小井眼隨鉆擴(kuò)眼技術(shù)

王榮軍 王宗亞 蔣嘉琪 王姍 閆志強(qiáng) 張軍生

針對(duì)中原油田開窗側(cè)鉆井小井眼鉆井井身質(zhì)量差、鉆速低、環(huán)空間隙小、鹽膏層井段縮徑、固井質(zhì)量差等技術(shù)難題，探索采用合適的隨鉆擴(kuò)眼工具：機(jī)械式擴(kuò)眼工具、雙心式隨鉆擴(kuò)眼工具、壓差式隨鉆擴(kuò)眼工具、液壓式擴(kuò)眼工具、可擴(kuò)眼鉆頭等，解決小井眼鉆井的逐項(xiàng)問題。該文對(duì)各種擴(kuò)眼工具的結(jié)構(gòu)原理、特性及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況進(jìn)行的闡述，對(duì)小井眼鉆井具有很好的指導(dǎo)意義。

隨鉆擴(kuò)眼；井下工具；鉆頭；小井眼；中原油田

中原油田開發(fā)區(qū)塊已經(jīng)進(jìn)入開發(fā)后期，許多老井長(zhǎng)期生產(chǎn)，井下套管出現(xiàn)問題，為了繼續(xù)應(yīng)用這些井進(jìn)行生產(chǎn)和挖潛剩余潛能，只有進(jìn)行開窗側(cè)鉆，造成側(cè)鉆井比例大幅上升。但由于在5″套管內(nèi)進(jìn)行開窗側(cè)鉆，小井眼小間隙鉆井，鉆速低，井身質(zhì)量差，影響固井質(zhì)量。為了提高固井質(zhì)量、延長(zhǎng)側(cè)鉆井壽命，采用隨鉆擴(kuò)眼技術(shù)增大井眼與套管之間的環(huán)形間隙，增加水泥環(huán)的厚度和韌性。隨鉆擴(kuò)眼技術(shù)是采用隨鉆擴(kuò)眼工具和常規(guī)鉆頭或者采用可擴(kuò)眼鉆頭，在正常鉆進(jìn)的同時(shí)擴(kuò)大井眼的一種技術(shù)。隨鉆擴(kuò)眼工具可以分兩次或多次鉆進(jìn)完成大尺寸井眼段；可擴(kuò)眼鉆頭可一次隨鉆擴(kuò)眼到設(shè)計(jì)井徑。隨鉆擴(kuò)眼技術(shù)的應(yīng)用可提高井身質(zhì)量，達(dá)到“無螺旋井眼”；增加套管環(huán)空間隙，擴(kuò)大裸眼段環(huán)空尺寸，提高固井質(zhì)量；解決鹽膏層及其他易縮徑地層所帶來的完井風(fēng)險(xiǎn)。近年來各單位自主研發(fā)了一系列擴(kuò)眼工具，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中取得了較好的效果。

1.隨鉆擴(kuò)眼工具結(jié)構(gòu)及應(yīng)用

機(jī)械式擴(kuò)眼工具。機(jī)械式隨鉆擴(kuò)眼工具由上接頭、八方組合、主體、刀片和扶正器等部件組成（見圖1）。其原理是在套管內(nèi)鉆進(jìn)時(shí)，銷釘不剪斷，擴(kuò)眼刀翼不張開，可用來鉆掉套管內(nèi)的水泥塞和套管鞋；當(dāng)需要擴(kuò)眼時(shí)，加壓剪斷銷釘，使錐體下移，迫使刀片伸出，可進(jìn)行擴(kuò)眼鉆進(jìn)。擴(kuò)眼結(jié)束需要收回刀翼時(shí)，工具上提，錐體上行，靠錐體上的特殊機(jī)構(gòu)可使刀片收回，順利起鉆。

設(shè)計(jì)特點(diǎn)：六方驅(qū)動(dòng)和浮動(dòng)機(jī)械剪切銷釘設(shè)計(jì)，同心性和劇中穩(wěn)定性良好，工作穩(wěn)定，井斜控制能力強(qiáng)；不必專門再下一趟鉆鉆水泥塞和套管鞋，一趟鉆即可解決問題；楔形刀翼/驅(qū)動(dòng)軸配合，燕尾槽固定。

已開發(fā)的機(jī)械式擴(kuò)眼器有：114mm、152.0mm、215.9mm、311.1mm四種尺寸。鉆具組合為： 114mm單牙輪鉆頭（或PDC）+穩(wěn)定器+擴(kuò)眼器+ 88.9mmHWDp，進(jìn)行隨鉆擴(kuò)眼鉆進(jìn)，可將井眼從114mm擴(kuò)大到140mm。同時(shí)因?yàn)槭请S鉆擴(kuò)眼，機(jī)械鉆速不會(huì)因?yàn)閿U(kuò)眼而受影響，機(jī)械鉆速也得到了提高。特別是對(duì)于目的層段擴(kuò)徑最好，經(jīng)擴(kuò)眼后的裸眼段環(huán)空間隙大大增加，提高了固井質(zhì)量。

雙心式隨鉆擴(kuò)眼工具。雙心式隨鉆擴(kuò)眼工具是在雙心PDC鉆頭的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的，其結(jié)構(gòu)見圖2。

其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：為平衡擴(kuò)眼刀翼的側(cè)向力，設(shè)計(jì)了光滑保徑的領(lǐng)眼穩(wěn)定墊片；整體結(jié)構(gòu)無活動(dòng)部件，壽命長(zhǎng)，井下風(fēng)險(xiǎn)小，適合長(zhǎng)井段和定向井段擴(kuò)眼；采用高低不同的擴(kuò)眼刀翼設(shè)計(jì)可達(dá)到漸進(jìn)式擴(kuò)眼的目的；適應(yīng)性強(qiáng)，可適用于各種領(lǐng)眼鉆頭。

壓差式隨鉆擴(kuò)眼工具。壓差式隨鉆擴(kuò)眼工具總體結(jié)構(gòu)見圖3。其結(jié)構(gòu)主要有本體、刀體翼、彈簧、擋塊、缸套等組成。刀翼為雙排交錯(cuò)部齒、拋物線型設(shè)計(jì)，刀翼的活塞與缸套之間的動(dòng)密封采用“Y”形密封圈密封，與缸套本體之間的靜密封采用“O”形密封圈密封。

其工作原理是通過鉆頭水眼調(diào)節(jié)工作壓降，在一定工作壓降下，當(dāng)作用在刀翼活塞面上的壓力大于彈簧的彈力時(shí)，刀翼被外推，開始擴(kuò)眼作業(yè)。當(dāng)作用在活塞上的推力小于彈簧的彈力時(shí)，在彈簧力的作用下，刀翼逐漸回收并復(fù)位。

設(shè)計(jì)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊，便于連接；現(xiàn)場(chǎng)維修、檢測(cè)方便；由于利用鉆頭水眼所產(chǎn)生的壓降，本身不消耗壓降，使用范圍廣；具有很好的倒劃眼功能，有利于安全起下鉆。

液壓式擴(kuò)眼工具。液壓式擴(kuò)眼工具主要由保護(hù)接頭、殼體、泵壓顯示裝置、活塞總成、彈簧、刀翼、下扶正器等組成。該工具采用水力活塞式結(jié)構(gòu)，利用噴嘴產(chǎn)生的壓降推動(dòng)活塞外張擴(kuò)眼刀翼；獨(dú)特的擴(kuò)眼刀翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有利于初始造臺(tái)階作業(yè)；采用PDC復(fù)合片作為切削刃，各擴(kuò)眼刀翼增設(shè)了保徑齒，保證擴(kuò)眼刀翼外張時(shí)不受嚴(yán)重磨損；設(shè)計(jì)了鉆井液流道和殼體保徑，內(nèi)部鉆井液沖管使得鉆井液全部從鉆頭處循環(huán)，不至于中間泄露，可增設(shè)旁通水眼清洗擴(kuò)眼刀翼；利用泵壓顯示裝置，可調(diào)節(jié)初始造臺(tái)階的外張力，并有利于地面操作人員判斷和操作；可靈活選擇領(lǐng)眼鉆頭，是套管側(cè)鉆井小井眼擴(kuò)眼作業(yè)比較合理的設(shè)計(jì)。

工作原理：將液壓式擴(kuò)眼器下到預(yù)定擴(kuò)眼深度，啟動(dòng)轉(zhuǎn)盤，緩慢開泵，此時(shí)鉆井液流經(jīng)活塞上的噴嘴產(chǎn)生壓力降，形成的壓力推動(dòng)活塞下行，活塞上的圓螺母支撐刀翼外張切削井壁。當(dāng)?shù)兑磉_(dá)到最大外張位置，泵壓將明顯下降，即可進(jìn)行擴(kuò)眼鉆進(jìn)作業(yè)；擴(kuò)眼完畢后，停泵，壓力降消失，活塞在彈簧的反力作用下復(fù)位，刀翼借助自身重量和外力收回刀槽內(nèi)。液壓式PDC擴(kuò)眼工具技術(shù)參數(shù)和規(guī)范見表1。

液壓式擴(kuò)眼工具曾在中原油田胡12-側(cè)5井成功應(yīng)用。擴(kuò)眼井段1940～2420m，進(jìn)尺480m。擴(kuò)眼前個(gè)別井段井徑從118mm縮小到100mm，縮徑率達(dá)15.3%。井徑小于118mm的井段累計(jì)165m，占總裸眼井段的31.7%。擴(kuò)眼后，井徑大于140mm的井段為310m，占總擴(kuò)眼段的64.5%，井徑大于130mm的井段累計(jì)400m，占總擴(kuò)眼段的83.3%，平均井徑大于136mm。中原油田部分開窗側(cè)鉆井?dāng)U眼前后井徑對(duì)比情況見表2。

由表2可看出，擴(kuò)眼后井徑發(fā)生了明顯增大，擴(kuò)大率均在15%以上，達(dá)到了預(yù)期的目的。

伸縮式擴(kuò)眼器利用具有伸縮性的刀翼實(shí)現(xiàn)擴(kuò)徑，擴(kuò)徑量不受上部井段套管內(nèi)徑的限制，可實(shí)現(xiàn)較大位移的擴(kuò)徑，靠彈簧和液壓方式實(shí)現(xiàn)刀翼的伸縮，屬于軟支撐。該工具易受到井壁巖石軟硬交錯(cuò)程度的影響，易形成糖葫蘆井眼。

2.新型可擴(kuò)眼鉆頭

目前國(guó)內(nèi)外研制的可擴(kuò)眼鉆頭為雙中心擴(kuò)眼鉆頭，其著眼點(diǎn)為采用硬支撐設(shè)計(jì)方案，將 118mm鉆頭鉆進(jìn)井眼機(jī)械式擴(kuò)眼至 130～ 150mm。

可擴(kuò)眼鉆頭結(jié)構(gòu)見圖4，主要由下接頭、活塞、主殼體缸體、返向活塞、返向缸體、變流套、返向缸體接頭、鋼球、上接頭等部分組成。借助于高壓鉆井液作用在活塞上、下端面上的壓力差產(chǎn)生一定的靜壓力，剪斷銷釘后，利用活塞軸上的斜面和斜面銷推動(dòng)PDC刀片到設(shè)計(jì)確定的張開尺寸，并將力傳遞給PDC刀片，連續(xù)不斷的作用使PDC鉆頭向下切削巖石形成機(jī)械進(jìn)尺。同時(shí)利用連接接頭上的定位銷，使PDC刀片的位置保持不變，鉆出的井眼尺寸穩(wěn)定。當(dāng)需要收回PDC刀片時(shí)，上提鉆柱，活塞軸上移，PDC刀片在斜面銷的作用下恢復(fù)到原始尺寸。

擴(kuò)眼鉆頭可隨鉆擴(kuò)眼，擴(kuò)眼速度、壽命與單牙輪鉆頭相匹配；刀翼伸縮靈活，強(qiáng)度可靠；擴(kuò)孔后，井徑規(guī)則。

擴(kuò)眼鉆頭入井鉆具組合最好避開定向井段。嚴(yán)禁下鉆過程中循環(huán)鉆井液排量超過3L/s和猛提猛放鉆柱，以防液柱壓力波動(dòng)使銷釘提前剪斷。擴(kuò)眼鉆頭總成送達(dá)預(yù)定擴(kuò)眼深度后，緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤，開泵循環(huán)鉆井液，當(dāng)排量達(dá)到3～5L/s時(shí)，鉆井液截留壓差的作用迫使活塞壓縮彈簧，小活塞外滑脫離返向中心軸，實(shí)現(xiàn)解除安全定位。當(dāng)泵壓達(dá)到5～8MPa，即可進(jìn)行正常擴(kuò)眼鉆進(jìn)。該擴(kuò)眼鉆頭在中原油田個(gè)別井上應(yīng)用取得了很好的成效。

3.隨鉆擴(kuò)眼鉆具組合

隨鉆擴(kuò)眼鉆具組合的選擇是根據(jù)所鉆井情況、地層和井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

常規(guī)隨鉆擴(kuò)眼組合。一般采用多穩(wěn)定器組合設(shè)計(jì)：鉆頭+穩(wěn)定器+隨鉆擴(kuò)眼工具+鉆鋌+穩(wěn)定器（可膨脹）+鉆鋌+鉆桿；鉆頭+鉆鋌+穩(wěn)定器+隨鉆擴(kuò)眼工具+鉆鋌+穩(wěn)定器（可膨脹）+鉆鋌+鉆桿。這2套鉆具組合是比較廣泛的鉆具組合。

旋轉(zhuǎn)近鉆頭擴(kuò)眼模式。旋轉(zhuǎn)近鉆頭擴(kuò)眼模式鉆具組合有：鉆頭+隨鉆擴(kuò)眼工具+鉆鋌+穩(wěn)定器（可膨脹）+鉆鋌+鉆桿；鉆頭+短穩(wěn)定器+隨鉆擴(kuò)眼工具+鉆鋌+穩(wěn)定器（可膨脹）+鉆鋌+鉆桿；鉆頭+隨鉆擴(kuò)眼工具+鉆鋌+鉆桿。

此鉆具組合性能較好，不影響巖屑錄井，對(duì)地層不敏感，可適用于直井、定向井穩(wěn)斜段，但現(xiàn)場(chǎng)要根據(jù)橫向振動(dòng)情況合理調(diào)節(jié)穩(wěn)定器，控制鉆壓過大對(duì)切削齒的橫向沖擊和破壞。

導(dǎo)向擴(kuò)眼鉆具組合。常用的小井眼鉆具組合有：穩(wěn)斜鉆具組合：鉆頭+隨鉆擴(kuò)眼工具或旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具+可膨脹式扶正器（比擴(kuò)眼尺寸小3～9mm）+鉆鋌（加重鉆桿）+鉆桿。降斜鉆具組合：鉆頭+隨鉆擴(kuò)眼工具或旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具+可膨脹式扶正器（比擴(kuò)眼尺寸小1.6mm）+鉆鋌（加重鉆桿）+鉆桿。增斜鉆具組合：鉆頭+隨鉆擴(kuò)眼工具或旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具+（可膨脹式扶正器（比擴(kuò)眼尺寸小12.7～19mm））+鉆鋌（加重鉆桿）+鉆桿。

如果使用動(dòng)力鉆具，隨鉆擴(kuò)眼工具直接接到鉆頭上部，可膨脹扶正器直接連接動(dòng)力鉆具上部，或者去掉扶正器。

對(duì)現(xiàn)有工具的適應(yīng)性和配套技術(shù)還要進(jìn)行繼續(xù)研究，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中存在的問題對(duì)工具進(jìn)行改進(jìn)和完善，形成系列化，提高小井眼側(cè)鉆技術(shù)水平，提高機(jī)械鉆速和井身質(zhì)量，提高小井眼固井質(zhì)量。

4.結(jié)論

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況表明隨鉆擴(kuò)眼工具能滿足小井眼隨鉆擴(kuò)眼的需要，根據(jù)地層情況優(yōu)選擴(kuò)眼鉆具組合有助于提高擴(kuò)眼效率，控制井斜，最大限度地提高擴(kuò)眼工具的工作穩(wěn)定性。

小井眼隨鉆擴(kuò)眼技術(shù)是老區(qū)開窗側(cè)鉆的必配套技術(shù)，有利于提高鉆速和井身質(zhì)量，提高小井眼小間隙套管固井質(zhì)量。

小井眼擴(kuò)眼鉆具經(jīng)過逐步開發(fā)和完善，形成系列化生產(chǎn)，對(duì)老井后期開發(fā)潛能的挖潛是有力的技術(shù)支撐。