非金屬敷纜連續(xù)管專用油管錨研制與試驗

摘要：

非金屬敷纜連續(xù)管用于無桿舉升時需要配套油管錨，但因其力學(xué)性能、管壁結(jié)構(gòu)特殊性，對油管錨結(jié)構(gòu)、功能、性能提出新要求，現(xiàn)有金屬油管配套油管錨無法滿足新技術(shù)要求?；诖?，研制了非金屬敷纜連續(xù)管專用油管錨。該油管錨設(shè)計有單向流浮動平衡機構(gòu)，能減少管柱下井浮力影響；采用柔性連接機構(gòu)，可緩沖管柱振動蠕動能量，防止引起錨定失效；采用液壓解錨、上提解錨及丟手機構(gòu)提高管柱系統(tǒng)使用中的可靠性、穩(wěn)定性。室內(nèi)和下井試驗檢驗結(jié)果表明：非金屬敷纜連續(xù)管專用油管錨在壓力1.15 MPa即可平衡壓差，錨定啟動載荷為4.14 MPa，液壓錨定載荷為11.5 MPa，上提解錨力為22 kN，液壓解錨載荷為32.4 MPa，安全丟手力為156 kN。該油管錨為非金屬敷纜連續(xù)管用于新型無桿舉升成功配套必要技術(shù)工具，有助于解決傳統(tǒng)有桿/無桿舉升中諸多問題。

關(guān)鍵詞：

無桿舉升；非金屬敷纜連續(xù)管；油管錨；力學(xué)性能；柔性連接；載荷；試驗檢測

中圖分類號：TE921

文獻標識碼：A

202408065

Development and Test of Specialized Tubing Anchor for Non-Metallic

Cable-Laying Coiled Tubing with Embedded Cable

Zhang Shengwu Tian Xiaojiang Wang Gang Xian Linyun Liu Yaming Huang Hai

（Chinese National Engineering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods Co.，Ltd.；CNPC Baoji Petroleum Pipe Industry Co.，Ltd.）

When non-metallic cable-laying coiled tubing with embedded cable is used for rodless lifting，tubing anchor is required.However，due to its mechanical properties and special pipe wall structures，new requirements are put forward for the structure，function and performance of the tubing anchor.The existing tubing anchor used by metal tubing cannot meet the requirements of the new technology.In this paper，a specialized tubing anchor for non-metallic cable-laying coiled tubing with embedded cable was developed.It is designed with a uniflow floating balance mechanism，reducing the influence of buoyancy on the RIH of string.A flexible connection mechanism was adopted，buffering the vibration and creep energy of the string，and preventing from leading to anchoring failure.Hydraulic disanchor，lifting disanchor and release mechanism were adopted，improving the reliability and stability of the string system in service.The laboratory and downhole test results show that the specialized tubing anchor for non-metallic cable-laying coiled tubing with embedded cable can balance the pressure difference when the difference reaches 1.15 MPa，the actuating load of anchor is 4.14 MPa，the hydraulic anchoring load is 11.5 MPa，the lifting disanchor force is 22 kN，the hydraulic disanchor load is 32.4 MPa，and the safe release force is 156 kN.The tubing anchor is a necessary tool for non-metallic cable-laying coiled tubing with embedded cable to be successfully used in new rodless lifting，and helps to solve many problems occurred in traditional rod/rodless lifting.

rodless lifting；non-metallic cable-laying coiled tubing；tubing anchor；mechanical properties；flexible connection；load；experimental detection

0 引 言

截至2020年底，中國石油有近24×104口機械采油井，有桿舉升井占比達92%，且存在桿管偏磨、結(jié)蠟、檢泵周期長等問題［1-2］，嚴重影響石油高效穩(wěn)定開發(fā)。近年金屬油管配套無桿舉升技術(shù)不僅能解決以上技術(shù)問題，還具有智能、高效、安全等優(yōu)點［3-4］，但仍存在金屬油管腐蝕以及油管外捆扎線纜在下井時磨損、卡斷等問題［5-6］；投撈電纜式無桿舉升技術(shù)解決油管外捆扎線纜磨損、卡斷問題［7］，但作業(yè)煩瑣、效率低。目前，非金屬敷纜連續(xù)管相對金屬油管不僅耐腐蝕、不易結(jié)垢，而且將動力纜和信號纜內(nèi)置在管壁，將其用于無桿舉升時能同時解決上述諸多問題［8］，已成為新型無桿舉升用管的新選擇、技術(shù)變革的新方向。

非金屬敷纜連續(xù)管用于無桿舉升時需要配套油管錨，以改善管柱的受力狀態(tài)，降低油管伸縮量，緩解疲勞損壞，延長服役壽命［9］。但因非金屬敷纜連續(xù)管發(fā)展歷程短，配套的井下工具較為匱乏［10］，同時因其管壁結(jié)構(gòu)以及軸向承載、抗內(nèi)/外壓、抗扭強度等力學(xué)性能明顯區(qū)別于金屬油管［11-15］，無法與現(xiàn)有金屬油管錨適配，不能形成完整的新型無桿舉升管柱系統(tǒng)，限制了其下井應(yīng)用。鑒于此，筆者研制了一種非金屬敷纜連續(xù)管專用油管錨，該錨為非金屬敷纜連續(xù)管用于無桿舉升配套必要技術(shù)工具，可為解決傳統(tǒng)有桿/無桿舉升中諸多問題提供技術(shù)支撐。

1 技術(shù)分析

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

非金屬敷纜連續(xù)管專用油管錨主要由單向流浮動平衡機構(gòu)、液壓錨定機構(gòu)、柔性連接及安全丟手機構(gòu)、液壓及上提解錨機構(gòu)等組成，具備平衡管壁內(nèi)外液體壓力差、液壓錨定、緩沖振動、上提管柱解錨、液壓解錨、安全丟手等功能，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該油管錨的上法蘭接頭內(nèi)腔上端插有內(nèi)管，內(nèi)剪切套將通止環(huán)推入上法蘭接頭與內(nèi)管之間的環(huán)空，并與上法蘭接頭下端內(nèi)螺紋相連；外剪切套上端套在內(nèi)剪切套下端并用丟手剪釘進行約束；彈簧套在外剪切套外圓周并通過錐體及限位螺栓約束；中心管上端內(nèi)插于外剪切套下端并通過螺紋相連；6瓣楔形卡瓦下端先嵌套在卡瓦座凹槽內(nèi)，再將其上端伸入錐體中的導(dǎo)向槽；推筒上端穿過中心管與卡瓦座下端通過螺紋相連；在活塞管外圓柱面中間依次套裝解封套、卡接卡環(huán)、解封環(huán)后，隨之將活塞管上端套入推筒內(nèi)壁并與中心管下端外螺紋相連；卡環(huán)套上端外螺紋與推筒下端內(nèi)螺紋相連；下法蘭接頭套入卡環(huán)套與活塞管下端的環(huán)空內(nèi)，并與活塞管下端外螺紋相連。油管錨通體及兩端配套的法蘭-螺紋轉(zhuǎn)換接頭的外圓周面每間隔120°開設(shè)一道12 mm×12 mm的線纜槽，用于容納非金屬敷纜連續(xù)管管壁引出的動力及信號傳輸線纜，并通過多道“C”形卡箍將線纜約束在線纜槽內(nèi)。

1.2 工作原理

非金屬敷纜連續(xù)管及其專用油管錨組成新型無桿舉升管柱下井時，管柱與油套環(huán)空壓力差隨管柱浸入油液深度增加而增大，當壓差累積至單向流浮動平衡機構(gòu)啟動值時，油套環(huán)空油液推動通止環(huán)上移并經(jīng)上法蘭接頭進液孔、內(nèi)管進液孔流入管柱內(nèi)，油套壓差隨之減小，在彈簧反作用下通止環(huán)下移復(fù)位關(guān)閉。管柱下到不同設(shè)計井深位置，單向流浮動平衡機構(gòu)需要經(jīng)過不同次數(shù)啟動、復(fù)位循環(huán)。

管柱下到設(shè)計井深位置后即可啟動液壓錨定機構(gòu)。通過地面泵車經(jīng)采油樹閥門向井口管端內(nèi)孔注水加壓，高壓水液壓力載荷經(jīng)中心管下端進液孔流入活塞空腔并推動推筒、卡瓦座，使卡瓦沿錐體伸向套管內(nèi)壁，推筒下端相連的卡環(huán)套同步上移至卡接卡環(huán)，卡接卡環(huán)彈開并卡在卡環(huán)槽內(nèi)，卡瓦緊貼并錨定在套管內(nèi)壁，解封環(huán)限制卡瓦座與活塞管相對移動，管柱、舉升油液的重力及螺桿泵定子作用力傳遞至套管。

當油管錨錨定后即可啟動舉升油液，油液舉升生產(chǎn)過程中上部管柱產(chǎn)生的振動、蠕動能傳遞至油管錨中的彈簧、限位銷釘及錐體中的“U”形孔并被緩沖吸收，防止其進一步傳向錐體，引起錐體及楔形卡瓦錨定力變化或者松動，避免錨定作用失效。

當井底螺桿泵遇到或其他原因需要將管柱起出進口時，先要對油管錨進行解錨操作。采用上提管柱解錨時，上提力依次傳遞至油管錨中的上法蘭接頭、活塞管并將解封環(huán)剪斷，解封環(huán)固定約束消失，限位螺栓與緩沖槽弧上頂間距逐漸減小；當限位螺栓與緩沖槽弧頂接觸時，上提力傳遞至錐體，使其上移并將卡瓦沿錐體導(dǎo)向槽收回，完成上提解錨動作。采用液壓解錨時，通過地面設(shè)備向管柱靠近井口端頭內(nèi)注水加壓，帶壓水液經(jīng)活塞管中的過液孔作用在解封套中的環(huán)狀凹槽并將解封環(huán)剪斷，并帶動解封套及與之關(guān)聯(lián)的卡瓦座下移，使卡瓦沿錐體導(dǎo)向槽收回，完成液壓解錨動作。

上提及液壓解錨后，管柱內(nèi)油液依次經(jīng)過活塞管、卡環(huán)套、推筒中的過液孔卸入井筒內(nèi)，防止油液隨管柱帶出井筒污染地面。當管柱配套井下工具串起出遇卡時，通過增大管柱上提力將外剪切套中的丟手剪釘剪斷，完成安全丟手操作。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

最大外徑148 mm，最小通徑50 mm，長1 930 mm，耐溫120 ℃；單向流浮動平衡啟動載荷（1.0±0.3）MPa，液壓錨定啟動載荷（4.0±0.5）MPa，液壓錨定載荷及工作載荷（11±1）MPa，密封性能（15±1）MPa，上提解錨拉力（20±5）kN，液壓解錨載荷（32±1）MPa，安全丟手拉力（150±10）kN，法蘭-螺紋轉(zhuǎn)換接頭。

1.4 主要技術(shù)特點

（1）非金屬敷纜連續(xù)管專用油管錨的液壓錨定、解錨載荷，上提解錨拉力、安全丟手拉力、密封性能、耐溫性能與非金屬敷纜連續(xù)管相關(guān)性能形成良好的適配關(guān)系，提高非金屬敷纜連續(xù)管用于無桿舉升及井下作業(yè)的可靠性。

（2）油管錨中設(shè)計有單向流浮動平衡機構(gòu)，在管柱下井過程中能平衡管內(nèi)外油液壓力差，減小油套環(huán)空油液浮力對管柱下入井筒的影響，且不干涉油管錨中液壓錨定、解錨機構(gòu)功能執(zhí)行。

（3）油管錨中設(shè)計有柔性連接彈簧，能吸收上部管柱振動、蠕動能量，緩解錐體及楔形卡瓦錨定力大幅度波動，防止錨定失效。

（4）油管錨上提管柱解錨、液壓解錨機構(gòu)共用一套執(zhí)行部件，增加解錨方式且不增加執(zhí)行部件，降低工具結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，提高油管錨解錨成功率及管柱井下作業(yè)可靠性。

（5）安全丟手集成在油管錨本體內(nèi)，減少管柱中工具數(shù)量，并提升管柱密封性能和起出井筒的可靠性。

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 單向流浮動平衡機構(gòu)

該機構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖2所示。在管柱下井過程中油套環(huán)空油液壓力達到啟動壓力值時，油液流經(jīng)外通孔推動通止環(huán)上移至內(nèi)/外通孔連通，油液流入管內(nèi)后，管內(nèi)外油液高度差減小，達到平衡壓力差效果。由于該機構(gòu)只具備單向流功能，所以從管柱內(nèi)注水加壓進行液壓錨定或解錨操作時，高壓水液無法從該機構(gòu)中的內(nèi) 通孔流向油套環(huán)空，防止液體壓力損失。

2.2 柔性連接及丟手機構(gòu)

柔性連接機構(gòu)主要由丟手剪釘、彈簧、錐體及其上的限位螺栓、緩沖槽等組成。在油液舉升過程中錐體壓縮彈簧使限位螺栓與錐體上部弧頂存在一定間距形成柔性連接，油管錨上部管柱振動、蠕動能量首先傳遞至彈簧并被彈簧吸收，避免剛性傳遞至卡瓦引起錨定失效。

當油管錨或井下工具串起出井筒遇卡時，僅需加大管柱上提力將安全丟手剪釘剪斷，即可實現(xiàn)丟手，無需額外增加丟手工具。

2.3 液壓及上提解錨機構(gòu)

油管錨性能測試工裝結(jié)構(gòu)如圖3所示。液壓解錨和上提管柱解錨機構(gòu)共用一套解封套、卡接卡環(huán)、卡環(huán)套，降低工具復(fù)雜性。2種解錨方式作用力傳遞方向相反，執(zhí)行過程互不干涉，提升工具可靠性及穩(wěn)定性。

液壓解錨載荷迫使解封套向井底方向移動將解封環(huán)剪斷，并帶動卡瓦座等部件（圖3中藍色部件）向下移動，使卡瓦主動沿錐體導(dǎo)向槽下移收回，完成解錨。上提管柱解錨力通過上法蘭接頭等部件（圖3中紅色部件）傳遞至活塞管，帶動活塞管上移將解封環(huán)剪斷；上移至限位螺栓與緩沖槽上部弧頂接觸并帶動錐體上移，卡瓦在錐體上移過程中被動收回，完成解錨。

3 室內(nèi)試驗及下井試驗

為了檢驗該油管錨的單向流浮動平衡機構(gòu)的液壓啟動載荷，液壓錨定載荷、上提管柱解錨載荷、液壓解錨載荷、安全丟手力等性能指標，將工具裝入測試工裝內(nèi)（見圖3），隨后對其各項性能指標進行試驗檢驗。結(jié)果如圖4～圖9所示。3.1 室內(nèi)試驗

3.1.1 單向流浮動平衡機構(gòu)承載試驗

將氣泵氣源軟管上的螺紋接頭安裝在套管中的注水加壓螺孔并進行注水、加壓，模擬管柱下井過程中單向流浮動平衡機構(gòu)承受油液壓力累積過程。從圖4可知：該機構(gòu)中通止環(huán)在1.15 MPa水壓時向上移動將內(nèi)、外通孔連通，套管內(nèi)水流入油管錨內(nèi)管后壓力驟降，隨之通止環(huán)復(fù)位截流并再次累積壓力，經(jīng)3次循環(huán)驗證啟動載荷符合（1.0±0.3）MPa設(shè)計指標要求。

3.1.2 密封性能測試

從試驗工裝上部接頭注水加壓孔向油管錨內(nèi)腔注入15 MPa水壓（舉升油液承受的壓力）并進行保壓測試。從圖5可知：當水壓升至15 MPa開始保壓時，壓力曲線在短時間內(nèi)緩慢下降，在此過程中液壓泵存在輕微外滲，但油管錨本體未出現(xiàn)滲水、漏水現(xiàn)象，經(jīng)過2次補壓后壓力曲線趨于平穩(wěn)。保壓超過10 min后驗證油管錨密封性能滿足（15±1）MPa設(shè)計指標要求。

3.1.3 啟動載荷測試

完成上述測試時，將油管錨取出測試工裝并將啟動剪釘安裝在活塞管與推筒之間的預(yù)留位置，用于防止油管錨在下井過程中因井筒壓力波動提前錨定，現(xiàn)對其啟動載荷進行測試。從圖6可知，啟動剪釘在4.14 MPa上下水壓載荷下剪斷，啟動載荷符合（4.0±0.5）MPa設(shè)計指標要求。

3.1.4 液壓錨定載荷測試

將油管錨腔體內(nèi)壓力逐步升至液壓錨定載荷設(shè)計值11 MPa附近并保壓5 min以上，確保油管錨卡瓦與套管內(nèi)壁充分接觸，隨后對液壓錨定載荷下的軸向承載性能進行測試。圖7中，液壓錨定載荷的時間-壓力的測試曲線為黑色，液壓錨定載荷下軸向承受載荷的時間-壓力的測試曲線為紅色。由圖7可知：在11.5 MPa液壓錨定載荷下，油管錨承受5.3 MPa軸向拉伸載荷，等效換算為53 kN推力，驗證液壓錨定載荷（11±1）MPa符合設(shè)計要求。

3.1.5 上提管柱解錨力測試

從圖8可知：油管錨中解封環(huán)在2.2 MPa液壓推力載荷下斷裂，通過活塞作用面積換算出上提拉管柱解錨力為22 kN，符合（20±5） kN設(shè)計指標要求。

3.1.6 液壓解錨載荷測試

從圖9可知，油管錨腔體內(nèi)水壓載荷升至32.4 MPa維持數(shù)秒后驟降至0，解封環(huán)在32.4 MPa水壓載荷下快速斷裂，管柱內(nèi)外連通，高壓水液壓力瞬間釋放，驗證油管錨液壓解錨載荷符合（32 ±1）MPa設(shè)計指標要求。

室內(nèi)試驗結(jié)果表明：非金屬敷纜連續(xù)管專用油管錨中單向流浮動平衡機構(gòu)的液壓啟動載荷為1.15 MPa，密封壓力達15 MPa，液壓錨定啟動載荷為4.14 MPa，液壓錨定載荷為11.5 MPa，上提解錨力為22 kN，液壓解錨載荷為32.4 MPa，丟手力為156 kN（等效換算），各項性能指標滿足設(shè)計要求。

3.2 試驗井試驗

2023年12月在河南省新鄉(xiāng)市夏峰電器試驗井中完成該油管錨的密封性能、液壓錨定、舉升水液、上提管柱解錨試驗，驗證油管錨各項功能及性能指標符合設(shè)計要求。

4 結(jié) 論

（1）非金屬敷纜連續(xù)管專用油管錨為非金屬敷纜連續(xù)管油用于新型無桿舉升成功配套必要井下工具，能顯著改善管柱舉升過程中的受力狀態(tài)，降低管柱伸縮量，延緩管柱疲勞損壞，延長管柱服役壽命。同時，有助于解決傳統(tǒng)游梁式有桿舉升桿管偏磨、斷桿、結(jié)蠟、高能耗等問題和金屬油管外置線纜無桿舉升中油管腐蝕以及管柱外置電纜損傷等問題。

（2）非金屬敷纜連續(xù)管專用油管錨中液壓、上提解錨機構(gòu)共用一套執(zhí)行部件并采用反向傳遞力與移動進行解錨操作，增加解錨功能且不增加執(zhí)行部件，在執(zhí)行解錨動作中互不干涉，提高解錨成功率與井下作業(yè)可靠性；同時，油管錨解錨后管內(nèi)的油液通過工具中開設(shè)的過液孔泄至井筒，防止污染地面環(huán)境。

（3）單向流浮動平衡機構(gòu)通過平衡管柱內(nèi)外壓差，減小管柱浮力且不影響液壓錨定壓力累積。柔性連接機構(gòu)可吸收其上部管柱振動、蠕動能量，降低卡瓦錨定力波動幅度，防止錨定失效。安全丟手與油管錨設(shè)計于一體，提升工具串密封性能，在油管錨及以下工具串起出井筒遇卡時，可實現(xiàn)安全丟手，提升井下作業(yè)可靠性。

（4）室內(nèi)試驗及試驗井下井測試結(jié)果表明，非金屬敷纜連續(xù)管專用油管錨的平衡機構(gòu)啟動載荷、密封性能、液壓錨定啟動載荷、錨定載荷、錨定力、液壓解錨載荷、安全丟手力等各項性能指標均符合其用于新型無桿舉升匹配要求。

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第一張生武，工程師，生于1992年，2020年畢業(yè)于西安理工大學(xué)機械與精密儀器工程學(xué)院機械工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)從事油氣裝備及工具技術(shù)研究工作。地址：（710018）陜西省西安市。email：BSGZSW@ cnpc.com.cn。2024-09-242024-10-24