可复位式预应力固井地锚的设计与应用

摘要

本文介绍了“可复位式预应力固井地锚”及其在固井中的应用。可复位式预应力固井地锚，是一种用于热采井预应力固井的套管下部工具，是针对稠油热采开发需要和原来预应力固井技术存在的不足进行研究的。在稠油层的开发中，普遍采用注蒸汽吞吐技术。由于高温作用，井中套管将产生膨胀伸长，从而产生巨大的压应力引起套管变形、错断、井口上移甚至造成油井的报废。预应力固井技术，是在固井水泥凝固前对井内套管串施加一定的预拉力(在套管内产生预应力)，减小或抵消套管受热时的伸长，防止油井的损坏。要施加预应力，必须将套管底部固定，地锚就是用于套管底部固定的工具。 实践证明，预应力固井能够满足稠油注蒸汽热采的要求。该地锚利用钻井液流动压差推力和对套管柱的上提进行工作，解决了预应力固井套管“能进能退”、保证预应力成功率的问题。在地锚的下井过程中锚爪收紧于地锚主体，套管下至预定深度开泵时锚爪张开、锚爪尖支撑于井壁，此时上提套管锚爪便可“吃入”井壁而实现锚固。若锚固不成功，通过停泵、下放管柱使锚爪收拢，可起出套管更换地锚工具。与其它预应力固井工具及技术相比，该地锚工具及其固井工艺技术是一次创新，具有七个方面的显著特点。经过室内试验、现场试验及应用，达到了预应力固井的要求，为井下锚固类工具的进一步研究开发提供了理论和实践的依据。 目前，已在胜利、河南等油田推广应用100余套，产生了显著的技术、经济和社会效益。“KFYDM-1100B型预应力固井地锚”获得胜利油阳科技进步三等奖，以该地锚申请的专利——“预应力固井卡壁器”，获得实用新型专利。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章前言

1.1研究背景

1.2目的意义

1.3国内外研究现状

1.3.1国内研究应用现状

1.3.2国外研究应用现状

1.4存在问题与攻关方向

第2章地锚原理与总体设计

2.1主要内容

2.2设计思路及原则

2.2.1根据热采井预应力固井需要，确定地锚参数

2.2.2根据固井工艺要求，确定地锚装置工作原理

2.2.3地锚装置的理论设计(受力分析)，确定总体尺寸

2.2.4结构设计与强度校核，确定地锚各部件尺寸

2.2.5水力模型建立与计算，确定循环流道

2.2.6绘制图纸，进行加工并进行测试与试验

2.2.7改进完善，形成系列化产品

2.2.8形成新型地锚预应力固井工艺技术

2.3需解决的技术关键

2.4地锚原理与结构设计

2.4.1设计依据

2.4.2工作原理

2.4.3地锚结构

2.4.4技术特点及主要技术指标的确定

第3章地锚设计计算

3.1地锚爪设计

3.1.1一般状态强度计算

3.1.2地锚爪极限张开状态强度计算

3.1.3爪尖角α的计算

3.1.4计算上提拉力

3.1.5讨论分力F2"的影响及地锚爪强度的最终校核

3.1.6地锚爪座处形状

3.1.7切应力校核

3.2地锚爪销子设计

3.2.1销子尺寸设计

3.2.2抗挤强度校核

3.3连杆设计

3.3.1确定连杆长度h

3.3.2夹角γ的计算

3.3.3求偏心距e

3.3.4连杆强度校核

3.3.5稳定性校核

3.4活塞下行距离与地锚最大张开外径

3.4.1极限张开时下行距离h1及地锚外径Φmax

3.4.2张开至外径为250mm时下行距离h2

3.5活塞压力及水力计算

3.5.1连杆座受到的上顶力R’及所需泵压

3.5.2水力计算

3.5.3连杆销子强度校核

3.6复位弹簧设计

3.6.1确定弹簧参数

3.6.2确定钢丝直径

3.6.3确定弹簧圈数

3.6.4弹簧其它尺寸

3.6.5弹簧工作图

3.7地锚设计结果

3.7.1地锚主要指标

3.7.2装置装配图

第4章计算实例及现场使用情况

4.1预应力固井计算的基本内容

4.1.1注蒸汽时套管产生的温度应力σT

4.1.2计算对套管施加的预应力△σ和预拉力P

4.1.3套管在井内的自重

4.1.4计算井口拉力PN

4.1.5校核井口套管抗拉安全系数n

4.1.6校核地锚强度

4.1.7计算预拉力下的套管伸长量△L

4.2预应力固井计算实例

4.3试验和使用情况

4.3.1地面强度测试

4.3.2地锚爪推力试验

4.3.3地锚锚固试验

4.3.4预应力井固井试验及应用

4.4现场使用中应注意的问题

4.4.1地面检查

4.4.2下井注意事项

4.4.3正常锚固操作

第5章结论与认识

参考文献

致谢

个人简历