淺談井下油管錨定器

1、淺談井下油管錨定器摘 要：在井下措施作業(yè)和有桿泵抽油生產(chǎn)過程中，現(xiàn)場主要使用井下油管錨定器對管柱進(jìn)行固定。尤其是在有桿泵抽油生產(chǎn)時，井下油管錨定器可以有效控制油管伸縮，減少沖程損失，以提高泵效。文章介紹了目前井下油管錨定器的應(yīng)用現(xiàn)狀，分析了一些新型錨的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，指出了未來我們應(yīng)該關(guān)注的井下油管錨定器的研究方向。關(guān)鍵詞：井下錨定器 油管伸縮 沖程損失 應(yīng)用現(xiàn)狀前 言在井下措施作業(yè)和有桿抽油生產(chǎn)過程中，由于生產(chǎn)或措施管柱在一些因素動液面的不斷下降，泵掛越來越深，熱洗措施等的影響下，不可防止的面臨管柱伸縮，受力狀態(tài)惡化等一些問題。目前，現(xiàn)場主要通過井下油管錨定器以下簡稱油管錨來解決上述問題。油管錨是

2、一種生產(chǎn)及措施井井下管柱錨定用井下裝置，可以改善管柱受力狀態(tài)，降低管柱疲勞損壞，控制管柱的伸縮，減少漏失，延長管柱的使用壽命。在有桿泵抽油生產(chǎn)過程中對管柱進(jìn)行固定，可以減少沖程損失，提高泵效；在壓裂、酸化等工藝中對管柱進(jìn)行固定，可以提高井下工具及管柱的承壓能力。它也可以作為一種機(jī)構(gòu)，設(shè)計在其他井下工具如封隔器上，發(fā)揮其作用。油管錨在設(shè)計上一般應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：1、防止失效造成作業(yè)。2、安裝使用方便，坐卡盡量不使用輔助設(shè)備。3、不應(yīng)惡化管柱的受力狀況。4、解卡釋放平安可靠。油管錨的分類目前國內(nèi)外油管錨的結(jié)構(gòu)原理大致相同，根本可分為兩大類：一、機(jī)械式油管錨機(jī)械式油管錨是靠摩擦塊與套管壁之間的摩擦力來

3、實(shí)現(xiàn)坐卡的。它又可分為：1、機(jī)械式卡瓦油管錨機(jī)械式卡瓦油管錨是最早使用的油管錨定工具，該類錨依靠管柱自身重量坐卡，其優(yōu)點(diǎn)是可以把局部油管柱重量轉(zhuǎn)移到套管上，減少上部油管的拉力。但因其是依靠管柱的重量來坐卡的，將造成錨以上至中性點(diǎn)管柱產(chǎn)生螺旋彎曲和偏磨問題。另外，在常規(guī)抽油泵工作過程中，下沖程動液面以上油管內(nèi)的液柱質(zhì)量將在油管上產(chǎn)生一個作用力，該力將產(chǎn)生由虎克定律引起的長度變化和螺旋彎曲從而使泵下油管縮短。2、機(jī)械式油管張力錨機(jī)械式油管張力錨一般采用旋轉(zhuǎn)上提管柱的方式完成錨的坐卡，采用下放管柱方式釋放。其優(yōu)點(diǎn)是張力錨至井口懸掛器管柱始終處于張力狀態(tài)，消除了油管彎曲。但假設(shè)液面較深，動液面以上液柱

4、重量大于管柱的預(yù)緊力時，管柱仍然會產(chǎn)生一個由虎克定律引起的管柱伸長。當(dāng)遇特殊情況無法釋放時，一直處于張力狀態(tài)特別是緊急釋放的大力提拉，對上部油管的強(qiáng)度將是一個很大的考驗(yàn)。另外，張力錨的使用存在現(xiàn)場操作工序復(fù)雜，管柱所承受的預(yù)拉力需要精確計算的問題。二、液力式油管錨液力式油管錨是靠液力作用來實(shí)現(xiàn)坐卡的。按其坐卡方式可分為：1、 壓差式油管錨壓差式油管錨一般是利用油套自身壓差實(shí)現(xiàn)錨定。在油套壓差的作用下，鑲嵌在錨本體上的錨爪伸出，錨定在套管上。其優(yōu)點(diǎn)是可以在抽油過程中自動實(shí)現(xiàn)錨定。另外，因其啟動壓差較小，管柱根本上處于自重拉伸狀態(tài)，具有較好的控制管柱伸縮和防止桿管偏磨的作用。有的壓差式油管錨還帶有

5、泄壓解除錨定機(jī)構(gòu)，通過油管加壓泄流，翻開泄壓活塞，油管內(nèi)的液體泄流到油套環(huán)空，當(dāng)內(nèi)外液面平衡，油套壓差為零時，錨爪在彈簧力的作用下收回，解除錨定。在現(xiàn)場使用中，壓差式油管錨也存在一些問題，如泄壓活塞非正常翻開；膠圈或錨爪本體破碎引起錨爪部位的泄漏。為滿足使用要求，液壓油管錨還要有較大的內(nèi)通徑，這將加大錨爪的加工難度和降低其抗疲勞強(qiáng)度。2、憋壓式油管錨憋壓式油管錨是利用油管憋壓來實(shí)現(xiàn)坐卡的。又可以分為：1液壓雙向卡瓦油管錨：主要由坐卡機(jī)構(gòu)和雙向卡瓦錨定機(jī)構(gòu)等局部組成。從結(jié)構(gòu)上看，它較好地解決了壓差式油管錨存在漏點(diǎn)多的問題，同時又具有可雙向錨定油管的優(yōu)點(diǎn)，有效地控制了管柱的伸縮，并且管柱受力合理。

6、但其解卡釋放問題是用戶所擔(dān)憂的。2液壓單向卡瓦油管錨：主要由坐封機(jī)構(gòu)和單向卡瓦錨定機(jī)構(gòu)等組成。在泵抽油過程中，同樣可以隨著油管內(nèi)液面的逐步升高加強(qiáng)錨定。相對于雙向卡瓦油管錨，單向卡瓦油管錨雖然在結(jié)構(gòu)設(shè)計上采用了單向錨定方式，但通過受力分析可知它同樣可以控制油管伸縮。目前，使用的單向卡瓦油管錨有2種，一種是用剪切銷釘來控制錨的坐封；另一種帶有坐封彈簧，坐封時首先壓縮彈簧，然后將卡瓦撐開錨定在套管上。對于機(jī)械式油管錨，由于井斜、油稠、套管變形、套管壁腐蝕等原因，致使坐錨成功率低，再加上本身結(jié)構(gòu)方面的原因，該類錨使用越來越少。壓差式液力油管錨在一定程度上克服了機(jī)械式油管錨的缺乏，較為廣泛地應(yīng)用于有桿

7、泵抽油井中，但對于一些舉升高度小的油井，這種油管錨往往會由于壓差過小以至于錨定力達(dá)不到要求，甚至錨不住；對有些結(jié)垢、腐蝕較為嚴(yán)重的井，錨爪卡在套管上收不回來的現(xiàn)象時有發(fā)生。憋壓式液力油管錨能夠滿足油管錨的根本要求，但其鎖緊機(jī)構(gòu)在坐錨壓力卸掉之后鎖簧回彈，使錨牙松動，在頻繁的交變載荷和震動的作用下失效的情況也時有發(fā)生。油管錨的一些新的研究成果下面介紹一下近幾年油管錨的一些最新研究成果：圖1 帶泄油器功能的油管錨1、帶泄油器功能的油管錨：一般抽油泵管柱的泄油器是靠抽油桿翻開的，當(dāng)抽油桿斷脫時，就要冒噴作業(yè)，既不平安又污染環(huán)境，目前各大油田使用的投棒式泄油器成功率較低。為了簡化作業(yè)管柱，江蘇油田研制

8、出一種將油管錨與泄油器組合的井下錨定工具，如圖1所示。該工具在結(jié)構(gòu)上設(shè)計有泄油通道，簡化了作業(yè)管柱，減少了起泵過程中原油、污水造成的地面污染，又能錨定抽油管柱，防止管柱蠕動，減少沖程損失，延長檢泵周期。2、防頂錨定器：常用的機(jī)械壓縮式封隔器如Y22，Y211，Y111等在封隔油水層和進(jìn)行分層開采時，會因壓縮坐封而造成油管彎曲，發(fā)生管桿偏磨，或者因坐封載荷過低，井底壓力較高，導(dǎo)致封隔器卡封失敗。防頂錨定器可以將管柱固定在套管上，防止管柱上移和封隔器解封，同時提高封隔器承受上壓的密封性能。常規(guī)的防頂油管錨沒有專門的鎖緊機(jī)構(gòu)，只是依靠錐體和卡瓦間的自鎖角來形成鎖緊，容易出現(xiàn)無法鎖死或鎖死后無法解卡的

9、問題。勝利油田研制了一種防頂油管錨，如圖2所示。它在結(jié)構(gòu)上從兩個方面來提高工具的錨定可靠性和錨定力的持久有效性：一是設(shè)計有步進(jìn)鎖緊機(jī)構(gòu)，坐卡過程中，鎖環(huán)沿外中心管單向步進(jìn)齒步進(jìn)鎖緊，防止卸壓后回彈；二是設(shè)計有碟簧持力蓄能式結(jié)構(gòu)，坐卡時，卡瓦套與活塞壓縮碟簧，將油管內(nèi)的液壓力轉(zhuǎn)換為碟簧的彈性變形勢能，通過錐體作用在卡瓦上，泄掉油管壓力后，碟簧始終保持提供的機(jī)械壓力，使卡瓦錨定牢靠。圖2 防頂油管錨圖3 防卡油管錨3、防卡油管錨：常規(guī)油管錨用于錨定注水管柱時,活塞的移動在水力錨內(nèi)壁形成多個孔腔，在注水過程中勢必在孔腔內(nèi)形成結(jié)垢，阻礙錨爪縮回,造成水力錨卡死。勝利油田研制了一種防卡油管錨，如圖3所示

10、。當(dāng)防卡油管錨內(nèi)部壓力高于外部壓力時,液壓力進(jìn)入活塞腔推動下活塞向下移動,壓縮彈簧推動錐體,錐開卡瓦，實(shí)現(xiàn)錨定。將防卡油管錨內(nèi)部壓力泄掉后,彈簧會推動下活塞和錐體恢復(fù)原位,同時錐體帶動卡瓦向徑向縮回,從而解除錨定。如果出現(xiàn)卡瓦縮回困難,即油管內(nèi)壓力泄掉后,卡瓦仍卡在套管內(nèi)壁上,這時上提管柱,上接頭和控制環(huán)都會受到向上的拉力,控制環(huán)通過剪釘向上拉缸套, 使控制環(huán)和缸套之間產(chǎn)生相對挫動,剪斷剪釘,繼續(xù)上提管柱,中心管帶動錐體使卡瓦縮回, 油管錨解卡。圖4 可反洗井油管錨4、可反洗井的油管錨：常規(guī)的油管錨均不能實(shí)現(xiàn)洗井時油層保護(hù)的功能, 假設(shè)要增加這種功能, 那么需要在管柱中單獨(dú)加裝洗井保護(hù)裝置,

11、這樣既增加了作業(yè)時的勞動量, 又增加了作業(yè)本錢。勝利油田設(shè)計出一種洗井時能夠保護(hù)油層的新型油管錨,如圖4所示。這種油管錨既可錨定管柱、提高泵效, 又能實(shí)現(xiàn)洗井時保護(hù)油層的功能。該錨屬于憋壓式油管錨，設(shè)計有步進(jìn)鎖緊機(jī)構(gòu)，可消除因鎖簧回彈而造成的卡瓦錨定不牢的狀況, 從而提高了坐卡的成功率。該錨上部的分流機(jī)構(gòu)具有縱向連通, 橫向單通的功能。即當(dāng)壓力從油管中傳來時, 鋼球在壓力作用下將橫向通道關(guān)閉, 壓力通過分流體上的縱向孔往下傳遞, 從而起到縱向傳壓的功能; 當(dāng)壓力從油套環(huán)空傳來時, 壓力將鋼球推開, 翻開分流體的橫向通道, 此時皮碗與接在該工具下方的固定閥就起到保護(hù)油層的功能。結(jié) 論1、由于本身結(jié)構(gòu)方面的原因，機(jī)械式油管錨坐錨成功率低，使用的越來越少。目前被較為廣泛應(yīng)用的