一种斜置式锚爪水力锚的研究与应用

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摘 要：针对常规水力锚易结垢和卡井锚爪不易收回的问题，研制了斜置式锚爪水力锚。此水力锚通过锚体与衬管之间的缝隙过流推动锚爪，锚爪腔内不结垢，不易卡住；将锚爪中心线与锚体轴线之间的夹角由垂直状态改为非垂直状态，通过有限元分析，角度在82°-86°之间合适，解卡时，上提管柱助力锚爪的回缩，易于解卡。通过试验斜置式锚爪水力锚的锚定力符合行业标准；锚爪伸出和复位成功率达100%，锚爪无任何卡阻现象。使用斜置式锚爪水力锚在出现卡井时，即易于解卡，又不易结垢。

关键词：斜置式锚爪水力锚 结构 解卡 有限元

现有的井下管柱锚定装置--水力锚，安装使用方便，可以在抽油过程中自动实现锚定。结构为锚爪中心轴线垂直于锚体中心轴线，工作后锚爪回收时依靠锚爪中弹簧的弹力回收，为油田油水井井下管柱锚定作出了贡献，但其同时存在着如下的缺点或不足：①经常使用于油水井压裂、酸化等工艺管柱中，对管柱进行固定，提高井下工具及管柱的承压差能力。在长期工作后，由于流体流经锚爪腔，使得锚爪腔内结垢，出现锚牙回收时因砂卡、结垢、弹簧失效等造成的不能正常回收；②由于锚牙不能正常回收，作业管柱不能正常起出，甚至造成油水井大修作业

一、技术分析

1.结构组成

斜置式锚爪水力锚结构如图1所示。其特征在于水力锚锚体与下接头相连接，由下接头“O”型圈密封且由稳钉固定，水力锚锚体、压条螺钉、压条依次连接，压条内有锚爪弹簧、锚爪，水力锚锚体与锚爪之间有锚爪“O”型圈，水力锚锚体与下接头将衬管固定在锚体内，水力锚锚体与衬管之间有锚体“O”型圈。

2.有限元计算

由于锚爪截面相对复杂，选用有限元软件ANSYS建模计算，取锚爪角度 ，改变锚爪数目N，分别计算，结果如表1所示。

表1 锚爪个数与有效应力数据表表 2 锚爪角度与有效应力数据表表

3斜置式锚爪水力锚的主要技术参数

由表1可知，在锚爪数大于12时，有效应力随锚爪数目的增加变化不大，对锚爪强度贡献不大。而当锚爪数小于12时，增加锚爪数，有效应力快速变小，锚爪强度增加。所以，锚爪数选用12个是合理的

取锚爪数N=12，改变锚爪角度 ，分别计算，结果如表2所示

由表2可知，锚爪角度小于90°时，当锚爪角度增加时，锚爪最大有效应力变小，即锚爪强度增加。锚爪角度取82°-86°时，最大有效应力基本达到最小，且变 化不大。当锚爪角度增大到90°时，有效应力又变大。所以，锚爪角度应选82°-86°

由上面的计算分析可以得出，斜置式锚爪水力锚锚爪中心线与锚体轴线角度在82°-86°之间，锚爪个数在12个是合理的设计方案

3.工作原理

该水力锚采用锚内设置十二个斜向上孔，孔中分别安装有十二个锚爪，锚爪中心线与锚体轴线之间的角度在82°-86°之间，锚爪弹簧位于锚爪盲孔内并由压条和压条螺钉相定位的结构，有效克服或避免现有技术中存在的缺点或不足。工作主要包括坐封和解卡两个过程

坐封：锚体上的衬管下端开有豁口，运行时，液体经豁口流入衬管，当油管内液压升高一定压力，使得油套之间产生一定压差，当压差达到可以压缩锚爪弹簧时，锚爪自动沿径向顶出，与套管壁咬紧，靠锚爪与套管之间的摩擦力卡牢在套管壁上，实现对管柱的锚定，防止油管柱与套管柱产生相对位移。

解卡：当油管内的压力降低到油套压差平衡时，锚爪在弹簧的弹力作用下收回，从而解除锚定；如果地层出砂造成锚爪砂卡或锚爪孔结垢等其他原因导致锚爪无法收回或不彻底时，出现水力锚卡井现象，可以上提管柱，锚爪与套管壁的摩擦力可助力锚爪的回收。

4.主要技术参数

5.使用注意事项

水力锚下井前在地面上必须做认真检查，检查内容全部合格后方可下井。

5.1检查挡板上的紧固螺钉是否有松动，必须确保各螺钉上紧

5.2下井前必须按照最小通径尺寸通径，合格方可入井

5.3入井液体、材料、管柱、工具等应清洁干净，符合质量标准

5.4下管柱时，操作应平稳，严禁猛提猛放，严禁顿、溜钻

二、关键技术及性能特点

1.关键技术

该斜置式锚爪水力锚在常规水力锚的基础上进行了改进，它主要解决常规水力锚存在的锚爪收回困难和锚爪腔内易结垢的技术难题。通过增加衬管与锚体之间的缝隙，使得流体不进入锚爪腔内，而是通过缝隙过流推动锚爪，从而锚爪腔内不易结垢、砂卡，解决了常规水力锚锚爪腔内易结垢的问题；另外对常规水力锚的锚爪中心线与锚体轴线之间的夹角进行了改进，由原来的锚爪中心线与锚体轴线垂直，改为使其与锚体轴线非垂直状态，进而改变锚爪的受力方式。当水力锚遇卡时，用上提管柱的方式解卡，锚爪与套管之间的摩擦力就会在锚爪轴线上有分力，通过锚爪传给弹簧，给弹簧一个回收的主动力，加大锚爪回收的力度，从而将锚爪收回，实现解卡。

2.性能特点

2.1通过设定锚爪弹簧的弹力大小，保证在一定压力范围内水力锚不工作，从而避免下入工具时遇阻

2.2依靠油套内外压差将锚爪推出，实现锚定，且随着压差的增大，锚定力也相应增大，泄压后能够自动解除锚定

2.3与常规水力锚不同，管柱内流体不流经斜置式锚爪水力锚活塞腔，避免了活塞腔内结垢使油管锚卡死现象

2.4 斜置式锚爪水力锚还具备助力解卡功能，即一旦出现水力锚在井下卡死时，上提管柱，套管对锚爪有摩擦力，在锚爪轴向有分力，给锚爪一回收的主动力，从而解卡

三、现场应用情况

改进后的斜置式锚爪水力锚在油田现场共实施了25井次，未出现因水力锚解卡不成功造成的油井大修问题。现场解卡成功率达到100%，取得了很好地经济效益和社会效益

四、结论

斜置式锚爪水力锚可以用于油水井压裂、酸化、高压分注等工艺中对管柱进行固定，有效提高井下工具及管柱的承压能力，同时该水力锚还解决了因砂卡或者垢卡造成的水力锚无法解卡，从而引起油水井大修等问题，具有广阔的应用前景。通过现场应用，总结以下几条结论：

1.斜置式锚爪水力锚具有锚定力强，工作灵活可靠等特点。

2.具有强行解卡功能，不受油水井结垢或出砂的影响。在实际应用中，一旦出现水力锚卡井现象，可以采取上提管柱的方式，进行解卡。

3.适用范围较广，它的应用有着较大的技术、经济价值，值得大力推广。

参考文献

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作者简介：闫文文（1980-），女，2010年硕士毕业于中国石油大学（华东）工程力学专业，现主要从事井下工具和分层采油方面的研究。