國(guó)外擴(kuò)張式隨鉆擴(kuò)眼工具應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

范亞民，張永澤，欒 蘇，趙旭東，閆永宏

（寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西寶雞721002） ①

國(guó)外擴(kuò)張式隨鉆擴(kuò)眼工具應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

范亞民，張永澤，欒 蘇，趙旭東，閆永宏

（寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西寶雞721002）①

隨鉆擴(kuò)眼技術(shù)在處理復(fù)雜地層、提高鉆井速度、提高套管環(huán)空間隙等方面具有應(yīng)用價(jià)值。分析了國(guó)外幾大油田服務(wù)公司的擴(kuò)張式隨鉆擴(kuò)眼工具的結(jié)構(gòu)，介紹了其在現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用情況，總結(jié)了國(guó)外擴(kuò)張式隨鉆擴(kuò)眼工具的技術(shù)特點(diǎn)，并初步探討了隨鉆擴(kuò)眼工具的發(fā)展趨勢(shì)。

井眼；鉆井；隨鉆擴(kuò)眼；擴(kuò)張式擴(kuò)眼工具

隨鉆擴(kuò)眼技術(shù)就是采用隨鉆擴(kuò)眼工具和常規(guī)鉆頭，在全面鉆進(jìn)的同時(shí)擴(kuò)大井眼的一種鉆井技術(shù)，節(jié)約了起下鉆次數(shù)，效率高，避免了鉆后擴(kuò)眼可能帶來(lái)的一系列的施工問(wèn)題。隨鉆擴(kuò)眼技術(shù)通常用于擴(kuò)大裸眼段尺寸，使其大于上部套管串的內(nèi)徑，降低下套管成本（套管程序設(shè)計(jì)中自上而下均采用小尺寸套管），或者解決鹽膏層鉆探難題［1－4］。對(duì)于新發(fā)展的工藝技術(shù)，例如套管鉆井技術(shù)、多分支井技術(shù)等，也常利用隨鉆擴(kuò)眼工具來(lái)保證工藝實(shí)現(xiàn)。擴(kuò)張式隨鉆擴(kuò)眼工具作為擴(kuò)眼工具的一種，具有常規(guī)固定翼式擴(kuò)眼工具無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，是國(guó)外各大油服公司研究發(fā)展的重點(diǎn)。本文將重點(diǎn)介紹威德福、貝克休斯等公司的擴(kuò)張式隨鉆擴(kuò)眼工具結(jié)構(gòu)及應(yīng)用情況。

1 國(guó)外產(chǎn)品現(xiàn)狀及應(yīng)用概況

國(guó)外擴(kuò)眼相關(guān)技術(shù)的研究已開展多年，經(jīng)歷了最初的固定翼式、第1代機(jī)械擴(kuò)張式、第2代懸臂液壓擴(kuò)張式、最新的第3代滑移液壓擴(kuò)張式等階段［5］。國(guó)外幾大油田服務(wù)公司都已研制出相對(duì)成熟的擴(kuò)張式隨鉆擴(kuò)眼工具，例如威德福的Riptide擴(kuò)眼器、哈里伯頓的XR型擴(kuò)眼器、Tesco的Underreamer擴(kuò)眼器等。

1.1 威德福RipTide擴(kuò)眼器

威德福擴(kuò)眼器分為上、下兩短節(jié)，如圖1。上短節(jié)為控制部分，下短節(jié)為擴(kuò)眼器部分，上部分可通過(guò)2種方式控制動(dòng)作，即投球和RFID（Radio－Frequency Identification）。采用RFID方式控制擴(kuò)眼器開

圖1 RipTide擴(kuò)眼器結(jié)構(gòu)

威德福使用RFID技術(shù)的RipTide擴(kuò)眼器能隨鉆擴(kuò)眼，在美國(guó)北Dakota地區(qū)的油氣井，使用該系統(tǒng)將井眼從311.15mm（12英寸）擴(kuò)大至342.90 mm（13英寸），總進(jìn)尺91.44m（300ft），是世界第1家使用電子而非投球激活擴(kuò)眼器的公司。目前，RFID方式可以在外徑為269.88～406.40mm（10～16英寸）的擴(kuò)眼器上使用，并且以后將大量應(yīng)用在墨西哥灣Marathon油田上。

1.2 貝克休斯GaugePro XPR擴(kuò)眼器

貝克休斯公司的GaugePro XPR擴(kuò)張式隨鉆擴(kuò)眼器外形如圖2所示（圖示為刀翼未伸出時(shí)狀態(tài)）。刀翼伸出使用投球開啟，但是沒(méi)有使用剪切銷，代替的是緊定螺釘，而水眼位于本體上方，滑套下行時(shí)打開。對(duì)于311.15mm（英寸）的領(lǐng)眼，該工具可以擴(kuò)眼至342.90mm（13英寸）。另外，貝克休斯和殼牌公司研究了領(lǐng)眼鉆頭與擴(kuò)眼器的同步性［7］。

圖2 GaugePro XPR擴(kuò)眼器外形結(jié)構(gòu)

墨西哥國(guó)家石油公司（PEMEX）在南墨西哥灣深水區(qū)規(guī)劃了部分超深水井，平均水深2 015～2 020m，最深達(dá)2 438m，GaugePro XPR擴(kuò)眼器成功地在墨西哥灣的世界最深水井（約9 573m）中使用［8］。

1.3 Tesco套管鉆井?dāng)U眼器

Tesco的Underreamer擴(kuò)眼器起源于專為套管鉆井技術(shù)研制的工具［9］，能在套管鉆井時(shí)隨鉆擴(kuò)眼，可將常規(guī)井眼尺寸114.30～339.73mm（4～13英寸）擴(kuò)大至158.75～444.50mm（6～17英寸）。該工具已在90多口井中使用，進(jìn)尺超過(guò)152.4km（500 000ft）。Tesco還利用商用化CFD軟件進(jìn)行腐蝕模擬，以改進(jìn)工具［10］。

Underreamer擴(kuò)眼器的結(jié)構(gòu)如圖3，工具本體設(shè)計(jì)有穩(wěn)定器，并且無(wú)軸承，只有3個(gè)移動(dòng)部件（1個(gè)活塞，3個(gè)伸展臂）。

圖3 Underreamer擴(kuò)眼器外形結(jié)構(gòu)

Tesco公司還應(yīng)用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)（Rotary Steering System，RSS）進(jìn)行套管導(dǎo)向鉆井（Casing Directional Drilling，CDD）［11］，在井下鉆具組合（BHA）中，Underreamer擴(kuò)眼器位于泥漿馬達(dá)下部，噴射短節(jié)上部。至2005年，Tesco公司已完成300多口套管鉆井，其中十幾口井嘗試了套管導(dǎo)向鉆井。2008－02，Tesco公司在印度尼西亞使用339.73mm（13英寸）套管進(jìn)行了亞太地區(qū)首次商業(yè)化套管定向鉆井，平均機(jī)械鉆速為22.86 m／h（75ft／h）。

1.4 哈里伯頓XR型擴(kuò)眼器

XR型擴(kuò)眼器能夠在原有領(lǐng)眼基礎(chǔ)上擴(kuò)眼后收回，并且允許起鉆時(shí)全排量循環(huán)，可進(jìn)行井下裸眼擴(kuò)眼［12－13］。XR型擴(kuò)眼器的最大特點(diǎn)在于其在擴(kuò)眼完后能全排量起鉆，不損傷套管和井壁。XR擴(kuò)眼器還是目前唯一能夠在領(lǐng)眼基礎(chǔ)上擴(kuò)大井眼50%的工具，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 XR擴(kuò)眼器外形結(jié)構(gòu)

在墨西哥灣淺海Campeche海灣，墨西哥國(guó)家石油公司（PEMEX）應(yīng)用哈里伯頓的Geo－Pilot 9600系列和XR1200型擴(kuò)眼器相結(jié)合成功地對(duì)1口井進(jìn)行了開窗側(cè)鉆，將井眼從311.15mm（12英寸）擴(kuò)大至374.65mm（14英寸），一趟完成，共用時(shí)8h，約節(jié)約＄8.3萬(wàn)元。

1.5 國(guó)民油井Anderreamer擴(kuò)眼器

Anderreamer井下擴(kuò)張式液壓擴(kuò)眼器外形及結(jié)構(gòu)如圖5所示。該擴(kuò)眼器能夠形成高質(zhì)量的同心井眼，不考慮地層類型、鉆井參數(shù)或者井底狀況，直徑大約比套管內(nèi)徑大20%。Anderreamer擴(kuò)眼器能夠在苛刻的井下環(huán)境中作業(yè)，還應(yīng)用數(shù)學(xué)預(yù)測(cè)模型以確保鉆頭的切削結(jié)構(gòu)與Anderreamer的切削結(jié)構(gòu)相匹配。

圖5 Anderreamer擴(kuò)張式液壓擴(kuò)眼器結(jié)構(gòu)

該工具已成功應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)（RSS）之上的擴(kuò)眼、當(dāng)量循環(huán)密度（ECD）管理中的擴(kuò)眼、塑性地層中的擴(kuò)眼、套管環(huán)空間隙過(guò)小時(shí)的擴(kuò)眼、鹽膏層蠕變等。

該擴(kuò)眼器與NOV的鉆頭已成功應(yīng)用于墨西哥灣深水鉆井中［14］，其中斯倫貝謝利用Anderreamer擴(kuò)眼器解決了在墨西哥灣Louann鹽膏層旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井時(shí)的縮進(jìn)問(wèn)題［15］，該區(qū)域鹽膏層分布在610～3 568mm（2 000～12 000ft）。之所以選擇擴(kuò)張式擴(kuò)眼器代替常見的雙心鉆頭，是因?yàn)殡p心鉆頭會(huì)引起破壞性振動(dòng)從而導(dǎo)致BHA故障。

2 國(guó)外技術(shù)特點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì)

綜上所述，可以看出國(guó)外油服公司的擴(kuò)眼工具已經(jīng)很成熟，產(chǎn)品規(guī)格齊全，可以應(yīng)用在大部分地層條件下，具體情況如表1所示。

表1 國(guó)外公司擴(kuò)眼器產(chǎn)品一覽

2.1 技術(shù)特點(diǎn)

1） 動(dòng)作原理 現(xiàn)在已基本淘汰了固定翼式和機(jī)械擴(kuò)張式，液壓擴(kuò)張式中除Tesco套管鉆井?dāng)U眼器和哈里伯頓的UR型擴(kuò)眼器屬于懸臂擴(kuò)張式外，其余的皆為滑移液壓擴(kuò)張式擴(kuò)眼器，這是因?yàn)榛埔簤簲U(kuò)張式擴(kuò)眼器動(dòng)作更可靠，鉆井效率更高。

2） 控制方式 國(guó)外滑移液壓式擴(kuò)眼工具主要采用投球或壓差開啟方式，收回則普遍采用停泵卸壓后靠彈簧收回的方式，除了哈里伯頓的二次投球和威德福的RFID方式。

3） 工具本體 或者采用整體式工具體，或者由兩短節(jié)組成；而刀翼則普遍采用硬質(zhì)合金體鑲嵌PDC塊，并帶倒劃眼功能的結(jié)構(gòu)形式。

4） 擴(kuò)眼范圍 國(guó)外工具普遍可以在原領(lǐng)眼尺寸基礎(chǔ)上將井眼實(shí)際擴(kuò)大20%以上，有的甚至達(dá)到50%。

5） 應(yīng)用范圍 國(guó)外擴(kuò)眼工具的應(yīng)用已從陸地到海洋，尤其是深海中，從基本的鹽膏層擴(kuò)眼到開窗側(cè)鉆、導(dǎo)向鉆井以及多分支井、大位移井鉆井，使用廣泛，使鉆井效率和固井質(zhì)量大為提高，帶來(lái)了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

6） 國(guó)外公司還普遍重視優(yōu)選鉆頭和擴(kuò)眼工具，優(yōu)化井下鉆具組合。

2.2 發(fā)展趨勢(shì)

1） 將逐步淘汰第2代懸臂擴(kuò)張式，第3代滑移擴(kuò)張式將更普遍應(yīng)用。

2） 更為可靠地動(dòng)作并擴(kuò)眼，更高的安全性和更長(zhǎng)的使用壽命。

3） 激發(fā)方式將會(huì)以威德福RFID為發(fā)展方向，向遠(yuǎn)程遙控激發(fā)方向發(fā)展。

4） 刀翼結(jié)構(gòu)更為優(yōu)化和個(gè)性化設(shè)計(jì)，更能有效切割地層。

3 結(jié)論

1） 隨鉆擴(kuò)眼技術(shù)發(fā)展至今已經(jīng)發(fā)生了很大變化，需要滿足更多用戶的需求，以及具有更高的可靠性，這成為推動(dòng)隨鉆擴(kuò)眼技術(shù)快速發(fā)展的主要?jiǎng)恿Α?/p>

2） 國(guó)外公司擁有成熟的擴(kuò)眼技術(shù)與產(chǎn)品，并且已廣泛應(yīng)用于鉆完井作業(yè)中。

3） 國(guó)內(nèi)正處于起步上升階段，欲解決日益凸現(xiàn)的深部地層和巖膏層鉆探難題、滿足新鉆井技術(shù)發(fā)展，沖破國(guó)外技術(shù)封鎖、提升我國(guó)石油裝備水平，必須加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，切實(shí)開展刀翼優(yōu)化設(shè)計(jì)、工具可靠性分析等工作，力求縮小與國(guó)外的技術(shù)差距。

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Application Status and Trends of Foreign Expandable Reaming Tool While Drilling

FAN Ya－min，ZHANG Yong－ze，LUAN Su，ZHAO Xu－dong，YAN Yong－h(huán)ong
（Baoji Oilfield Machinery Co.，Ltd.，Baoji 721002，China）

The technology of reaming while drilling is of prevalent value in complex formation handling，drilling speed increasing，annular clearance enlarging，etc.The structure for expandable reamers of several foreign oilfield service companies are analyzed in detail.Meanwhile the applications are introduced respectively.Also the characteristics of foreign expandable reamer are summarized and trends are discussed preliminarily.

borehole；drilling；reaming while drilling；expandable reamer

1001－3482（2011）12－0025－04

TE921

A

2011－06－15

范亞民（1956－），男，陜西韓城人，工程師，主要從事石油井口、井控、鉆采設(shè)備研發(fā)及標(biāo)準(zhǔn)化管理工作，E－mail：jszxfym＠bomco.cn。閉［6］時(shí)，泵送1個(gè)小型的射頻發(fā)射器到擴(kuò)眼器，使擴(kuò)眼器控制部分接收到“開”或者“閉”的指令，然后開始動(dòng)作。