水平井空心地锚的研制与应用

李国锋杨海波徐 鑫冯德杰

（1.长江大学，湖北荆州 434000；2.胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院，山东东营 257017）

水平井空心地锚的研制与应用

李国锋1，2杨海波2徐 鑫2冯德杰2

（1.长江大学，湖北荆州 434000；2.胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院，山东东营 257017）

针对目前国内现有的预应力固井实心地锚主要应用于直井，不能应用于水平井的现状，研制了水平井空心地锚，用以解决稠油热采水平井在注蒸汽开发过程中出现的井口抬升、井口冒油冒汽等问题。该水平井空心地锚在使用时串接在稠油热采水平井完井管串之中，与筛管顶部注水泥工艺配合，进行提拉预应力作业，不影响目前的钻井固井及后期采油作业工序，且不会影响大井斜段的固井质量。介绍了该地锚的结构、工作原理、性能特点以及技术指标，并对该地锚的锚爪进行了应力分析以及室内抗拉试验，达到了设计指标。该水平井地锚研制成功后，已在胜利油田新春采油厂成功应用，应用效果良好。

水平井；固井；预应力；空心地锚；稠油热采

蒸汽吞吐是稠油开采的最有效手段之一［1］，然而在注蒸汽开发过程中，经常出现井口抬升、井口冒油冒汽的现象，影响区块的正常开采［2］。目前国内解决此类问题的根本方法是采用预应力固井技术，即将预应力实心地锚串接于套管底部进行锚固，在固井注水泥前或注水泥后对井内套管串施加一定的预拉力［3］，使套管产生了一定的预伸长，从而减小或抵消注蒸汽时热应力造成的套管伸长，防止套管损坏，保护油井从而延长寿命。

然而现有预应力实心地锚多用于直井［4］，在大斜度井和水平井中很少应用，针对目前现状，研制了水平井空心地锚完井工具。该工具与卡瓦式套管头、固井封隔器、分级箍、盲板等井下工具配合，通过在A点附近提拉预应力的方式，解决稠油热采水平井井口抬升及井口冒油冒汽现象。

1 水平井空心地锚

1.1 结构

水平井空心地锚（图1）主要由中心管、液缸、活塞、推动底座、拉杆、锚爪、固定套和下护帽组成，其中液缸、活塞组成推动机构，钻井液由进液孔进入液缸，推动活塞动作；拉杆、锚爪、固定套共同组成锚定机构；活塞动作推动锚定机构实现锚定功能，其中拉杆与中心管之间的起始角度为15°，便于锚爪打开；锚爪共有6 个，均匀分布在中心管圆周，锚爪打开后还可起到居中套管的作用。该空心地锚在水平井A点附近使用，提拉预应力固井作业后，整个完井管串内通径保持一致，不影响后期作业。

图1 水平井空心地锚结构图

1.2 工作原理

将水平井空心地锚连接在完井管串之中，下入到水平井内的设计位置，通过套管内打压，钻井液由进液孔进入液缸，水平井空心地锚的推动机构启动，当压力达到设定值时，活塞上的剪钉剪断，活塞动作推动拉杆连带锚爪打开，锚爪慢慢吃入地层，直到拉杆顶住锚爪为止，从而达到锚定套管串的作用，保证了准确定位，之后即可提拉套管预应力进行预应力固井。水平井空心地锚的推动系统无自锁机构，若一次提拉不成功，泄压后下放套管，锚爪可自动收回，将地锚下放到原来或者靠下一点的位置，继续升压，可进行多次尝试，直到地锚将管串锚定之后，再提拉套管预应力进行预应力固井。

1.3 技术特点

（1）水平井空心地锚使用时串在完井管串之中，可根据井径情况选择锚定位置，应用灵活，便于推广。

（2）该地锚内通径与完井管串保持一致，在提拉预应力固井作业后，不会影响后期作业。

（3）该地锚6个锚爪均匀分布，胀开后可以有效地居中套管，利于在水平井中推广使用。

1.4 技术指标

Ø177.8 mm水平井空心地锚最大外径215 mm，膨胀后最大外径410 mm，内径159 mm，长度1.9 m，打开压力10 MPa，抬升力大于11.5 kN，锚爪数量6个，锚爪长度130 mm，允许最大拉力大于1 000 kN，材质P110。

Ø139.7 mm水平井空心地锚最大外径184 mm，膨胀后最大外径260 mm，内径121 mm，长度1.9 m，打开压力10 MPa，抬升力大于8.5 kN，锚爪数量6个，锚爪长度130 mm，允许最大拉力大于1 000 kN，材质P110。

2 锚爪应力分析和抗拉试验

水平井空心地锚锚爪的加工材料为合金钢，其屈服强度为620 MPa，张力强度为724 MPa。该空心地锚设计完成后，用solidworks软件对锚爪进行了应力分析，模拟将锚爪底端固定，锚爪顶端施加200 kN的力，分析结果如图2所示，应力最大值在锚爪与拉杆连接的位置，最大值为521 MPa，小于锚爪的屈服强度620 MPa，所以水平井空心地锚的6个锚爪全部张开后，理论上可承受1 200 kN以上的拉力。

图2 锚爪应力分析

锚爪抗拉试验：采用额定负荷2 000 kN、压盘抬升高度大于1.5 m的压力试验机对地锚进行抗拉测试。加工一件特制的耐压套，耐压套最小内径220 mm，中间有台阶。试验时，耐压套放在压力试验机底盘上，把地锚的6个锚爪张开，锚爪向下穿入耐压套之中，锚爪放置在耐压套的台阶上，如图3所示，然后将压力试验机的上压盘压在地锚本体上，采用加压的方法测定锚爪能够承受的最大拉力。

图3 锚爪抗拉试验

实验过程：将地锚和耐压套按上述方法置于压力试验机上，下放压力试验机上压盘对地锚本体进行逐渐加压。施加压力缓慢得当，加压过程中随时关注压力表显示及波动。缓慢加压至1 000 kN后，稳压30 min，观察压力表，压力仍显示1 000 kN，拆下地锚锚爪检测，锚爪未发生形变，试验结束。

实验结果：该水平井空心地锚6个锚爪全部打开后能承受1000 kN的提拉力。

3 现场应用

胜利油田新春采油厂排6-平77井，位于新疆车排子排6北区，储层属于特稠油藏，设计采用注汽热采投产。该井水平段采用筛管裸眼完井，为防止后期注汽井口上窜的问题，利用水平井空心地锚进行提拉预应力，实现套管预应力伸长，减少后期注汽过程中套管串受热伸长导致的井口抬升程度。

该井一开采用Ø346.1 mm钻头钻至井深101 m，下入Ø273.1 mm表层套管，水泥返至地面；二开采用Ø241.3 mm钻头钻至完钻井深723 m完钻，下入Ø177.8 mm套管，其中532~723 m为割缝筛管，水泥封固段为0~532 m。造斜点井深192 m；A点井深605.5 m，垂深465.77 m，A点井斜角为86.95°；最大井斜角91.6°，此处井深663.83 m，垂深466.12 m；水平井空心地锚位置井深556.84 m，垂深458 m，井斜角为74°。

完井管串为：Ø177.8 mm引鞋+Ø177.8 mm套管×1 根+Ø177.8 mm筛管×4 根+Ø177.8 mm热力补偿器+Ø177.8 mm筛管×3 根+盲板+Ø177.8 mm水平井空心地锚+Ø177.8 mm短套管×1根+Ø177.8 mm管外封隔器+Ø177.8 mm套管×1根+Ø177.8 mm管外封隔器+Ø177.8 mm短套管×1根+分级箍+Ø177.8 mm套管串。

施工过程：按上述管串组合配好完井管串，管串下到位后，灌满钻井液，接水泥头，连接固井泵车打压至8 MPa，稳压2 min，张开锚爪，上提套管，悬重由0缓慢上升，直至上升至设计拉力590 kN，刹车，此时井口抬升56 cm，静止5 min，悬重及井口套管未变化，说明套管已经锚定成功，泄压，安装套管头卡瓦，安装完毕后，继续升压至14 MPa，稳压2 min，胀开封隔器，升压至16 MPa，打开分级箍建立循环，完成固井作业。候凝36 h后，下154 mm磨鞋钻掉盲板，通井到底循环起钻。

该井固井质量评价为优良，与邻井固井质量相比，使用水平井空心地锚提拉预应力后，没有影响大斜度井段的固井质量。

4 结论

（1）该水平井空心地锚结构简单，使用方便，能与筛管顶部注水泥工艺配合，使稠油热采水平井也能进行提拉预应力作业，完善了稠油热采井提拉预应力固井工艺。

（2）空心地锚完井工艺中，只要合理安放扶正器，不影响大斜度井段的固井质量。

（3）鉴于目前的空心地锚完井工艺还需要后期钻塞作业，因此研发分体式免钻塞+空心地锚完井工具成为该工艺发展的必然方向。

［1］陈平保，孙荣华，张建国.胜利油田西部稠油热采井预应力固井配套技术［J］.中国石油大学胜利学院学报，2013，27（1）：29-31.

［2］宋洵成，赵洪山，管志川.稠油热采井套管的预应力分析［J］.石油钻采工艺，2006,28（4）：64-67.

［3］张桂林.可复位式预应力固井地锚的研究与应用［J］.石油钻探技术，2000，28（3）：36-38.

［4］李燕青，张强.热采井单元式预应力固井地锚［J］.内蒙古石油化工，2012（4）：53-54.

［5］刘世彬，吴永春，王纯泉，等.预应力固井技术研究与现场应用［J］.钻采工艺，2009，32（5）：21-24.

［6］施连海，刘湘基，杨帆，等.套管双级地锚在稠油热采中的应用［J］.石油机械，2010，38（10）：61-62.

（修改稿收到日期 2014-07-25）

〔编辑 景 暖〕

Development and application of hollow ground anchor for horizontal wells

LI Guofeng1,2,YANG Haibo2,XU Xin2,FENG Dejie2
（1.Yangtze University,Jingzhou434000,China;2.Drilling Technology Research Institute,Shengli Petroleum Engineering Co.,Ltd.,Dongying257017,China）

In view of the fact that the prestressed solid anchor for cementing now available in domestic market is mainly used in vertical wells and can not be used in horizontal wells,a hollow ground anchor has been developed for horizontal well,used to address the problems such as wellhead lift and oil/gas escaping from wellhead,during steam injection in horizontal wells for heavy oil thermal recovery.This hollow ground anchor for horizontal well is connected onto the completion string in horizontal wells for heavy oil thermal recovery,which combines with the technology of cement displacement technology on the top of screen tube to carry out lifting and prestressed operation.This will not affect the drilling and cementing and subsequent oil production sequence,and also will not affect the cementing quality in large deviated sections.This paper presents the structure,working principle,performance characteristics and technical specifications of this ground anchor;and stress analysis and indoor tensile test were conducted to the ground anchor flukes,which were all up to the designed indicators.After the successful development of this ground anchor,it has been successfully used with good effectiveness in Xinchun Oil Production Plant of Shengli Oilfield.

horizontal well;cementing;prestressed;hollow ground anchor;heavy oil thermal recovery

李国锋，杨海波，徐鑫，等.水平井空心地锚的研制与应用［J］.石油钻采工艺，2014，36（5）：117-119.

TE925.3

：B

1000–7393（2014） 05–0117–03

10.13639/j.odpt.2014.05.029

国家科技重大专项“低渗油气田完井关键技术”（编号：2008ZX05022-006）部分研究成果。

李国锋，1982年生。2007年毕业于中国石油大学（华东）机械设计及其自动化专业，长江大学石油与天然气工程专业在职研究生，现从事石油完井工具开发与配套工艺研究工作。电话：13562262324。E-mail：41931517@qq.com。