井下擴眼工具的研究現狀分析

黃 韜，何世明，湯 明，馬日春，李華軍，姚耕華

(西南石油大學 油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，成都 610500)

在現今的深井、超深井的鉆井作業中，經常因井眼直徑小而產生環空壓耗大、固井質量不穩定等問題。復雜地層小井眼鉆井中也經常出現井眼縮徑、卡鉆等井下復雜情況[1]。因此，利用井下擴眼工具在不改變套管尺寸的情況下擴大復雜地層裸眼段井眼尺寸，在降低鉆井作業的成本、提高油氣井建井質量、優化井身結構、提升固井質量等方面有重要意義[2-3]。

1 擴眼工具的發展歷程

現今國內學者在井下擴眼工具的研究與優化方面尚處于起步階段，有關擴眼工具理論分析和實際應用的研究較少[4-10]。但是，國外學者自20世紀90年代以來，已經在井下擴眼工具的研發、優化與應用方面開展了大量研究。

1994年，Kalloo發表文章闡述了雙心鉆頭在深井鉆井中成功應用的實例[11]；在1995年，Sketchler等人介紹了一種新型雙心鉆頭及相關底部鉆具組合在小井眼水平井鉆井中的應用[12]，T.M.Warren等人提出了用固定式刀片優化擴眼器的相關研究項目[13]；除普通擴眼工具的應用及優化外， John Cook、L. F. Eaton等學者于1998年提出了旋轉導向擴眼工具(SRWD)的概念，并闡述了旋轉導向擴眼技術的原理及相關現場試驗情況[14-16]。20世紀以來，在利用擴眼工具解決井下復雜難題、優化和改善井眼質量、提高鉆井工程效率等方面，相關學者也做出了相應的研究及闡述[17-21]。

2 井下擴眼工具基本類型

自20世紀以來，擴眼工具經過了最初的固定切削刀翼式、早期機械展開擴張式、中期懸臂液壓展開擴張式和后期滑移液壓展開擴張式等數代發展。以工具結構為標準，井下擴眼工具可劃分為鉆頭型擴眼工具和獨立結構型擴眼工具2大類[22]，分類如圖1所示。

2.1 獨立結構型擴眼工具

2.1.1 偏心擴眼器

常用的機械偏心式井下擴眼工具如圖2所示。該類擴眼器主要由本體及擴眼刀翼組成，且上、下2個偏心擴眼刀翼成鏡像對稱分布，具有較強的巖石切削能力[23-24]，偏心擴眼器擴眼前后井徑示意圖如圖3。

圖1 擴眼工具分類

圖2 偏心擴眼器結構組成示意

機械式偏心擴眼器有以下特點：①兩件式設計保證了與領眼鉆頭的分體式安裝，故偏心擴眼器對領眼鉆具組合的選擇沒有限制；②本體無活動性部件，可有效避免刀翼滑落；③優化了切削齒的幾何布置，并用硬質合金對切削齒加以支撐，減少了剪切應力集中，并改善了擴眼器的排屑能力；④偏心式設計易于與鉆具組合連接，增強了鉆柱系統穩定性[25-26]。

圖3 偏心擴眼器擴眼前后井徑示意

2.1.2 同心擴眼器

同心擴眼器的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。其結構示意圖如圖4。

a 截面 b 側視

按工作原理可將同心擴眼器劃分為2種類型：①通過液壓動力實現擴眼刀刃的伸縮；②依靠機械作用力實現擴眼刀刃的伸縮。由于具有對稱的幾何結構，因此同心擴眼器在鉆進過程中較為穩定。在鉆具組合中，同心擴眼器常與旋轉導向工具等結合，也偶有采用常規穩定器加上同心擴眼器的組合方式[27-31]。

2.2 鉆頭型擴眼工具

2.2.1 雙心鉆頭

雙心鉆頭由領眼鉆頭和擴眼刀翼2部分組成，具有2個不同的旋轉中心。雙心鉆頭采用鉆頭偏心的方式進行工具下放，當雙心鉆頭到達作業層段后，領眼鉆頭首先在井底切削出一個領眼孔徑，然后擴眼刀翼再以領眼鉆頭的軸心旋轉并切削地層，從而在領眼孔徑的基礎上將井眼進一步擴大[32]。雙心鉆頭擴眼孔徑為領眼鉆頭軸心距擴眼刀翼最大外輪廓值。雙心鉆頭示意圖如圖5所示。

圖5 雙心鉆頭示意

雙心鉆頭存在水眼射流反作用力過大、井底巖屑清洗效率低，且易出現擴眼井徑小于設計井徑的問題。Barton、Quintana、Kent等指出，雙心鉆頭實際井眼擴大率與巖石破碎效率等多個復雜因素[33-35]緊密相關。

2.2.2 近鉆頭擴眼器

近鉆頭擴眼器NBR(Near-Bit Reamer)是一種依靠壓差驅動活塞進而推出刀翼來完成擴眼作業的擴眼工具，且在完成擴眼作業后NBR能夠自動收回刀翼[36]。哈里伯頓NBR示意圖如圖6。

圖6 哈里伯頓Security DBS近鉆頭擴眼器示意

NBR有兩個顯著的優點：①腔體內不設鎖緊機構，避免了刀翼阻卡導致的卡鉆等井下復雜問題；②NBR可被裝配在鉆柱中的任何位置，既能保證鉆具系統的平衡性，也能有效降低鉆具振動的影響，確保了鉆井作業中轉矩和鉆壓的平穩、安全傳遞[37]。

2.2.3 可變徑鉆頭

可變徑鉆頭的主體上設計有標準螺旋片和錐形的凸輪[38]，其結構示意圖如圖7所示。

圖7 井下可變徑穩定器示意

可變徑鉆頭由鉆壓激活，該工具腔體內部設置有碟形彈簧，當彈簧預緊力大于鉆壓時，擴眼器便會保持工作狀態。擴眼器在被激活后將保持工作狀態，直至將其從井底提出。

3 國內外井下擴眼工具特點

3.1 擴眼工具作業形式的分類

擴眼工具的作業形式可分為隨鉆擴眼和鉆后擴眼2種：①隨鉆擴眼是下入隨鉆擴眼工具后邊鉆邊擴，在保證正常鉆進的同時同步形成擴大井眼；②鉆后擴眼則是在鉆完整個井眼后再下入相關擴眼工具，擴大已有井眼的直徑。

在本文所述的擴眼工具中，除部分偏心式擴眼工具僅能以隨鉆擴眼形式工作以外，其余工具均可根據需求選擇隨鉆擴眼或鉆后擴眼的形式展開擴眼作業。

3.2 國外主流擴眼工具及其特點分析

通過對國外井下擴眼工具的調研和分析，本節將它們的特點進行簡要總結，具體分類如表1。

表1 國外主流擴眼工具分類信息及特點

3.2.1 威德福Ripetide擴眼器

Ripetide型擴眼工具由控制機構和執行機構2大部分構成，其結構如圖8所示。其工作原理[40]為：當工具到達作業層后，向鉆桿內投入含“開啟”信號的芯片，即可令工具內的主控機構讀取命令、控制工具開始正常工作。當擴眼完畢時，再投入一個含有“關閉”信號的芯片，即可收回刀翼，完成擴眼作業。

1—控制本體；2—彈簧；3—擴眼器本體；4—切削塊；5—心軸活塞。

與普通機械式擴眼工具相比，Ripetide型擴眼器具有以下優勢：①信息化控制系統控制擴眼刀翼的開閉，無需反復起下鉆便可高效伸縮刀翼；②在同一鉆具組合上可以同時安裝數個Ripetide型擴眼器，從而有效提高控制效率和擴眼效率。

3.2.2 貝克休斯GaugeProXPR擴眼器

貝克休斯GaugeProXPR型擴眼器示意圖如圖9。不同于滑移式擴眼工具，GaugeProXPR型擴眼器憑借滑套滑行伸出刀翼，有效避免了傳統工具剪斷銷釘伸出刀翼的方式導致的工具內卡阻故障[41-42]。

1—保護接頭；2—本體；3—穩定快；4—切削塊。

3.2.3 貝克休斯Ledge X隨鉆擴眼工具

Ledge X型隨鉆擴眼工具采用偏心刀翼結構，保證擴眼尺寸，并減小了摩阻和托壓風險；該工具最大的特點是其刀翼采用超耐磨敷焊材料，且刀翼高度可調，有效降低了擴眼作業中切削齒的磨損速度。Ledge X型偏心隨鉆擴眼工具結構如圖10所示。

圖10 Ledge X型偏心隨鉆擴眼工具示意

3.2.4 Tesco套管鉆井擴眼器

Tesco的Underreamer型擴眼器的結構示意如圖11。Underreamer的腔體內設有穩定器，并且沒有安裝軸承。該工具內只有1個活塞以及3個伸展臂，減小了活動部件掉入井眼內引發井下事故的風險[43-44]。

1—上接頭短節；2—可更換式切削機構；3—本體；4—穩定器短節。

Tesco的Underreamer型擴眼器還能被裝配在旋轉導向系統中進行套管導向鉆井，這種技術已經被Tesco公司應用于數十口井現場鉆井作業之中，施工效果良好[45-46]。

3.2.5 哈里伯頓(Halliburton Security DBS)擴眼器

Halliburton Security DBS 公司有NBR、UR、SPHO和XR等4種類型的擴眼器[47-48]。其中XR型擴眼器為哈里伯頓公司最具代表性的擴眼工具[49]，其結構如圖12。

1—本體；2—執行機構；3—刀翼。

XR型擴眼器能夠保證在擴眼結束后，在原有領眼孔徑的基礎上收回工具，且在起鉆時允許全排量起鉆。因此，該擴眼器作業時能夠最大程度地保證不損傷套管和井壁。除此之外，XR擴眼器還是目前唯一能夠在領眼基礎上擴大井眼50%的工具。

3.2.6 Andergauge公司Anderreamer擴眼器

Anderreamer型擴眼工具示意圖如圖13所示。該工具憑借其機械結構外推腔體上的擴眼執行機構(PDC切削刃)來完成擴眼作業[50]。

1—切刀；2—控制機構；3—本體。

該井下擴眼工具能夠形成高質量的同心大直徑井眼，且該工具擴眼作業時不受鉆井工程參數、鉆遇地層類型和井底狀況的限制，擴眼后井眼直徑約比套管內徑大20%[51]。

3.2.7 TRI-MAX Industries公司EWD擴眼工具

EWD型機械式擴眼工具與Anderreamer型擴眼器結構類似[49]，這2種工具均利用鉆壓外推擴眼執行結構從而完成擴眼作業，并都能在起鉆前及時安全收回擴眼總成。EWD實物示意圖如圖14。

迄今為止，EWD型擴眼工具已歷經了數代的發展，其軸心密封易失效、整體壽命短、工作不穩定等問題已得到改善。但是，受限于機械式工具的缺點，該工具仍存在體積偏大、井眼擴大率較低和整體強度偏弱的問題[52-53]。

圖14 EWD型擴眼器實物示意

3.2.8 Smith公司Rhino XS一體化擴眼系統

新型Rhino XS型擴眼器的井眼擴大率可以達到20%。該擴眼器主要由Rhino擴眼器本體、Rhino鉆具穩定器、IDEAS系統控制模塊(ISB)等幾大獨立模塊[54]組成，Rhino XS型擴眼器示意圖如圖15。

1—本體；2—彈簧；3—切削體；4—活塞。

Rhino XS型擴眼器將整體扶正器集中于切削結構上，以防止側向切削。該工具設置了高耐磨性切削齒，適用于多種地層的大位移井擴眼作業。在力學性能方面，Rhino XS型擴眼器將切削結構和擴張機械結構一體化，并用舌型和槽型結構定位切削塊，這樣的單一本體設計增強了工具的抗拉伸和抗扭能力[55]。

3.3 國內主流擴眼工具及其特點分析

國內學者開展擴眼技術研究的時間較晚，在擴眼工具方面開展的研究更是甚少?，F今國內常用的擴眼工具主要來自遼河油田和勝利石油管理局[56-61]，具體工具信息如表2。

表2 國內主流擴眼工具信息分類及特點

3.3.1 勝利油田自研系列擴眼工具

1)JK215-237型擴眼工具。

圖16所示即為JK215-237型擴眼工具。該工具的錐體與八方桿連接，從而將錐體裝入主體內；錐體上的3個鍵槽和主體上的3槽對正，在錐體下端將3個刀片裝入鍵槽內并將錐體上移，裝上扶正套，然后將下接頭與主體連接上緊。八方套與八方桿配合并與主體相連。裝上定位套和鎖銷、上接頭與八方桿連接。擴眼工具用大鉗擰緊,然后與鉆鋌相連。

1—上接頭；2—八方桿；3—鎖銷；4—定位套；5—八方套；6—主體；7—錐體；8—刀片；9—扶正套；10—密封圈；11—下接頭。

該擴眼工具的特點為：

①刀翼由壓差剪斷鎖銷釋放椎體推出，且刀翼的伸縮由鍵槽結構制約，保證了擴眼時刀翼不會縮回，確保擴眼后井徑上下一致。

②鉆具設計采用八方結構傳遞轉矩，安全可靠。并輔以三點剛性支撐以確保工作平穩、有效控制井斜。

③扶正套進行了耐磨處理，在起下鉆時能起到保護刀翼的作用。鉆進作業時，耐磨處理后的扶正套又能發揮支撐刀翼和扶正鉆具的功能。

④刀翼材料使用合金鋼，配合PDC切削齒使用時能夠實現切削齒同軌布齒，以便保證擴眼器的擴眼效率。

2)SJK系列擴眼工具。

SJK系列擴眼工具示意圖如圖17。該工具主要由接頭、主腔體、刀翼和扶正器等部件組成；壓差剪斷銷釘后，該工具刀翼劃出開始擴眼作業；當擴眼作業完成時，上提鉆具，錐體上的特殊結構會作用于刀翼，使刀翼收回。

圖17 SJK型擴眼工具示意

3)SPK雙心式擴眼工具。

SPK系列擴眼工具(如圖18)原理與偏心擴眼鉆頭相同。該工具上設計了領眼墊塊用以平衡工具在擴眼作業時產生的側向平衡力，且由于偏心擴眼工具一體化的特點，該工具腔體上無多余活動部件，結構穩定、壽命長、井下風險小，適合長井段和定向井段擴眼。

圖18 SPK型雙心擴眼工具示意

4)SYK壓差式擴眼工具。

SYK型壓差式擴眼工具主要由本體、刀翼、彈簧等組成，如圖19。該工具由壓差驅動活塞推出刀翼開啟。SYK系列工具幾何上采用拋物線型、平行2排交錯布齒方式；用于推出刀翼的活塞與腔體本體以及缸套之間分別采用“O”、“Y”型密封圈，以保證刀翼在憋壓外推之后的穩定性。SYK系列工具結構設計緊湊、便于現場檢測維修，壓耗小且具有倒劃眼功能。

圖19 SYK型壓差式擴眼工具

5)YK系列擴眼工具。

勝利油田YK系列擴眼工具主要由上接頭、本體、活塞總成、彈簧、刀片等組成，如圖20。YK系列擴眼工具的開啟方式為壓差推動活塞伸出刀翼，刀片上焊接的PDC切削齒在張開的過程中逐漸擴大切削半徑，從而完成擴眼作業的造臺階工作。作業完成后停泵，壓差消失后活塞復位，刀翼收回。

圖20 YK型擴眼工具示意

3.3.2 遼河油田RWD-152擴眼工具

遼河油田在跟蹤國外擴眼設備研究的基礎上，研發出了RWD-152型滑移液壓式擴眼工具，其具體結構如圖21所示。其開啟方式是通過開泵時鉆井液作用在活塞上的壓力推動活塞滑行將切削齒推出主腔體外，進行擴眼造臺階作業。在2007-05，該工具在現場應用5井次，包含了稀油、稠油、高凝析油等油藏，試驗井固井質量均合格[62]。

1—本體；2—彈簧；3—下腔體；4—切削體。

4 結語

擴大井眼能有效提高油氣井建井質量、優化井身結構等。擴眼技術在國外超深井、小井眼井、開窗側鉆井等復雜情況井中得到了廣泛應用[63]。石油工業發展進入后期，勘探開發難度的日益增大，井下擴眼工具的研究設計也面臨著以下巨大挑戰：

1)擴眼執行機構的優化設計及擴眼工具與底部鉆具的優選配合。設計和優選擴眼執行機構及其材料、合理選擇擴眼工具與底部鉆具的搭配，從而最大化擴眼工具的切削效率、提高擴眼率、延長工具壽命以及控制井眼軌跡等，是當今井下擴眼工具研究的一個重要方向。

2)由于偏心擴眼工具的結構限制，該類工具現存的挑戰有：①偏心擴眼工具領眼鉆頭和刀翼處的水眼間隔較小，常導致流場的相互影響，進而降低井眼凈化效率。該工具的水眼優化布置及作業時的水力參數優選是偏心擴眼睛工具未來的重大研究方向之一；②由于領眼鉆頭和擴眼刀翼異軸心轉動，導致側向不平衡力長期作用于擴眼工具和鉆柱。優化領眼鉆頭和擴眼刀翼的選材、布置，減小側向不平衡力，有助于提高擴眼工具穩定性和壽命。

3)機械擴張式的井下擴眼工具由于內部構件多，存在穩定性較差的問題，反之滑移液壓式井下擴眼器具有高可靠性和易操作性，是今后擴眼工具的一大發展方向；其次，由于機械式擴眼工具在開啟時依賴壓差，在鉆遇硬地層時合理調整泵壓，既保證工具的正常開啟，又不影響地層的穩定性，是應用該類工具時亟待解決的一大工程難題。

4)當今油田信息化趨勢加速，高效的自動化控制系統必將逐步取代目前低效的機械式控制機構。由于擴眼工具不是面對單一地層作業，高溫高壓對含信息化控制系統的擴眼工具的選材和設計提出了極大考驗。優化信息化控制機構、優選擴眼工具材料對井下擴眼工具的發展具有指導意義。