YX型刚性套管扶正器研究.pdf

2 0 1 0年第 3 8卷第 6期 石 油机械 CHI NA PE TROL EUM MAC HI NE RY 专题研究 Y X型 刚性套管扶正器研 究 邹正伟 王国荣 王 敏 刘清友 邹祥富 ( 1 西 南石 油大学2 川庆钻探 工程公 司井下作 业公 司) 摘要 常用套管扶正器不能改变钻井液流动方 向，而一些带滚子的螺旋式扶正器或螺旋式旋 流扶正器又增加 了制造难度。为此 ，研制 了Y X型刚性套管扶正器。通过流场模拟分析 了扶 正器 高度及扶正棱高度 对流体衰减的影响，以及扶正棱截面对过流特性 的影响，并最终 确定 了相关几 何参数。Y X型刚性套管扶正器在保证套管居 中的基础上，能在 一定程度上 改变传统的一维轴向流 顶替方式，有效替净环空被顶替液，从而有利于将环空窄边滞留钻 井液和井壁 附着滤饼驱替干净 ， 进一步提高 固井质量。 关键词 套管扶正器 固井质量 流场模拟 结构设计 固井时，常用套管扶正器不能改变钻井液流动 方 向 j ，不iI - I 好地 固井 。而一 些带滚 子 的螺 旋 式扶正器或螺旋式旋流扶正器虽然可 以在一定程度 改变钻井液流动方向 ，但又增加 了扶正器本身的制 造难度。因此 ，有必要研制一种在保证套管居中度 基本作用的前提下 ，既能减小扶正器本身下入摩阻 又能改变单一流场 的扶正器，Y X型 刚性套管扶正 器就是基于此而提出的。 1 基本结构 Y X型刚性套管扶正器为腰鼓式 ，扶正棱为斜直 棱 ，端部为光滑过渡圆弧，中部进行磨削。扶正棱 只有 中部为固定截面 ，且面积最大 ，沿两端呈坡面。 由于扶正器本身为腰鼓式 ，只有中部为固定截 面，所以确定 Y X型刚性套管扶正器各结构参数时 取 固定截面处为依据 ，如图 1 所示。 井 眼 图 1 Y X型刚性套管扶正 器固定截 面示意 图 1 一套管 ；2 一扶正器 。 根据 图 1所不 ，扶 正棱 的高度 司表 不为 ： = 丢 ( D 尺 。 ) = 丢 一 ( + f ) 】 ( 1 ) 式中D 。 扶正器最大外径 ，m m； R 扶正棱底 圆半径 ，ml T l； D 扶正器内径 ，m m； 扶正器 内壁厚度 ，m il l。 图中n为扶正棱下边宽度 ，b为扶正棱上边宽 度 ，h为扶正棱高度 ，0为扶正棱下宽对应 中心角 ， O t 为扶正棱斜边与底边夹角。进行扶正棱宽度设计 时 ，要求扶正器工作时过流通径满足过流要求 ，即 除去扶正棱所 占面积的环空剩余 面积满足过 流要 求 ，以减小 过 流 阻力 ，借 以 当量 孑 L 径 来 表示 J 。 环空当量面积为 ： s = s 一 6 S棱 ： 1 1( D 2 。 一 R ) 一 6 ( 2 口 ) _ 一 【 南一 丢 。 ( + ) c 。 s ( 1 3 6 o a ) = 1 一 ( ) 卜6 吉 2 。 一 一 霄 (。 。 + ) 一 南一 石 油机械 2 0 1 0年第 3 8卷第 6期 1 c os ( ) l (2 ) J 式 巾5 环空 面积 ，m m ； 5 榜 扶正棱横截面积 ，m m 。 为便于满足现场施工要求 ，可将其换算成当量 孑 L 径公式： D =2 s L 耵。 根据要求 ，扶正棱 的倾斜度 满足扶正棱 3 6 0 。 都闭合。扶正器侧面展开图如图 2所示 。 】I 。-一 J l + _ 一 L C 图 2 YX 型 刚性 套 管扶 正 器侧 面展 开 图 日 一扶正器高度 ；L -iE 棱间距 ；c一 扶正 棱 底 圆 周 长 ； 口一 扶 正 棱 倾 角 。 由图 2可得扶正棱倾角公式 ： 卢 ct a n ( 3 ) 其中 L：c 6： ，则有 ： 卢 ct a n ct a n = H 盯 m 根据以上结构参数几何推导 ，要确定扶正棱高 度 、上下底宽和倾斜度 ，只需确定扶正器本身最大 外径 和扶 正器 的高 度即可 。 2 流场模拟 Y X型刚性套管扶正器 的环空内流体的流动可 分为 3 个 区域 ：扶正器入口端之前的流动 、扶正器 内部的流动和扶正器出口端的流动。扶正器人 口端 之前的流动为单一的轴向流动 ；扶正器内部为流体 在扶正棱之间的流动 ；扶正器 出口端为流体轴 向速 度衰减流动。 通过流场模型，可分析不同参数影响下流体流 经扶正器后的环空速度流场以及衰减流场特性 。以 + 2 1 5 9 mm井眼 、+ 1 7 7 8 1 T I IT I 套管所对应 的扶正 器为基础参数进行模拟。在研究 Y X型刚性套管扶 正器参数对衰减距离 的影 响时，改变单一结构参 数 ，流体性质一样 ，分别使用与环空相对应的工作 参数组合。 图3描述了扶正器从流场实体模型采用网格划 分到环空流场网格过程。 图 3 YX 型 刚性 套 管扶 器 流场 及 网格 图 2 1 扶正器高度对流体衰减的影响 扶正棱对流体起导流 、限流作用 ，可使只有单 一 轴向速度的流体通过扶正棱导流而产生周向分速 度。扶正棱 的长度对整个流体的发展也有影响 ，因 此通过试验模拟在一定工作参数下扶正器的长度对 衰减流体的影响规律。取环空 D ， = 2 1 5 9 mm、D 。 = 2 1 0 m m，其他参数保持一定 ，只改变扶正器 的 高度 ，研究其衰减影响规律。具体模拟参数如表 1 所示 表 1 扶正器高度影 响模拟参数 扶正器扶正器高 扶正棱 扶正棱倾 排量 Q 环空返速 外 径 mm 度 mm高度 m m角 ( 。 ) ( L s )( m s ) 根据研究 ，扶正器满足 3 6 0 。 与井壁全接触 的 条件下 ，流出扶正器后的衰减距离达到最大值 。 因此当确定扶正器的高度后 ，扶正棱的倾角 JB和扶 正棱的长度便可确定。模拟结果如图4所示。 是 筐 匿 图 4 不 同扶 正 器 高度 下 出 口衰 减距 离与周 向速 度 关 系 由图 4可以看出，对于特定环空，当增加扶正 器的长度时 ，旋流的衰减距离增大并不明显 ，只是 在 出口距离达到 4 m前时 ，扶正器高度高时所产生 的周向速度会明显高于高度较低的扶正器 。当出口 距离超过 4 m后 ，水泥浆衰减的趋势变缓 ，周向速 度相差并不明显。 2 2 扶正棱高度对流体衰减的影响 由式 ( 1 )可知，轴向流体流经套管扶正器时 的有效过流截面不仅与扶正器 的外径有关 ，还与环 2 0 1 0年 第3 8卷 第6期 邹正伟等：Y X型刚性套管扶正器研究 一 9一 空外径 、内径有关 。由此 可定义扶 正棱有效 高度 ，以反映流体流经 Y X型刚性套管扶正器 时的过 流截面与环空截面的关系，即 ( 4 ) ( 4 ) 在实际施工 中，存在着井眼扩大和套管偏心等 问题 ，无论在井下哪种情况 ，对于某确定最大外径 的扶正器 ，都可 以认为扶正棱 的有效高度发生了变 化 ，如图5所示 。 图 5偏心距对 高度 系数的影响 根据套管居 中度引起有效 高度变化 的几何关 系 ，可将 k 改写为 ( 一 ) 式 中 e为套管偏心距 。当 k =1时，D 。 =D ， 井眼与扶正器外壁紧密接触 ，此时通过扶正器的流 体最大程度地完全通过扶正棱之间的间隙。模拟参 数如表 2所示。 表 2扶正棱高度影 响模 拟参数 扶正器 扶正器 有效高扶正棱倾排 量 Q 环空返速 外径 mm 高度 mm 度 k 角 ( 。 ) ( L s ) ( m s ) 模拟主要是研究不 同 D 下 ，流出扶正器后流 体的衰减 距离。以流 出扶正 器后 的环空为研究 对 象 ，取环空人 口 ( 即 Y X型刚性套管扶正器 出口) 上和环空 出口上相 同 ( ，z )值的 2点 ，查询在纵 向上 ，这 2点之间距离 的周 向速度随轴 向距离增大 的变化曲线。 模拟结果如图 6所示 ，由图可知 ，随着 Y X型 刚性套管扶正器 外径 的增 大 ，衰减距 离也随之增 加 。衰减距离与有效高度基本上成线性关系。但是 当扶正棱有效高 度为 1时 ，扶正 器 的直 径等于井 径 ，则不易下入井 内，为此肋片的高度必须小于井 壁外径 ，根据相关资料及模拟结果显示 ，建议扶正 棱有效高度取 0 9 。 图 6 扶 正 棱 有 效 高度 对 流体 衰 减 距 离的 影 响 2 3 扶正棱截面对过流特性的影响 肋片截面形状不同，对流体 的导流流道将不一 样 ，导致出口的旋流流体 的流场不一样 ，对旋流衰 减也会产生不同的影响。肋片的截面形状从径 向看 可以分为 3种 ：肋片宽度沿径向增大、不变或减小 根据实际情况 ，扶正器设计时主要考虑 2种典 型的 截面形状 ，即扇形截面和梯形截面。 在工作参数和结构参数一定 的情况下 ，截面形 状的改变对环空衰减流场没有较大的影响，衰减距 离基本一样 ；只是在相同轴 向距离处 ，扇形截面的 周向速度大于矩形 截面周 向速度 。周 向速度越大 ， 则对井壁 的交替冲洗作用就越强 ，泥饼就越易从井 壁上脱落下来 ，因此扇形截面的旋流衰减曲线好于 矩形截面的旋流衰减 ，矩形截面的旋流衰减又好于 梯形截面的旋流衰减。由此可以认为 ，在扶正棱截 面面积相等及其他参数相同的情况下 ，当肋片宽度 随着径 向的增大而增大时 ，旋 流衰减会越来越好 ， 其周 向速度在刚开始的时候衰减较慢 。 扶正棱端部应具有一定弧度 ，以减小压力损失 和下人 阻力。在扶正器进 口段 ，棱片截面会对来流 流体形成驻点 ，增 大流动阻力 ；在扶正器 出口段 ， 出口流体会在扶正器肋片截面处形成回流 ，从而十 扰旋流衰减流场。肋片的截面面积越大，则在进 口 和出口处对顶替流体的影响越大 ，因而，扶正棱 的 截面面积越小越好 ，最理想的情况为肋片截面形状 为线形 。 综合各方面的因素 ，Y X型刚性套管扶正器 设计扶正棱 的形状时 ，由中部向两端采用逐渐减小 的扇形 圆弧过渡 ，在扶正器进出口扶正棱 的截面肜 状归为线形 ，减小对进出 口流场 的影响。同时将 1 1 部磨成一定长度 的平面，减小下人时与井壁的摩擦 阻力 。 模拟试验中，在其他结构参数与工作参数相同 的条 件 下 ，考 虑 改 变 最 大横 截 面 处 的 面积 分 数 ( 扶正棱最 大横截 面积所 占环空面积 比) ，分 析 口环空衰减流场特性 。因为扶正棱截面对流体会产 生限流作用 ，考虑当扶正棱截面面积 占环空截面面 石 油机械 2 0 1 0年第 3 8卷第 6期 积的百分 比变化时 ，衰减流场的变化规律。中截面 为梯形 ，当中截面外的面积分数减小 ，随之到扶正 棱端部之间的扇形截面亦逐步减小 。因此 ，模拟时 取中截面面积分数来模拟 ，模拟参数为：扶正器外 径 2 1 0 m m，内径 1 8 0 mm，扶正棱高度 1 2 m m，横 截面面积 分数分别 为 1 0 、2 0 、3 0 和 4 0 ， 模拟结果如 图7所示。 图 7 中截 面 面 积 比 对 衰减 距 离的影 响 由图 7可知，在其他条件不变的情况下 ，出口 环空流体衰减距离随着截面面积所 占分数的增大而 变小，在中截面面积所 占分数较小时 ( 0 1 0 3 ) ， 衰减距离变化较小 ，当面积分数超过 0 3后 ，衰减 距离变化急剧增加 ；面积分数为 0 4时，衰减距离 仅有 4 m左右，对井壁的冲刷能力较小。 3 结构设计软件编制 在以上理论研究的基础上 ，编制 了对应计算软 件 。在该软件 中输入对应的井 眼和基础套管参数 ， 即可得出相应扶正器 的主要结构参数 。软件界面如 图 8所示。 图 8 Y X型刚性套管扶 正器结构设 计软件界 面 在这个界面上可以设置井眼直径 、所用套管结 构参数 以及扶正器 的基本结构数据 ，对于不熟悉的 数据可以在软件的数据管理模块里面进行查询、输 入和保存。在各参数设置好以后就可以对 Y X型刚 性套管扶正器的结构参数进行计算 ，如倾角 、上下 棱底宽等 ，结果显示在界面右方。 4 结 论 ( 1 )随着扶正器的长度、扶正棱的高度增加， 环空周 向流速在 同一位置处也增加。 ( 2 )扶正棱高度和长度变化对流出扶正器后 流体的衰减流场影 响很 小。根据扶正器 的使用要 求 ，建议扶正棱高度系数取 0 9 。而随着扶正棱截 面面积分数的增加 ，衰减距离会减小 ，根据模拟结 果建议面积分数取 0 3 。 ( 3 )使用通过 改变 环空流场的套 管扶正器来 提高水泥顶替效率的技术 ，一方面井身质量必须符 合标准 ，没有严重狗腿度 ，井壁规则 ，起下钻时无 遇阻 ，同时调整好适当的固井泥浆 ；另一方面要求 确定刚性套管扶正器 的安放位置 ，减小安装间距 ， 增加使用数量能确保封 固段的套管居中和注水泥顶 替效率。对 + 1 7 7 8 m mY X型刚性套管扶正器的环 空流场模拟发现其流场影响长度在 6 7 m，因此 ， 建议单根套管安装 1 个此类扶正器 。 ( 4 )通过扶正器后 的流体 衰减距 离还与流体 的性能参数有关。为此 ，可把流体性能参数与固井 工作参数对旋流长度的影响归结为雷诺数对衰减距 离的影响。 ( 5 )在理论研究 的基础上 ，编制 了 Y X型刚性 套管扶正器结构设计软件。利用该软件可以方便地 求出所 需 扶正 器 的结 构 参 数 ，为 工 程应 用 提供 指导。 参考文献 1 舒秋贵 油气井固井注水泥顶替理论与技术综述 J 西部探矿工程 ，2 0 0 5 ，1 7( 1 2 ) ：8 5 8 7 2 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，2 0 0 5 ，2 5 ( 9