隨鉆擴眼工具的研究與優化

宋 頤，夏宏南，徐 超，周 昆，陳偉峰

（中國石油天然氣集團公司鉆井工程重點實驗室防漏堵漏技術研究室;長江大學石油工程學院，湖北 荊州 434023）

所謂隨鉆擴眼技術（Ream While Drilling，簡稱RWD）就是采用隨鉆擴眼工具和常規鉆頭程序，在全面鉆進的同時擴大井眼的一種鉆井技術。實踐表明，隨鉆擴眼技術在處理井下復雜情況、降低鉆井綜合成本、提高建井質量和安全性等方面具有顯著的優勢，隨鉆擴眼工具也正逐漸成為一種重要的石油鉆井配套工具。

1 隨鉆擴眼工具

用于隨鉆擴眼鉆井過程的隨鉆擴眼工具，從結構上來說可以分為兩大類，一是鉆頭型的隨鉆擴眼工具，主要包括雙心鉆頭（單體式偏心鉆頭）、雙體式偏心鉆頭、近鉆頭隨鉆擴眼工具。二是具有獨立結構的隨鉆擴眼工具，主要包括兩類，即偏心結構和同心結構的隨鉆擴眼器[4]。

1.1 雙心擴眼鉆頭

雙心擴眼鉆頭由兩個PDC鉆頭上下一體連接而成。由于上下兩個PDC鉆頭的軸線不重合，當鉆頭旋轉時,產生較大的側向力從而對井壁產生刮擴作用,使眼徑擴大。此類工具的缺點是：擴徑大小不穩定；扭矩大，易導致井下鉆具事故；領眼鉆頭易泥包；在結構上與領眼鉆頭成為一體，不易更換。遼河油田在1996－1999年曾多次使用雙心隨鉆擴眼鉆頭進行擴眼作業，因扭矩大，常發生扭脹鉆桿內接頭、扭斷鉆具等事故，而被停止使用。

目前雙心擴眼鉆頭的開發和研制正朝著節約鉆井成本、易于操縱以及針對具體鉆井需要而設計制造特殊專用鉆頭的方向發展。

1.2 偏心擴眼工具

偏心工具，鉆擴眼系統是在雙心擴眼鉆頭的基礎上發展起來的。由于采用和領眼鉆頭分體安裝的兩件式設計，因而對所使用的領眼鉆具組合和鉆頭沒有限制。該工具本身沒有活動部件，所以可避免擴眼刀翼落井的危險。由于擴眼總成呈不對稱分布,鉆柱旋轉所形成的離心力,迫使擴眼總成沿徑向外移進行破巖擴眼作業[5]。

偏心工具采用硬質合金為支撐，金剛石復合片為切削齒，并在幾何形狀方面進行了布置，以提高切削能力，緩解切削齒破碎和磨損的速度。切削齒表面高度拋光，以減少剪切應力，改善排屑能力。通過對擴眼刀翼的設計來實現從通過直徑到擴眼井徑的平滑過渡，是系統更加穩定。主要應用范圍限于易膨脹和疏松地層。其缺點是對下部鉆具組合的性能影響較大,井斜和方位的變化難以預測,扭矩脈沖過高,所形成的井徑不規則,受地層影響較大，并且不能鉆套管水泥塞。

1.3 同心擴眼工具

同心擴眼器與偏心擴眼器最大的區別是其幾何結構上與偏心擴眼工具不同，各擴眼刀翼為同軸設計，這些刀刃構成的圓心線與鉆柱軸線重合，并且其他部件也都是以幾何中心線為軸線對稱分布，這種設計能在很大程度上減少鉆井中的有害振動。切削刀翼展開后為對稱設計，在應用上相當與一個穩定器。

從工作原理(或者擴眼機構動力來源)是來說，可分為兩種類型，一種是通過液壓動力實現擴眼刀刃的擴張，另一種是依靠機械作用力通過機構運動實現擴眼刀刃的伸縮該工具。由于具有對稱的幾何結構，因此在鉆進過程中也具有比偏心擴眼器較穩定的工作狀態，可執行鉆套管內的水泥塞等作業。鉆具組合設計方面也有所不同，根據現場應用情況來看，采用的方式有，領眼井段采用旋轉導向工具再加上同心擴眼器及其它組件等形成隨鉆擴眼鉆具組合，也有采用常規穩定器加上同心擴眼器的組合方式。

2 擴眼工具的結構設計的優化

2.1 隨鉆擴眼工具水力結構設計優化

在隨鉆擴眼鉆進過程中,存在井底和鉆頭上部兩個破巖位置,兩個破巖工具同時工作,在現有的地面機泵條件下,如何合理分配鉆井液能量,在兩個部位同時滿足鉆井液輔助破巖、清洗、冷卻和潤滑的要求,是一個難題。如果處理不當則會顯著降低破巖鉆進效率,并很可能引起鉆頭泥包、井徑不規則、井眼環空中局部巖屑沉積、工具磨損加劇等鉆井安全隱患,因此合理的水力結構設計也是隨鉆擴眼鉆井工具及技術研究的一個重點[5]。

圖1 帶反置噴嘴的Trimax擴眼工具

例如，Trimax的擴眼工具（見圖1）下方布置了可更換的反置噴嘴，噴嘴的結構能產生一個很輕的峰值，可將巖屑吸離鉆頭表面，在相對低的循環排量下實現攜帶巖屑，并能減少巖屑滑落速度，消沉鉆頭對井下巖屑的重復研磨，并且可以防止鉆頭泥包現象；同時還能產生欠平衡狀態下的鉆井效果，工具的這種性能大幅度提高了隨鉆擴眼的鉆進速度。如果采用牙輪為切削元件，水力的輔助切削、清洗的作用顯得尤為重要，很多國外公司在這方面都具有獨有的專利設計，如采用反向噴嘴和多噴嘴結構，以及斜向加長噴嘴，使清洗更徹底[2]。

2.2 擴眼工具執行機構的優化

隨鉆擴眼鉆具組合的選擇依據是所鉆井的井況、地層和井身結構以及驅動方式的不同，確定不同的鉆具組合，如：常規套管下隨鉆擴眼組合；旋轉近鉆頭擴眼模式；導向擴眼鉆具組合(見圖2)。用對現有工具的適應性和匹配性進行研究,充分發掘各種類型工具的優勢,在直井、斜井、定向井中都能有不同的鉆具組合方案進行擴眼作業，不斷地對各個裝置、參數進行優化,切實提高工具的可靠性,形成系列化隨鉆擴眼工具[3]。

圖2 Weatherford公司的RipTide導向擴眼工具組合

2.3 擴眼總成的優化

在基于對PDC鉆頭破巖工具研究的基礎上，在切削齒結構、布齒方式、冠部形狀等方面進行優化設計，進而減少實際應用中出現的振動、井徑不規則、工具壽命偏小等問題[3]。

遼河油田在研究不同地區側鉆井擴眼的基礎上，對最初的模仿PDC鉆頭切削方式的擴眼刀片進行了優化設計，研制出適用于不同地層的6種擴眼刀片，純泥巖擴眼刀片、純砂巖擴眼刀片、松散砂泥巖互層擴眼刀片、硬質砂泥巖互層擴眼刀片、研磨性中以下砂泥巖擴眼刀片、研磨性中以上砂泥巖擴眼刀片，針對所遇不同的地層情況，旋轉合適的刀片[1]。

在針對擴眼工具在井下工作時要穿越多套地層，不可能按照巖性在擴眼中途更換刀片，長井段擴眼施工，強研磨性地層對擴眼工具和刀片的研磨性要求很高，工具在強研磨性地層作業后，刀體、刀片磨損嚴重，在針對這一情況，對提高刀片耐磨性方面進行了專項研究，進行了三點改進[5]：

（1）選用搞耐磨性的耐磨材料

針對強研磨性地層，較多地選用了SK31X聚晶金剛石耐磨材料這種材料硬度達到HRA97.0，抗彎強度1200N/mm，密度14.9/cm，具有良好的熱穩定性，在高溫條件下仍能保持高的硬度、韌性、耐磨性，所以在強研磨性地層也能實現高速擴眼。

（2）提高擴眼切削機構

早期的切削結構只在刀片兩翼增加了耐磨顆粒的分布，而強研磨性的巖層對刀體的正面、側面、立面都有研磨作用，因此其結構設計不適合強研磨性地層的要求。

經改進，將切削部分設計成臺階狀，刀片側翼面采用柱狀聚晶金剛石，正面采用柱狀和粒狀超硬材料，立面為片狀超硬材料。刀體的這種結構設計，不但加強了刀體對地層的切削能力，而且保證了刀體和工具體之間的間隙，有利于鉆井液對刀體的冷卻，增加了擴眼效率。

（3）改進刀體和切削塊的焊接方式

改進了原來切削塊和刀體焊接的孕鑲方式的焊接，在刀體和井壁的三個接觸面上焊上耐磨材料，切削塊與刀體采用高強度符合材料燒結成整體，使切削塊與刀體結合強度大幅提高，抗沖擊能力明顯增強，大大提高了工具穿越夾層的能力[1]。

3 結束語

隨鉆擴眼是邊鉆進邊擴眼,底部鉆具組合的特性與常規鉆井有所不同,同時實際應用也要求在設計和選擇隨鉆擴眼鉆具組合時必須考慮其整體穩定性,保證整個底部鉆具組合能夠在一種平穩的狀態進行工作,保證隨鉆擴眼工具和鉆頭的切削效率和壽命,防止由于在底部鉆具組合中加入隨鉆擴眼工具而使鉆出的軌跡不能達到實際要求。所以在進一步的研究工作中，應注意以下關鍵點：

（1）應注重整體式設計，重視隨鉆擴眼器與鉆具組合的同步性，進行隨鉆擴眼鉆具組力學特性研究以及鉆具組合設計和鉆井參數優選方法研究。

（2）優化設計刀翼結構，針對不同地層進行合理布齒方法和切削齒性能研究。

（3）加強現有工具適應性和匹配性的研究，充分發揮各類工具的優勢。

[1]劉乃震，王延瑞.現代側鉆技術[M].北京：石油工業出版社，2009，169-190.

[2]古亞敏.井下擴眼裝置的研制現狀與發展方向[J].石油機械，2004，32，（增）：132-134.

[3]馬清明，王瑞和.隨鉆擴眼工具及技術研究.天然氣工業[J].2004，26（3）：71-74

[4]夏 焱.隨鉆擴眼工具結構及與之相匹配的鉆具組合設計方法研究[D].中國石油大學，2006.

[5]J.McCarthy，SPE，J.Rebellon，SPE，S.Barton，SPE，R.Rambhai，SPE，NationalOilwell Varco.Study of Vertical Drilling Technology in High Dip and Applications of BHA with Offset Axes Sub，SPE paper 142431.