CN102434115A - 一种强旋流套管扶正器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于水平井、定向井固井作业的强旋流套管扶正器。它能有效解决或大幅缓解环空上返水泥浆顶替效率低以及稠化后孔隙度大的问题。其技术方案是：扶正筒本体内径比套管本体外径大0.1～3mm，扶正筒本体能在套管本体外壁上转动和滑动；异型螺旋棱在轴向为双排，周向呈等间距型分布，其顶部采用顶弧结构，该顶弧能增强旋流效果；异型螺旋棱下、上端口分别加工有入、出口导流坡面；扶正筒本体和异型螺旋棱采用铸铁、合金钢或工程塑料制成。本发明可以提高上返水泥浆顶替效率和降低水泥浆稠化后的孔隙度，使水泥浆均匀稠化在环空中，具有结构简单、操作方便、适用性强、安全性高等优点。

Description

一种强旋流套管扶正器

技术领域

本发明涉及一种用于石油、天然气油田油气井固井作业工具，特别涉及水平井、定向井固井作业的一种强旋流套管扶正器。

背景技术

套管扶正器是油气田固井作业中必不可少的工具之一。常规套管扶正器能够给套管提供扶正作用，但其一维轴向层流顶替方式对上返水泥浆的旋流作用较小，水泥浆顶替效率较低，造成上返水泥浆并不能均匀的稠化在套管与井壁的环空中，稠化后水泥内的孔隙度较大，固井作业质量差。为提高水泥浆顶替效率和降低水泥浆稠化后的孔隙度，需寻求一种具有强旋流性能的新型套管扶正器。

中国专利说明书CN201377296Y(2010年1月6日公布)描述了一种整体式刚性低阻力套管扶正器，该套管扶正器有一定有益效果，但经流体数值模拟仿真发现，其出口处水泥浆旋流作用较小且旋流衰减区段长度较短，水泥浆顶替效率较低，水泥浆稠化后孔隙度大。

发明内容

本发明的目的是，在保证常规套管扶正器工具性能的基础上，有效解决或大幅缓解环空上返水泥浆顶替效率低以及稠化后孔隙度大的问题，提供一种强旋流套管扶正器。轴向双排、周向等间距型分布的异型螺旋棱结构可以提高水泥浆顶替效率和降低水泥浆稠化后的孔隙度，使上返水泥浆均匀稠化在环空中，改善固井作业质量。

为了达到上述目的，本发明解决此问题所采用的技术方案是：一种强旋流套管扶正器，主要由扶正筒本体、螺旋棱、顶弧、螺旋槽和导向端面组成，其特征在于：扶正筒本体内径比套管本体外径大0.1～3mm，扶正筒本体能在套管本体外壁上转动和滑动；异型螺旋棱在轴向上为双排、周向呈等间距型分布,其顶部采用顶弧结构；异型螺旋棱下、上端口分别加工有入、出口导流坡面；扶正筒本体和异型螺旋棱采用铸铁、合金钢或工程塑料制成。该结构可为水泥浆提供较高雷诺数的螺旋状紊态旋流作用和切向分力，提高水泥浆顶替效率和降低水泥浆稠化后的孔隙度，使上返水泥浆均匀稠化在环空中，改善固井作业质量。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：1）具有顶弧结构特征轴向双排、周向等间距排列的螺旋槽可产生螺旋状紊态强旋流流动(常规套管扶正器切向速度约为0m/s，本发明强旋流区段水泥浆切向速度可达1.6m/s)及较长的旋流衰减区段(本发明旋流衰减区段长度约为现有套管扶正器旋流衰减区段长度的1倍)，提高水泥浆顶替效率和降低水泥浆稠化后的孔隙度，使上返水泥浆均匀稠化在环空中，改善固井作业质量；2）由于扶正筒本体与套管本体之间存在圆周间隙，扶正筒本体能在套管本体外壁上转动和滑动，从而降低套管入井过程中与井壁之间的摩擦阻力，提高套管串的下入深度。

本发明是涉及石油、天然气油田油气井固井作业工具，特别涉及水平井、定向井固井作业的一种强旋流套管扶正器。本发明是在保证常规套管扶正器工具性能的基础上，能有效解决或大幅缓解环空上返水泥浆顶替效率低以及稠化后孔隙度大问题的强旋流套管扶正器，其本体尺寸完全按照相应API套管尺寸进行设计，使用时直接安装于套管外壁上，具有结构简单、操作方便、适用性强、安全性高等优点。

 附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是常规套管扶正器及其使用工况示意图；

图3是CN201377296Y披露的套管扶正器及其使用工况示意图；

图4是本发明强旋流套管扶正器及其使用工况示意图；

图5是本发明的扶正筒的半剖面结构示意图；

图6是本发明的扶正筒的结构参数设计示意图；

图7是本发明强旋流套管扶正器工作时上返水泥浆的运移轨迹流示意图。

图中，1导向坡面，2扶正筒本体，3螺旋槽，4出口导流坡面，5顶弧，6异型螺旋棱,7入口导流坡面。

具体实施方式

结合图1对其发明做进一步的描述，本发明所述的用于油气田固井作业的强旋流套管扶正器主要由扶正筒本体2、异型螺旋棱6、顶弧5、螺旋槽3和导向端面1组成，扶正筒本体2内径比套管本体外径大0.1～3mm，扶正筒本体2能在套管本体外壁上转动和滑动；异型螺旋棱6在轴向上为双排、周向呈等间距型分布,其顶部采用顶弧5结构；异型螺旋棱6下、上端口分别加工有入口导流坡面7和出口导流坡面4；扶正筒本体2和异型螺旋棱6采用铸铁、合金钢或工程塑料制成。

对比图2、图3、图4并结合图7，本发明轴向双排、周向等间距型分布的异型螺旋棱6，其产生的旋流衰减区段长度比常规套管扶正器产生的旋流衰减区段长度能提高至1倍；具有顶弧5结构特征的螺旋槽3可使水泥浆产生螺旋状紊态强旋流流动，能够为上返水泥浆均匀稠化于环空中提供切向分力，较大程度上提高水泥浆顶替效率和降低水泥浆稠化后的孔隙度，使得水泥浆可以均匀稠化在套管与井壁之间的环空中，改善固井作业质量；由于扶正筒本体2与套管本体之间存在圆周间隙，扶正筒本体2能在套管本体外壁上转动和滑动，从而降低套管入井过程中套管与井壁之间的摩擦阻力，提高套管串的下入深度。

结合图5和图6，本发明的螺旋槽3结构起于入口导流坡面7端面止于出口导流坡面4端面，降低了上返水泥浆流经强旋流套管扶正器前后的动能损耗；入口导流坡面7、出口导流坡面4及导向坡面1具有平滑过渡斜面或圆面表面特征；异型螺旋棱6轴向长度L₁为50～100mm，宽度H为15～40mm，且在轴向上为双排、周向呈等间距型分布，上、下间距L₂为10～30mm；异型螺旋棱6的倾斜角γ为30°～60°,单周个数为3～8个；顶弧5深度H₁为10～20mm，顶弧7半径R为50～150mm。

下入套管时，具有平滑过渡斜面或圆面表面特征的入口导流坡面7、出口导流坡面4及导向坡面1具有很好的引导作用，提高套管串的通过性和作业效率。

Claims (5)

1.一种强旋流套管扶正器，主要由扶正筒本体(2)、异型螺旋棱(6)、顶弧(5)、螺旋槽(3)和导向端面(1)组成，其特征在于：扶正筒本体(2)内径比套管本体外径大0.1～3mm，扶正筒本体(2)能在套管本体外壁上转动和滑动；异型螺旋棱(6)的顶部采用顶弧(5)结构；异型螺旋棱(6)下、上端口分别加工有入口导流坡面(7)和出口导流坡面(4)。

2.根据权利要求1所述的强旋流套管扶正器，其特征在于：异型螺旋棱(6)在轴向上为双排、周向呈等间距型分布，其轴向长度L₁为50～100mm，宽度H为15～40mm，倾斜角γ为30°～60°,单周个数为3～8个，上、下间距L₂为10～30mm。

3.根据权利要求1所述的强旋流套管扶正器，其特征在于：异型螺旋棱(6)顶部采用顶弧(5)结构，顶弧(5)深度H₁为10～20mm，顶弧(5)半径R为50～150mm。

4.根据权利要求1所述的强旋流套管扶正器，其特征在于：螺旋槽(3)结构起于入口导流坡面(7)端面止于出口导流坡面(4)端面，入口导流坡面(7)和出口导流坡面(4)的端面厚度均为零，无凸台；入口导流坡面(7)和出口导流坡面(4)均采用三角形或圆弧形表面轮廓。

5.根据权利要求1所述的强旋流套管扶正器，其特征在于：扶正筒本体(2)和异型螺旋棱(6)采用铸铁、合金钢或工程塑料制成。

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