卷吸效应水力锚防砂卡可行性计算分析

吕 健，宁媛松，杨甘生

（中国地质大学（北京）科学钻探国家专业实验室，北京 100083）①

卷吸效应水力锚防砂卡可行性计算分析

吕 健，宁媛松，杨甘生

（中国地质大学（北京）科学钻探国家专业实验室，北京 100083）①

水力锚是在井下指定位置用来对封隔器进行锚定的工具。由于常规水力锚结构设计的缺陷，井下液体杂质（地层砂、支撑剂）容易进入到锚爪内腔并在此沉积，导致锚爪解卡受阻，严重影响封隔器的封隔效果。提出了利用卷吸效应在水力锚内部形成高速射流，以此来控制液体杂质的运动轨迹，将进入到锚爪内腔的液体杂质在压力差的作用下从内腔中卷吸出来，同时防止外部杂质再次进入到锚爪内腔中。利用伯努利方程对此原理的可行性进行了分析。

水力锚；卷吸效应；防砂卡

水力锚是封隔器以及井下管柱在井下受到复杂力的作用时，用来将封隔器锚定在指定位置的井下工具，防止封隔器产生轴向错动，保证压裂、酸化等工艺的成功施工。常规水力锚工作时锚爪在液压的作用下向外伸出，卡紧套管内壁，实现对封隔器的锚定；解卡时锚爪在挡板弹簧的弹力作用下收回。由于常规水力锚结构上存在锚爪会损伤套管内壁［1］、锚爪内腔很容易进砂等缺陷；而压裂施工一般又在水平井中进行，所以液体中的杂质、地层砂或压裂支撑剂等进入锚爪内腔之后在重力作用下易沉积在内腔下部，造成水力锚解卡困难，使井下管柱不能正常起出，严重时会造成油水井的大修事故。

虽然砂卡现象是一个非常普遍的问题，但会导致封隔器在套管上的固定不牢靠，产生纵向位移，影响封隔器的密封性能，甚至会提前解封而影响压裂效果。因此，进行水力锚防砂卡的研究与设计是十分必要的。

1 研究现状

一直以来，水力锚防砂卡的研究和结构改进在封隔器的设计中占有重要地位。中国石油化工股份有限公司的陈广超［2］、王掌洪［3］等设计了用于采油管柱锚定的锚定工具，但是不能在压裂等工艺中得到理想的实际应用效果。胜利油田有限公司采油工艺研究所的祝庆远［4］曾设计了一种在注水井中使用的带锥体的水力卡瓦锚定工具，可有效减轻工具内部结垢，但是不适合压裂工艺。

吐哈油田分公司钻采工艺研究院的陈振杰［5］对水力锚结构进行了改进，即锚爪孔底部采用锥形结构，同时在锚体内部衬管间的空隙内填充黄油，这样可以提高解卡时锚爪的复位能力。这种结构可以应用于压裂工艺，但是在大斜度井、水平井和深井压裂使用时效果不明显，不能从根本上解决砂卡问题。

至今为止，胜利油田集兴石化安装有限公司的张尚君研制的新型防砂卡水力锚［6］和中国石油大学（华东）邹群研制的斜置锚爪水力锚［7］较为成功。张尚君研制的新型水力锚由多层金属毡滤砂网、带孔芯管、中心衬管以及橡胶密封等组成，与锚爪一同构成1个密闭的锚爪内腔，进出内腔的液体必须通过滤砂网，可以有效阻止液体杂质、地层砂和支撑剂进入锚爪内腔，挡砂精度达到60～100μm，在直井、斜井和水平井中都有可观的效果。邹群的斜置锚爪式水力锚锚爪内腔与锚体轴线呈一定的角度，容易解卡，且水力锚内外的工作压差通过内管与锚体的间隙推动锚爪，这样只有少量的产出液可以进入锚爪内腔，腔内结垢的几率大幅降低，保证锚爪正常复位。

2 卷吸效应防砂卡原理及可行性分析

理论上讲，可以通过2种方法从根本上解决砂卡问题：①阻止液体杂质（地层砂、支撑剂）进入锚爪内腔；②将液体杂质从内腔中排出。换言之，即控制液体杂质的运动轨迹。当一种流体进入另外一种流体时，由于流入的射流流体与源流流体之间有动量交换，这种作用使原流体的一部分随射流流体运动，这种现象叫做卷吸效应。卷吸效应既可以将内腔中的杂质排出，又可以防止外部杂质进入。利用卷吸效应对封隔器水力锚的改进主要是通过改变截面积大小从而改变锚爪内腔压力大小，使锚爪内腔内外形成压差，最终迫使液体杂质在压差作用下从锚爪内腔流出。

2.1 基本原理

受喷射式孔底反循环钻具的启发，可以在水力锚上部增加1个尺寸小于水力锚内径的喷嘴（如图1）。增加喷嘴后，在喷嘴附近会形成射流，造成液体的流速增大，压力减小。在这种情况下，当水泵送来的高压压裂液沿上部中心管进入喷嘴后，会在喷嘴断面形成射流。喷嘴与扩大腔所形成的喷射区周围的液体被射流带走一部分而形成负压区。在压力差的作用下，锚爪内腔的液体杂质会随着液体经反水眼进入扩大腔，再经下部中心管沿封隔器继续下行。

图1 卷吸效应式水力锚原理

2.2卷吸效应防砂卡公式推导

根据卷吸效应所设计出的水力锚结构如图1所示，即在常规水力锚的前端增加1个尺寸合适的喷嘴。当压裂液从喷嘴中流过进入扩大腔时，截面积A忽然变大。由流速与截面积之间的关系得

由此可以得出，在压裂液的流量q为定值时，压裂液的流速v与中心管的截面积A成反比。综上所述，可知当AJ（喷嘴处截面面积）＜AE（扩大腔处截面积）时，vJ（喷嘴处流速）＞vE（扩大腔处流速）。

为了方便计算，暂时假定截面1-1处（如图1）为位置水头零点处，则由于喷嘴与扩大腔的位置水头之差Δz很小，且多级水力压裂多在水平井中进行，所以在水力锚封隔器中压裂液在各处的位置水头相同，所以Δz的值可以忽略不计。假设喷嘴处压力为pJ，扩大腔处压力为pE，压裂液密度为ρ。根据理想状态下的伯努利方程，则有

根据假设忽略Δz值，可以将伯努利方程简化为仅包含有压力水头和速度水头为变量的等式，即

将式（1）代入到式（3）中可以得到1个包含有2个变量（压裂液压力p和封隔器中心管截面积A）的等式，即

由于流量q为定值，而截面积AJ＜AE，所以锚爪内腔内外的压差Δp＞0，即锚爪内腔处的压力（扩大腔处的压力）大于喷嘴处的压力，pE＞pJ。即在喷嘴处也产生了压差，使压裂液由高压区（锚爪内腔和扩大腔）向喷嘴处流动，其流向如图1所示。因此实现了清除锚爪内腔里的支撑剂的目的。

2.3 喷嘴尺寸范围

若要满足最大粒径的液体杂质能从锚爪内腔中被卷吸出来，则卷吸效应所形成的压差在支撑剂表面所作用的压力要远大于支撑剂本身的重力，即满足公式

由于卷吸效应改进水力锚的方法是通过在锚爪内腔内外产生压差，从而将支撑剂卷吸出来，所以可将式（4）整理为

式中：Δp为喷嘴处所形成的压差；ρ为支撑剂的密度，一般取1.425 g／cm3；d为支撑剂的直径（假设d＝2.0 mm）。化简可得

代入数值得Δp＝9.5×10-3Pa。即直径2 mm的压裂砂若要在压力作用下从锚爪内腔出来，则锚爪内腔内外压差不应低于9.5×10-3Pa。这时的压裂砂处于将出未出的临界状态。

现将喷嘴直径设计为DJ＝10 mm，则喷嘴截面积AJ＝7.85×10-5m2。取扩大腔处直径与中心管直径相同，即DE＝48 mm，则截面积AE＝2.64× 10-3m2。流量可根据一般钻井情况暂时假设为q＝16 L／s＝1.6×10-2m3／s。将以上数值代入式（5）可得

所以Δp′＞Δp，即在喷嘴直径为10 mm的情况下，锚爪内腔内外所产生的压差远大于临界状态下的压差，故可以将锚爪内腔中的砂粒卷吸出来。

综上所述，喷嘴直径选择10 mm是合理的。

以上方法是先假设喷嘴尺寸然后验证该尺寸是否可以将液体杂质卷吸出来。若先假设液体杂质可以被卷吸出来的临界压力（Δp）为已知，然后确定喷嘴的最大尺寸。当喷嘴直径略小于扩大腔直径时（大约只有几微米），即可以将液体杂质卷吸出来。但由于工具的加工精度有限，以及考虑到卷吸效果，喷嘴尺寸可根据中心管的实际尺寸以及加工工艺水平合理确定。

3 结论

1） 通过在水力锚上部设置喷嘴形成卷吸效应，将锚爪内腔的压裂砂卷吸出来，理论上提高了工具的使用性能，可以避免大修事故的发生。

2） 压裂砂从锚爪内腔卷吸出来后，在压力的作用下会向中心管中会聚，然后参与到封隔地层的压裂施工中去，提高了支撑剂的使用率，节约成本。

3） 由于压裂砂本身重力很小，所以很小的压差即可以将压裂砂卷吸出锚爪内腔，通过对临界情况进行计算，则实际的喷嘴截直径与中心管直径相差很小，因此喷嘴直径的可选范围很大，在确定喷嘴尺寸时，可综合考虑加工工艺、工件强度及卷吸效果进行合理确定。

4） 由于没有进行设计应用效果模拟，所以仅进行了1组数据设计，没有设置对照组，因此缺少对喷嘴尺寸的优化，还需要进一步的研究。

5） 可以与张尚君研制的新型多层金属毡滤砂网水力锚相结合，以有效地解决砂卡问题。

［1］ 申晓莉，陈立海，王子建，等.非金属水力锚研制与试验［J］.石油矿场机械，2013，42（8）：42-44.

［2］ 陈广超，刘海明，叶红，等.一种新型抽油井管柱锚定工具［J］.石油矿场机械，2003，32（4）：25-26.

［3］ 王掌洪，王明才，白友国.新型二合一液压锚定的研制［J］.石油矿场机械，2003，32（6）：74-75.

［4］ 祝庆远.防卡水力锚的研制［J］.石油矿场机械，2004，33（3）：97-98.

［5］ 陈振杰，陈伟.水力锚的防砂卡改造［J］.石油机械，2002（9）：64.

［6］ 张尚君，柴国兴，王登庆.新型压裂用防砂水力锚试验研究［J］.石油矿场机械，2010，39（12）：54-56.

［7］ 邹群，张贵才，钱钦，等.斜置锚爪式水力锚研制与应用［J］.石油矿场机械，2013，42（12）：98-100.

Feasibility Analysis of Entrainment Phenomenon Preventing Cruds from Depositing in Inner Chamber of Hydraulic Anchor

Hydraulic anchor is a mechanism that packing packer in pre-assigned position of a well. Cruds（formation chunk＆proppant）depositing in inner chamber of anchor in the bottom of the well have a bad impact on anchor’s releasing and packer’s performance.This paper introduce an ideal to control cruds moving track which make use of the entrainment phenomenon to develop a high-speed jet in inner chamber so that cruds can be entrained form inner chamber while prevent cruds outside deposited in it again.Bernoulli＇s equation is also used to prove the ideal’s feasibility.

hydraulic anchor；entrainment phenomenon；preventing cruds deposit

TE931.2

A

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.09.011

1001-3482（2014）09-0041-03

2014-03-20

吕 健（1989-），男，山东莱芜人，硕士研究生，主要从事特种钻进设计与施工和钻井机械研究，E-mail：393770676＠qq.com。