浅谈井下油管锚定器

浅谈井下油管锚定器浅谈井下油管锚定器 摘 要 在井下措施作业和有杆泵抽油生产过程中 现场主要使用井下油管锚定 器对管柱进行固定 尤其是在有杆泵抽油生产时 井下油管锚定器可以有效控制油管 伸缩 减少冲程损失 以提高泵效 文章介绍了目前井下油管锚定器的应用现状 分 析了一些新型锚的结构特点 指出了未来我们应该关注的井下油管锚定器的研究方向 关键词 井下锚定器 油管伸缩 冲程损失 应用现状 前前 言言 在井下措施作业和有杆抽油生产过程中 由于生产或措施管柱在一些因素 动液 面的不断下降 泵挂越来越深 热洗措施等 的影响下 不可避免的面临管柱伸缩 受力状态恶化等一些问题 目前 现场主要通过井下油管锚定器 以下简称油管锚 来解决上述问题 油管锚是一种生产及措施井井下管柱锚定用井下装置 可以改善管柱受力状态 降低管柱疲劳损坏 控制管柱的伸缩 减少漏失 延长管柱的使用寿命 在有杆泵抽 油生产过程中对管柱进行固定 可以减少冲程损失 提高泵效 在压裂 酸化等工艺 中对管柱进行固定 可以提高井下工具及管柱的承压能力 它也可以作为一种机构 设计在其他井下工具 如封隔器 上 发挥其作用 油管锚在设计上一般应考虑以下几点 1 防止失效造成作业 2 安装使用方便 坐卡尽量不使用辅助设备 3 不应恶化管柱的受力状况 4 解卡释放安全可靠 油管锚的分类油管锚的分类 目前国内外油管锚的结构原理大致相同 基本可分为两大类 一 机械式油管锚 机械式油管锚是靠摩擦块与套管壁之间的摩擦力来实现坐卡的 它又可分为 1 机械式卡瓦油管锚 机械式卡瓦油管锚是最早使用的油管锚定工具 该类锚依靠管柱自身重量坐卡 其优点是可以把部分油管柱重量转移到套管上 减少上部油管的拉力 但因其是依靠 管柱的重量来坐卡的 将造成锚以上至中性点管柱产生螺旋弯曲和偏磨问题 另外 在常规抽油泵工作过程中 下冲程动液面以上油管内的液柱质量将在油管上产生一个 作用力 该力将产生由虎克定律引起的长度变化和螺旋弯曲从而使泵下油管缩短 2 机械式油管张力锚 机械式油管张力锚一般采用旋转上提管柱的方式完成锚的坐卡 采用下放管柱方 式释放 其优点是张力锚至井口悬挂器管柱始终处于张力状态 消除了油管弯曲 但 若液面较深 动液面以上液柱重量大于管柱的预紧力时 管柱仍然会产生一个由虎克 定律引起的管柱伸长 当遇特殊情况无法释放时 一直处于张力状态特别是紧急释放 的大力提拉 对上部油管的强度将是一个很大的考验 另外 张力锚的使用存在现场 操作工序复杂 管柱所承受的预拉力需要精确计算的问题 二 液力式油管锚 液力式油管锚是靠液力作用来实现坐卡的 按其坐卡方式可分为 1 压差式油管锚 压差式油管锚一般是利用油套自身压差实现锚定 在油套压差的作用下 镶嵌在 锚本体上的锚爪伸出 锚定在套管上 其优点是可以在抽油过程中自动实现锚定 另 外 因其启动压差较小 管柱基本上处于自重拉伸状态 具有较好的控制管柱伸缩和 防止杆管偏磨的作用 有的压差式油管锚还带有泄压解除锚定机构 通过油管加压泄 流 打开泄压活塞 油管内的液体泄流到油套环空 当内外液面平衡 油套压差为零 时 锚爪在弹簧力的作用下收回 解除锚定 在现场使用中 压差式油管锚也存在一些问题 如泄压活塞非正常打开 胶圈或 锚爪本体破碎引起锚爪部位的泄漏 为满足使用要求 液压油管锚还要有较大的内通 径 这将加大锚爪的加工难度和降低其抗疲劳强度 2 憋压式油管锚 憋压式油管锚是利用油管憋压来实现坐卡的 又可以分为 1 液压双向卡瓦油管锚 主要由坐卡机构和双向卡瓦锚定机构等部分组成 从 结构上看 它较好地解决了压差式油管锚存在漏点多的问题 同时又具有可双向锚定 油管的优点 有效地控制了管柱的伸缩 并且管柱受力合理 但其解卡释放问题是用 户所担心的 2 液压单向卡瓦油管锚 主要由坐封机构和单向卡瓦锚定机构等组成 在泵抽 油过程中 同样可以随着油管内液面的逐步升高加强锚定 相对于双向卡瓦油管锚 单向卡瓦油管锚虽然在结构设计上采用了单向锚定方式 但通过受力分析可知它同样 可以控制油管伸缩 目前 使用的单向卡瓦油管锚有 2 种 一种是用剪切销钉来控制 锚的坐封 另一种带有坐封弹簧 坐封时首先压缩弹簧 然后将卡瓦撑开锚定在套管 上 对于机械式油管锚 由于井斜 油稠 套管变形 套管壁腐蚀等原因 致使坐锚 成功率低 再加上本身结构方面的原因 该类锚使用越来越少 压差式液力油管锚在 一定程度上克服了机械式油管锚的不足 较为广泛地应用于有杆泵抽油井中 但对于 一些举升高度小的油井 这种油管锚往往会由于压差过小以至于锚定力达不到要求 甚至锚不住 对有些结垢 腐蚀较为严重的井 锚爪卡在套管上收不回来的现象时有 发生 憋压式液力油管锚能够满足油管锚的基本要求 但其锁紧机构在坐锚压力卸掉 之后锁簧回弹 使锚牙松动 在频繁的交变载荷和震动的作用下失效的情况也时有发 生 油管锚油管锚的一些新的研究成果的一些新的研究成果 下面介绍一下近几年油管锚的一些最新研究成果 1 带泄油器功能的油管锚 一般抽油泵管柱的泄油器是靠抽油杆打开的 当抽油 杆断脱时 就要冒喷作业 既不安全又污染环境 目前各大油田使用的投棒式泄油器 成功率较低 为了简化作业管柱 江苏油田研制出一种将油管锚与泄油器组合的井下 锚定工具 如图 1 所示 该工具在结构上设计有泄油通道 简化了作业管柱 减少了 起泵过程中原油 污水造成的地面污染 又能锚定抽油管柱 防止管柱蠕动 减少冲 程损失 延长检泵周期 2 防顶锚定器 常用的机械压缩式封隔器 如 Y22 Y211 Y111 等 在封隔油 水层和进行分层开采时 会因压缩坐封而造成油管弯曲 发生管杆偏磨 或者因坐封 载荷过低 井底压力较高 导致封隔器卡封失败 防顶锚定器可以将管柱固定在套管 上 防止管柱上移和封隔器解封 同时提高封隔器承受上压的密封性能 常规的防顶 图 1 带泄油器功能的油管锚 图 2 防顶油管锚 油管锚没有专门的锁紧机构 只是依靠锥体和卡瓦间的自锁角来形成锁紧 容易出现 无法锁死或锁死后无法解卡的问题 胜利油田研制了一种防顶油管锚 如图 2 所示 它在结构上从两个方面来提高工具的锚定可靠性和锚定力的持久有效性 一是设计有 步进锁紧机构 坐卡过程中 锁环沿外中心管单向步进齿步进锁紧 防止卸压后回弹 二是设计有碟簧持力蓄能式结构 坐卡时 卡瓦套与活塞压缩碟簧 将油管内的液压 力转换为碟簧的弹性变形势能 通过锥体作用在卡瓦上 泄掉油管压力后 碟簧始终 保持提供的机械压力 使卡瓦锚定牢靠 3 防卡油管锚 常规油管锚用于锚定注水管柱时 活塞的移动在水力锚内壁形成多 个孔腔 在注水过程中势必在孔腔内形成结垢 阻碍锚爪缩回 造成水力锚卡死 胜利 油田研制了一种防卡油管锚 如图 3 所示 当防卡油管锚内部压力高于外部压力时 液 压力进入活塞腔推动下活塞向下移动 压缩弹簧推动锥体 锥开卡瓦 实现锚定 将防卡 油管锚内部压力泄掉后 弹簧会推动下活塞和锥体恢复原位 同时锥体带动卡瓦向径向缩 回 从而解除锚定 如果出现卡瓦缩回困难 即油管内压力泄掉后 卡瓦仍卡在套管内壁上 这 时上提管柱 上接头和控制环都会受到向上的拉力 控制环通过剪钉向上拉缸套 使控制 环和缸套之间产生相对挫动 剪断剪钉 继续上提管柱 中心管带动锥体使卡瓦缩回 油管 锚解卡 4 可反洗井的油管锚 常规的油管锚均不能实现洗井时油层保护的功能 若要增 加这种功能 则需要在管柱中单独加装洗井保护装置 这样既增加了作业时的劳动量 又增加了作业成本 胜利油田设计出一种洗井时能够保护油层的新型油管锚 如图 4 所 示 这种油管锚既可锚定管柱 提高泵效 又能实现洗井时保护油层的功能 该锚属于 憋压式油管锚 设计有步进锁紧机构 可消除因锁簧回弹而造成的卡瓦锚定不牢的状 图 3 防卡油管锚 图 4 可反洗井油管锚 况 从而提高了坐卡的成功率 该锚上部的分流机构具有纵向连通 横向单通的功能 即当压力从油管中传来时 钢球在压力作用下将横向通道关闭 压力通过分流体上的纵 向孔往下传递 从而起到纵向传压的功能 当压力从油套环空传来时 压力将钢球推开 打开分流体的横向通道 此时皮碗与接在该工具下方的固定阀就起到保护油层的功能 结结 论论 1 由于本身结构方面的原因 机械式油管锚坐锚成功率低 使用的越来越少 目 前被较为广泛应