GQX121型小井眼取心工具研制

汤历平，余岱林，董仕明，刘 彬，姚建林，姚坤鹏

(1. 西南石油大学 机电工程学院，成都 610500;2. 四川川庆石油钻采科技有限公司，四川 广汉 618000)

岩石取心钻探一直是地下工程勘测过程中获取地质基础资料最重要的方法，这一技术也广泛应用于油气勘探中。随着油气开发朝着深井超深井小井眼方向发展，钻井取心难度也随之增加。深部岩石由于受到高应力场和变化温度场的影响，使岩石硬度增加、塑性增强、研磨性增大[1-3]，这种环境下对取心工具的强度和可靠性提出了更高的要求，合理的筒体结构、流体流道结构及高强度取心螺纹接头的设计能保证复杂地层条件下取心作业的稳定性。

为了适应不同的地层条件和作业工况，取心工具的结构与工作原理也有所不同。针对各种复杂地层，出现了双岩心爪取心工具、小直径高强度取心工具、泵吸式局部反循环取心工具、自锁式绳索取心工具等[4-7]。近年来，地质勘测对岩心的要求越来越高，又相继出现了保压取心工具、原位连续取心工具等[8-9]，实现了对岩心保压、保温、保质的功能。复杂的地层环境不仅需要配套个性化的取心工具，相应的取心工艺也是取心作业中的关键。针对不同取心条件，通过优化取心筒、取心水力参数等，形成适用于特定地层、井型的取心工艺至关重要[10-16]。以现有常规121型取心工具为基础，研制出GQX121型小井眼取心工具。介绍了其结构与工作原理、关键设计技术以及现场应用情况。

1 工具结构

GQX121型小井眼取心工具整体结构如图1所示，其上部由上接头、连接外筒、半环、轴承、轴承套及心轴组成，上接头下端有直径不同的两处外螺纹，其中大端外螺纹与连接外筒上部内螺纹连接，小端外螺纹与轴承套上部内螺纹连接。心轴上部台肩处设有轴承，并通过半环将其限制在轴承套与上接头之间，其作用主要是悬挂心轴及下部内筒总成，使钻进取心时内筒不随外筒转动。心轴下部与压帽及内筒上部通过螺纹连接，制动环固定连接在压帽与内筒上部之间，共同组成调距机构，对岩心爪组和取心钻头内台肩之间的间隙进行调节。工具下部由自锁式岩心爪组件及取心钻头组成，而自锁式岩心爪又由卡箍及爪体构成(如图2所示)，卡箍上部与内筒下部通过螺纹连接，取心钻头上部与外筒下部通过螺纹连接。

图1 GQX121型小井眼取心工具结构示意

图2 心轴分流孔及岩心爪处横剖面示意

2 工作原理

工具上接头与钻杆相连，当取心工具钻进取心时，通过钻杆传递钻压和转矩。工具上接头大端螺纹与连接外筒相连，小端螺纹与轴承套相连。心轴上端与半环、轴承及轴承套组成悬挂系统，心轴下端通过螺纹与制动环、压帽及内筒相连，可以起到相互制动的作用，并且可以调节岩心爪组件与取心钻头之间的间隙。连接外筒下端与外筒上端相连，外筒下端与取心钻头相连。通过钻杆传递的钻压和转矩驱动取心钻头钻进并破岩时，心轴及内筒在轴承的作用下将不随钻头一起转动，从而可以更好地保护岩心。

取心过程主要分为3个部分：

1) 钻进取心。如图3a所示。树心作业完成之后，取心钻头在规定的钻进取心参数下向下钻进，岩心通过取心钻头中部圆孔成形并进入内筒中。

2) 上提钻具。钻进取心作业完成后，上提钻具，如图3b所示，此时缩径卡箍上移，带动爪体收缩并夹紧岩心。钻具上提拉力越大爪体产生的收缩力越大。

3) 起出岩心。当钻具上提拉力使岩心达到抗拉强度后，岩心被拉断并随着钻具一起被上提至地面，完成取心，如图3c所示。

图3 取心过程示意

3 关键技术分析

3.1 取心外筒强度校核

取心工具钻进取心时主要承受压力和转矩，由于取心工具内筒在轴承的作用下不随钻头一起转动，所以外筒为主要受力部件。外筒段长径比较大，其强度应满足取心要求。根据实际工况，取钻压100 kN，转矩5 000 N·m。取心外筒直径为121 mm，内径为93 mm。材料为42CrMo钢，其力学性能参数如表1所示。

表1 42CrMo钢材料的力学性能参数

选用第三强度理论作为取心外筒的强度设计准则，其相当应力σr3为：

式中：σr3为相当应力；σ为弯曲正应力；τ为扭转切应力；[σ]为许用应力。

外筒的抗扭截面系数为：

式中：Wp为抗扭截面系数；D为外筒直径；α为外筒内外径之比。

将上述参数代入公式可得，σr3约为49.09 MPa，远小于其许用应力，故外筒强度合格。

3.2 心轴流场特性分析

钻进取心时，设定钻井液压力为20 MPa，常规取心工具心轴处的速度流场如图4，GQX型取心工具心轴分流孔处速度流场如图5所示。由图4～5可以看出，常规取心工具心轴处的流速高于GQX型取心工具心轴处的流速，且常规取心工具的速度流场分布于环形腔室四周。GQX型取心工具上接头处的钻井液流速为5.67 m/s，当钻井液流至中部缩径段处时流速激增至14.17 m/s。当钻井液流至心轴分流孔时，分流孔下部流速明显高于上部流速。但是，钻井液从分流孔流出后速度平滑过度而不会出现突变，说明其心轴处的泄压效果明显，有利于防止钻井液对流道孔的冲蚀。

图4 常规取心工具心轴处速度流场

图5 GQX型取心工具心轴处速度流场

3.3 连接螺纹强度

1) 极限转矩与压力。

GQX121型小井眼取心工具适用于小井眼深井超深井取心，因此其螺纹接头处的强度应满足高强度条件。对设计的高强度特殊锥螺纹进行数值仿真分析，当施加16 kN·m转矩时特殊锥螺纹达到屈服强度，由图6可知，特殊锥螺纹接头处的最大应力值出现在外螺纹外端面与内螺纹内台肩接触部位及内螺纹第1螺纹牙根部与对应外螺纹牙根部接触部位。当施加2 300 kN轴向压力时特殊锥螺纹达到屈服强度，由图7可知，特殊锥螺纹接头处的最大应力值出现在内外螺纹台肩处。

图6 施加16 kN·m转矩时特殊锥螺纹接头应力云图

图7 施加2 300 kN压力时特殊锥螺纹接头应力云图

2) 抗扭特性。

GQX121型小井眼取心工具与常规121型取心工具螺纹接头相比，前者具有更高的抗扭强度，如图8所示，在同样施加6 kN·m转矩时，GQX121型小井眼取心工具螺纹接头处最大等效应力值为435.02 MPa，而常规121型取心工具螺纹接头处最大应力值为692.69 MPa。特殊锥螺纹接头处的最大应力值出现在外螺纹外端面与内螺纹内台肩接触部位及内螺纹第1螺纹牙根部与对应外螺纹牙根部接触部位，而常规螺纹接头处的最大应力值出现在内螺纹端面与外螺纹台肩接触部位。特殊锥螺纹与常规螺纹接头在不同转矩条件下的最大应力值如图9所示，可知，特殊锥螺纹抗扭载荷比常规螺纹抗扭载荷高约37%。

图8 施加6 kN·m转矩时特殊锥螺纹和常规锥螺纹接头应力云图

图9 特殊锥螺纹与常规螺纹接头在不同扭矩条件下的最大应力值

3) 抗压特性。

GQX121型小井眼取心工具与常规121型取心工具螺纹接头相比，前者具有更高的极限压力，如图10所示，在同样施加80 kN轴向压力时，GQX121型小井眼取心工具螺纹接头处最大等效应力值为42.48 MPa，而常规121型取心工具螺纹接头处最大应力值为50.42 MPa，特殊锥螺纹和常规螺纹接头处的最大应力值都出现在内螺纹台肩处。特殊锥螺纹与常规螺纹接头在不同压力条件下的最大应力值如图11所示，由图可知，在相同条件下，特殊锥螺纹应力比常规螺纹应力更低，且随着压力的增大，特殊锥螺纹应力与常规螺纹抗应力之差也随之增大。

图10 施加80 kN轴向压力时特殊锥螺纹和常规锥螺纹接头应力云图

图11 特殊锥螺纹与常规螺纹接头在不同轴向压力条件下的最大应力值

4 现场应用

4.1 现场基本情况

蓬深1井是部署在四川盆地磨溪北斜坡的1口预探井，钻探目的为探索磨溪-龙女寺北部龙王庙组、灯影组构造岩性圈闭含油气性，拓展勘探领域。在ø149.225 mm(5英寸)井眼灯影组灯四段，井段7 256.63～7 284.91 m采用GQX121型取心工具进行双筒常规取心作业2筒次，累计取心进尺28.28 m，岩心总长27.75 m，岩心平均收获率98.13%。

4.2 取心情况

1) 钻具组合。

考虑到井下可能存在井漏、溢流等复杂情况，在取心工具上部接止回阀、旁通阀。下部钻具组合：ø148 mm CQT558孕镶金刚石取心钻头(0.26 m)+GQX121-66取心工具(17.05 m)+回压阀×2+ø121 mm钻铤(3根)+旁通阀+ø121 mm钻铤(18根)+转换接头+ø101 mm钻杆×2 998.65 m+转换接头+ø139.7 mm钻杆+顶驱。

2) 取心参数。

树心：钻压10～20 kN，转速45 r/min，排量8～10 L/s。

钻进：钻压20～50 kN，转速45～60 r/min，排量9～12 L/s。

5 结论

1) 为了满足深井、超深井小井眼岩层的取心要求，研制了GQX121型小井眼取心工具。

2) 对该取心工具进行流场数值仿真分析，结果显示，由于心轴分流孔设计为斜孔，所以钻井液从分流孔流出后速度能够平稳过度，不会出现突变，有利于防止钻井液对流道孔的冲蚀。

3) 对GQX121型小井眼取心工具的螺纹接头进行数值仿真分析，结果表明：特殊锥螺纹接头的极限转矩为16 kN·m，极限抗压载荷为2 300 kN。与常规121型取心工具螺纹接头相比，其强度提高了37%。

4) 在蓬深1井149.225 mm(5英寸)井眼，灯影组灯四段，井段7 256.63～7 284.91 m进行双筒常规取心作业2筒次，累计取心进尺28.28 m，岩心总长27.75 m，岩心平均收获率98.13%。