一种预应力多级地锚及其使用方法与流程

1.本发明涉及石油开采技术领域，尤其涉及一种预应力多级地锚及其使用方法。


背景技术：

2.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。
3.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，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。预应力固井技术是国内外稠油开采普遍采用的技术。目前，在预应力固井的过程中，地锚作为固井工具，其工作状态对预应力固井的质量具有一定的影响，当地锚不能牢固地锚定于井壁内时，会影响套管在井内的固定牢固度，一旦套管不能牢固的安装于井内，会降低固井的质量，降低预应力固井的成功率，从而提高了套管损失的风险。


技术实现要素：

4.为解决上述技术问题，本发明提供一种预应力多级地锚，包括轴向连接并可相对旋转的第一锚体和第二锚体；所述第一锚体包括顶端开口的壳体，所述壳体内设有两端开口的滑筒和与所述滑筒铰接的第一锚爪机构，所述滑筒可轴向滑动并推动所述第一锚爪机构径向锚定；所述壳体底部设有第一连接座；所述第二锚体包括第二连接座、驱动机构、第二锚爪机构和固定底座，所述驱动机构一端可旋转连接所述第二连接座，另一端连接所述第一连接座，所述驱动机构通过旋转驱动所述第二锚爪机构径向锚定，所述固定底座底部设有可锚入地面的尖刺部。
5.第一锚体和第二锚体连接后下入井眼时，固定底座上的尖刺部刺入井底，对第二锚体进行预固定，防止其滑转。旋转第一锚体，第一锚体相对于第二锚体旋转，带动与其相连的驱动机构旋转，驱动机构驱动第二锚爪机构径向锚定井壁，完成一阶锚定。使用工具对滑筒进行碰压，使滑筒下滑并推动第一锚爪机构径向锚定井壁，完成二级锚定。
6.本发明中的预应力多级地锚可以应用于普通垂直井中，但是优选用于如下结构的井眼中，井眼包括第一竖直段和第二竖直段，第一竖直段的直径小于第二竖直段的直径，两者形成了一个肩部结构，当预应力多级地锚下入井眼后，第二锚体位于第二竖直段内，当第二锚体的第二锚爪机构径向扩张时，可锚定于第二竖直段的侧壁上，第一竖直段和第二竖
直段形成的肩部结构增强了第二锚体的锚定效果。第一锚体位于第一竖直段内，当第一锚体的第一锚爪机构径向扩张时，锚定于第一竖直段的侧壁上，由于第一竖直段与第一锚体之间的环形空间较小，因此第一锚爪机构可以更加充分的锚定于第一竖直段的侧壁。在第一锚体和第二锚体以及肩部结构的共同作用下，实现更加稳固的锚定效果。
7.优选的，所述壳体的侧壁径向设有供所述第一锚爪机构通过的第一通孔，开口端设有套管连接部，所述套管连接部下方设有供所述滑筒轴向滑动的定位盘，所述定位盘轴向圆周设有第二通孔，中心处设有供所述滑筒滑动通过的第一定位孔；所述第一连接座的上端面设有与所述第一锚爪机构铰接的第一铰接座以及弹性件，下端面中心处设有螺纹连接部；所述弹性件包括轴向连接的支撑杆和弹簧，所述弹性件的上端面连接所述滑筒的下端面；所述滑筒包括滑筒本体和第二铰接座；所述第一锚爪机构一端铰接所述滑筒，另一端铰接所述第一连接座。
8.优选的，所述第一锚爪机构包括连杆和第一锚爪，所述第一锚爪包括与所述第一连接座的上端面铰接的第一铰接端和与所述连杆一端铰接的第二铰接端，所述连杆的另一端铰接所述第二铰接座。
9.优选的，所述第一定位孔包括轴向连通的第一锁定孔和第二锁定孔；所述滑筒本体侧壁交错设有轴向延伸的第三通孔；所述第一锁定孔的直径与所述滑筒本体的外直径一致且小于所述第二锁定孔的直径，所述滑筒本体可在机械力的作用下径向扩张并锁定于所述第二锁定孔内；初始状态下，所述滑筒本体的上端面与所述第一定位孔的上端面高度基本一致。
10.优选的，所述第二连接座中心处设有所述驱动机构，所述驱动机构包括旋转盘和中心轴，所述旋转盘的外侧壁设有第一轮齿，所述中心轴远离所述旋转盘一端设有与所述螺纹连接部相应的螺纹槽；所述第二连接座的中心处设有第四通孔，所述中心轴滑动穿过所述第四通孔，所述旋转盘通过剪钉临时固定于所述第二连接座的下端面。
11.优选的，所述第二连接座的下端面圆周设有从动机构和所述第二锚爪机构，所述驱动机构一端连接所述第一连接座，另一端通过所述从动机构驱动所述第二锚爪机构径向锚定；所述从动机构包括与所述旋转盘啮合的齿轮和第一推杆固定座，所述第二锚爪机构包括多个弧形的第二锚爪和固定于所述第二锚爪内弧面的第一推杆，所述第二锚爪径向设有多个第五通孔，所述第一推杆沿长度方向上设有第二轮齿，其远离所述第二锚爪的一端设有第一限位块，所述第一推杆滑动设于所述第一推杆固定座内并与所述齿轮啮合；初始状态下，多个所述第二锚爪围合成圆形。
12.优选的，所述第二连接座的下端面圆周固定设有第二限位块，所述第二限位块的下端面固定连接所述固定底座的上端面，所述旋转盘的下端面圆周等距设有径向延伸的第二推杆，所述第二推杆沿其长度方向设有第三限位块，所述第二锚爪机构包括多个新月形的第二锚爪和固定于所述第二锚爪内弧面的
第一推杆，所述第二锚爪的截面为三角形，所述第一推杆的另一端与所述第二推杆铰接，当所述驱动机构旋转时，所述第二推杆随着所述旋转盘旋转，在所述第二推杆和所述第二限位块的共同作用下，所述第二锚爪径向扩张锚定。
13.优选的，所述第一连接座设有密封凸缘，所述密封凸缘的下端面圆周设有第一滑槽，所述第二连接座的上端面与所述密封凸缘的下端面抵接，且设有与所述第一滑槽相应的第一滑轨，所述第一滑轨内侧设有定位环，所述定位环的上端面设有第二滑槽，所述第一连接座的下端面设有与所述定位环相应的定位槽和与所述第二滑槽相应的第二滑轨。
14.优选的，所述第一锚爪机构轴向设有多个，相邻两个所述第一锚爪机构通过连接件串联，所述连接件包括连接件本体，所述连接件本体的下端面设有第三铰接座，上端面设有第四铰接座。
15.一种预应力多级地锚的使用方法，包括以下步骤：步骤s10、开凿井眼，所述井眼包括第一竖直段和第二竖直段，所述第二竖直段的直径大于所述第一竖直段的直径；步骤s20、下入套管串，将套管、第一锚体和第二锚体连接后组成套管串，下入井眼内的预定位置；步骤s30、预固定，对套管串施压，使第二锚体的尖刺部刺入井眼底部，实现预固定；步骤s40、一阶锚定，旋转套管，第一锚体随套管旋转并带动与其相连接的驱动机构旋转，驱动机构旋转驱动第二锚爪机构径向扩张锚定；步骤s50、二阶锚定，下入变径膨胀工具，将变径膨胀工具对准滑筒后下推，弹性件压缩，滑筒在推力作用下下滑，通过连杆带动第一锚爪径向展开，当第一锚爪展开至极限时，滑筒不再下滑，变径膨胀工具继续下推至滑筒内部，对滑筒进行扩径，扩径后的滑筒被限制在第二锁定孔内实现锁定，撤掉变径膨胀工具；步骤s60、泵入泥浆，泥浆通过所述定位盘上的第一定位孔以及滑筒上的第三通孔，经壳体上的第一通孔流入井眼与套管之间的环形空间内；步骤s70、预应力固井，从井口对套管施加预应力提拉，第一锚爪和第二锚爪牢固的卡在井眼中的第一竖直段和第二竖直段内，将套管固定在井内，泥浆凝固后，完成预应力固井。
16.与现有技术相比，本发明具有如下有益技术效果：1、设置轴相连接并可相对旋转的第一锚体和第二锚体，通过旋转第一锚体使第二锚体径向锚定，然后通过机械力推动第一锚体径向锚定，形成多级锚体结构，配合具有肩部结构的井眼结构，充分提高了预应力多级地锚的锚定效果；2、在推动第一锚爪机构展开的滑筒侧壁设置第三通孔，配合具有梯度结构的第一定位孔，可以在机械力的作用下实现扩径膨胀锁定效果，保证第一锚爪机构锚定状态的稳定性，进一步提高锚定效果；
3、固定盘和滑筒上均设有供泥浆通过的通孔，滑筒扩径后，泥浆过流面积增大，可以进一步提高泥浆的流通速度，提高固井效率；4、第二锚体的底座设置尖刺部，有效防止第二锚体旋转，提高预固定效果；5、在第一连接座和第二连接座相接处设置滑槽和滑动轨道，可以降低第一锚体旋转时的阻力，同时有效避免第二锚体随第一锚体旋转，有利于第二锚体顺利径向锚定；综上所述，本发明提供的预应力多级地锚，锚定更加稳固，固井泥浆过流量大，填充效率高，预应力提拉更充分。
附图说明
17.图1为本发明的剖面图；图2为图1的爆炸视图；图3为图2中壳体的剖面图；图4为图2中滑筒和第一锚爪机构的结构示意图；图5为图2中驱动机构、第二连接座和从动机构的结构示意图；图6为图2中第二锚爪机构的结构示意图；图7为本发明预固定状态图；图8为本发明一阶锚定状态图；图9为本发明二阶锚定状态图；图10为井眼的结构示意图；图11为实施例2中第二锚爪机构、第二推杆和第二限位块的结构示意图；图12为图11中第二锚爪机构的剖面图；图13为实施例3中预应力多级地锚的剖面图；图14为图13中连接件的结构示意图。
18.附图标记说明：011、第一竖直段，012、第二竖直段，1、第一锚体，2、第二锚体，11、壳体，111、第一通孔，112、套管连接部，113、定位盘，114、第二通孔，115、第一定位孔，1151、第一锁定孔，1152、第二锁定孔，116、第一铰接座，117、弹性件，1171、支撑杆，1172、弹簧，12、第一连接座，121、螺纹连接部，122、定位槽，1221、第二滑轨，123、密封凸缘，1231、第一滑槽，13、滑筒，131、滑筒本体，132、第三通孔，133、第二铰接座，14、第一锚爪机构，141、连杆，142、第一锚爪，1421、第一铰接端，1422、第二铰接端，15、连接件，151、连接件本体，152、第三铰接座，153、第四铰接座，21、第二连接座，211、第四通孔，212、第一滑轨，213、定位环，2131、第二滑槽，22、驱动机构，221、旋转盘，2211、第一轮齿，222、中心轴，2221、螺纹槽，223、剪钉，23、从动机构，231、齿轮，232、第一推杆固定座，24、第二锚爪机构，241、第一推杆，2411、第二轮齿，2412、第一限位块，242、第二锚
爪，2421、第五通孔，25、固定底座，251、尖刺部，26、第二限位块，27、第二推杆，271、第三限位块。
具体实施方式
19.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。
20.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。
21.实施例1如图1
‑
6所示，本实施例提供一种预应力多级地锚，包括轴向连接并可相对旋转的第一锚体1和第二锚体2；所述第一锚体1包括顶端开口的壳体11，所述壳体11内设有两端开口的滑筒13和与所述滑筒13铰接的第一锚爪机构14，所述滑筒13可轴向滑动并推动所述第一锚爪机构14径向锚定；所述壳体11底部设有第一连接座12；所述第二锚体2包括第二连接座21、驱动机构22、第二锚爪机构24和固定底座25，所述驱动机构22一端可旋转连接所述第二连接座21，另一端连接所述第一连接座12，所述驱动机构22通过旋转驱动所述第二锚爪机构24径向锚定，所述固定底座25底部设有可锚入地面的尖刺部251。
22.第一锚体1和第二锚体2连接后下入井眼时，固定底座25上的尖刺部251刺入井底，对第二锚体2进行预固定，防止其滑转，预固定状态如图7所示。旋转第一锚体1，第一锚体1相对于第二锚体2旋转，带动与其相连的驱动机构22旋转，驱动机构22驱动第二锚爪机构24径向锚定井壁，完成一阶锚定，一阶锚定状态如图8所示。使用工具对滑筒13进行碰压，使滑筒13下滑并推动第一锚爪机构14径向锚定井壁，完成二级锚定，二阶锚定状态如图9所示。
23.本发明中的预应力多级地锚可以应用于普通垂直井中，但是优选用于如下结构的井眼中，如图10所示，所述井眼包括第一竖直段011和第二竖直段012，第一竖直段011的直径小于第二竖直段012的直径，两者形成了一个肩部结构，当预应力多级地锚下入井眼后，第二锚体2位于第二竖直段012内，当第二锚体2的第二锚爪机构24径向扩张时，可锚定于第二竖直段012的侧壁上，第一竖直段011和第二竖直段012形成的肩部结构增强了第二锚体2的锚定效果。第一锚体1位于第一竖直段011内，当第一锚体1的第一锚爪机构14径向扩张时，锚定于第一竖直段011的侧壁上，由于第一竖直段011与第一锚体1之间的环形空间较小，因此第一锚爪机构14可以更加充分的锚定于第一竖直段011的侧壁。在第一锚体1和第二锚体2以及肩部结构的共同作用下，实现更加稳固的锚定效果。
24.如图1
‑
4所示，本实施例中第一锚体1的具体技术方案如下，所述壳体11的侧壁径向设有供所述第一锚爪机构14通过的第一通孔111，开口端设有套管连接部112，所述套管
连接部112下方设有供所述滑筒13轴向滑动的定位盘113，所述定位盘113轴向圆周设有第二通孔114，中心处设有供所述滑筒13滑动通过的第一定位孔115；所述第一连接座12的上端面设有与所述第一锚爪机构14铰接的第一铰接座116以及弹性件117，下端面中心处设有螺纹连接部121；所述弹性件117包括轴向连接的支撑杆1171和弹簧1172，所述弹性件117的上端面连接所述滑筒13的下端面；所述滑筒13包括滑筒本体131和第二铰接座133；所述第一锚爪机构14一端铰接所述滑筒13，另一端铰接所述第一连接座12。
25.所述第一锚爪机构14包括连杆141和第一锚爪142，所述第一锚爪142包括与所述第一连接座12的上端面铰接的第一铰接端1421和与所述连杆141一端铰接的第二铰接端1422，所述连杆141的另一端铰接所述第二铰接座133。
26.本技术方案中，定位盘113和弹性件117共同限定了滑筒13的轴向位置，弹性件117受力压缩时，滑筒13沿定位盘113下滑，并推动与其铰接的第一锚爪机构14径向扩张，实现对井壁的锚定。弹性件117采用了支撑杆1171和弹簧1172相结合的方式，支撑杆1171可以起到支撑和限位作用，避免滑筒13过度下滑，弹簧1172可以通过回弹力控制滑筒13的轴向位移，从而控制第一锚爪机构14的扩张和收缩。
27.本实施例提供了一种可以将滑筒13进行锁定的技术方案，如图3和图4所示，所述第一定位孔115包括轴向连通的第一锁定孔1151和第二锁定孔1152；所述滑筒本体131侧壁交错设有轴向延伸的第三通孔132；所述第一锁定孔1151的直径与所述滑筒本体131的外直径一致且小于所述第二锁定孔1152的直径，所述滑筒本体131可在机械力的作用下径向扩张并锁定于所述第二锁定孔1152内；初始状态下，所述滑筒本体131的上端面与所述第一定位孔115的上端面高度基本一致。
28.上述技术方案中，可以通过使用扩径膨胀工具对滑筒13进行碰压和扩径锁定。初始状态下，第一锚爪机构14处于收缩状态，先将扩径膨胀工具对准滑筒本体131的上部开口处施压，弹簧1172在压力作用下收缩，滑筒13下滑推动第一锚爪机构14径向扩张，当第一锚爪机构14扩张至极限状态后，弹簧1172压缩至最大值，滑筒13停止下滑，此时滑筒本体131脱离第一锁定孔1151并位于第二锁定孔1152内。继续施压，在压力和支撑杆1171支撑力的共同作用下，第三通孔132受挤压变形，扩径膨胀工具进入滑筒本体131内实现对滑筒本体131的扩径，扩径完成后，取出扩径膨胀工具，滑筒131被限制在第二锁定孔1152内，完成锁定，锁定后的滑筒13不再发生轴向滑移，保证了第一锚爪机构14锚定状态的稳定性，提高了锚定效果。
29.如图2和图5所示，本实施例中第二锚体2的具体技术方案如下，所述第二连接座21中心处设有所述驱动机构22，所述驱动机构22包括旋转盘221和中心轴222，所述旋转盘221的外侧壁设有第一轮齿2211，所述中心轴222远离所述旋转盘221一端设有与所述螺纹连接部121相应的螺纹槽2221；所述第二连接座21的中心处设有第四通孔211，所述中心轴222滑动穿过所述第四通孔211，所述旋转盘221通过剪钉223临时固定于所述第二连接座21的下端面。从而保证初
始状态下第二锚爪机构24处于收缩状态。
30.所述第二连接座21的下端面圆周设有从动机构23和所述第二锚爪机构24，所述驱动机构22一端连接所述第一连接座12，另一端通过所述从动机构23驱动所述第二锚爪机构24径向锚定；所述从动机构23包括与所述旋转盘221啮合的齿轮231和第一推杆固定座232，所述第二锚爪机构24包括多个弧形的第二锚爪242和固定于所述第二锚爪242内弧面的第一推杆241，所述第二锚爪242径向设有多个第五通孔2421，所述第一推杆241沿长度方向上设有第二轮齿2411，其远离所述第二锚爪242的一端设有第一限位块2412，所述第一推杆241滑动设于所述第一推杆固定座232内并与所述齿轮231啮合；初始状态下，多个所述第二锚爪242围合成圆形。
31.上述技术方案中，通过啮合传动的方式实现了第二锚爪机构24的径向扩张，结构简单，锚定效果好。第二锚爪242上的第五通孔2421可以使固井泥浆更加充分的填充整个井眼底部，提高固井效果。
32.如图3和图5所示，本实施例中的第一连接座12和第二连接座21还具有如下优选结构设计，所述第一连接座12设有密封凸缘123，所述密封凸缘123的下端面圆周设有第一滑槽1231，所述第二连接座21的上端面与所述密封凸缘123的下端面抵接，且设有与所述第一滑槽1231相应的第一滑轨212，所述第一滑轨212内侧设有定位环213，所述定位环213的上端面设有第二滑槽2131，所述第一连接座12的下端面设有与所述定位环213相应的定位槽122和与所述第二滑槽2131相应的第二滑轨1221。
33.上述技术方案中，通过滑槽和滑轨相互配合，降低了第一锚体1和第二锚体2之间的旋转阻力，提高了旋转锚定效率，同时定位环213和定位槽122相互配合进行定位，方便螺纹连接部121与螺纹槽2221的连接对准，提高安装效率。
34.实施例2本实施例提供了一种预应力多级地锚，其中第一锚体1与实施例1结构相同，第二锚体2采用另一种技术方案，实现第二锚体2在驱动机构22的旋转驱动下径向扩张锚定，第二锚体2中的第二连接座21、驱动机构22和固定底座25的结构与实施例1相同，不再赘述。
35.所述第二连接座21的下端面圆周固定设有第二限位块26，所述第二限位块26的下端面固定连接所述固定底座25的上端面，所述旋转盘221的下端面圆周等距设有径向延伸的第二推杆27，所述第二推杆27沿其长度方向设有第三限位块271，所述第二锚爪机构24包括多个新月形的第二锚爪242和固定于所述第二锚爪242内弧面的第一推杆241，所述第二锚爪242的截面为三角形，所述第一推杆241的另一端与所述第二推杆27铰接，当所述驱动机构22旋转时，所述第二推杆27随着所述旋转盘221旋转，在所述第二推杆27和所述第二限位块26的共同作用下，所述第二锚爪242径向扩张锚定。
36.本实施例中的第二锚体机构24整体结构更加轻巧，锚定时遮挡面积小，有利于固井泥浆充满整个井眼，同时第二锚爪242具有三角形截面，三角形的尖锐端可以刺入井壁，
使锚定更加稳固。
37.实施例3本实施例提供一种预应力多级地锚，对实施例1或2中的第一锚爪机构14进行串联，形成具有至少两个第一锚爪142的多级地锚，进一步提高了锚定效果，其余结构与实施例1或2相同，不再赘述。具体技术方案如下，如图13和图14所示，所述第一锚爪机构14轴向设有多个，相邻两个所述第一锚爪机构14通过连接件15串联，所述连接件15包括连接件本体151，所述连接件本体151的下端面设有第三铰接座152，上端面设有第四铰接座153。
38.本实施例中的第一锚爪机构14串联设有两个，在实际施工过程中，可以根据需要进行两个以上的多级串联，进一步保证锚定的稳固性。
39.实施例4一种预应力多级地锚的使用方法，包括以下步骤：步骤s10、开凿井眼，所述井眼包括第一竖直段011和第二竖直段012，所述第二竖直段012的直径大于所述第一竖直段011的直径；步骤s20、下入套管串，将套管、第一锚体1和第二锚体2连接后组成套管串，下入井眼内的预定位置；步骤s30、预固定，对套管串施压，使第二锚体2的尖刺部251刺入井眼底部，实现预固定；步骤s40、一阶锚定，旋转套管，第一锚体1随套管旋转并带动与其相连接的驱动机构22旋转，驱动机构22旋转驱动第二锚爪机构24径向扩张锚定；步骤s50、二阶锚定，下入变径膨胀工具，将变径膨胀工具对准滑筒13后下推，弹性件117压缩，滑筒13在推力作用下下滑，通过连杆141带动第一锚爪142径向展开，当第一锚爪142展开至极限时，滑筒13不再下滑，变径膨胀工具继续下推至滑筒13内部，对滑筒13进行扩径，扩径后的滑筒13被限制在第二锁定孔1152内实现锁定，撤掉变径膨胀工具；步骤s60、泵入泥浆，泥浆通过所述定位盘113上的第一定位孔115以及滑筒13上的第三通孔132，经壳体11上的第一通孔111流入井眼与套管之间的环形空间内；步骤s70、预应力固井，从井口对套管施加预应力提拉，第一锚爪142和第二锚爪242牢固的卡在井眼中的第一竖直段011和第二竖直段012内，将套管固定在井内，泥浆凝固后，完成预应力固井。
40.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。