轴向推进式水力油管锚定器的研制与应用

冯 波郭 勇赵奇祥石爱华曹海燕张志平

（1.中石化中原油田分公司采油工程技术研究院，河南濮阳 457001； 2.中石化中原油田分公司勘探开发科学研究院，河南濮阳 457001）

轴向推进式水力油管锚定器的研制与应用

冯 波1郭 勇2赵奇祥1石爱华1曹海燕1张志平1

（1.中石化中原油田分公司采油工程技术研究院，河南濮阳 457001； 2.中石化中原油田分公司勘探开发科学研究院，河南濮阳 457001）

油管锚定工具是带有封隔器的措施管柱密封可靠、安全施工的保证。针对现有油管锚定器易出现卡钻、无法通过套管变形段、不利于突发事故处理等问题，研制了轴向推进式水力油管锚定器。该轴向推进式水力油管锚定器改变了现有径向辐射状多活塞式锚爪结构的油管锚定器锚定机理，采用了环形轴向水力活塞推动锥体轴向位移来扩张卡瓦实现油管卡定的油管锚定原理，其锚定性能、耐压能力及安全性能得到了全面提高，同时扩大了适用范围。中原油田进行了8井次的压裂、酸化试验，均起到了对管柱的锚定作用，保证了整个施工过程封隔器密封可靠，成功率100%，可进一步推广应用。

油管锚定工具； 蠕动解封；管柱锚定；扩张卡瓦

使用带有封隔器的措施管柱进行压裂、酸化、挤堵等作业都必须对措施管柱进行井下锚定［1］，其目的在于固定管柱使其整个高压施工过程中封隔器不出现蠕动解封现象。现场一般用油管锚进行管柱锚定，该油管锚在措施管柱中接于封隔器上端，施工时油管锚内压高于外压的压差作用在锚爪上使其径向活塞式外移与套管内壁接触锚定，完成施工，油管锚内外压差消失，锚爪活塞式退回复位解锚［2］。油管锚在油田开发中发挥了积极作用，随着老区块油水井套管服役期的延长，套损套变井数增多，井况恶化使得现有油管锚定工具的适应性受到限制，主要出现以下问题：（1）易出现短板效应。锚爪活塞面积较小使其数量较多且移动距离小，机械杂质通过传压通道进入锚孔（活塞内腔），且易进难出，即使有一个锚爪无法复位解锚就形成卡钻。（2）无法通过缩径套管段。由于锚定器通径、锚孔深度要求使径向设计受到限制，导致锚定器最大外径与适用套管内径间隙较小，无法通过缩径套管段。（3）无法用于套管扩径段。用于扩径套管段时锚爪可能伸出超限失去密封造成施工失败，更严重者是遇到套管缺失段时锚爪无限外伸脱离锚体形成卡钻无法起出。（4）不利于突发事故处理。锚体外径大使油套环流面积小，遇到突发性事故施工终止时，不能保证及时洗出施工液体，如果是挤堵就可能出现油管被凝固在井下造成大修事故。为此，研制了轴向推进式水力油管锚定器。

1 轴向推进式水力油管锚定器

1.1 结构

轴向推进式水力油管锚定器由上接头、中心管、卡瓦、锥体、卡瓦销、两级活塞、圆柱簧、下接头、密封圈以及辅助安全剪钉组成，如图1所示。

图1 轴向推进式水力油管锚定器

卡瓦通过销轴固定在上接头外台肩下的豁口凹槽处，自然下垂切于外管壁上，在所有的密封槽内放置好相应的密封圈，锥体和上活塞螺纹连接一体，锥体向上直接套入上接头下端，中心管和上接头丝扣连接，在中心管的下端套入圆柱簧，再套入下活塞并与上活塞丝扣连接，最后在中心管的下端丝扣连接下接头并通过安全剪钉将下活塞和下接头固定在一起组成轴向推进式水力油管锚定器。

1.2 工作原理

当轴向推进式水力油管锚定器内压大于外压时，中心内压通过上接头和中心管的传压孔同时作用在上下两级活塞上，推动上下两级活塞同时上行，活塞上行推动锥体上行使卡瓦沿锥体锥面扩张，卡在套管内壁实现管柱锚定。同时下活塞上行过程推动圆柱簧压缩蓄能，当内外压力差消失后，圆柱簧释放弹性势能迫使下活塞退回，同时带动上活塞、锥体一起也退回原始位置，卡瓦内锥空置自然下垂，恢复原始状态完成解卡。

现场施工时，将该锚定器接在管柱中封隔器上端下到预定位置，管柱封隔器油管打压坐封过程整个管柱处于密封状态，形成油管压力大于套管压力的压力差，在这个压力差的作用下完成轴向推进式水力油管锚定器动作实现管柱锚定。在封隔器完成坐封的同时，管柱的出液通道被打开，油管内和封隔器以下套管形成同一个压力系统，管柱在措施施工过程中，由于封隔器的作用，油套压差接近井口施工压力，这个压力同样作用在该锚定器的两级活塞上，维持卡瓦卡定在套管内壁，保证在施工过程管柱不发生蠕动。在完成施工作业井口停止打压时，油套压差消失，两级活塞的动力消失，在圆柱簧的作用下，该油管锚定器自动失去对管柱的锚定作用，即可顺利起出措施施工管柱。

1.3 技术特点

（1）整套环形轴向活塞系统代替每个锚爪为一个独立的液压活塞系统，避免了每个锚孔都必须密封的“木桶短板问题”，降低了加工精度要求及加工成本，提高了密封的可靠性。

（2）独立活塞推动锥体轴向位移，扩张卡瓦代替水压直接推动锚爪径向运动，活塞行程不受油管锚最大外径的限制，可以在保证锚定套管内径不变的前提下尽可能地缩小锚体最大外径。

（3）独立单个轴向圆柱簧复位簧代替每个锚爪1组径向复位簧，簧放置空间不受限制，使卡瓦复位更加容易，实现可靠解卡。

（4）具备外径小、扩径大的特点，增大工作状态下的有效外径，适用套管尺寸范围大，特别适用于缩径套管，同时增加了油套环空的有效过流截面，施工液体可迅速洗出，提高了管柱施工的安全性。

1.4 技术参数

最大外径：100 mm；通径：50 mm；长度：850 mm；耐温：135 ℃；耐压：70 MPa；下入深度：4 000 m；最大锚定力：800 kN。

2 锚定力计算

2.1 设定条件

（1）液面在井口；（2）施工液体和井筒液体密度同为1 000 kg/m3；（3）不考虑温度变化；（4）不考虑摩阻压力损失；（5）不考虑锥体和卡瓦锥面的接触摩擦力；（6）不考虑套管打平衡压力。以上设定计算出来的数据更加安全。

2.2 在压差p下所能产生的最大锚定力

在施工压差p下，轴向推进式水力油管锚定器锥体受到活塞的上推力，锥体通过外锥面将力传递给卡瓦，卡瓦沿锥体外锥面扩张与套管内壁相切，在套管内产生径向压力，这个径向压力使卡瓦和套管内壁之间发生相对移动或者相对运动趋势时产生擦伤（嵌入）摩擦力，这个摩擦力就是在压力p下油管锚定器能够产生的最大锚定力，如图2所示。

图2 锚定器锚定力计算图

按照力学平衡得到下列计算公式

根据以上参数计算得出：

2.3 无锚定施工压力p时施工引起的管柱轴向上所受的合力

在顶封保护套管的措施（压裂、酸化、挤堵等）施工下层的工作状态下，由于顶封封隔器密封了油套环空，油管及封隔器以下油套连通，处于同一压力系统，封隔器下端管柱受套管内径和油管内径组成环形面上的活塞效应上顶力以及油管内压高于外压时油管产生的鼓胀引起向上的拉力，按照设定条件，即向上合力为

式中，Dyn为油管外径（标准值62 mm）；Dtn为套管内径124 mm（标准值121.36~124 mm），为了更安全取最大值；μ为钢材的泊松比，一般取值0.3［2］（无因次量）；Fpg为鼓胀效应使管柱产生的轴向载荷，称之为鼓胀力，kN；Fpd为施工流体压力对管柱的活塞式上顶力，kN；Fp为无锚定管柱施工时所受合力，kN。

根据以上参数计算得出：

2.4 锚定管柱施工中可靠性分析

锚定管柱在施工过程中没有蠕动的必要充分条件是管柱在井口压力p下施工时，油管锚所产生的锚定力Fpm能够抵消掉井口压力p所产生的轴向合力Fp，即∑F=Fpm–Fp=6.266np–10.863p≥0。n取1显然无解，n取2，∑F=1.669p≥0。

因为油管施工时井口油压p≥0，所以∑F≥0永远成立，即油管锚定器液压动力系统设计为外径Ø85 mm和内径Ø60 mm的圆环形2级活塞，在油管和套管允许的压力范围内施工，施工压力使油管锚定器产生的最大锚定力永远大于该施工压力使管柱封隔器活塞效应产生的上顶力和鼓胀效应产生的拉力的合力，理论上该轴向推进式水力油管锚定器锚定后的封隔器管柱在施工过程中不会被管柱活塞效应和鼓胀效应产生的合力推脱滑动，该油管锚定器在任何压力下都能够使施工管柱不会发生蠕动，实现安全施工。

3.注重细节。细节决定成败。严肃党内政治生活要有仔细的态度，发扬精雕细刻的“工匠精神”，从细微处着手，不厌其烦，关注细节，盯紧细节，在纠正和完善细节中提高。要有细致的作风，从每一件小事做起，既要有安排部署，更要有督促考核，层层传导压力，层层压实责任，抓早抓小，防微杜渐。要有抓细的功夫，发扬抓铁有痕、踏石留印的精神，以问题为导向，发现问题及时处置，对症下药，标本兼治，提高解决问题的针对性和实效性。

3 室内实验

3.1 实验装置

首先设计套管短节、油管接泵接头、专用套管密封接头和油管密封接头、油管丝堵等，选择不小于1 000 kN液压拉拔机1台。在套管短接的一端接好套管密封接头，同时在轴向推进式水力油管锚定器下接头接好油管丝堵，上接头依次连接油管接泵接头和油管密封接头，然后将接油管丝堵一端完全推入套管短节中并漏出油管接泵接头，最后通过2个连接固定销将油管密封接头固定在拉拔机固定接头上、将套管密封接头固定在拉拔机活动接头上，如图3所示。

图3 轴向推进式水力油管锚定器室内实验装置

3.2 实验目的及过程

（1）抗内压实验。主要实验连接丝扣和各承压部件抗压能力及密封圈的密封性能，在图3装置的油管接泵接头上接泵，水力试压70 MPa，稳压15 min压力不降为合格。

（2）油管锚定功能实验。在图3的油管接泵接头上接泵，水力加压并保持压力不变的情况下启动拉拔机进行推拉实验，在不同的内压下，给定不同的推拉力，完成锚定力实验。由于考虑安全的因素，最大试压60 MPa，最大推拉实验600 kN，拉拔机活动接头没有位移，说明油管锚定器没有发生滑脱现象，锚定可靠。

（3）解锚性能实验。完成锚定功能实验后，放空其内压，再次启动拉拔机进行推拉实验，拉拔机加不上载荷，拉拔机活动接头可以自由位移，在没有动力的情况下，一个人用手也可以拖出油管锚定器。拖出检测，卡瓦恢复自由状态，自动失去对套管的锚定作用，其各部件完好。

3.3 实验结果

室内实验结果见表1，对4套轴向推进式水力油管锚定器样机最高抗内压试压70 MPa，15 min内压力不降，达到防喷密封耐压要求；在保持60 MPa内压下，锚定力实验600 kN没有出现滑脱现象，满足现场使用要求。

表1 新型油管锚定器室内实验结果

4 现场应用

从2014年3月在中原油田进入现场试验，先后在压裂管柱中试验，接在压裂管柱封隔器上端，由于封隔器的作用，其上端中心管压力远高于油套环空压力，轴向推进式水力油管锚定器起到对管柱的锚定作用。第一次用于中原油田采油五厂H103井压裂，该井破裂压力达到55 MPa没有出现管柱滑脱现象。同时用于拖动水力喷射压裂，依靠射流水嘴产生的油套压差使其完成管柱锚定，最多一次顺利完成拖动压裂4层的施工作业。轴向推进式水力油管锚定器共配合8口井压裂酸化管柱，有效率100%。

5 结论

（1）轴向推进式水力油管锚定器结构新颖、简单合理，分析计算表明，该油管锚定器与套管之间的嵌入式静摩擦力永远大于同一施工压力对整个管柱的上顶力，在施工过程中管柱不会蠕动滑脱失效。

（2）轴向推进式水力油管锚定器相对外径较小，径向扩张大，增大工作状态下的有效外径，可适用套管尺寸范围大，特别适应在缩径套管段使用，同时增加了油套环空的有效过流截面，提高了措施管柱的施工液体的洗出速度。

（3）轴向推进式水力油管锚定器室内模拟实验锚定力大，安全可靠，各项技术指标均达到设计标准和现场使用要求。

（4）轴向推进式水力油管锚定器工艺简单，使用方便，锚定可靠，解锚顺利，能够用于压裂酸化、分层多段拖动水力喷射压裂管柱中，解决了压裂酸化以及多段分层拖动喷射压裂的施工管柱的锚定问题，避免了施工过程管柱的蠕动现象，提高了封隔器的承压能力，保证了安全施工。

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

［2］赵远刚，王禄群，侯高文，等.分层开采工艺管柱［M］.山东东营：石油大学出版社，1994：111-207.

［3］朱晓荣，吴雷择，代理震，等.封隔器设计基础［M］.北京：中国石化出版社，2012：44-45.

（修改稿收到日期 2014-10-15）

〔编辑 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

冯波，郭勇，赵奇祥，等.轴向推进式水力油管锚定器的研制与应用［J］.石油钻采工艺，2014，36（6）：112-115.

TE931

：B

1000–7393（2014） 06–0112– 04

10.13639/j.odpt.2014.06.028

冯波，1960年生。1990年毕业于石油大学采油工程专业，现从事石油开采井下工具研发工作，高级工程师。电话：0393-4890604。E-mail：qinfengbo@126.com。