Оборудование для нефтяных и газовых скважин
15 мин Якорь скважины является критически важным элементом компоновки подземного оборудования, обеспечивающим жесткую фиксацию пакера в обсадной колонне и предотвращающим его осевое перемещение под воздействием дифференциального давления, температурных деформаций и динамических нагрузок. От типа якорного устройства зависит несущая способность всей компоновки при знакопеременных нагрузках ШГН, проведении ГРП или технологических операций. Смещение пакера ведет к негерметичности узла уплотнения и прорыву пластовых вод в зону отбора. В статье рассмотрены основные типы скважинных якорей, их конструктивные особенности, области применения и передовые решения от НПФ «Пакер» - лидера российского рынка пакерно-якорного оборудования. Проанализировано влияние правильного подбора якоря на увеличение межремонтного периода (МРП) скважин.
Основная функция
Якорь обеспечивает надежную фиксацию пакера (или элементов компоновки) в эксплуатационной колонне, исключая:
Без применения якорного устройства уплотнительные элементы (манжеты) пакера теряют герметичность вследствие деформации НКТ в процессе эксплуатации скважины.
В современной практике проектирования компоновок внутрискважинного оборудования (ВСО) и подземного ремонта скважин, якорные устройства делятся на две основные группы по принципу действия и способу активации: механические и гидравлические (включая гидромеханические). По функциональному назначению и конструктивным особенностям отдельно выделяют специализированные противопесочные якорные устройства. Каждая группа решает специфические задачи и имеет свои ограничения по применению.
Принцип работы осевых механических якорей основан на преобразовании осевой механической нагрузки (разгрузки веса колонны труб или натяжения с поверхности) в радиальное перемещение фиксирующих элементов. Ключевым узлом устройства является система конусов и плашек с твердосплавными насечками.
При спуске в скважину якорь находится в транспортном положении. После достижения заданной глубины силами бригады подземного или капитального ремонта скважин (ПРС/КРС) производится манипуляция колонной НКТ (например, разгрузка). При этом конус перемещается относительно корпуса, выдвигая плашки наружу до контакта со стенкой эксплуатационной колонны. За счет насечек происходит фиксация плашек в металл колонны, что обеспечивает надежную фиксацию компоновок от осевого смещения.
Основным преимуществом механических якорей является независимость процесса их активации от наличия давления в скважине. Они применяются в случаях, когда зафиксировать внутрискважинное оборудование необходимо до начала основных технологических процессов (например, до запуска насоса или закачки флюида).
Устройства обладают высокой удерживающей способностью, однако область их эффективного применения ограничена вертикальными и слабоискривленными скважинами. В глубоких наклонно-направленных и горизонтальных стволах их использование затруднено из-за сил трения колонны НКТ, препятствующих точной передаче осевых и вращательных усилий с поверхности к якорю.
Якоря‑трубодержатели механические ЯТ-О, ЯТ, ЯМ (рис.1) предназначены для жесткой фиксации пакеров в обсадных колоннах стандартных типоразмеров. Конструкция включает корпус, конус и комплект плашек с твердосплавным напылением.
Гидравлические якоря активируются за счет создания избыточного давления внутри колонны НКТ (создания перепада давления между трубным и затрубным пространством). Принцип действия устройства основан на воздействии давления скважинного флюида на внутренние поршни (плунжеры), которые радиально выдвигают фиксирующие элементы - плашки с твердосплавными насечками - до их жесткой фиксации в стенку эксплуатационной колонны.
Данный тип якорных устройств особенно востребован в глубоких скважинах и стволах с большим зенитным углом (вплоть до горизонтальных), где передача механических усилий с поверхности затруднена или невозможна из-за сил трения колонны труб. Также они незаменимы при проведении многозонных технологических операций (например, МГРП), требующих поэтапной активации внутрискважинного оборудования без проведения дополнительных спуско-подъемных операций.
Конструкция гидравлических якорей обеспечивает автоматическое увеличение удерживающей способности пропорционально росту давления в колонне НКТ (чем выше рабочее давление технологической операции, тем сильнее плашки внедряются в металл). Для снижения риска локальной деформации или повреждения эксплуатационной колонны при сверхвысоких давлениях, современные гидроякоря оснащаются многопоршневыми системами, которые равномерно распределяют радиальные нагрузки по всему периметру стенки скважины
Якоря гидравлические ЯГ1(М), ЯГ2, ЯГ3(М) (рис.2) применяются в компоновках для ГРП и в скважинах с высокой интенсивностью искривления ствола, где механическая посадка оборудования невозможна.
Серия гидравлических якорей, активируемых избыточным давлением внутри колонны труб. Модели различаются по диаметру проходного сечения, давлению срабатывания и максимальному допустимому рабочему давлению. Конструкция гидромеханических модификаций предусматривает наличие внутреннего фиксирующего замка (храпового механизма), предотвращающего самопроизвольный срыв якоря при временном сбросе давления в НКТ. Возврат фиксирующих элементов в транспортное положение при извлечении компоновки обеспечивается встроенной пружинной системой или срезом фиксирующих штифтов.
Противопесочные якоря представляют собой специализированный класс скважинного оборудования, предназначенный для эксплуатации в условиях интенсивного выноса механических примесей (песка, проппанта). Их ключевая задача заключается в совмещении жесткой фиксации колонны НКТ с защитой подвижных узлов самого якорного механизма и вышележащего насосного оборудования от абразивного износа и заклинивания. Кроме того, они предотвращают скопление шлама в затрубном пространстве, снижая риск аварийных песчаных прихватов компоновки.
Конструктивно такие устройства объединяют узлы механической или гидравлической фиксации с элементами сепарации. Они оснащаются защитными экранами, лабиринтными каналами для отвода взвешенных частиц или встроенными сепарационными полостями (шламовыми карманами). Противопесочный якорь может быть интегрирован в единый защитный комплекс со скважинным фильтром, обеспечивая комплексную очистку поступающего из пласта флюида на приеме насоса.
Для удобства выбора приведем сравнение основных характеристик рассмотренных типов якорных устройств.
| Параметр | Механический якорь | Гидравлический якорь | Противопесочный якорь |
|---|---|---|---|
| Принцип активации | Разгрузка веса НКТ | Давление жидкости | Комбинированный / Специальный |
| Несущая способность | Очень высокая | Высокая | Средняя / Высокая (зависит от модели) |
| Применимость в ННС | Ограничена (трение труб) | Отличная | Отличная |
| Устойчивость к абразиву | Средняя | Средняя | Высокая (специальная защита) |
| Сложность монтажа | Низкая | Средняя | Высокая |
| Основное назначение | УШГН, вертикальные стволы | ГРП, горизонтальные стволы | Песчаные скважины, ГРП |
Если расчетный перепад давления на уплотнительном элементе превышает 10–15 МПа (например, при ППД, РИР или фонтанной добыче), применение якорного устройства является строго обязательным для предотвращения срыва компоновки.
Для скважин, оборудованных ШГН (УШГН), из-за постоянных циклических и знакопеременных нагрузок допускается применение исключительно клиновых (плашечных) якорей. Эластичные чашечные элементы для этих целей неприменимы.
При зенитном угле более 30° в наклонно-направленных и горизонтальных скважинах стандартная разгрузка веса НКТ затруднена из-за сил трения труб о стенки. В этих условиях необходима жесткая фиксация клиновым якорем.
В интервалах с локальными деформациями, кавернами или коррозионным износом для надежной герметизации эффективны чашечные (манжетные) пакеры.
Для снижения аварийности и сокращения времени СПО рекомендуется использовать интегрированные пакерно-якорные системы (где пакер и якорь объединены в одном корпусе), а не собирать компоновку из раздельных узлов от разных производителей.
Многие отказы связаны не с пакером, а с некачественным якорем:
НПФ «Пакер» производит якоря с заводским качеством и протоколами испытаний, а также предоставляет техническую поддержку инженеров для подбора оборудования.
Надежность эксплуатации и подземного ремонта напрямую зависит от качества фиксации внутрискважинного оборудования. Якорь скважины является ключевым узлом компоновки, принимающим на себя основные механические нагрузки и осевые усилия от перепадов давления. Правильный выбор способа фиксации (механический или гидравлический), а также своевременное применение специализированного противопесочного исполнения позволяют избежать аварийных ситуаций, существенно продлить межремонтный период (МРП) и обеспечить стабильную работу скважины в сложных геолого-технических условиях.
Технологам и инженерам по рекомендуется тщательно анализировать профиль ствола скважины, характер знакопеременных нагрузок и компонентный состав добываемого флюида перед подбором подземного оборудования. Использование проверенных отечественных решений, таких как механические якоря типов ЯТ и гидравлические якоря серии ЯГ производства НПФ «Пакер», гарантирует высокую удерживающую способность и соответствие оборудования жестким стандартам нефтегазовой отрасли.
Технически возможно, но эффективность фиксации будет низкой. Из-за трения труб о стенки ствола вес НКТ не передается полностью на якорь. В горизонтальных участках рекомендуется применять гидравлические якоря.
Превышение давления может привести к необратимой деформации плашек или повреждению корпуса якоря. Важно строго соблюдать паспортные значения давления активации, указанные в технической документации.
Большинство якорей НПФ «Пакер» имеют механизм возврата плашек в транспортное положение. Для механических якорей требуется приложение осевого усилия на подъем (натяжка труб). Для гидравлических - часто предусмотрен сброс давления или подача импульса давлен
Да. В зонах сильной коррозии или каверн плашки якоря могут не найти достаточной опоры, что снизит усилие фиксации. В таких случаях следует использовать якоря с увеличенной площадью контакта или применять пакеры с чашечными элементами, компенсирующими неро