這種取樣方法多在油氣鉆井領域應用，由於科學鉆探所需的很多鉆探器械和鉆探方法都是從石油鉆井領域借鑒改進而來的，因此，這種側壁取樣方法也很值得科學鉆探超深孔側壁取樣研究借鑒。
旋轉式井壁取心技術方法最早出現於20世紀40年代，當時是用鉆桿下放到井內。這種取心方法可以從井壁上取得少量巖心，但仍然需要起下鉆具，操作比較復雜，費時費事而且成本較高，作用比較有限。為了提高井壁取心效率，後來就發展成為使用電纜起下井的旋轉式井壁取心器。近幾十年來，這種類型的取心器又經過不斷改進，得到了越來越多的應用。
圖4.10 西安石油勘探儀器廠連續切割式側壁取樣示意圖
這種取樣系統采用多芯電纜升降取心器具，並通過電纜給井下裝置提供動力，在地表有專門的控制表盤進行操作控制，井下取樣裝置主要由電動機、推靠定位裝置、鉆進取心機構、巖心卡斷機構、取樣筒轉移機構、密封裝置、巖心儲納裝置等組成，結構比較復雜，外徑通常較大，壹般要在大於170mm的孔徑才能使用。這種取樣方法具有自己獨特的優點，單顆巖心取樣時間短，壹次下井能在多點進行取心。而且這種取樣裝置鉆進巖心使用的是電動機或液壓馬達帶動金剛石鉆頭高速旋轉，能夠在較硬巖石中使用，鉆取的巖樣直徑及長度雖然較小，但多為圓柱形，比較規則且質量較高，能滿足地質多種分析的需要。近些年來，世界幾大石油服務公司對該種類型取樣器進行了大量的研究改進工作，取得了許多新型專利。前蘇聯也有自己壹系列這種類型的取心器，德國KTB主孔取心計劃中也將這種取心器作為應用於6000～10000m超深孔孔段的側壁補心器具進行研究改進。表4.4是旋轉式井壁取心技術的綜合調查表。下面，對這種類型的取心器，選擇具有代表性的壹些例子進行介紹。
4.5.1 Schlumberger公司的MSCT（Mechanical Sidewall Coring Tool）
Schlumberger公司是全球最早研制水平鉆進取樣器的公司，它在1947年就推出了自己研制的旋轉式井壁取心器。但是由於當時的儀器設備復雜、操作需要高超的技術沒有能夠被廣泛使用，大約在1955年停止使用（王世圻，1998）。1985年Schlumberger公司又研制了壹種新研制的硬巖側壁取樣裝置和方法———“Apparatus for Hard RockSidewallCoringinaBorehole”。這種取樣器綜合了各種旋轉式取樣器的特點，采用了先進的液壓技術，自動化程度比較高。圖4.11是Schlumberger公司在其網站上公布的最新的MSCT的圖片。
表4.4 旋轉式井壁取心技術調查表
圖4.11 MSCT 示意圖
據Schlumberger公司公布的MSCT的參數如下：
壹次下井取心數量：標準配置50顆，可選20～75顆；
巖心尺寸：直徑23.4mm，長度可選38.1mm～44.4mm；取心效率：3～5min/顆；
耐溫：177℃，最高可達218℃；
耐壓：138MPa，最高可達172MPa；
儀器外徑：136.5mm；
儀器長度：9.54m；
儀器質量：340kg；
適用井徑：158.7～482.6mm，通過更換配件，最小可在127mm井內使用。
4.5.2 Halliburton公司的RSCTTM（Rotary Sidewall Coring Tool）
美國的Halliburton公司也是為石油及天然氣行業提供產品及服務的供應商之壹。該公司擁有RSCTTM技術，這種技術最早是由Gearhart公司研制成功的。Halliburton公司於1988年收購了Gearhart公司。這種技術也就劃歸Halliburton公司名下。在德國進行KTB主孔6000～10000m孔段的取心設計時，曾將這種技術列為進行孔壁取心系統科研和開發的項目之壹。圖4.12是這種系統的示意圖。圖4.13是Halliburton公司網站公布的RSCTTM側壁取心鉆頭部分的圖片。
圖4.12 RSCT側壁取心鉆頭部分圖片
圖4.13 RSCT側壁取心鉆頭部分圖片
RSCT使用金剛石鉆頭垂直於鉆孔側壁進行鉆進，在鉆進的過程中時刻進行監控。在用伽馬射線進行深度定位之後，壹個推靠臂延伸出來，將鉆具牢牢地固定在所要取心的地層上。壹個以2000r/min進行旋轉的金剛石鉆頭從地層上切割下來壹塊直徑為23.8mm，長度為45mm的巖樣。通過控制施加於鉆頭的鉆壓通過地面控制來使鉆進最優化。
當巖樣被切割下來之後，通過鉆頭壹個輕微的垂直運動將巖樣從井壁上折斷取下來。然後，包含巖樣的鉆頭收縮回鉆具內部，巖樣被捅出，落到壹個用來盛巖心的巖心筒裏面。指示器顯示出取心成功與否和所取巖心的深度。鉆具隨後準備進行下壹個巖心點的取樣工作。
RSCT鉆具用來在密實地層進行取心，壹個帶有金剛石切削刃的管狀鉆頭用來切割巖心，補取的巖心呈圓柱狀。圖4.14是RSCT獲取的井壁巖心照片。
這套系統在測井工程車或墊木上獨立於其他系統之外進行工作。它只需要交流電源。同時，還需要壹個用來記錄γ射線相關數據的記錄儀器。這套井下裝置通過使用地面的控制面板進行控制。圖4.15是RSCT地面控制面板的照片。
圖4.14 RSCT獲取的井壁巖心照片
圖4.15 RSCT地面控制面板照片
RSCT鉆具有以下幾個特征：
1）壹個回次能夠鉆取30個或者更多個巖心；
2）能夠在大斜度測井系統或者撓性管測井系統上進行工作來獲取斜井、分支井和水平井中的巖心；
3）設計有巖心長度指示器，避免了在取心中靠猜測確定巖心的長度；
4）這套獨立的鉆具可以在第三方測井單元上工作。
Halliburton公司網站公布的RSCT的部分技術參數如表4.5所示。
表4.5 RSCT的技術參數表
4.5.3 Weatherford公司的RSCT（Rotary Sidewall Coring Tool）
Weatherford（威德福）公司也是壹家著名的提供油氣鉆井及相關技術服務的跨國公司，它也提供有旋轉式井壁取心技術產品Rotary Sidewall Coring Tool（RSCT），其產品的結構示意圖如圖4.16所示。其取得的巖心圖片如圖4.17所示。
其部分技術參數如下：
鉆頭類型：金剛石鉆頭；
鉆頭轉速：2000r/min；
單次下井取心數量：25；
適用鉆孔直徑：152～324mm；
儀器直徑：124mm；
儀器長度：5.1m；
適用最高溫度：149℃；
適用最高壓力：138MPa；
儀器質量：159kg；
巖心尺寸：直徑24mm，長度44mm。
圖4.16 Weatherford公司旋轉式井壁取心器（RSCT）示意圖
圖4.17 Weatherford公司旋轉式井壁取心器取心照片
4.5.4 前蘇聯的旋轉式側壁取樣技術
前蘇聯是研制旋轉式井壁取樣器最早的國家，尤其經過近幾十年來的努力，不斷改進提高，在沈積巖鉆井中現已進入實用階段。以下為全蘇ВНИИТИ（研究所）推出的系列井壁取樣器具。
（1）СКО-8-9型取樣器
該取樣器是前蘇聯首次在油氣勘探井中獲得廣泛使用的側壁取樣器。它可與普通的測井設備儀器使用，並由КТБ-6三芯鎧裝電纜放入鉆孔內。
СКО-8-9取樣器可供在孔深達3500m的無套管鉆孔內進行側壁取心。如圖4.18所示，整套設備包括控制臺1、操縱臺2、升壓變壓器3、絞車4、測井電纜5，以及放入孔內的側鉆式取樣器。
圖4.18 СКО-8-9型多次取樣器設備連接圖
取樣器的工作順序是：將它下放到孔內的取樣孔段，由地表操縱臺經測井電纜提供三相交流電，從而使取樣器的功能件起動，由此將取樣器壓緊在孔壁上，然後開始鉆進巖樣；當鉆具充分退出後（從操縱臺可觀察到），使取樣器及其與之相連的功能件反轉，因此帶有巖心的鉆具及壓桿（推靠臂）退回；隨後停止供應電能，並將取樣器移到新的取樣孔段上。
СКО-8-9側鉆式取樣器如圖4.19所示，電能經測井電纜及電纜頭13供給，巖樣由鑲入鉆具6端部的鉆頭8來鉆出，電動機18經錐齒輪和正齒輪裝置來實現鉆具的回轉。在鉆進巖樣的過程中，借助於壓桿19將取樣器壓在孔壁上，壓桿由活塞11推動。活塞泵3產生的液壓壓力使活塞在汽缸內運動，活塞泵也由電動機18帶動，也正是這個壓力作用在活塞與鉆具上，從而給回轉的鉆頭提供壹個鉆進所必需的軸向力。軸向力的大小可借助於給進調節器改變壓力的大小來調節，給進調節器的減壓閥通過微電機實現回轉。
在鉆進過程中，借助於沖洗泵9由充滿在鉆孔內的液體將鉆屑沖洗出去，沖洗泵由取樣器的液壓系統啟動。整個取樣器及液壓系統均充滿變壓器油。取樣器內部的壓力由活塞或孔內壓力補償器14來補償。為了防止孔內液體進入取樣器的內部（如果任壹密封元件密封失效時），補償器的彈簧便在取樣器內形成壹個相對於鉆孔的過剩壓力。取樣器鉆進巖心的速度可在操縱臺上通過改變變阻器20的阻力大小來控制，變阻器的滑塊與鉆具的活塞相連。
當鉆頭充分地鉆進孔壁之後，使電動機逆轉，並且改變液壓泵的回轉方向及液壓系統中液體的運動方向，從而使鉆具向後退出，並由巖心提斷器將巖心卡斷。巖心提斷器卡斷巖心是通過在加速-沖擊機構內產生的沖擊扭矩扭轉巖樣，同時拉緊鉆具來實現的。
在這種取樣器中，還包括壹個備用的裝置，以便當鉆進過程中取樣器不能工作時能剪切鉆入孔壁內的壹段鉆具，以及由彈簧10來拉緊壓桿（拉力為8～9kN）。
圖4.19 СКО-8-9型取樣器
圖4.19中的虛線代表取樣器的液壓回路。在鉆具向前鉆進時，泵3通過閥1將液體壓入，並由幹線16輸送到壓緊裝置的汽缸及沖洗泵9內，並且經給進調節器的活塞沿幹線17輸送到鉆具6的活塞。電動機逆轉時，改變液體的流動方向，經幹線4輸送到鉆具活塞和壓緊汽缸，液壓系統的壓力由閥2來調節。
（2）СКМ-8-9多次取樣器
СКО-8-9取樣器的使用表明，當保持最佳的鉆進規程參數，並且使用АСК-35/22金剛石鉆頭時，它可采集直徑為22mm，長度大於20mm的巖心。但是，隨著鉆孔深度的增加（>4000m），СКО-8-9的使用效率急劇下降，因為每個回次采集的巖樣數量少（最多為3個巖心），而且由於測井電纜的導線阻力增加，供給電動機的功率下降。因此研制了壹種新型的СКМ-8-9取樣器，它能保證在壹個回次中取到更多的樣品。
圖4.20 СКМ-8-9取樣器
圖4.20為СКМ-8-9取樣器的總圖。巖樣由鉆具6端部的鉆頭鉆進，動力電動機4經減速器5、16帶動鉆具回轉。在鉆進巖樣之前，借助於壓桿17和活塞9將取樣器壓向孔壁，活塞是在液壓泵3形成的壓力作用下移動的，而液壓泵由電動機4轉動。鉆具的給進以及在卡斷巖心之後返回是借助於活塞15並經作用在桿7上的拉桿11來實現的。鉆出的巖心彼此壓出，並落入盒8中，鉆進巖心時所需的軸向荷載由扼流型遙控調節器來調節，其大小取決巖層的性能。鉆屑通過沖洗泵的活塞12往復運動來實現沖洗，沖洗泵的上腔通道與鉆具的內腔相連。活塞口在液壓系統壓力的作用下周期性地移動，液壓系統先對動力活塞起作用。在鉆進過程中，根據鉆具鉆進傳感器14阻力的變化來控制鉆具6的鉆進速度。取樣器內工作液體的壓力借助於活塞式壓力補償器1來補償。為了處理取樣器內的事故，采用彈簧10來拉緊壓桿17。
使用表明，與СКО-8-9相比，СКМ-8-9取樣器具有下述優點：
1）壹個回次中能進行多次采樣；
2）電動機的液壓保護較好；
3）改進了鉆具的沖洗系統和鉆進過程，巖樣的質量好；
4）簡化了取樣器的操作。
（3）СКТ-1耐熱型取樣器
隨著鉆孔深度的增加，孔內的溫度也會增加，當溫度高於100℃時就不宜使用СКМ8 9型取樣器。為此，研制了壹種可在孔深達5000m，溫度為150℃的條件下使用的耐熱型取樣器，這種取樣器中各功能件采用機械驅動，並且采用獨立的沖洗裝置。
圖4.21為СКТ-1耐熱型取樣器。電纜頭接入輸入端密封的發光橋；補償器2用來平衡取樣器內部工作液體的壓力和孔內壓力；與驅動件相連的電動機3實現功能件的回轉及移動（將取樣器壓向孔壁，鉆具的回轉、給進和沖洗）；驅動件與外殼相連，外殼內布置有所有的執行機構。
萬向軸6將回轉傳遞給鉆進部件15，鉆進部件可引導桿14軸向移動。鉆具的內部有巖心提斷器，鉆頭擰入巖心提斷器的端部。鉆具在橡皮填料盒內回轉，這樣可密封外殼內部的腔體。在鉆具15的外殼上具有銷16，以固定與取樣器的軸線傾斜的仿形尺12。螺母7與仿形尺相連，而螺母可與驅動件4的導動螺桿13相互作用。仿形尺12還與沖洗活塞21相連。在外殼的下部布置有礦泥收集器22，收集器的腔體經旁道20與鉆具的內腔相連。為了存放鉆出的巖樣，使用巖心接收盒，並固定在可拆式蓋24上。
壓桿裝置23鉸接式地固定在外殼上，並通過操作把11和安全銷10將它與螺母9的卡爪相連，螺母與驅動件的絲桿8相互作用。鉆具15中具有巖心卡斷機構17、18、19和制動機構5，巖心卡斷機構在向前鉆進到達端點時起動。
СКТ-1取樣器的工作原理是：當取樣器固定在給定的取樣位置後，開動電動機3以驅動驅動件4，萬向軸6，導動螺桿13和絲桿8同時轉動。絲桿8帶動螺母9運動，從而使壓桿23以壹定的壓力將取樣器壓緊在孔壁上，此後，絲桿8停止轉動。同時，螺母7與螺母9壹起沿軸向移動，從而使仿形尺移動。仿形尺的移動實現了鉆具的回轉及鉆頭的給進，並使鉆具沖洗系統的活塞21移動。
在鉆具行程的終點，開動巖心卡斷機構17、18、19以及取樣器的制動機構5。制動機構是壹對圓錐形摩擦式離合器，它作用在中心軸及電力拖動上（當仿形尺的端部與制動套筒相互作用時）。
圖4.21 СКТ-1耐熱型取樣器
當取樣器停止之後（可從操縱臺上觀察到，因為這時電流急劇增加），使電力拖動逆動，並拉緊壓桿及鉆具。當執行機構恢復到原位時，安裝在驅動件內的棘輪機構使中心萬向軸停止轉動，因此，在不回轉鉆頭時拉緊鉆具，這樣排除了鉆頭的擰出，制動系統的圓錐體也不會妨礙起動（電動機逆動時）。驅動件實現鉆具的快速拉緊，給定的仿形尺形狀能保證先拉緊活塞，然後拉緊鉆具這壹順序，這樣才能由沖洗液將鉆出的巖樣吸入巖心接收盒。
試驗表明，與СКМ-8-9取樣器相比，尤其是在深度大，溫度高的鉆孔內使用時，СКТ-1取樣器具有以下優點：
1）由於沒有齒輪泵（幾乎消耗電動機的壹半功率），大大提高了取樣器的驅動效率；2）由於沒有調節閥、減壓閥、滑閥分配器，以及大量的液壓幹線和密封元件，因此提高了取樣器在深孔中工作的可靠性；
3）采用了獨立的沖洗系統，改進了巖心鉆進過程；
4）由於采用強制性的巖心卡斷機構，並用液壓方式將巖心送入接受盆中，因而提高了巖樣的采取率；
5）降低了由於鉆頭擰下而使取樣器無法采樣的次數；
6）減輕了取樣器的操作、預檢及修理工作。
表4.6列出了前蘇聯系列側壁取樣器的部分技術參數。
表4.6 前蘇聯側壁取樣器技術參數表
4.5.5 國產旋轉式井壁取心技術
我國旋轉式井壁取心技術研制起步較晚，剛開始主要是從國外油服公司引進同類儀器，但是實際應用效果不太理想。1986年，河南油田測井公司與北京航天自動控制研究所（航天壹院12所）歷經8年科技攻關，研制出了HH-1型旋轉式井壁取心器（田學信，2000），見圖4.22。
圖4.22 HH-1旋轉式井壁取心器
該裝置基本上是對Halliburton公司RSCT取心器的仿制，主要改進是在Halliburton公司產品壹個推靠臂的基礎上又增加了兩個推靠臂，增加的兩個推靠臂為輔助推靠臂，但在實際使用中，發現兩個輔助推靠臂所起的作用不是太大，因此，這種井壁取心器的實際使用效果也不是十分理想。
由於HH-1旋轉式井壁取心器的使用效果不是很理想，國內壹些公司在它的基礎上又進行了壹些研發和改進，保留了HH-1型的內部執行機構，改進後的使用效果仍然不是十分滿意。在眾多改進中，北京華能通達能源科技公司的工作相對比較突出。該公司生產的井壁取心器命名為FCT（Formation Coring Tool）旋轉式井壁取心器（圖4.23）。該儀器部分技術參數如下：
長度6.8m；重量180kg；最大直徑127mm；壹次下井可取巖心數量25顆；巖樣尺寸直徑25mm，長度50mm；耐溫150℃；耐壓100MPa。
目前，國內還能提供旋轉式井壁取心技術服務的公司還有中海油田（COSL）和中油測井（CNLC）兩家公司。這兩家公司的取心器主要是引進國外的同類產品或者是對國外產品的仿制。
圖4.23 FCT旋轉式井壁取心器