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(xué) 機(jī)電工程學(xué)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(zhì)基礎(chǔ)資料最重要的方法，這一技術(shù)也廣泛應(yīng)用于油氣勘探中。隨著油氣開發(fā)朝著深井超深井小井眼方向發(fā)展，鉆井取心難度也隨之增加。深部巖石由于受到高應(yīng)力場和變化溫度場的影響，使巖石硬度增加、塑性增強(qiáng)、研磨性增大[1-3]，這種環(huán)境下對取心工具的強(qiáng)度和可靠性提出了更高的要求，合理的筒體結(jié)構(gòu)、流體流道結(jié)構(gòu)及高強(qiáng)度取心螺紋接頭的設(shè)計(jì)能保證復(fù)雜地層條件下取心作業(yè)的穩(wěn)定性。

為了適應(yīng)不同的地層條件和作業(yè)工況，取心工具的結(jié)構(gòu)與工作原理也有所不同。針對各種復(fù)雜地層，出現(xiàn)了雙巖心爪取心工具、小直徑高強(qiáng)度取心工具、泵吸式局部反循環(huán)取心工具、自鎖式繩索取心工具等[4-7]。近年來，地質(zhì)勘測對巖心的要求越來越高，又相繼出現(xiàn)了保壓取心工具、原位連續(xù)取心工具等[8-9]，實(shí)現(xiàn)了對巖心保壓、保溫、保質(zhì)的功能。復(fù)雜的地層環(huán)境不僅需要配套個(gè)性化的取心工具，相應(yīng)的取心工藝也是取心作業(yè)中的關(guān)鍵。針對不同取心條件，通過優(yōu)化取心筒、取心水力參數(shù)等，形成適用于特定地層、井型的取心工藝至關(guān)重要[10-16]。以現(xiàn)有常規(guī)121型取心工具為基礎(chǔ)，研制出GQX121型小井眼取心工具。介紹了其結(jié)構(gòu)與工作原理、關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)以及現(xiàn)場應(yīng)用情況。

1 工具結(jié)構(gòu)

GQX121型小井眼取心工具整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，其上部由上接頭、連接外筒、半環(huán)、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(nèi)螺紋連接，小端外螺紋與軸承套上部內(nèi)螺紋連接。心軸上部臺肩處設(shè)有軸承，并通過半環(huán)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(nèi)筒總成，使鉆進(jìn)取心時(shí)內(nèi)筒不隨外筒轉(zhuǎn)動。心軸下部與壓帽及內(nèi)筒上部通過螺紋連接，制動環(huán)固定連接在壓帽與內(nèi)筒上部之間，共同組成調(diào)距機(jī)構(gòu)，對巖心爪組和取心鉆頭內(nèi)臺肩之間的間隙進(jìn)行調(diào)節(jié)。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(gòu)成(如圖2所示)，卡箍上部與內(nèi)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(jié)構(gòu)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(dāng)取心工具鉆進(jìn)取心時(shí)，通過鉆桿傳遞鉆壓和轉(zhuǎn)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(huán)、軸承及軸承套組成懸掛系統(tǒng)，心軸下端通過螺紋與制動環(huán)、壓帽及內(nèi)筒相連，可以起到相互制動的作用，并且可以調(diào)節(jié)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(zhuǎn)矩驅(qū)動取心鉆頭鉆進(jìn)并破巖時(shí)，心軸及內(nèi)筒在軸承的作用下將不隨鉆頭一起轉(zhuǎn)動，從而可以更好地保護(hù)巖心。

取心過程主要分為3個(gè)部分：

1) 鉆進(jìn)取心。如圖3a所示。樹心作業(yè)完成之后，取心鉆頭在規(guī)定的鉆進(jìn)取心參數(shù)下向下鉆進(jìn)，巖心通過取心鉆頭中部圓孔成形并進(jìn)入內(nèi)筒中。

2) 上提鉆具。鉆進(jìn)取心作業(yè)完成后，上提鉆具，如圖3b所示，此時(shí)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(chǎn)生的收縮力越大。

3) 起出巖心。當(dāng)鉆具上提拉力使巖心達(dá)到抗拉強(qiáng)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(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 取心外筒強(qiáng)度校核

取心工具鉆進(jìn)取心時(shí)主要承受壓力和轉(zhuǎn)矩，由于取心工具內(nèi)筒在軸承的作用下不隨鉆頭一起轉(zhuǎn)動，所以外筒為主要受力部件。外筒段長徑比較大，其強(qiáng)度應(yīng)滿足取心要求。根據(jù)實(shí)際工況，取鉆壓100 kN，轉(zhuǎn)矩5 000 N·m。取心外筒直徑為121 mm，內(nèi)徑為93 mm。材料為42CrMo鋼，其力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。

表1 42CrMo鋼材料的力學(xué)性能參數(shù)

選用第三強(qiáng)度理論作為取心外筒的強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，其相當(dāng)應(yīng)力σr3為：

式中：σr3為相當(dāng)應(yīng)力；σ為彎曲正應(yīng)力；τ為扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力；[σ]為許用應(yīng)力。

外筒的抗扭截面系數(shù)為：

式中：Wp為抗扭截面系數(shù)；D為外筒直徑；α為外筒內(nèi)外徑之比。

將上述參數(shù)代入公式可得，σr3約為49.09 MPa，遠(yuǎn)小于其許用應(yīng)力，故外筒強(qiáng)度合格。

3.2 心軸流場特性分析

鉆進(jìn)取心時(shí)，設(shè)定鉆井液壓力為20 MPa，常規(guī)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(guī)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(guī)取心工具的速度流場分布于環(huán)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(dāng)鉆井液流至中部縮徑段處時(shí)流速激增至14.17 m/s。當(dāng)鉆井液流至心軸分流孔時(shí)，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(xiàn)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(guī)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(qiáng)度

1) 極限轉(zhuǎn)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(qiáng)度應(yīng)滿足高強(qiáng)度條件。對設(shè)計(jì)的高強(qiáng)度特殊錐螺紋進(jìn)行數(shù)值仿真分析，當(dāng)施加16 kN·m轉(zhuǎn)矩時(shí)特殊錐螺紋達(dá)到屈服強(qiáng)度，由圖6可知，特殊錐螺紋接頭處的最大應(yīng)力值出現(xiàn)在外螺紋外端面與內(nèi)螺紋內(nèi)臺肩接觸部位及內(nèi)螺紋第1螺紋牙根部與對應(yīng)外螺紋牙根部接觸部位。當(dāng)施加2 300 kN軸向壓力時(shí)特殊錐螺紋達(dá)到屈服強(qiáng)度，由圖7可知，特殊錐螺紋接頭處的最大應(yīng)力值出現(xiàn)在內(nèi)外螺紋臺肩處。

圖6 施加16 kN·m轉(zhuǎn)矩時(shí)特殊錐螺紋接頭應(yīng)力云圖

圖7 施加2 300 kN壓力時(shí)特殊錐螺紋接頭應(yīng)力云圖

2) 抗扭特性。

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

圖8 施加6 kN·m轉(zhuǎn)矩時(shí)特殊錐螺紋和常規(guī)錐螺紋接頭應(yīng)力云圖

圖9 特殊錐螺紋與常規(guī)螺紋接頭在不同扭矩條件下的最大應(yīng)力值

3) 抗壓特性。

GQX121型小井眼取心工具與常規(guī)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(shí)，GQX121型小井眼取心工具螺紋接頭處最大等效應(yīng)力值為42.48 MPa，而常規(guī)121型取心工具螺紋接頭處最大應(yīng)力值為50.42 MPa，特殊錐螺紋和常規(guī)螺紋接頭處的最大應(yīng)力值都出現(xiàn)在內(nèi)螺紋臺肩處。特殊錐螺紋與常規(guī)螺紋接頭在不同壓力條件下的最大應(yīng)力值如圖11所示，由圖可知，在相同條件下，特殊錐螺紋應(yīng)力比常規(guī)螺紋應(yīng)力更低，且隨著壓力的增大，特殊錐螺紋應(yīng)力與常規(guī)螺紋抗應(yīng)力之差也隨之增大。

圖10 施加80 kN軸向壓力時(shí)特殊錐螺紋和常規(guī)錐螺紋接頭應(yīng)力云圖

圖11 特殊錐螺紋與常規(guī)螺紋接頭在不同軸向壓力條件下的最大應(yīng)力值

4 現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 現(xiàn)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(yù)探井，鉆探目的為探索磨溪-龍女寺北部龍王廟組、燈影組構(gòu)造巖性圈閉含油氣性，拓展勘探領(lǐng)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(jìn)行雙筒常規(guī)取心作業(yè)2筒次，累計(jì)取心進(jìn)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(fù)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(zhuǎn)換接頭+?101 mm鉆桿×2 998.65 m+轉(zhuǎn)換接頭+?139.7 mm鉆桿+頂驅(qū)。

2) 取心參數(shù)。

樹心：鉆壓10～20 kN，轉(zhuǎn)速45 r/min，排量8～10 L/s。

鉆進(jìn)：鉆壓20～50 kN，轉(zhuǎn)速45～60 r/min，排量9～12 L/s。

5 結(jié)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(jìn)行流場數(shù)值仿真分析，結(jié)果顯示，由于心軸分流孔設(shè)計(jì)為斜孔，所以鉆井液從分流孔流出后速度能夠平穩(wěn)過度，不會出現(xiàn)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(jìn)行數(shù)值仿真分析，結(jié)果表明：特殊錐螺紋接頭的極限轉(zhuǎn)矩為16 kN·m，極限抗壓載荷為2 300 kN。與常規(guī)121型取心工具螺紋接頭相比，其強(qiáng)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(jìn)行雙筒常規(guī)取心作業(yè)2筒次，累計(jì)取心進(jìn)尺28.28 m，巖心總長27.75 m，巖心平均收獲率98.13%。