叠片式可膨胀套管扶正器设计

收稿日期:2006202221

作者简介:魏学成(19702),男,山东莒县人,高级工程师,1993年毕业于中国石油大学(华东),现从事钻井生产管理和科

研工作。

文章编号:100123482(2007)022*******

叠片式可膨胀套管扶正器设计

魏学成1,夏书林2

(1.胜利石油管理局黄河钻井总公司,山东东营257061;2.西华大学学报编辑部,成都610039)

摘要:套管扶正器的作用是使套管在井眼内居中,保证固井时水泥浆均匀凝固在套管与井壁所形成的环形空间

内,从而提高固井质量。传统的套管扶正器满足不了可膨胀套管的扶正要求。将套管扶正器环箍设计为可随膨胀管的膨胀而连续膨胀结构,成为叠片式可膨胀套管扶正器,解决了膨胀管在井眼内扶正居中的问题。

关键词:套管扶正器;环箍;连续膨胀;膨胀管;居中

中图分类号:TE931.203 文献标识码:B

Expandable C asing Centralizer with Laminations

WEI Xue 2cheng 1,XIA Shu 2lin 2

(1.Yellow River D rilling Com pany ,S hengli Pet roleum A dminist ration B ureau ,Dongy ing 257064,China;

2.Editorial Department of the J ournal of X i hua Universit y ,Cheng du 610039,China )

Abstract :The casing cent ralizer is used to centralize t he casing in t he bolehole to ensure t he even solidifica 2tion of cement slurry wit hin t he annular ,which can imp rove t he cement job quality.The conventional cas 2ing cent ralizer can not meet t he requirement s of expandable casing.To solve t he centralization problem oc 2curred wit h t he expandable casing in t he borehole ,a new hoop st ruct ure ,which can expand in accordance wit h t he expandable casing ,is invented.

K ey w ords :casing cent ralizer ;hoop ;expand continuously ;expandable casing ;center

膨胀管技术是最近几年出现的一项发展迅速的高新技术,它是将可膨胀套管柱下入井底,通过机械或者液压的方法使管体发生永久塑性变形,从而满足钻井或完井施工中的某些特殊需要[122],例如,封隔高压流体。该工艺需要很好的固井质量,要求膨胀管在井眼内的居中度要好。常规的套管扶正器环箍都是刚性的,不可膨胀,所以,解决膨胀管的扶正器问题是提高膨胀管固井质量的重要环节。在分析膨胀管和扶正器结构原理的基础上,根据现有条件,改进套管扶正器环箍结构,设计了一种可随膨胀管一起膨胀的套管扶正器,并达到SY /T5024-1999《套管扶正器》标准,解决了膨胀管在井眼内的居中扶正问题,为提高膨胀管固井质量进行了有益的探索。

1　现有套管扶正器存在的问题

1.1　国内套管扶正器

套管扶正器是保证套管居中、提高固井质量的

重要的套管串附件。目前国内扶正器主要有刚性扶正器和弹性扶正器两大类,刚性扶正器为一体式结构,它的本体不能被挠曲,且其直径为一个恒定值,不能发生变化。弹性扶正器由两端的环箍和不同形状和数量的弓形弹簧片构成,弓形弹簧片可发生一定形状的弹性变形,但其两端的环箍直径是一恒定值,不发生变化。这些扶正器能够满足常规不膨胀套管的固井需要,但由于其环箍不可膨胀,如果应用到膨胀管上,将阻碍膨胀管的膨胀,故不适应可膨胀套管的基本要求。1.2　国外可膨胀套管扶正器

针对膨胀管,国外Weat herford 公司提供了一种弹性扶正器,如图1。两端的环箍用销钉连接,套管膨胀时,环箍销钉在一定拉力下剪断,扶正器打开。这种扶正器虽解决了套管扶正器不能随套管一

　2007年第36卷 石油矿场机械　第2期第56页 OI L FIE LD EQUIPMENT 2007,36(2):56～58　

起膨胀的问题,但其扶正效果不好。因为销钉剪断后,环箍裂开而不连续,

不能完全包绕套管,弓形弹簧片的作用力可能将套管推向裂口所在的一边,使套管更不居中,套管扶正器起不到扶正套管的作用。中石化重点探井河坝1井应用膨胀管配合该扶正器固井来封隔高压气层失败也证明了这一点

。

图1　Weatherford 公司的可膨胀套管扶正器及其一端环箍

2　可膨胀套管扶正器设计

2.1　研制的必要性

随着国内油气勘探向深层发展,深井、超深井逐渐增多,施工过程中钻遇的不同压力层以及盐膏层、油气水层、坍塌层、漏失层越来越多,钻井的难度越来越大;膨胀管技术在优化井身结构,封隔缩径、坍塌、井漏等复杂地层,封固不必要的产油、产气或出水层段,深井或老井开窗侧钻中应用越来越多。中石化集团公司已将膨胀管技术作为一项重点攻关课题来研究,2004年在胜利油田已试验3口井。作为膨胀管的配套附件,可膨胀套管扶正器的研制成功将使膨胀管技术更完善。2.2　设计原则

可膨胀套管扶正器首先是一种弹性扶正器,其环箍能在一定压力下随着套管的膨胀而膨胀,且在膨胀过程中一直保持连续、不断裂,从而保证扶正器能一直紧紧环绕膨胀管,起到居中扶正的作用。可膨胀套管扶正器各项指标应达到SY/T5024-1999《套管扶正器》标准,满足现场使用需要。2.3　结构设计

考虑到井下安全性和加工工艺要求,可膨胀套管扶正器的整个环箍设计为一体式,但环箍两端根据膨胀的大小重叠一定的长度,并用安全销钉固定。环箍在随膨胀管膨胀时,安全销钉在一定拉力下剪断,将重叠部分拉出,并根据膨胀尺寸的大小将其限位,从而满足膨胀的需要,保证环箍连续、不断开。

可膨胀套管扶正器由多片弹簧片焊接或铆接到2个环箍上组成;环箍由一片环箍部件用安全销钉连接定位组成。可膨胀套管扶正器结构及其环箍结构如图2和图3

。

1—环箍;2—弓形弹簧片编织孔;3—弓形弹簧片;

4—安全销钉;5—导向块

图2　

可膨胀套管扶正器结构

1—环箍;2—弓形弹簧片编织孔;3—弓形弹簧片;

4—安全销钉;5—导向块

图3　可膨胀套管扶正器环箍结构

2.4　安全销钉设计计算

安全销钉是可膨胀套管扶正器的一个重要的部件,它的材质和直径决定膨胀管膨胀时剪断所需要的力,是可膨胀套管扶正器设计的一个关键参数。通过公式推导,安全销钉直径的计算式为

d =

Rs 3H p i

3.14k (s 1+s 2+s 3)τb

式中,p i 为膨胀套管内压力,M Pa ;k 为修正系数,最

大值为1,需用实验或数值方法确定;s 1为膨胀套管在该部位的厚度,mm ;s 2为扶正器环箍内层的厚度,mm ;s 3为环箍外层的厚度,mm ;d 为安全销钉直径,mm ;R 为环箍内半径,mm ;H 为环箍高度,

mm ;τb 为剪切强度极限,mm ,工程应用中取τb =018σb ;σb 为材料的拉伸强度极限,M Pa 。

3　结论

a)　叠片式可膨胀套管扶正器能随着套管的膨

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