試油封隔器防砂水力錨結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度校核

齊加德，崔會(huì)賀，仝少凱（川慶鉆探工程有限公司　長(zhǎng)慶井下技術(shù)作業(yè)公司，西安710018）

試油封隔器防砂水力錨結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度校核

齊加德，崔會(huì)賀，仝少凱
（川慶鉆探工程有限公司長(zhǎng)慶井下技術(shù)作業(yè)公司，西安710018）①

針對(duì)常規(guī)試油封隔器水力錨出現(xiàn)的砂卡、腐蝕等問(wèn)題，利用Pro／E三維軟件設(shè)計(jì)了一種試油封隔器防砂水力錨，確定其技術(shù)性能參數(shù)。根據(jù)力學(xué)理論對(duì)其錨體、彈簧及錨爪進(jìn)行了材料選擇與強(qiáng)度分析，并分析了水力錨啟動(dòng)與復(fù)位性能。分析結(jié)果表明，試油封隔器防砂水力錨結(jié)構(gòu)合理，具有強(qiáng)制解錨、割縫防砂、抗腐蝕及高錨定力等優(yōu)點(diǎn)，可滿(mǎn)足試油聯(lián)作需要；防砂水力錨錨體、彈簧及錨爪具有較高的承載能力，應(yīng)力在可控范圍內(nèi)，可避免水力錨錨爪不能復(fù)位及卡管柱事故的發(fā)生。

試油；水力式封隔器；防砂；結(jié)構(gòu)

油氣井試油聯(lián)作過(guò)程中通常采用帶水力錨的卡瓦式封隔器，該封隔器主要由扶正器、卡瓦、中心管、膠筒及水力錨組成，其中水力錨是試油封隔器實(shí)現(xiàn)定位功能的重要部件之一，其工作過(guò)程為：若管內(nèi)壓力大于環(huán)空壓力，則水力錨活塞啟動(dòng)，將水力錨卡死在套管內(nèi)壁上，實(shí)現(xiàn)管柱的可靠錨定，防止管柱軸向竄動(dòng)。錨定后水力錨與套管緊密接觸，導(dǎo)致水力錨周?chē)坠軕?yīng)力增大，套管所受接觸應(yīng)力和變形呈非均勻分布，在井下動(dòng)載作用下，水力錨將發(fā)生損壞，失去錨定功能。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多文獻(xiàn)針對(duì)可取式封隔器工作性能［1-2］、水力錨與套管接觸應(yīng)力［3］、水力錨結(jié)構(gòu)改進(jìn)［4-5］、新型水力錨研制［6-7］、水力錨卡管柱［8］、試油封隔器測(cè)試技術(shù)［9-10］等方面做了相關(guān)研究，但在試油封隔器水力錨定位性能研究和防砂卡方面認(rèn)識(shí)不足。考慮到試油封隔器水力錨結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的缺陷，壓裂時(shí)錨爪內(nèi)腔易進(jìn)砂和存砂，特別在大斜度井和水平井中，液體中的雜質(zhì)、地層砂及壓裂支撐劑逐漸沉淀，使錨爪內(nèi)腔進(jìn)砂、存砂較為嚴(yán)重，而且錨爪易出現(xiàn)腐蝕、結(jié)垢現(xiàn)象，造成工具解卡時(shí)錨爪難以復(fù)位及卡管柱事故。因此，針對(duì)上述砂卡、腐蝕問(wèn)題，有必要設(shè)計(jì)一種防砂卡功能的水力錨，并對(duì)該設(shè)計(jì)組件進(jìn)行力學(xué)分析，以此確保防砂水力錨的強(qiáng)度安全。

1　總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

常規(guī)試油封隔器水力錨由錨體、壓板、固定螺釘、復(fù)位彈簧、金屬錨爪頭、硬質(zhì)合金爪牙等組成，沒(méi)有防砂機(jī)構(gòu)。如圖1～3所示，新型防砂水力錨是在現(xiàn)有試油封隔器水力錨錨爪結(jié)構(gòu)上開(kāi)了一個(gè)“凹形槽”，增加了一個(gè)“O”型抗腐蝕密封圈，確保壓裂時(shí)水力錨錨爪內(nèi)腔不會(huì)進(jìn)入壓裂液中的微小分子支撐劑，同時(shí)也可保證出砂地層產(chǎn)出的砂子不進(jìn)入錨爪內(nèi)腔，避免了撤掉油管液壓力時(shí)水力錨錨爪不能回收的現(xiàn)象，從而有效防止了卡錨事故，減少了不必要的打撈修井工作。

由圖3可以看出，該防砂水力錨錨體上設(shè)有6個(gè)錨爪孔，在垂直錨體的兩個(gè)均布徑向平面內(nèi)各布3個(gè)孔，每孔間隔120°；在錨體縱向上呈兩排均勻交錯(cuò)分布，錨體外壁縱向有3道壓板槽，每道壓板槽縱向均勻分布有3個(gè)螺釘孔；錨爪活塞和硬質(zhì)合金錨爪頭組成了錨爪；錨爪環(huán)向上有一環(huán)形密封槽，“O”型密封圈裝在錨爪活塞的密封槽內(nèi)。錨爪通過(guò)壓板安裝在錨體的錨爪孔內(nèi)，復(fù)位彈簧裝在錨爪前端，位于壓板與錨爪之間，固定螺釘將壓板固定在錨體上。

圖1　水力錨結(jié)構(gòu)

圖2　水力錨剖面圖

圖3　水力錨組裝圖

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要及現(xiàn)有水力錨結(jié)構(gòu)尺寸數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)試油封隔器防砂水力錨技術(shù)性能參數(shù)如表1所示。該試油封隔器防砂水力錨具有強(qiáng)制解錨、割縫防砂、抗腐蝕及高錨定力等特點(diǎn)，若彈簧不足以解錨，可以強(qiáng)行將錨爪收回，保證上提管柱時(shí)錨爪完好；對(duì)于常規(guī)水力錨，砂子易進(jìn)入錨爪內(nèi)腔，導(dǎo)致錨爪不能復(fù)位，防砂水力錨設(shè)計(jì)“O”型密封圈及裝配時(shí)錨爪涂抹潤(rùn)滑油，對(duì)于0．5～0．8mm粒徑的砂子不會(huì)進(jìn)入錨爪內(nèi)腔；防砂水力錨剛體部分采用抗腐蝕材料制造，防止施工過(guò)程中水力錨各部件不會(huì)因銹蝕而遇卡；防砂水力錨設(shè)計(jì)有24顆硬質(zhì)合金牙齒，保證其與套管內(nèi)壁有足夠大的錨定力。

表1　試油封隔器水力錨主要技術(shù)性能參數(shù)

2　錨體強(qiáng)度分析

2．1 材料選擇

水力錨錨體材料選擇35Cr Mo，這種材料的特點(diǎn)是：高溫下具有高的持久強(qiáng)度和蠕變強(qiáng)度，低溫沖擊韌度較好，工作溫度可達(dá)500℃，低溫可至－110℃，并具有高的靜強(qiáng)度、沖擊韌度及較高的疲勞強(qiáng)度，淬透性良好，無(wú)過(guò)熱傾向，淬火變形小。

2．2 材料許用應(yīng)力確定

水力錨材料選擇后，根據(jù)文獻(xiàn)［11］得35CrMo鋼材抗拉強(qiáng)度為847MPa，考慮到高強(qiáng)度鋼的屈服強(qiáng)度接近于抗拉強(qiáng)度，則取抗拉強(qiáng)度作為極限應(yīng)力，一般情況下鋼材安全系數(shù)取2，則35CrMo鋼材許用應(yīng)力為423．5MPa。

2．3 錨體承壓能力分析

如圖4所示，已知錨體外半徑R1＝57mm，內(nèi)半徑R2＝24mm，錨體承受內(nèi)壓p1＝70MPa，彈性模量206×103MPa，泊松比0．3，則由彈性力學(xué)厚壁筒理論［12］得錨體內(nèi)壁最大徑向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力分別為－70MPa和100．2MPa，按照第四強(qiáng)度理論［13］確定錨體相當(dāng)應(yīng)力為148MPa，與35CrMo鋼材許用應(yīng)力423．5MPa相比，安全系數(shù)2．86；根據(jù)屈雷斯卡屈服條件［12］確定錨體所能承受的最大內(nèi)壓為174．2MPa，與初始內(nèi)壓70MPa相比，安全系數(shù)2．48，錨體強(qiáng)度富余。

由文獻(xiàn)［11］得錨體徑向和軸向位移為：

式中：pi為錨體承受的內(nèi)壓，MPa；R1為錨體外半徑，mm；R2為錨體內(nèi)半徑，mm；E為錨體材料彈性模量，MPa；μ為泊松比，取μ＝0．3；l為錨體長(zhǎng)度，mm。

將上述參數(shù)代入式（1）和式（2），計(jì)算錨體徑向位移和軸向位移為1．02×10－4m和1．15×10－4m?？梢?jiàn)，錨體徑向和軸向變形較小，可以承受高壓，設(shè)計(jì)滿(mǎn)足工況要求。

圖4　水力錨錨體

3　彈簧強(qiáng)度分析

彈簧是水力錨錨爪泄壓回收的重要部件，其性能優(yōu)劣決定了水力錨解封能力的大?。?4］?？紤]到水力錨彈簧受壓較大及尺寸受安裝條件限制，擬采用組合彈簧。錨爪采用雙彈簧反推設(shè)計(jì)，錨定可靠，且增加了水力錨錨爪回收的彈性，更與普通單根彈簧相比，不僅可以減少?gòu)椈少|(zhì)量，而且由于鋼絲直徑小，便于制造加工，如圖5所示。

圖5　雙彈簧三維圖

設(shè)計(jì)組合彈簧時(shí)主要考慮了如下問(wèn)題：

1） 滿(mǎn)足或接近組合彈簧的等強(qiáng)度關(guān)系。

2） 滿(mǎn)足或接近組合彈簧的等變形關(guān)系。

3） 為保證組合彈簧的同心關(guān)系，防止內(nèi)外彈簧產(chǎn)生歪斜現(xiàn)象，兩個(gè)彈簧的旋向應(yīng)相反，一個(gè)右旋，另一個(gè)左旋。

4） 組合彈簧的徑向間隙要滿(mǎn)足實(shí)際需要。

5） 彈簧端部的支承設(shè)計(jì)必須考慮防止內(nèi)、外彈簧在工作過(guò)程中的偏移，組合彈簧設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，通常先對(duì)內(nèi)外彈簧按等強(qiáng)度原則以25∶10分配載荷，然后按普通單根圓柱螺旋壓縮彈簧的計(jì)算步驟進(jìn)行。

6） 彈簧材料選擇60Si2Mn，60Si2Mn彈簧鋼具有較高的彈性和強(qiáng)度，其許用切應(yīng)力256MPa，許用彎應(yīng)力80Pa，剪切彈性模量8000Pa，彈性模量21000Pa。

由文獻(xiàn)［11］得彈簧最大工作載荷為：

式中：d為彈簧絲直徑，mm；dn為彈簧中徑，mm；K為曲度系數(shù)，取K＝1．23；［τ］為彈簧許用切應(yīng)力，MPa。

設(shè)計(jì)外彈簧絲直徑2mm，外彈簧中徑20mm，則由式（3）計(jì)算外彈簧最大工作載荷為32．7kN，考慮到水力錨錨爪直徑45mm，故需要液壓力21MPa。根據(jù)彈簧最大工作載荷查閱文獻(xiàn)［11］確定彈簧設(shè)計(jì)相應(yīng)參數(shù)如表2所示，經(jīng)強(qiáng)度校核表明該彈簧設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

表2　彈簧設(shè)計(jì)相應(yīng)參數(shù)

4　水力錨錨爪強(qiáng)度分析

如圖6所示，水力錨錨爪材料選擇20CrMo，因?yàn)?0CrMo淬透性較高，無(wú)回火脆性，焊接性良好，形成冷裂的傾向較小，可切削性及冷應(yīng)變塑性良好。

圖6　錨爪三維圖

考慮到水力錨爪的高寬比相對(duì)較小，管柱軸向竄動(dòng)時(shí)，認(rèn)為水力錨受剪切作用。利用材料力學(xué)知識(shí)，錨爪所受剪切應(yīng)力為：

式中：Qmz為管柱施加于水力錨爪的上頂力，k N；αm為水力錨爪牙傾斜角（楔角），（°）；n為水力錨爪個(gè)數(shù)；rm為水力錨爪牙柱半徑，m。

由于水力錨爪為塑性材料，所以應(yīng)滿(mǎn)足如下剪切強(qiáng)度條件：

式中：［τsm］、［σsm］為水力錨爪材料的剪切和拉伸許用應(yīng)力，MPa。

設(shè)計(jì)水力錨爪承受最大上頂力550kN，爪牙柱直徑10．5mm，則由式（4）計(jì)算錨爪剪切應(yīng)力為511MPa，由于20CrMo材料抗拉強(qiáng)度為885 MPa，按照式（5）得出最小許用剪切應(yīng)力為531MPa，可見(jiàn)水力錨不會(huì)發(fā)生剪切破壞。

5　水力錨錨爪啟動(dòng)與復(fù)位分析

根據(jù)水力錨的工作原理，當(dāng)錨爪啟動(dòng)時(shí)，錨爪要克服彈簧的壓力才能夠啟動(dòng)，由上述對(duì)彈簧的分析計(jì)算可知，此時(shí)錨爪的啟動(dòng)壓力就是彈簧的最小工作壓力，即pq＝21MPa；當(dāng)錨爪復(fù)位時(shí)，是靠雙彈簧的彈力作用收回的，所以錨爪的回收力即為彈簧的最大工作壓力，即ps＝64．5MPa，滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)試壓要求。

6　結(jié)論

1） 新設(shè)計(jì)的防砂水力錨結(jié)構(gòu)合理，具有強(qiáng)制解錨、割縫防砂、抗腐蝕及高錨定力等特點(diǎn)，可滿(mǎn)足試油聯(lián)作需要，避免錨爪不能復(fù)位及卡管柱事故。

2） 在一定內(nèi)壓作用下防砂水力錨錨體、彈簧及錨爪具有較高的承載能力，應(yīng)力在可控范圍內(nèi)，強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

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（35）：59-63．

Strength Check and Structure Design of Testing Packer Hydraulic Anchor for Avoiding Sand

QI Jiade，CUI Huihe，TONG Shaokai
（Changqing Downhole Technology Company，Chuanqing Drilling Engineering Co．，Ltd．，Xi’an 710018，China）

Conventional testing packer hydraulic anchor caused easily some issues，such as sand card，corrosion，etc．Therefore，a kind of testing packer hydraulic anchor for avoiding sand was de-signed by Pro／E Software，its technical performance parameters were determined，then，material selection and strength analysis of anchor body，spring and anchor were completed throughme-chanical design knowledge andmechanical theory，and performance of hydraulic anchor was ana-lyzed for start-up and reset．Analysis results show that testing packer hydraulic anchor for avoi-ding sand was reasonable，its advantages were forced de-archive，avoiding sand，corrosion resist-ance and high anchorage force，it couldmeet needs of actual field．Anchor body，spring and anchor of hydraulic anchor had high bear capacity，stress intensity was under control．It could avoid hy-draulic anchor not resetting and damage accidents of tubing strings．

oil production test；hydraulic packer；sand control；structure

TE91

B

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．08．017

1001－3482（2015）08－0071－05

①2015－01－29

齊加德（1980-），男，甘肅武威人，2003年畢業(yè)于東北大學(xué)資源勘查專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)主要從事油田開(kāi)發(fā)方面的研究，Email：ade-3721＠163．com。