軸向推進式水力油管錨定器的研制與應(yīng)用

馮 波郭 勇趙奇祥石愛華曹海燕張志平

（1.中石化中原油田分公司采油工程技術(shù)研究院，河南濮陽 457001； 2.中石化中原油田分公司勘探開發(fā)科學研究院，河南濮陽 457001）

軸向推進式水力油管錨定器的研制與應(yīng)用

馮 波1郭 勇2趙奇祥1石愛華1曹海燕1張志平1

（1.中石化中原油田分公司采油工程技術(shù)研究院，河南濮陽 457001； 2.中石化中原油田分公司勘探開發(fā)科學研究院，河南濮陽 457001）

油管錨定工具是帶有封隔器的措施管柱密封可靠、安全施工的保證。針對現(xiàn)有油管錨定器易出現(xiàn)卡鉆、無法通過套管變形段、不利于突發(fā)事故處理等問題，研制了軸向推進式水力油管錨定器。該軸向推進式水力油管錨定器改變了現(xiàn)有徑向輻射狀多活塞式錨爪結(jié)構(gòu)的油管錨定器錨定機理，采用了環(huán)形軸向水力活塞推動錐體軸向位移來擴張卡瓦實現(xiàn)油管卡定的油管錨定原理，其錨定性能、耐壓能力及安全性能得到了全面提高，同時擴大了適用范圍。中原油田進行了8井次的壓裂、酸化試驗，均起到了對管柱的錨定作用，保證了整個施工過程封隔器密封可靠，成功率100%，可進一步推廣應(yīng)用。

油管錨定工具； 蠕動解封；管柱錨定；擴張卡瓦

使用帶有封隔器的措施管柱進行壓裂、酸化、擠堵等作業(yè)都必須對措施管柱進行井下錨定［1］，其目的在于固定管柱使其整個高壓施工過程中封隔器不出現(xiàn)蠕動解封現(xiàn)象?，F(xiàn)場一般用油管錨進行管柱錨定，該油管錨在措施管柱中接于封隔器上端，施工時油管錨內(nèi)壓高于外壓的壓差作用在錨爪上使其徑向活塞式外移與套管內(nèi)壁接觸錨定，完成施工，油管錨內(nèi)外壓差消失，錨爪活塞式退回復位解錨［2］。油管錨在油田開發(fā)中發(fā)揮了積極作用，隨著老區(qū)塊油水井套管服役期的延長，套損套變井數(shù)增多，井況惡化使得現(xiàn)有油管錨定工具的適應(yīng)性受到限制，主要出現(xiàn)以下問題：（1）易出現(xiàn)短板效應(yīng)。錨爪活塞面積較小使其數(shù)量較多且移動距離小，機械雜質(zhì)通過傳壓通道進入錨孔（活塞內(nèi)腔），且易進難出，即使有一個錨爪無法復位解錨就形成卡鉆。（2）無法通過縮徑套管段。由于錨定器通徑、錨孔深度要求使徑向設(shè)計受到限制，導致錨定器最大外徑與適用套管內(nèi)徑間隙較小，無法通過縮徑套管段。（3）無法用于套管擴徑段。用于擴徑套管段時錨爪可能伸出超限失去密封造成施工失敗，更嚴重者是遇到套管缺失段時錨爪無限外伸脫離錨體形成卡鉆無法起出。（4）不利于突發(fā)事故處理。錨體外徑大使油套環(huán)流面積小，遇到突發(fā)性事故施工終止時，不能保證及時洗出施工液體，如果是擠堵就可能出現(xiàn)油管被凝固在井下造成大修事故。為此，研制了軸向推進式水力油管錨定器。

1 軸向推進式水力油管錨定器

1.1 結(jié)構(gòu)

軸向推進式水力油管錨定器由上接頭、中心管、卡瓦、錐體、卡瓦銷、兩級活塞、圓柱簧、下接頭、密封圈以及輔助安全剪釘組成，如圖1所示。

圖1 軸向推進式水力油管錨定器

卡瓦通過銷軸固定在上接頭外臺肩下的豁口凹槽處，自然下垂切于外管壁上，在所有的密封槽內(nèi)放置好相應(yīng)的密封圈，錐體和上活塞螺紋連接一體，錐體向上直接套入上接頭下端，中心管和上接頭絲扣連接，在中心管的下端套入圓柱簧，再套入下活塞并與上活塞絲扣連接，最后在中心管的下端絲扣連接下接頭并通過安全剪釘將下活塞和下接頭固定在一起組成軸向推進式水力油管錨定器。

1.2 工作原理

當軸向推進式水力油管錨定器內(nèi)壓大于外壓時，中心內(nèi)壓通過上接頭和中心管的傳壓孔同時作用在上下兩級活塞上，推動上下兩級活塞同時上行，活塞上行推動錐體上行使卡瓦沿錐體錐面擴張，卡在套管內(nèi)壁實現(xiàn)管柱錨定。同時下活塞上行過程推動圓柱簧壓縮蓄能，當內(nèi)外壓力差消失后，圓柱簧釋放彈性勢能迫使下活塞退回，同時帶動上活塞、錐體一起也退回原始位置，卡瓦內(nèi)錐空置自然下垂，恢復原始狀態(tài)完成解卡。

現(xiàn)場施工時，將該錨定器接在管柱中封隔器上端下到預定位置，管柱封隔器油管打壓坐封過程整個管柱處于密封狀態(tài)，形成油管壓力大于套管壓力的壓力差，在這個壓力差的作用下完成軸向推進式水力油管錨定器動作實現(xiàn)管柱錨定。在封隔器完成坐封的同時，管柱的出液通道被打開，油管內(nèi)和封隔器以下套管形成同一個壓力系統(tǒng)，管柱在措施施工過程中，由于封隔器的作用，油套壓差接近井口施工壓力，這個壓力同樣作用在該錨定器的兩級活塞上，維持卡瓦卡定在套管內(nèi)壁，保證在施工過程管柱不發(fā)生蠕動。在完成施工作業(yè)井口停止打壓時，油套壓差消失，兩級活塞的動力消失，在圓柱簧的作用下，該油管錨定器自動失去對管柱的錨定作用，即可順利起出措施施工管柱。

1.3 技術(shù)特點

（1）整套環(huán)形軸向活塞系統(tǒng)代替每個錨爪為一個獨立的液壓活塞系統(tǒng)，避免了每個錨孔都必須密封的“木桶短板問題”，降低了加工精度要求及加工成本，提高了密封的可靠性。

（2）獨立活塞推動錐體軸向位移，擴張卡瓦代替水壓直接推動錨爪徑向運動，活塞行程不受油管錨最大外徑的限制，可以在保證錨定套管內(nèi)徑不變的前提下盡可能地縮小錨體最大外徑。

（3）獨立單個軸向圓柱簧復位簧代替每個錨爪1組徑向復位簧，簧放置空間不受限制，使卡瓦復位更加容易，實現(xiàn)可靠解卡。

（4）具備外徑小、擴徑大的特點，增大工作狀態(tài)下的有效外徑，適用套管尺寸范圍大，特別適用于縮徑套管，同時增加了油套環(huán)空的有效過流截面，施工液體可迅速洗出，提高了管柱施工的安全性。

1.4 技術(shù)參數(shù)

最大外徑：100 mm；通徑：50 mm；長度：850 mm；耐溫：135 ℃；耐壓：70 MPa；下入深度：4 000 m；最大錨定力：800 kN。

2 錨定力計算

2.1 設(shè)定條件

（1）液面在井口；（2）施工液體和井筒液體密度同為1 000 kg/m3；（3）不考慮溫度變化；（4）不考慮摩阻壓力損失；（5）不考慮錐體和卡瓦錐面的接觸摩擦力；（6）不考慮套管打平衡壓力。以上設(shè)定計算出來的數(shù)據(jù)更加安全。

2.2 在壓差p下所能產(chǎn)生的最大錨定力

在施工壓差p下，軸向推進式水力油管錨定器錐體受到活塞的上推力，錐體通過外錐面將力傳遞給卡瓦，卡瓦沿錐體外錐面擴張與套管內(nèi)壁相切，在套管內(nèi)產(chǎn)生徑向壓力，這個徑向壓力使卡瓦和套管內(nèi)壁之間發(fā)生相對移動或者相對運動趨勢時產(chǎn)生擦傷（嵌入）摩擦力，這個摩擦力就是在壓力p下油管錨定器能夠產(chǎn)生的最大錨定力，如圖2所示。

圖2 錨定器錨定力計算圖

按照力學平衡得到下列計算公式

根據(jù)以上參數(shù)計算得出：

2.3 無錨定施工壓力p時施工引起的管柱軸向上所受的合力

在頂封保護套管的措施（壓裂、酸化、擠堵等）施工下層的工作狀態(tài)下，由于頂封封隔器密封了油套環(huán)空，油管及封隔器以下油套連通，處于同一壓力系統(tǒng)，封隔器下端管柱受套管內(nèi)徑和油管內(nèi)徑組成環(huán)形面上的活塞效應(yīng)上頂力以及油管內(nèi)壓高于外壓時油管產(chǎn)生的鼓脹引起向上的拉力，按照設(shè)定條件，即向上合力為

式中，Dyn為油管外徑（標準值62 mm）；Dtn為套管內(nèi)徑124 mm（標準值121.36~124 mm），為了更安全取最大值；μ為鋼材的泊松比，一般取值0.3［2］（無因次量）；Fpg為鼓脹效應(yīng)使管柱產(chǎn)生的軸向載荷，稱之為鼓脹力，kN；Fpd為施工流體壓力對管柱的活塞式上頂力，kN；Fp為無錨定管柱施工時所受合力，kN。

根據(jù)以上參數(shù)計算得出：

2.4 錨定管柱施工中可靠性分析

錨定管柱在施工過程中沒有蠕動的必要充分條件是管柱在井口壓力p下施工時，油管錨所產(chǎn)生的錨定力Fpm能夠抵消掉井口壓力p所產(chǎn)生的軸向合力Fp，即∑F=Fpm–Fp=6.266np–10.863p≥0。n取1顯然無解，n取2，∑F=1.669p≥0。

因為油管施工時井口油壓p≥0，所以∑F≥0永遠成立，即油管錨定器液壓動力系統(tǒng)設(shè)計為外徑?85 mm和內(nèi)徑?60 mm的圓環(huán)形2級活塞，在油管和套管允許的壓力范圍內(nèi)施工，施工壓力使油管錨定器產(chǎn)生的最大錨定力永遠大于該施工壓力使管柱封隔器活塞效應(yīng)產(chǎn)生的上頂力和鼓脹效應(yīng)產(chǎn)生的拉力的合力，理論上該軸向推進式水力油管錨定器錨定后的封隔器管柱在施工過程中不會被管柱活塞效應(yīng)和鼓脹效應(yīng)產(chǎn)生的合力推脫滑動，該油管錨定器在任何壓力下都能夠使施工管柱不會發(fā)生蠕動，實現(xiàn)安全施工。

3.注重細節(jié)。細節(jié)決定成敗。嚴肅黨內(nèi)政治生活要有仔細的態(tài)度，發(fā)揚精雕細刻的“工匠精神”，從細微處著手，不厭其煩，關(guān)注細節(jié)，盯緊細節(jié)，在糾正和完善細節(jié)中提高。要有細致的作風，從每一件小事做起，既要有安排部署，更要有督促考核，層層傳導壓力，層層壓實責任，抓早抓小，防微杜漸。要有抓細的功夫，發(fā)揚抓鐵有痕、踏石留印的精神，以問題為導向，發(fā)現(xiàn)問題及時處置，對癥下藥，標本兼治，提高解決問題的針對性和實效性。

3 室內(nèi)實驗

3.1 實驗裝置

首先設(shè)計套管短節(jié)、油管接泵接頭、專用套管密封接頭和油管密封接頭、油管絲堵等，選擇不小于1 000 kN液壓拉拔機1臺。在套管短接的一端接好套管密封接頭，同時在軸向推進式水力油管錨定器下接頭接好油管絲堵，上接頭依次連接油管接泵接頭和油管密封接頭，然后將接油管絲堵一端完全推入套管短節(jié)中并漏出油管接泵接頭，最后通過2個連接固定銷將油管密封接頭固定在拉拔機固定接頭上、將套管密封接頭固定在拉拔機活動接頭上，如圖3所示。

圖3 軸向推進式水力油管錨定器室內(nèi)實驗裝置

3.2 實驗目的及過程

（1）抗內(nèi)壓實驗。主要實驗連接絲扣和各承壓部件抗壓能力及密封圈的密封性能，在圖3裝置的油管接泵接頭上接泵，水力試壓70 MPa，穩(wěn)壓15 min壓力不降為合格。

（2）油管錨定功能實驗。在圖3的油管接泵接頭上接泵，水力加壓并保持壓力不變的情況下啟動拉拔機進行推拉實驗，在不同的內(nèi)壓下，給定不同的推拉力，完成錨定力實驗。由于考慮安全的因素，最大試壓60 MPa，最大推拉實驗600 kN，拉拔機活動接頭沒有位移，說明油管錨定器沒有發(fā)生滑脫現(xiàn)象，錨定可靠。

（3）解錨性能實驗。完成錨定功能實驗后，放空其內(nèi)壓，再次啟動拉拔機進行推拉實驗，拉拔機加不上載荷，拉拔機活動接頭可以自由位移，在沒有動力的情況下，一個人用手也可以拖出油管錨定器。拖出檢測，卡瓦恢復自由狀態(tài)，自動失去對套管的錨定作用，其各部件完好。

3.3 實驗結(jié)果

室內(nèi)實驗結(jié)果見表1，對4套軸向推進式水力油管錨定器樣機最高抗內(nèi)壓試壓70 MPa，15 min內(nèi)壓力不降，達到防噴密封耐壓要求；在保持60 MPa內(nèi)壓下，錨定力實驗600 kN沒有出現(xiàn)滑脫現(xiàn)象，滿足現(xiàn)場使用要求。

表1 新型油管錨定器室內(nèi)實驗結(jié)果

4 現(xiàn)場應(yīng)用

從2014年3月在中原油田進入現(xiàn)場試驗，先后在壓裂管柱中試驗，接在壓裂管柱封隔器上端，由于封隔器的作用，其上端中心管壓力遠高于油套環(huán)空壓力，軸向推進式水力油管錨定器起到對管柱的錨定作用。第一次用于中原油田采油五廠H103井壓裂，該井破裂壓力達到55 MPa沒有出現(xiàn)管柱滑脫現(xiàn)象。同時用于拖動水力噴射壓裂，依靠射流水嘴產(chǎn)生的油套壓差使其完成管柱錨定，最多一次順利完成拖動壓裂4層的施工作業(yè)。軸向推進式水力油管錨定器共配合8口井壓裂酸化管柱，有效率100%。

5 結(jié)論

（1）軸向推進式水力油管錨定器結(jié)構(gòu)新穎、簡單合理，分析計算表明，該油管錨定器與套管之間的嵌入式靜摩擦力永遠大于同一施工壓力對整個管柱的上頂力，在施工過程中管柱不會蠕動滑脫失效。

（2）軸向推進式水力油管錨定器相對外徑較小，徑向擴張大，增大工作狀態(tài)下的有效外徑，可適用套管尺寸范圍大，特別適應(yīng)在縮徑套管段使用，同時增加了油套環(huán)空的有效過流截面，提高了措施管柱的施工液體的洗出速度。

（3）軸向推進式水力油管錨定器室內(nèi)模擬實驗錨定力大，安全可靠，各項技術(shù)指標均達到設(shè)計標準和現(xiàn)場使用要求。

（4）軸向推進式水力油管錨定器工藝簡單，使用方便，錨定可靠，解錨順利，能夠用于壓裂酸化、分層多段拖動水力噴射壓裂管柱中，解決了壓裂酸化以及多段分層拖動噴射壓裂的施工管柱的錨定問題，避免了施工過程管柱的蠕動現(xiàn)象，提高了封隔器的承壓能力，保證了安全施工。

［1］馮波，王隆慧，李洪春，等.措施管柱可二次倒扣的安全接頭［J］.石油機械，2006，34（6）：58-59.

［2］趙遠剛，王祿群，侯高文，等.分層開采工藝管柱［M］.山東東營：石油大學出版社，1994：111-207.

［3］朱曉榮，吳雷擇，代理震，等.封隔器設(shè)計基礎(chǔ)［M］.北京：中國石化出版社，2012：44-45.

（修改稿收到日期 2014-10-15）

〔編輯 景 暖〕

Development and application of axial push-on hydraulic tubing anchor

FENG Bo1, GUO Yong2, ZHAO Qixiang1, SHI Aihua1, CAO Haiyan1, ZHANG Zhiping1
（1.Research Institute of Oil Production Engineering Technology,SINOPEC Zhongyuan Oilfield Company,Puyang457001,China;2.Technology Research Institute of Exploration and Production,SINOPEC Zhongyuan Oilfield Company,Puyang457001,China）

Tubing anchor is a guarantee for reliable sealing and safe operation of fracturing string with packers.In line with the problems such as sticking, failure of passing in casing deformation and difficulties of dealing with unexpected incidents，an axial pushon hydraulic tubing anchor was developed.It changed the anchoring mechanism of tubing anchor string, which using radial radiated multi-piston fluke structure.Now, it uses the anchoring principle of annular axial hydraulic piston to drive the cone to axial displacement to expand the slip and hence anchor the tubing.Its anchoring performance, pressure strength and safety performance are fully improved, and its range of application is also expanded.This tubing anchor has been tested 8 well-time on fracturing and acidizing in Zhongyuan Oilfield, 100% successfully providing anchoring for the tubing and ensuring reliable sealing of packers during the whole operation.It can be further promoted and applied.

tubing anchor;creep unsetting;string anchoring;expandable slip

馮波，郭勇，趙奇祥，等.軸向推進式水力油管錨定器的研制與應(yīng)用［J］.石油鉆采工藝，2014，36（6）：112-115.

TE931

：B

1000–7393（2014） 06–0112– 04

10.13639/j.odpt.2014.06.028

馮波，1960年生。1990年畢業(yè)于石油大學采油工程專業(yè)，現(xiàn)從事石油開采井下工具研發(fā)工作，高級工程師。電話：0393-4890604。E-mail：qinfengbo@126.com。