基于機械式卡瓦的新型選層錨設計

王寧，焦侃，謝曙釗，區漢東，白旭晶，張博，胡志新

（1.長安大學 工程機械學院，西安 710000；2.輕工業西安機械設計研究院有限公司，西安 710086；3.西安慶安電氣控制有限責任公司，西安 710077）

0 引言

隨著經濟的快速發展，我國對石油和天然氣的需求日益增大，油氣探測求產的方向也逐漸向大位移井、海底、超深井、等高難度井轉變。而基于此趨勢，對探測所需工具的要求也有所提高，以規避鉆井風險的增加和成本的大幅度提高。在油氣勘探過程中，為了對鉆井過程中遇到的油氣顯示層做出準確評價，一般采用地層測試的方法進行綜合分析，直接獲取油氣藏生產狀態下的參數，獲取地層產液參數、產量、油藏邊界狀態等因素，能真實地反映地層狀況，開發部門也可根據檢測獲取到的資料制訂單井配產等決策[1]。

在油氣地層測試過程中經常會遇到一種情況：探測油氣層下面的一段距離存在新目標層，若想對新目標層進行測試，通過打水泥塞下支管的方法會增加經濟與時間成本，因此一般情況下采用選層錨跨隔測試技術，通過選層錨使封隔器在新目標層坐封便捷及牢靠，同時起到支撐井內管柱的作用。伴隨著裸眼井跨隔測試技術的進步，選層錨的作用也愈來愈突出。若選層錨在錨定時出現問題，卡瓦卡進井壁過深或卡瓦與井壁接觸不牢靠，均會對后續的油氣井的作業造成一定的負面影響，甚至會直接引發后期高成本的維修作業[2]。

為了提高選層錨的穩定性，國內外學者針對選層錨的不同部件展開研究。1989年Giroux[3]研究發明一種半剛性的扶正器，其主要構件包括管狀殼體、2個環箍、4個長的扶正條，扶正條安裝在環箍的周圍，采用螺栓固定。1994年劉占光[4]運用靜力學等效的分析思維，針對卡瓦在坐封后的力學狀態進行分析，主要為卡瓦受套管的軸向力和環向力，得出套管內外壓差對卡瓦強度的影響。2001年劉天良等[5]通過研究分析卡瓦切進深度和所受軸向力二者的聯系，測得運用機械式錨定或者液力式錨定進行坐封時，測試管柱所能承載的最大坐封力。該項研究對于后續卡瓦的設計、卡瓦牙的牙型設計、封隔器的設計及實地應用都提供了理論根據。2007年J. Cripps[6]指出扶正器在干燥和各種泥漿條件下，應該具有較低的摩擦因數和磨損系數。2009年翟慶紅[7]運用三維光彈性實驗方法對錨定機構卡瓦進行理論模型的創立，經過分析，獲得卡瓦牙的應力分布規律。2017年周波、呂明杰等[8]研制出一種新型裸眼用膨脹管可變徑扶正錨定工具，可為膨脹管提供足夠的扶正力，使膨脹管在裸眼井段較好地居中，從而提高固井質量。2018年張鵬、馬金生等[9]提出一種基于絕對差分濾波方法（ADFM）的新型獨立雙管扶正器方案，減振得到較大提高。2019年S. Nassiri[10]研究了對機械式錨定器的原始極限抗拉強度的影響，對機械式卡瓦錨定器在6個不同力下進行測試，對影響錨固的因素進行評判。

通過對國內外選層錨的研究，合理設計選層錨的結構可以改善管柱受力狀況，有利于降低其疲勞破壞、控制其收縮伸展性能、減輕漏失程度、延長鉆桿的使用期限、降低鉆井成本、降低鉆井風險[11]。

1 錨定方式確定

目前，比較常用的錨定器為以下幾種：1）機械式卡瓦油管錨。在石油工業里面，機械式卡瓦油管錨是最早出現的錨定工具，主要是通過管柱的升降及旋轉來實現錨固，最顯著的特點是結構緊湊，可以將管柱一部分的質量轉移到套管上面，降低上部油桿工具所受的壓力。另外，在現場使用時非常方便，安裝拆卸工具時較為便捷。2）機械式油管張力錨。機械式油管張力錨是從機械式封隔器延伸而出來的錨定工具，主要是通過旋轉吊繩，配合特殊的井口懸掛器來完成。在油氣井作業時，張力錨和井口懸掛器之間的管柱始終處于拉緊的狀態，并且油管沒有彎曲。3）液壓雙向卡瓦油管錨。液壓雙向卡瓦油管錨的工作原理與液壓單向卡瓦相似，只是在結構上與液壓式單向油管錨有一定的不同，其卡瓦是雙向的，坐封時采用液壓油管錨的方式，此外，當油管內的液面高度超過油管環空的液面高度時，錨定器即可實現自動坐封，解除坐封時借鑒了液壓單向卡瓦油管錨的優點。4）液壓單向卡瓦油管錨。在液壓雙向卡瓦油管錨基礎之上進行改進，提出了單向卡瓦的設計。主要的特點為其卡瓦是單向的，坐封方式借鑒了液壓油管錨的優點。當作業完畢需要解卡時，只需要將管柱上提一定的距離。單向卡瓦在解卡時相對安全可靠。在結構設計方面，液壓單向卡瓦油管錨使用單向卡瓦錨固的方式，從表征上來看，它無法控制管柱的雙向伸縮，當上沖程油管內液柱載荷卸載時，油管不會發生收縮的現象[12-13]。

可以總結出液壓錨具有以下特點：1）易失效；2）依靠自身壓差錨定。機械式錨具有以下特點：1）可減少上部油管壓力；2）依靠自身管柱的重力坐卡；3）造價低。通過分析對比這幾種錨定器卡瓦結構，本文采用機械式卡瓦錨定器。

2 選層錨整體設計

2.1 技術要求

1）此選層錨適用于7～8 in井眼跨隔式地層測試；2）卡瓦總成在卡瓦錐體上應自由滑動無卡阻現象；3）扶正彈簧總成應能相對于中心管轉動；4）下井使用前定位銷必須在中心管J形槽內，以免先期錨定；5）使用時上提管柱右旋轉半圈，在保持轉矩的條件下，下放管柱卡瓦即可緊貼井壁錨定；6）組裝后，清洗外表面并涂黃色油漆；7）坐封載荷為100～120 kN。

2.2 結構設計

選層錨對封隔器的坐封，主要依賴于機械式錨定器、整體式扶正器、定位銷-J形槽換位機構三部分。

1）機械式錨定器。機械式錨定器主要由錐體、安全環、卡瓦和卡瓦座等組成，主要功能是支撐于井壁以避免管柱發生縱向移動。

2）整體式扶正器。整體式扶正器主要由整體式扶正器和堵頭等組成，主要功能是使井下工具能在井內始終保持中心位置，它可以有效地防止卡柱現象。

3）定位銷-J形槽換位機構。定位銷-J形槽換位機構主要由回位簧片、開槽圓柱頭螺釘、定位筒和定位銷等組成，主要功能是實現選層錨在規定位置準確定位，J形槽的存在可防止錨定過程發生滑動。

圖1 選層錨結構示意圖

圖2 選層錨三維結構圖

2.3 工作原理

在選層錨入井的時候，扶正器首先接觸井壁，與井壁摩擦，必須確保定位筒上的定位銷在J形槽的短槽里面，保證卡瓦是收縮的。J形槽的工作原理與Y221封隔器上的J形槽相同。當選層錨到達預定位置，上提管柱，扶正器和卡瓦座保持不動，錐體和中心管上移，然后右旋管柱，定位銷進入中心管上的J形長槽，繼續下放管柱，錐體下移，卡瓦張開，實現錨定。解卡時，只需上提管柱，卡瓦在回位簧片的作用下收回，實現解封。

3 選層錨參數確定

3.1 卡瓦座設計

卡瓦座是連接卡瓦和定位筒的工具，它依靠6根開槽圓柱頭螺釘固定在定位筒上面，在頂部位置有6個卡瓦導軌，作用是限制卡瓦的移動。在錐體下移、撐開卡瓦時，卡瓦將沿著卡瓦座上的卡瓦導軌向外張開，以實現錨定的功能。在卡瓦座的中部位置的6個長槽安裝有卡瓦回位簧，當解封時，錐體上移，錐體對卡瓦背面的支撐被撤去，卡瓦在卡瓦回位簧的作用下沿著導軌收縮，實現解錨。

如圖3所示，卡瓦座通過開槽圓柱螺釘安裝于定位筒上，其內徑等于或者稍大于定位筒的最大外徑100 mm；卡瓦座的壁厚可以保證卡瓦在其上的滑動作用，卡瓦的厚度為30 mm，故設計卡瓦座最大外徑為167 mm?？ㄍ咦牟牧蠟?2CrMo鋼，屬于超高強度鋼，具有很高的強度和韌性，抗拉強度≥1080 MPa，屈服強度≥930 MPa。

圖3 卡瓦座

3.2 卡瓦設計

選層錨共有6個卡瓦，每個卡瓦分別可以在卡瓦座的導軌內移動，井下作業時卡瓦牙緊貼井壁，最大的應力區域將出現在卡瓦牙上，所以卡瓦牙必須有足夠的強度，并且只要有一個卡瓦損壞后，卡瓦的咬合作用將大大降低，必須即刻更換。將卡瓦設計成此形狀的優點是損壞后容易更換，卡瓦一側的臺階狀是為了在裝配時達到定位的效果。

如圖4所示，卡瓦選取的材料為優質碳素結構鋼20鋼，其塑形、韌性都較好，其抗拉強度為355～500 MPa，伸長率≥24%。

圖4 卡瓦

3.3 扶正器結構參數確定

在本文中，整體式扶正器內徑由中心管外徑決定。扶正器的外徑遵循劉明等[14]專家的研究成果，扶正器外徑不大于井眼尺寸，扶正器弓片的厚度、跨度、寬度和截面形狀都遵循其研究成果。弓片的強度是否滿足需要是評定扶正器性能的關鍵，找到它的受力變形規律，進一步研究多弓片情況時對于扶正器整體受力的作用，最后得到扶正器整體機構的力學模型。扶正條部分的弓片寬度為45 mm，跨度為400 mm，根據已知研究成果，扶正條截面形狀采用弧形，扶正條數為4，扶正器外徑為210 mm。

扶正器是整體式彈性扶正器（如圖5）。采用一塊材料制造而成，本次設計采用65Mn制造扶正器。65Mn的力學參數如表1所示。此材料經常用來制造彈簧發條、坐墊彈簧、剎車彈簧等彈簧類零件，具有較高的淬透性、強度、彈性，同時其抗彈性性能也非常優越。

圖5 整體式彈性扶正器

表1 65Mn的力學參數

4 關鍵零部件有限元分析

4.1 扶正器有限元分析

首先明確該扶正器在選層錨中的作用原理，在此選層錨中，扶正器可以在中心管上面移動，通過定位筒和堵頭來限制其運動最大距離，當下入井下的時候，摩擦彈簧緊緊摩擦住井壁，因為摩擦力的作用，扶正器的上端是與定位筒的下端接觸的，而扶正器的下端是可以在中心管上移動的。根據此原理，在有限元分析時，將扶正器模型定義為一端固定、另一端滑動的狀態。

查資料可知，65Mn的彈性模量E=206 GPa，泊松比μ=0.288。 首先進行網格劃分，劃分結果如圖6所示。

圖6 扶正器網格劃分

考慮到扶正器實際的工作機理，井下作業時，其相當于常規扶正器的上環箍部分，頂在定位筒的下端，而扶正器的另一端環箍是可以隨著扶正條的受壓在中心管上滑動的，因此，將扶正器的一端施加約束，而對另一端與中心管接觸的面施加滑動約束條件，如圖7所示。

圖7 扶正器固定約束

設置約束之后，開始施加載荷，在4個扶正條上施加同時垂直于軸心與扶正條的力4.76 kN，其應力云圖如圖8所示。

圖8 扶正器應力云圖

由扶正器應力云圖可以看出，此載荷在扶正器的最大應力出現在扶正條與環箍連接的地方，最大應力為327 MPa，小于65Mn的屈服強度（784 MPa）。

圖9 扶正器位移云圖

將這個長條壓片定義為向著扶正器中心移動，該扶正器的最大壓縮量為15 mm，把扶正器扶正條與長條壓片定義為接觸，通過施加長條壓片位移邊界，以仿真扶正器在井下工作時與井壁接觸并受到井壁壓力的過程，可以觀察到扶正器的最大位移出現在扶正條的中心部位，最小變形出現在扶正器的兩個環箍上面。這都滿足扶正器的標準變形要求。

通過總結以上位移云圖和應力云圖，再與整體式扶正器的結構進行對比，可以看出該扶正器滿足要求。

4.2 卡瓦有限元分析

卡瓦在作業中的狀態是：卡瓦牙一面與井壁接觸，并通過摩擦力錨定在井壁上，其卡瓦背面與錐體接觸，通過錐體的下移對卡瓦施加載荷。根據卡瓦的工作狀態，對卡瓦背面進行坐封載荷施壓，將卡瓦牙一面定義為固定狀態，以此來模擬錐體撐開卡瓦的狀態。在錨定狀態下，卡瓦座對卡瓦有一定的支撐作用，主要使卡瓦沿著卡瓦座上的導軌張開，因此卡瓦與卡瓦座有一定的滑動約束。

首先對卡瓦進行網格劃分，查閱資料可知，20鋼的彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3，劃分結果如圖10所示。

圖10 卡瓦網格劃分

在實際工作中，卡瓦牙與井壁相接觸，所以定義約束為11個卡瓦牙，而在卡瓦被錐體撐開后，卡瓦的底面與卡瓦座相作用，所以再定義卡瓦底面滑動約束，如圖11所示。

圖11 為卡瓦施加約束

卡瓦工作時，卡瓦需要承受來自于管柱的重力載荷和坐封載荷，因此施加垂直于卡瓦底面的壓力120 kN，施加的載荷如圖12所示，得到的應力分布圖如圖13所示。

圖12 施加載荷

施加垂直于底面的載荷后，得到了卡瓦的應力云圖（如圖13），可以發現，卡瓦最大應力出現在卡瓦的最頂部，其大小為201 MPa，小于20鋼的屈服極限（275 MPa），故此卡瓦的設計強度滿足條件。

圖13 卡瓦應力云圖

由圖14可見，卡瓦的最大位移出現在卡瓦頂部，最大變形為0.0023 mm，這在整個卡瓦的變形里面只是很小的一部分，幾乎無變形。綜合以上分析可知，該卡瓦設計滿足強度要求。

圖14 卡瓦位移云圖

5 結論

從國內外對油氣井開采求產來看，未來開采工具的發展趨勢必然向著結構簡單可靠、利用率高的方向發展。本文結合國內外選層錨研究現狀，針對錨定方式優缺點進行分析，最終選擇了機械式卡瓦來實現錨定，并設計出選層錨的整體結構。該選層錨的卡瓦被導軌和回位彈簧限制在卡瓦座上，這樣卡瓦損壞后很容易更換，換位機構采用J形槽結構，工藝簡單、可靠。分別對扶正器、卡瓦進行有限元分析，模擬實地作業時的環境來添加約束、施加載荷，發現其變形及應力集中都在合理的區間之內，驗證其滿足強度要求，證明了該選層錨結構的合理性。