隨鉆擴眼工具的研究與優化策略研究

摘要：隨鉆擴眼工具在常規直井和小尺寸井和大斜度井中都具有較好的使用效果，其優勢作用是：可鉆比套管通常所允許的更大直徑的井眼，可完成從直井到水平井的各種井身結構的隨鉆擴眼，可獲得套管與井壁間的最大間隙，改善固井質量，擴大生產井段的直徑，有效保證了油氣質量，減少在大斜度井眼、膨脹性地層、蠕動性地層以及枯竭性砂巖中卡鉆的風險等。本文首先介紹了隨鉆擴眼工具，其次論述了隨鉆擴眼工具結構設計的優化。

關鍵詞：隨鉆擴眼工具；鉆井新技術；優化設計

隨鉆擴眼主要指的是通過隨鉆擴眼工具與常規鉆頭流程，整個鉆進過程中將井眼予以擴大的一種鉆井技術。隨鉆擴眼技術對復雜的井下環境有很好的適應性、能夠節約鉆井整體成本、保障建井質量水平。目前，隨鉆擴眼已經成為了石油鉆井工程中的核心技術，具有廣闊的發展前景。

1.隨鉆擴眼工具

1.1雙心擴眼鉆頭

將兩個PDC鉆頭上下一體相連就形成了雙心擴眼鉆頭。由于上下兩個PDC鉆頭的軸線不重合，在鉆頭旋轉過程中所形成的高側向力會一定程度上刮擴井壁，進一步擴大眼徑。雙心擴眼鉆頭的不足之處是：無法保障擴徑的穩定、存在較大扭矩，常引發井下鉆具事故如扭斷鉆具、扭脹鉆桿內接頭等，應用效果不理想。

現階段，新型的雙心擴眼鉆頭致力于鉆井成本的節約、操作的便捷性及根據鉆井實際所需研發匹配的鉆頭。

1.2偏心擴眼工具

偏心擴眼工具主要以硬質合金為前提保障，將金剛石復合片作為切削齒，同時合理的設計了幾何形狀，目的在于不斷增強切削能力，防止損壞掉切削。要求切削齒表面必須進行有效的拋光，避免過高的剪切應力，提高排屑能力。科學合理的確立擴眼刀翼，以保證直徑可以平滑過渡到擴眼井徑，加強系統穩定性。在常出現膨脹和疏松地層中使用較為理想。該工具的不足之處是：會嚴重的影響到下部鉆具組合性能，無法準確的預測井斜和具體方位，存在較大的扭矩脈沖，形成的井徑缺乏規則性，地層會對其造成嚴重影響，無法進行鉆套管水泥塞。

2.隨鉆擴眼工具結構設計的優化

2.1隨鉆擴眼工具水力結構的優化

實際進行隨鉆擴眼鉆進時，處于井底和鉆頭上部兩個破巖位置，兩個破巖工具一同開展作業，在實際存在的地面機泵條件下，怎樣對鉆井液能量進行優化配置，兩個部位中同時實現鉆井液輔助破巖、清洗、冷卻和潤滑的規范標準，這個問題解決起來難度較大。若處理失誤將直接造成破巖鉆進效果，而且還會發生鉆頭泥包、工具嚴重磨損、井徑不規則等影響鉆井安全的因素，所以優化設計水力結構在隨鉆擴眼工具中同樣屬于核心。

2.2擴眼工具執行機構的優化

實際中，應根據鉆井的井況、地層、井身結構、驅動方式來選擇相應的隨鉆擴眼鉆具組合，比如旋轉近鉆頭擴眼模式、導向擴眼鉆具組合。掌握了解現行工具的適應能力與匹配能力，將其潛在的功能作用全面的挖掘，基于直井、斜井、定向井編制相應的鉆具組合方案來開展擴眼工作，深入細致優化對應的裝置、參數，有效保證工具的安全可靠性，從而產生系列隨鉆擴眼工具。

2.3擴眼總成的優化

由于擴眼工具井下作業過程中會穿越多套地層，無法根據巖性在擴眼過程中進行刀片的及時更換，長井段擴眼作業中，具有較高的研磨性地層，所以要求使用的擴眼工具和刀片也應具有較高的研磨性，當工具處于強研磨性地層中工作，會導致刀體、刀片出現強烈的磨損，基于此，以下專門對刀片耐磨性的提升做了深入的探討。

（1）確立耐磨性好的材料；在高研磨性地層中，常使用SK3lX聚晶金剛石耐磨材料，該材料可達到HRA97．0的硬度，抗彎強度達到了1200N／mm，密度達到了14．9／cm，它的最顯著特征是熱穩定性高，不會受高溫的影響而降低自身的硬度、韌性及耐磨性，在高研磨性地層中同樣能夠及時有效的完成擴眼。

（2）改善擴眼切削機構；最初構建的切削結構僅僅在刀片兩翼位置處實施了耐磨顆粒的分布，但由于高研磨性巖層會一定程度上研磨刀體的正、側、立三面，所以它的結構設計與高研磨性地層的要求不相一致。應進行一番改進，切削部分應以臺階狀為主，刀片側翼面使用柱狀聚晶金剛石，正面選用柱狀和粒狀的高硬度材料材料，立面則選用片狀的高硬度材料。設計刀體結構的目的主要是提高刀體對地層的切削能力，同時使刀體和工具體間留有足夠的間隙，有效促進了鉆井液在刀體中的冷卻作用。

（3）對刀體和切削塊的焊接方式加以改進；將耐磨性好的材料焊在刀體與井壁的三個接觸面上，要求切削塊和刀體都選用高強度符合材料燒結成整體，從而不斷增強切削塊與刀體結合強度，保障抗沖擊性，使工具能夠有效的穿越夾層。

3.結論

綜上所述可知，隨鉆擴眼屬于邊鉆進邊擴眼，底部鉆具組合的特性與常規鉆井之間存在一定的差異，此外，在對隨鉆擴眼鉆具組合進行確立與選擇時，應深入細致的分析思考其穩定性，以使底部鉆具組合時常處于穩定狀態下作業，提高隨鉆擴眼工具及其鉆頭的切削水平與使用壽命，嚴防因隨鉆擴眼工具在底部鉆具組合中運行而導致鉆出的軌跡與規范標準不相符。

4.參考文獻

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作者簡介

丁慶利 （1977-），男，黑龍江省牡丹江市人，助理工程師，專科，現從事鉆具穩定器的設計工作。