,2022,50(11):9–15. WEI Zanqing, PENG Jiale, LAN Wei, et al. Package and test of low-melting alloy heat storage module in high-temperature wellbore[J]. China Petroleum Machinery, 2022, 50(11): 9–15.
[18] PENG Jiale, WANG Yujun, DING Siqi, et al. Rapid detection of the vacuum failure of logging tools based on the variation in equivalent thermal conductivity[J]. International Journal of Thermal Sciences, 2023, 188: 108245. doi: 10.1016/j.ijthermalsci.2023.108245
[19] DI Xiaobo, GAO Yimin, BAO Chonggao, et al. Thermal insulation property and service life of vacuum insulation panels with glass fiber chopped strand as core materials[J]. Energy and Buildings, 2014, 73: 176–183. doi: 10.1016/j.enbuild.2014.01.010
[20] BAETENS R, JELLE B P, THUE J V, et al. Vacuum insulation panels for building applications: A review and beyond[J]. Energy and Buildings, 2010, 42(2): 147–172. doi: 10.1016/j.enbuild.2009.09.005
[21] BOUQUEREL M, DUFORESTEL T, BAILLIS D, et al. Heat transfer modeling in vacuum insulation panels containing nanoporous silicas: A review[J]. Energy and Buildings, 2012, 54: 320–336. doi: 10.1016/j.enbuild.2012.07.034
[22] PENG Jiale, LAN Wei, WEI Fulong, et al. A numerical model coupling multiple heat transfer modes to develop a passive thermal management system for logging tool[J]. Applied Thermal Engineering, 2023, 223: 120011. doi: 10.1016/j.applthermaleng.2023.120011
[23] LAN Wei, ZHANG Jiawei, PENG Jiale, et al. Distributed thermal management system for downhole electronics at high tempera-ture[J]. Applied Thermal Engineering, 2020, 180: 115853. doi: 10.1016/j.applthermaleng.2020.115853
[24] 王新杰. 旋转式井壁取芯器的设计与机构运动仿真研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2006. WANG Xinjie. Study on the design and kinematic simulation of the rotary sidewall coring tool[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2006.
计量
- 文章访问数: 241
- HTML全文浏览量: 158
- PDF下载量: 74
