专利名称：钻进式井壁取心器的制作方法
技术领域：
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。
以下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PH，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。
权利要求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。
专利摘要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。
文档编号E21B49/06GK2246710SQ9424336
公开日1997年2月5日 申请日期1994年11月3日 优先权日1994年11月3日
发明者王世圻, 黄学芝, 赵国庆, 董良彦, 沈振惠, 田学信, 黄智先, 张德玉, 姚成新, 唐天忠, 张书年, 葛瑞德, 高谊兵, 杨冬 申请人:中国航天工业总公司第一研究院第十二研究所, 中国石油天然气总公司河南石油勘探局测井公司