钻进式井壁取心器适应性研究
钻进式井壁取心器采用液压传动技术，推动金钢石钻头垂直井壁钻取获得岩心。井深、井温、泥浆粘度、岩性等，对岩心的钻取都有很大影响。钻进式井壁取心器为了更好地钻取岩心，取心钻头上的金钢石排列
方式、液压油选用、钻进速度控制等方面必须有很好的适应性。
钻进式井壁取心器是钻取地层岩心样本的一种仪器，采用液压传动技术，推动空心金钢石钻头垂直钻进井壁获取岩心，并把岩心样本按取心层位推入储心筒内。所取岩心借助仪器与直接观察，结合综合测录井资料进行流体性质识别评价、储层物性评价，以及验证测井解释。因此，钻进式井壁取心器要适应不同井深、井温、泥浆粘度、岩性等井况钻取岩心的需要。
2 岩石破碎过程以及切削工具受力分析
破岩过程分两个阶段：压入、剪切。外力作用下，岩石发生变形，随着载荷的不断增加，变形不断发展，最终导致岩石破坏。变形和破坏是载荷作用下岩石性能变形的不同阶段。岩石压入破碎过程的发展不是随着载荷的增加而平稳进行的，而是当载荷达到某一值后，才发生突然的压入破碎[1]。如图1。
图1 压力作用下岩石破碎过程
实际钻进时，在轴向力和水平力作用下破碎岩石时，碎岩工具前方不断产生小体积剪切，崩落出小的岩屑，经过数个小剪切之后产生一次大剪切。由于岩石为脆性，故钻进碎岩过程实际是一个由数个小剪切和一个大剪切组成的不断循环的过程。如图2，在回转钻进中，碎岩工具以轴向（P）和切向（T）载荷作用于岩石上，同时岩石的反作用力P2，设接触正压力合力为P4，摩擦合力F4作用在钻头上。轴向力和切向力共同作用时，可视为碎岩工具对岩石以某一角度施加作用力。因此，岩石破碎效果将由此作用力的数值和方向来决定。轴向力和切向力之间存在最优比值，或者说有最优的作用力方向。这一方向对于不同的岩石可能是不同的。所以钻进不同岩石时，轴向压力和回转速度应有一个合理的配合关系[2]。
图2 钻头切削岩石受力模型
3 钻进式井壁取心器工作原理
钻进式井壁取心器的油腔内，电机带动一个大泵和一个小泵，大泵为取心马达旋转提供动力，以钻取岩心；小泵提供的动力在电磁阀的控制下，完成取心过程中的推靠臂张与收、冲针伸与回、钻头进与退、岩心收集等动作。结构组成图如图3。
图3 液压结构组成框图
4 适应性研究
4.1 金钢石钻头有序排列方式研究
当同时在岩石表面上作用着两个或两个以上的荷载时，其总的破碎效果取决于变形交叉带的性质。钻进式井壁取心器采用的有序排列的孕镶金钢石钻头。钻头在孔底钻进时，有着无数颗金刚石参与磨削破碎工作。相邻的两个切削体之间的合理距离，取决于所钻岩石的性质和切削体本身的几何尺寸与机械性能。参考图二，由文献资料可知[3]金钢石的合理横向间距L、脱落高度h、纵向间距s的计算公式（1）、（2）、（3）。根据三个公式，可设计出钻取不同岩性、不同直径岩心金钢石钻头的有序排列方式[3]。
（1）
（2）
（3）
式中：D为岩石破碎坑直径，d为金钢石直径；μ为岩石的摩擦力；
PC为胎体对金钢石的包镶力，σθ为金钢石周围岩石反馈给的应力。
4.2 液压油选用研究
仪器下放到取心深度，仪器内液压油在外界温度的作用下，加上电机、电磁阀产生大量热量，液压油的温度工作一定时间将会升高。液压油的粘度随温度变化曲线、电机的转速随液压油粘度变化曲线、泵、控制阀、马达的泄漏量随着粘度变化曲线、带着金钢石钻头旋转的马达的切削力随着粘度变化曲线分别如图4、图5、图6、图7。
图4 粘度和温度关系 图5 电机转速和粘度关系
图6 泄漏量和粘度关系 图7 切削力和粘度关系
其中：t代表仪器内温度；η代表仪器内液压油粘度；
n代表电机转速； Δp代表系统泄漏量；
T代表钻头切力
实际应用中粘度的测量不是很方便，根据上面的关系图可以看出，粘度和温度成正比，将温度变化看做是粘度变化，而仪器内大泵压力直接反映切削力的大小。因此，地面选用液压油粘度可以将预取心深度处的温度和系统大泵压力做为参考值。
4.3 钻进速度控制研究
由于井温、泥浆粘度、岩石软硬等多种因素，岩石的反作用力P2和摩擦合力F4不定，因此，轴向力P和切向力T的最优比值也要随着井况不同而变化。由图4～图7可以看出，切向力T随着温度的变化时刻在变，因此，只有改变轴向力P才能获得轴向压力和切削力合理的配合。为了达到这一目的，如图3，系统增加了调速阀和电动溢流阀。当钻进速度快时，切削量较大，P2增大，T将会增大，调速阀将自动调节使钻进速度减慢；当T随着油温升高而降低时，通过地面调节电动溢流阀，减小P，减小切削量，减小P2，将钻进速度调慢。
5 结论
钻进式井壁取心器为了更好地钻取不同井深的不同岩层，钻取岩石的轴向压力和切削力必须能调整到最佳钻取参数。
应根据不同岩性、不同直径岩心、选用金钢石颗料直径设计金钢石的合理横向间距L、脱落高度h、纵向间距s； 根据仪器大泵系统情况、井深等情况选用不同粘度液压油；钻取过程中根据地层岩性、液压油温度等情况适时调节钻进速度。
（作者单位：中国石油集团测井有限公司装备与销售分公司）