熱采井預應力固井模塊化地錨的設計

黃志強 (長江大學石油工程學院，湖北 武漢 430100)

張 強 (長江大學機械工程學院，湖北 荊州 434023)

劉書杰，謝仁軍 (中海油研究總院，北京 100027)

熱采井預應力固井模塊化地錨的設計

黃志強 (長江大學石油工程學院，湖北 武漢 430100)

張 強 (長江大學機械工程學院，湖北 荊州 434023)

劉書杰，謝仁軍 (中海油研究總院，北京 100027)

為了避免熱采井套管受熱應力損壞，延長油氣井壽命，現場多采用預應力固井。地錨作為預應力固井的必備工具，其功能可靠性和有效性顯得尤為重要。國內現有地錨大多應用于較淺直井，在某些較軟地層中容易錨固失效，且難以根據地層和施工需要自由組配、不能自主調節噴嘴直徑、不具備錨爪自洗功能。結合上述問題，設計了熱采井預應力固井模塊化地錨，不僅能滿足定向井施工需求，而且具有錨爪自洗和錨爪自動復位等功能，并可根據現場實際需要進行模塊化組合，從而提高固井施工效率，對于預防熱采井套管損壞，促進熱采井高效開發具有重要的實際意義。

地錨；預應力固井；單元式組合；有限元分析

為了避免熱采井套管受蒸汽高溫的影響而損壞，目前多采用預應力固井技術[1]。預應力固井就是在套管下入井底后在底部進行錨固，然后根據施工需要在井口對套管施加一定的預拉力，使套管產生一定的伸長量，預拉完成后進行注水泥固井。由于套管伸長量可以減小或抵消注蒸汽時熱應力造成的套管伸長，所以采用預應力固井技術可有效防止套管損壞，延長油井壽命[2]。

據調研，國內現有地錨大多應用于較淺直井，且難以根據地層和施工需要自由組配，不能自主調節噴嘴直徑，不具備錨爪自洗等功能。結合上述問題，自主設計了熱采井預應力固井模塊化地錨。該地錨可根據現場實際需要進行模塊化組合，具有噴嘴可更換、錨爪自洗與自動復位等功能。利用有限元分析軟件對地錨進行了仿真模擬，驗證了功能的可靠性，并重點針對地錨本體受200t提拉力時的應力分布進行了分析，結果滿足熱采井預應力固井施工需要。該地錨的設計有助于提高熱采井固井施工效率，對于促進熱采井高效開發具有重要的實際意義。

1 地錨結構與工作原理

基于目前國內外熱采井固井地錨存在的主要問題，結合熱采井固井作業特點和施工需求，設計了一種熱采井預應力固井模塊化地錨。

1.1結構設計

熱采井固井模塊化地錨主要由本體、節流管、錨爪、連桿、中心桿、復位彈簧等零件組成，結構如圖1所示。

地錨主要設計參數：①單級長度1300mm；②本體最大外徑254mm；③連接套管直徑244.5mm；④錨爪開啟排量14～15L/s；⑤本體抗拉強度2000kN；⑥單級錨爪的抗拉強度600kN；⑦錨爪張開最大直徑466mm。

該地錨采用噴嘴節流，在實際應用中可根據實際需要更換噴嘴；考慮到下套管過程中需要循環泥漿，在下套管中盡量避免打開錨爪，因此配合使用復位彈簧。

1.2工作原理

該地錨連接于套管底部，隨套管一起下入井內。在下套管過程中，復位彈簧的上頂力通過活塞、中心桿和連桿控制地錨爪，使其收緊于地錨本體。當下到預定位置后開泵循環，鉆井液流過中心管和噴嘴后進入環空建立循環。由于噴嘴的節流作用，管內外產生的壓差克服彈簧的上頂力推動中心管向下滑動，并帶動連桿運動，推動錨爪張開，爪尖支撐于井壁，同時通過提拉套管柱使地錨上行，錨爪便可“吃入”井壁而實現錨固；停泵并下放地錨時，受復位彈簧力的影響，錨爪自動復位。循環過程中鉆井液排量越大、壓差越大，中心管下推力越大，地錨爪的外撐力也越大。若地層較硬時，爪尖將卡于井壁的“臺階”實現錨固。當地層較軟時，隨著地錨的上行，錨爪將逐漸張開至極限位置“吃入”井壁深部，地錨達到極限張開狀態，呈平面承托而錨固。

注：1,7,9,22-密封圈;2-噴嘴;3,4,16,19,25-擋圈;5-套圈;6-擋環;8-活塞;10-上部短接;11-彈簧;12-中心管;13-本體;14-彈簧座;15,18-銷;20-錨爪;20-開口銷;21-銷軸;23-導向套

2 有限元分析

2.1單只錨爪受30t提拉力時的應力分布

利用ANSYS有限元分析軟件分析單只錨爪受30t提拉力時的應力分布，基本假設：①地錨張開至極限尺寸，地層對錨爪的壓力均勻分布在面1上;②錨爪與本體接觸的部分為完全約束。邊界條件為在面1上施加98.4MPa的壓力(單只錨爪受30t提拉力)，面2為完全約束。錨爪有限元分析模型 和錨爪的等效應力云圖如圖2和圖3所示，由分析可知，錨爪與本體接觸部位最大等效應力值為1556MPa，3個主應力均為壓應力，不影響錨爪的正常工作。

圖2 錨爪有限元分析模型 圖3 錨爪的等效應力云圖

2.2地錨本體受200t提拉力時的應力分布

為了提高計算速度對地錨本體模型進行了簡化，如圖4所示。固定錨爪本體一端，在另一端施加200t(壓強為50.76MPa)的提拉力進行求解計算，結果顯示如圖5所示。從等效應力云圖中可以看出最大應力出現在錨爪銷孔處，最大等效應力為381.86MPa。從3個主應力云圖中得出最大主應力均為壓應力，都滿足強度要求。

圖4 地錨本體受200t提拉力有限元分析模型 圖5 地錨本體受200t提拉力的等效應力云圖

2.3地錨本體受15340N·m的緊固扭矩時的應力分布

為了防止地錨本體在與套管連接時上扣過程中的損壞，應用有限元分析軟件分析地錨本體受15340N·m的緊固扭矩時的應力分布情況。分析過程中固定地錨本體的一端，在另一端加15340N·m的扭矩。地錨本體有限元分析模型和等效應力云圖分別如圖6和圖7所示。由分析可知，最大應力出現在錨爪銷孔處，最大等效應力為99.797MPa，3個方向最大主應力均為壓應力，滿足強度要求。

圖6 地錨本體受15340N·m扭矩有限元分析模型 圖7 地錨本體受15340N·m扭矩的等效應力云圖

3 結 論

(1)針對現有地錨存在的主要問題，設計了熱采井預應力固井模塊化地錨，該地錨具有錨爪自洗與自動復位功能，可滿足定向井固井施工需求，并根據實際需要進行模塊化組合，自由選配節流噴嘴。

(2)經仿真模擬，該地錨功能可靠，在需要60t以下預拉力的情況下采用單級地錨；需要預拉力超過60t采用雙級地錨。

(3)經有限元分析，在地錨本體施加200t的提拉力和在另一端施加15340N·m的扭矩的情況下，3個方向的應力均為壓應力，均滿足強度要求。

[1]萬仁溥.現代完井工程[M]. 北京：石油工業出版社，2000.

[2]張桂林.可復位式預應力固井地錨的研究與應用[J].石油鉆探技術，2000，28(3):36-38.

2013-03-12

國家科技重大專項(2011ZX05024-005-009)。

黃志強(1964-)，男，碩士，教授，長期從事油氣井鉆井完井技術方面的研究工作。

TE256

A

1673-1409(2013)26-0101-03

[編輯] 洪云飛