◇中海油田服務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、鋼內筒和無螺紋的鋁合金襯筒三層組成。為了提高作業(yè)時效并降低取心作業(yè)的勞動強度，本文將該工具中的鋼內筒和鋁合金襯筒合二為一，設計加工了鋁合金材質的內筒。通過數值計算和有限元分析的方法對鋁合金內筒的強度進行了校核，設計了適用于鋁合金內筒的專用螺紋，通過室內試驗的方法驗證了鋁合金內筒及螺紋的抗拉和抗壓強度符合取心工藝的要求，最后在海上油田三口取心井中進行了現場應用。實踐表明鋁合金內筒能夠滿足各類保形取心工具對取心筒內筒抗壓和抗拉強度的要求，提高了作業(yè)時效，明顯降低了勞動強度。

保形取心作為常用的特殊工藝取心技術廣泛應用于疏松地層取心、風化殼及破碎帶取心、頁巖氣井取心等重點作業(yè)領域。常規(guī)的保形取心工具通常包含鋼外筒、鋼內筒和鋁合金襯筒（保形筒）三層筒，其中鋼外筒在取心鉆進過程中傳遞鉆壓及扭矩，鋼內筒通過懸掛與外筒連接，并提供一個與巖心沒有相對旋轉運動的空間，鋁合金襯筒提供了一個低摩阻的空間使巖心能夠在不破碎、不松散的情況下進入襯筒[1]。

最初設計保形取心工具時，鋁合金材料的抗壓及抗拉強度有限，無法滿足取心筒內筒的強度要求，因此選擇在取心筒的鋼內筒內部放置了一根沒有螺紋的鋁合金襯筒作為保形筒，出心時需要先從外筒中抽出鋼內筒，然后卸下巖心爪及巖心爪短節(jié)并從鋼內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部門要求的長度切割成段，兩端用膠蓋密封交地質部門保存[2-4]。

由于鋁合金襯筒插接在鋼內筒內部，出心抽取襯筒時不但勞動強度大，而且人工反復上卸螺紋占用了作業(yè)時間，降低了綜合作業(yè)時效，這一點在多筒次取心井上尤為明顯。出心時一旦有巖心小顆?？ㄔ趦韧埠鸵r筒之間，抽取襯筒將變得異常困難，在某些時候甚至出現切割鋼內筒才能取出襯筒的情況。因此考慮將鋼內筒和鋁合金襯筒合二為一，制作成為鋁合金內筒，巖心出筒時只需將內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效，降低勞動強度[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，因此鋁合金內筒的選材和螺紋設計都非常重要。

1 鋁合金內筒選材及抗內壓強度分析

1.1 鋁合金內筒選材

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

1.2 鋁合金內筒抗內壓強度分析

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

根據API標準中基于薄壁筒的理論，材料的應力應變曲線假設為理想彈塑性，也就是材料進入塑性階段無硬化，此時的薄壁筒的抗內壓強度設計公式是：

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

這里借鑒該強度公式用于鋁合金內筒抗內壓強度計算。

不考慮壁厚公差因子，內套筒抗內壓強度為51.72MPa，若考慮實際鋁合金材料壁厚最大偏差12.5%，則其抗內壓強度為45.25MPa。

（2）有限元計算校核。建立鋁合金內筒1/4剖面的幾何模型，在兩個對稱面上加載軸對稱邊界條件，在內筒內壁加上內壓力，載荷大小為51.72MPa（圖1）。

圖1 內筒幾何模型與抗內壓強度分析云圖

由理論計算可以看出在內壓為51.72MPa時，最大Mises應力為389.8MPa，而屈服強度為397.56MPa，理論值與數值計算結果偏差為1.95%，在可接受范圍內。

因此，外徑123mm，壁厚8mm鋁合金內筒，其理論最大抗內壓強度為51.72MPa，滿足30MPa抗內壓強度設計要求。

2 鋁合金內筒螺紋設計

取心筒內筒采用普通的平螺紋設計，該螺紋設計、加工簡單，但在現場應用過程中出現了很多問題，主要體現在取心筒內筒及各配合短節(jié)的連接螺紋設計基本是小螺距平螺紋，地面施工進行裝卸過程中，對扣居中性差，上卸扣困難，費時費力，連續(xù)取心過程中影響后續(xù)施工，整體作業(yè)時效大幅降低。

雖然嘗試設計有內筒鋸齒形錐形扣，但在現場應用過程中，多次發(fā)現內筒扣刺壞、脫扣、粘扣等問題。

取心工具的管材具有長筒、薄壁的特點，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筒的專用螺紋，其技術難點主要包括：①取心筒內筒壁厚薄，管材外徑無加厚接頭設計，需選擇牙型高度小，承扭大的合適牙型，并設計合適螺距和錐度；②取心筒內筒壁厚一般為6-9mm，材質為鋁合金，對螺紋結構設計技術要求較高。

基于以上實際問題考慮選用錐形螺紋作為內筒螺紋，設計了Φ123mm鋁合金內筒的公母螺紋，并對螺紋強度進行了校核。

內筒螺紋設計如圖2所示的，螺紋牙型選擇矮牙對稱矩形扣，牙高為0.75mm，螺距為6mm，設計的錐螺紋的錐度為1:24。

圖2 Φ123mm鋁合金襯筒螺紋牙型設計

該螺紋以國內地礦行業(yè)相關螺紋標準做為設計依據。采用過盈為軸向齒側配合，徑向有微小間隙，螺紋鎖緊為齒側摩擦鎖緊和軸向端面摩擦鎖緊兩者結合。該牙型相對于常規(guī)梯形螺紋的齒側角度較小，可承受較大的軸向載荷（即抗拉能力較強）；也能承受較大的扭矩。

另一方面考慮螺紋牙型簡單，公螺紋母螺紋采用同樣的螺紋刀加工即可，現場操作簡單，對中性好，配合圈數量為7.6圈，緊扣圈數僅為0.5～1圈，操作方便。另外該螺紋可反復拆卸，螺紋保養(yǎng)防護措施較為簡單，不易粘扣。

圖3 鋁合金內筒母螺紋與公螺紋強度校核

表1 鋁合金內筒螺紋強度校核結果數據表

對鋁合金內筒螺紋進行模擬分析，得到該螺紋的最小抗拉強度達到323.93kN，在取心實踐中，上拔割心時超過懸重20kN巖心仍拔不斷時就應停止上拔，采取延長磨心時間等工程措施降低拔心噸位，防止出現井下安全風險。因此此螺紋的最小抗拉強度滿足取心工具的要求。

3 鋁合金內筒室內試驗

3.1 鋁合金內筒抗拉試驗

為了檢測鋁合金內筒以及其上下連接螺紋的抗拉強度，確定該鋁合金內筒以及其連接螺紋是否滿足抗拉強度要求，按設計加工了鋁合金內筒試驗件。試驗中將鋁合金內筒通過夾具固定在試驗架上，通過拉伸確定鋁合金內筒和連接螺紋的抗拉強度。

試驗臺架可以檢測負荷和位移的數值對應關系，并以圖表形式顯示輸出，通過試驗數據可以看出：

第一次拉伸試驗，持續(xù)拉伸至200kN鋁合金內筒未發(fā)生彈性形變，從實驗架拆下后鋁合金內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，持續(xù)拉伸至300kN鋁合金內筒未發(fā)生彈性形變，從實驗架拆下后鋁合金內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，持續(xù)拉伸至400kN時鋁合金尚沒有發(fā)生彈性形變，但拉力達到360kN后就開始逐漸產生了一定的位移，下實驗架后可以輕松完成卸扣和上扣，表明螺紋未發(fā)生形變。

試驗分別在拉力200kN、300kN及400kN的拉力下進行試驗。試驗結果表明φ123mm鋁合金內筒在拉至400kN時仍未發(fā)生變形，說明該鋁合金內筒能夠滿足硬地層取心工具割心時過提200kN拔斷巖心的要求。

3.2 鋁合金內筒抗壓試驗

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

試驗結果表明φ123mm鋁合金內筒在下壓至350kN時仍未發(fā)生形變，說明該鋁合金內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 加壓后鋁合金內筒

3.3 鋁合金內筒配合液力加壓取心工具進行室內試驗

液力加壓取心工具采用先投球后開泵憋壓的方式進行割心，泵壓通過鉆具傳遞到承壓座后推動內筒向鉆頭方向運動，最終迫使可收縮式巖心爪收縮割心。

本次試驗將YLRb-8100液力加壓取心工具水平放置于實驗室地面，模擬極限使用工況—水平井取心的情況，鋁合金內筒下端連接可收縮式巖心爪，鋼外筒下端連接取心鉆頭，上端通過液壓管線與泥漿泵連接。試驗時通過泥漿泵逐漸打壓提高泵壓的方式對鋁合金內筒產生逐漸變大的推力。理論計算表明，當泥漿泵壓力為22.5MPa時，內筒向鉆頭方向作用的推力達到280kN，相當于常規(guī)軟地層取心工具割心時的機械下壓力，可以完成巖心爪收縮的割心動作。

圖5 鋁合金內筒配合液力加壓取心工具進行室內試驗

本次共進行了三組試驗，憋壓壓力分別達到18.5MPa、22.5MPa和24MPa，相當于作對鋁合金內筒施加了230kN、280kN和298kN的壓力，試驗結果表明φ123mm鋁合金內筒經過三次試驗未發(fā)生變形，每次試驗完成后螺紋上卸扣自如，表明該鋁合金內筒能夠滿足液力加壓取心工具割心的要求。

4 鋁合金內筒在海上油田的應用

4.1 鋁合金內筒與Rb-8100機械加壓式取心工具配合應用

A井是部署在渤海海域的一口注水井，該井設計井深1799.00米，垂深1565.30米，取心段井斜28°，計劃在館陶組地層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機械加壓式軟地層取心工具進行取心作業(yè)，并使用鋁合金內筒配合收縮式巖心爪進行取心。

本井在1397.00-1556.00米取心兩筒次，取心數據如表2所示。取心筒出井后觀察鋁合金內筒無變形，巖心爪收縮良好，完整的包裹住了底部的巖心。出心時巖心爪短節(jié)與鋁合金內筒連接的螺紋上卸自如，說明該型鋁合金內筒和扣型設計合理，適用于Rb-8100取心工具。

表2 A井取心數據表

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

4.2 鋁合金內筒與YLRb-8100液力加壓取心工具配合應用

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導眼井，獲得了較準確的地質資料后決定于356.00m位置側鉆B井并在明化鎮(zhèn)組油層內進行取心作業(yè)，取心段實測井斜為39.85°。由于該井井斜較大，機械加壓式取心工具鋼球無法到位，因此該井選擇使用鋁合金內筒配合YLRb-8100液力加壓取心工具進行取心，取心數據如表3所示。

表3 B井取心數據表

圖6 B井出井巖心爪

本次取心割心時憋壓達22.5MPa，相當于對鋁合金內筒施加了280kN的下壓力。取心筒出井后觀察鋁合金內筒無變形，巖心爪收縮良好，完整的包裹住了底部的巖心，如圖9所示。出心時巖心爪短節(jié)與鋁合金內筒連接的絲扣上卸自如，說明鋁合金內筒和扣型設計合理，達到了預期的效果。

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

4.3 鋁合金內筒與Yb-8100硬地層取心工具配合應用

C井是渤海某油田的一口評價井，該井設計井深2775m，計劃在沙河街組主力油層段進行取心。由于該井油層段埋藏較深，地層成巖性好，因此選用Yb-8100硬地層取心工具進行取心作業(yè)，并使用鋁合金內筒配合硬地層卡箍式巖心爪進行取心，取心數據如表4所示。

表4 C井取心數據表

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

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

5 結論

（1）基于數值計算及有限元校核設計的鋁合金內筒及螺紋能夠滿足取心工具對上拉和下壓兩方面的要求，通過室內實驗和現場應用，證明該鋁合金內筒及螺紋性能優(yōu)良，適用于各類保形取心作業(yè)。

（2）現場試驗表明，新型鋁合金內筒出心時不需要將襯筒從內筒中抽出，操作方便快捷，每進行一趟取心作業(yè)即可節(jié)約0.5小時的作業(yè)時間，這對提高多筒次取心井的作業(yè)時效將起到非常明顯的作用。

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