《地锚设计说明书》由会员分享，可在线阅读，更多相关《地锚设计说明书（19页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、预应力固井中新型地锚的设计第一章 前言1、地锚稠油又称重油，由于其粘度高、流动性能差，甚至在油层条件下也不能流动，因而采用 一般的常规开采方法很难奏效。注蒸汽开采是当前最有效、最广泛的稠油开采方法。注蒸汽 开采稠油时，由于热采井在生产期间处在高温条件下，套管将受到严峻考验，这些考验是： 首先，套管受热伸长，内部产生压应力。当压应力超过套管材料的屈服极限时，套管将有可 能发生断裂和损坏；其次，注蒸汽时，正常载荷从拉伸向压缩变化。注蒸汽停止后，温度大 幅度降低，拉伸力开始起作用。如此反复变化，将导致接箍漏失和螺纹滑脱破坏；最后，较 高的温度要对水泥石强度产生影响。当温度升高时，达到临界温度时，水泥
2、石将发生崩解， 丧失对套管的支撑密封作用。预应力固井技术：就是在固井注水泥前或注水泥后对井内套管柱施加一定的预拉力，减 少或抵消注蒸汽时由热应力造成的套管伸长，以防止油井损坏；同时增加对套管的封固长度， 甚至达到全井套管封固。为了能对套管柱施加预拉力，就必须将套管柱下端固牢在井壁上。这样，就需要一个固 牢套管柱的工具，称之为“地锚”。2、国内新型地锚介绍（一）DM型地锚结构L按箍$ 2.定位结拘* 定位机构、4.销钉* 5-滑块总成乩 连杆机构；7-连杆机构 图仝爲型地阶？锚心本体DM型预应力固井地锚如图所示，由接箍、定位机构、滑块总成、锚爪和本体等部分组 成。（二）原理在胶塞碰压之前使地锚位
3、于锚定位置，固井胶塞碰压为12-18MPa时，即可以使胶塞推 动连杆机构，张开锚爪，锚爪吃入地层，地锚与地层锚定，在保持压力的情况下，用钻机大 钩提拉套管到设计的预应力值，然后固定井口套管。如果一次坐挂不成功，可以卸压，缓慢 移动或旋转至另一位置后再次憋压坐挂。其主要特点：（1）地锚上下端均为 API 套管长圆扣或偏梯扣，与套管串连接方便；（2）地锚接于固井胶塞阻位，不影响其它固井附件的安装；（3）下套管完毕后，可以灌钻井液正常循环，也可以在中途循环，而不会影响地锚以后 的工作；（4）下套管、注水泥、替浆等作业按常规固井作业要求进行；（5）碰压后憋压，用钻机提升设备进行预应力提拉，不需要添置专
4、门设备碰压后固井胶 塞可自锁，防止胶塞上返；（6）结构复杂，操作不便。（7）锚爪可以复位，在一次坐挂不成功的情况下，可以卸压换位后再进行坐挂；（8）该型地锚的锚爪突出于本体外表面，第一次坐挂不成功时，会影响旋转换位；在软 地层时，三个锚爪难以产生足够的固牢力以抵抗预应力固井时的提拉力。3、设计目的及工艺方案的确定（一）、设计目的 改进思路：以适应稠油井预应力固井为前提条件,能在软硬地层中皆适用，达到性能可 靠、使用安全、操作方便、价格低廉的总体效果。设计思想具体体现是：1、采用液力促动式地锚,且锚爪能自动复位。为此，必需设计一套性能可靠、使用安全、 结构简单的节流装置和运动机构。运动机构最好选
5、用连杆机构。2、必须注意地层松软的特点，适当地增加锚爪嵌入长度。3、考虑到地锚是一次性使用产品,应尽量选用成形管材、减少零件数量、减少用材种类、 减少加工量和加工精度要求,从而将成本降到最低。（二）、工艺方案的确定 方案一：利用高压钻井液推动上顶杆剪断悬挂销钉，通过顶杆和连杆组将撑爪打开。此时， 胶塞的推力转化为撑爪嵌入地层的压力，钻机大钩施加轴向拉力，使撑爪进一步嵌入地层。特点：1、通过液压力推动胶塞。再由顶杆，连杆将撑爪打开2、能承受较大的提拉力，适用于多种套管尺寸3、撑爪张开后，不能自动回复至原位，第一次没有锚定时，无法补救方案二：开启泥浆泵，高压钻井液进入套管内，由于地锚主体上的旋流孔
6、的节流作用， 在套管内外产生一定压差，活塞在压差作用下克服弹簧力而下行，从而带动中心杆、连杆下 行使锚爪张开。排量越大压差越大，锚爪压入井壁的力也越大。当上提套管使地锚上行时， 锚爪将进一步伸入地层实现锚固。停泵并下放地锚，由于弹簧作用，锚爪将恢复至收紧状态。特点：1、停泵后，只要锚爪退出嵌入状态，在弹簧力作用下锚爪可以完全复位，再次操 作时不带来任何影响；2、活塞上下表面建立压差的原理较为新颖，无开泵不通的危险性，锚爪的外撑力随泵 的排量增大而增大；3、锚爪对井壁的“吃入力”与套管的上提拉力成正比，上提拉力越大，锚爪趋向张开 的角度越大，吃入井壁的力越大；4、弹簧较软，锚爪复位较慢；地锚主体
7、2上开有8个孔，对这个承受预拉力的零件强 度有所削弱。不适用于硬地层。方案三：开启钻井泵提供高压钻井液进行循环，钻井液由外节流管和内节流管形成的环 隙及外接流管上的4个小孔，进入活塞腔室，从而在活塞的上下表面间建立压差。在压差作 用下，钻井液促动活塞向下，推动滑块摇杆机构，将锚爪张开，并较浅地压入地层。上提钻 柱，使锚爪旋转至水平位置，嵌入最深地层。/-上|方案三结构图特点：1、节流装置,为活塞向下移动建立可靠的压差。2、结构简单、动作准确的偏置式滑块机构和锚爪的单向转动特性保证锚爪在钻 井液促动下向外转动3、具有周向相错60的上下两组锚爪，且适当增加锚爪嵌入长度，确保地锚在软地 层中产生足够
8、的固牢力,以承受预应力固井时的外加轴向力。地锚具有上下两组6个锚爪（每 组3个，周向均布），上下锚爪间周向相错60，使地锚在井壁上有6个接触部位。适当地增加 锚爪长度可以增加在地层中的嵌入深度。这两项措施确保地锚在软地层中产生足够的固牢 力，以抵抗外加轴向拉力。适用于软底层。4、地锚具有更方便的操作性锚爪的可张可合；锚爪外側面与锚爪短节的外圆柱面 平齐，地锚旋转换位时无阻挡作用；地锚的冲洗作用，使本地锚操作更加方便。特别适用于 软底层。综上以上三种方案的优缺点，选择第三种方案，为最优。4、主要结构的确定新型地锚由外部零件和内部零件组成。外部零件包括缸套、上下接箍、上下锚爪短节,它们的共通点在于
9、:当对套管柱施加轴向 拉力时，这些零件都要直接承受这一轴向拉力。内部零件是指构成节流装置和偏置式滑块摇 杆机构的那些零件。节流装置为活塞的上下表面提供压差，它是由外节流管、内节流管、隔 板和O形圈组成。在外节流管的上段钻出4个17小孔，在下段钻出4个18孔。内节流 管的上端被堵塞，下段钻出4个18小孔。内外节流管构成一道环隙，但被隔板和O形圈 分隔成上下两个腔室。内外节流管和冲砂管均连接在上连杆接头上，上环隙为节流装置的进 口通道，内节流管和冲砂管为节流装置的出口通道。如果我们把活塞、外节流管、内节流管、 上连杆接头（或下连杆接头）这一结合体视为滑块，把上锚爪（或下锚爪）视为摇杆，则该 地锚的
10、运动机构就是一个偏置式滑块摇杆机构，用它来传递运动和力。5、工作原理地锚在不受外力的情况下，由于弹簧作用,借助由上下连杆接头、上下连杆、上下锚爪组 成的偏置式滑块机构,使锚爪处在收紧位置。当地锚下到规定位置时，钻井泵提供钻井液进 行循环，流经由外节流管和内节流管形成的环隙及外接流管上的4 个小孔，进入活塞腔室， 从而在活塞的上下表面间建立压差。在压差作用下，钻井液促动活塞向下，推动滑块摇杆机 构，将锚爪张开，并较浅地压入地层。上提钻柱，使锚爪旋转至水平位置，嵌入最深地层 排量越大压力越大，压入的深度也越大。与此同时，由活塞腔室出来的钻井液流经4个18 小孔进入内节流管，再通过冲砂管，对井底进行
11、冲砂，使地锚更容易坐落。钻井泵卸压后 将套管柱向下移动1-1.5m,锚爪退出锚定状态，在弹簧力作用下，锚爪自动收紧,与锚爪短节外 圆柱面平齐,锚爪具有单向转动特性,保证它不会向内偏转。锚爪的这一特性再加上偏置机构， 使锚爪在钻井液促动下只能向外张开。第二章 地锚的设计参数确定设计条件：套管外径D = 177.80 mm,内径d = 150.40 mm，套管材料N-80级钢，其 中。s =551.58MPa，钻井液密度P =1.150g/ml，套管预拉力=80t1、预应力设计(一) 注蒸汽时套管产生的温度应力G T =九.E . A T(3-1)式中，bT套管所承受的最大热应力，MPa；入为金属
12、的线膨胀系数，E 为钢材的弹性模量 MPa，；AT为注蒸汽时套管所受温差。查油气开采井下作业及工具P112有入=12.1X10-6/C, E =1.177X 105MPa，注蒸汽温度为 350C,地层平均温度 30C。代入解得： b T =455.70MPa(二) 对套管施加的最小预应力AoA b b T - K b S(3-2)式中：Ao为套管最小预应力，MPa；K 为高温条件下套管强度降低系数，os 套管材料的最低屈服强度， MPa，查油气开采井下作业及工具P113有K 取 0.66，os = 551.58MPa代入解得Ao=91.56MPa三）套管需要施加的最小预拉力(3-3)F=S.A
13、。式中，F为套管的最小预拉力，kN； S为套管管体的截面积，mm2。 S=n/4（D2-d2）代入数据解得F=660.6KN2、地锚的主要尺寸参数确定主要尺寸是指地锚本体（通常指锚爪短节）的外径、地锚长度、使用的最大井径和最小井径。（一）本体直径D 首先要确认地锚对多大的井眼直径进行固井，使用多大直径的套管。例如，若用来对5%和7套管进行预应力固井，且锚爪张开时的最大直径可达400mm的话，可固井的井眼 最大直径为400-2hmin（hmin为嵌入地层的最小深度），固井范围是220mm340mm（相应的 钻头尺寸为8-1/212-1/4），则地锚本体的外径应小于8%钻头所钻出的井眼，因此， 该
14、地锚本体的外直径定为D=200mm。（二）地锚长度L 地锚长度主要取决于两组锚爪间的轴向距离。对软地层而言，为了使上下锚爪间对应的那段地层不因受力而坍塌，两组锚爪的间距不能太小，地锚总长L在1900mm。（三）适用的最大井径D井maxD 井 max = D 锚-2hmin式中，D锚是锚爪张开到极限位置（即水平位置）时的直径；hmin是锚爪嵌入的最小深度。所谓锚爪的最小嵌入深度hmin就是指在这一深度下， 锚爪产生的总阻力能恰好平衡外加轴向力.例如，对于软地层，当锚爪张开到水平位置时，其直径。锚=200mm，为使地锚固牢， 锚爪至少应有hmin=30mm的嵌入深度，故该地锚适用的最大井眼直径为：
15、D井max = 200-60 =140 mm（四）适用的最小井径D井min地锚适用的最小井径为：D 井 min=D+2030mm式中D为地锚本体外径。 一般地说，地锚本体最大直径就是锚爪短节的外径.第三章地锚的运动机构设计地锚结构设计中，每组三个锚爪成周向均布，当然也可以选用两锚爪或四锚爪周向均布 形式。但是，对于井眼而言，选用三个锚爪更加合理。这是因为三锚爪与井壁接触能自动定 出地锚的中心；而两锚爪与井壁接触时，很难定出地锚中心，如果是椭圆度太大的井眼，两 锚爪式地锚有可能无法实现在地层内锚定；采用四锚爪的地锚时，实际上只有三个锚爪起主 要的固牢作用，另外，由于锚爪尺寸变小，强度相应变低。1、偏置式滑块摇杆平面机构组成D图二、偏执式滑块机构（一）滑块A活塞、外节流管、内节流管、上下连杆接头（二）连杆AB其长度由结构设计确定，AB过长会使地锚的轴向尺寸增大，取AB为120mm（三）摇杆DC摇杆DC只能绕支点C作摆动，相当于锚爪，在摇杆DC中有一个转动副B, DB段代表锚 爪的嵌入地层段，可以稍微长一些。取CD=130mm，DB=60mm（四）偏置量图中CF线为偏置量。随地锚本体变化而变化，取5=35mm（五）弹簧S弹簧的功能
