CN2246710Y - 钻进式井壁取心器 - Google Patents

Abstract

一种钻进式井壁取心器，属于石油测井仪器。由下井部分(1)和地面设备(2)两大部分组成，下井部分(1)由机械节、电子节(4)和马笼头(5)组成，地面设备(2)由控制台(7)、升压电源(8)、配电盘(9)、集流环(10)等组成，该取心器采用双推靠结构，使仪器在取心时牢固地贴在井壁上；给电机(18)的供电方式采用双相供电，不需要移相电容，提高了系统的可靠性；液压马达(21)外壳上的凸身为可拆卸式，内部为叶片式结构，并用支撑环(38)使叶片(40)紧贴定子(39)内表面，满足了工作需要。

Description

钻进式井壁取心器

本实用新型涉及一种井壁取心设备，尤其是一种钻进式井壁取心器。

取心器是用于石油天然气的勘探与开发的一种设备，它通过对井下岩层的取样，为分析井下岩层的岩性、渗透率、孔隙度等指标提供试样。目前，油田常用的取心工具是爆炸冲击式井壁取心器，其具体技术见《钻井地质》第三章第二节(石油工业出版社，1979年版，胜利油田钻井指挥部《钻井地质)》编写组编)，这种取心器上一般有36个孔，每一孔内装一个取心筒，孔底装有炸药，通过电缆接到地面仪器车上，以便在地面控制取心深度和点火、发射。点火后，炸药将取心筒强行打入井壁，取心筒被钢丝绳连接在取心器上，上提取心器即可将岩心从地层中取出。这种取心器虽有结构简单、重量轻等特点，但取出的岩心颗粒小，岩石的结构在冲击作用下受到破坏，无法用于孔隙度及渗透率等岩石特性的测量，而且用这种方法在硬地层中取心收获率很低，因此这种取心器在很大程度上不能满足地质分析的需要。

1984年美国GEARHART公司推出了一种新型的旋转式井壁取心器，它不是靠炸药的爆炸将取心筒打入地层获得岩心样品，而是用金刚石空心钻头垂直井壁钻入地层折取岩心。它的特点是对硬地层效果好，收获率高，取出的岩心颗粒大，形状呈规则的圆柱形，能保持地层的原始状态，可直接用于孔隙度和渗透率的测量，满足了地质分析的需要。关于美国制造的旋转式井壁取心器的介绍见《测井技术》1992年第16卷第5期。这种取心器的不足之处在于，它的电机的移相电容过载能力差，容易烧坏；钻取岩心时，仪器本身有时发生位移，造成马达、钻头无法从岩层中退出，损坏马达和钻头。

本实用新型的目的是要提供一种能大大提高仪器的可靠性，保护马达和钻头不受损坏的新型钻进式井壁取心器。

本实用新型的目的可以通过以下措施来实现：

本实用新型所述的钻进式井壁取心器，由下井部分和地面设备两大部分组成。下井部分由机械节、电子节和马笼头组成，机械节包括机械装置、液压短节和平衡装置。液压短节内有一台电机带动两个液压泵形成两个分系统，一个分系统由液压泵、液压马达和电磁阀等组成，另一个分系统由液压泵、液压缸、蓄能器和控制阀等组成。该取心器采用两个推靠，一个推靠安装在机械装置内，另一个推靠安装在液压短节上，紧靠平衡装置，双推靠结构使仪器在取心时能牢固地贴在井壁上；给电机的供电方式采用双相供电，即从地面将双相电通过长电缆输送给电机，不需要移相电容，提高了系统的可靠性；液压马达中的叶片由叶片支撑环支撑，使叶片始终紧贴定子内表面，满足了液压马达的工作需要。地面设备由控制台、升压电源、配电盘、集流环等组成。

液压马达(21)的前壳(42)上有菱形滑块(43)和半圆形滑块(44)，这两种滑块都有凸台镶嵌在液压马达前壳(42)的凹槽内，菱形滑块(43)通过高强度螺钉(46)与液压马达前壳(42)固定，半圆形滑块(44)通过带内六角孔的螺钉(47)与液压马达前壳(42)固定，当钻头卡在井壁内时可以实现安全自救。

本实用新型的优点在于：仪器的可靠性和取心的成功率高，马达和钻头不易受损。

下面结合附图详细介绍本实用新型。

图1是本实用新型钻进式井壁取心器的组成示意图；

图2是本实用新型钻进式井壁取心器的液压原理图；

图3是本实用新型的双推靠结构示意图；

图4是液压马达21剖视图；

图5是双相供电示意图；

图6是液压马达中的叶片支撑环38正视图；

图7是液压马达中的叶片支撑环38侧面剖视图；

图8是液压马达中的叶片40正视图；

图9是液压马达中的叶片40侧视图；

图10是液压马达中的定子39正视图；

图11和图12是液压马达菱形滑块43和半圆形滑块44工作原理示意图。

如图1所示，本钻进式井壁取心器由下井部分1和地面设备2两大部分组成。下井部分1由机械节、电子节4和马笼头5组成，机械节包括机械装置16、液压短节15和平衡装置17；地面设备2由控制台7、升压电源8、配电盘9、集流环10等组成。

液压短节15内有一台电机18带动两个液压泵19、20形成两个分系统，一个称作大泵系统，一个称作小泵系统。大泵系统主要由大泵19、液压马达21、电磁换向阀22组成，其功能是带动装在液压马达21上的取心钻头23高速旋转，钻取岩心；小泵系统主要由小泵20、钻头控制油缸24、推靠油缸25、26、推心油缸27、蓄能器28、控制阀29、30组成，推靠油缸25、26操纵推靠臂31、32张开与收回，钻头控制油缸24用于控制钻头23的“进”与“退”和折心动作，推心油缸27用来把取出的岩心推入贮心筒33。

机械装置16在液压缸24、25、26、27的带动下完成取心的动作，接收取出的岩心，存在贮心筒33内。

电子节4包括自然伽玛测量装置和井下微机测控通讯系统两部分。自然伽玛测量装置用来跟踪自然伽玛测井曲线，以确定取心位置。井下微机测控通讯系统用于井下各种信号(如自然伽玛、压力差、位移等)的采集、处理。经载波通讯向井上控制台发送，同时接收、处理井上控制台发来的取心操作信号，通过电磁阀换向控制取心动作。

马笼头5是测井电缆与井下取心器之间的快速机电连接器。

控制台由微机测控通讯装置和配电控制两部分组成。微机测控通讯装置可以接收处理井下传来的各种信号，把自然伽玛、压力差、位移等各种参数以数码的形式显示在面板上，并设有数字量和模拟量两种输出接口，把按键和开关控制信号发送到井下取心器，实现取心过程的控制。配电控制部分主要用来控制井下取心器电机的启动和停止，调节电机的供电电压，面板上的电压表和电流表分别显示供给电机的电压和电流。

升压电源8主要由升压变压器组成，用来把井场电源或自带发电装置的供电电压提高，变三相为二相，经控制台供给井下电机。

取心器的具体取心操作如下：首先将取心器放入井中，通过跟踪测井曲线找准取心层位，启动电机18，大泵19和小泵20同时被驱动。由于大泵系统的电磁换向阀22处于开启状态，并未建立起工作压力，液压马达21不旋转。小泵系统很快可以建立起工作压力，这时由控制台7发出信号，控制推靠油缸25、26和推心油缸27的电磁换向阀29换向，推靠油缸25、26的活塞杆34、48推出，使推靠臂31、32张开，井下仪器则稳固地靠在井壁上，同时推心油缸27的活塞杆35从钻头23中收回到推心油缸，这时由控制台7发出信号，控制液压马达21的电磁换向阀22换向，关闭了旁路油口，大泵系统压力升高，驱动液压马达转动，这时控制台7再发出信号，使钻头控制油缸24的电磁换向阀30换向，钻头控制油缸24的活塞杆36收回，带动一组导板37使液压马达21和钻头23一起按设计的轨迹改变姿态对正井壁，并钻入岩层。当钻进到预定位置，控制台7发出信号，使钻头23停转，尾部上翘，折断岩心，折下的岩心留在钻头23内，这时控制台7发出信号，钻头控制油缸24的活塞杆36推出，带动导板37向反方向运动，液压马达21连同钻头23及钻头内的岩心一起沿原钻进时的轨迹退回机械节内，然后控制台7发出信号，张开的推靠臂31、32收回，推心油缸27的活塞杆35推出，把钻头23中的岩心推入贮心筒33，一次取心全过程结束。

在以上取心过程中，使井下仪器稳固地靠在井壁上是非常重要的。现有的美国取心器，只有一个推靠臂，安装在机械装置内，这样，如果是在软地层取心，推靠臂顶在松软的井壁上，不能产生足够大的反作用力，加上取心器在取心过程中产生的振动，很可能使下井仪器1相对井壁产生垂直或水平的位移，使钻进井壁的钻头被卡住，无法退出。本实用新型的取心器，采用双推靠结构，如图3所示，一个推靠31安装在机械装置16内，另一个推靠32安装在液压短节15上，紧靠平衡装置17，井下岩层的岩性变化很大，如果推靠31顶在软地层上，那么推靠32也许就顶在硬地层上，反之亦然，即使推靠31、32都顶在软地层上，两个推靠产生的反作用力也比只有一个推靠时大，这样就使取心器更稳固靠在井壁上，大大提高了取心的成功率。

作为取心器的动力源，给取心器电机18的供电系统是十分重要的。现有的美国取心器，采用单相供电，其中必不可少的移相电容在高温条件下工作，电压比较高，电容过载能力较差，容易烧坏。本实用新型的取心器采用双相供电系统，如图4所示，去掉了移相电容，节省了电子节4内的宝贵空间，提高了系统的可靠性，同时也使电机的性能，如启动力矩和效率均有提高。

液压马达21作为取心器的关键部件，其设计除了要满足转矩、转速等要求外，体积要尽可能小，才有可能安装在机械装置16窄小的空间内，并由一组导板37带动其进退，因此设计上采用体积小的叶片马达。为了在启动和工作时保证叶片压向定子的工作表面，一般液压马达在叶片的根部上安装弹簧，使叶片始终贴紧定子。但在马达体积很小时，叶片和转子上的叶片槽都很小，无法在每个叶片根部安装弹簧，本实用新型采用叶片支撑环38解决了这个问题，如图5、图6、图7、图8、图9、图10所示，定子39内表面是圆柱形，在液压马达21工作时，叶片支撑环38嵌入叶片40的槽中，由于支撑环38的外径与叶片40上的槽到定子内表面距离的两倍之和大于定子内表面的直径，使叶片支撑环38安装上后，产生少量向中心的压缩，叶片支撑环38的压缩反力则使叶片40顶紧定子39内表面，满足了液压马达21的工作需要。

液压马达21的空心转轴41上装有筒式金刚石钻头23，它的前壳42两侧装有一对菱形滑块43和一对半圆形滑块44，安放在左、右导轨45的槽内，一对菱形滑块43在左、右控制导轨37的控制推动下，液压马达21按左、右导轨37、45槽的轨迹作钻进、折心、钻退等取心动作。在钻取硬岩心的整个过程中，菱形滑块43与液压马达承受很大的剪切力，因此菱形滑块43与液压马达前壳42要牢固地连接，不能松动，更不能断裂，若取心器在取心时遇到意外或出现故障时，会造成液压马达空心轴41上的筒式金刚石钻头23钻入到岩层中被卡住退不出，则必须把菱形滑块43和半圆形滑块44从液压马达21的前壳42上剪断，使液压马达21上的筒式金刚石钻头23以固定菱形滑块43的螺钉46为轴心由水平向下转动到一定角度，以便把水平卡在岩层中的筒式金刚石钻头23拉离岩层，保证整支井下仪器1拉出井口。菱形滑块43是用强度较高且脆性的材料制造，靠它的凸台镶嵌在液压马达前壳42的凹槽内，且有高强度的螺钉46进行定位固定。半圆形滑块44也用强度较高且脆性的材料制造，也靠它的凸台镶嵌在液压马达前壳42的凹槽内，且有带内六角孔的有一定强度的脆性材料制造的螺钉47进行定位固定。当取心器的液压马达轴41上的筒式金刚石钻头23卡在岩层中退不出时，如图11所示，取心器上的铠装电缆用力拉到一定值P时，如图12所示，半圆形滑块44和菱形滑块43上的凸台和内六角孔螺钉47被剪断，固定菱形滑块43的螺钉46因强度高，不会被剪断，还把菱形滑块43连在液压马达前壳42上，由于防止转动的凸台已剪断，而且钻取岩心时钻出的孔径大于液压马达空心轴41的轴径，因此液压马达21以固定菱形滑块的螺钉46为轴心可转到一定角度，所以取心器上拉时在液压马达空心轴41A处产生一个拉离岩层的水平分力P_H，可使筒式金刚石钻头23拉离钻出的孔，保证取心器安全拉出井口。

Claims (1)

1. 一种钻进式井壁取心器，由下井部分(1)和地面设备(2)两大部分组成，下井部分(1)由机械节、电子节(4)和马笼头(5)组成，机械节包括机械装置(16)、液压短节(15)和平衡装置(17)，液压短节(15)内有一台电机(18)带动两个液压泵(19、20)形成两个分系统，一个分系统由液压泵(19)、液压马达(21)和电磁阀(22)等组成，另一个分系统由液压泵(20)、液压缸(24、25、26、27)、蓄能器(28)和控制阀(29、30)等组成；地面设备(2)由控制台(7)、升压电源(8)、配电盘(9)、集流环(10)等组成，其特征在于：

   a.该取心器采用两个推靠，一个推靠(31)安装在机械装置(16)内，另一个推靠(32)安装在液压短节(15)上，紧靠平衡装置(17)；

   b.给电机(18)的供电方式采用双相供电，即从地面将双相电通过长电缆输送给电机(18)；

   c.液压马达(21)中的叶片(40)由叶片支撑环(38)支撑，使叶片(40)始终紧贴定子(39)内表面；

   d.液压马达(21)的前壳(42)上有菱形滑块(43)和半圆形滑块(44)，这两种滑块都有凸台镶嵌在液压马达前壳(42)的凹槽内，菱形滑块(43)通过高强度螺钉(46)与液压马达前壳(42)固定，半圆形滑块(44)通过带内六角孔的螺钉(47)与液压马达前壳(42)固定。

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