隨鉆擴(kuò)眼工具的研究與優(yōu)化

宋 頤，夏宏南，徐 超，周 昆，陳偉峰

（中國石油天然氣集團(tuán)公司鉆井工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室防漏堵漏技術(shù)研究室;長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 荊州 434023）

所謂隨鉆擴(kuò)眼技術(shù)（Ream While Drilling，簡稱RWD）就是采用隨鉆擴(kuò)眼工具和常規(guī)鉆頭程序，在全面鉆進(jìn)的同時(shí)擴(kuò)大井眼的一種鉆井技術(shù)。實(shí)踐表明，隨鉆擴(kuò)眼技術(shù)在處理井下復(fù)雜情況、降低鉆井綜合成本、提高建井質(zhì)量和安全性等方面具有顯著的優(yōu)勢，隨鉆擴(kuò)眼工具也正逐漸成為一種重要的石油鉆井配套工具。

1 隨鉆擴(kuò)眼工具

用于隨鉆擴(kuò)眼鉆井過程的隨鉆擴(kuò)眼工具，從結(jié)構(gòu)上來說可以分為兩大類，一是鉆頭型的隨鉆擴(kuò)眼工具，主要包括雙心鉆頭（單體式偏心鉆頭）、雙體式偏心鉆頭、近鉆頭隨鉆擴(kuò)眼工具。二是具有獨(dú)立結(jié)構(gòu)的隨鉆擴(kuò)眼工具，主要包括兩類，即偏心結(jié)構(gòu)和同心結(jié)構(gòu)的隨鉆擴(kuò)眼器[4]。

1.1 雙心擴(kuò)眼鉆頭

雙心擴(kuò)眼鉆頭由兩個PDC鉆頭上下一體連接而成。由于上下兩個PDC鉆頭的軸線不重合，當(dāng)鉆頭旋轉(zhuǎn)時(shí),產(chǎn)生較大的側(cè)向力從而對井壁產(chǎn)生刮擴(kuò)作用,使眼徑擴(kuò)大。此類工具的缺點(diǎn)是：擴(kuò)徑大小不穩(wěn)定；扭矩大，易導(dǎo)致井下鉆具事故；領(lǐng)眼鉆頭易泥包；在結(jié)構(gòu)上與領(lǐng)眼鉆頭成為一體，不易更換。遼河油田在1996－1999年曾多次使用雙心隨鉆擴(kuò)眼鉆頭進(jìn)行擴(kuò)眼作業(yè)，因扭矩大，常發(fā)生扭脹鉆桿內(nèi)接頭、扭斷鉆具等事故，而被停止使用。

目前雙心擴(kuò)眼鉆頭的開發(fā)和研制正朝著節(jié)約鉆井成本、易于操縱以及針對具體鉆井需要而設(shè)計(jì)制造特殊專用鉆頭的方向發(fā)展。

1.2 偏心擴(kuò)眼工具

偏心工具，鉆擴(kuò)眼系統(tǒng)是在雙心擴(kuò)眼鉆頭的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。由于采用和領(lǐng)眼鉆頭分體安裝的兩件式設(shè)計(jì)，因而對所使用的領(lǐng)眼鉆具組合和鉆頭沒有限制。該工具本身沒有活動部件，所以可避免擴(kuò)眼刀翼落井的危險(xiǎn)。由于擴(kuò)眼總成呈不對稱分布,鉆柱旋轉(zhuǎn)所形成的離心力,迫使擴(kuò)眼總成沿徑向外移進(jìn)行破巖擴(kuò)眼作業(yè)[5]。

偏心工具采用硬質(zhì)合金為支撐，金剛石復(fù)合片為切削齒，并在幾何形狀方面進(jìn)行了布置，以提高切削能力，緩解切削齒破碎和磨損的速度。切削齒表面高度拋光，以減少剪切應(yīng)力，改善排屑能力。通過對擴(kuò)眼刀翼的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)從通過直徑到擴(kuò)眼井徑的平滑過渡，是系統(tǒng)更加穩(wěn)定。主要應(yīng)用范圍限于易膨脹和疏松地層。其缺點(diǎn)是對下部鉆具組合的性能影響較大,井斜和方位的變化難以預(yù)測,扭矩脈沖過高,所形成的井徑不規(guī)則,受地層影響較大，并且不能鉆套管水泥塞。

1.3 同心擴(kuò)眼工具

同心擴(kuò)眼器與偏心擴(kuò)眼器最大的區(qū)別是其幾何結(jié)構(gòu)上與偏心擴(kuò)眼工具不同，各擴(kuò)眼刀翼為同軸設(shè)計(jì)，這些刀刃構(gòu)成的圓心線與鉆柱軸線重合，并且其他部件也都是以幾何中心線為軸線對稱分布，這種設(shè)計(jì)能在很大程度上減少鉆井中的有害振動。切削刀翼展開后為對稱設(shè)計(jì)，在應(yīng)用上相當(dāng)與一個穩(wěn)定器。

從工作原理(或者擴(kuò)眼機(jī)構(gòu)動力來源)是來說，可分為兩種類型，一種是通過液壓動力實(shí)現(xiàn)擴(kuò)眼刀刃的擴(kuò)張，另一種是依靠機(jī)械作用力通過機(jī)構(gòu)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)擴(kuò)眼刀刃的伸縮該工具。由于具有對稱的幾何結(jié)構(gòu)，因此在鉆進(jìn)過程中也具有比偏心擴(kuò)眼器較穩(wěn)定的工作狀態(tài)，可執(zhí)行鉆套管內(nèi)的水泥塞等作業(yè)。鉆具組合設(shè)計(jì)方面也有所不同，根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用情況來看，采用的方式有，領(lǐng)眼井段采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具再加上同心擴(kuò)眼器及其它組件等形成隨鉆擴(kuò)眼鉆具組合，也有采用常規(guī)穩(wěn)定器加上同心擴(kuò)眼器的組合方式。

2 擴(kuò)眼工具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化

2.1 隨鉆擴(kuò)眼工具水力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

在隨鉆擴(kuò)眼鉆進(jìn)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(shí)工作,在現(xiàn)有的地面機(jī)泵條件下,如何合理分配鉆井液能量,在兩個部位同時(shí)滿足鉆井液輔助破巖、清洗、冷卻和潤滑的要求,是一個難題。如果處理不當(dāng)則會顯著降低破巖鉆進(jìn)效率,并很可能引起鉆頭泥包、井徑不規(guī)則、井眼環(huán)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是隨鉆擴(kuò)眼鉆井工具及技術(shù)研究的一個重點(diǎn)[5]。

圖1 帶反置噴嘴的Trimax擴(kuò)眼工具

例如，Trimax的擴(kuò)眼工具（見圖1）下方布置了可更換的反置噴嘴，噴嘴的結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生一個很輕的峰值，可將巖屑吸離鉆頭表面，在相對低的循環(huán)排量下實(shí)現(xiàn)攜帶巖屑，并能減少巖屑滑落速度，消沉鉆頭對井下巖屑的重復(fù)研磨，并且可以防止鉆頭泥包現(xiàn)象；同時(shí)還能產(chǎn)生欠平衡狀態(tài)下的鉆井效果，工具的這種性能大幅度提高了隨鉆擴(kuò)眼的鉆進(jìn)速度。如果采用牙輪為切削元件，水力的輔助切削、清洗的作用顯得尤為重要，很多國外公司在這方面都具有獨(dú)有的專利設(shè)計(jì)，如采用反向噴嘴和多噴嘴結(jié)構(gòu)，以及斜向加長噴嘴，使清洗更徹底[2]。

2.2 擴(kuò)眼工具執(zhí)行機(jī)構(gòu)的優(yōu)化

隨鉆擴(kuò)眼鉆具組合的選擇依據(jù)是所鉆井的井況、地層和井身結(jié)構(gòu)以及驅(qū)動方式的不同，確定不同的鉆具組合，如：常規(guī)套管下隨鉆擴(kuò)眼組合；旋轉(zhuǎn)近鉆頭擴(kuò)眼模式；導(dǎo)向擴(kuò)眼鉆具組合(見圖2)。用對現(xiàn)有工具的適應(yīng)性和匹配性進(jìn)行研究,充分發(fā)掘各種類型工具的優(yōu)勢,在直井、斜井、定向井中都能有不同的鉆具組合方案進(jìn)行擴(kuò)眼作業(yè)，不斷地對各個裝置、參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,切實(shí)提高工具的可靠性,形成系列化隨鉆擴(kuò)眼工具[3]。

圖2 Weatherford公司的RipTide導(dǎo)向擴(kuò)眼工具組合

2.3 擴(kuò)眼總成的優(yōu)化

在基于對PDC鉆頭破巖工具研究的基礎(chǔ)上，在切削齒結(jié)構(gòu)、布齒方式、冠部形狀等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)而減少實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的振動、井徑不規(guī)則、工具壽命偏小等問題[3]。

遼河油田在研究不同地區(qū)側(cè)鉆井?dāng)U眼的基礎(chǔ)上，對最初的模仿PDC鉆頭切削方式的擴(kuò)眼刀片進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，研制出適用于不同地層的6種擴(kuò)眼刀片，純泥巖擴(kuò)眼刀片、純砂巖擴(kuò)眼刀片、松散砂泥巖互層擴(kuò)眼刀片、硬質(zhì)砂泥巖互層擴(kuò)眼刀片、研磨性中以下砂泥巖擴(kuò)眼刀片、研磨性中以上砂泥巖擴(kuò)眼刀片，針對所遇不同的地層情況，旋轉(zhuǎn)合適的刀片[1]。

在針對擴(kuò)眼工具在井下工作時(shí)要穿越多套地層，不可能按照巖性在擴(kuò)眼中途更換刀片，長井段擴(kuò)眼施工，強(qiáng)研磨性地層對擴(kuò)眼工具和刀片的研磨性要求很高，工具在強(qiáng)研磨性地層作業(yè)后，刀體、刀片磨損嚴(yán)重，在針對這一情況，對提高刀片耐磨性方面進(jìn)行了專項(xiàng)研究，進(jìn)行了三點(diǎn)改進(jìn)[5]：

（1）選用搞耐磨性的耐磨材料

針對強(qiáng)研磨性地層，較多地選用了SK31X聚晶金剛石耐磨材料這種材料硬度達(dá)到HRA97.0，抗彎強(qiáng)度1200N/mm，密度14.9/cm，具有良好的熱穩(wěn)定性，在高溫條件下仍能保持高的硬度、韌性、耐磨性，所以在強(qiáng)研磨性地層也能實(shí)現(xiàn)高速擴(kuò)眼。

（2）提高擴(kuò)眼切削機(jī)構(gòu)

早期的切削結(jié)構(gòu)只在刀片兩翼增加了耐磨顆粒的分布，而強(qiáng)研磨性的巖層對刀體的正面、側(cè)面、立面都有研磨作用，因此其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不適合強(qiáng)研磨性地層的要求。

經(jīng)改進(jìn)，將切削部分設(shè)計(jì)成臺階狀，刀片側(cè)翼面采用柱狀聚晶金剛石，正面采用柱狀和粒狀超硬材料，立面為片狀超硬材料。刀體的這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不但加強(qiáng)了刀體對地層的切削能力，而且保證了刀體和工具體之間的間隙，有利于鉆井液對刀體的冷卻，增加了擴(kuò)眼效率。

（3）改進(jìn)刀體和切削塊的焊接方式

改進(jìn)了原來切削塊和刀體焊接的孕鑲方式的焊接，在刀體和井壁的三個接觸面上焊上耐磨材料，切削塊與刀體采用高強(qiáng)度符合材料燒結(jié)成整體，使切削塊與刀體結(jié)合強(qiáng)度大幅提高，抗沖擊能力明顯增強(qiáng)，大大提高了工具穿越夾層的能力[1]。

3 結(jié)束語

隨鉆擴(kuò)眼是邊鉆進(jìn)邊擴(kuò)眼,底部鉆具組合的特性與常規(guī)鉆井有所不同,同時(shí)實(shí)際應(yīng)用也要求在設(shè)計(jì)和選擇隨鉆擴(kuò)眼鉆具組合時(shí)必須考慮其整體穩(wěn)定性,保證整個底部鉆具組合能夠在一種平穩(wěn)的狀態(tài)進(jìn)行工作,保證隨鉆擴(kuò)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(kuò)眼工具而使鉆出的軌跡不能達(dá)到實(shí)際要求。所以在進(jìn)一步的研究工作中，應(yīng)注意以下關(guān)鍵點(diǎn)：

（1）應(yīng)注重整體式設(shè)計(jì)，重視隨鉆擴(kuò)眼器與鉆具組合的同步性，進(jìn)行隨鉆擴(kuò)眼鉆具組力學(xué)特性研究以及鉆具組合設(shè)計(jì)和鉆井參數(shù)優(yōu)選方法研究。

（2）優(yōu)化設(shè)計(jì)刀翼結(jié)構(gòu)，針對不同地層進(jìn)行合理布齒方法和切削齒性能研究。

（3）加強(qiáng)現(xiàn)有工具適應(yīng)性和匹配性的研究，充分發(fā)揮各類工具的優(yōu)勢。

[1]劉乃震，王延瑞.現(xiàn)代側(cè)鉆技術(shù)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2009，169-190.

[2]古亞敏.井下擴(kuò)眼裝置的研制現(xiàn)狀與發(fā)展方向[J].石油機(jī)械，2004，32，（增）：132-134.

[3]馬清明，王瑞和.隨鉆擴(kuò)眼工具及技術(shù)研究.天然氣工業(yè)[J].2004，26（3）：71-74

[4]夏 焱.隨鉆擴(kuò)眼工具結(jié)構(gòu)及與之相匹配的鉆具組合設(shè)計(jì)方法研究[D].中國石油大學(xué)，2006.

[5]J.McCarthy，SPE，J.Rebellon，SPE，S.Barton，SPE，R.Rambhai，SPE，NationalOilwell Varco.Study of Vertical Drilling Technology in High Dip and Applications of BHA with Offset Axes Sub，SPE paper 142431.