申曉莉，陳立海，王子建，畢福偉

（1.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室，西安710021；2.長慶油田分公司 油氣工藝研究院，西安710021；3.長慶油田分公司 安全環(huán)保處，西安710018）①

在油田注水開發(fā)過程中，為了提高原油采收率，需要對(duì)注水井進(jìn)行分層注水，擴(kuò)大注入水波及體積。目前采用錨定式分層注水管柱，能夠有效防止管柱蠕動(dòng)造成分注封隔器密封失效問題，延長分注有效期。但是，金屬水力錨錨爪與套管內(nèi)壁直接接觸，易傷害套管內(nèi)壁。另外，注入水長年累月地流經(jīng)錨爪孔腔，勢(shì)必在孔腔內(nèi)形成結(jié)垢，會(huì)阻礙水力錨錨爪縮回，造成水力錨卡死，導(dǎo)致起鉆遇卡等井下事故［1－2］。筆者在滿足注水管柱錨定力的條件下，對(duì)水力錨結(jié)構(gòu)及錨爪材質(zhì)進(jìn)行了設(shè)計(jì)及改進(jìn)，研制了非金屬水力錨，不僅達(dá)到了錨定分注管柱、延長分注有效期的目的，而且有效防止了貓爪對(duì)套管內(nèi)壁損傷，降低了分注管柱起鉆遇卡風(fēng)險(xiǎn)。

1 結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)參數(shù)

非金屬水力錨結(jié)構(gòu)如圖1所示。上接頭下端連接中心管，中心管下端為下接頭。上錐體固定于中心管外壁，錨定爪分布在上錐體外，并用錨定爪套筒固定。壓縮活塞套在中心管上，且?guī)уF面的一端置于非金屬錨定爪底部，同時(shí)將活塞套筒安裝在壓縮活塞上。

錨爪采用橡膠硫化而成。為了增強(qiáng)其錨定力，擴(kuò)大了錨爪與套管內(nèi)壁的接觸面積，錨定方式由以前的擴(kuò)張式改變?yōu)閴嚎s式。

圖1 非金屬水力錨結(jié)構(gòu)

主要技術(shù)參數(shù)如表1。

表1 非金屬水力錨主要技術(shù)參數(shù)

2 工作原理

高壓流體從上接頭流入，經(jīng)中心管進(jìn)入活塞與活塞套筒密封環(huán)空，推動(dòng)壓縮活塞上移，活塞帶錐體一端將活塞的上推力改變?yōu)檠赜凸軓较虻耐屏?，推?dòng)非金屬錨定爪徑向擴(kuò)張，與套管內(nèi)壁貼合，活塞上移帶動(dòng)活塞套筒上移。隨著油管壓力的增大，增大了非金屬錨定爪作用于套管內(nèi)壁的正壓力，從而增加非金屬錨定爪與套管內(nèi)壁間的軸向摩擦力。在正常注水壓力下，非金屬錨定爪與套管內(nèi)壁間的軸向摩擦力大于在該壓力下油管受的軸向拉力，從而防止油管上、下蠕動(dòng)，達(dá)到錨定油管的目的。

3 創(chuàng)新點(diǎn)

1） 錨爪采用復(fù)合材料與鋼體硫化而成，具有耐磨和抗腐蝕能力。

2） 增大單塊錨爪面積，增大套管內(nèi)壁接觸面積，提高了錨定力。

3） 錨爪外層復(fù)合材料與套管內(nèi)壁接觸，不損傷套管內(nèi)壁。

4） 采用壓縮式錨定方式，錨定性能比擋板式、擴(kuò)張式錨定更穩(wěn)定。

4 室內(nèi)試驗(yàn)

4.1 錨定力計(jì)算

依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［3］，水力錨的錨定力為：

式中：F為錨定力，KN；A為油管內(nèi)徑的面積，mm2；p為注水壓力，MPa。

常用注水管柱采用J55、N80鋼級(jí)、內(nèi)徑62 mm的油管，計(jì)算注水壓力為12～20MPa時(shí)，水力錨的錨定力，如表2。

表2 不同注水壓力下非金屬水力錨錨定力

4.2 錨定力試驗(yàn)

該試驗(yàn)需121mm套管試驗(yàn)井1口，非金屬水力錨1套，600型電動(dòng)試壓泵1臺(tái)，200kN拉力表1只。將非金屬水力錨與油管連接下入121mm套管試驗(yàn)井中，連接好地面管線，進(jìn)行油管加壓，在不同壓力下，采用拉力計(jì)拉動(dòng)非金屬水力錨，觀察拉力變化情況（如圖2所示）。

當(dāng)油管壓力穩(wěn)壓在15MPa時(shí)，通過拉力計(jì)上提管柱，最大上提拉力60kN，為設(shè)計(jì)錨定力的1.3倍；當(dāng)油管壓力穩(wěn)壓在20MPa時(shí)，通過拉力計(jì)上提管柱，最大拉力80kN，為設(shè)計(jì)錨定力的1.3倍。起出后，非金屬水力錨錨爪的復(fù)合材料完好無損。

4.3 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

該工具設(shè)計(jì)的額定工作壓力為30MPa。按照標(biāo)準(zhǔn)要求加壓至45MPa，穩(wěn)壓10min后，不滲漏，符合設(shè)計(jì)要求。測(cè)量結(jié)果表明：試驗(yàn)前、后活塞鋼體外徑均為114.01mm，即鋼體無變形。

圖2 非金屬水力錨錨定力試驗(yàn)示意

5 結(jié)論

1） 研制出外徑為114mm的非金屬水力錨，最大錨定力80kN。在45MPa條件下，不滲漏且鋼體無變形，表明其錨定性能穩(wěn)定、可靠。錨爪在作用力的推動(dòng)下伸出與回收自如，各部件動(dòng)作靈活、可靠。

2） 非金屬水力錨錨爪采用復(fù)合材料與鋼體硫化而成，具有良好的耐磨和抗腐蝕性能，且不損傷套管內(nèi)表面，也可避免發(fā)生起管柱遇卡事故。采用壓縮式錨定方式，錨定性能比擋板式、擴(kuò)張式錨定更穩(wěn)定。

3） 該非金屬水力錨適用于124mm套管分層注水管柱，隨著油田精細(xì)開發(fā)，具有廣闊的應(yīng)用前景。下步需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)其結(jié)構(gòu)及性能進(jìn)行優(yōu)化研究。

［1］劉汝福，王隆慧，韓 進(jìn)，等.水力錨對(duì)套管損傷數(shù)值模擬分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2004，33（5）：65－67.

［2］祝慶遠(yuǎn).防卡水力錨的研制［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2004，33（3）：97－98.

［3］SY／T 5628—2008，水力錨［S］.