64胜利钻井院随钻扩眼工具及技术

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*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.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，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：zjymq m@ ，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键环节开展针对性研究，对于提升我国钻井工程的实力

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EWD TM随钻扩眼工具[1]和Andergauge公司的Anderreamer TM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Anderreamer TM的基础上，研制了液压式的随钻扩眼工

具。EWD TM共发展了两代。

第一代EWD TM随钻扩眼工具上部的花键驱动轴及与其配套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EWD TM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构的密封区域内，导致心轴密封失效。

第二代EWD TM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 Bit&Tool公司的Gaugemaster Driller Underreamer TM扩眼工具。Gaugemaster Driller Underreamer TM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NBR TM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。NBR TM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、高泥浆粘度等情况下的应用，另外液压式随钻扩眼工