熱采井預(yù)應(yīng)力固井模塊化地錨的設(shè)計

黃志強(qiáng) (長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100)

張 強(qiáng) (長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

劉書杰，謝仁軍 (中海油研究總院，北京 100027)

熱采井預(yù)應(yīng)力固井模塊化地錨的設(shè)計

黃志強(qiáng) (長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100)

張 強(qiáng) (長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

劉書杰，謝仁軍 (中海油研究總院，北京 100027)

為了避免熱采井套管受熱應(yīng)力損壞，延長油氣井壽命，現(xiàn)場多采用預(yù)應(yīng)力固井。地錨作為預(yù)應(yīng)力固井的必備工具，其功能可靠性和有效性顯得尤為重要。國內(nèi)現(xiàn)有地錨大多應(yīng)用于較淺直井，在某些較軟地層中容易錨固失效，且難以根據(jù)地層和施工需要自由組配、不能自主調(diào)節(jié)噴嘴直徑、不具備錨爪自洗功能。結(jié)合上述問題，設(shè)計了熱采井預(yù)應(yīng)力固井模塊化地錨，不僅能滿足定向井施工需求，而且具有錨爪自洗和錨爪自動復(fù)位等功能，并可根據(jù)現(xiàn)場實際需要進(jìn)行模塊化組合，從而提高固井施工效率，對于預(yù)防熱采井套管損壞，促進(jìn)熱采井高效開發(fā)具有重要的實際意義。

地錨；預(yù)應(yīng)力固井；單元式組合；有限元分析

為了避免熱采井套管受蒸汽高溫的影響而損壞，目前多采用預(yù)應(yīng)力固井技術(shù)[1]。預(yù)應(yīng)力固井就是在套管下入井底后在底部進(jìn)行錨固，然后根據(jù)施工需要在井口對套管施加一定的預(yù)拉力，使套管產(chǎn)生一定的伸長量，預(yù)拉完成后進(jìn)行注水泥固井。由于套管伸長量可以減小或抵消注蒸汽時熱應(yīng)力造成的套管伸長，所以采用預(yù)應(yīng)力固井技術(shù)可有效防止套管損壞，延長油井壽命[2]。

據(jù)調(diào)研，國內(nèi)現(xiàn)有地錨大多應(yīng)用于較淺直井，且難以根據(jù)地層和施工需要自由組配，不能自主調(diào)節(jié)噴嘴直徑，不具備錨爪自洗等功能。結(jié)合上述問題，自主設(shè)計了熱采井預(yù)應(yīng)力固井模塊化地錨。該地錨可根據(jù)現(xiàn)場實際需要進(jìn)行模塊化組合，具有噴嘴可更換、錨爪自洗與自動復(fù)位等功能。利用有限元分析軟件對地錨進(jìn)行了仿真模擬，驗證了功能的可靠性，并重點針對地錨本體受200t提拉力時的應(yīng)力分布進(jìn)行了分析，結(jié)果滿足熱采井預(yù)應(yīng)力固井施工需要。該地錨的設(shè)計有助于提高熱采井固井施工效率，對于促進(jìn)熱采井高效開發(fā)具有重要的實際意義。

1 地錨結(jié)構(gòu)與工作原理

基于目前國內(nèi)外熱采井固井地錨存在的主要問題，結(jié)合熱采井固井作業(yè)特點和施工需求，設(shè)計了一種熱采井預(yù)應(yīng)力固井模塊化地錨。

1.1結(jié)構(gòu)設(shè)計

熱采井固井模塊化地錨主要由本體、節(jié)流管、錨爪、連桿、中心桿、復(fù)位彈簧等零件組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

地錨主要設(shè)計參數(shù)：①單級長度1300mm；②本體最大外徑254mm；③連接套管直徑244.5mm；④錨爪開啟排量14～15L/s；⑤本體抗拉強(qiáng)度2000kN；⑥單級錨爪的抗拉強(qiáng)度600kN；⑦錨爪張開最大直徑466mm。

該地錨采用噴嘴節(jié)流，在實際應(yīng)用中可根據(jù)實際需要更換噴嘴；考慮到下套管過程中需要循環(huán)泥漿，在下套管中盡量避免打開錨爪，因此配合使用復(fù)位彈簧。

1.2工作原理

該地錨連接于套管底部，隨套管一起下入井內(nèi)。在下套管過程中，復(fù)位彈簧的上頂力通過活塞、中心桿和連桿控制地錨爪，使其收緊于地錨本體。當(dāng)下到預(yù)定位置后開泵循環(huán)，鉆井液流過中心管和噴嘴后進(jìn)入環(huán)空建立循環(huán)。由于噴嘴的節(jié)流作用，管內(nèi)外產(chǎn)生的壓差克服彈簧的上頂力推動中心管向下滑動，并帶動連桿運動，推動錨爪張開，爪尖支撐于井壁，同時通過提拉套管柱使地錨上行，錨爪便可“吃入”井壁而實現(xiàn)錨固；停泵并下放地錨時，受復(fù)位彈簧力的影響，錨爪自動復(fù)位。循環(huán)過程中鉆井液排量越大、壓差越大，中心管下推力越大，地錨爪的外撐力也越大。若地層較硬時，爪尖將卡于井壁的“臺階”實現(xiàn)錨固。當(dāng)?shù)貙虞^軟時，隨著地錨的上行，錨爪將逐漸張開至極限位置“吃入”井壁深部，地錨達(dá)到極限張開狀態(tài)，呈平面承托而錨固。

注：1,7,9,22-密封圈;2-噴嘴;3,4,16,19,25-擋圈;5-套圈;6-擋環(huán);8-活塞;10-上部短接;11-彈簧;12-中心管;13-本體;14-彈簧座;15,18-銷;20-錨爪;20-開口銷;21-銷軸;23-導(dǎo)向套

2 有限元分析

2.1單只錨爪受30t提拉力時的應(yīng)力分布

利用ANSYS有限元分析軟件分析單只錨爪受30t提拉力時的應(yīng)力分布，基本假設(shè)：①地錨張開至極限尺寸，地層對錨爪的壓力均勻分布在面1上;②錨爪與本體接觸的部分為完全約束。邊界條件為在面1上施加98.4MPa的壓力(單只錨爪受30t提拉力)，面2為完全約束。錨爪有限元分析模型 和錨爪的等效應(yīng)力云圖如圖2和圖3所示，由分析可知，錨爪與本體接觸部位最大等效應(yīng)力值為1556MPa，3個主應(yīng)力均為壓應(yīng)力，不影響錨爪的正常工作。

圖2 錨爪有限元分析模型 圖3 錨爪的等效應(yīng)力云圖

2.2地錨本體受200t提拉力時的應(yīng)力分布

為了提高計算速度對地錨本體模型進(jìn)行了簡化，如圖4所示。固定錨爪本體一端，在另一端施加200t(壓強(qiáng)為50.76MPa)的提拉力進(jìn)行求解計算，結(jié)果顯示如圖5所示。從等效應(yīng)力云圖中可以看出最大應(yīng)力出現(xiàn)在錨爪銷孔處，最大等效應(yīng)力為381.86MPa。從3個主應(yīng)力云圖中得出最大主應(yīng)力均為壓應(yīng)力，都滿足強(qiáng)度要求。

圖4 地錨本體受200t提拉力有限元分析模型 圖5 地錨本體受200t提拉力的等效應(yīng)力云圖

2.3地錨本體受15340N·m的緊固扭矩時的應(yīng)力分布

為了防止地錨本體在與套管連接時上扣過程中的損壞，應(yīng)用有限元分析軟件分析地錨本體受15340N·m的緊固扭矩時的應(yīng)力分布情況。分析過程中固定地錨本體的一端，在另一端加15340N·m的扭矩。地錨本體有限元分析模型和等效應(yīng)力云圖分別如圖6和圖7所示。由分析可知，最大應(yīng)力出現(xiàn)在錨爪銷孔處，最大等效應(yīng)力為99.797MPa，3個方向最大主應(yīng)力均為壓應(yīng)力，滿足強(qiáng)度要求。

圖6 地錨本體受15340N·m扭矩有限元分析模型 圖7 地錨本體受15340N·m扭矩的等效應(yīng)力云圖

3 結(jié) 論

(1)針對現(xiàn)有地錨存在的主要問題，設(shè)計了熱采井預(yù)應(yīng)力固井模塊化地錨，該地錨具有錨爪自洗與自動復(fù)位功能，可滿足定向井固井施工需求，并根據(jù)實際需要進(jìn)行模塊化組合，自由選配節(jié)流噴嘴。

(2)經(jīng)仿真模擬，該地錨功能可靠，在需要60t以下預(yù)拉力的情況下采用單級地錨；需要預(yù)拉力超過60t采用雙級地錨。

(3)經(jīng)有限元分析，在地錨本體施加200t的提拉力和在另一端施加15340N·m的扭矩的情況下，3個方向的應(yīng)力均為壓應(yīng)力，均滿足強(qiáng)度要求。

[1]萬仁溥.現(xiàn)代完井工程[M]. 北京：石油工業(yè)出版社，2000.

[2]張桂林.可復(fù)位式預(yù)應(yīng)力固井地錨的研究與應(yīng)用[J].石油鉆探技術(shù)，2000，28(3):36-38.

2013-03-12

國家科技重大專項(2011ZX05024-005-009)。

黃志強(qiáng)(1964-)，男，碩士，教授，長期從事油氣井鉆井完井技術(shù)方面的研究工作。

TE256

A

1673-1409(2013)26-0101-03

[編輯] 洪云飛