GQX121型小井眼取心工具研制

湯歷平，余岱林，董仕明，劉 彬，姚建林，姚坤鵬

(1. 西南石油大學 機電工程學院，成都 610500;2. 四川川慶石油鉆采科技有限公司，四川 廣漢 618000)

巖石取心鉆探一直是地下工程勘測過程中獲取地質基礎資料最重要的方法，這一技術也廣泛應用于油氣勘探中。隨著油氣開發朝著深井超深井小井眼方向發展，鉆井取心難度也隨之增加。深部巖石由于受到高應力場和變化溫度場的影響，使巖石硬度增加、塑性增強、研磨性增大[1-3]，這種環境下對取心工具的強度和可靠性提出了更高的要求，合理的筒體結構、流體流道結構及高強度取心螺紋接頭的設計能保證復雜地層條件下取心作業的穩定性。

為了適應不同的地層條件和作業工況，取心工具的結構與工作原理也有所不同。針對各種復雜地層，出現了雙巖心爪取心工具、小直徑高強度取心工具、泵吸式局部反循環取心工具、自鎖式繩索取心工具等[4-7]。近年來，地質勘測對巖心的要求越來越高，又相繼出現了保壓取心工具、原位連續取心工具等[8-9]，實現了對巖心保壓、保溫、保質的功能。復雜的地層環境不僅需要配套個性化的取心工具，相應的取心工藝也是取心作業中的關鍵。針對不同取心條件，通過優化取心筒、取心水力參數等，形成適用于特定地層、井型的取心工藝至關重要[10-16]。以現有常規121型取心工具為基礎，研制出GQX121型小井眼取心工具。介紹了其結構與工作原理、關鍵設計技術以及現場應用情況。

1 工具結構

GQX121型小井眼取心工具整體結構如圖1所示，其上部由上接頭、連接外筒、半環、軸承、軸承套及心軸組成，上接頭下端有直徑不同的兩處外螺紋，其中大端外螺紋與連接外筒上部內螺紋連接，小端外螺紋與軸承套上部內螺紋連接。心軸上部臺肩處設有軸承，并通過半環將其限制在軸承套與上接頭之間，其作用主要是懸掛心軸及下部內筒總成，使鉆進取心時內筒不隨外筒轉動。心軸下部與壓帽及內筒上部通過螺紋連接，制動環固定連接在壓帽與內筒上部之間，共同組成調距機構，對巖心爪組和取心鉆頭內臺肩之間的間隙進行調節。工具下部由自鎖式巖心爪組件及取心鉆頭組成，而自鎖式巖心爪又由卡箍及爪體構成(如圖2所示)，卡箍上部與內筒下部通過螺紋連接，取心鉆頭上部與外筒下部通過螺紋連接。

圖1 GQX121型小井眼取心工具結構示意

圖2 心軸分流孔及巖心爪處橫剖面示意

2 工作原理

工具上接頭與鉆桿相連，當取心工具鉆進取心時，通過鉆桿傳遞鉆壓和轉矩。工具上接頭大端螺紋與連接外筒相連，小端螺紋與軸承套相連。心軸上端與半環、軸承及軸承套組成懸掛系統，心軸下端通過螺紋與制動環、壓帽及內筒相連，可以起到相互制動的作用，并且可以調節巖心爪組件與取心鉆頭之間的間隙。連接外筒下端與外筒上端相連，外筒下端與取心鉆頭相連。通過鉆桿傳遞的鉆壓和轉矩驅動取心鉆頭鉆進并破巖時，心軸及內筒在軸承的作用下將不隨鉆頭一起轉動，從而可以更好地保護巖心。

取心過程主要分為3個部分：

1) 鉆進取心。如圖3a所示。樹心作業完成之后，取心鉆頭在規定的鉆進取心參數下向下鉆進，巖心通過取心鉆頭中部圓孔成形并進入內筒中。

2) 上提鉆具。鉆進取心作業完成后，上提鉆具，如圖3b所示，此時縮徑卡箍上移，帶動爪體收縮并夾緊巖心。鉆具上提拉力越大爪體產生的收縮力越大。

3) 起出巖心。當鉆具上提拉力使巖心達到抗拉強度后，巖心被拉斷并隨著鉆具一起被上提至地面，完成取心，如圖3c所示。

圖3 取心過程示意

3 關鍵技術分析

3.1 取心外筒強度校核

取心工具鉆進取心時主要承受壓力和轉矩，由于取心工具內筒在軸承的作用下不隨鉆頭一起轉動，所以外筒為主要受力部件。外筒段長徑比較大，其強度應滿足取心要求。根據實際工況，取鉆壓100 kN，轉矩5 000 N·m。取心外筒直徑為121 mm，內徑為93 mm。材料為42CrMo鋼，其力學性能參數如表1所示。

表1 42CrMo鋼材料的力學性能參數

選用第三強度理論作為取心外筒的強度設計準則，其相當應力σr3為：

式中：σr3為相當應力；σ為彎曲正應力；τ為扭轉切應力；[σ]為許用應力。

外筒的抗扭截面系數為：

式中：Wp為抗扭截面系數；D為外筒直徑；α為外筒內外徑之比。

將上述參數代入公式可得，σr3約為49.09 MPa，遠小于其許用應力，故外筒強度合格。

3.2 心軸流場特性分析

鉆進取心時，設定鉆井液壓力為20 MPa，常規取心工具心軸處的速度流場如圖4，GQX型取心工具心軸分流孔處速度流場如圖5所示。由圖4～5可以看出，常規取心工具心軸處的流速高于GQX型取心工具心軸處的流速，且常規取心工具的速度流場分布于環形腔室四周。GQX型取心工具上接頭處的鉆井液流速為5.67 m/s，當鉆井液流至中部縮徑段處時流速激增至14.17 m/s。當鉆井液流至心軸分流孔時，分流孔下部流速明顯高于上部流速。但是，鉆井液從分流孔流出后速度平滑過度而不會出現突變，說明其心軸處的泄壓效果明顯，有利于防止鉆井液對流道孔的沖蝕。

圖4 常規取心工具心軸處速度流場

圖5 GQX型取心工具心軸處速度流場

3.3 連接螺紋強度

1) 極限轉矩與壓力。

GQX121型小井眼取心工具適用于小井眼深井超深井取心，因此其螺紋接頭處的強度應滿足高強度條件。對設計的高強度特殊錐螺紋進行數值仿真分析，當施加16 kN·m轉矩時特殊錐螺紋達到屈服強度，由圖6可知，特殊錐螺紋接頭處的最大應力值出現在外螺紋外端面與內螺紋內臺肩接觸部位及內螺紋第1螺紋牙根部與對應外螺紋牙根部接觸部位。當施加2 300 kN軸向壓力時特殊錐螺紋達到屈服強度，由圖7可知，特殊錐螺紋接頭處的最大應力值出現在內外螺紋臺肩處。

圖6 施加16 kN·m轉矩時特殊錐螺紋接頭應力云圖

圖7 施加2 300 kN壓力時特殊錐螺紋接頭應力云圖

2) 抗扭特性。

GQX121型小井眼取心工具與常規121型取心工具螺紋接頭相比，前者具有更高的抗扭強度，如圖8所示，在同樣施加6 kN·m轉矩時，GQX121型小井眼取心工具螺紋接頭處最大等效應力值為435.02 MPa，而常規121型取心工具螺紋接頭處最大應力值為692.69 MPa。特殊錐螺紋接頭處的最大應力值出現在外螺紋外端面與內螺紋內臺肩接觸部位及內螺紋第1螺紋牙根部與對應外螺紋牙根部接觸部位，而常規螺紋接頭處的最大應力值出現在內螺紋端面與外螺紋臺肩接觸部位。特殊錐螺紋與常規螺紋接頭在不同轉矩條件下的最大應力值如圖9所示，可知，特殊錐螺紋抗扭載荷比常規螺紋抗扭載荷高約37%。

圖8 施加6 kN·m轉矩時特殊錐螺紋和常規錐螺紋接頭應力云圖

圖9 特殊錐螺紋與常規螺紋接頭在不同扭矩條件下的最大應力值

3) 抗壓特性。

GQX121型小井眼取心工具與常規121型取心工具螺紋接頭相比，前者具有更高的極限壓力，如圖10所示，在同樣施加80 kN軸向壓力時，GQX121型小井眼取心工具螺紋接頭處最大等效應力值為42.48 MPa，而常規121型取心工具螺紋接頭處最大應力值為50.42 MPa，特殊錐螺紋和常規螺紋接頭處的最大應力值都出現在內螺紋臺肩處。特殊錐螺紋與常規螺紋接頭在不同壓力條件下的最大應力值如圖11所示，由圖可知，在相同條件下，特殊錐螺紋應力比常規螺紋應力更低，且隨著壓力的增大，特殊錐螺紋應力與常規螺紋抗應力之差也隨之增大。

圖10 施加80 kN軸向壓力時特殊錐螺紋和常規錐螺紋接頭應力云圖

圖11 特殊錐螺紋與常規螺紋接頭在不同軸向壓力條件下的最大應力值

4 現場應用

4.1 現場基本情況

蓬深1井是部署在四川盆地磨溪北斜坡的1口預探井，鉆探目的為探索磨溪-龍女寺北部龍王廟組、燈影組構造巖性圈閉含油氣性，拓展勘探領域。在?149.225 mm(5英寸)井眼燈影組燈四段，井段7 256.63～7 284.91 m采用GQX121型取心工具進行雙筒常規取心作業2筒次，累計取心進尺28.28 m，巖心總長27.75 m，巖心平均收獲率98.13%。

4.2 取心情況

1) 鉆具組合。

考慮到井下可能存在井漏、溢流等復雜情況，在取心工具上部接止回閥、旁通閥。下部鉆具組合：?148 mm CQT558孕鑲金剛石取心鉆頭(0.26 m)+GQX121-66取心工具(17.05 m)+回壓閥×2+?121 mm鉆鋌(3根)+旁通閥+?121 mm鉆鋌(18根)+轉換接頭+?101 mm鉆桿×2 998.65 m+轉換接頭+?139.7 mm鉆桿+頂驅。

2) 取心參數。

樹心：鉆壓10～20 kN，轉速45 r/min，排量8～10 L/s。

鉆進：鉆壓20～50 kN，轉速45～60 r/min，排量9～12 L/s。

5 結論

1) 為了滿足深井、超深井小井眼巖層的取心要求，研制了GQX121型小井眼取心工具。

2) 對該取心工具進行流場數值仿真分析，結果顯示，由于心軸分流孔設計為斜孔，所以鉆井液從分流孔流出后速度能夠平穩過度，不會出現突變，有利于防止鉆井液對流道孔的沖蝕。

3) 對GQX121型小井眼取心工具的螺紋接頭進行數值仿真分析，結果表明：特殊錐螺紋接頭的極限轉矩為16 kN·m，極限抗壓載荷為2 300 kN。與常規121型取心工具螺紋接頭相比，其強度提高了37%。

4) 在蓬深1井149.225 mm(5英寸)井眼，燈影組燈四段，井段7 256.63～7 284.91 m進行雙筒常規取心作業2筒次，累計取心進尺28.28 m，巖心總長27.75 m，巖心平均收獲率98.13%。