赵战航，张朝界，朱维兵，封志明，张宇奇

(西华大学 机械工程学院，成都 610039)

高速发展的全球经济，推动着世界各国对煤炭、石油等常规能源的需求不断增加，导致能源紧缺加剧，环境污染严重。为了改善能源消费结构和减少环境污染，全球能源供给将由煤炭和石油为主，转变为清洁环保的能源，促进了天然气[1]的勘探开发。天然气主要来源于地下页岩、煤层、含碳质岩层、天然气水合物等地层中，其资源潜力很大[2-3]。近些年来，我国对清洁新能源的勘探开发十分重视，尤其对页岩气的勘探开发如火如荼。页岩气属于非常规天然气，它赋存于页岩和致密砂岩中，通过压裂等方法才能释放气体[4-5]。在页岩气勘探开发过程中，钻井取心作业是关键。技术人员利用钻井取心作业获得的岩心，分析储层的岩性、物性等特性，获得所钻井段岩性的有效数据，有利于页岩气资源调查评价，准确识别页岩气水平井段的岩性，提高钻遇页岩气的成功率，降低压裂和生产的盲目性，提升完井质量，实现有效开采，减少钻完井成本。

目前，钻井取心主要有全尺寸取心、冲击式井壁取心和旋转式井壁取心。全尺寸取心的1次起下钻作业长达2～3 d，耗时长、工艺复杂、成本高。冲击式井壁取心的爆炸冲击工作机理使得取心质量较差，无法较好地表达储层物性特征。旋转式井壁取心工具利用自身携带的取心钻头从井壁上切取1段圆柱形岩心，并将其储存至储样机构中，所取岩心质量好，可直接进行岩性、电性、含油性分析，并且施工简单、效率高、成本低、岩心规则，兼有全尺寸取心和冲击式井壁取心的优点，是目前应用最广泛的钻井取心方式[6]。

旋转式井壁取心工具是页岩气勘探阶段的核心设备之一，在目前的页岩气勘探过程中逐渐体现出一定的技术不适用性，例如取心品质低、岩心尺寸小、取心层位无法精确定位、水平井段取心困难等问题，对页岩气的勘探造成了一定的影响。因此，页岩气高效勘探开发的关键就是改善旋转式井壁取心工具的各项工作性能。为了加快页岩气的勘探开发进程，提高页岩气勘探效率，优化页岩气勘探用旋转式井壁取心工具已成为行业的研究热点。本文结合页岩气勘探阶段的特殊性和复杂性，总结了页岩气勘探用旋转式井壁取心工具的性能要求和发展趋势，为页岩气勘探用旋转式井壁取心工具的深入研究奠定坚实的基础。

1 旋转式井壁取心工具的研究现状

1.1 国外研究现状

旋转式井壁取心工具最早是法国Schlumberger公司于1947年推出的，由于设备复杂、操作需要高超的技术，没能广泛使用，大约在1955年便停止使用[7]。

20世纪80年代，Schlumberger公司和其它几家公司推出了采用液压技术的旋转式井壁取心工具，才使得这种取心工具投入实用阶段。目前，国外的旋转式井壁取心工具(如表1)研制较为领先，相比于国内的初代产品而言，国外公司已研发出第2代、第3代产品，主要有：哈里伯顿公司的HRSCT-B型旋转式井壁取心工具，具备改进式取心钻头，可取得大尺寸、高品质的岩心样品[8]；哈里伯顿公司的CoreVault型旋转式井壁取心工具，采用密闭取样、储样机构，岩心样品在获取和运输过程中皆保存在密闭容器内，有效避免储层流体流失，有助于更准确评价储层[9]；哈里伯顿公司的Xaminer型旋转式井壁取心工具，采用新型耐高压高温材料、全自动取心控制系统、超大容量储心筒，大幅度提高了工具寿命和取心效率[10]；贝克休斯公司的MaxCOR型旋转式井壁取心工具，采用直流电机驱动，优化钻头设计，提升钻头钻速，大幅提升了工具取心效率和岩心收获率[11]；斯伦贝谢公司的XL-Rock型和MSCT型旋转式井壁取心工具，在取心机构上使用结构简单的液压滑道机构，仅需单个液压缸即可完成旋转组件、钻进井壁和折断岩心等功能，具备一定的先进性[12-13]。

表1 国外各型旋转式井壁取心工具的技术参数

1.2 国内研究现状

我国对旋转式井壁取心工具的研究开发起步较晚。20世纪80年代末，国内开始使用从国外引进的旋转式井壁取心工具。1986年，河南油田测井公司与航天部一院十二所组成攻关小组，进行旋转式井壁取心工具的相关研究，于1994年研制出我国第1台3推靠臂HH-1型旋转式井壁取心工具[14]。目前，我国的旋转式井壁取心工具初具规模，生产技术逐步完善。国内研制的旋转式井壁取心工具(如表2)主要有：北京华能通达能源科技有限公司研制的FCT-2型旋转式井壁取心工具，采用大、小泵双液压系统分别给取心钻头提供钻压和转矩，提高了地层适应能力、取心效率，同时它也是在各大油田应用的首套国产旋转式井壁取心工具[15]；中石油集团测井有限公司研制的SRCT系列旋转式井壁取心工具，采用智能变频技术，可根据电机工作情况自动调节输出电流、电压及频率，避免电缆和其他用电设备的过流损坏，去除了地面预热环节，提高了取心作业时效[16]；中石油集团大庆钻探工程公司测井公司研制的ESCT型旋转式井壁取心工具，采用便携式机箱、井下大功率直流无刷电机和数字电磁阀技术，提高了工具的可靠性和岩心收获率[17]；中海油服技术中心研制的ERSC-Ⅱ型旋转式取心工具，采用了高精度伽马校深和液压自反馈调节技术，提高了取心作业效率[18]。总体而言，国内生产的旋转式井壁取心工具性能与国外相比还存在一定差距，具体体现在旋转式井壁取心工具的使用寿命、取心收获率、取心品质等方面，主要原因是我国在新材料研发、耐受度更高的新型温度和压力传感器研发、机械加工制造业等方面相对落后，密封装置的设计、取心工艺的研究等还存在一定的不足。

表2 国内各型旋转式井壁取心工具的技术参数

2 页岩气对旋转式井壁取心工具性能要求

2.1 水平井段爬行能力

目前，国内页岩气钻井主要采用水平井技术。相对直井而言，水平井能使更多的生产区域和井筒接触，并和裂缝相交，改善储层流动状况和获得较大的排泄区域，能将直井中20～40 m的页岩泄气厚度在水平井中提高到3 000 m[19]。常规旋转式井壁取心工具在直井或微倾斜井中进行取心作业时，旋转式井壁取心工具靠自身重力用电缆下入井内。页岩气水平井出现后，在水平井段内重力不能推动旋转式井壁取心工具到达目的层，导致旋转式井壁取心工具在页岩气水平井段内下入困难，取心难度加大。因此，井下爬行能力对页岩气勘探用旋转式井壁取心工具在水平井段内能否成功取心至关重要。

2.2 井底极端环境耐受能力

页岩气的地质条件复杂，钻井通常为深井和超深井，其井底为高温、高压、有污染的恶劣环境。这种环境会加剧各种不利因素对旋转式井壁取心工具液压系统的橡胶密封件、各种传感器和电子元器件、外壳等的损害，降低了旋转式井壁取心工具的寿命和可靠性。因此，页岩气勘探用旋转式井壁取心工具自身含有的大量部件必须具有一定的耐热、耐高压、耐腐蚀性能。

2.3 密闭储心能力

常规旋转式井壁取心工具采用的是岩心直接出筒，且存储岩心数量少，岩心的出筒过程和搬运过程对岩心结构造成严重破坏，导致岩心质量不高，无法满足页岩气井对岩心样本及施工作业的要求。因此，应对页岩气勘探用旋转式井壁取心工具的储心机构进行合理优化改进，使其具备大数量、高保真能力，来保证岩心样品在储存和运输过程中不丢失地质特征信息。

2.4 防阻减震能力

页岩气钻井过程中，井身轨迹复杂，在旋转式井壁取心工具下放过程中，自身会与井壁接触和碰撞，如果遇到的阻力过大，会压坏或者折断旋转式井壁取心工具。因此，需要对页岩气勘探用旋转式井壁取心工具各功能模块单元的连接方式进行合理优化设计，以有效减小下放过程中对旋转式井壁取心工具的冲击力，同时又提高了旋转式井壁取心工具的过弯能力，最终通过方向导引实现旋转式井壁取心工具的安全顺利下井。

2.5 取心位置精确定位能力

通常情况下，旋转式井壁取心工具完成取心作业后，井下取心的精确位置需要使用FMI全井眼地层微成像仪进行确认，这无疑增加了取心作业成本。因此，急需研制页岩气勘探用旋转式井壁取心工具自身的定位机构，可测得旋转式井壁取心工具的井深信息，更好地标记岩心所在的储存地理位置信息，提高钻遇页岩气的成功率，降低取心作业成本。

2.6 大尺寸取心能力

常规旋转式井壁取心工具有个很大的局限性，即从井壁上取得的岩心直径和长度都比较小，岩心体积过小会造成分析结果不准确。因此，应对页岩气勘探用旋转式井壁取心工具所携带取心钻头以及取心马达进行合理优化设计，使其所取岩心品质更高、体积更大，有助于提高实验室岩心分析测试的准确性，为页岩气储层评价提供更详细的参考数据。

3 页岩气勘探用旋转式井壁取心工具的发展趋势

1) 优化旋转式井壁取心工具，取心钻头的驱动方式，使其满足页岩气勘探过程中高可靠性要求，以及高效率钻进取心的工作需求。采用直流电机直接驱动取心钻头，取代传统的液压泵驱动取心钻头，这种新型驱动方式的动力传输效率高，取心钻头转矩大，且受温度影响较小，可实现在地面系统控制下实时对钻进取心速度的调整。

2) 改进旋转式井壁取心工具取心马达传动轴的机械结构。采用取心钻杆和取心马达传动轴主体分开的结构，可以根据实际要求更换安装不同的取心钻杆、取心钻头。在取心钻杆磨损之后只需要更换钻杆，而不需要将取心马达整体更换，从而延长了旋转式井壁取心工具的使用寿命，提高了取心工具的通用性，降低了使用成本。

3) 设计和优化旋转式井壁取心工具的取心机构。取心机构要完成伸出、取心、折断岩心等动作，采用大直径取心钻头结合大转矩取心马达，参考离合器软轴机构、减速器软轴机构，设计优化出结构简单、可靠性好、岩心质量高的取心机构，使取心过程更加高效。

4) 采用弹簧复位机构，将旋转式井壁取心工具的被动解卡转化为主动解卡。在旋转式井壁取心工具失去动力或发生故障导致卡堵时，实现旋转式井壁取心工具整体解卡和取心钻头解卡，从而保证页岩气井眼安全。

5) 改善现有材料使用性能，研发高性能新材料。旋转式井壁取心工具所使用的金属材料、橡胶密封材料及复合材料应具备一定的耐高温、耐高压和抗腐蚀等的优良性能，具备优异的适应页岩气复杂井下取心的能力。

6) 研究开发具有不同结构和工作特性的高性能页岩气勘探用旋转式井壁取心工具，使产品系列化，形成多功能、多类别、智能化的页岩气勘探用旋转式井壁取心工具。

7) 开发井下取心作业工况地面监测软件，对取心马达转速、钻进压力等参数进行监测，从而精确地模拟井下旋转式井壁取心工具的各项输出参数，实现对旋转式井壁取心工具工作状态的实时监测功能，以保证取心过程的高效、可靠、安全。

4 结论

1) 页岩气是一种高效、清洁的新能源，勘探开发页岩气有助于缓解常规能源紧缺和环境污染的现状。旋转式井壁取心工具作为勘探开发的关键设备之一，其性能优化对于页岩气的高效、可靠、低成本勘探开发意义重大。

2) 页岩气勘探对旋转式井壁取心工具的性能要求较高。分析页岩气本身的特殊性和复杂性，得出页岩气勘探用旋转式井壁取心工具需要满足水平井段爬行能力、井底极端环境耐受能力、密闭储心能力、防阻减震能力、取心位置精确定位能力、大尺寸取心能力等性能要求，是今后的研究重点。

3) 展望了页岩气勘探用旋转式井壁取心工具的发展趋势，未来可从取心钻头驱动方式、取心马达传动轴结构、取心机构、解卡机构、材料性能、地面监测软件等方面进行旋转式井壁取心工具的优化设计，使其更加适合于我国的页岩气勘探开发。