井下随钻扩眼技术及工具研究

井下随钻扩眼技术及工具研究

引言

井下扩眼钻井技术，是采用专门的扩眼工具和常规钻头程序，获得比常规井眼尺寸更大井眼的一种钻井技术。分钻后扩眼和井下随钻扩眼两种方式，钻后扩眼是在钻完井眼后，再下入扩眼工具扩大已钻井眼，而井下随钻扩眼是下入随钻扩眼工具边钻边扩，在全面钻进的同时形成扩大井眼，此项技术被称为继随钻测量和随钻测井之后的又一重大技术突破。

近几年，钻井扩眼技术随着复杂工艺井及深井的增多，在国外的钻井领域得到了进一步的发展，各种类型的井下扩眼工具相继研制成功。特别是随钻扩眼工具也逐渐成为国内外钻井研究领域的新亮点。

一随钻扩眼技术的工程意义

1．可采用小间隙套管程序，降低钻井综合成本

钻井扩眼可以减小套管柱之间的间隙，有效降低钻井综合成本，这在国外的许多钻井实践中已得到证实。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，使生产套管直径有较大改变，需要使用小间隙套管程序（RCCPs即Reduced Clearance Casing Programs）。实现RCCPs所采用的井下工具主要包括随钻扩眼工具和可膨胀稳定器。随钻扩眼工具用于在钻完套管内的水泥塞之后，继续向下钻进，以获得所需要的大尺寸井眼，可膨胀稳定器则用于稳定大尺寸井眼中的底部钻具组合。据国外资料报道，对于井深为4878m 的井，采用RCCPs比用普通套管程序节约钻井成本27%。

2．增加套管环空间隙，提高固井质量，并为后续作业创造有利条件

通过井下扩眼技术，在增大环空间隙，提高了固井质量的同时，也可为后续的完井和采油等作业提供有利条件，如可给砾石填充完井提供更大空间等。

3．解决盐膏层、易缩井径地层所带来的勘探和钻井问题

由于盐膏层蠕变和挤压可造成缩径和卡钻，引发严重的钻井事故，而且盐膏层蠕变和挤压也可造成下套管困难，固井质量差，容易挤毁套管，给后期的采油作业带来麻烦。采用井下扩眼技术，扩大盐膏层井段的井眼，以抵消盐膏层蠕变所造成的位移，并增大水泥环厚度，提高固井质量和保护套管，解决了卡钻、缩径等技术难题，避免了钻井事故和后期完井难题。

4．井下扩眼配套技术是开展膨胀管技术、套管钻井技术的技术基础和准备，具有较好的技术延续性

5．提高复杂结构井中，套管的通过性

井下扩眼技术可以使套管更容易通过定向井、水平井的造斜井段，特别是复杂三维定向井、大位移井等复杂工艺井。随着旋转导向钻井技术的广泛应用，各种大位移井、复杂三维定向井日益增多，由于其造斜井段轨迹复杂给套管下入带来了一定困难，通过随钻扩眼技术扩大造斜段井眼，可确保套管的顺利下入。

二随钻扩眼技术及工具的研究进展

1．Bakersfeild Bit&Tool公司的Gaugemaster Driller TM扩眼工具

BakerHughes 公司的Gaugemaster Driller TM扩眼工具是一种出现较早、设计独特、性能优良的套管下扩眼工具，它是采用牙轮扩眼刀翼，两刀翼设计可以使用更大和重载的扩眼牙轮，工具强度和可靠性更高。在钻完油层以后，取出撞针，两只扩眼刀翼外伸，就可以进行扩眼作业，不需额外的起下钻来改变工具，节省了资金和时间，设计思路较以前的常规扩眼工具产品有了进一步的改善和发展。

2．BakerHughes Christens公司的DOSRWD TM系统

BakerHughes Christens公司的RWD随钻扩眼系统在已有双心钻头的技术基础上，进一步更新了设计理念和制造工艺，机构简单、性能可靠，并经实验室测试表明，其井底实钻模型比双心钻头有了较大的改善，领眼稳定性和井壁光滑程度更高；其优点是：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；可以达到随钻扩眼的使用效果；由于具有硬质合金垫块和保径，最大程度地稳定了扩眼工具的工作稳定性。

3．Andergauge公司的Anderreamer TM扩眼工具

Andergauge公司的Underreamer井下扩眼工具采用了该公司机械式变径稳定器的工作原理，使用独特的机械和水力结构外推扩眼总成来达到随钻扩眼的作业目的，扩眼总成使用PDC切削刃，并能在起钻前主动收回扩眼刀翼总成。

4．TRI-MAX Industries公司的EWD TM随钻扩眼工具

TRI-MAX Industries公司于1996年开发了第一代随钻扩眼工具，用于在标准井眼实施小间隙套管程序RCCPs，以此来降低钻井成本。其主要结构和原理和Andergauge公司的Anderreamer扩眼工具相似，并且取得了良好的商业应用效果。

（1）第一代随钻扩眼工具

这种工具通过重力驱动，上部的花键驱动轴及其配套的驱动帽是由震击器的浮动升降补偿器改进的，三个对称的切削块嵌进扩眼工具壳体内，一个双直径心轴通过螺纹与驱动轴相连，能将切削块推至工作位置。

为了钻套管内的水泥塞，在驱动帽上部的平面上设计一个剪切销，使之与驱动轴相连。作业时，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,驱动轴向下滑动，促使大直径的心轴沿切削块内表面运动，心轴将切削块向外推出并锁定在壳体相应的锥形孔内。

切削块和壳体相应的锥形孔的配合尺寸能避免切削块掉入井内，在几口直井和定向井中的使用证明了随钻扩眼工具的使用性能和安全性能，3个反向喷嘴用于冷却和清洗切削块。

第一代随钻扩眼工具在设计上存在一定的局限性。首先，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，对于尺寸∅311.2mm⨯∅374.7mm的随钻扩眼工具，必需施加10.2kN的钻压。

其次，在钻套管内的分级箍倒泄阀、水泥塞、浮箍和套管鞋时，切削块处于缩回的下入位置，这样金属碎屑会进入壳体。心轴的向下运动会将金属碎屑封闭在心轴和壳体的密封区域内，导致心轴密封区域的损坏。

（2）第二代随钻扩眼工具

为了克服第一代随钻扩眼工具的缺陷，第二代产品作了下述改进：驱动心轴设计成两部分，使金属碎屑在切削块收缩的情况下也不会进入心轴和外壳之间的封闭腔；钻套管内水泥