套管外壁防腐用螺旋扶正器的研制與應(yīng)用

陳鵬偉，趙密鋒，王 華

（1中石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院2低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程試驗室3中石油塔里木油田公司油氣工程技術(shù)研究院）

陳鵬偉等.套管外壁防腐用螺旋扶正器的研制與應(yīng)用.鉆采工藝，2019，42（5）：73-75

隨著石油天然氣開采量的日益擴(kuò)大，油氣田井管的腐蝕及防護(hù)也越來越受到重視。塔里木油田油井井底壓力高、溫度高，環(huán)境腐蝕性強(qiáng)，部分區(qū)塊原油伴生氣含腐蝕性氣體，如H2S、CO2，鐵離子和氯離子含量高，高礦化度地層水及垢下腐蝕成為了套損發(fā)生的重要誘因［1-3］，塔里木油田油井套管腐蝕以外腐蝕為主［4-5］。剛性螺旋套管扶正器是一種固井用套管串附件，可實現(xiàn)套管居中，提高頂替效率，液體過流時產(chǎn)生強(qiáng)紊流沖刷井壁虛濾餅，清潔井壁，使井壁與水泥之間的膠結(jié)狀態(tài)更好獲得較均勻水泥環(huán)，從而有效地提高固井水泥封固質(zhì)量［6-13］。

套管防腐扶正器是將耐高溫犧牲陽極材料與固井用扶正器結(jié)構(gòu)有機(jī)結(jié)合，集成優(yōu)化的新型結(jié)構(gòu)，既能實現(xiàn)螺旋扶正器在固井作業(yè)中的套管扶正功能，又能在水泥膠結(jié)之后對被保護(hù)套管串進(jìn)行外壁腐蝕保護(hù)。在經(jīng)濟(jì)上達(dá)到降本增效的目的，便于推廣應(yīng)用。

一、套管外壁防腐用螺旋扶正器的研制

1.套管外壁防腐用螺旋扶正器原理結(jié)構(gòu)優(yōu)選

研制過程充分考慮了入井的安全性、現(xiàn)場操作的方便性、加工難易程度、腐蝕防護(hù)的有效性等技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用條件，最終選定剛性分體高強(qiáng)度錐度螺紋型為套管外壁防腐用螺旋扶正器的最優(yōu)結(jié)構(gòu)。

套管外壁防腐用螺旋扶正器由螺旋扶正加持端頭和陽極筒通過高強(qiáng)度錐度螺紋緊固組合而成。套管外壁防腐用螺旋扶正器結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 防腐扶正器

2.螺旋扶正加持端頭結(jié)構(gòu)設(shè)計

螺旋扶正加持端頭主要起到套管扶正、使流體產(chǎn)生螺旋流動的作用，在使套管剛性居中的同時，使過流液體對井壁在已經(jīng)形成軸向剪切力的基礎(chǔ)之上再形成周向剪切力，提高頂替效率，達(dá)到更好的清洗井壁濾餅的目的［14-16］。文先敏［15］總結(jié)了螺旋扶正加持端頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)對旋流長度的影響規(guī)律。

（1）扶正條的截面形狀設(shè)計為扇形截面時，其旋流衰減影響小，棱角在加工時圓整為大角度弧形，有利于與井壁的接觸，有利于對套管的扶正作用。

（2）扶正條的截面面積在一定范圍內(nèi)越小，則旋流長度變化越小。螺旋扶正加持端頭截面面積占環(huán)空截面面積的比值約37%。

（3）經(jīng)過大量模擬對比試驗，優(yōu)選扶正條螺旋升角為65°，?177.8 mm規(guī)格套管螺旋扶正加持端頭在?216 mm井眼內(nèi)，當(dāng)流體排量達(dá)到2.2 m3／min時理論旋流長度可達(dá)10.5 m。

（4）螺旋扶正加持端頭材料優(yōu)選重量輕、耐磨性好的高強(qiáng)度鋁合金。

3.陽極筒結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了達(dá)到良好的導(dǎo)電效果，陽極筒（犧牲陽極陰極保護(hù)體）的內(nèi)表面與套管外表面大面積緊密貼合。設(shè)計了陽極筒的專有預(yù)割縫結(jié)構(gòu)，以滿足同規(guī)格陽極筒在現(xiàn)場安裝時適應(yīng)不同套管外徑尺寸偏差的要求，達(dá)到現(xiàn)場快速安裝緊密貼合套管外壁的目的。

4.高強(qiáng)度錐度螺紋優(yōu)選

設(shè)計非標(biāo)帶錐度梯形螺紋，優(yōu)化參數(shù)，增大牙型角以提高牙頂強(qiáng)度，減小螺旋角以增強(qiáng)螺紋自鎖效果，采用較大尺寸公差以滿足陽極筒形變要求。螺紋帶錐度角可保證螺紋旋緊過程中為陽極筒（犧牲陽極陰極保護(hù)體）提供沿徑向持續(xù)的力，使陽極筒內(nèi)徑收縮，保證螺旋扶正加持端頭和陽極筒的連接緊固效果、螺紋自鎖，不會因振動退扣。

二、室內(nèi)評價

1.陽極筒材料評價

綜合考慮套管外壁防腐用螺旋扶正器應(yīng)用介質(zhì)的條件，優(yōu)先選用鋅合金犧牲陽極為防腐筒材料。化學(xué)成分按照《鋅-鋁-鎘系合金犧牲陽極化學(xué)分析方法》（GB／T 4951-2007）中的方法測定，符合《鋅-鋁-鎘合金犧牲陽極》（GB／T 4950-2002）中的化學(xué)成分要求。鋅陽極化學(xué)成分見表1。

實驗設(shè)備：PerkinElmer ICP電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀。

表1 鋅陽極化學(xué)成分

依據(jù)《犧牲陽極電化學(xué)性能試驗方法》（GB／T i7848-1999）中的方法測定，在模擬海水溶液中，介質(zhì)溫度25℃時，進(jìn)行96 h的加速試驗。鋅陽極材料電容量和電流效率檢測結(jié)果見表2。

表2 鋅陽極材料電化學(xué)性能

2.室內(nèi)力學(xué)性能評價

套管外壁防腐用螺旋扶正器安裝于套管串外壁，在下套管作業(yè)中，受套管上提下放時的軸向力、有井斜和不規(guī)則井段產(chǎn)生的徑向力以及扶正器在套管上的滑移力。按照《石油天然氣工業(yè)固井設(shè)備第2部分：扶正器的放置和止動環(huán)測試》（GB／T 19831.2-2008）中的方法測試。

2.1 軸向力試驗裝置

將套管外壁防腐用螺旋扶正器置于軸向力試驗裝置上，通過施加垂直壓力模擬扶正器受套管上提下放時的軸向力。軸向力試驗裝置如圖2所示。

圖2 軸向力試驗裝置

2.2 徑向力試驗裝置

將套管外壁防腐用螺旋扶正器置于徑向力試驗裝置上，通過施加垂直壓力模擬扶正器在井筒內(nèi)的受到的徑向力。徑向力試驗裝置如圖3所示。

圖3 徑向力試驗裝置

2.3 滑移力試驗裝置

將套管外壁防腐用螺旋扶正器置于滑移力試驗裝置上，通過施加水平力測試套管外壁防腐用螺旋扶正器在試驗套管上的滑移力，如圖4所示。

圖4 滑移力試驗裝置

2.4 力學(xué)性能測試數(shù)據(jù)匯總

套管外壁防腐用螺旋扶正器力學(xué)性能測試數(shù)據(jù)匯總見表3。

表3 力學(xué)性能測試數(shù)據(jù)

三、特點(diǎn)、適用條件與使用要求

1.特點(diǎn)

（1）既能實現(xiàn)套管居中，又能對被保護(hù)套管串進(jìn)行外壁腐蝕保護(hù)，防腐保護(hù)有效期可達(dá)10年。

（2）螺旋扶正加持端頭能產(chǎn)生強(qiáng)紊流清潔井壁、提高頂替效率，獲得良好的固井水泥封固質(zhì)量。

（3）耐高溫、抗壓強(qiáng)度高、耐磨性能好，摩擦系數(shù)低。

（4）重量輕，平均重量達(dá)到常規(guī)鑄鋼剛性扶正器的一半。

2.適用條件

（1）加放井段地層溫度不高于120℃。

（2）加放井段井斜不大于25°。

3.使用要求

（1）扶正器入井前大排量洗井，使用好固控設(shè)備，清除鉆井液中有害固相，保證井眼凈化。

（2）套管外壁防腐用螺旋扶正器可在井溫和井斜滿足要求的井段完全替代常規(guī)套管扶正器，為了保證防腐效果建議在相應(yīng)井段每2～3根套管加放1只。

（3）套管外壁防腐用螺旋扶正器在加放時盡量避開泥巖段、狗腿度大和易坍塌段。

表4 現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)

四、現(xiàn)場試驗

2018年10月以來，現(xiàn)場試驗4口井，累計應(yīng)用475只套管外壁防腐用螺旋扶正器，入井過程順利，扶正器進(jìn)入裸眼段后，摩阻均未明顯增大，固井施工連續(xù)，施工排量與泵壓正常，測井顯示扶正器加放段固井質(zhì)量優(yōu)良，見表4。

五、結(jié)論

（1）套管外壁防腐用螺旋扶正器不僅可以作為固井工具使用，提高套管居中度，水泥膠結(jié)后，在地層水環(huán)境中還可以發(fā)揮陰極保護(hù)作用，對套管外壁進(jìn)行有效防腐蝕保護(hù)，在經(jīng)濟(jì)上達(dá)到降本增效的目的，填補(bǔ)了國內(nèi)外空白。

（2）套管外壁防腐用螺旋扶正器能產(chǎn)生強(qiáng)紊流清潔井壁、提高頂替效率，獲得良好的固井水泥封固質(zhì)量。

（3）套管外壁防腐用螺旋扶正器可在井溫和井斜滿足要求的井段完全替代常規(guī)套管扶正器，建議在相應(yīng)井段每2～3根套管加放1只。