CN111927364A - 一种预应力地锚及其用于水平井筛管分段完井的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及石油钻井、固井、完井技术领域,具体涉及一种预应力地锚及其用于水平井筛管分段完井的方法,一种预应力地锚,包括中心管和依次套设于中心管外部的壳体、活塞、连接环、锚体和第一限位环,壳体、连接环和锚体与中心管形成环形空腔,活塞滑动设于环形空腔内;连接环一端与壳体固定连接,另一端与锚体径向滑动连接;锚体由若干个锚体单元构成,若干个锚体单元圆周排列并通过具有弹性的拧紧环结合成一个空心环,当活塞向下移动时,锚体径向扩张。本发明提供的预应力地锚和使用该预应力地锚进行水平井筛管分段完井的方法,适用范围广,锚定效果好,保证了完井提拉预应力时套管预应力的充分释放。

Description

一种预应力地锚及其用于水平井筛管分段完井的方法
技术领域
本发明涉及石油钻井、固井、完井技术领域,具体涉及一种预应力地锚及其用于水平井筛管分段完井的方法。
背景技术
稠油(重质原油)是指在原始油藏温度下脱气原油粘度为100~10000mPas或者在15.6℃及大气压条件下密度为0.9340~1.0000g/cm3,由于稠油粘度高,因此通常采用注入300℃以上的高温蒸汽的方法进行热采,从而提高稠油井的产量。由于高温蒸汽的影响,井内套管会伸长变形,套管上窜冒出井口,使套管和井壁之间的水泥环受到破坏,严重影响油井的生产寿命。为了解决上述问题,国内外稠油热采普遍采用预应力固井,预应力固井就是给套管施加一定强度的拉应力,使套管在此状态下被水泥凝结,当温度升高时,就可抵消一部分套管受热产生的压应力,从而提高套管的耐温极限,减缓或避免注蒸汽造成的套管破坏。
进行预应力固井时,通常使用地锚事先将管串组件固定于井眼中,这种地锚一般为实心地锚,安装在管串组件的最下部,固井后通过碰压使锚爪张开,锚定地层,实现提拉的目的。这种结构的地锚在套管固井完井工艺中应用较多。但是目前筛管完井工艺已经成为水平井完井的主要工艺,筛管完井工艺是在水平井钻井技术日趋完善的基础上开发出的新工艺,适用于产层渗透性较好、不需要采用大型水力压裂进行增产措施的水平井,岩石胶结疏松、但地层较均质的水平井敏感油气层,以及不宜用套管射孔完井、又要防止地层坍塌的水平井筛管完井技术。这种完井方法可以使油气进入到套管内有较多的通道,而产层又不受水泥污染。一般在低压低渗透、不产水的单一裂缝性产层,或较为破碎的灰岩中使用。筛管完井工艺尤其适用于需要进行稠油热采的疏松砂岩油藏,因此筛管完井工艺同样面临着稠油热采时套管管段变形的问题,而前述结构的地锚并不适合筛管完井工艺。因此,迫切需要一种适合稠油热采水平井筛管完井工艺的预应力地锚以及预应力固井方法。
授权公告号为 CN103899264B的发明专利公开了一种油气井筛管顶部固井完井提拉预应力地锚装置的应用方法,该方法中的预应力地锚装置包括在中心管外部套装液缸外套、活塞、推动底座、拉杆、锚爪和固定套;在中心管开设数个径向进液孔。装置的应用方法为:向油气井内下入包括固井循环开关、管外封隔器、油气井筛管顶部固井完井提拉预应力地锚装置、盲板、筛管、引鞋组成的完井管串;井口打压,打开油气井筛管顶部固井完井提拉预应力地锚装置的锚爪;上提管串,提拉到设定吨位;继续加压,胀封管外封隔器;继续加压,打开固井循环开关,循环固井;侯凝结束后,下钻头钻穿盲板,通井到底,完成作业。上述技术方案可以用在水平井筛管完井工艺中,克服目前筛管完井工艺无法提拉预应力固井的难题。但是仍存在以下技术问题:
一、筛管完井工艺多用于需要进行稠油热采的疏松砂岩油藏,而上述预应力地锚装置的猫爪在疏松砂岩上锚定效果不理想,上述方法中使用的预应力地锚是通过锚爪张开刺入井壁内进行锚定,但是由于疏松砂岩物理力学性质差,结构松散,力学强度低等地质特点,使得起锚定作用的锚爪极易发生滑移,导致锚定失败,严重时可能会导致锚定层碎裂,因此其提拉消除预应力的效果不理想,工艺不够安全稳定;
二、预应力地锚装置设置在水平筛管段和竖直套管段相连接的弯接处,不利于使用时锚爪的锚定。
发明内容
为了解决在疏松砂岩地质条件下安全、有效的进行锚定,本发明提供了一种预应力地锚,包括中心管和依次套设于所述中心管外部的壳体、活塞、连接环、锚体和第一限位环,所述壳体、所述连接环和所述锚体与所述中心管形成环形空腔,所述活塞滑动设于所述环形空腔内;所述中心管上方设有与所述环形空腔连通的第一通孔;所述连接环一端与所述壳体固定连接,另一端与所述锚体径向滑动连接;所述锚体由若干个锚体单元构成,若干个所述锚体单元圆周排列并通过具有弹性的拧紧环结合成一个空心环,当所述活塞向下移动时,所述锚体径向扩张。
使用时,向中心管中泵送液体,液体经第一通孔进入壳体内的环形空腔后对活塞施加压力,活塞在液压作用下向下滑动,当活塞与锚体接触后,锚体单元在压力的作用下径向滑动使锚体产生扩张,由于拧紧环具有弹性,因此随着锚体的径向扩张,拧紧环产生弹性形变,使各个锚体单元维持空心环的状态,避免了锚体单元崩裂,从而保证锚定的稳定性。扩张结束后,锚体卡入裸井的井壁内部,完成锚定。为了提高锚定的效果,在裸井的井壁开设与锚体尺寸相适应的扩孔洞,扩孔洞的尺寸的直径大于裸井的直径,从而与裸井的井壁之间形成一个肩部,锚体在扩孔洞内扩张锚定,从而使锚体整体嵌入裸井井壁的内部,大大提高了锚定效果。
本发明中的预应力地锚尤其适用于疏松砂岩地质的油藏,疏松砂岩油藏遍布于世界的各个油区,这类油藏通常为稠油油藏,需要采取高温蒸汽热采的方式进行开采,此时就需要事先对管串进行提拉预应力固井。本发明中提供的预应力地锚中,锚定状态下各个锚体单元与井壁紧密抵靠,接触面积和摩擦力增大,牢固的卡住井壁,避免了单纯用锚爪点式锚定对疏松砂岩的破坏作用,充分提高了在疏松砂岩中的锚定效果。
优选的,所述锚体单元内部设有与所述环形空腔连通的空心滑槽,所述空心滑槽内轴向设有可径向滑动的滑动板,所述滑动板面向所述锚体单元外侧壁一侧设有锚爪,所述锚体单元的外侧壁设有供所述锚爪伸出的第二通孔;初始状态下,所述锚爪收纳于所述空心滑槽内;锚定状态下,所述锚爪伸出所述锚体单元的外侧壁;所述锚体单元的外侧壁上设有拧紧环槽,所述锚体单元的上下两端靠近所述中心管一侧分别设有限位块,所述连接环和所述第一限位环分别设有与所述限位块相应的径向滑槽,所述径向滑槽分别通过其外侧壁封端。
优选的,所述锚体单元包括由上到下一体成型的竖直段和倾斜段,所述竖直段与所述连接环径向厚度相等并滑动连接,所述倾斜段包括梯形截面的上底面和矩形截面的下底面,所述上底面与所述竖直段相接处径向厚度相等,所述下底面与所述第一限位环径向厚度相等并滑动连接,所述下底面在初始状态下与所述中心管抵接,所述竖直段和所述倾斜段的外侧壁两端分别设有所述拧紧环槽。
优选的,所述竖直段内设有所述空心滑槽,所述滑动板包括面向所述中心管倾斜的第一斜面和固定所述锚爪的平面,所述滑动板底部设有三角形的第一凹槽,初始状态下,所述滑动板通过剪钉轴向固定于所述空心滑槽内且所述第一斜面面向所述中心管方向凸出;
所述倾斜段顶部设有第二凹槽,所述第二凹槽内设有伸缩块,所述伸缩块顶部为向所述中心管一侧倾斜的第二斜面,所述伸缩块底部连接弹簧,所述弹簧另一端固定于所述第二凹槽的底部;
所述活塞端部与所述锚体接触一侧设有第一倒角,所述第一倒角的倾斜角度与所述第一斜面的倾斜角度一致。
优选的,所述锚体单元包括径向排列的扩张段和滑动段,
所述扩张段包括轴向设置的活动环和固定环,所述活动环滑动连接于所述中心管外壁且顶部与所述活塞相接触,所述固定环固定连接于所述中心管外壁且底部连接所述第一限位环,所述滑动环和所述固定环分别铰接第一连接杆和第二连接杆,所述第一连接杆和所述第二连接杆与所述滑动段铰接,
所述滑动段内设有所述空心滑槽,所述滑动板面向所述中心管一侧轴向设有滑动轨道,另一侧设有所述锚爪,所述滑动轨道上设有滑块,所述滑块与所述第一连接杆和所述第二连接杆铰接,
所述滑动段的轴向两端分别设有径向凹槽,所述径向凹槽内设有套筒式伸缩器,所述套筒式伸缩器连接所述限位块,所述限位块为L型,所述L型的限位块一端凸出所述滑动段的轴向两端,另一端与所述套筒式伸缩器相连。
优选的,所述套筒式伸缩器包括支架以及滑动套设的外筒体和内筒体,
所述外筒体的筒口内侧设有第二限位环,侧壁径向设有台阶式第三通孔,底部设有连接座,所述连接座上轴向设有第四通孔;
支架固定设于所述第三通孔内,包括带有固定翼的圆柱形本体,所述固定翼架设于所述第三通孔的台阶上,并通过沉头螺钉连接固定,所述本体侧壁上方开设有第五通孔,所述第五通孔与所述第四通孔同心,长螺钉穿过所述第五通孔及所述第四通孔与所述连接环或所述限位环上的径向凹槽连接固定;所述支架的侧壁下方设有滚轮槽,所述滚轮槽内设有与所述内筒体相接触并可沿其轴向滚动的滚轮,所述滚轮通过轴承与固定于所述本体上的滚轴连接固定;
所述内筒体一端设有连接部,通过所述连接部与所述限位块连接固定,另一端的侧壁上设有与所述第二限位环相应的限位凸起,所述限位凸起设于所述滚轮的滚动路径之外。
优选的,所述锚爪的上表面轴向设有多个台阶,下表面轴向设有多个楔形块。
一种包含权利要求上述预应力地锚的水平井筛管分段完井的方法,包括以下步骤:
S100、 钻井,具体包括以下步骤:
S101、按照工艺设计钻出水平裸眼井;
S102、在所述水平裸眼井相应的位置钻出与预应力地锚的扩张尺寸相应的扩孔洞;
S200、将包括悬挂器、套管、变扣接头、固井循环开关、所述预应力地锚、套管外封隔器、盲板、筛管和引鞋的完井管串组件下入水平裸眼井中,所述套管座挂于所述悬挂器上,各个不同直径或不同螺纹的所述套管通过所述变扣接头进行连接,所述套管外封隔器有多个,按照开发需要将产层封隔为多段,相应的产层内对应连接所述筛管,所述筛管的最末端连接所述引鞋,所述盲板将所述筛管与所述套管的连通空间进行阻隔;所述预应力地锚设置于所述扩孔洞的位置,所述固井循环开关设于与所述预应力地锚邻接的管段中;
S300、向井口打压,所述预应力地锚在所述扩孔洞的位置将所述完井管串组件锚定;
S400、上提所述完井管串组件至设定吨位;
S500、继续加压,所述套管外封隔器胀封所述完井管串组件与所述水平裸眼井之间的环形空腔;
S600、打开所述固井循环开关,循环固井;
S700、侯凝结束后,下钻头钻穿所述盲板,通井到底,完成作业。
优选的,所述步骤S300中所述预应力地锚的具体扩张步骤如下:
S301、向井口打压,所述锚爪伸出所述锚体单元外侧;
S302、继续向井口打压,所述锚体径向扩张;
S303、继续加压,所述锚爪插入所述扩孔洞侧壁,所述锚体单元整体抵住所述扩孔洞的侧壁,将所述完井管串组件锚定。
优选的,所述水平裸眼井包括竖直段、弯折段和水平段,所述扩孔洞开设在所述水平段的初始端或所述竖直段的末端。
与现有技术相比,本发明的有益效果如下:
1、锚体由若干锚体单元构成,在锚体扩张时,锚体单元径向扩张,能够与裸井的井壁紧密抵接,增加了锚体与井壁的接触面接,降低了提拉时锚体对井壁的破坏作用,特别适用于管串在疏松砂岩类油藏中的锚定;
2、每个锚体单元上都设有可径向伸出的锚爪,锚爪完全刺入裸井的井壁,提高了锚定效果;
3、在锚体单元上设置了竖直段和倾斜段,锚爪在初始状态下收纳于竖直段的空心滑槽内,并通过剪钉临时固定,避免了在非使用状态下锚爪对工人造成伤害,提高生产安全性,同时也节省了空间占用;
4、 在锚爪上设置台阶和楔形块,台阶可以降低锚爪刺入井壁时的阻力,同时增加刺入后锚爪与井壁的接触面接,提高摩擦力,增加锚定的稳固性。楔形块可以辅助锚爪加强对井壁的锚定效果;
5、采用了带有滚轮的套筒式伸缩器,降低了伸缩过程中套筒之间的相互摩擦力,降低了伸缩阻力,提高了伸缩效率;
6、本发明还提供了一种完井提拉预应力的方法,其中使用了本发明中的预应力地锚,针对预应力地锚的特点,在水平井裸井中开设了扩孔洞,大大提高了完井提拉预应力的效果;
7、预应力地锚在水平井裸井竖直段的末端或水平段的初始端进行锚定,有利于锚爪插入井壁进行锚定,提高了锚定的稳定性;
综上所述,本发明提供的预应力地锚和使用该预应力地锚进行完井提拉预应力的方法,适用范围广,锚定效果好,保证了完井提拉预应力时套管预应力的充分释放。
附图说明
图1为实施例1中预应力地锚初始状态下的结构示意图;
图2为图1中活塞的局部结构示意图;
图3为图1中锚体的局部结构示意图;
图4为图1中预应力地锚锚定状态下的结构示意图;
图5为实施例2中预应力地锚初始状态下的结构示意图;
图6为图5中锚体的局部结构示意图;
图7为图5中预应力地锚锚定状态下的结构示意图;
图8为实施例3中锚体的局部结构示意图;
图9为图6中套筒式伸缩器的结构示意图;
图10为图9中支架的结构示意图;
图11为图10的左视图;
图12为预应力地锚设置于水平位置的完井管串结构示意图;
图13为预应力地锚设置于竖直位置的完井管串结构示意图。
附图标记说明:
001、悬挂器,002、套管,003、变扣接头,004、固井循环开关,005、预应力地锚,006、套管外封隔器,007、盲板,008、筛管,009、引鞋,010、水平裸眼井,011、扩孔洞,
1、中心管,2、壳体,3、活塞,4、连接环,5、锚体,6、第一限位环,7、环形空腔,
11、第一通孔,21、第二倒角,31、第一倒角,61、第三倒角,
51、锚体单元,52、拧紧环,
5101、限位块,5102、竖直段,5103、倾斜段,5104、空心滑槽,5105、滑动板,5106、第一凹槽,5107、锚爪,5108、第二通孔,5109、剪钉,5110、第二凹槽,5111、伸缩块,5112、弹簧,5113、拧紧环槽、5114、上底面,5115、下底面,5116第一斜面,5117、平面,5118、台阶,5119、楔形块,5120、扩张段,5121、滑动段,5122、活动环,5123、固定环,5124、第一连接杆,5125、第二连接杆,5126、滑动轨道,5127、滑块,5128、径向凹槽,5129、套筒式伸缩器,5130、外筒体,5131、内筒体,5132、连接座,5133、第四通孔,5134、第三通孔,5135、支架,5136、长螺钉,5137、连接部、5138、本体,5139、第五通孔,5140、固定翼,5141、沉头螺钉,5142、滚轴,5143、轴承,5144、滚轮、5145、第二限位环。
具体实施方式
下面结合附图及实施例描述本发明具体实施方式:
需要说明的是,本说明书所附图中示意的结构、比例、大小等,均仅用以配合说明书所揭示的内容,以供熟悉此技术的人士了解与阅读,并非用以限定本发明可实施的限定条件,任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整,在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下,均应落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
同时,本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语,亦仅为便于叙述的明了,而非用以限定本发明可实施的范围,其相对关系的改变或调整,在无实质变更技术内容下,当亦视为本发明可实施的范畴。
实施例1:
结合附图1-4,一种预应力地锚,包括中心管1和依次套设于所述中心管1外部的壳体2、活塞3、连接环4、锚体5和第一限位环6,所述壳体2、所述连接环4和所述锚体5与所述中心管1形成环形空腔7,所述活塞3滑动设于所述环形空腔7内;所述中心管1上方设有与所述环形空腔7连通的第一通孔11;所述连接环4一端与所述壳体2固定连接,另一端与所述锚体5径向滑动连接;所述锚体5由若干个锚体单元51构成,若干个所述锚体单元51圆周排列并通过具有弹性的拧紧环52结合成一个空心环,当所述活塞3向下移动时,所述锚体5径向扩张。
所述锚体单元51内部设有与所述环形空腔7连通的空心滑槽5104,所述空心滑槽5104内轴向设有可径向滑动的滑动板5105,所述滑动板5105面向所述锚体单元51外侧壁一侧设有锚爪5107,所述锚体单元51的外侧壁设有供所述锚爪5107伸出的第二通孔5108;初始状态下,所述锚爪5107收纳于所述空心滑槽5104内;锚定状态下,所述锚爪5107伸出所述锚体单元51的外侧壁;所述锚体单元51的外侧壁上设有拧紧环槽5113,拧紧环52嵌套进拧紧环槽5113内,可以有效避免拧紧环52在径向扩张过程中发生轴向滑移甚至滑脱,保证锚体单元51径向扩张时的工艺稳定性。所述锚体单元51的上下两端靠近所述中心管1一侧分别设有限位块5101,所述连接环4和所述第一限位环6分别设有与所述限位块5101相应的径向滑槽,所述径向滑槽分别通过其外侧壁封端。
所述锚体单元51包括由上到下一体成型的竖直段5102和倾斜段5103,所述竖直段5102与所述连接环4径向厚度相等并滑动连接,所述倾斜段5103包括梯形截面的上底面5114和矩形截面的下底面5115,所述上底面5114与所述竖直段5102相接处径向厚度相等,所述下底面5115与所述第一限位环6径向厚度相等并滑动连接,所述下底面5115在初始状态下与所述中心管1抵接,所述竖直段5102和所述倾斜段5103的外侧壁两端分别设有所述拧紧环槽5113。
所述竖直段5102内设有所述空心滑槽5104,所述滑动板5105包括面向所述中心管1倾斜的第一斜面5116和固定所述锚爪5107的平面5117,所述滑动板5105底部设有三角形的第一凹槽5106,初始状态下,所述滑动板5105通过剪钉5109轴向固定于所述空心滑槽5104内且所述第一斜面5116面向所述中心管1方向凸出;剪钉5109为井口装置的常用零件,初始时对所需部件进行临时固定,方便各个部件下入井中,工作时采用适宜的压力将其剪断,使各个部件进入工作状态。在工艺设计时,选取剪切强度适宜的剪钉5109,以保证在打压时,活塞3能够顺利将剪钉5109剪断。
所述倾斜段5103顶部设有第二凹槽5110,所述第二凹槽5110内设有伸缩块5111,所述伸缩块5111顶部为向所述中心管1一侧倾斜的第二斜面,所述伸缩块5111底部连接弹簧5112,所述弹簧5112另一端固定于所述第二凹槽5110的底部。
所述壳体2与所述中心管1、所述连接环4和/或所述第一限位环6螺纹连接。螺纹连接便于各个部件的安装与拆卸检修。
所述活塞3端部与所述锚体5接触一侧设有第一倒角31,所述第一倒角31的倾斜角度与所述第一斜面5116的倾斜角度一致;所述壳体2和所述第一限位环6远离所述锚体5一端外侧分别开设第二倒角21和第三倒角61。活塞3会与锚体5的第一斜面5116直接接触并产生相对滑动,开设与第一斜面5116的倾斜角度一致的第一倒角31,可以避免活塞3对第一斜面5116造成划伤;壳体2和第一限位环6上开设的倒角,便于施工时管串的下入。
本实施例中预应力地锚的工作原理和工作过程如下:向中心管1中泵送液体,液体经第一通孔11进入壳体2内的环形空腔7后对活塞3施加压力,活塞3在液压作用下向下滑动,当活塞3与滑动板5105接触后,滑动板5105受到的力分解为径向力和垂直力,由于锚体5下方设有第一限位环6,因此不发生轴向移动,在径向力的作用下,剪钉5109断裂,滑动板5105在空心滑槽5104内径向滑动,滑动板5105上的限位块5101和相应的连接环4和第一限位环6上的径向滑槽配合,可以引导锚体单元51在指定路径下的径向扩张,有效避免了在扩张时相邻两个锚体单元51之间增加的距离差异过大导致在锚定时锚体5与井壁的抵接的不均匀性,从而进一步提高扩张时的稳定性。与滑动板5105相连接的锚爪5107随着滑动板5105径向滑动,伸出竖直段5102的外侧壁,当滑动板5105滑动至空心滑槽5104的最外侧时,倾斜段5103上方的伸缩块5111嵌入滑动板5105底部的第一凹槽5106,此时,滑动板5105与倾斜段5103连接固定;活塞3继续下滑,与倾斜段5103的倾斜面相接触,倾斜段5103的受力也分解为径向力和垂直力,在径向力的作用下,锚体单元51整体径向扩张,竖直段5102和倾斜段5103分别沿连接环4和第一限位环6径向滑动,由于拧紧环52具有弹性,因此随着锚体单元51的径向扩张,拧紧环52产生弹性形变,使各个锚体单元51维持空心环的状态,避免了锚体单元51崩裂,从而保证锚定的稳定性。扩张结束后,锚体单元51与裸井的井壁紧密卡合,锚爪5107刺入裸井的井壁内部,进行锚定。为了提高锚定的效果,在裸井的井壁开设与锚体5尺寸相适应的扩孔洞,扩孔洞的尺寸的直径大于裸井的直径,从而与裸井的井壁之间形成一个肩部,锚体5扩张后,锚爪5107刺入扩孔洞的侧壁内,锚体单元51与扩孔洞的侧壁紧密贴合,相当于锚体5整体嵌入了裸井内部,大大提高了锚定效果。
实施例2:
本实施例提供了另外一种预应力地锚,对实施例1中的锚体单元51进行了结构调整,使之径向扩张的程度更大,适应性更广。调整的技术方案如下:
结合附图5-7,所述锚体单元51内部设有与所述环形空腔7连通的空心滑槽5104,所述空心滑槽5104内设有可径向滑动的滑动板5105,所述滑动板5105面向所述锚体单元51外侧壁一侧设有锚爪5107,所述锚体单元51的外侧壁设有供所述锚爪5107伸出的第二通孔5108;初始状态下,所述锚爪5107收纳于所述空心滑槽5104内;锚定状态下,所述锚爪5107伸出所述锚体单元51的外侧壁;所述锚体单元51的外侧壁上设有拧紧环槽5113,所述锚体单元51的上下两端靠近所述中心管1一侧分别设有限位块5101,所述连接环4和所述第一限位环6分别设有与所述限位块5101相应的径向滑槽,所述径向滑槽分别通过其外侧壁封端。
所述锚体单元51包括径向排列的扩张段5120和滑动段5121,所述扩张段5120包括轴向设置的活动环5122和固定环5123,所述活动环5122滑动连接于所述中心管1外壁且顶部与所述活塞3相接触,所述固定环5123固定连接于所述中心管1外壁且底部连接所述第一限位环6,所述活动环5122和所述固定环5123分别铰接第一连接杆5124和第二连接杆5125,所述第一连接杆5124和所述第二连接杆5125与所述滑动段5121铰接,
所述滑动段5121内设有所述空心滑槽5104,所述滑动板5105面向所述中心管1一侧轴向设有滑动轨道5126,另一侧设有所述锚爪5107,所述滑动轨道5126上设有滑块5127,所述滑块5127与所述第一连接杆5124和所述第二连接杆5125铰接,
所述滑动段5121的轴向两端分别设有径向凹槽5128,所述径向凹槽5128内设有套筒式伸缩器5129,所述套筒式伸缩器5129连接所述限位块5101,所述限位块5101为L型,所述L型的限位块5101一端凸出所述滑动段5121的轴向两端,另一端与所述套筒式伸缩器5129相连,
本实施例的工作原理和工作过程为:向中心管1中泵送液体,液体经第一通孔11进入壳体2内的环形空腔7后对活塞3施压,活塞3在液压作用下向下滑动推动活动环5122下滑,活动环5122下滑迫使第一连接杆5124和第二连接杆5125径向扩张,滑块5127向下滑移,滑动板5105径向滑动,锚爪5107伸出滑动段5121。在径向扩张过程中,限位块5101沿连接环4和第一限位环6的径向滑槽中径向滑动,直至其被连接环4和第一限位环6的外侧壁挡住,此时继续径向扩张,套筒式伸缩器5129伸长,锚体单元51的内径大于连接环4和第一限位环6的外径,继续扩张,直至锚爪5107刺入井壁且锚体单元51充分卡紧井壁。
实施例3:
本实施例为实施例1的预应力地锚中锚体单元51的改进方案,以进一步提高锚定效果。
结合附图8,所述锚爪5107的上表面轴向设有多个台阶5118,下表面轴向设有多个楔形块5119。台阶5118可以降低锚爪5107刺入井壁时的阻力,同时增加刺入后锚爪5107与井壁的接触面接,提高摩擦力,增加锚定的稳固性。楔形块5119可以辅助锚爪5107加强对井壁的锚定效果。
本实施例中的锚爪5107的结构同样适用于实施例2。
实施例4:
本实施例涉及实施例2中套筒式伸缩器5129,套筒式伸缩器是通过两个或者多个互相套设的套筒之间的相对滑动来达到伸缩的目的,在相对滑动的过程中套筒之间存在相互摩擦,影响伸缩性能,为了降低摩擦阻力,对其进行了如下的结构设计,
结合附图9-11,所述套筒式伸缩器5129包括支架5135以及滑动套设的外筒体5130和内筒体5131,
所述外筒体5130的筒口内侧设有第二限位环5145,侧壁径向设有台阶式第三通孔5134,底部设有连接座5132,所述连接座5132上轴向设有第四通孔5133;
支架5135固定设于所述第三通孔5134内,包括带有固定翼5140的圆柱形本体5138,所述固定翼5140架设于所述第三通孔5134的台阶上,并通过沉头螺钉5141连接固定,所述本体5138侧壁上方开设有第五通孔5139,所述第五通孔5139与所述第四通孔5133同心,长螺钉5136穿过所述第五通孔5139及所述第四通孔5133与所述连接环4或所述第一限位环6上的径向凹槽连接固定;所述支架5135的侧壁下方设有滚轮槽,所述滚轮槽内设有与所述内筒体5131相接触并可沿其轴向滚动的滚轮5144,所述滚轮5144通过轴承5143与固定于所述本体5138上的滚轴5142连接固定;
支架5135可以根据需要设置多个,以起到更好的固定和降低摩擦力的作用,外筒体5130上靠近筒口处的支架5135采用焊接的方式固定在连接环4或第一限位环6的径向凹槽内;
所述内筒体5131一端设有连接部5137,通过所述连接部5137与所述限位块5101连接固定,另一端的侧壁上设有与所述第二限位环5145相应的限位凸起(图中未示出),所述限位凸起设于所述滚轮5144的滚动路径之外。
本实施例中套筒式伸缩器5129的工作原理如下:在锚体5径向扩张过程中,限位块5101被连接环4或第一限位环6的侧壁卡住后,套筒式伸缩器5129开始径向拉伸,内筒体5131从外筒体5130内滑出,固定于外筒体5130上的支架5135底部的滚轮5144,随着内筒体5131的滑出产生相应滚动,有效避免了因内筒体5131和外筒体5130直接接触而产生的滑动摩擦阻力,提高了滑动效率,外筒体5130筒口内侧的第二限位环5145和内筒体5131上的限位凸起相互配合,可以防止内筒体5131从外筒体5130中滑脱。本实施例中的套筒式伸缩器,降低了伸缩过程中套筒之间的相互摩擦力,降低了伸缩阻力,提高了伸缩效率。
实施例5:
本实施例提供了一种水平井筛管分段完井的方法,在完井管串组件中使用了实施例1、实施例2或实施例3中的预应力地锚,采用了筛管完井方式,特别适用于需要进行稠油热采的疏松砂岩油藏。疏松砂岩是一种结构疏松、自稳能力差、涌水、塌方等工程事故频发的岩层。疏松砂岩的力学强度很低,岩性软弱,属于极软岩,其物理力学性质差,接近于松散砂,渗透性弱、易崩解,抗剪强度很低,压缩性低。因此,传统的预应力地锚在锚定时会对疏松砂岩造成破坏,导致锚定效果差,严重时甚至会导致岩层碎裂。本实施例中的水平井多级管外封隔完井方法解决了上述技术问题,具体技术方案如下:
结合附图12-13,一种包含实施例1、实施例2或实施例3所述的预应力地锚的水平井筛管分段完井的方法,包括以下步骤:
S100、 钻井,具体包括以下步骤:
S101、按照工艺设计钻出水平裸眼井010;所述水平裸眼井010包括竖直段、弯折段和水平段;
S102、在水平裸眼井010相应的位置钻出与预应力地锚005的扩张尺寸相应的扩孔洞011;所述扩孔洞011可以开设在所述水平段的初始端或者所述竖直段的末端;当扩孔洞011设于水平段的初始端时,可以保证所有套管得到预应力提拉,充分释放套管的预应力;当扩孔洞011设于竖直段的末端时,可以保有效避免提预应力提拉过程中完井管串组件的偏斜,提高预应力提拉的稳定性。当预应力地锚005扩张锚定后,会与扩孔洞011紧密抵接,因此,当预应力地锚005扩张后的直径略大于扩孔洞011的直径时,锚定效果最佳。
S200、将包括悬挂器001、套管002、变扣接头003、固井循环开关004、所述预应力地锚005、套管外封隔器006、盲板007、筛管008和引鞋009的完井管串组件下入所述水平裸眼井010中,所述套管002座挂于所述悬挂器001上,各个不同直径或不同螺纹的所述套管002通过所述变扣接头003进行连接,所述套管外封隔器006有多个,按照开发需要将目的层段封隔为多段,相应的产层内对应连接所述筛管008,所述筛管008的最末端连接所述引鞋009,引鞋009主要是用以防止筛管008底口碰刮或插入井壁,引导筛管008顺利下至目标位置;所述盲板007将所述筛管008与所述套管002的连通空间进行阻隔。所述预应力地锚005设于所述扩孔洞011的位置,所述固井循环开关004设于与所述预应力地锚005邻接的管段中;
S300、向井口打压,所述预应力地锚005在所述扩孔洞011的位置将所述完井管串组件锚定;所述预应力地锚005的具体扩张步骤如下:
S301、向井口打压,所述锚爪5107伸出所述锚体单元51外侧;
S302、继续向井口打压,所述锚体5径向扩张;
S303、继续加压,所述锚爪5107插入所述扩孔洞011侧壁,所述锚体单元51整体抵住所述扩孔洞011的侧壁,将所述完井管串组件锚定。
S400、上提所述完井管串组件至设定吨位;
S500、继续加压,所述套管外封隔器006胀封所述完井管串组件与所述水平裸眼井010之间的环形空腔;
S600、打开所述固井循环开关004,循环固井;
S700、侯凝结束后,下钻头钻穿所述盲板007,通井到底,完成作业。
上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种预应力地锚,包括中心管(1)和依次套设于所述中心管(1)外部的壳体(2)、活塞(3)、连接环(4)、锚体(5)和第一限位环(6),所述壳体(2)、所述连接环(4)和所述锚体(5)与所述中心管(1)形成环形空腔(7),所述活塞(3)滑动设于所述环形空腔(7)内,所述中心管(1)上方设有与所述环形空腔(7)连通的第一通孔(11),其特征在于,所述连接环(4)一端与所述壳体(2)固定连接,另一端与所述锚体(5)径向滑动连接;所述锚体(5)由若干个锚体单元(51)构成,若干个所述锚体单元(51)圆周排列并通过具有弹性的拧紧环(52)结合成一个空心环,当所述活塞(3)向下移动时,所述锚体(5)径向扩张。
2.根据权利要求1所述的预应力地锚,其特征在于,所述锚体单元(51)内部设有与所述环形空腔(7)连通的空心滑槽(5104),所述空心滑槽(5104)内轴向设有可径向滑动的滑动板(5105),所述滑动板(5105)面向所述锚体单元(51)外侧壁一侧设有锚爪(5107),所述锚体单元(51)的外侧壁设有供所述锚爪(5107)伸出的第二通孔(5108);初始状态下,所述锚爪(5107)收纳于所述空心滑槽(5104)内;锚定状态下,所述锚爪(5107)伸出所述锚体单元(51)的外侧壁;所述锚体单元(51)的外侧壁上设有拧紧环槽(5113),所述锚体单元(51)的上下两端靠近所述中心管(1)一侧分别设有限位块(5101),所述连接环(4)和所述第一限位环(6)分别设有与所述限位块(5101)相应的径向滑槽,所述径向滑槽分别通过其外侧壁封端。
3.根据权利要求2所述的预应力地锚,其特征在于,所述锚体单元(51)包括由上到下一体成型的竖直段(5102)和倾斜段(5103),所述竖直段(5102)与所述连接环(4)径向厚度相等并滑动连接,所述倾斜段(5103)包括梯形截面的上底面(5114)和矩形截面的下底面(5115),所述上底面(5114)与所述竖直段(5102)相接处径向厚度相等,所述下底面(5115)与所述第一限位环(6)径向厚度相等并滑动连接,所述下底面(5115)在初始状态下与所述中心管(1)抵接,所述竖直段(5102)和所述倾斜段(5103)的外侧壁两端分别设有所述拧紧环槽(5113)。
4.根据权利要求3所述的预应力地锚,其特征在于,所述竖直段(5102)内设有所述空心滑槽(5104),所述滑动板(5105)包括面向所述中心管(1)倾斜的第一斜面(5116)和固定所述锚爪(5107)的平面(5117),所述滑动板(5105)底部设有三角形的第一凹槽(5106),初始状态下,所述滑动板(5105)通过剪钉(5109)轴向固定于所述空心滑槽(5104)内且所述第一斜面(5116)面向所述中心管(1)方向凸出;
所述倾斜段(5103)顶部设有第二凹槽(5110),所述第二凹槽(5110)内设有伸缩块(5111),所述伸缩块(5111)顶部为向所述中心管(1)一侧倾斜的第二斜面,所述伸缩块(5111)底部连接弹簧(5112),所述弹簧(5112)另一端固定于所述第二凹槽(5110)的底部;
所述活塞(3)端部与所述锚体(5)接触一侧设有第一倒角(31),所述第一倒角(31)的倾斜角度与所述第一斜面(5116)的倾斜角度一致。
5.根据权利要求2所述的预应力地锚,其特征在于,所述锚体单元(51)包括径向排列的扩张段(5120)和滑动段(5121),
所述扩张段(5120)包括轴向设置的活动环(5122)和固定环(5123),所述活动环(5122)滑动连接于所述中心管(1)外壁且顶部与所述活塞(3)相接触,所述固定环(5123)固定连接于所述中心管(1)外壁且底部连接所述第一限位环(6),所述活动环(5122)和所述固定环(5123)分别铰接第一连接杆(5124)和第二连接杆(5125),所述第一连接杆(5124)和所述第二连接杆(5125)与所述滑动段(5121)铰接,
所述滑动段(5121)内设有所述空心滑槽(5104),所述滑动板(5105)面向所述中心管(1)一侧轴向设有滑动轨道(5126),另一侧设有所述锚爪(5107),所述滑动轨道(5126)上设有滑块(5127),所述滑块(5127)与所述第一连接杆(5124)和所述第二连接杆(5125)铰接,
所述滑动段(5121)的轴向两端分别设有径向凹槽(5128),所述径向凹槽(5128)内设有套筒式伸缩器(5129),所述套筒式伸缩器(5129)连接所述限位块(5101),所述限位块(5101)为L型,所述L型的限位块(5101)一端凸出所述滑动段(5121)的轴向两端,另一端与所述套筒式伸缩器(5129)相连。
6.根据权利要求5所述的预应力地锚,其特征在于,所述套筒式伸缩器(5129)包括支架(5135)以及滑动套设的外筒体(5130)和内筒体(5131),
所述外筒体(5130)的筒口内侧设有第二限位环(5145),侧壁径向设有台阶式第三通孔(5134),底部设有连接座(5132),所述连接座(5132)上轴向设有第四通孔(5133);
支架(5135)固定设于所述第三通孔(5134)内,包括带有固定翼(5140)的圆柱形本体(5138),所述固定翼(5140)架设于所述第三通孔(5134)的台阶上,并通过沉头螺钉(5141)连接固定,所述本体(5138)侧壁上方开设有第五通孔(5139),所述第五通孔(5139)与所述第四通孔(5133)同心,长螺钉(5136)穿过所述第五通孔(5139)及所述第四通孔(5133)与所述连接环(4)或所述第一限位环(6)上的径向凹槽连接固定;所述支架(5135)的侧壁下方设有滚轮槽,所述滚轮槽内设有与所述内筒体(5131)相接触并可沿其轴向滚动的滚轮(5144),所述滚轮(5144)通过轴承(5143)与固定于所述本体(5138)上的滚轴(5142)连接固定;
所述内筒体(5131)一端设有连接部(5137),通过所述连接部(5137)与所述限位块(5101)连接固定,另一端的侧壁上设有与所述第二限位环(5145)相应的限位凸起,所述限位凸起设于所述滚轮(5144)的滚动路径之外。
7.根据权利要求2-6任意一项所述的预应力地锚,其特征在于,所述锚爪(5107)的上表面轴向设有多个台阶(5118),下表面轴向设有多个楔形块(5119)。
8.一种包含权利要求7所述预应力地锚的水平井筛管分段完井的方法,其特征在于,包括以下步骤:
S100、 钻井,具体包括以下步骤:
S101、按照工艺设计钻出水平裸眼井(010);
S102、在所述水平裸眼井(010)相应的位置钻出与预应力地锚(005)的扩张尺寸相应的扩孔洞(011);
S200、将包括悬挂器(001)、套管(002)、变扣接头(003)、固井循环开关(004)、所述预应力地锚(005)、套管外封隔器(006)、盲板(007)、筛管(008)和引鞋(009)的完井管串组件下入所述水平裸眼井(010)中,所述套管(002)座挂于所述悬挂器(001)上,各个不同直径或不同螺纹的所述套管(002)通过所述变扣接头(003)进行连接,所述套管外封隔器(006)有多个,按照开发需要将产层封隔为多段,相应的产层内对应连接所述筛管(008),所述筛管(008)的末端连接所述引鞋(009),所述盲板(007)将所述筛管(008)与所述套管(002)的连通空间进行阻隔;所述预应力地锚(005)设置于所述扩孔洞(011)的位置,所述固井循环开关(004)设于与所述预应力地锚(005)邻接的管段中;
S300、向井口打压,所述预应力地锚(005)在所述扩孔洞(011)的位置将所述完井管串组件锚定;
S400、上提所述完井管串组件至设定吨位;
S500、继续加压,所述套管外封隔器(006)胀封所述完井管串组件与所述水平裸眼井(010)之间的环形空腔;
S600、打开所述固井循环开关(004),循环固井;
S700、侯凝结束后,下钻头钻穿所述盲板(007),通井到底,完成作业。
9.根据权利要求8所述的水平井筛管分段完井的方法,其特征在于,所述步骤S300中所述预应力地锚(005)的具体扩张步骤如下:
S301、向井口打压,所述锚爪(5107)伸出所述锚体单元(51)外侧;
S302、继续向井口打压,所述锚体(5)径向扩张;
S303、继续加压,所述锚爪(5107)插入所述扩孔洞(011)侧壁,所述锚体单元(51)整体抵住所述扩孔洞(011)的侧壁,将所述完井管串组件锚定。
10.根据权利要求9所述的水平井筛管分段完井的方法,其特征在于,所述水平裸眼井(010)包括竖直段、弯折段和水平段,所述扩孔洞(011)开设在所述水平段的初始端或所述竖直段的末端。
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