2. 中石化江汉石油工程有限公司井下测试公司
2. Downhole Testing Company, Sinopec Jianghan Oilfield Service Co., Ltd.
0 引言
水力锚是一种常用的管柱锚定工具[1]，主要作用是锚定管柱或封隔器，可有效地防止管柱或封隔器的位移，防止管柱变形或封隔器失效，提高井下工具及管柱的承压能力，防止因封隔器上下压差大而引起的管柱变曲或窜动[2]。水力锚广泛应用于油水井酸化压裂和高压分注等作业。在西部油田深层碳酸盐岩储层的开发过程中，部分井未钻遇缝洞或未有效沟通储层，需采取酸压完井施工才能获得工业油气流。酸压施工初期，施工压力高，沟通缝洞体后，施工压力快速下降，发生压力反转现象。常规水力锚存在以下问题：①密封件多，耐温耐压性能低，容易发生泄漏。②压力发生反转后，锚爪收缩，水力锚失去锚定力。③单锚爪受力面积小，锚定效果差，锚爪材质硬度高，对套管损伤大。④长期工作后，水力锚锚爪腔存在易进砂、结垢及弹簧失效等问题，造成管柱解封困难或不能解封[3-6]。为了解决这些问题，学者们研究开发了斜置锚爪式水力锚、非金属水力锚、新型压裂用防砂水力锚和软锚爪水力锚等新型水力锚。这些水力锚可在一定程度上解决常规水力锚存在的问题，但无法满足深层碳酸盐岩储层的酸压施工作业需求。鉴于此，笔者研制了新型卡瓦式高温高压水力锚。该水力锚采用支撑密封结构增强密封能力，采用桶状卡瓦减小对套管的损伤，采用机械锁紧机构解决压力反转锚定失效的问题，采用C形弹力环机构解决重复酸压的问题，满足深层碳酸盐岩储层的酸压施工要求。
1 技术分析新型卡瓦式高温高压水力锚主要由水力锚本体、坐封结构、锚定结构、机械锁紧机构和多次锁定结构等组成，其具体结构如图 1所示。
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| 图 1 新型水力锚结构简图 Fig.1 Structural schematic of a new type of hydraulic anchor 1—上接头；2—上心轴；3—上压帽；4—C形弹力环；5—弹簧套；6—上弹簧；7—上锥体；8—下心轴；9—活塞衬套；10—桶状卡瓦；11—下锥体；12—锁块；13—锁环；14—支撑块；15—活塞外筒；16—剪销；17—下弹簧；18—下压帽；19—挡环。 |
1.1 工作原理
桶状卡瓦在下入过程中处于收缩状态，在剪销和锁块的作用下，上心轴、下心轴、卡瓦衬套、桶状卡瓦、上锥体及下锥体等处于固定状态。封隔器坐封过程中，从油管加压，当油套压差产生的活塞力大于剪销剪切力后，剪销被剪断，高压液体推动下锥体上行，释放锁块，撑开桶状卡瓦，使水力锚锚定在套管内壁上。随着油套压差增大，卡瓦的锚定力也随之增大。
在酸化压裂或生产过程中，在温度效应作用下管柱会收缩，当管柱收缩拉力大于C形弹力环的锁紧力时，上心轴和下心轴上行，向外推动支撑块，使锁环张开，锁环锁齿与下锥体内侧锁齿啮合，保持锁定状态，确保水力锚继续处在锚定状态上。此时如果出现压力反转情况，油管内压力降低，水力锚仍然处于锚定状态。
在油井生产期间，井筒内温度恢复，管柱伸长，心轴下行，C形弹力环收缩重新处于锁紧状态，支撑块回位，机械锁紧机构解除锁定，下锥体在弹簧力作用下下行，桶状卡瓦收缩，水力锚解除锚定状态。油压再次升高，上心轴和下心轴在C形弹力环锁紧力作用下不能上行，水力锚桶状卡瓦可再次有效地锚定在套管内壁上面。
1.2 技术参数水力锚外径143.5 mm，内径60.0 mm，长度1 730 mm，工作压差70 MPa，温度204 ℃，启动压力5 MPa(可调)，锚定力≥490 kN。
1.3 技术特点(1) 采用支撑密封结构(O形密封圈+支撑环)，密封件较少，保证了密封的可靠性。
(2) 采用桶状卡瓦锚定结构，使卡瓦的受力状态沿360°均匀分布在被接触的套管内壁上, 卡瓦应力分布均匀，受力面积大，锚定力强，对套管损伤小[7]。
(3) 采用机械锁紧机构，可以保证在管柱收缩及压力反转的情况下，水力锚不会失效。
(4) 采用C形弹力环结构，可以实现多次张开与锁紧动作，确保水力锚进行多次有效锚定。
2 C形弹力环多次锁紧力试验C形弹力环是一种开口圆环(弹性挡圈、卡环和开口加强环等)，常见于汽车变速器和离合器等关键部件，主要用于零件的轴向定位。同时开口圆环还具有滑动止推作用，即利用其过盈配合在连接面上产生的摩擦力来限制零件的滑动[8]。
在新型卡瓦式高温高压水力锚中，通过一定的结构设计使C形弹力环径向弹力转化为轴向的锁紧力。C形弹力环重复张开(释放)-收缩(锁紧)动作就可以确保水力锚在井底进行多次有效坐封，是新型卡瓦式高温高压水力锚多次锁定结构的核心零部件，可有效提高水力锚的适用性。
锁紧力试验在拉力延时机上进行，试验工装如图 2所示。
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| 图 2 C形弹力环试验工装结构图 Fig.2 Schematic of the C-shaped elastic ring test 1—心轴；2—压帽；3—C形弹力环；4—下接头。 |
每组试验均包括1次拉伸(弹力环张开)-推回(弹力环收缩)动作，试验结果如表 1所示。
从表 1可以看出，除第一次拉力为107.8 kN外，其余6次拉力均在80 kN左右，表明C形弹力环在多次张开-收缩动作后仍有80 kN的锁紧力。试验结束后每次回推力≤9.8 kN可以确保水力锚机械锁紧机构不会在较低的坐封力下就开始启动，导致水力锚锚定力过低。
| 序号 | 拉力/kN | 推力/kN |
| 1 | 107.8 | ≤9.8 |
| 2 | 84.3 | ≤9.8 |
| 3 | 80.4 | ≤9.8 |
| 4 | 78.4 | ≤9.8 |
| 5 | 78.4 | ≤9.8 |
| 6 | 78.4 | ≤9.8 |
| 7 | 78.4 | ≤9.8 |
| 注：C形弹力环的锁紧力即为试验过程中最大拉力。 | ||
3 新型卡瓦式高温高压水力锚性能试验
为检测新型卡瓦式高温高压水力锚的各项性能指标，对其进行了功能测试、内压测试以及锚定力测试等试验。
3.1 功能测试试验在工具上安装6支剪切销钉，其中4支设计启动压力12 MPa，2支设计启动压力6 MPa。将工具装入试验工装(见图 3)中，向水力锚心轴内加水压，记录水力锚启动压力、卡瓦启动及回缩情况。试验结果表明，新型卡瓦式高温高压水力锚桶状卡瓦在销钉剪切后能正常启动，水力锚能正常解封。表 2为新型卡瓦式高温高压水力锚功能测试试验结果。
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| 图 3 新型卡瓦式高温高压水力锚性能测试工装结构图 Fig.3 Schematic of the new HTHP hydraulic anchor performance test device 1—试验工装上接头；2—试验套管；3—密封丝堵；4—试验工装下接头。 |
| 序号 | 1 | 2 | 3 |
| 设计启动压力/MPa | 12.0 | 6.0 | 6.0 |
| 实际启动压力/MPa | 12.5 | 5.9 | 5.1 |
| 卡瓦锚定情况 | 正常 | 正常 | 正常 |
| 解封情况 | 正常 | 正常 | 正常 |
3.2 内压测试试验
从工具上端试压接头内部加水压，逐级增压至70 MPa，保压5 min，压力不降，水力锚本体无渗漏。试验压力曲线如图 4所示。
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| 图 4 试验压力曲线图 Fig.4 Pressure curve of internal pressure test |
3.3 锚定力测试试验 3.3.1 试验步骤
(1) 组装好工具后装入套管，按要求连接好试验工装。
(2) 先加推力78.4 kN，再加水压20 MPa，确保卡瓦完全张开锚定在套管内壁上面。
(3) 保持水压20 MPa，缓慢降低推力，上心轴逐渐发生位移(模拟温度降低后管柱收缩上提)，直至完全伸出。
(4) 逐渐泄水压至0 MPa，用拉力试验机施加拉力，观察水力锚的移动情况，记录不同阶段的拉力值。
(5) 试验结束，使心轴复位，水力锚顺利接触锚定，检查本体是否发生变形。
3.3.2 试验结果试验结果表明：在坐封压差为20 MPa的条件下，新型卡瓦式高温高压水力锚锚定力可以达到490 kN，在油压降至0后，机械锁紧机构工作有效，使锚定力保持在490 kN以上，确保水力锚没有失去锚定力；水力锚解封正常，本体及各零部件没有发生变形。
4 结论(1) 新型卡瓦式高温高压水力锚采用支撑密封、桶状卡瓦以及机械锁紧机构，具有密封效果好，锚定力大，对套管损伤小，以及在压力反转的情况下可重复锚定等特点。
(2) C形弹力环结构设计合理，可进行多次有效的锁紧-释放动作，确保新型卡瓦式高温高压水力锚能够进行多次有效的重复锚定。
(3) 新型卡瓦式高温高压水力锚可应用于深层碳酸盐岩储层酸压完井作业，可提高完井作业成功率。
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