钻探工程中夹持器和地层测试器的选择

摘要：钻机是进行地质勘探的基本设备。本文对水文勘探工程中的辅设备夹持器和地层测试器的选择问题进行了讨论。

关键词：地质勘探，钻机 ， 液压夹持器 ， 地层测试器

Abstract: the drilling geological exploration is the basic equipment. In this paper, the hydrological exploration project of the auxiliary equipment grippers testing strata and implement the choice was discussed.

Keywords: geological exploration, the drill, hydraulic grippers, formation testing device

中图分类号：F407.1文献标识码：A 文章编号：

随着我国经济结构调整，在走向制造大国的过程中，对各种原材料的需求更为迫切。满足要求的原材料在很大程度上依赖于自然矿产资源的勘探和开发。就目前技术发展而言，矿产资源的勘探的主要设备还是钻机。那么对水文地质勘探而言，钻机有部分辅设备：夹持器和地层测试器是完成钻井任务所必不可少的，下面就这方面论述有关的论题。

一、 液压夹持器的分类和特点

夹持器作为钻机的一个重要部件,其主要作用是在自动装卸钻杆时，与钻机的马达协调运动正反转，实现钻杆间对接、脱离，钻头拆卸等，必要时夹持孔内钻具，防止孔内钻具滑移，因此其性能的好坏将直接影响到钻机整机的性能、钻进效率以及钻孔质量等。

常开式夹持器。一般采用液压夹紧、弹簧松开的方式，在不工作时处于松开状态。夹持器靠油缸的推力产生夹持力，油压的下降将直接引起夹持力的下降，一般需在油路上设置性能可靠的液压锁来保持压力。

常闭式夹持器。靠弹簧的预紧力夹紧钻具，油压松开，在不工作时，处于夹紧状态，常用在钻进大角度倾斜孔的钻机上。

液压松紧型夹持器。夹紧松开都由液压力实现，结构较为简单, 两侧油缸进油口分别通高压油时, 卡瓦跟随活塞运动向中心收拢，夹紧钻具，改变高压油入口，卡瓦则背离中心，松开钻具。该类夹持器结构对称，但是夹紧力容易受油压力变化的影响。

复合式液压夹持器。有主油缸和副油缸，副油缸侧连接一组碟簧，当高压油进人主油缸，推动主油缸缸体移动，通过顶柱将力传给副油缸侧的卡瓦座,碟簧被进一步压缩，卡瓦座移动；同时，在圆柱弹簧的作用下，主油缸侧卡瓦座移动，松开钻具。需要夹紧时，副油缸在油路上与动力头反转相连，当钻机反转拧卸钻具时，高压油同时进人副油缸，副油缸活塞对卡瓦座产生推力，与压缩的碟簧共同夹紧钻具。复合式夹持器开口量大、开启压力低、体积小、性能可靠、并且也可以实现突然断电时夹紧钻具，但结构设计比较复杂，重量非对称布置，在某些特定的使用场合可能引起一定的偏载。

二、 地层测试器

在钻井过程或完井之后，利用地层测试器对地层进行测试，获得在动态条件下地层流体样品特性、流速及地层压力随时间变化曲线，通过对这些资料的处理可以得到地层原始压力、平均有效渗透率等地层参数。地层测试技术包括钻杆地层测试和电缆地层测试。钻杆地层测试器发展比较成熟，应用广泛，电缆地层测试器的发展经历了从地层流体取样器、重复式地层测试器到组合式地层测试器的过程，电缆式地层测试不断更新换代，测试解释软件也日趋完善。

钻杆式地层测试器。钻杆式地层测试器是一种重要的地层测试方法，在国内外陆上勘探中应用十分广泛。它是钻井过程中或完井之后，利用钻杆将地层测试器送到待测层位，操作钻杆柱座封封隔器，使被测地层与环空钻井液隔离，然后操作管柱或对环空加压，按设计开启和关闭井下测试阀，释放钻井液对待测地层流体的压力，使地层流体流入管柱内，井下压力计和温度计记录井下压力和温度；按测试要求多次开关测试阀，完成测试作业。在测试后期采集地层流体。测试结束后封隔器解封，提出地层测试器，即可获得清洁的地层流体，并且能进行探边测试。

采用钻杆式地层测试器测得的数据，由于测试流量大、时间长，当压力扰动传播到上部或下部非渗透界面时，一般采用柱形压力恢复分析。但钻杆式地层测试器存在着测试时间长，测试费用高，测试层中生产的流体需要处理。另外，钻杆式地层测试还存在无法确定各向异性地层渗透率等缺点。

重复式地层测试器。重复式地层测试器是斯伦贝谢公司1974年研制出来的，斯伦贝谢公司称之为RFT。阿特拉斯公司和哈里伯顿公司分别研制出来功能类似的产品，分别称为FMT 和SFT。各公司的仪器尽管性能各有优劣，但仪器结构和主要功能相似。目前我国能够独立研制重复式地层测试器，而且国内石油勘探应用的电缆地层测试器主要是重复式地层测试器。

RFT的井下仪器可耐高温高压，外壳用特殊钢材制造。仪器下部有两个取样筒，一个容积为3780cm3，一个容积为10409 cm3。在裸眼井内测试，一次下井可以根据需要无数次地测取地层压力，并可以采集两支地层流体样品。在套管井内测试，一般每次下井可测多次地层压力和取两支流体样品。RFT 有两个预测室，容积均为10 cm3，两个预测室活塞运动速度恒定，即抽吸流量恒定。第一预测室抽吸流量约为44cm3/min，需要12-14s其活塞才能到达其行程终点。第二预测室抽吸量约为122cm3/min，大约需要7s其活塞才能到达其行程终点。

FMT 与RFT相类似，但是只有一个预测室。其取样筒体积有3875 cm3、4000 cm3、10000cm3、20000cm3四种，可根据不同的地层情况进行选择。

重复式地层测试器可以提供以下主要的信息：1. 井筒泥浆柱的静压剖面；2. 一口井各储层地层静压和压力梯度的垂直分布；3. 储层有效渗透率的垂直分布；4.水界面的判定；5. 流体取样测试点的地层生产特性测定；但是，重复式电缆测试器存在以下几方面的问题：（1） 仪器预测试室活塞移动速度不能调节，对不同的地层和流体条件适应能力差；（2） 预测试室容积小而且不能连续排液，仪器探测半径小，压力恢复曲线的代表性差；（3） 不能现场测定地层流体的泡点压力，不能保证压力测试和取样时探头处压力在泡点压力以上，因此压力测试精度不高，同时也影响取样质量；（4） 仪器只有一个探头，对地层垂向渗透率和各向异性测试精度低；（5） 不能现场实时监测和分析泵入仪器的地层流体，所以不能合理地确定采样开始时刻，导致采样质量下降或浪费钻井时间。

组合式地层测试器。组合式地层测试器采用模块化设计，可以根据测试需要安装不同的功能模块，仪器工作灵活性大。与重复式地层测试器相比，加大了预测室体积，增加了流动控制组件、连续泵排组件、多个取样筒、流体样品自动识别系统等；仪器的探测半径大，取样质量高，仪器一次下井可以对多点地层取样，对地层垂向渗透率和各向异性测试精度高。

组合式地层测试器结构和功能有如下的共同特征：1. 仪器的模块化提高了多用途的选择性；2. 压力测量采用高速响应、高精度的石英电子压力计使压力测量精确；3. 根据不同的地层特性，在地面控制和选取最佳的测试参数（流速、测试室体积等），保证取样流动压力一直高于饱和压力，因而能实现对各种地层的取样和测试；4. 具有较大的预测试室容积和连续泵排功能；5. 利用单探头和双探头组件的不同组合可以根据已知流量下的压力响应，反演渗透率的空间分布，得到储集层的垂向渗透率和地层的非均匀质性；6. 利用连续泵代替预测试室活塞排出侵入的泥浆滤液含量，决定开始采样时刻；这项功能在采用油基钻井液的系统中尤为重要；7. 采用多取样筒组件，仪器一次下井可以取得多层地层流体样品。