基于机械式卡瓦的新型选层锚设计

王宁，焦侃，谢曙钊，区汉东，白旭晶，张博，胡志新

（1.长安大学 工程机械学院，西安 710000；2.轻工业西安机械设计研究院有限公司，西安 710086；3.西安庆安电气控制有限责任公司，西安 710077）

0 引言

随着经济的快速发展，我国对石油和天然气的需求日益增大，油气探测求产的方向也逐渐向大位移井、海底、超深井、等高难度井转变。而基于此趋势，对探测所需工具的要求也有所提高，以规避钻井风险的增加和成本的大幅度提高。在油气勘探过程中，为了对钻井过程中遇到的油气显示层做出准确评价，一般采用地层测试的方法进行综合分析，直接获取油气藏生产状态下的参数，获取地层产液参数、产量、油藏边界状态等因素，能真实地反映地层状况，开发部门也可根据检测获取到的资料制订单井配产等决策[1]。

在油气地层测试过程中经常会遇到一种情况：探测油气层下面的一段距离存在新目标层，若想对新目标层进行测试，通过打水泥塞下支管的方法会增加经济与时间成本，因此一般情况下采用选层锚跨隔测试技术，通过选层锚使封隔器在新目标层坐封便捷及牢靠，同时起到支撑井内管柱的作用。伴随着裸眼井跨隔测试技术的进步，选层锚的作用也愈来愈突出。若选层锚在锚定时出现问题，卡瓦卡进井壁过深或卡瓦与井壁接触不牢靠，均会对后续的油气井的作业造成一定的负面影响，甚至会直接引发后期高成本的维修作业[2]。

为了提高选层锚的稳定性，国内外学者针对选层锚的不同部件展开研究。1989年Giroux[3]研究发明一种半刚性的扶正器，其主要构件包括管状壳体、2个环箍、4个长的扶正条，扶正条安装在环箍的周围，采用螺栓固定。1994年刘占光[4]运用静力学等效的分析思维，针对卡瓦在坐封后的力学状态进行分析，主要为卡瓦受套管的轴向力和环向力，得出套管内外压差对卡瓦强度的影响。2001年刘天良等[5]通过研究分析卡瓦切进深度和所受轴向力二者的联系，测得运用机械式锚定或者液力式锚定进行坐封时，测试管柱所能承载的最大坐封力。该项研究对于后续卡瓦的设计、卡瓦牙的牙型设计、封隔器的设计及实地应用都提供了理论根据。2007年J. Cripps[6]指出扶正器在干燥和各种泥浆条件下，应该具有较低的摩擦因数和磨损系数。2009年翟庆红[7]运用三维光弹性实验方法对锚定机构卡瓦进行理论模型的创立，经过分析，获得卡瓦牙的应力分布规律。2017年周波、吕明杰等[8]研制出一种新型裸眼用膨胀管可变径扶正锚定工具，可为膨胀管提供足够的扶正力，使膨胀管在裸眼井段较好地居中，从而提高固井质量。2018年张鹏、马金生等[9]提出一种基于绝对差分滤波方法（ADFM）的新型独立双管扶正器方案，减振得到较大提高。2019年S. Nassiri[10]研究了对机械式锚定器的原始极限抗拉强度的影响，对机械式卡瓦锚定器在6个不同力下进行测试，对影响锚固的因素进行评判。

通过对国内外选层锚的研究，合理设计选层锚的结构可以改善管柱受力状况，有利于降低其疲劳破坏、控制其收缩伸展性能、减轻漏失程度、延长钻杆的使用期限、降低钻井成本、降低钻井风险[11]。

1 锚定方式确定

目前，比较常用的锚定器为以下几种：1）机械式卡瓦油管锚。在石油工业里面，机械式卡瓦油管锚是最早出现的锚定工具，主要是通过管柱的升降及旋转来实现锚固，最显著的特点是结构紧凑，可以将管柱一部分的质量转移到套管上面，降低上部油杆工具所受的压力。另外，在现场使用时非常方便，安装拆卸工具时较为便捷。2）机械式油管张力锚。机械式油管张力锚是从机械式封隔器延伸而出来的锚定工具，主要是通过旋转吊绳，配合特殊的井口悬挂器来完成。在油气井作业时，张力锚和井口悬挂器之间的管柱始终处于拉紧的状态，并且油管没有弯曲。3）液压双向卡瓦油管锚。液压双向卡瓦油管锚的工作原理与液压单向卡瓦相似，只是在结构上与液压式单向油管锚有一定的不同，其卡瓦是双向的，坐封时采用液压油管锚的方式，此外，当油管内的液面高度超过油管环空的液面高度时，锚定器即可实现自动坐封，解除坐封时借鉴了液压单向卡瓦油管锚的优点。4）液压单向卡瓦油管锚。在液压双向卡瓦油管锚基础之上进行改进，提出了单向卡瓦的设计。主要的特点为其卡瓦是单向的，坐封方式借鉴了液压油管锚的优点。当作业完毕需要解卡时，只需要将管柱上提一定的距离。单向卡瓦在解卡时相对安全可靠。在结构设计方面，液压单向卡瓦油管锚使用单向卡瓦锚固的方式，从表征上来看，它无法控制管柱的双向伸缩，当上冲程油管内液柱载荷卸载时，油管不会发生收缩的现象[12-13]。

可以总结出液压锚具有以下特点：1）易失效；2）依靠自身压差锚定。机械式锚具有以下特点：1）可减少上部油管压力；2）依靠自身管柱的重力坐卡；3）造价低。通过分析对比这几种锚定器卡瓦结构，本文采用机械式卡瓦锚定器。

2 选层锚整体设计

2.1 技术要求

1）此选层锚适用于7～8 in井眼跨隔式地层测试；2）卡瓦总成在卡瓦锥体上应自由滑动无卡阻现象；3）扶正弹簧总成应能相对于中心管转动；4）下井使用前定位销必须在中心管J形槽内，以免先期锚定；5）使用时上提管柱右旋转半圈，在保持转矩的条件下，下放管柱卡瓦即可紧贴井壁锚定；6）组装后，清洗外表面并涂黄色油漆；7）坐封载荷为100～120 kN。

2.2 结构设计

选层锚对封隔器的坐封，主要依赖于机械式锚定器、整体式扶正器、定位销-J形槽换位机构三部分。

1）机械式锚定器。机械式锚定器主要由锥体、安全环、卡瓦和卡瓦座等组成，主要功能是支撑于井壁以避免管柱发生纵向移动。

2）整体式扶正器。整体式扶正器主要由整体式扶正器和堵头等组成，主要功能是使井下工具能在井内始终保持中心位置，它可以有效地防止卡柱现象。

3）定位销-J形槽换位机构。定位销-J形槽换位机构主要由回位簧片、开槽圆柱头螺钉、定位筒和定位销等组成，主要功能是实现选层锚在规定位置准确定位，J形槽的存在可防止锚定过程发生滑动。

图1 选层锚结构示意图

图2 选层锚三维结构图

2.3 工作原理

在选层锚入井的时候，扶正器首先接触井壁，与井壁摩擦，必须确保定位筒上的定位销在J形槽的短槽里面，保证卡瓦是收缩的。J形槽的工作原理与Y221封隔器上的J形槽相同。当选层锚到达预定位置，上提管柱，扶正器和卡瓦座保持不动，锥体和中心管上移，然后右旋管柱，定位销进入中心管上的J形长槽，继续下放管柱，锥体下移，卡瓦张开，实现锚定。解卡时，只需上提管柱，卡瓦在回位簧片的作用下收回，实现解封。

3 选层锚参数确定

3.1 卡瓦座设计

卡瓦座是连接卡瓦和定位筒的工具，它依靠6根开槽圆柱头螺钉固定在定位筒上面，在顶部位置有6个卡瓦导轨，作用是限制卡瓦的移动。在锥体下移、撑开卡瓦时，卡瓦将沿着卡瓦座上的卡瓦导轨向外张开，以实现锚定的功能。在卡瓦座的中部位置的6个长槽安装有卡瓦回位簧，当解封时，锥体上移，锥体对卡瓦背面的支撑被撤去，卡瓦在卡瓦回位簧的作用下沿着导轨收缩，实现解锚。

如图3所示，卡瓦座通过开槽圆柱螺钉安装于定位筒上，其内径等于或者稍大于定位筒的最大外径100 mm；卡瓦座的壁厚可以保证卡瓦在其上的滑动作用，卡瓦的厚度为30 mm，故设计卡瓦座最大外径为167 mm。卡瓦座的材料为42CrMo钢，属于超高强度钢，具有很高的强度和韧性，抗拉强度≥1080 MPa，屈服强度≥930 MPa。

图3 卡瓦座

3.2 卡瓦设计

选层锚共有6个卡瓦，每个卡瓦分别可以在卡瓦座的导轨内移动，井下作业时卡瓦牙紧贴井壁，最大的应力区域将出现在卡瓦牙上，所以卡瓦牙必须有足够的强度，并且只要有一个卡瓦损坏后，卡瓦的咬合作用将大大降低，必须即刻更换。将卡瓦设计成此形状的优点是损坏后容易更换，卡瓦一侧的台阶状是为了在装配时达到定位的效果。

如图4所示，卡瓦选取的材料为优质碳素结构钢20钢，其塑形、韧性都较好，其抗拉强度为355～500 MPa，伸长率≥24%。

图4 卡瓦

3.3 扶正器结构参数确定

在本文中，整体式扶正器内径由中心管外径决定。扶正器的外径遵循刘明等[14]专家的研究成果，扶正器外径不大于井眼尺寸，扶正器弓片的厚度、跨度、宽度和截面形状都遵循其研究成果。弓片的强度是否满足需要是评定扶正器性能的关键，找到它的受力变形规律，进一步研究多弓片情况时对于扶正器整体受力的作用，最后得到扶正器整体机构的力学模型。扶正条部分的弓片宽度为45 mm，跨度为400 mm，根据已知研究成果，扶正条截面形状采用弧形，扶正条数为4，扶正器外径为210 mm。

扶正器是整体式弹性扶正器（如图5）。采用一块材料制造而成，本次设计采用65Mn制造扶正器。65Mn的力学参数如表1所示。此材料经常用来制造弹簧发条、坐垫弹簧、刹车弹簧等弹簧类零件，具有较高的淬透性、强度、弹性，同时其抗弹性性能也非常优越。

图5 整体式弹性扶正器

表1 65Mn的力学参数

4 关键零部件有限元分析

4.1 扶正器有限元分析

首先明确该扶正器在选层锚中的作用原理，在此选层锚中，扶正器可以在中心管上面移动，通过定位筒和堵头来限制其运动最大距离，当下入井下的时候，摩擦弹簧紧紧摩擦住井壁，因为摩擦力的作用，扶正器的上端是与定位筒的下端接触的，而扶正器的下端是可以在中心管上移动的。根据此原理，在有限元分析时，将扶正器模型定义为一端固定、另一端滑动的状态。

查资料可知，65Mn的弹性模量E=206 GPa，泊松比μ=0.288。 首先进行网格划分，划分结果如图6所示。

图6 扶正器网格划分

考虑到扶正器实际的工作机理，井下作业时，其相当于常规扶正器的上环箍部分，顶在定位筒的下端，而扶正器的另一端环箍是可以随着扶正条的受压在中心管上滑动的，因此，将扶正器的一端施加约束，而对另一端与中心管接触的面施加滑动约束条件，如图7所示。

图7 扶正器固定约束

设置约束之后，开始施加载荷，在4个扶正条上施加同时垂直于轴心与扶正条的力4.76 kN，其应力云图如图8所示。

图8 扶正器应力云图

由扶正器应力云图可以看出，此载荷在扶正器的最大应力出现在扶正条与环箍连接的地方，最大应力为327 MPa，小于65Mn的屈服强度（784 MPa）。

图9 扶正器位移云图

将这个长条压片定义为向着扶正器中心移动，该扶正器的最大压缩量为15 mm，把扶正器扶正条与长条压片定义为接触，通过施加长条压片位移边界，以仿真扶正器在井下工作时与井壁接触并受到井壁压力的过程，可以观察到扶正器的最大位移出现在扶正条的中心部位，最小变形出现在扶正器的两个环箍上面。这都满足扶正器的标准变形要求。

通过总结以上位移云图和应力云图，再与整体式扶正器的结构进行对比，可以看出该扶正器满足要求。

4.2 卡瓦有限元分析

卡瓦在作业中的状态是：卡瓦牙一面与井壁接触，并通过摩擦力锚定在井壁上，其卡瓦背面与锥体接触，通过锥体的下移对卡瓦施加载荷。根据卡瓦的工作状态，对卡瓦背面进行坐封载荷施压，将卡瓦牙一面定义为固定状态，以此来模拟锥体撑开卡瓦的状态。在锚定状态下，卡瓦座对卡瓦有一定的支撑作用，主要使卡瓦沿着卡瓦座上的导轨张开，因此卡瓦与卡瓦座有一定的滑动约束。

首先对卡瓦进行网格划分，查阅资料可知，20钢的弹性模量为206 GPa，泊松比为0.3，划分结果如图10所示。

图10 卡瓦网格划分

在实际工作中，卡瓦牙与井壁相接触，所以定义约束为11个卡瓦牙，而在卡瓦被锥体撑开后，卡瓦的底面与卡瓦座相作用，所以再定义卡瓦底面滑动约束，如图11所示。

图11 为卡瓦施加约束

卡瓦工作时，卡瓦需要承受来自于管柱的重力载荷和坐封载荷，因此施加垂直于卡瓦底面的压力120 kN，施加的载荷如图12所示，得到的应力分布图如图13所示。

图12 施加载荷

施加垂直于底面的载荷后，得到了卡瓦的应力云图（如图13），可以发现，卡瓦最大应力出现在卡瓦的最顶部，其大小为201 MPa，小于20钢的屈服极限（275 MPa），故此卡瓦的设计强度满足条件。

图13 卡瓦应力云图

由图14可见，卡瓦的最大位移出现在卡瓦顶部，最大变形为0.0023 mm，这在整个卡瓦的变形里面只是很小的一部分，几乎无变形。综合以上分析可知，该卡瓦设计满足强度要求。

图14 卡瓦位移云图

5 结论

从国内外对油气井开采求产来看，未来开采工具的发展趋势必然向着结构简单可靠、利用率高的方向发展。本文结合国内外选层锚研究现状，针对锚定方式优缺点进行分析，最终选择了机械式卡瓦来实现锚定，并设计出选层锚的整体结构。该选层锚的卡瓦被导轨和回位弹簧限制在卡瓦座上，这样卡瓦损坏后很容易更换，换位机构采用J形槽结构，工艺简单、可靠。分别对扶正器、卡瓦进行有限元分析，模拟实地作业时的环境来添加约束、施加载荷，发现其变形及应力集中都在合理的区间之内，验证其满足强度要求，证明了该选层锚结构的合理性。