卷吸效應(yīng)水力錨防砂卡可行性計(jì)算分析

呂 健，寧媛松，楊甘生

（中國地質(zhì)大學(xué)（北京）科學(xué)鉆探國家專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）①

卷吸效應(yīng)水力錨防砂卡可行性計(jì)算分析

呂 健，寧媛松，楊甘生

（中國地質(zhì)大學(xué)（北京）科學(xué)鉆探國家專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）①

水力錨是在井下指定位置用來對封隔器進(jìn)行錨定的工具。由于常規(guī)水力錨結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的缺陷，井下液體雜質(zhì)（地層砂、支撐劑）容易進(jìn)入到錨爪內(nèi)腔并在此沉積，導(dǎo)致錨爪解卡受阻，嚴(yán)重影響封隔器的封隔效果。提出了利用卷吸效應(yīng)在水力錨內(nèi)部形成高速射流，以此來控制液體雜質(zhì)的運(yùn)動(dòng)軌跡，將進(jìn)入到錨爪內(nèi)腔的液體雜質(zhì)在壓力差的作用下從內(nèi)腔中卷吸出來，同時(shí)防止外部雜質(zhì)再次進(jìn)入到錨爪內(nèi)腔中。利用伯努利方程對此原理的可行性進(jìn)行了分析。

水力錨；卷吸效應(yīng)；防砂卡

水力錨是封隔器以及井下管柱在井下受到復(fù)雜力的作用時(shí)，用來將封隔器錨定在指定位置的井下工具，防止封隔器產(chǎn)生軸向錯(cuò)動(dòng)，保證壓裂、酸化等工藝的成功施工。常規(guī)水力錨工作時(shí)錨爪在液壓的作用下向外伸出，卡緊套管內(nèi)壁，實(shí)現(xiàn)對封隔器的錨定；解卡時(shí)錨爪在擋板彈簧的彈力作用下收回。由于常規(guī)水力錨結(jié)構(gòu)上存在錨爪會(huì)損傷套管內(nèi)壁［1］、錨爪內(nèi)腔很容易進(jìn)砂等缺陷；而壓裂施工一般又在水平井中進(jìn)行，所以液體中的雜質(zhì)、地層砂或壓裂支撐劑等進(jìn)入錨爪內(nèi)腔之后在重力作用下易沉積在內(nèi)腔下部，造成水力錨解卡困難，使井下管柱不能正常起出，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成油水井的大修事故。

雖然砂卡現(xiàn)象是一個(gè)非常普遍的問題，但會(huì)導(dǎo)致封隔器在套管上的固定不牢靠，產(chǎn)生縱向位移，影響封隔器的密封性能，甚至?xí)崆敖夥舛绊憠毫研Ч?。因此，進(jìn)行水力錨防砂卡的研究與設(shè)計(jì)是十分必要的。

1 研究現(xiàn)狀

一直以來，水力錨防砂卡的研究和結(jié)構(gòu)改進(jìn)在封隔器的設(shè)計(jì)中占有重要地位。中國石油化工股份有限公司的陳廣超［2］、王掌洪［3］等設(shè)計(jì)了用于采油管柱錨定的錨定工具，但是不能在壓裂等工藝中得到理想的實(shí)際應(yīng)用效果。勝利油田有限公司采油工藝研究所的祝慶遠(yuǎn)［4］曾設(shè)計(jì)了一種在注水井中使用的帶錐體的水力卡瓦錨定工具，可有效減輕工具內(nèi)部結(jié)垢，但是不適合壓裂工藝。

吐哈油田分公司鉆采工藝研究院的陳振杰［5］對水力錨結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，即錨爪孔底部采用錐形結(jié)構(gòu)，同時(shí)在錨體內(nèi)部襯管間的空隙內(nèi)填充黃油，這樣可以提高解卡時(shí)錨爪的復(fù)位能力。這種結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用于壓裂工藝，但是在大斜度井、水平井和深井壓裂使用時(shí)效果不明顯，不能從根本上解決砂卡問題。

至今為止，勝利油田集興石化安裝有限公司的張尚君研制的新型防砂卡水力錨［6］和中國石油大學(xué)（華東）鄒群研制的斜置錨爪水力錨［7］較為成功。張尚君研制的新型水力錨由多層金屬氈濾砂網(wǎng)、帶孔芯管、中心襯管以及橡膠密封等組成，與錨爪一同構(gòu)成1個(gè)密閉的錨爪內(nèi)腔，進(jìn)出內(nèi)腔的液體必須通過濾砂網(wǎng)，可以有效阻止液體雜質(zhì)、地層砂和支撐劑進(jìn)入錨爪內(nèi)腔，擋砂精度達(dá)到60～100μm，在直井、斜井和水平井中都有可觀的效果。鄒群的斜置錨爪式水力錨錨爪內(nèi)腔與錨體軸線呈一定的角度，容易解卡，且水力錨內(nèi)外的工作壓差通過內(nèi)管與錨體的間隙推動(dòng)錨爪，這樣只有少量的產(chǎn)出液可以進(jìn)入錨爪內(nèi)腔，腔內(nèi)結(jié)垢的幾率大幅降低，保證錨爪正常復(fù)位。

2 卷吸效應(yīng)防砂卡原理及可行性分析

理論上講，可以通過2種方法從根本上解決砂卡問題：①阻止液體雜質(zhì)（地層砂、支撐劑）進(jìn)入錨爪內(nèi)腔；②將液體雜質(zhì)從內(nèi)腔中排出。換言之，即控制液體雜質(zhì)的運(yùn)動(dòng)軌跡。當(dāng)一種流體進(jìn)入另外一種流體時(shí)，由于流入的射流流體與源流流體之間有動(dòng)量交換，這種作用使原流體的一部分隨射流流體運(yùn)動(dòng)，這種現(xiàn)象叫做卷吸效應(yīng)。卷吸效應(yīng)既可以將內(nèi)腔中的雜質(zhì)排出，又可以防止外部雜質(zhì)進(jìn)入。利用卷吸效應(yīng)對封隔器水力錨的改進(jìn)主要是通過改變截面積大小從而改變錨爪內(nèi)腔壓力大小，使錨爪內(nèi)腔內(nèi)外形成壓差，最終迫使液體雜質(zhì)在壓差作用下從錨爪內(nèi)腔流出。

2.1 基本原理

受噴射式孔底反循環(huán)鉆具的啟發(fā)，可以在水力錨上部增加1個(gè)尺寸小于水力錨內(nèi)徑的噴嘴（如圖1）。增加噴嘴后，在噴嘴附近會(huì)形成射流，造成液體的流速增大，壓力減小。在這種情況下，當(dāng)水泵送來的高壓壓裂液沿上部中心管進(jìn)入噴嘴后，會(huì)在噴嘴斷面形成射流。噴嘴與擴(kuò)大腔所形成的噴射區(qū)周圍的液體被射流帶走一部分而形成負(fù)壓區(qū)。在壓力差的作用下，錨爪內(nèi)腔的液體雜質(zhì)會(huì)隨著液體經(jīng)反水眼進(jìn)入擴(kuò)大腔，再經(jīng)下部中心管沿封隔器繼續(xù)下行。

圖1 卷吸效應(yīng)式水力錨原理

2.2卷吸效應(yīng)防砂卡公式推導(dǎo)

根據(jù)卷吸效應(yīng)所設(shè)計(jì)出的水力錨結(jié)構(gòu)如圖1所示，即在常規(guī)水力錨的前端增加1個(gè)尺寸合適的噴嘴。當(dāng)壓裂液從噴嘴中流過進(jìn)入擴(kuò)大腔時(shí)，截面積A忽然變大。由流速與截面積之間的關(guān)系得

由此可以得出，在壓裂液的流量q為定值時(shí)，壓裂液的流速v與中心管的截面積A成反比。綜上所述，可知當(dāng)AJ（噴嘴處截面面積）＜AE（擴(kuò)大腔處截面積）時(shí)，vJ（噴嘴處流速）＞vE（擴(kuò)大腔處流速）。

為了方便計(jì)算，暫時(shí)假定截面1-1處（如圖1）為位置水頭零點(diǎn)處，則由于噴嘴與擴(kuò)大腔的位置水頭之差Δz很小，且多級水力壓裂多在水平井中進(jìn)行，所以在水力錨封隔器中壓裂液在各處的位置水頭相同，所以Δz的值可以忽略不計(jì)。假設(shè)噴嘴處壓力為pJ，擴(kuò)大腔處壓力為pE，壓裂液密度為ρ。根據(jù)理想狀態(tài)下的伯努利方程，則有

根據(jù)假設(shè)忽略Δz值，可以將伯努利方程簡化為僅包含有壓力水頭和速度水頭為變量的等式，即

將式（1）代入到式（3）中可以得到1個(gè)包含有2個(gè)變量（壓裂液壓力p和封隔器中心管截面積A）的等式，即

由于流量q為定值，而截面積AJ＜AE，所以錨爪內(nèi)腔內(nèi)外的壓差Δp＞0，即錨爪內(nèi)腔處的壓力（擴(kuò)大腔處的壓力）大于噴嘴處的壓力，pE＞pJ。即在噴嘴處也產(chǎn)生了壓差，使壓裂液由高壓區(qū)（錨爪內(nèi)腔和擴(kuò)大腔）向噴嘴處流動(dòng)，其流向如圖1所示。因此實(shí)現(xiàn)了清除錨爪內(nèi)腔里的支撐劑的目的。

2.3 噴嘴尺寸范圍

若要滿足最大粒徑的液體雜質(zhì)能從錨爪內(nèi)腔中被卷吸出來，則卷吸效應(yīng)所形成的壓差在支撐劑表面所作用的壓力要遠(yuǎn)大于支撐劑本身的重力，即滿足公式

由于卷吸效應(yīng)改進(jìn)水力錨的方法是通過在錨爪內(nèi)腔內(nèi)外產(chǎn)生壓差，從而將支撐劑卷吸出來，所以可將式（4）整理為

式中：Δp為噴嘴處所形成的壓差；ρ為支撐劑的密度，一般取1.425 g／cm3；d為支撐劑的直徑（假設(shè)d＝2.0 mm）?；喛傻?/p>

代入數(shù)值得Δp＝9.5×10-3Pa。即直徑2 mm的壓裂砂若要在壓力作用下從錨爪內(nèi)腔出來，則錨爪內(nèi)腔內(nèi)外壓差不應(yīng)低于9.5×10-3Pa。這時(shí)的壓裂砂處于將出未出的臨界狀態(tài)。

現(xiàn)將噴嘴直徑設(shè)計(jì)為DJ＝10 mm，則噴嘴截面積AJ＝7.85×10-5m2。取擴(kuò)大腔處直徑與中心管直徑相同，即DE＝48 mm，則截面積AE＝2.64× 10-3m2。流量可根據(jù)一般鉆井情況暫時(shí)假設(shè)為q＝16 L／s＝1.6×10-2m3／s。將以上數(shù)值代入式（5）可得

所以Δp′＞Δp，即在噴嘴直徑為10 mm的情況下，錨爪內(nèi)腔內(nèi)外所產(chǎn)生的壓差遠(yuǎn)大于臨界狀態(tài)下的壓差，故可以將錨爪內(nèi)腔中的砂粒卷吸出來。

綜上所述，噴嘴直徑選擇10 mm是合理的。

以上方法是先假設(shè)噴嘴尺寸然后驗(yàn)證該尺寸是否可以將液體雜質(zhì)卷吸出來。若先假設(shè)液體雜質(zhì)可以被卷吸出來的臨界壓力（Δp）為已知，然后確定噴嘴的最大尺寸。當(dāng)噴嘴直徑略小于擴(kuò)大腔直徑時(shí)（大約只有幾微米），即可以將液體雜質(zhì)卷吸出來。但由于工具的加工精度有限，以及考慮到卷吸效果，噴嘴尺寸可根據(jù)中心管的實(shí)際尺寸以及加工工藝水平合理確定。

3 結(jié)論

1） 通過在水力錨上部設(shè)置噴嘴形成卷吸效應(yīng)，將錨爪內(nèi)腔的壓裂砂卷吸出來，理論上提高了工具的使用性能，可以避免大修事故的發(fā)生。

2） 壓裂砂從錨爪內(nèi)腔卷吸出來后，在壓力的作用下會(huì)向中心管中會(huì)聚，然后參與到封隔地層的壓裂施工中去，提高了支撐劑的使用率，節(jié)約成本。

3） 由于壓裂砂本身重力很小，所以很小的壓差即可以將壓裂砂卷吸出錨爪內(nèi)腔，通過對臨界情況進(jìn)行計(jì)算，則實(shí)際的噴嘴截直徑與中心管直徑相差很小，因此噴嘴直徑的可選范圍很大，在確定噴嘴尺寸時(shí)，可綜合考慮加工工藝、工件強(qiáng)度及卷吸效果進(jìn)行合理確定。

4） 由于沒有進(jìn)行設(shè)計(jì)應(yīng)用效果模擬，所以僅進(jìn)行了1組數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)，沒有設(shè)置對照組，因此缺少對噴嘴尺寸的優(yōu)化，還需要進(jìn)一步的研究。

5） 可以與張尚君研制的新型多層金屬氈濾砂網(wǎng)水力錨相結(jié)合，以有效地解決砂卡問題。

［1］ 申曉莉，陳立海，王子建，等.非金屬水力錨研制與試驗(yàn)［J］.石油礦場機(jī)械，2013，42（8）：42-44.

［2］ 陳廣超，劉海明，葉紅，等.一種新型抽油井管柱錨定工具［J］.石油礦場機(jī)械，2003，32（4）：25-26.

［3］ 王掌洪，王明才，白友國.新型二合一液壓錨定的研制［J］.石油礦場機(jī)械，2003，32（6）：74-75.

［4］ 祝慶遠(yuǎn).防卡水力錨的研制［J］.石油礦場機(jī)械，2004，33（3）：97-98.

［5］ 陳振杰，陳偉.水力錨的防砂卡改造［J］.石油機(jī)械，2002（9）：64.

［6］ 張尚君，柴國興，王登慶.新型壓裂用防砂水力錨試驗(yàn)研究［J］.石油礦場機(jī)械，2010，39（12）：54-56.

［7］ 鄒群，張貴才，錢欽，等.斜置錨爪式水力錨研制與應(yīng)用［J］.石油礦場機(jī)械，2013，42（12）：98-100.

Feasibility Analysis of Entrainment Phenomenon Preventing Cruds from Depositing in Inner Chamber of Hydraulic Anchor

Hydraulic anchor is a mechanism that packing packer in pre-assigned position of a well. Cruds（formation chunk＆proppant）depositing in inner chamber of anchor in the bottom of the well have a bad impact on anchor’s releasing and packer’s performance.This paper introduce an ideal to control cruds moving track which make use of the entrainment phenomenon to develop a high-speed jet in inner chamber so that cruds can be entrained form inner chamber while prevent cruds outside deposited in it again.Bernoulli＇s equation is also used to prove the ideal’s feasibility.

hydraulic anchor；entrainment phenomenon；preventing cruds deposit

TE931.2

A

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.09.011

1001-3482（2014）09-0041-03

2014-03-20

呂 ?。?989-），男，山東萊蕪人，碩士研究生，主要從事特種鉆進(jìn)設(shè)計(jì)與施工和鉆井機(jī)械研究，E-mail：393770676＠qq.com。