滿足頁巖氣水平井固井質量的套管扶正器研究

趙建國，李 黔，尹 虎

（西南石油大學 石油工程學院，成都610500）①

據統計，超過90%的頁巖氣水平井采用套管固井［1］，有利于井壁穩定及后期采取增產措施等［2］。為提高固井質量，通常在套管上安裝扶正器［3－5］。由于頁巖吸水會膨脹、井眼容易垮塌和變形，因此對扶正器的要求更為苛刻。目前的扶正器都存在著居中度不高的問題，且由于外徑的限制使得下入困難。因此，有必要研制同時具備安全下入、產生旋流、具有較高居中度性能的扶正器。

1 現有扶正器的不足

1） 剛性旋流扶正器 目前在215.9mm（8.5英寸 ）的井眼中下入最大扶正器的外徑達212mm，雖然外表加工有滾輪，可在一定程度上增加套管的下入安全性，但是井眼與扶正器的間隙極小，下入困難，容易出現蹩卡現象。在鉆進過程中鉆頭的振動、偏心等原因導致井徑發生變化［7］，若井徑擴大率可達10%，剛性扶正器的居中度會大幅降低，同樣其旋流效果也很差，導致頂替效率極低［8－9］。

2） 彈簧片扶正器 彈簧片扶正器分為單弓、雙弓等類型［10］，其外徑很大，下入過程中受到井眼的軸向力而發生徑向擴大變形，導致阻力會大幅增加，下入困難。彈簧片扶正器扶正需要軸向阻力，下入至設計井身時由于其軸向阻卡力有限，居中度不高于70%，并且不能產生旋流頂替。

3） 變徑扶正器 已開發的變徑扶正器，初始外徑同樣很大，如在215.9mm（8.5英寸）的井眼中下入最大扶正器的初始外徑達210mm，使得下入安全性問題同樣沒有徹底解決。且其最大擴徑也只有設計井眼的直徑大?。?1］，沒有考慮井徑的變化。

2 新型扶正器的結構及工作原理

新型扶正器的結構如圖1所示。其中：扶正機構為彈簧片；止退機構由彈簧、止退銷釘和止退孔組成；液壓機構由內密封圈、外密封圈、活塞和液壓腔共同組成。扶正彈簧片上有3～8根均勻軸對稱分布的支撐片，可提足夠的支撐力。液壓腔外部開有3～6個與軸線成30～600°夾角的螺旋槽，水泥漿在螺旋槽上產生旋流。

圖1 新型扶正器結構

下入前組裝扶正器，如圖1，使扶正彈簧片處于徑向預彎狀態，以使其對套管扶正時所需的液壓更小，更容易扶正。套管下入過程中，扶正彈簧片收縮在液壓腔里面，不僅可以確保下入過程中彈簧片不會撐出，還可以使帶旋流功能的可變徑套管扶正器的外徑變得很?。ǚ稣魍鈴脚c接箍外徑相同），下套管時可以大幅減小套管摩阻，顯著增加下套管的安全性。當固井管串下入到指定位置時，對帶旋流功能的可變徑套管扶正器加液壓，此時液壓從主體上的液壓孔傳遞到活塞上，活塞向右移動，從而軸向擠壓扶正彈簧片，扶正彈簧片上處于徑向預彎的支撐片徑向變形，同時彈簧與止退銷釘向右移動。當移動到設計位置時，止退銷釘在彈簧的彈力下與止退孔配合，從而阻止彈簧片向左移動，此時彈簧片將不能徑向收縮，套管扶正完畢。對井眼注水泥固井時，水泥漿在螺旋槽上產生旋流，從而提高水泥漿的頂替效率，最終達到提高固井質量的目的。

3 主要參數

新型扶正器的系列及主要參數如表1所示。

表1 新型扶正器的主要參數

由表1可知：新型扶正器在未撐開彈簧片時其最大外徑與套管接箍外徑相同，因此即便使用了套管扶正器也不會增加管串的外徑，其與井壁的間隙可達到最大值，能有效降低管串的下入摩阻；并且，當彈簧片撐開后，其外徑跟井眼相比可超過10%，能在井眼擴眼情況下提高套管的居中度。

4 試驗

試驗裝置如圖2。本試驗模擬的是1根套管安裝1個扶正器的情況。內徑為215.9mm（8.5英寸）的鋼管模擬井筒，將158mm的扶正器安裝在井筒內，并將扶正器兩端分別懸空固定在支架上，給鋼管加載荷（為1根139.7mm套管的重力），最后將液壓管線連接在液壓噴嘴上。開泵加壓試驗如圖3。

圖2 扶正器試驗裝置結構

圖3 扶正器的壓力－居中度關系曲線

由圖3可知，在扶正器加壓至14MPa時，扶正器的居中度為97%，而常規扶正器僅有75%左右的居中度，因此，試驗證明能充分滿足頁巖氣水平井的固井要求。

5 結論

1） 本文結合了旋流扶正器、彈簧片扶正器及液力變徑扶正器的優點，設計出了適用于頁巖氣水平井固井質量要求的可變徑的彈簧片帶旋流的新型頁巖氣水平井套管扶正器。

2） 在頁巖氣水平井套管串下入過程中，新型扶正器的外徑與套管接箍的外徑相同，與常規扶正器相比較其外徑小了約30%，因此，在頁巖氣水平井對固井條件要求較苛刻的條件下，新型扶正器下入更容易、更安全。

3） 試驗結果表明：在壓力為14MPa時新型扶正器的居中度為97%，超過常規套管扶正器約75%的居中度，可大幅提高頁巖氣水平井的套管居中度及頂替效率，從而提高頁巖氣水平井的固井質量。

［1］閆聯國，周玉倉.彭頁HF－1頁巖氣井水平段固井技術［J］.石油鉆探技術，2012，40（4）：47－51.

［2］李慶輝，陳 勉，Fred P Wang，等.工程因素對頁巖氣產量的影響——以北美 Haynesville頁巖氣藏為例［J］.開發工程，2012，32（4）：1－6.

［3］趙常青，馮 彬，劉世彬，等.四川盆地頁巖氣井水平井段的固井實踐［J］.鉆井工程，2012，32（9）：61－65.

［4］劉 偉，陶 謙，丁士東.頁巖氣水平井固井技術難點分析與對策［J］.石油鉆采工藝，2012，34（3）：40－43.

［5］李定先.使用套管扶正器提高固井質量［J］.鉆采工藝，1990，13（2）：90－93.

［6］袁俊亮，鄧金根，蔚寶華，等.頁巖氣藏水平井井壁穩定性研究［J］.天然氣工業，2012，32（9）：66－70.

［7］襲 杰.井徑變化的影響因素與固井水泥注灰量的關系［J］.油氣田地面工程，2003，22（5）：58－61.

［8］舒秋貴.在旋流扶正器作用下環空流場旋流衰減規律研究［J］.天然氣工業，2005，25（9）：57－60.

［9］舒秋貴.在旋流扶正器作用下環空液體流動規律的實驗研究［J］.西部探礦工程，2005（10）：55－57.

［10］黎 勤，陳子輝，王晗陽.弓形彈簧套管扶正器質量可靠性分析［J］.鉆采工藝，2003，26（3）：58－68.

［11］韓成才，田美娥，崔占琴.機液控制可變徑扶正器的結構及應用研究［J］.西安石油學院學報，1997，12（3）：53－56.