满足页岩气水平井固井质量的套管扶正器研究

赵建国，李 黔，尹 虎

（西南石油大学 石油工程学院，成都610500）①

据统计，超过90%的页岩气水平井采用套管固井［1］，有利于井壁稳定及后期采取增产措施等［2］。为提高固井质量，通常在套管上安装扶正器［3－5］。由于页岩吸水会膨胀、井眼容易垮塌和变形，因此对扶正器的要求更为苛刻。目前的扶正器都存在着居中度不高的问题，且由于外径的限制使得下入困难。因此，有必要研制同时具备安全下入、产生旋流、具有较高居中度性能的扶正器。

1 现有扶正器的不足

1） 刚性旋流扶正器 目前在215.9mm（8.5英寸 ）的井眼中下入最大扶正器的外径达212mm，虽然外表加工有滚轮，可在一定程度上增加套管的下入安全性，但是井眼与扶正器的间隙极小，下入困难，容易出现蹩卡现象。在钻进过程中钻头的振动、偏心等原因导致井径发生变化［7］，若井径扩大率可达10%，刚性扶正器的居中度会大幅降低，同样其旋流效果也很差，导致顶替效率极低［8－9］。

2） 弹簧片扶正器 弹簧片扶正器分为单弓、双弓等类型［10］，其外径很大，下入过程中受到井眼的轴向力而发生径向扩大变形，导致阻力会大幅增加，下入困难。弹簧片扶正器扶正需要轴向阻力，下入至设计井身时由于其轴向阻卡力有限，居中度不高于70%，并且不能产生旋流顶替。

3） 变径扶正器 已开发的变径扶正器，初始外径同样很大，如在215.9mm（8.5英寸）的井眼中下入最大扶正器的初始外径达210mm，使得下入安全性问题同样没有彻底解决。且其最大扩径也只有设计井眼的直径大小［11］，没有考虑井径的变化。

2 新型扶正器的结构及工作原理

新型扶正器的结构如图1所示。其中：扶正机构为弹簧片；止退机构由弹簧、止退销钉和止退孔组成；液压机构由内密封圈、外密封圈、活塞和液压腔共同组成。扶正弹簧片上有3～8根均匀轴对称分布的支撑片，可提足够的支撑力。液压腔外部开有3～6个与轴线成30～600°夹角的螺旋槽，水泥浆在螺旋槽上产生旋流。

图1 新型扶正器结构

下入前组装扶正器，如图1，使扶正弹簧片处于径向预弯状态，以使其对套管扶正时所需的液压更小，更容易扶正。套管下入过程中，扶正弹簧片收缩在液压腔里面，不仅可以确保下入过程中弹簧片不会撑出，还可以使带旋流功能的可变径套管扶正器的外径变得很小（扶正器外径与接箍外径相同），下套管时可以大幅减小套管摩阻，显著增加下套管的安全性。当固井管串下入到指定位置时，对带旋流功能的可变径套管扶正器加液压，此时液压从主体上的液压孔传递到活塞上，活塞向右移动，从而轴向挤压扶正弹簧片，扶正弹簧片上处于径向预弯的支撑片径向变形，同时弹簧与止退销钉向右移动。当移动到设计位置时，止退销钉在弹簧的弹力下与止退孔配合，从而阻止弹簧片向左移动，此时弹簧片将不能径向收缩，套管扶正完毕。对井眼注水泥固井时，水泥浆在螺旋槽上产生旋流，从而提高水泥浆的顶替效率，最终达到提高固井质量的目的。

3 主要参数

新型扶正器的系列及主要参数如表1所示。

表1 新型扶正器的主要参数

由表1可知：新型扶正器在未撑开弹簧片时其最大外径与套管接箍外径相同，因此即便使用了套管扶正器也不会增加管串的外径，其与井壁的间隙可达到最大值，能有效降低管串的下入摩阻；并且，当弹簧片撑开后，其外径跟井眼相比可超过10%，能在井眼扩眼情况下提高套管的居中度。

4 试验

试验装置如图2。本试验模拟的是1根套管安装1个扶正器的情况。内径为215.9mm（8.5英寸）的钢管模拟井筒，将158mm的扶正器安装在井筒内，并将扶正器两端分别悬空固定在支架上，给钢管加载荷（为1根139.7mm套管的重力），最后将液压管线连接在液压喷嘴上。开泵加压试验如图3。

图2 扶正器试验装置结构

图3 扶正器的压力－居中度关系曲线

由图3可知，在扶正器加压至14MPa时，扶正器的居中度为97%，而常规扶正器仅有75%左右的居中度，因此，试验证明能充分满足页岩气水平井的固井要求。

5 结论

1） 本文结合了旋流扶正器、弹簧片扶正器及液力变径扶正器的优点，设计出了适用于页岩气水平井固井质量要求的可变径的弹簧片带旋流的新型页岩气水平井套管扶正器。

2） 在页岩气水平井套管串下入过程中，新型扶正器的外径与套管接箍的外径相同，与常规扶正器相比较其外径小了约30%，因此，在页岩气水平井对固井条件要求较苛刻的条件下，新型扶正器下入更容易、更安全。

3） 试验结果表明：在压力为14MPa时新型扶正器的居中度为97%，超过常规套管扶正器约75%的居中度，可大幅提高页岩气水平井的套管居中度及顶替效率，从而提高页岩气水平井的固井质量。

［1］闫联国，周玉仓.彭页HF－1页岩气井水平段固井技术［J］.石油钻探技术，2012，40（4）：47－51.

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［5］李定先.使用套管扶正器提高固井质量［J］.钻采工艺，1990，13（2）：90－93.

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［8］舒秋贵.在旋流扶正器作用下环空流场旋流衰减规律研究［J］.天然气工业，2005，25（9）：57－60.

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［10］黎 勤，陈子辉，王晗阳.弓形弹簧套管扶正器质量可靠性分析［J］.钻采工艺，2003，26（3）：58－68.

［11］韩成才，田美娥，崔占琴.机液控制可变径扶正器的结构及应用研究［J］.西安石油学院学报，1997，12（3）：53－56.