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隨著對油氣成藏機制認識的深化和油氣田開發的深入，鉆井遇到的問題越來越復雜，這些復雜問題的解決也越來越依賴于工具的發展和手段的完善，隨鉆擴眼技術正是基于這種背景提出和發展的。所謂隨鉆擴眼技術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、提高鉆井速度、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。國內隨鉆擴眼工具及技術的研究剛剛起步，重視該項技術，就隨鉆擴眼工具這個關鍵環節開展針對性研究，對于提升我國鉆井工程的實力具有重要的實際意義。
一、技術優勢
1．降低鉆井綜合成本[1]
在深井鉆井作業中，為維持表層套管和防噴器足夠的額定壓力，又能使生產套管直徑有多種改變，要求采用小間隙套管程序，研究表明，對于井深為4878m 的井, 采用小間隙套管程序比用普通套管程序節約鉆井成本27 %。實現小間隙套管程序所必備的井下工具包括隨鉆擴眼工具和可膨脹穩定器。
2．提高油井建井質量[2,3]
采用井下擴眼技術，增大套管環空間隙，可顯著提高固井質量，延長油井壽命，同時井眼尺寸的增大也可為礫石填充完井等后續作業創造了條件，有利于提高油氣開發效率。
3．解決井下復雜情況，保障安全鉆進[4]
采用井下隨鉆擴眼技術，擴大鹽膏層井段的井眼，以抵消鹽膏層蠕變所造成的位移，可減少或避免卡鉆、縮徑等復雜情況，同時可增大水泥環厚度，提高套管—水泥環體系抵抗地層蠕變的能力。
4．是相關工藝技術實施的保障和基礎[5]
許多工藝技術對井眼尺寸有要求，如膨脹管技術、套管鉆井技術、開窗側鉆以及復雜井段中管柱的下入等，增大井眼尺寸有助于這些工藝技術的順利實施。
二、隨鉆擴眼工具的結構原理
隨鉆擴眼工具隨鉆和擴眼的基本功能決定了其結構原理，隨鉆功能的實現要求工具不能影響鉆井的基本過程，能與常規鉆井工具匹配，能在地面啟動或停止井下工具的工作，擴眼功能的實現則要求工具能夠擴出所要求的井眼尺寸，而且擴眼鉆井的速度應與常規鉆井速度相當。為實現隨鉆擴眼工具的這些基本功能，國內外發展了多種結構形式的擴眼工具。分析這些隨鉆擴眼工具，按照所實現的功能，其基本結構可分為執行機構、擴眼總成和本體結構3個部分，其中本體結構主要是容納執行機構和擴眼總成、并與鉆柱、鉆頭等鉆具相聯，執行機構是啟動或停止工具擴眼作業的機構，擴眼總成則是具體執行破巖擴眼作業。隨鉆擴眼工具的差別主要是執行機構和擴眼總成的不同。按照執行機構的不同，隨鉆擴眼工具可分為以重力驅動的機械式、以流體壓力驅動的液壓式和以離心力驅動的偏心式3類，擴眼總成按照破巖工具工作方式的不同有PDC和牙輪總成兩類。下面按照執行機構進行分析討論
1．機械式隨鉆擴眼工具
機械式隨鉆擴眼工具以TRI-MAX Industries公司的EWDTM隨鉆擴眼工具[1]和Andergauge公司的AnderreamerTM擴眼工具為代表。這兩種工具的結構原理相似，均是采用重力外推擴眼總成進行隨鉆擴眼作業，擴眼總成采用PDC切削刃，并能在起鉆前主動收回。Andergauge公司后來還在AnderreamerTM的基礎上，研制了液壓式的隨鉆擴眼工具。EWDTM共發展了兩代。
第1代EWDTM隨鉆擴眼工具上部的花鍵驅動軸及與其配套的驅動副由震擊器的浮動升降補償器改進而成。驅動副上設有與驅動軸相連的剪切銷。作業時，領眼鉆頭鉆掉阻流環、水泥塞和套管鞋后，給隨鉆擴眼工具加壓以剪斷銷釘，驅動軸和與之相聯的雙直徑心軸向下滑動，雙直徑心軸大直徑段沿擴眼總成內表面運動，將擴眼總成切削塊向外推出并鎖定在工作位置。采用反向噴嘴冷卻和清洗擴眼總成。
實際應用發現了第1代EWDTM隨鉆擴眼工具的一些缺陷，其一，鉆頭壓降作用在心軸下部的圓柱形截面內，為防止心軸被推回到起始位置，必需施加鉆壓穩定，其二，在鉆套管內的分級箍倒泄閥、水泥塞、浮箍和套管鞋時，擴眼總成收縮于本體結構內，金屬碎屑易進入本體結構，心軸向下運動時，會將金屬碎屑封閉于心軸和本體結構的密封區域內，導致心軸密封失效。
第2代EWDTM針對第一代產品所反映出的不足，將驅動心軸分成兩部分，當擴眼總成收縮時，金屬碎屑不會進入心軸和本體結構之間的封閉腔；采用金屬密封；增加了工作壓力顯示裝置，用以地面監測工具的工作狀態。使用證明，上述改進顯著提高了工具的整體壽命[1]。
機械式隨鉆擴眼工具的優點是工作穩定，不受井深和泥漿性能的影響，不足是擴眼總成徑向行程有限，造成工具的體積較大、井眼直徑擴大有限，在小尺寸井眼中，由于工具空間尺寸的限制，如果要求較大的擴眼尺寸，就容易削弱本體結構的強度，造成安全隱患。
2．液壓式隨鉆擴眼工具
出現較早，應用也較成功的液壓式隨鉆擴眼工具是Bakersfeild Bit&Tool公司的Gaugemaster Driller UnderreamerTM擴眼工具。Gaugemaster Driller UnderreamerTM采用牙輪擴眼總成，首次實現了地面遙控啟動，不需額外的起下鉆來調整鉆井工具，設計思路較以前的常規擴眼工具有了較大發展。采用牙輪擴眼總成的優點是可以施加較大的鉆壓，地層適應性好，但是由于牙輪壽命有限，自身體積較大，附屬結構復雜，易削弱工具的結構強度，降低工具可靠性[6]，隨著PDC切削元件的出現和成熟，這類擴眼工具逐漸減少，但其結構原理和設計思路，還是為后續工具的發展奠定了很好的基礎。
Halliburton Security DBS公司的NBRTM近鉆頭擴眼工具[7]外形和長度與三翼變徑穩定器相似。采用PDC擴眼總成，擴眼總成內部預置有彈簧，當鉆柱內與環空之間的壓差產生的驅動力小于彈簧彈力時，擴眼總成縮回。設有剪切銷釘保證在鉆進套管鞋時，擴眼總成處于縮回狀態。NBRTM對領眼鉆頭的適應性很好，可直接安裝于鉆頭上方或下部鉆具組合的其它部位，可用于滑動導向和旋轉導向鉆進的擴眼作業。
液壓式隨鉆擴眼工具的優點是結構簡單，可以擴出較大尺寸的井眼，不足是液壓式隨鉆擴眼工具是靠流體的壓力推動執行機構，使擴眼總成完成破巖擴眼的作業，如果不能形成足夠的流體壓力，則難以驅動執行機構或保持擴眼總成工作的穩定，這點限制了液壓式隨鉆擴眼工具在深井、高泥漿粘度等情況下的應用，另外液壓式隨鉆擴眼工具對密封結構和水力利元件的結構、材質等要求較高，處理不當也容易造成工具失效。
3．偏心式隨鉆擴眼工具
BakerHughes Christens公司的DOSRWDTM隨鉆擴眼系統是在雙心鉆頭的基礎上發展起來的，DOSRWDTM的擴眼總成與本體結構為一體，位于本體結構的一側，在本體結構上與擴眼總成相對的另一側設有硬質合金墊塊和保徑，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。DOSRWDTM隨鉆擴眼系統的優點是不必單獨鉆領眼、可以使用柔性鉆具組合、可以靈活地選用牙輪鉆頭或PDC鉆頭作為領眼鉆頭，由于具有硬質合金墊塊和保徑，可有效提高擴眼工具工作的穩定性。但是通過跟蹤現場使用情況發現，偏心式隨鉆擴眼工具對BHA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，不能鉆套管內的水泥塞。
三、國內研究進展
國內隨鉆擴眼工具及技術的研究剛剛起步，大港、遼河、勝利等油田，在跟蹤考察國外技術的基礎上，陸續研制了不同規格的隨鉆擴眼工具，其中勝利油田所研制的機械式PDC隨鉆擴眼工具比較有代表性。
1．工具結構
1.上接頭 2.八方桿 3.定位套 4.鎖銷 5.八方套 6.殼體 7.錐體 8.擴眼刀翼9.扶正套 10.錐體中心軸 11.密封圈 12.下接頭
圖1 機械式PDC隨鉆擴眼工具
圖1是勝利油田所研制的機械式PDC隨鉆擴眼工具的示意圖，其原理是未剪斷銷釘時，擴眼總成不外張，可鉆進套管內的水泥塞和套管鞋，當需要擴眼總成伸出時，加壓剪斷銷釘使錐體下行，迫使擴眼總成伸出，需要擴眼總成收回時，工具上提，錐體上行，靠錐體上的燕尾槽使擴眼總成收回。該種工具主要的技術特點有：①八方驅動，浮動機械剪斷銷釘設計；②不必單獨鉆水泥塞和套管鞋；③同心性和居中性良好，工作平穩，井斜控制性能好；④楔形的擴眼總成/驅動軸配合，燕尾槽固定。
2.現場試驗
墾628井是勝利油田勘探公司根據中石化10條龍項目布置的一口深層稠油開發試驗井，地理位置位于山東省東營市河口區墾西地區。為滿足深層稠油開發工藝的需要，即擴大井眼尺寸、提高固井質量，勝利油田鉆井工藝研究院在該井第三次開鉆ф215.9mm井眼，于2003年6月進行了機械式PDC隨鉆擴眼工具的現場試驗。在井深1510～2225m井段，擴眼進尺715m，工具入井時間90h，純鉆73.12h，平均機械鉆速9.177m/h，與鄰井相同領眼鉆頭的機械鉆速相當。鉆穿地層依次為館陶組、東營組、沙一段、沙三段。因鉆遇油氣層需要鉆井取心而起鉆，工具起出新度大于70%。完井電測效果較好，固井質量優。試驗結果表明所研制的機械式PDC隨鉆擴眼工具原理正確、結構可靠，已基本具備了在鉆井現場應用的條件。
四、今后發展需要解決的幾個問題
雖然隨鉆擴眼技術的提出與發展已有一段時間，國內外也出現了多種類型的隨鉆擴眼工具，但是作為一項技術，其還遠未成熟，還有許多亟待解決的問題，綜合上述分析來看，隨鉆擴眼工具及技術的發展和完善，解決好以下幾方面問題是關鍵
1．優化執行機構
執行機構是隨鉆擴眼工具的核心部分，事關工具性能的優劣和擴眼鉆井的成敗。因為機械式、液壓式和偏心式擴眼工具的執行機構各有優劣，所以在隨鉆擴眼工具執行結構的研究中，除了開發新的工作原理的執行機構以外，還應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，同時加強執行機構的優化，切實提高工具的可靠性，形成系列化隨鉆擴眼工具。
2．優化擴眼總成
擴眼總成關系到能否高效優質地形成擴大井眼，是隨鉆擴眼工具中的關鍵部件。PDC和牙輪兩類擴眼總成具有各自的特點和適應范圍，其中PDC類擴眼總成因體積較小，易于實現和壽命較長的特點應用較廣，也是目前隨鉆擴眼工具的研究重點。由于PDC類破巖工具具有較強的地層適應性，PDC類隨鉆擴眼工具能否獲得高的破巖擴眼效率與擴眼總成的布齒方式、冠部形狀和PDC切削齒的材質等因素密切相關，但是目前有關這方面的應用基本還是借鑒PDC鉆頭等破巖工具的研究經驗，于隨鉆擴眼工具自身的特性注意不夠，實際使用不可避免地出現了機械鉆速不穩、井徑不規則、工具壽命偏小等問題，因此開展擴眼總成的優化設計研究，是提升隨鉆擴眼工具性能的一個關鍵。
3．重視底部隨鉆擴眼鉆具組合的力學特性研究
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。但是目前國內外，在這方面開展得研究非常有限，多是借鑒以往的經驗，因為對隨鉆擴眼鉆具組合自身的特性了解不夠，經常出現工藝不匹配、井斜超標、扭矩偏大、工具壽命縮短等情況，限制了該項技術的近一步發展。因此必須開展隨鉆擴眼鉆具組合力學特性的研究，為工具的應用和相關工藝的開發提供理論依據。
4．進行隨鉆擴眼工具水力結構設計與優化研究
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，是一個非常困難的問題，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。
五、結束語
�。�1）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問題時具有顯著的優勢，隨鉆擴眼工具正逐漸成為一種重要的石油鉆井配套工具。
�。�2）加強現有工具的適應性和匹配性研究，發掘各類工具的優勢，優化執行機構、擴眼總成和水力結構、重視底部鉆具組合力學特性的分析是今后發展和完善隨鉆擴眼工具及技術需要解決的幾個關鍵問題。
參考文獻
[1]Sheshtawy A, Howell M. Cut costs with new BHA for reduced clearance casing programs. World Oil, 1999; 220(12): 59-62
[2]李明.利用擴孔方法提高側鉆小眼井的固井質量.石油鉆采工藝,2002;24(5):33~35
[3]唐世春,崔龍兵.小井眼擴孔技術在塔河油田的應用.石油鉆探技術,2001;29(3):35~36
[4]王金龍,葉金龍.沙42井膏鹽層鉆井工藝技術.石油鉆探技術,1994;22(4):2~4
[5]劉艷紅,史明義,張恒等. 墨西哥灣8口側鉆井節約了730萬美元. 國外油田工程,2002;18(1):18~21
[6]孫磊,陳永剛,向陽.塔參一井管下擴眼技術. 鉆采工藝,2001;24(3):14~16
[7]Dave Rodman. Near-bit reamer allows underreaming while drilling with steerable systems.JPT, 2001;53(1):20-21 |
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