不同套管扶正器優選及安放組合研究

徐 星，徐明會，王曉強，李建業，尚 斌，郭 錢

(中國石化石油工程技術研究院 德州大陸架石油工程技術有限公司，山東 德州 253005)

套管扶正器是安裝在套管柱上使套管柱在井眼內居中的裝置，具有結構簡單、使用方便、使用壽命長、成本低的特點。套管扶正器的主要作用：

1) 減少套管偏心度，提高固井頂替效率，有效防止水泥漿竄槽，保證固井質量，從而達到良好的封固效果。

2) 套管扶正器對套管的支撐使套管與井壁的接觸面積減小，從而減少了套管與井壁之問的摩擦力，有利于套管下入井內和固井注水泥時活動套管。

3) 減少下套管中套管粘卡，降低下套管風險。套管扶正器使套管居中，防止緊貼井壁，即使在滲透性好的井段，套管也不容易被壓差所形成的泥餅粘住而形成卡鉆。

4) 套管扶正器能降低套管在井內的彎曲程度，從而在下套管之后的鉆進過程中減少鉆具或其它井下工具對套管的磨損，起到保護套管的作用。

套管扶正器種類繁多，現場使用時多根據經驗進行選擇和安放，缺少系統的理論總結和研究。隨著鉆井日益朝超深井、大位移井、水平井等復雜井方向發展，常規套管扶正器已難以滿足井下施工的需要。因此，有必要對不同種類套管扶正器的結構特點、適用情況和優選安放進行系統分析對比，用于指導現場施工作業。

1 套管扶正器分類及特點

根據實際應用的井況和套管扶正器結構特點、制造工藝以及材質等不同，套管扶正器分為不同類型，按照石油行業標準的劃分，套管扶正器通常分為彈性扶正器和剛性扶正器。

1.1 彈性扶正器分類及技術特點

彈性扶正器是應用最早、使用范圍最廣的一類扶正器，它制造成本較低、種類變化多樣，同時具有較大變形和回復力的特點，不僅能確保套管居中度，而且對變徑率較大井段具有良好通過性，降低套管下入摩擦阻力，提高套管與井壁之間環空水泥固結均勻度。根據API 10D標準，彈性扶正器的性能優劣主要通過啟動力和復位力2個參數來體現，要求在獲得更高復位力的同時啟動力越小越好。彈性扶正器按照弓型分為單弓型、雙弓型以及多弓型；按照弓片與圓箍的連接方式分為焊接式和非焊接式。此外，還包括旋流彈性扶正器、整體式彈性扶正器等特殊類型。

1) 弓型彈性扶正器。

單弓彈性扶正器具有1個大弧度的彈簧片，如圖1a所示，具有較好的彈性，其扶正力與弓高成正比，弓高越高，扶正力越大，適用的井徑范圍就越大。雙弓彈性扶正器是在單弓彈性扶正器的基礎上演變而來的，它的弓片有2個弧度，如圖1b所示，在中間點接觸套管之前，弓片易壓縮，扶正力較小，當中間點接觸到套管壁之后，彈性變形減小，剛性突然增大。作為最常見的彈性扶正器類型，廣泛應用于常規井固井施工，但在大位移井、水平井中使用時存在一定的局限性。

a 單弓型

b 雙弓型

2) 整體彈性扶正器。

這是一種由無縫管激光切割，再使用專用的模具沖壓成型的彈性扶正器，如圖2所示。它無任何分離組件和焊接點，具有較強的結構應力和韌性。通常，在制造工藝中添加稀有元素硼，使得其復位力比API標準提高了約10%，同時外徑設計與鉆頭尺寸保持一致，具有零啟動力、高復位力的特點。整體式彈性扶正器在降低下套管摩阻、增強變徑段通過能力、提高環空過流面積以及耐磨性方面具有突出優勢，特別適用于窄間隙水平井固井施工。

圖2 整體彈性扶正器結構示意

3) 旋流彈性扶正器

這是在單弓彈性扶正器的基礎上發展而來，即在弓片上設計“薄葉片”，或直接將弓片設計成螺旋狀，如圖3所示，當水泥漿通過扶正器時，水泥漿會在環空中形成旋流場，改變水泥漿的流動狀態，提高頂替效率；并且，在下套管過程中，對旋流扶正器會產生1個橫向扭轉分力，使扶正器轉動而減小下套管阻力，同時能刮削掉過厚的泥餅。缺點是容易形成泥餅堆積，發生阻卡現象。

a 渦流型旋流彈性扶正器

b 螺旋弓型旋流彈性扶正器

1.2 剛性扶正器分類及技術特點

與彈性扶正器不同，剛性扶正器本身不發生任何彈性變形，同時其外徑設計比鉆頭尺寸小，下入摩阻小，適合在較規則的井眼和套管內使用。但是，對于井徑不規則、軌跡復雜的長段水平井，隨著剛性扶正器安裝數量增加，套管剛性和下入摩阻增大，導致套管下入困難，通常不能在縮頸和大肚子井段的不規則井眼中使用。剛性扶正器按照制造工藝不同分為鑄造式和沖壓成型式；按照結構不同可分為半剛性扶正器、螺旋剛性扶正器、滾輪或滾珠剛性扶正器等；按照材質不同可分為普通碳鋼、鋁合金、鋅合金、樹脂剛性扶正器等。

1) 半剛性扶正器。

這是在非焊接式彈性扶正器的結構上演變而來，如圖4所示，設計有若干剛性的弓片以非焊接合頁的方式與兩端的圓箍連接，它兼有彈性扶正器和剛性扶正器的一些優點，并允許下入時旋轉套管。在注水泥過程中旋轉套管，可以有效提高水泥漿的頂替效率。通常適合安裝在上層套管內，或尾管重疊段部分。

圖4 半剛性扶正器結構示意

2) 螺旋剛性扶正器。

螺旋剛性扶正器在本體上增加了螺旋扶正肋，如圖5所示，可分為左旋和右旋。扶正肋與軸線有一定的夾角，研究表明，當夾角在30°左右時可以達到最佳的性能效果。它的優點是當水泥漿通過扶正器時，能在徑向產生附加速度，從而形成旋流場，提高窄間隙處水泥漿的頂替效率。鋁合金和鋅合金螺旋剛性扶正器通過鑄造工藝加工而成，材料具有抗腐蝕和高強度性能，可以有效防止電化學腐蝕對昂貴的套管本體造成損壞。樹脂螺旋扶正器采用具有低摩擦因數的樹脂材料澆鑄成型，特別適用于旋轉尾管固井作業。沖壓式螺旋剛性扶正器本體由整塊鋼板卷制焊接成型，然后采用專門的模具沖壓出本體上的螺旋肋，能承受較高的側向載荷,同時具有較大的過流面積。

a 鋁合金螺旋剛性扶正器

b 樹脂螺旋剛性扶正器

c 沖壓式螺旋剛性扶正器

3) 滾輪或滾珠扶正器。

在其本體的扶正器肋上裝有不同數量的滾輪或滾珠，將下套管時的滑動摩擦變為滾動摩擦，從而有效降低下套管時的摩阻，如圖 6所示。當增加軸線與井眼軸線平行的滾輪設計時，可以在減小下入摩阻的同時大幅降低旋轉套管時的轉矩，以利于固井時旋轉套管，提高固井質量。

a 降阻式滾輪扶正器

b 減扭式滾輪扶正器

c 滾珠扶正器

2 國外幾種新型套管扶正器介紹

隨著油氣勘探開發技術的迅速發展，深井、小間隙井、水平井、大位移井等復雜井不斷增多，常規套管扶正器已難以在這些復雜井中輔助套管順利下入和實現良好的套管居中度。為了解決這些難題，一些國外公司在常規套管扶正器的基礎上進行了創新，通過采用新結構、新材料、新工藝，推出了各自的新型套管扶正器。

2.1 Weatherford公司SpiralGlider剛性扶正器

Weatherford公司研發的SpiralGlider剛性扶正器特別適用于大斜度井和水平井固井，如圖7所示。它設計有若干中空的螺旋肋，通過焊接的方式與兩端的圓箍連接。螺旋肋兩端采用斜坡過度設計，在遇到裸眼內有臺階的地方時可以順利“爬升”通過。螺旋肋的獨特外形設計確保其能承受較大的側向力，同時當側向力達到預先設定的強度時，中空的螺旋肋會發生屈服破損以通過卡點，從而有效減少套管發生阻卡的風險。在與旋轉尾管懸掛器配合使用時，允許旋轉套管，在降低循環壓耗的同時產生渦流效應，提高液體流速和頂替效率。現場使用時通常安裝在2個帶單邊倒角設計的止推環之間。

圖7 SpiralGlider剛性扶正器示意

2.2 Volant公司Hydro-Form剛性扶正器

Volant公司研發的Hydro-Form剛性扶正器是針對大位移井、超長水平井等極端惡劣井況而設計。如圖8所示。它采用6～8 mm厚度的優質鋼板整體沖壓成型，具有優異的耐磨和抗外擠性能，在下入過程中可以經受多次大幅度活動或旋轉套管而不會發生破損或部件脫落。本體設計有360°均勻覆蓋的螺旋肋，其完美的流線型和雙肋之間的大過流間隙設計不僅可以明顯減少套管下入時的摩阻和旋轉扭矩，而且允許更充分的清洗井底固相并優化固井時的頂替效果。其外徑為88.90～339.85 mm(3.50～13.38英寸)不等，可滿足大部分井眼尺寸要求并可根據具體井況進行特殊定制。安裝方式有多種選擇，可以安裝在2個止推環之間、套管接箍之間或止推環與套管接箍之間，也可以使用專門的安裝工具固定在套管本體上任何位置。

圖8 Hydro-Form剛性扶正器示意

在某大位移井下入114.3 mm(4.5英寸)尾管時，作業者使用Hydro-Form剛性扶正器順利將尾管下入到設計位置，并大幅節省了作業時間。該大位移井斜深7 500 m，垂深3 000 m，水平段長4 500 m。前期在具有相同井身結構的鄰井施工中，采用的是樹脂螺旋扶正器，在最后600 m井段，下入極困難，經過反復活動和旋轉才最終下到位，但在循環時發現有扶正器的破損件循環出來。作業者因此決定在隨后施工的大位移井中使用Volant公司的Hydro-Form剛性扶正器，與鄰井相比，下入時間節省約57%。

2.3 Downhole公司BladeRunner剛性扶正器

英國Downhole公司研發的BladeRunner剛性扶正器(如圖9所示)是一種有效降低合金防腐套管下入摩阻和旋轉轉矩的鋅合金螺旋剛性扶正器。它在設計上充分結合了Teflon材料的低摩擦因數優點，例如每條螺旋肋上均布有若干Teflon紐扣，在扶正器內壁上下設計有Teflon降扭環，從而在腐蝕環境中下入合金套管時發揮出色的降摩減扭效果。與滾輪扶正器相比，其制造成本較低，節約了下套管費用。

圖9 BladeRunner鋅合金剛性扶正器

2.4 Halliburton公司的Protech扶正器

Halliburton公司Protech扶正器通過專用模具將碳纖維陶瓷復合材料澆鑄成扶正肋，然后使用環氧樹脂將其膠結在套管本體的任何位置，如圖10所示。扶正肋通常采用雙臺階結構設計，并360°均勻覆蓋在管體上，在增強膠結強度的同時可以實現良好的居中效果。由于采用澆鑄工藝，扶正肋的尺寸和形狀可以通過改變模具形狀進行任意設計，并允許膠結在任何鋼級包括CRA合金管體上。碳纖維陶瓷復合材料具有良好的耐磨性和抗沖擊性能，摩擦因數低，耐CO2和H2S腐蝕，因此Protech扶正器廣泛應用于各種常規和極端井況。此外，在下入前可在工廠內完成澆鑄和管體膠結，節省了現場安裝作業時間。

圖10 Protech復合材料扶正器

3 套管扶正器和安放組合方式優選

不同的套管扶正器由于結構、材質和制造工藝的差別，具有各自的優缺點，并適用于不同的井況。同一種套管扶正器由于安放方式和間距的不同，也會導致不同的扶正效果和下套管摩阻，例如扶正器安放過密會增加套管串的剛度，使套管下入困難，增加作業成本; 扶正器安放過少又會使得兩扶正器之間的套管與井壁接觸過多，導致套管居中度差，從而影響固井質量。因此，根據不同的井型和井況，選擇適合的套管扶正器及安放組合方式對減小下套管摩阻和提高套管居中度至為關鍵。

3.1 選擇合適的套管扶正器類型

研究表明，單純地使用彈性扶正器和剛性扶正器均無法達到較好的效果，現場使用時推薦彈性扶正器和剛性扶正器組合使用，并綜合考慮井型、井眼軌跡、套管鋼級和采購成本等因素，選擇合適的套管扶正器類型。表1給出了幾種常見的套管扶正器在不同井況下的適應性。通常，在井斜較小、井徑較大的位置選擇使用彈性扶正器；在水平井和大位移井、縮徑段通常使用剛性扶正器；在套管下入或固井時要求旋轉套管時通常使用樹脂螺旋扶正器或滾輪扶正器。

表1 不同套管扶正器對不同井況的適應性

3.2 選擇合適的套管扶正器安裝方式

剛性扶正器安裝時建議與止推環配合使用，通常直接套入到套管本體并安裝在兩個止推環之間或止推環與套管接箍之間，不建議自由安裝在套管本體上。彈性扶正器常見的安裝模式有4種，如圖11所示。

1) 模式一。跨卡箍安裝，該模式只適用于扣合式彈性扶正器，扶正器靠止推環拉動入井，下入時扶正器整體處于受拉，弓片在遇阻受拉后外徑變小，下入摩阻減小，入井前可提前完成安裝，節省下套管時間，作為一種規范的安裝模式，在國外普遍使用。

2) 模式二。安裝在2個止推環中間，允許在套管本體上靈活選擇固定位置，特別適用于小間隙井眼。

3) 模式三。跨接箍安裝，是跨卡箍安裝的替代模式，下入時扶正器處于受拉狀態，但由于過流面積減少，循環壓耗會有所增加。

4) 模式四。安裝在套管接箍和止推環之間，扶正器靠套管接箍推動入井，下放過程扶正器整體受壓，遇阻時外徑變大，下入阻力變大，因此不推薦使用。

圖11 彈性扶正器常見的4種安裝模式

3.3 選擇合適的套管扶正器安放間距

為優化套管扶正器的安放位置，鉆井行業建立了各種理論數學模型用于計算不同安放間距下的套管居中度、下套管摩阻和轉矩等參數，為下套管合理安放套管扶正器提供指導。隨著數字化在油氣行業的快速發展，各扶正器供應商已陸續研發出專業的扶正器安放模擬軟件，例哈里伯頓Landmark中的Wellplan模塊、威德福的CentraPlus軟件等，相比繁雜的理論計算，模擬轉件可以更加快速直觀地模擬不同安放間距下的下套管摩阻、轉矩、套管居中度等參數，或者根據設定的套管居中度，由軟件自動給出推薦的安放模式，因此獲得廣泛應用。

4 現場應用分析

使用模擬軟件對沙特烏斯馬尼亞油田某井進行下套管前套管扶正器優選和安放模擬，該井井深3 719 m， 自3 150 m位置開始逐漸增斜至井底，最大井斜48°。泥漿密度1.75 g/cm3，鉆頭尺寸?311.1 mm。上層套管直徑?339.7 mm，下深3 110 m，內徑313 mm，本開次下入?244.5 mm套管。

作業者根據鄰井施工經驗，計劃全部使用彈性扶正器，每2根套管安裝1只彈性扶正器。通過軟件模擬套管居中度，顯示在上層套管內居中度100%，但裸眼段居中度波動很大。根據實際情況優化后，決定采用在裸眼段內使用彈性扶正器、上層套管內使用半剛性扶正器的組合安放方式，并通過在軟件設定居中度不低于70%的情況下得到了推薦的安放間距：裸眼段使用非焊接單弓彈性扶正器，最大外徑374 mm，前5根套管每1根安放1只，剩余裸眼段每3根套管安放1只；上層套管內使用半剛性扶正器，最大外徑308 mm，每3根套管安放1只直到井口。優化后的套管居中度得到很大改善，裸眼段的平均套管居中度約為70%。自井口至上層套管鞋位置，套管居中度逐漸減小，但平均保持在70%～95%。對比下套管摩阻模擬情況，優化前在井底位置下放懸重1 620 kN，上提懸重2 900 kN，優化后下放懸重2 140 kN，上提懸重2 450 kN，下套管摩阻明顯減小。

5 結論

1) 使用套管扶正器可明顯提高套管居中度，有效防止水泥漿竄槽，減少套管與井壁的接觸面積，降低下套管摩阻和套管發生粘卡風險，是減小下套管風險和提高固井質量的重要手段。

2) 套管扶正器根據結構特點、制造工藝以及材質等差別可劃分為不同類型，并具有各自的優缺點，需要根據不同的井型和井況選擇合適的套管扶正器類型。

3) 隨著油氣行業的快速發展，小間隙井、大斜度井、水平井、大位移井等復雜井不斷增多，常規套管扶正器已難以滿足要求，需要通過結構、材質和工藝等不斷創新，研發適用于復雜井況的新型套管扶正器。

4) 在合理選擇套管扶正器類型和安裝方式的基礎上，通過專業軟件進行套管居中度、下套管摩阻和扭矩模擬分析，可優化套管扶正器安放位置，指導下套管施工作業。