水平井空心地錨的研制與應用

李國鋒楊海波徐 鑫馮德杰

（1.長江大學，湖北荊州 434000；2.勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營 257017）

水平井空心地錨的研制與應用

李國鋒1，2楊海波2徐 鑫2馮德杰2

（1.長江大學，湖北荊州 434000；2.勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營 257017）

針對目前國內現有的預應力固井實心地錨主要應用于直井，不能應用于水平井的現狀，研制了水平井空心地錨，用以解決稠油熱采水平井在注蒸汽開發過程中出現的井口抬升、井口冒油冒汽等問題。該水平井空心地錨在使用時串接在稠油熱采水平井完井管串之中，與篩管頂部注水泥工藝配合，進行提拉預應力作業，不影響目前的鉆井固井及后期采油作業工序，且不會影響大井斜段的固井質量。介紹了該地錨的結構、工作原理、性能特點以及技術指標，并對該地錨的錨爪進行了應力分析以及室內抗拉試驗，達到了設計指標。該水平井地錨研制成功后，已在勝利油田新春采油廠成功應用，應用效果良好。

水平井；固井；預應力；空心地錨；稠油熱采

蒸汽吞吐是稠油開采的最有效手段之一［1］，然而在注蒸汽開發過程中，經常出現井口抬升、井口冒油冒汽的現象，影響區塊的正常開采［2］。目前國內解決此類問題的根本方法是采用預應力固井技術，即將預應力實心地錨串接于套管底部進行錨固，在固井注水泥前或注水泥后對井內套管串施加一定的預拉力［3］，使套管產生了一定的預伸長，從而減小或抵消注蒸汽時熱應力造成的套管伸長，防止套管損壞，保護油井從而延長壽命。

然而現有預應力實心地錨多用于直井［4］，在大斜度井和水平井中很少應用，針對目前現狀，研制了水平井空心地錨完井工具。該工具與卡瓦式套管頭、固井封隔器、分級箍、盲板等井下工具配合，通過在A點附近提拉預應力的方式，解決稠油熱采水平井井口抬升及井口冒油冒汽現象。

1 水平井空心地錨

1.1 結構

水平井空心地錨（圖1）主要由中心管、液缸、活塞、推動底座、拉桿、錨爪、固定套和下護帽組成，其中液缸、活塞組成推動機構，鉆井液由進液孔進入液缸，推動活塞動作；拉桿、錨爪、固定套共同組成錨定機構；活塞動作推動錨定機構實現錨定功能，其中拉桿與中心管之間的起始角度為15°，便于錨爪打開；錨爪共有6 個，均勻分布在中心管圓周，錨爪打開后還可起到居中套管的作用。該空心地錨在水平井A點附近使用，提拉預應力固井作業后，整個完井管串內通徑保持一致，不影響后期作業。

圖1 水平井空心地錨結構圖

1.2 工作原理

將水平井空心地錨連接在完井管串之中，下入到水平井內的設計位置，通過套管內打壓，鉆井液由進液孔進入液缸，水平井空心地錨的推動機構啟動，當壓力達到設定值時，活塞上的剪釘剪斷，活塞動作推動拉桿連帶錨爪打開，錨爪慢慢吃入地層，直到拉桿頂住錨爪為止，從而達到錨定套管串的作用，保證了準確定位，之后即可提拉套管預應力進行預應力固井。水平井空心地錨的推動系統無自鎖機構，若一次提拉不成功，泄壓后下放套管，錨爪可自動收回，將地錨下放到原來或者靠下一點的位置，繼續升壓，可進行多次嘗試，直到地錨將管串錨定之后，再提拉套管預應力進行預應力固井。

1.3 技術特點

（1）水平井空心地錨使用時串在完井管串之中，可根據井徑情況選擇錨定位置，應用靈活，便于推廣。

（2）該地錨內通徑與完井管串保持一致，在提拉預應力固井作業后，不會影響后期作業。

（3）該地錨6個錨爪均勻分布，脹開后可以有效地居中套管，利于在水平井中推廣使用。

1.4 技術指標

?177.8 mm水平井空心地錨最大外徑215 mm，膨脹后最大外徑410 mm，內徑159 mm，長度1.9 m，打開壓力10 MPa，抬升力大于11.5 kN，錨爪數量6個，錨爪長度130 mm，允許最大拉力大于1 000 kN，材質P110。

?139.7 mm水平井空心地錨最大外徑184 mm，膨脹后最大外徑260 mm，內徑121 mm，長度1.9 m，打開壓力10 MPa，抬升力大于8.5 kN，錨爪數量6個，錨爪長度130 mm，允許最大拉力大于1 000 kN，材質P110。

2 錨爪應力分析和抗拉試驗

水平井空心地錨錨爪的加工材料為合金鋼，其屈服強度為620 MPa，張力強度為724 MPa。該空心地錨設計完成后，用solidworks軟件對錨爪進行了應力分析，模擬將錨爪底端固定，錨爪頂端施加200 kN的力，分析結果如圖2所示，應力最大值在錨爪與拉桿連接的位置，最大值為521 MPa，小于錨爪的屈服強度620 MPa，所以水平井空心地錨的6個錨爪全部張開后，理論上可承受1 200 kN以上的拉力。

圖2 錨爪應力分析

錨爪抗拉試驗：采用額定負荷2 000 kN、壓盤抬升高度大于1.5 m的壓力試驗機對地錨進行抗拉測試。加工一件特制的耐壓套，耐壓套最小內徑220 mm，中間有臺階。試驗時，耐壓套放在壓力試驗機底盤上，把地錨的6個錨爪張開，錨爪向下穿入耐壓套之中，錨爪放置在耐壓套的臺階上，如圖3所示，然后將壓力試驗機的上壓盤壓在地錨本體上，采用加壓的方法測定錨爪能夠承受的最大拉力。

圖3 錨爪抗拉試驗

實驗過程：將地錨和耐壓套按上述方法置于壓力試驗機上，下放壓力試驗機上壓盤對地錨本體進行逐漸加壓。施加壓力緩慢得當，加壓過程中隨時關注壓力表顯示及波動。緩慢加壓至1 000 kN后，穩壓30 min，觀察壓力表，壓力仍顯示1 000 kN，拆下地錨錨爪檢測，錨爪未發生形變，試驗結束。

實驗結果：該水平井空心地錨6個錨爪全部打開后能承受1000 kN的提拉力。

3 現場應用

勝利油田新春采油廠排6-平77井，位于新疆車排子排6北區，儲層屬于特稠油藏，設計采用注汽熱采投產。該井水平段采用篩管裸眼完井，為防止后期注汽井口上竄的問題，利用水平井空心地錨進行提拉預應力，實現套管預應力伸長，減少后期注汽過程中套管串受熱伸長導致的井口抬升程度。

該井一開采用?346.1 mm鉆頭鉆至井深101 m，下入?273.1 mm表層套管，水泥返至地面；二開采用?241.3 mm鉆頭鉆至完鉆井深723 m完鉆，下入?177.8 mm套管，其中532~723 m為割縫篩管，水泥封固段為0~532 m。造斜點井深192 m；A點井深605.5 m，垂深465.77 m，A點井斜角為86.95°；最大井斜角91.6°，此處井深663.83 m，垂深466.12 m；水平井空心地錨位置井深556.84 m，垂深458 m，井斜角為74°。

完井管串為：?177.8 mm引鞋+?177.8 mm套管×1 根+?177.8 mm篩管×4 根+?177.8 mm熱力補償器+?177.8 mm篩管×3 根+盲板+?177.8 mm水平井空心地錨+?177.8 mm短套管×1根+?177.8 mm管外封隔器+?177.8 mm套管×1根+?177.8 mm管外封隔器+?177.8 mm短套管×1根+分級箍+?177.8 mm套管串。

施工過程：按上述管串組合配好完井管串，管串下到位后，灌滿鉆井液，接水泥頭，連接固井泵車打壓至8 MPa，穩壓2 min，張開錨爪，上提套管，懸重由0緩慢上升，直至上升至設計拉力590 kN，剎車，此時井口抬升56 cm，靜止5 min，懸重及井口套管未變化，說明套管已經錨定成功，泄壓，安裝套管頭卡瓦，安裝完畢后，繼續升壓至14 MPa，穩壓2 min，脹開封隔器，升壓至16 MPa，打開分級箍建立循環，完成固井作業。候凝36 h后，下154 mm磨鞋鉆掉盲板，通井到底循環起鉆。

該井固井質量評價為優良，與鄰井固井質量相比，使用水平井空心地錨提拉預應力后，沒有影響大斜度井段的固井質量。

4 結論

（1）該水平井空心地錨結構簡單，使用方便，能與篩管頂部注水泥工藝配合，使稠油熱采水平井也能進行提拉預應力作業，完善了稠油熱采井提拉預應力固井工藝。

（2）空心地錨完井工藝中，只要合理安放扶正器，不影響大斜度井段的固井質量。

（3）鑒于目前的空心地錨完井工藝還需要后期鉆塞作業，因此研發分體式免鉆塞+空心地錨完井工具成為該工藝發展的必然方向。

［1］陳平保，孫榮華，張建國.勝利油田西部稠油熱采井預應力固井配套技術［J］.中國石油大學勝利學院學報，2013，27（1）：29-31.

［2］宋洵成，趙洪山，管志川.稠油熱采井套管的預應力分析［J］.石油鉆采工藝，2006,28（4）：64-67.

［3］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.

［4］李燕青，張強.熱采井單元式預應力固井地錨［J］.內蒙古石油化工，2012（4）：53-54.

［5］劉世彬，吳永春，王純泉，等.預應力固井技術研究與現場應用［J］.鉆采工藝，2009，32（5）：21-24.

［6］施連海，劉湘基，楊帆，等.套管雙級地錨在稠油熱采中的應用［J］.石油機械，2010，38（10）：61-62.

（修改稿收到日期 2014-07-25）

〔編輯 景 暖〕

Development and application of hollow ground anchor for horizontal wells

LI Guofeng1,2,YANG Haibo2,XU Xin2,FENG Dejie2
（1.Yangtze University,Jingzhou434000,China;2.Drilling Technology Research Institute,Shengli Petroleum Engineering Co.,Ltd.,Dongying257017,China）

In view of the fact that the prestressed solid anchor for cementing now available in domestic market is mainly used in vertical wells and can not be used in horizontal wells,a hollow ground anchor has been developed for horizontal well,used to address the problems such as wellhead lift and oil/gas escaping from wellhead,during steam injection in horizontal wells for heavy oil thermal recovery.This hollow ground anchor for horizontal well is connected onto the completion string in horizontal wells for heavy oil thermal recovery,which combines with the technology of cement displacement technology on the top of screen tube to carry out lifting and prestressed operation.This will not affect the drilling and cementing and subsequent oil production sequence,and also will not affect the cementing quality in large deviated sections.This paper presents the structure,working principle,performance characteristics and technical specifications of this ground anchor;and stress analysis and indoor tensile test were conducted to the ground anchor flukes,which were all up to the designed indicators.After the successful development of this ground anchor,it has been successfully used with good effectiveness in Xinchun Oil Production Plant of Shengli Oilfield.

horizontal well;cementing;prestressed;hollow ground anchor;heavy oil thermal recovery

李國鋒，楊海波，徐鑫，等.水平井空心地錨的研制與應用［J］.石油鉆采工藝，2014，36（5）：117-119.

TE925.3

：B

1000–7393（2014） 05–0117–03

10.13639/j.odpt.2014.05.029

國家科技重大專項“低滲油氣田完井關鍵技術”（編號：2008ZX05022-006）部分研究成果。

李國鋒，1982年生。2007年畢業于中國石油大學（華東）機械設計及其自動化專業，長江大學石油與天然氣工程專業在職研究生，現從事石油完井工具開發與配套工藝研究工作。電話：13562262324。E-mail：41931517@qq.com。