固井地锚结构方案总结及对比

王强军， 孙耀龙， 张想， 张强

（长江大学，湖北荆州434023）

1 引言

目前对于稠油油层开采，国内通常采用热蒸汽吞吐技术，即先向井下稠油层注入高温水蒸汽，然后保温一定的时间，降低稠油黏度值后再进行开采。由于热蒸汽会使套管受热膨胀，产生较大的热应力，对此油田一般使用预应力固井来解决套管因受过大的热应力而被压坏的问题［1］。预应力固井技术是指在固井作业中注水泥前或注水泥后，通过地锚在井下固定住套管的下端，然后对套管上端进行提拉，使井内套管形成一定的预拉力，减小套管因受热而产生热应力造成的伸长，降低套管的损坏机率［2］。

目前，国内外已投入使用，技术比较成熟的地锚有DM型系列地锚和组合式套管预应力地锚。随着裸眼完井工艺的发展，相关技术要求地锚可以被钻穿，本文通过查阅相关资料，列举了几种可钻性地锚方案，如推杆式地锚、炸开式地锚、可复位滑块地锚等等。

2 地锚方案对比

2.1 DM型系列地锚结构方案

2.1.1 工作原理

如图1所示，地锚装于套管底端，随着套管一起下入井内，然后注水泥及替浆作业。首先使地锚位于锚定位置，当滑块机构5受到一定压力，即可以推动连杆机构7，然后张开锚爪9，当锚爪挂住地层后，通过提拉套管使锚爪完全张开，实现地锚与地层锚定。然后即可给套管施加预应力，达到预应力固井的目的［3］。

图1 DM型预应力固井地锚方案示意图

2.1.2 结构特点

DM型预应力固井地锚的上、下端均设计为长圆扣或偏梯扣，方便与套管连接；并且该地锚配备4种不同结构的锚爪和连杆机构可以适用于不同硬度的地层；地锚结构紧凑、短小轻便，搬运安装方便。

2.2 组合式套管预应力地锚结构方案

2.2.1 工作原理

图2 组合式套管预应力地锚结构方案示意图

地锚在下放过程中，钻井液通过浮箍实现自动灌钻井液的功能。如图2所示，当地锚下到井内预定位置时，从井口投球，当球自由下落到球座2，憋压到一定值后，活塞销钉6将被剪断。活塞体8下行，锚爪9胀开并挂住地层，通过提拉套管使锚抓完全张开，达到锚定套管底端的目的，然后即可施加预应力；当憋压逐渐增大到设定值时，托蓝关闭套销钉3（球座—托蓝关闭套剪切销钉）外侧将被剪断，托蓝关闭套7下行，这时将关闭自动灌钻井液旁通孔，再憋压到另一设定值时，球座剪切销钉3内侧被剪断，当球与球座一起下落到托蓝4上时，钻井液就可通过回压阀进行循环，从而恢复浮箍功能［4］。

2.2.2 结构特点

地锚的启动通过投球憋压，胀开锚爪，保证了准确定位;采用3只锚爪均匀分布，有利于套管居中，实现地锚、浮箍、引鞋一体化，可自动灌钻井液，提高固井质量。

相对于现有地锚方案，可转型地锚通过巧妙地设计内部结构和工作方式，使固井后地锚内部无高强度结构，完善了裸眼完井工艺，并且为以后的老井加深提供一种新途径。

2.3 推杆式地锚结构方案

2.3.1 工作原理

如图3所示，推杆式地锚是一种通过高压液体冲压节流环2而使锚爪打开的一种地锚结构方案，结构简单，可采用多级连接方式。节流环2对高压泥浆进行节流，将产生一定的压力作用在连杆4上，而连杆4、连杆5、锚爪7和地锚本体1组成四杆机构。锚爪作为四杆机构中的摇杆，将受到一定的力矩而张开一定的角度。与此同时，将套管整体上拉，锚爪销亦受到向上的拉力，锚爪逐渐张开并吃入岩层。

图3 推杆式地锚结构方案示意图

2.3.2 结构特点

地锚结构简单，易于制造，成本低廉；地锚固定后，中心腾空，方便第二次下钻头，具有可钻性；但是单级使用时强度不够，为提高地貌强度，可以尝试多级对接；地锚不能复位，不能矫正位置；密封性要求较高。

2.4 炸开式地锚结构方案

1）工作原理。如图4所示，节流活塞是由三个环套在一起的节流块2组合而成的。节流块通过连杆4与锚爪5相连。当地锚未工作时，节流孔收拢在一起；当启动地锚时，通过调控钻井液流量，改变节流活塞的上下压差，从而推动节流块2的方式，推开锚爪5。在推动节流环2的同时，节流环本身也逐渐炸开，当锚爪5到达极限位置时，节流块2正好分散在壁厚之中。使地锚中间处于空状态，便于下放钻头。

图4 炸开式地锚结构方案示意图

2）结构特点。地锚的壁厚有限，所以在仅有壁厚空间中设计锚爪的结构，其强度不容易达到要求，因而采用多级连套的方式，增加锚爪的整体受力强度。地锚本体强度不均匀，中部连接强度可能不能达到要求。由于结构限制，该方案的地锚在张开时不能保证三个锚爪同时撑开，可能导致地锚倾斜，并且地锚张开后不可复位。

2.5 节流式地锚结构方案

2.5.1 结构特点

节流式地锚的的特点是锚爪机构中有两个滑动副，减少了销钉的数量，增加了锚爪机体的空间，从而使锚爪3具有较高强度，可单级承受套管的预应力，不需要多级对接。同时在地锚本体1上开有导向槽，使节流活塞6只有一个自由度，能准确稳定地推开锚爪机构。如图5所示，在锚爪3尾端加有启动装置，当锚爪机构向外移动式，启动装置与地锚本体相作用，能准确地张开锚爪，同时锚爪和锚爪基体有段弧线始终相接触，具有一定的密封性能，可维持一定的内外压差，在锚爪机构中装有复位弹簧，当地锚内流体压力变小时，靠弹簧的弹力可使锚爪自动复位至原始位置，此功能用于地锚固定未达到预期效果且需要重新定位的时候，此结构方案在密封和复位以及可靠性方面有较大的改善，但是加工难度有所提高，且其密封面不是规则形状，很难达到预期效果。

图5 节流式地锚方案示意图

2.6 可复位滑块地锚结构方案

1）工作原理。如图6所示，当液体通过节流口套2时会产生一定的压差，从而推动内滑套8向下移动。再通过滑块5、外滑套4、连杆9的相互作用。从而带动锚爪10撑开。在地锚下放到预定位置进行锚固时，由于地层较软或井径过大等原因而锚爪未吃入地层时，可以通过复位弹簧6，克服锚爪10、连杆9、外滑套4、滑块5和内滑套8的自身的重力，从而恢复到初始收缩状态，收缩过程与地锚撑开的过程相反。在重新找到合适的新位置后再进行锚固。

2）结构特点。该地锚设计为可钻型，地锚中间是空心结构，可以再次下钻。该地锚可以实现多级连套使用。根据地层的软硬程度选择不同的级数来提高固井成功率。该地锚设计有复位弹簧，可提高地锚的固井成功率。在地层较软或井径较大的位置，地锚未勾住地层的情况下，可以通过复位弹簧收回锚爪，重新固井。该地锚设计通流槽，增大泥浆回流通道的空间。

图6 滑块式地锚结构示意图

3 结语

通过多年实践和改进，现有的地锚（如DM型预应力固井套管地锚和组合式套管预应力地锚）提高了地锚的可靠性，简化了地锚的操作；但在结构上都是不可钻型的，即地锚内部有钢铁等高强度材料，固井后很难再钻穿，只能作为最后一趟下套管作业。而可钻性地锚方案给以后的老井加深提供了一种新途径，并且完善了裸眼完井工艺。本文通过对六种地锚结构方案的对比分析，认为可复位式滑块地锚结构方案具有一定的可行性，在满足地锚基本功能的同时，不但可钻并且能复位，还有良好的密封性能，具有很大的发展潜力，可以为今后可转型地锚的研究提供参考。

［参考文献］

［1］叶永彪，吕瑞典.预应力固井中新型地锚的设计［J］.内蒙古石油化工，2005（11）：99.

［2］张桂林.可复位式预应力固井地锚的研究与应用［J］.石油钻探技术，2000，28（3）：36.

［3］王兆会，高德利，周克刚.克拉玛依稠油热采井DM型系列地锚预应力固并技术［J］.石油钻探技术，2004，32（4）：47-48.

［4］牟忠信，张明昌.组合式套管预应力地锚工具的研制与应用［J］.石油机械，2005，33（2）：44-45.