隨鉆擴眼工具的研究與優(yōu)化策略研究

摘要：隨鉆擴眼工具在常規(guī)直井和小尺寸井和大斜度井中都具有較好的使用效果，其優(yōu)勢作用是：可鉆比套管通常所允許的更大直徑的井眼，可完成從直井到水平井的各種井身結構的隨鉆擴眼，可獲得套管與井壁間的最大間隙，改善固井質量，擴大生產井段的直徑，有效保證了油氣質量，減少在大斜度井眼、膨脹性地層、蠕動性地層以及枯竭性砂巖中卡鉆的風險等。本文首先介紹了隨鉆擴眼工具，其次論述了隨鉆擴眼工具結構設計的優(yōu)化。

關鍵詞：隨鉆擴眼工具；鉆井新技術；優(yōu)化設計

隨鉆擴眼主要指的是通過隨鉆擴眼工具與常規(guī)鉆頭流程，整個鉆進過程中將井眼予以擴大的一種鉆井技術。隨鉆擴眼技術對復雜的井下環(huán)境有很好的適應性、能夠節(jié)約鉆井整體成本、保障建井質量水平。目前，隨鉆擴眼已經成為了石油鉆井工程中的核心技術，具有廣闊的發(fā)展前景。

1.隨鉆擴眼工具

1.1雙心擴眼鉆頭

將兩個PDC鉆頭上下一體相連就形成了雙心擴眼鉆頭。由于上下兩個PDC鉆頭的軸線不重合，在鉆頭旋轉過程中所形成的高側向力會一定程度上刮擴井壁，進一步擴大眼徑。雙心擴眼鉆頭的不足之處是：無法保障擴徑的穩(wěn)定、存在較大扭矩，常引發(fā)井下鉆具事故如扭斷鉆具、扭脹鉆桿內接頭等，應用效果不理想。

現(xiàn)階段，新型的雙心擴眼鉆頭致力于鉆井成本的節(jié)約、操作的便捷性及根據(jù)鉆井實際所需研發(fā)匹配的鉆頭。

1.2偏心擴眼工具

偏心擴眼工具主要以硬質合金為前提保障，將金剛石復合片作為切削齒，同時合理的設計了幾何形狀，目的在于不斷增強切削能力，防止損壞掉切削。要求切削齒表面必須進行有效的拋光，避免過高的剪切應力，提高排屑能力?？茖W合理的確立擴眼刀翼，以保證直徑可以平滑過渡到擴眼井徑，加強系統(tǒng)穩(wěn)定性。在常出現(xiàn)膨脹和疏松地層中使用較為理想。該工具的不足之處是：會嚴重的影響到下部鉆具組合性能，無法準確的預測井斜和具體方位，存在較大的扭矩脈沖，形成的井徑缺乏規(guī)則性，地層會對其造成嚴重影響，無法進行鉆套管水泥塞。

2.隨鉆擴眼工具結構設計的優(yōu)化

2.1隨鉆擴眼工具水力結構的優(yōu)化

實際進行隨鉆擴眼鉆進時，處于井底和鉆頭上部兩個破巖位置，兩個破巖工具一同開展作業(yè)，在實際存在的地面機泵條件下，怎樣對鉆井液能量進行優(yōu)化配置，兩個部位中同時實現(xiàn)鉆井液輔助破巖、清洗、冷卻和潤滑的規(guī)范標準，這個問題解決起來難度較大。若處理失誤將直接造成破巖鉆進效果，而且還會發(fā)生鉆頭泥包、工具嚴重磨損、井徑不規(guī)則等影響鉆井安全的因素，所以優(yōu)化設計水力結構在隨鉆擴眼工具中同樣屬于核心。

2.2擴眼工具執(zhí)行機構的優(yōu)化

實際中，應根據(jù)鉆井的井況、地層、井身結構、驅動方式來選擇相應的隨鉆擴眼鉆具組合，比如旋轉近鉆頭擴眼模式、導向擴眼鉆具組合。掌握了解現(xiàn)行工具的適應能力與匹配能力，將其潛在的功能作用全面的挖掘，基于直井、斜井、定向井編制相應的鉆具組合方案來開展擴眼工作，深入細致優(yōu)化對應的裝置、參數(shù)，有效保證工具的安全可靠性，從而產生系列隨鉆擴眼工具。

2.3擴眼總成的優(yōu)化

由于擴眼工具井下作業(yè)過程中會穿越多套地層，無法根據(jù)巖性在擴眼過程中進行刀片的及時更換，長井段擴眼作業(yè)中，具有較高的研磨性地層，所以要求使用的擴眼工具和刀片也應具有較高的研磨性，當工具處于強研磨性地層中工作，會導致刀體、刀片出現(xiàn)強烈的磨損，基于此，以下專門對刀片耐磨性的提升做了深入的探討。

（1）確立耐磨性好的材料；在高研磨性地層中，常使用SK3lX聚晶金剛石耐磨材料，該材料可達到HRA97．0的硬度，抗彎強度達到了1200N／mm，密度達到了14．9／cm，它的最顯著特征是熱穩(wěn)定性高，不會受高溫的影響而降低自身的硬度、韌性及耐磨性，在高研磨性地層中同樣能夠及時有效的完成擴眼。

（2）改善擴眼切削機構；最初構建的切削結構僅僅在刀片兩翼位置處實施了耐磨顆粒的分布，但由于高研磨性巖層會一定程度上研磨刀體的正、側、立三面，所以它的結構設計與高研磨性地層的要求不相一致。應進行一番改進，切削部分應以臺階狀為主，刀片側翼面使用柱狀聚晶金剛石，正面選用柱狀和粒狀的高硬度材料材料，立面則選用片狀的高硬度材料。設計刀體結構的目的主要是提高刀體對地層的切削能力，同時使刀體和工具體間留有足夠的間隙，有效促進了鉆井液在刀體中的冷卻作用。

（3）對刀體和切削塊的焊接方式加以改進；將耐磨性好的材料焊在刀體與井壁的三個接觸面上，要求切削塊和刀體都選用高強度符合材料燒結成整體，從而不斷增強切削塊與刀體結合強度，保障抗沖擊性，使工具能夠有效的穿越夾層。

3.結論

綜上所述可知，隨鉆擴眼屬于邊鉆進邊擴眼，底部鉆具組合的特性與常規(guī)鉆井之間存在一定的差異，此外，在對隨鉆擴眼鉆具組合進行確立與選擇時，應深入細致的分析思考其穩(wěn)定性，以使底部鉆具組合時常處于穩(wěn)定狀態(tài)下作業(yè)，提高隨鉆擴眼工具及其鉆頭的切削水平與使用壽命，嚴防因隨鉆擴眼工具在底部鉆具組合中運行而導致鉆出的軌跡與規(guī)范標準不相符。

4.參考文獻

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

[2]夏焱.隨鉆擴眼工具結構及與之相匹配的鉆具組合設計方法研究[D].中國石油大學,2007年.

[3]張俊杰.提高側鉆井固井質量井下工具研制及應用[D].中國石油大學,2010年.

[4]范亞民,張永澤,欒蘇,趙旭東,閆永宏.國外擴張式隨鉆擴眼工具應用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].石油礦場機械,2011年12期.

[5]劉曉艷.車66區(qū)塊井身結構優(yōu)化設計及配套技術研究[D].中國石油大學,2008年.

作者簡介

丁慶利 （1977-），男，黑龍江省牡丹江市人，助理工程師，?？?，現(xiàn)從事鉆具穩(wěn)定器的設計工作。