保形取心工具內(nèi)筒的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

◇中海油田服務(wù)股份有限公司工程勘察作業(yè)公司 劉 林

常規(guī)的保形取心工具由鋼外筒、鋼內(nèi)筒和無(wú)螺紋的鋁合金襯筒三層組成。為了提高作業(yè)時(shí)效并降低取心作業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度，本文將該工具中的鋼內(nèi)筒和鋁合金襯筒合二為一，設(shè)計(jì)加工了鋁合金材質(zhì)的內(nèi)筒。通過(guò)數(shù)值計(jì)算和有限元分析的方法對(duì)鋁合金內(nèi)筒的強(qiáng)度進(jìn)行了校核，設(shè)計(jì)了適用于鋁合金內(nèi)筒的專(zhuān)用螺紋，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)的方法驗(yàn)證了鋁合金內(nèi)筒及螺紋的抗拉和抗壓強(qiáng)度符合取心工藝的要求，最后在海上油田三口取心井中進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。實(shí)踐表明鋁合金內(nèi)筒能夠滿足各類(lèi)保形取心工具對(duì)取心筒內(nèi)筒抗壓和抗拉強(qiáng)度的要求，提高了作業(yè)時(shí)效，明顯降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。

保形取心作為常用的特殊工藝取心技術(shù)廣泛應(yīng)用于疏松地層取心、風(fēng)化殼及破碎帶取心、頁(yè)巖氣井取心等重點(diǎn)作業(yè)領(lǐng)域。常規(guī)的保形取心工具通常包含鋼外筒、鋼內(nèi)筒和鋁合金襯筒（保形筒）三層筒，其中鋼外筒在取心鉆進(jìn)過(guò)程中傳遞鉆壓及扭矩，鋼內(nèi)筒通過(guò)懸掛與外筒連接，并提供一個(gè)與巖心沒(méi)有相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的空間，鋁合金襯筒提供了一個(gè)低摩阻的空間使巖心能夠在不破碎、不松散的情況下進(jìn)入襯筒[1]。

最初設(shè)計(jì)保形取心工具時(shí)，鋁合金材料的抗壓及抗拉強(qiáng)度有限，無(wú)法滿足取心筒內(nèi)筒的強(qiáng)度要求，因此選擇在取心筒的鋼內(nèi)筒內(nèi)部放置了一根沒(méi)有螺紋的鋁合金襯筒作為保形筒，出心時(shí)需要先從外筒中抽出鋼內(nèi)筒，然后卸下巖心爪及巖心爪短節(jié)并從鋼內(nèi)筒中抽出裝有巖心的鋁合金襯筒，最后將襯筒及巖心按地質(zhì)部門(mén)要求的長(zhǎng)度切割成段，兩端用膠蓋密封交地質(zhì)部門(mén)保存[2-4]。

由于鋁合金襯筒插接在鋼內(nèi)筒內(nèi)部，出心抽取襯筒時(shí)不但勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且人工反復(fù)上卸螺紋占用了作業(yè)時(shí)間，降低了綜合作業(yè)時(shí)效，這一點(diǎn)在多筒次取心井上尤為明顯。出心時(shí)一旦有巖心小顆?？ㄔ趦?nèi)筒和襯筒之間，抽取襯筒將變得異常困難，在某些時(shí)候甚至出現(xiàn)切割鋼內(nèi)筒才能取出襯筒的情況。因此考慮將鋼內(nèi)筒和鋁合金襯筒合二為一，制作成為鋁合金內(nèi)筒，巖心出筒時(shí)只需將內(nèi)筒提出外筒就可以直接切割，這樣就可以提高巖心出筒的時(shí)效，降低勞動(dòng)強(qiáng)度[5-6]。

取心工具一般分為采用下壓收縮巖心爪割心的軟地層取心工具和采用上拔割心方式的硬地層取心工具。鋁合金內(nèi)筒既要滿足軟地層取心工具下壓割心的壓力，又要滿足硬地層取心工具上拔割心的拉力，因此鋁合金內(nèi)筒的選材和螺紋設(shè)計(jì)都非常重要。

1 鋁合金內(nèi)筒選材及抗內(nèi)壓強(qiáng)度分析

1.1 鋁合金內(nèi)筒選材

參考常規(guī)保形取心工具內(nèi)筒及襯筒規(guī)格結(jié)合鋁合金材料手冊(cè)選用外徑123mm壁厚為8mm的厚壁鋁合金管材，其理論最大抗拉強(qiáng)度546.39MPa，最小抗拉強(qiáng)度533.43MPa，最大延伸率14.4%，最小延伸率13.20%。

1.2 鋁合金內(nèi)筒抗內(nèi)壓強(qiáng)度分析

（1）理論計(jì)算。鋁合金內(nèi)筒外徑為123mm，壁厚為8mm，壁厚與外徑之比為0.065，小于0.1，因此計(jì)算時(shí)可以認(rèn)為是薄壁管，符合薄壁筒理論。

根據(jù)API標(biāo)準(zhǔn)中基于薄壁筒的理論，材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線假設(shè)為理想彈塑性，也就是材料進(jìn)入塑性階段無(wú)硬化，此時(shí)的薄壁筒的抗內(nèi)壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式是：

式中：T為管壁厚，mm；D0為管外徑，mm；0.875為API套管允許實(shí)際壁厚不小于12.5%的管壁公差因子。

這里借鑒該強(qiáng)度公式用于鋁合金內(nèi)筒抗內(nèi)壓強(qiáng)度計(jì)算。

不考慮壁厚公差因子，內(nèi)套筒抗內(nèi)壓強(qiáng)度為51.72MPa，若考慮實(shí)際鋁合金材料壁厚最大偏差12.5%，則其抗內(nèi)壓強(qiáng)度為45.25MPa。

（2）有限元計(jì)算校核。建立鋁合金內(nèi)筒1/4剖面的幾何模型，在兩個(gè)對(duì)稱(chēng)面上加載軸對(duì)稱(chēng)邊界條件，在內(nèi)筒內(nèi)壁加上內(nèi)壓力，載荷大小為51.72MPa（圖1）。

圖1 內(nèi)筒幾何模型與抗內(nèi)壓強(qiáng)度分析云圖

由理論計(jì)算可以看出在內(nèi)壓為51.72MPa時(shí)，最大Mises應(yīng)力為389.8MPa，而屈服強(qiáng)度為397.56MPa，理論值與數(shù)值計(jì)算結(jié)果偏差為1.95%，在可接受范圍內(nèi)。

因此，外徑123mm，壁厚8mm鋁合金內(nèi)筒，其理論最大抗內(nèi)壓強(qiáng)度為51.72MPa，滿足30MPa抗內(nèi)壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

2 鋁合金內(nèi)筒螺紋設(shè)計(jì)

取心筒內(nèi)筒采用普通的平螺紋設(shè)計(jì)，該螺紋設(shè)計(jì)、加工簡(jiǎn)單，但在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)了很多問(wèn)題，主要體現(xiàn)在取心筒內(nèi)筒及各配合短節(jié)的連接螺紋設(shè)計(jì)基本是小螺距平螺紋，地面施工進(jìn)行裝卸過(guò)程中，對(duì)扣居中性差，上卸扣困難，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，連續(xù)取心過(guò)程中影響后續(xù)施工，整體作業(yè)時(shí)效大幅降低。

雖然嘗試設(shè)計(jì)有內(nèi)筒鋸齒形錐形扣，但在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程中，多次發(fā)現(xiàn)內(nèi)筒扣刺壞、脫扣、粘扣等問(wèn)題。

取心工具的管材具有長(zhǎng)筒、薄壁的特點(diǎn)，并且與傳統(tǒng)套管扣、鉆桿扣不能通用，因此需要研制適用于取心工具內(nèi)筒的專(zhuān)用螺紋，其技術(shù)難點(diǎn)主要包括：①取心筒內(nèi)筒壁厚薄，管材外徑無(wú)加厚接頭設(shè)計(jì)，需選擇牙型高度小，承扭大的合適牙型，并設(shè)計(jì)合適螺距和錐度；②取心筒內(nèi)筒壁厚一般為6-9mm，材質(zhì)為鋁合金，對(duì)螺紋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)要求較高。

基于以上實(shí)際問(wèn)題考慮選用錐形螺紋作為內(nèi)筒螺紋，設(shè)計(jì)了Φ123mm鋁合金內(nèi)筒的公母螺紋，并對(duì)螺紋強(qiáng)度進(jìn)行了校核。

內(nèi)筒螺紋設(shè)計(jì)如圖2所示的，螺紋牙型選擇矮牙對(duì)稱(chēng)矩形扣，牙高為0.75mm，螺距為6mm，設(shè)計(jì)的錐螺紋的錐度為1:24。

圖2 Φ123mm鋁合金襯筒螺紋牙型設(shè)計(jì)

該螺紋以國(guó)內(nèi)地礦行業(yè)相關(guān)螺紋標(biāo)準(zhǔn)做為設(shè)計(jì)依據(jù)。采用過(guò)盈為軸向齒側(cè)配合，徑向有微小間隙，螺紋鎖緊為齒側(cè)摩擦鎖緊和軸向端面摩擦鎖緊兩者結(jié)合。該牙型相對(duì)于常規(guī)梯形螺紋的齒側(cè)角度較小，可承受較大的軸向載荷（即抗拉能力較強(qiáng)）；也能承受較大的扭矩。

另一方面考慮螺紋牙型簡(jiǎn)單，公螺紋母螺紋采用同樣的螺紋刀加工即可，現(xiàn)場(chǎng)操作簡(jiǎn)單，對(duì)中性好，配合圈數(shù)量為7.6圈，緊扣圈數(shù)僅為0.5～1圈，操作方便。另外該螺紋可反復(fù)拆卸，螺紋保養(yǎng)防護(hù)措施較為簡(jiǎn)單，不易粘扣。

圖3 鋁合金內(nèi)筒母螺紋與公螺紋強(qiáng)度校核

表1 鋁合金內(nèi)筒螺紋強(qiáng)度校核結(jié)果數(shù)據(jù)表

對(duì)鋁合金內(nèi)筒螺紋進(jìn)行模擬分析，得到該螺紋的最小抗拉強(qiáng)度達(dá)到323.93kN，在取心實(shí)踐中，上拔割心時(shí)超過(guò)懸重20kN巖心仍拔不斷時(shí)就應(yīng)停止上拔，采取延長(zhǎng)磨心時(shí)間等工程措施降低拔心噸位，防止出現(xiàn)井下安全風(fēng)險(xiǎn)。因此此螺紋的最小抗拉強(qiáng)度滿足取心工具的要求。

3 鋁合金內(nèi)筒室內(nèi)試驗(yàn)

3.1 鋁合金內(nèi)筒抗拉試驗(yàn)

為了檢測(cè)鋁合金內(nèi)筒以及其上下連接螺紋的抗拉強(qiáng)度，確定該鋁合金內(nèi)筒以及其連接螺紋是否滿足抗拉強(qiáng)度要求，按設(shè)計(jì)加工了鋁合金內(nèi)筒試驗(yàn)件。試驗(yàn)中將鋁合金內(nèi)筒通過(guò)夾具固定在試驗(yàn)架上，通過(guò)拉伸確定鋁合金內(nèi)筒和連接螺紋的抗拉強(qiáng)度。

試驗(yàn)臺(tái)架可以檢測(cè)負(fù)荷和位移的數(shù)值對(duì)應(yīng)關(guān)系，并以圖表形式顯示輸出，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出：

第一次拉伸試驗(yàn)，持續(xù)拉伸至200kN鋁合金內(nèi)筒未發(fā)生彈性形變，從實(shí)驗(yàn)架拆下后鋁合金內(nèi)筒后可以輕松完成卸扣和上扣，表明螺紋未發(fā)生形變。

第二次拉伸試驗(yàn)，持續(xù)拉伸至300kN鋁合金內(nèi)筒未發(fā)生彈性形變，從實(shí)驗(yàn)架拆下后鋁合金內(nèi)筒后可以輕松完成卸扣和上扣，表明螺紋未發(fā)生形變。

第三次拉伸試驗(yàn)，持續(xù)拉伸至400kN時(shí)鋁合金尚沒(méi)有發(fā)生彈性形變，但拉力達(dá)到360kN后就開(kāi)始逐漸產(chǎn)生了一定的位移，下實(shí)驗(yàn)架后可以輕松完成卸扣和上扣，表明螺紋未發(fā)生形變。

試驗(yàn)分別在拉力200kN、300kN及400kN的拉力下進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明φ123mm鋁合金內(nèi)筒在拉至400kN時(shí)仍未發(fā)生變形，說(shuō)明該鋁合金內(nèi)筒能夠滿足硬地層取心工具割心時(shí)過(guò)提200kN拔斷巖心的要求。

3.2 鋁合金內(nèi)筒抗壓試驗(yàn)

與抗拉試驗(yàn)類(lèi)似，本次采用下壓方式測(cè)試鋁合金內(nèi)筒的抗壓性能，實(shí)驗(yàn)中鋁合金內(nèi)筒下方連接可收縮式巖心爪，然后將鋁合金內(nèi)筒裝入取心筒外筒內(nèi)組成軟地層取心工具。試驗(yàn)中取心工具處于豎直狀態(tài)，依次下壓250kN、280kN、350kN壓力，重點(diǎn)測(cè)試巖心爪的收縮情況及絲扣的變形情況。

試驗(yàn)結(jié)果表明φ123mm鋁合金內(nèi)筒在下壓至350kN時(shí)仍未發(fā)生形變，說(shuō)明該鋁合金內(nèi)筒能夠滿足軟地層取心工具下壓280kN迫使巖心爪變形割斷巖心的要求，如圖4所示。

圖4 加壓后鋁合金內(nèi)筒

3.3 鋁合金內(nèi)筒配合液力加壓取心工具進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)

液力加壓取心工具采用先投球后開(kāi)泵憋壓的方式進(jìn)行割心，泵壓通過(guò)鉆具傳遞到承壓座后推動(dòng)內(nèi)筒向鉆頭方向運(yùn)動(dòng)，最終迫使可收縮式巖心爪收縮割心。

本次試驗(yàn)將YLRb-8100液力加壓取心工具水平放置于實(shí)驗(yàn)室地面，模擬極限使用工況—水平井取心的情況，鋁合金內(nèi)筒下端連接可收縮式巖心爪，鋼外筒下端連接取心鉆頭，上端通過(guò)液壓管線與泥漿泵連接。試驗(yàn)時(shí)通過(guò)泥漿泵逐漸打壓提高泵壓的方式對(duì)鋁合金內(nèi)筒產(chǎn)生逐漸變大的推力。理論計(jì)算表明，當(dāng)泥漿泵壓力為22.5MPa時(shí)，內(nèi)筒向鉆頭方向作用的推力達(dá)到280kN，相當(dāng)于常規(guī)軟地層取心工具割心時(shí)的機(jī)械下壓力，可以完成巖心爪收縮的割心動(dòng)作。

圖5 鋁合金內(nèi)筒配合液力加壓取心工具進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)

本次共進(jìn)行了三組試驗(yàn)，憋壓壓力分別達(dá)到18.5MPa、22.5MPa和24MPa，相當(dāng)于作對(duì)鋁合金內(nèi)筒施加了230kN、280kN和298kN的壓力，試驗(yàn)結(jié)果表明φ123mm鋁合金內(nèi)筒經(jīng)過(guò)三次試驗(yàn)未發(fā)生變形，每次試驗(yàn)完成后螺紋上卸扣自如，表明該鋁合金內(nèi)筒能夠滿足液力加壓取心工具割心的要求。

4 鋁合金內(nèi)筒在海上油田的應(yīng)用

4.1 鋁合金內(nèi)筒與Rb-8100機(jī)械加壓式取心工具配合應(yīng)用

A井是部署在渤海海域的一口注水井，該井設(shè)計(jì)井深1799.00米，垂深1565.30米，取心段井斜28°，計(jì)劃在館陶組地層L50、L82小層各取心一筒。由于該井油層段館陶組地層埋藏較淺，地層疏松，且取心段井斜較小，因此選用Rb-8100機(jī)械加壓式軟地層取心工具進(jìn)行取心作業(yè)，并使用鋁合金內(nèi)筒配合收縮式巖心爪進(jìn)行取心。

本井在1397.00-1556.00米取心兩筒次，取心數(shù)據(jù)如表2所示。取心筒出井后觀察鋁合金內(nèi)筒無(wú)變形，巖心爪收縮良好，完整的包裹住了底部的巖心。出心時(shí)巖心爪短節(jié)與鋁合金內(nèi)筒連接的螺紋上卸自如，說(shuō)明該型鋁合金內(nèi)筒和扣型設(shè)計(jì)合理，適用于Rb-8100取心工具。

表2 A井取心數(shù)據(jù)表

由于不需要將襯筒從內(nèi)筒中抽出而是直接切割鋁合金內(nèi)筒，出心時(shí)間較常規(guī)鋼內(nèi)筒工具的出心時(shí)間節(jié)約了約0.5小時(shí)。

4.2 鋁合金內(nèi)筒與YLRb-8100液力加壓取心工具配合應(yīng)用

B井是渤海某油田的一口大斜度松軟地層取心井，該井先鉆出B-1導(dǎo)眼井，獲得了較準(zhǔn)確的地質(zhì)資料后決定于356.00m位置側(cè)鉆B井并在明化鎮(zhèn)組油層內(nèi)進(jìn)行取心作業(yè)，取心段實(shí)測(cè)井斜為39.85°。由于該井井斜較大，機(jī)械加壓式取心工具鋼球無(wú)法到位，因此該井選擇使用鋁合金內(nèi)筒配合YLRb-8100液力加壓取心工具進(jìn)行取心，取心數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 B井取心數(shù)據(jù)表

圖6 B井出井巖心爪

本次取心割心時(shí)憋壓達(dá)22.5MPa，相當(dāng)于對(duì)鋁合金內(nèi)筒施加了280kN的下壓力。取心筒出井后觀察鋁合金內(nèi)筒無(wú)變形，巖心爪收縮良好，完整的包裹住了底部的巖心，如圖9所示。出心時(shí)巖心爪短節(jié)與鋁合金內(nèi)筒連接的絲扣上卸自如，說(shuō)明鋁合金內(nèi)筒和扣型設(shè)計(jì)合理，達(dá)到了預(yù)期的效果。

由于不需要將襯筒從內(nèi)筒中抽出而是直接切割鋁合金內(nèi)筒，出心時(shí)間較常規(guī)鋼內(nèi)筒工具的出心時(shí)間節(jié)約了約0.5小時(shí)。

4.3 鋁合金內(nèi)筒與Yb-8100硬地層取心工具配合應(yīng)用

C井是渤海某油田的一口評(píng)價(jià)井，該井設(shè)計(jì)井深2775m，計(jì)劃在沙河街組主力油層段進(jìn)行取心。由于該井油層段埋藏較深，地層成巖性好，因此選用Yb-8100硬地層取心工具進(jìn)行取心作業(yè)，并使用鋁合金內(nèi)筒配合硬地層卡箍式巖心爪進(jìn)行取心，取心數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 C井取心數(shù)據(jù)表

Yb-8100型硬地層取心工具采用上提拔斷巖心的割心方式，本次取心割心時(shí)超過(guò)原懸重150kN巖心斷。取心筒出井后觀察鋁合金內(nèi)筒無(wú)變形，巖心爪成功卡住巖心。出心時(shí)鋼制縮頸套短節(jié)與鋁合金內(nèi)筒連接的絲扣上卸自如，說(shuō)明鋁合金內(nèi)筒和扣型設(shè)計(jì)合理，適合應(yīng)用于硬地層取心工具。

由于不需要將襯筒從內(nèi)筒中抽出而是直接切割鋁合金內(nèi)筒，出心時(shí)間較常規(guī)鋼內(nèi)筒工具的出心時(shí)間節(jié)約了約0.5小時(shí)。

5 結(jié)論

（1）基于數(shù)值計(jì)算及有限元校核設(shè)計(jì)的鋁合金內(nèi)筒及螺紋能夠滿足取心工具對(duì)上拉和下壓兩方面的要求，通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，證明該鋁合金內(nèi)筒及螺紋性能優(yōu)良，適用于各類(lèi)保形取心作業(yè)。

（2）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，新型鋁合金內(nèi)筒出心時(shí)不需要將襯筒從內(nèi)筒中抽出，操作方便快捷，每進(jìn)行一趟取心作業(yè)即可節(jié)約0.5小時(shí)的作業(yè)時(shí)間，這對(duì)提高多筒次取心井的作業(yè)時(shí)效將起到非常明顯的作用。

（3）鋁合金內(nèi)筒將鋼內(nèi)筒和鋁合金襯筒合二為一，節(jié)省了取心筒內(nèi)部寶貴的徑向空間，為將來(lái)研制更大直徑的保形取心工具做好了技術(shù)準(zhǔn)備。