套管外壁防腐用螺旋扶正器的研制与应用

陈鹏伟，赵密锋，王 华

（1中石油川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院2低渗透油气田勘探开发国家工程试验室3中石油塔里木油田公司油气工程技术研究院）

陈鹏伟等.套管外壁防腐用螺旋扶正器的研制与应用.钻采工艺，2019，42（5）：73-75

随着石油天然气开采量的日益扩大，油气田井管的腐蚀及防护也越来越受到重视。塔里木油田油井井底压力高、温度高，环境腐蚀性强，部分区块原油伴生气含腐蚀性气体，如H2S、CO2，铁离子和氯离子含量高，高矿化度地层水及垢下腐蚀成为了套损发生的重要诱因［1-3］，塔里木油田油井套管腐蚀以外腐蚀为主［4-5］。刚性螺旋套管扶正器是一种固井用套管串附件，可实现套管居中，提高顶替效率，液体过流时产生强紊流冲刷井壁虚滤饼，清洁井壁，使井壁与水泥之间的胶结状态更好获得较均匀水泥环，从而有效地提高固井水泥封固质量［6-13］。

套管防腐扶正器是将耐高温牺牲阳极材料与固井用扶正器结构有机结合，集成优化的新型结构，既能实现螺旋扶正器在固井作业中的套管扶正功能，又能在水泥胶结之后对被保护套管串进行外壁腐蚀保护。在经济上达到降本增效的目的，便于推广应用。

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结构优选

研制过程充分考虑了入井的安全性、现场操作的方便性、加工难易程度、腐蚀防护的有效性等技术特点和应用条件，最终选定刚性分体高强度锥度螺纹型为套管外壁防腐用螺旋扶正器的最优结构。

套管外壁防腐用螺旋扶正器由螺旋扶正加持端头和阳极筒通过高强度锥度螺纹紧固组合而成。套管外壁防腐用螺旋扶正器结构见图1。

图1 防腐扶正器

2.螺旋扶正加持端头结构设计

螺旋扶正加持端头主要起到套管扶正、使流体产生螺旋流动的作用，在使套管刚性居中的同时，使过流液体对井壁在已经形成轴向剪切力的基础之上再形成周向剪切力，提高顶替效率，达到更好的清洗井壁滤饼的目的［14-16］。文先敏［15］总结了螺旋扶正加持端头的结构参数对旋流长度的影响规律。

（1）扶正条的截面形状设计为扇形截面时，其旋流衰减影响小，棱角在加工时圆整为大角度弧形，有利于与井壁的接触，有利于对套管的扶正作用。

（2）扶正条的截面面积在一定范围内越小，则旋流长度变化越小。螺旋扶正加持端头截面面积占环空截面面积的比值约37%。

（3）经过大量模拟对比试验，优选扶正条螺旋升角为65°，Ø177.8 mm规格套管螺旋扶正加持端头在Ø216 mm井眼内，当流体排量达到2.2 m3／min时理论旋流长度可达10.5 m。

（4）螺旋扶正加持端头材料优选重量轻、耐磨性好的高强度铝合金。

3.阳极筒结构设计

为了达到良好的导电效果，阳极筒（牺牲阳极阴极保护体）的内表面与套管外表面大面积紧密贴合。设计了阳极筒的专有预割缝结构，以满足同规格阳极筒在现场安装时适应不同套管外径尺寸偏差的要求，达到现场快速安装紧密贴合套管外壁的目的。

4.高强度锥度螺纹优选

设计非标带锥度梯形螺纹，优化参数，增大牙型角以提高牙顶强度，减小螺旋角以增强螺纹自锁效果，采用较大尺寸公差以满足阳极筒形变要求。螺纹带锥度角可保证螺纹旋紧过程中为阳极筒（牺牲阳极阴极保护体）提供沿径向持续的力，使阳极筒内径收缩，保证螺旋扶正加持端头和阳极筒的连接紧固效果、螺纹自锁，不会因振动退扣。

二、室内评价

1.阳极筒材料评价

综合考虑套管外壁防腐用螺旋扶正器应用介质的条件，优先选用锌合金牺牲阳极为防腐筒材料。化学成分按照《锌-铝-镉系合金牺牲阳极化学分析方法》（GB／T 4951-2007）中的方法测定，符合《锌-铝-镉合金牺牲阳极》（GB／T 4950-2002）中的化学成分要求。锌阳极化学成分见表1。

实验设备：PerkinElmer ICP电感耦合等离子体发射光谱仪。

表1 锌阳极化学成分

依据《牺牲阳极电化学性能试验方法》（GB／T i7848-1999）中的方法测定，在模拟海水溶液中，介质温度25℃时，进行96 h的加速试验。锌阳极材料电容量和电流效率检测结果见表2。

表2 锌阳极材料电化学性能

2.室内力学性能评价

套管外壁防腐用螺旋扶正器安装于套管串外壁，在下套管作业中，受套管上提下放时的轴向力、有井斜和不规则井段产生的径向力以及扶正器在套管上的滑移力。按照《石油天然气工业固井设备第2部分：扶正器的放置和止动环测试》（GB／T 19831.2-2008）中的方法测试。

2.1 轴向力试验装置

将套管外壁防腐用螺旋扶正器置于轴向力试验装置上，通过施加垂直压力模拟扶正器受套管上提下放时的轴向力。轴向力试验装置如图2所示。

图2 轴向力试验装置

2.2 径向力试验装置

将套管外壁防腐用螺旋扶正器置于径向力试验装置上，通过施加垂直压力模拟扶正器在井筒内的受到的径向力。径向力试验装置如图3所示。

图3 径向力试验装置

2.3 滑移力试验装置

将套管外壁防腐用螺旋扶正器置于滑移力试验装置上，通过施加水平力测试套管外壁防腐用螺旋扶正器在试验套管上的滑移力，如图4所示。

图4 滑移力试验装置

2.4 力学性能测试数据汇总

套管外壁防腐用螺旋扶正器力学性能测试数据汇总见表3。

表3 力学性能测试数据

三、特点、适用条件与使用要求

1.特点

（1）既能实现套管居中，又能对被保护套管串进行外壁腐蚀保护，防腐保护有效期可达10年。

（2）螺旋扶正加持端头能产生强紊流清洁井壁、提高顶替效率，获得良好的固井水泥封固质量。

（3）耐高温、抗压强度高、耐磨性能好，摩擦系数低。

（4）重量轻，平均重量达到常规铸钢刚性扶正器的一半。

2.适用条件

（1）加放井段地层温度不高于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，使用好固控设备，清除钻井液中有害固相，保证井眼净化。

（2）套管外壁防腐用螺旋扶正器可在井温和井斜满足要求的井段完全替代常规套管扶正器，为了保证防腐效果建议在相应井段每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时尽量避开泥岩段、狗腿度大和易坍塌段。

表4 现场试验数据

四、现场试验

2018年10月以来，现场试验4口井，累计应用475只套管外壁防腐用螺旋扶正器，入井过程顺利，扶正器进入裸眼段后，摩阻均未明显增大，固井施工连续，施工排量与泵压正常，测井显示扶正器加放段固井质量优良，见表4。

五、结论

（1）套管外壁防腐用螺旋扶正器不仅可以作为固井工具使用，提高套管居中度，水泥胶结后，在地层水环境中还可以发挥阴极保护作用，对套管外壁进行有效防腐蚀保护，在经济上达到降本增效的目的，填补了国内外空白。

（2）套管外壁防腐用螺旋扶正器能产生强紊流清洁井壁、提高顶替效率，获得良好的固井水泥封固质量。

（3）套管外壁防腐用螺旋扶正器可在井温和井斜满足要求的井段完全替代常规套管扶正器，建议在相应井段每2～3根套管加放1只。