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1、随钻扩眼工具及技术*马清明（胜利石油管理局钻井工艺研究院，山东东营257017）摘要：基于随钻扩眼技术优势的分析，研究了机械式、液压式和偏心式随钻扩眼工具执行结构和扩眼总成的结构原理，并介绍了国内所开展的相关研究。指出加强现有工具的适应性和匹配性研究，发掘各类工具的优势，优化执行机构、扩眼总成和水力结构、重视底部钻具组合力学特性的分析是今后发展和完善随钻扩眼工具及技术需要解决的几个关键问题。关键词：随钻扩眼；随钻扩眼工具；结构原理；设计优化；现场试验第一作者简介：马清明(1966)，男，高级工程师，胜利石油管理局钻井工艺研究院副总工程师，石油工具研究所所长，1990年获石油大学（华东）说是学位
2、，现为石油大学(华东)博士研究生，主要从事石油工具的研究和开发工作。联系方式：，0546-8778223。1前言随着对油气成藏机制认识的深化和油气田开发的深入，钻井遇到的问题越来越复杂，这些复杂问题的解决也越来越依赖于工具的发展和手段的完善，随钻扩眼技术正是基于这种背景提出和发展的。所谓随钻扩眼技术就是采用随钻扩眼工具和常规钻头程序，在全面钻进的同时扩大井眼一种钻井技术。实践表明，随钻扩眼技术在处理井下复杂情况、降低钻井综合成本、提高建井质量和安全性等方面具有显著的优势，随钻扩眼工具也正逐渐成为一种重要的石油钻井配套工具。国内随钻扩眼工具及技术的研究刚刚起步，重视该项技术，就随钻扩眼工具这个关
3、键环节开展针对性研究，对于提升我国钻井工程的实力2*国家十五攻关课题复杂油藏配套钻井技术及关键装备研究子专题钻井扩眼技术研究与应用部分成果.课题编号:2003BA613A-11具有重要的实际意义。2技术优势分析扩眼技术实际应用的情况，其所表现的优势主要有以下几个方面一、降低钻井综合成本1在深井钻井作业中，为维持表层套管和防喷器足够的额定压力，又能使生产套管直径有多种改变，要求采用小间隙套管程序，研究表明，对于井深为4878m 的井, 采用小间隙套管程序比用普通套管程序节约钻井成本27 %。实现小间隙套管程序所必备的井下工具包括随钻扩眼工具和可膨胀稳定器。二、提高油井建井质量2、3采用井下扩眼技
4、术，增大套管环空间隙，可显著提高固井质量，延长油井寿命，同时井眼尺寸的增大也可为砾石填充完井等后续作业创造了条件，有利于提高油气开发效率。三、解决井下复杂情况，保障安全钻进4采用井下随钻扩眼技术，扩大盐膏层井段的井眼，以抵消盐膏层蠕变所造成的位移，可减少或避免卡钻、缩径等复杂情况，增大水泥环厚度，提高套管水泥环体系抵抗地层蠕变的能力。四、是相关工艺技术实施的保障和基础5许多工艺技术对井眼尺寸有要求，如膨胀管技术、套管钻井技术、开窗侧钻以及复杂井段中管柱的下入等，增大井眼尺寸有助于这些工艺技术的顺利实施。3随钻扩眼工具的结构原理随钻扩眼工具随钻和扩眼的基本功能决定了其结构原理，随钻功能的实现要求
5、工具不能影响钻井的基本过程，能与常规钻井工具匹配，能在地面启动或停止井下工具的工作，扩眼功能的实现则要求工具能够扩出所要求的井眼尺寸，而且扩眼钻井的速度应与常规钻井速度相当。为实现随钻扩眼工具的这些基本功能，国内外发展了多种结构形式的扩眼工具。分析这些随钻扩眼工具，按照所实现的功能基本，其结构基本可分为执行机构、扩眼总成和本体结构三个部分，其中本体结构主要是容纳执行机构和扩眼总成、并与钻柱、钻头等钻具相联，执行机构是启动或停止工具扩眼作业的机构，扩眼总成则是具体执行破岩扩眼作业。随钻扩眼工具的差别主要是执行机构和扩眼总成的不同。按照执行机构的不同，随钻扩眼工具可分为以重力驱动的机械式、以流体压
6、力驱动的液压式和以离心力驱动的偏心式三类，扩眼总成按照破岩工具工作方式的不同有PDC和牙轮总成两类。下面按照执行机构进行分析讨论3.1 机械式随钻扩眼工具机械式随钻扩眼工具以TRI-MAX Industries公司的EWDTM随钻扩眼工具1和Andergauge公司的AnderreamerTM扩眼工具为代表。这两种工具的结构原理相似，均是采用重力外推扩眼总成进行随钻扩眼作业，扩眼总成采用PDC切削刃，并能在起钻前主动收回。Andergauge公司后来还在AnderreamerTM的基础上，研制了液压式的随钻扩眼工具。EWDTM共发展了两代。第一代EWDTM随钻扩眼工具上部的花键驱动轴及与其配套
7、的驱动副由震击器的浮动升降补偿器改进而成。驱动副上设有与驱动轴相连的剪切销。作业时，领眼钻头钻掉阻流环、水泥塞和套管鞋后，给随钻扩眼工具加压以剪断销钉，驱动轴和与之相联的双直径心轴向下滑动，双直径心轴大直径段沿扩眼总成内表面运动，将扩眼总成切削块向外推出并锁定在工作位置。采用反向喷嘴冷却和清洗扩眼总成。实际应用发现了第一代EWDTM随钻扩眼工具的一些缺陷，其一，钻头压降作用在心轴下部的圆柱形截面内，为防止心轴被推回到起始位置，必需施加钻压稳定，其二，在钻套管内的分级箍倒泄阀、水泥塞、浮箍和套管鞋时，扩眼总成收缩于本体结构内，金属碎屑易进入本体结构，心轴向下运动时，会将金属碎屑封闭于心轴和本体结
8、构的密封区域内，导致心轴密封失效。第二代EWDTM针对第一代产品所反映出的不足，将驱动心轴分成两部分，当扩眼总成收缩时，金属碎屑不会进入心轴和本体结构之间的封闭腔；采用金属密封；增加了工作压力显示装置，用以地面监测工具的工作状态。使用证明，上述改进显著提高了工具的整体寿命1。机械式随钻扩眼工具的优点是工作稳定，不受井深和泥浆性能的影响，不足是扩眼总成径向行程有限，造成工具的体积较大、井眼直径扩大有限，在小尺寸井眼中，由于工具空间尺寸的限制，如果要求较大的扩眼尺寸，就容易削弱本体结构的强度，造成安全隐患。3.3 液压式随钻扩眼工具出现较早，应用也较成功的液压式随钻扩眼工具是Bakersfeild
9、 Bit&Tool公司的Gaugemaster Driller UnderreamerTM扩眼工具。Gaugemaster Driller UnderreamerTM采用牙轮扩眼总成，首次实现了地面遥控启动，不需额外的起下钻来调整钻井工具，设计思路较以前的常规扩眼工具有了较大发展。采用牙轮扩眼总成的优点是可以施加较大的钻压，地层适应性好，但是由于牙轮寿命有限，自身体积较大，附属结构复杂，易削弱工具的结构强度，降低工具可靠性6，随着PDC切削元件的出现和成熟，这类扩眼工具逐渐减少，但其结构原理和设计思路，还是为后续工具的发展奠定了很好的基础。Halliburton Security DBS公司的
10、NBRTM近钻头扩眼工具7外形和长度与三翼变径稳定器相似。采用PDC扩眼总成，扩眼总成内部预置有弹簧，当钻柱内与环空之间的压差产生的驱动力小于弹簧弹力时，扩眼总成缩回。设有剪切销钉保证在钻进套管鞋时，扩眼总成处于缩回状态。NBRTM对领眼钻头的适应性很好，可直接安装于钻头上方或下部钻具组合的其它部位，可用于滑动导向和旋转导向钻进的扩眼作业。液压式随钻扩眼工具的优点是结构简单，可以扩出较大尺寸的井眼，不足是液压式随钻扩眼工具是靠流体的压力推动执行机构，使扩眼总成完成破岩扩眼的作业，如果不能形成足够的流体压力，则难以驱动执行机构或保持扩眼总成工作的稳定，这点限制了液压式随钻扩眼工具在深井、高泥浆粘
11、度等情况下的应用，另外液压式随钻扩眼工具对密封结构和水力利元件的结构、材质等要求较高，处理不当也容易造成工具失效。3.4 偏心式随钻扩眼工具BakerHughes Christens公司的DOSRWDTM随钻扩眼系统8是在双心钻头的基础上发展起来的，DOSRWDTM的扩眼总成与本体结构为一体，位于本体结构的一侧，在本体结构上与扩眼总成相对的另一侧设有硬质合金垫块和保径，由于扩眼总成呈不对称分布，钻柱旋转所形成的离心力，迫使扩眼总成沿径向外移进行破岩扩眼作业。DOSRWDTM随钻扩眼系统的优点是不必单独钻领眼、可以使用柔性钻具组合、可以灵活地选用牙轮钻头或PDC钻头作为领眼钻头，由于具有硬质合金
12、垫块和保径，可有效提高扩眼工具工作的稳定性。但是通过跟踪现场使用情况发现，偏心式随钻扩眼工具对BHA的性能影响较大，井斜和方位的变化难以预测，扭矩脉冲过高，所形成的井径不规则，不能钻套管内的水泥塞9。4国内研究进展国内随钻扩眼工具及技术的研究刚刚起步，大港、辽河、胜利等油田，在跟踪考察国外技术的基础上，陆续研制了不同规格的随钻扩眼工具，其中胜利油田所研制的机械式随钻扩眼工具比较有代表性。4.1工具结构1-上接头；2-八方杆；3-锁销；4-定位套；5-八方套；6-壳体；7-锥体；8-刀片；9-扶正套；10-密封圈；11-下接头图1 机械式PDC随钻扩眼工具图1是胜利油田所研制的机械式PDC随钻扩
13、眼工具的示意图，其原理是未剪断销钉时，扩眼总成不外张，可钻进套管内的水泥塞和套管鞋，当需要扩眼总成伸出时，加压剪断销钉使锥体下行，迫使扩眼总成伸出，需要扩眼总成收回时，工具上提，锥体上行，靠锥体上的燕尾槽使扩眼总成收回。该种工具主要的技术特点有：（1）六方驱动，浮动机械剪断销钉设计；（2）不必单独钻水泥塞和套管鞋；（3）同心性和居中性良好，工作平稳，井斜控制性能好；（4）楔形的扩眼总成/驱动轴配合，燕尾槽固定。4.2 现场试验垦628井是胜利油田勘探公司根据中石化十条龙项目布置的一口深层稠油开发试验井，地理位置位于山东省东营市河口区垦西地区。为满足深层稠油开发工艺的需要，即扩大井眼尺寸、提高固
14、井质量，胜利石油管理局钻井工艺研究院承担的中石化集团公司课题“随钻扩眼技术”在本井三开215.9mm井眼，于2003年6月进行了现场试验。在井深15102225m井段，扩眼进尺715m，工具入井时间90h，纯钻73.12h，平均机械钻速9.177m/h。钻穿地层依次为馆陶组、东营组、沙一段、沙三段。因钻遇油气层需要钻井取心而起钻。工具起出新度大于70%。完井电测效果较好，固井质量优。试验结果表明JK系列机械式PDC随钻扩眼器原理正确、结构可靠，随钻扩眼的机械钻速与相同领眼钻头的机械钻速相当。5今后发展需要解决的几个问题虽然随钻扩眼技术的提出与发展已有一段时间，国内外也出现了多种类型的随钻扩眼工
15、具，但是作为一项技术，其还远未成熟，还有许多亟待解决的问题，综合上述分析来看，随钻扩眼工具及技术的发展和完善，解决好以下几方面问题是关键一、优化执行机构执行机构是随钻扩眼工具的核心部分，事关工具性能的优劣和扩眼钻井的成败。因为机械式、液压式和偏心式扩眼工具的执行机构各有优劣，所以在随钻扩眼工具执行结构的研究中，除了开发新的工作原理的执行机构以外，还应对现有工具的适应性和匹配性进行研究，充分发掘各种类型工具的优势，同时加强执行机构的优化，切实提高工具的可靠性，形成系列化随钻扩眼工具。二、优化扩眼总成扩眼总成关系到能否高效优质地形成扩大井眼，是随钻扩眼工具中的关键部件。PDC和牙轮两类扩眼总成具有
16、各自的特点和适应范围，其中PDC类扩眼总成因体积较小，易于实现和寿命较长的特点应用较广，也是目前随钻扩眼工具的研究重点。由于PDC类破岩工具具有较强的地层适应性，因此PDC类随钻扩眼工具能否获得高的破岩扩眼效率与扩眼总成的布齿方式、冠部形状和PDC切削齿的材质等因素密切相关，但是目前有关这方面的应用基本还是借鉴PDC钻头等破岩工具的研究经验，于随钻扩眼工具自身的特性注意不够，实际使用不可避免地出现了机械钻速不稳、井径不规则、工具寿命偏小等问题，因此开展扩眼总成的优化设计研究，是提升随钻扩眼工具性能的一个关键。三、重视底部随钻扩眼钻具组合的力学特性研究随钻扩眼是边钻进边扩眼，底部钻具组合的特性与常规钻井有所不同，同时实际应用也要求在设计和选择随钻扩眼钻具组合时必须考虑其整体
