压力波动对水力锚性能的影响和其结构优化设计分析

孙涛

延长油田股份有限公司志丹采油厂 陕西 志丹 717500

摘要：由于低产低渗是延长油田石油的一个特点，这就需要后期生产中通过用水力压裂的方法来达到增产的要求。但是在增加压裂次数和频率的同时，还会持续更新压裂工艺，这就要求所用的压裂工具的性能，尤其是井下工具的性能也要相应提升。随着油井刺激的广泛使用，在水力压裂过程和酸化过程中，液压锚充当锚定管柱的作用，这一作用提升了井下工具和管柱的承载能力。水力锚，主要工作部件为锚爪，通过锚爪与套管的咬合来起锚定作用，固定井下工具中一些重要的部件。所以，相关研究部门会注重研究水力锚对保证水力压裂合理高效的使用。本论文正是针对这一问题进行了研究，给了我们很好的指导性建议。

关键词：压力波动 水力锚 结构 优化设计

在低渗透油田生产中，通常使用的增产技术就是水力压裂。水力压裂是利用高压对压裂液进行压力传递的。在生产施工过程中，地面压裂车使用大排量泵产生高压，使具有一定黏度的压裂流体在非常短的时间内压入含油层以高的速度。当压裂流体以高速压入含油层时，超出了含油层的吸收能力，就会持续增加油层的压力。油层的压力能够使地层产生压裂时，形成将有裂纹，使得在地层中形成一个新的流道，并且作为压裂流体被连续地注入，裂纹连续地扩张和膨胀。当压裂流体的速度和沿裂缝渗透表面的滤过率是等价的，油层将不被重新定向。扩展在海洋深处。为了避免被压开闭用的压降裂纹，支撑剂的适当量被添加到裂化流体来填充裂缝，以支持所形成的裂纹。压裂流体的最终凝胶化降解成低黏度的流体流动到井的底部。以这种方式，形成的渗滤的信道会有非常高的容量，这样油气的流出减少了阻力，从而实现了油田的增产增注。但是压裂管柱进行压裂作业时，会有复杂的应力和应变形成，这是管内外压力、轴向力、弯矩、扭矩、温度等因素影响的。如果压力波动出现异常，会有砂堵、砂卡管柱，还会有管柱活动不开的情况，这些都会使油田经济造成很大损失。1 压力波动对水力锚性能的影响的研究

有一种基于弹性可压缩流体理论的瞬时压力波计算方法曾被提出，研究人员属于美国 AMOCO 公司。由于考虑条件与井内的实际情况，对他们是普遍的和准确的。今天所用到的幂律流体井内瞬态波动压力的数值解，是由于Lubinski 的瞬态井内波动压力数学模型存在一些不足，Lar 等进行了许多校正后得到的。周开吉等人验证了瞬态分析公式的准确性，在理论计算和实验及现场实践也做了大量工作。崔江花在分析分层注水管柱时，发现活塞应力会受到各级封隔器失效的影响，但所用的方法为静态分析，这样就没有考虑压力波动还会对管柱受力造成影响。李碧曦等人分析了柱的动力学模型和特征，也对柱的振动模式、机理以及危害进行了研究，总结了最近几年在油气井管柱振动特性方面的成果。李碧曦等人还提出应管柱瞬态动力学方面要有所考虑、对管柱振动动力学模型进行校正，希望开展管柱的相应实研究。杜现飞等人研究了在多种载荷联合的作用下，深井压裂管柱发生的变形情况，分析了封隔器的坐封力，总结出在不同载荷作用下压裂管柱的极限受力状态。刘延鑫等人对封隔器密封后的作用力进行研究，总结出胶筒与套管产生的摩擦力阻碍了管柱产生位移，摩擦系数可以通过实验来获得，套管胶筒的摩擦力可采用计算方式得出，但这些都是理论上的，无法确定水力锚锚定对管柱产生位移的准确情况。水力压裂，要在各个单位的协同配合下完成，这是非常系统的工作，要合理高效的使用每个压裂工具，如果出现使用不正常的情况，就会造成故障。在井下工作，排除故障需要消耗非常大的时间和人力物力的，这样经济浪费很大，报废油井也是可能的。压裂施工过程中，封隔器对压裂施工的进展和成功与否有极其重要的影响，而封隔器是否可以正常使用就需要依靠水力锚，这个过程用水力锚来固定住管柱。虽然水力锚的生产质量良好，但是还是会有一些问题发生。有时采油厂会使用无卡瓦式液压封隔管柱来进行油井压裂或注水施工，这种封隔器因为需要在套管内壁上直接进行锚定，所以在压裂液或水进行高压注入时对管柱很容易形成破坏力。为了避免这种伤害，制造商会采取一些措施保护管柱，常用的方法是在封隔器的上部安装扶正以及液压锚。在施工期间，液压锚固定在管柱上。在锚固之后，液压锚的锚紧密地接触套管。导致，液压锚固件套管周围相应的应力会增加。这就使接触压力和变形在壳体上的分布不会均匀，造成壳体出现接触应力和变形的问题。陈广超、王掌洪等人设计了相应锚定工具对油井采柱进行锚定。这种工具可以实现管柱锚定和泄油，但是在压裂等工艺中并不能使用。祝庆远等设计的另一种工具可对注水井中的管柱进行锚定，可以使工具内部结垢的情况少受到影响，这种设计的水力卡瓦带有锥体，在压裂工艺中同样不能使用。陈振杰等设计的水力锚可用于压裂工艺，它对液压锚的砂锚的结构进行了优化：一锥形结构在锚定孔的底部采用，并锚固件本体和所述内衬之间的间隙中填充相应的油质，这大大提高了锚爪复位能力。然而，在大斜度井，水平井和深井压裂的情况下，在孔中的压力温度变化太大，并且该工具是更复杂的。改动不能从根本上解决由于砂注入液压锚定穴的难度问题。2 水力锚的结构设计及优化

水力锚性能质量对压裂工作的影响至关重要，正 229

科学管理因为这个原因，相关研究部门会注重研究水力锚对保证水力压裂合理高效的使用。目前，我国的压裂技术和压裂新材料已接近国际先进水平，例如：东莞兆新石油机械厂采用了锚爪限位的设计来生产的水力锚，不仅起到扶正器的作用，还可以锚定管柱，很大程度上提高了封隔器的密封性，这种设计在结构上非常合理，而且工具的动作灵活，锚定作用也十分牢靠，还具有解锚可靠的特点。进行井下作业时，水力锚常用在油水井的压裂、酸化、高压分注等工艺中，这是一种十分有效的工具。管柱通过水力锚进行固定，管柱被锚定后可以使井下工具与管柱的承压能力得到提升。但在材料和结构上，常规的水力锚在生产实践中还是存在一定的局限性，主要的问题有：（1） 锚爪材料不适合，因为材料硬度过大，套管在锚定过程中受到损伤，在老油井中这个问题尤为突出，套管使用时间过长，生产过程中出现套损或套漏的情况。（2）水力锚通过维修后，会采取加压注水的方式进行测试：用工具将水力锚的一端进行密封，用高压水在另一端进行高压注水，在水力锚的锚爪处观察，是否存在有水渗出的现象。测试发现，抹黄油的锚爪处无漏水现象，不加黄油的锚爪处有水漏出。这一现象说明锚爪与腔体之间存在间隙。（3）由于压裂砂进入腔体后造成锚爪无法收回或者弹簧弹力不足，生产中水力锚会出现砂卡，这种情况下如果施工人员使用蛮力将压裂工具拔出，会对水力锚的锚爪造成磨损，同时套管也有损害。针对上述问题为，研究人员设计了一种新型水力锚：（1）强制解锚结构：水力锚锚爪头采用的橡胶材料为耐油、耐酸碱的硫化橡胶。在生产停止后，有时会出现锚爪无法复位的情况，如果是锚爪砂卡或锚爪孔结垢的原因造成的，水力锚无法取出时，施工人员可以用力将水力锚拔出，不必担心会对水力锚的锚爪造成磨损。因为这种设计使橡胶锚爪头受到的拉力超过锚爪橡胶的最大摩擦力时，就会从锚爪滑脱，这样就实现了解卡，减少了水力锚卡井的情况，也使井下事故发生的可能性降低。（2）防砂结构：在锚爪孔处常常会有砂子进入，这是传统的水力锚锚爪不能正常回收的主要原因。这2019年第10期种新型防砂卡水力锚考虑这个原因，设计了密封圈槽，在锚爪上安装相应的密封圈，这样既可以防止支撑剂进入锚爪孔，还可以减少锚爪和锚体结锈的情况。在锚爪外面用砂网包裹，这就组成了一个封闭的锚爪组件，通过滤砂网进出锚爪孔的液体，对进入锚爪内腔的液体进行有效过滤，这也可以保证工具的安全性，由锚体和小接头协同传递管柱的拉、压力和扭矩，还可以使防砂机构不承受极限力。实践证明，砂滤网对液体有良好的渗透性，这就保证了技术性能和工具的实际性能，而且还有效地防止了地层砂，压裂支撑剂和进入锚定孔和锚爪其它杂质。该组件沙子固定精度非常高，能有效过滤细砂。（3）双复位弹簧组件：使用水力锚为单根弹簧，这种弹簧将造成锚爪不能顺利复位。因此，要解决弹簧弹力不足的问题就要加大锚爪孔或使用组装弹力更大的弹簧，所以，新型防砂卡水力锚采用双复位弹簧这样的设计，这就可以在锚爪孔径不加大的前提下，使弹力增大，该锚爪无法恢复由于弹簧力不足的情况下被有效地降低。此外，与传统的单个弹簧相比，钢丝的直径变小，这对于制造是有利的。3 结束语

本文主要通过压力波动对水力锚性能的影响和其结构优化设计进行分析讨论，但是水力压裂在油田生产中得到愈来愈多的推广和使用，要求对水力锚的机构强度及力学性能的研究也变得越来越严格，因此，还有进一步的工作需要开展：第一，量化对影响水力锚使用的具体因素；第二，进一步的规范和合理新型水力锚的定义；第三，使用者在水力锚的使用过程中，重点关注水力压裂系统的效率，因此要加大对含水力锚在内的水力压裂系统的研究，在符合实践的情况下，应将水力锚转化为实物进行设计，同时开展各项实验，这样为以后地井下作业工作带来巨大的帮助。参考文献

[1] 李琪，李旭阳，王再兴，等 . 压裂管柱轴向变形的理论计算及应用[J]. 石油钻采工艺，2016，38（4）：467-472，486.

[2] 丁宇奇，兰乘宇，刘巨保，等 . 分层压裂管柱冲蚀特性数值模拟与实验分析[J]. 石油钻采工艺，2017，39（2）：231-236.

[3] 王鹏，王思淇，张倩 . 连续管水力喷射压裂管柱力学分析及现场应用[J]. 石油机械，2016，44（9）：98-103.

（上接第268页）

力打造一个健康绿色的管道管理氛围。在其中的作用不容忽视，其既要提供法规，规范各个主体责任和义务，又要整合资源，确保各方愿意参与其中，同时还能够充分地利用社会自治手段来确保社会群众对管道安全的关注和监控，降低、国家油气管道公司的管理压力。[2]葛宏林. 基于长输油气管道安全运行管理分析[J]. 化工管理，2018（6）：41-41.

[3]朱宁，罗曼. 浅谈长输油气管道工程建设中的安全管理[J]. 化工管理，2015（33）：31-31.

[4]安英海. 探讨长输油气管道安全运行管理措施[J]. 化工管理，2017（25）：90-90.

吕奎，孔益平，周宇，等. 天然气管道风险分析及应急管理[J]. 安全与环境工程，2012，19（2）：117-121.

[6]王维斌. 长输油气管道大数据管理架构及应用[J]. 油气储运，2015，34（3）：229-232.

参考文献 

[1]陈情来，李成. 长输油气管道运营的安全管理[J]. 安

全，2016，37（7）：53-54.

230