CN2881097Y - 钻进式井壁取芯器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种钻进式井壁取芯器，它由地面电气控制系统和井下取芯系统构成；地面电气控制系统通过高电压、大电流的集流环和测井绞车电缆与井下取芯系统相连。井下取芯系统自上而下依次由马笼头、电子节、压力平衡器、液压节和机械节组成。本实用新型利用测井绞车电缆把井壁取芯器下放到井下，用自然伽玛仪跟踪校深，当取芯目标位置确定后，由地面电气控制系统发出指令，使井下取芯仪器执行推靠、钻进、折芯、钻退、收推靠、储芯等动作；同时，各种传感器对仪器工作状态和取芯过程进行实时监控，并把所记录的数据通过电缆传输到地面控制系统，取芯工程师通过实时数字显示面板操控井下仪器，进而完成对井壁进行垂直旋转钻进来获取地层岩芯。

Description

钻进式井壁取芯器

技术领域

本实用新型涉及一种井壁取芯器，具体地说，涉及一种适用于油气勘探裸眼井，用测井绞车电缆下放定位到目标层位，通过地面操控，对井壁进行旋转钻进而获取地层岩芯的一种机电一体化FCT型钻进式井壁取芯装置。

背景技术

在石油勘探开发过程中，钻井是发现地下油气储藏最直接最根本的方法。因此，石油勘探开发公司投入了大量的人力和财力，开展钻井工作。为了确定地层的性质及含油气性，发展了地球物理测井方法，即沿井轴测量地层的电性、物性等参数，再经过工程师的研究与分析，最终判定地层特性、是否含油气特性。在油气田的勘探过程中，这一方法被称为“油层的间接识别法”，这种方法存在许多人为的因素，时常会得出错误的结论。另一种方法是在钻井过程中，利用取芯钻具对目标地层进行多次取芯，进而直接确定地层的岩性、物性和含油气性。然而，该方法不仅时效性差、费用高，且风险巨大，尤其在海上和深井钻井时，这一缺点更为突出。

为了克服这一缺点，近几年发展了井壁取芯法，该方法是用电缆把取芯工具下到井下，并定位到目标地层对井壁进行取芯。这一方法有两种：一种是撞击式井壁取芯法，一种是钻进式井壁取芯法。撞击式井壁取芯法是把取芯枪用测井绞车电缆下放定位到目标位置，然后点火发射取芯筒而获取地层岩芯。该方法获取岩芯方法虽然快捷，但其缺点如下：(1)地面装枪危险性大。(2)所取的岩芯颗粒较小(ф10×10mm)且破碎，破坏了所取岩芯的原始产状特性，只能用来对储层的岩性、物性、含油气性进行定性分析，不能精确地反映储层的原始特征。钻进式井壁取芯法是用测井绞车电缆把机电一体化的井壁取芯器下放定位到井下目标位置对井壁进行钻进式取芯，该方法克服了钻井取芯法、撞击式井壁取芯法上述诸多缺点。国外公司在这方面做了大量的工作，如斯仑贝谢、哈利伯顿、阿特拉斯等开发了相应的仪器，但是，这些公司的仪器在国内油田的应用效果较差，其缺点如下：(1)地面电气控制系统不直观，操控困难。(2)电机供电不合理(110V单相供电)，功率小。(3)液压马达转速低、扭矩小，经常卡钻。(4)仪器安全解卡方法不合理。(5)仪器维修、维护复杂，现场使用性差。(6)所取岩芯直径(ф23mm)不能满足国内岩芯试验分析标准(ф25mm)(7)价格昂贵，性价比差。

发明内容

鉴于上述原因，本实用新型的目的是提供一种钻进式井壁取芯器，它利用测井绞车电缆把机电一体化的井壁取芯器下放定位到井下目标位置，对井壁进行旋转钻进，获取目标地层岩芯。

为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：一种钻进式井壁取芯器，其特征在于：它由地面电气控制系统和井下取芯系统两部分构成；地面电气控制系统通过高电压、大电流的集流环和测井绞车电缆与井下取芯系统相连；

所述地面电气控制系统设置在地面，它由地面调压柜、升压柜、控制柜、测井绞车(数字测井)组成，彼此之间通过电缆相连；

所述井下取芯系统自上而下依次由马笼头、电子节、压力平衡器、液压节和机械节组成。

本实用新型利用测井绞车电缆把井壁取芯器下放到井下，用自然伽玛仪跟踪校深，当取芯目标位置确定后，由地面电气控制系统发出指令，使井下机电一体化仪器执行推靠、钻进、折芯、钻退、收推靠、储芯等一系列动作，同时，各种传感器如温度、大泵压力、小泵压力、钻进/钻退位移、芯长传感器，对仪器工作状态和取芯过程进行实时监控，并把所记录的数据通过电缆传输到地面电气控制系统，取芯工程师通过实时数字显示面板操控井下仪器，进而完成对井壁进行垂直旋转钻进来获取地层岩芯。

本实用新型具有以下优点：(1)采用三点推靠技术，使仪器取芯时既牢固又降低了粘卡在井壁上的风险。(2)电机采用双相高电压(50HZ 850V)供电，功率、扭矩大，克服了国外同类电机采用电容移相起动、功率小、扭矩小等不足。(3)所用电机额定电压等级为380伏，50赫兹，避免了必须使用国外发电机的困难(110伏，60赫兹)。(4)取出的岩心的规格(Φ25×50mm)，适应于国内生产的各种分析仪器。(5)可以配接国内外各种测井地面控制系统。(6)国产测井电缆完全满足该仪器的需要。(7)四安全点钻头解卡装置，使取芯施工更安全。

附图说明

图1为本实用新型组成连接关系示意图

图2为本实用新型系统工作原理框图

图3为本实用新型系统电路连接关系图

图4为本实用新型地面控制系统电气电路图

图5为本实用新型地面控制系统控制部分电路图

图6为本实用新型地面控制系统控制程序流程图

图7为本实用新型电子节各功能电路图

图8为本实用新型电子节电子电路图

图9为本实用新型电子节控制程序流程图

图10为本实用新型液压节液压原理图

图11为本实用新型电子节机械结构简图

图12为本实用新型压力平衡器结构简图

图13为本实用新型液压节结构简图

图14为本实用新型下机械节结构简图

具体实施方式

如图1、2、3所示，本实用新型公开的钻进式井壁取芯器主要由地面电气控制系统和井下取芯系统两部分构成；地面电气控制系统通过高电压、大电流的集流环和测井绞车电缆与井下取芯系统相连。

所述地面电气控制系统设置在地面，它主要由地面调压柜1、升压柜、2控制柜3、测井绞车4(数字测井)组成。其主要功能是向井下仪器提供电源，发出操控信号，接收、处理井下各种传感器反馈的数据，并对井下取芯系统进行实时显示与监控。地面电气控制系统制通过集流环电缆与集流环相连、集流环通过架设在井架5上的测井电缆6与井下取芯系统相连。

所述井下取芯系统自上而下依次由马笼头7、电子节8、压力平衡器9、液压节10、机械节11组成。

所述马笼头7的一端通过电缆6与地面电气控制系统相连，另一端与井下测试部分中的电子节8相连，主要起连接测井电缆与井下仪器的作用和安全解卡作用。

所述电子节8主要由深度校正系统(如自然伽玛)和井下微机测控系统组成。深度校正系统主要由自然伽玛测量电路，完成对储层的定位。井下微机测控系统用于对各种信号(如自然伽玛、CCL、压力、温度等)的采集、处理，并把这些信号通过串口经载波通信方式发送给地面电气控制系统中的微机；同时，接收地面微机发来的控制信号，并根据控制信号控制相应的电磁阀动作，实现推靠、钻进、折芯、钻退、收推靠、储芯等一系列动作。它上与马笼头7相连，下与压力平衡器9相连。

所述压力平衡器9主要由压力平衡器缸体和缸体内的活塞组成。它是平衡井筒与测试装置内外压力，起到保护取芯器的作用。它上与井下电子节8连接，下与液压节10连接。

所述液压节10主要由电机、液压泵、各种液压阀、电磁阀、蓄能器、推靠缸(主、付推靠缸、支撑缸)、钻井缸、压力传感器、位移传感器等组成，这些装置按液压工作原理图(图10)集合在液压节外壳内。它的主要功能是执行地面电气控制系统发出的指令，为机械节完成各种功能提供动力，实现井壁取芯器的各个工作程序、监控液压节装置的工作状态。它上与压力平衡器9连接，下与机械节11连接。

所述机械节11主要由机械节外壳、主推靠臂、长导板总成、短导板、液压马达总成、推芯缸总成总成、芯长传感器总成、储芯筒、储芯筒外套筒等组成，各部件按特定的位置固定在机械节外壳上，通过液压节10驱动，机械节有序完成一系列取芯动作。

在本实用新型的具体实施例中：

所述地面电气控制系统可以选用现有的国内外各种测井控制系统，通常，它们都包括有地面调压柜、升压柜、控制柜、数控测井绞车和集流环。如图3、4所示，地面调压柜和升压柜是将三相380V(50HZ)交流电经电源控制开关、三相自耦调压器、升压变压器矢量配接输出两相正交交流电。两相正交交流电通过面板电机启动开关后经集流环，测井电缆、马笼头向井下双相交流异步电机供电。另外，220V(50HZ)交流电，经隔离变压器隔离后送到地面调制变压器的次级中心抽头上，再经集流环，测井电缆送到井下调制变压器。在该变压器次级中心抽头上引出后，分两路，一路送到各固体开关，另一路经降压、整流、稳压后得到+5V、+10V、+12V直流电，供给井下电子线路使用。所述控制柜如图5、6所示，是由CPU(80C55)为主构成的单片机数控系统，全部控制程序固化在一片4k字节的只读存贮芯片(EPROM27C32)中。构成控制柜的单片机主要完成将面板上的功能键、控制开关状态采集到微机中，形成增益字及控制字；增益字用于自然伽玛的增益调节，以满足自然伽玛刻度要求；控制字通过载波通信方式发送到井下微机，井下微机按照控制字控制液压回路中各电磁阀的工作状态，使取芯器执行推靠、钻进、折芯、钻退、收推靠、储芯等一系列动作同时，地面微机接收并处理井下微机发送来的各种信号，并将自然伽玛计数、液压泵(大、小液压泵)工作压力、仪器温度、位移(钻进、钻退)芯长数据以十进制数字方式显示在面板的显示窗口上。此外，地面控制系统提供了一个RS232串行输出口、一个自然伽玛/CCL模拟输出口。该两输出口与地面数据测井系统的计算机相连，从而实现测井系统与井壁取芯器系统的联机操作。控制柜通过电缆与集流环相连。

如图1、3所示，所述马笼头7的一端通过电缆与集流环相连，另一端与井下仪器的电子节8相连。

所述井下电子节8主要由深度校正系统(自然伽玛定位测量仪)和井下微机测控系统组成。深度校正系统包括自然伽玛测量电路，主要完成对储层的定位。井下微机测控系统用于对各种信号(如自然伽玛、CCL、压力、温度等)的采集、处理，并把这些信号通过串口经载波通信方式发送给地面微机；同时，接收地面微机发来的控制信号，并根据控制信号控制相应的电磁阀动作，实现推靠、钻进、折芯、钻退、收推靠、储芯等一系列动作。具体地说，如图7、8所示，井下微机测控系统主要是由CPU(80C55)为主构成的单片机数控系统，它主要是把地面电气控制系统提供的电源向各种动力电机、各种传感器(压力、温度、液体电阻率传感器)供电，并把地面系统发出操控信号下传到控制和监测装置，完成一系列操作，再把压力、温度、液体性质传感器感应的信息转变成数字信号，并按一定的时间间隔向地面监测与资料处理系统传输。

井下微机测控系统采用模块化结构设计，其工作程序流程图如图9所示：程序在完成初始化工作之后，首先执行接收模块，在接收模块里，CPU通过查询接收中断标字位“RI”来判断地面微机是否送来数据，如“RI”为“0”，则继续查询，如“RI”为“1”则读入控制字，然后执行电磁阀控制模块；在电磁阀控制模块里，CPU将刚接收到的控制字与上次接收到的控制字按位进行比较，如有变化，则将变化位送到相应的固体开关，使相应电磁阀动作，如无变化，则向下执行A/D转换模块；在A/D转换模块里，CPU依次接通各模数转换通道，对泵压、封隔器工作压力，流体压力、温度、性质等信号进行采样，同时访问TO计数器，取得样自然伽玛脉冲计数，最后执行发送模块；发送模块将刚接收到的控制字连同采集到的数据等发送到地面微机。

所述压力平衡器9主要由压力平衡器缸体和缸体内的活塞中心管等组成。它是平衡井筒与测试装置内外压力，起到保护取芯器的作用。它上与井下电子节8连接，下与液压节10连接。

所述液压节10主要由液压节外壳、电机、液压泵、增压缸、各种液控阀、电磁阀、蓄能器、推靠缸(主、付推靠缸、支撑缸)、钻井缸、压力传感器等组成，这些装置按液压工作原理图(图10)集合在液压节外壳内。它的主要功能是完成液压节单元的各种操作工作指令、实现井壁取芯器的各个工作程序、监控液压机械装置的工作状态。它上与压力平衡器连接，下与机械节连接。液压系统(如图10)由一台电动机带动双联液压泵形成两个分系统，一个称作大泵系统，一个称作小泵系统。大泵系统主要由液压泵、电磁换向阀、液压马达和压力传感器组成。其功能是带动装在液压马达上的取芯钻头高速转动，钻取岩心。小泵系统主要由液压泵、液压缸、蓄能器、滤油器、两个电磁阀、各种液压控制阀和五个液压缸等组成。小泵系统通过两个电磁阀驱动五个液压缸工作，其中推靠电磁阀控制一个主推靠缸、一个副推靠缸和一个支撑缸使三臂张开(推靠)与收回(由顺序阀控制三臂依次张开和收回)，另一电磁阀控制钻进缸，使长导板作上下运动，进而使液压马达转向、钻进、钻退来完成钻头的钻进、折芯、钻退动作；长导板作上下运动的同时推动位移传感器(电位器)拉杆运动来记录钻进、钻退位移和折心动作等数据。推芯缸在主推靠臂收回的同时把马达钻杆内的岩芯推进储芯筒内，同时，运动的岩芯迫使芯长传感器(电位器)滑杆运动来记录岩芯的长度。调速阀根据液压马达的负载大小调节钻进缸的推进速度，当憋钻时造成液压马达负载增加，脉冲供油阀就减少钻进推进缸的供油，从而降低钻进推进速度。当钻进推进速度过快，造成憋钻，使液压马达转速下降，脉冲供油阀就减少钻进推进缸的供油，进而降低钻进推进速度，这样就能够恰当地匹配液压马达的转速和钻进推进速度，提高钻进时效，降低卡钻事故。

所述机械节11主要由机械节外壳、主推靠臂、长导板总成、短导板、液压马达总成、推芯缸总成、芯长传感器总成、储芯筒、储芯筒外套筒等组成。机械节外壳一是起保护机械节的作用，二是各部件(主推靠臂、长导板总成、短导板、液压马达总成、推芯缸总成、芯长传感器总成、储芯筒、储芯筒外套筒等)按特定的位置安装固定在机械节外壳上。主推靠臂固定在机械节外壳上，并与推靠缸活塞杆连接，当推靠缸活塞杆出进时，主推靠臂张开与收回。长导板总成前端固定在钻井缸活塞杆头上，并与位移传感器(滑动电位器)拉杆相连，短导板固定在机械节外壳上，液压马达总成通过其上的两对滑块嵌入长导板和短导板的滑槽内，钻井缸活塞杆的进出带动长导板总成上下滑动，通过液压马达总成上的两对滑块与长导板、短导板上的特型滑槽有机配合，使液压马达完成翻身、钻进(此时，液压马达以2000转/分高速旋转)、折芯、钻退、回位(装芯位置)等取芯的一系动作，同时位移传感器记录液压马达一系动作的数据。推芯缸总成、芯长传感器总成、储芯筒固定在机械节外壳上，液压马达总成钻退回位(装芯位置)后，当收推靠时，推芯缸活塞杆把位于液压马达钻杆内的岩芯推进储芯筒中，同时芯长传感器记录岩芯长度数据。储芯筒外套筒固定在机械节外壳下端，起保护储芯筒和仪器下放时导向作用。

图11～图14分别为在本发明具体实施例中，电子节、压力平衡器、液压节、机械节的结构示意图。

图11为本发明具体实施例中电子节的结构示意图。如图11所示，在本发明具体实施例中，电子节8主要由电子节外壳、上、下盲插端、电子元器件支架、保温屏、电子节控制电路、自然伽玛测量电路、电源电路组成。上盲插端通过由壬与马笼头7密封连接，下盲插端通过由壬与压力平衡器9密封连接，固定电子元器件的支架并与保护套筒密封连接，测量电路固定在电子元器件托架上。上盲插端通过由壬与马龙头紧锁密封连接，下盲插端通过由壬与压力平衡器密封连接。

图12是压力平衡器9结构示意图，它由上盲插端、缸体、活塞、中心管、下密封连接端等组成，上盲插端通过由壬与电子节紧锁密封连接，下密封连接端与液压节连接(在现场不能拆分)。环形活塞在压力平衡器缸体内和中心管上来回运动，起平衡测试器内部压力与井筒环空液柱压力的作用。压力平衡缸体上部有一旁通过滤装置，起着沟通平衡器与井筒的作用，它能使井筒滤液进出平衡器，使活塞上下来回运动。中心管使电源信号线通过其中。

图13是液压节10机械结构简图，它主要由上密封连接端、外壳筒、下密封连接法兰和壳筒内的液压节总成支架、电机、双联液压泵、蓄能器、各种液控阀、电磁阀、推靠(主、付)缸、支撑缸、钻进缸、位移传感器、压力传感器、温度传感器及各种液压管线等组成。上密封连接端与压力平衡器密封连接(在现场不能打开)，下密封连接法兰端与机械节外壳连接(在现场不能打开)。各种液压元器件按液压原理图10集成在液压节总成支架上，各主要液压元器件在液压节总成支架上的位置自上而下是付推靠缸、支撑缸、电机、双联液压泵、蓄能器、各种液控阀、推靠缸、钻进缸等。付推靠臂、支撑臂固定在液压节外壳上端，与付推靠缸、支撑缸连接。

图14机械节11结构简图，它主要由机械节外壳、主推靠臂、长导板总成、短导板、液压马达总成、推芯缸总成、芯长传感器总成、储芯筒、储芯筒外套筒及各种液压管线等组成。各部件按特定的位置固定在机械节外壳内，主推靠臂固定在机械节外壳的上端，储芯筒外套筒固定在机械节外壳的下端。

以上所述是本发明的具体实施例及所运用的技术原理，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换，均属于本发明保护范围之内。

Claims (8)

1、一种钻进式井壁取芯器，其特征在于：它由地面电气控制系统和井下取芯系统两部分构成；地面电气控制系统通过高电压、大电流的集流环和测井绞车电缆与井下取芯系统相连；

所述地面电气控制系统设置在地面，它由地面调压柜、升压柜、控制柜、测井绞车(数字测井)组成，彼此之间通过电缆相连；

所述井下取芯系统自上而下依次由马笼头、电子节、压力平衡器、液压节和机械节组成。

2、根据权利要求1所述的钻进式井壁取芯器，其特征在于：所述电子节由深度校正装置和井下微机测控装置组成；

所述深度校正装置为自然伽玛定位测量仪；

所述井下微机测控装置为具有通讯接口的、用于控制的微机。

3、根据权利要求2所述的钻进式井壁取芯器，其特征在于：所述电子节由电子节外壳、上、下盲插端、电子元器件支架、保温屏、深度校正装置、井下微机测控装置和电源电路构成；

所述上盲插端通过由壬与所述马笼头密封连接，下盲插端通过由壬与所述压力平衡器密封连接；固定电子元器件的支架并与保护套筒密封连接；深度校正装置、井下微机测控装置和电源电路固定在电子元器件托架上。

4、根据权利要求2或3所述的钻进式井壁取芯器，其特征在于：所述压力平衡器由压力平衡器缸体和缸体内的活塞组成。

5、根据权利要求4所述的钻进式井壁取芯器，其特征在于：所述压力平衡器缸体的上盲插端通过由壬与所述电子节紧锁密封连接，缸体的下密封连接端与所述液压节连接；

所述缸体内的活塞为环形活塞，它套在压力平衡器缸体内的中心管上，并可以来回上下运动；

在所述压力平衡缸体上部有一旁通过滤装置；

在所述中心管内穿有电源信号线。

6、根据权利要求5所述的钻进式井壁取芯器，其特征在于：所述液压节由液压节外壳和安装在外壳内的液压系统构成；

所述液压系统为由一台电动机带动双联液压泵形成的两个分系统，一个称作大泵系统，一个称作小泵系统；大泵系统主要由液压泵、电磁换向阀、液压马达和压力传感器组成；其功能是带动装在液压马达上的取芯钻头高速转动，钻取岩心；小泵系统由液压泵、液压缸、蓄能器、滤油器、两个电磁阀、各种液压控制阀和五个液压缸组成；小泵系统通过两个电磁阀驱动五个液压缸工作，其中推靠电磁阀控制一个主推靠缸、一个副推靠缸和一个支撑缸使三臂张开与收回，另一电磁阀控制钻进缸。

7、根据权利要求6所述的钻进式井壁取芯器，其特征在于：所述液压节外壳由上密封连接端、外壳筒、下密封连接法兰和壳筒内的液压节总成支架构成；

上密封连接端与所述压力平衡器密封连接，下密封连接法兰端与所述机械节外壳连接；构成液压系统系统的各液压元器件在液压节总成支架上的位置自上而下为付推靠缸、支撑缸、电机、双联液压泵、蓄能器、各种液控阀、推靠缸、钻进缸；付推靠臂、支撑臂固定在液压节外壳上端，与付推靠缸、支撑缸连接。

8、根据权利要求7所述的钻进式井壁取芯器，其特征在于：所述机械节由机械节外壳、主推靠臂、长导板总成、短导板、液压马达总成、推芯缸总成总成、芯长传感器总成、储芯筒、储芯筒外套筒等组成；

所述主推靠臂固定在机械节外壳的上端，并与推靠缸活塞杆连接；长导板总成前端固定在钻井缸活塞杆头上，并与位移传感器拉杆相连；短导板固定在机械节外壳上；液压马达总成通过其上的两对滑块嵌入长导板和短导板的滑槽内；钻井缸活塞杆的进出带动长导板总成上下滑动；推芯缸总成、芯长传感器总成、储芯筒固定在机械节外壳上；储芯筒外套筒固定在机械节外壳下端。

Images