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1、井下随钻扩眼技术及工具争论引 言井下扩眼钻井技术，是承受特地的扩眼工具和常规钻头程序，获得比常规井眼尺寸更大井眼的一种钻井技术。分钻后扩眼和井下随钻扩眼两种方式，钻后扩眼是在钻完井眼后，再下入扩眼工具扩大已钻井眼，而井下随钻扩眼是下入随钻扩眼工具边钻边扩，在全面钻进的同时形成扩大井眼，此项技术被称为继随钻测量和随钻测井之后的又一重大技术突破。近几年，钻井扩眼技术随着简单工艺井及深井的增多，在国外的钻井领域得到了进一步的进展，各种类型的井下扩眼工具相继研制成功。特别是随钻扩眼工具也渐渐成为国内外钻井争论领域的亮点。 随钻扩眼技术的工程意义1. 可承受小间隙套管程序，降低钻井综合本钱钻井扩眼可以减
2、小套管柱之间的间隙，有效降低钻井综合本钱，这在国外的很多钻井实践中已得到证明。在深井钻井作业中，为维持表层套管和防喷器足够的额定压力，使生产套管直径有较大转变，需要使用小间隙套管程序 RCCPs 即 Reduced Clearance Casing Programs。实现RCCPs 所承受的井下工具主要包括随钻扩眼工具和可膨胀稳定器。随钻扩眼工具用于在钻完套管内的水泥塞之后，连续向下钻进，以获得所需要的大尺寸井眼，可膨胀稳定器则用于稳定大尺寸井眼中的底部钻具组合。据国外资料报道，对于井深为 4878m 的井，承受RCCPs 比用一般套管程序节约钻井本钱27%。2. 增加套管环空间隙，提高固井质
3、量，并为后续作业制造有利条件通过井下扩眼技术，在增大环空间隙，提高了固井质量的同时，也可为后续的完井和采油等作业供给有利条件，如可给砾石填充完井供给更大空间等。3. 解决盐膏层、易缩井径地层所带来的勘探和钻井问题由于盐膏层蠕变和挤压可造成缩径和卡钻，引发严峻的钻井事故，而且盐膏层蠕变和挤 压也可造成下套管困难，固井质量差，简洁挤毁套管，给后期的采油作业带来麻烦。承受井下扩眼技术，扩大盐膏层井段的井眼，以抵消盐膏层蠕变所造成的位移，并增大水泥环厚度， 提高固井质量和保护套管，解决了卡钻、缩径等技术难题，避开了钻井事故和后期完井难题。4. 井下扩眼配套技术是开展膨胀管技术、套管钻井技术的技术根底和
4、预备，具有较好的技术连续性5. 提高简单构造井中，套管的通过性井下扩眼技术可以使套管更简洁通过定向井、水平井的造斜井段，特别是简单三维定向井、大位移井等简单工艺井。随着旋转导向钻井技术的广泛应用，各种大位移井、简单三维定向井日益增多，由于其造斜井段轨迹简单给套管下入带来了肯定困难，通过随钻扩眼技术扩大造斜段井眼，可确保套管的顺当下入。二 随钻扩眼技术及工具的争论进展11. Bakersfeild Bit&Tool 公司的Gaugemaster DrillerTM 扩眼工具BakerHughes 公司的 Gaugemaster DrillerTM 扩眼工具是一种消灭较早、设计独特、性能优良的套管
5、下扩眼工具，它是承受牙轮扩眼刀翼，两刀翼设计可以使用更大和重载的扩眼 牙轮，工具强度和牢靠性更高。在钻完油层以后，取出撞针，两只扩眼刀翼外伸，就可以进展扩眼作业，不需额外的起下钻来转变工具，节约了资金和时间，设计思路较以前的常规扩 眼工具产品有了进一步的改善和进展。2. BakerHughes Christens 公司的DOSRWDTM 系统BakerHughes Christens 公司的RWD 随钻扩眼系统在已有双心钻头的技术根底上，进一步更了设计理念和制造工艺，机构简洁、性能牢靠，并经试验室测试说明，其井底实钻模型比双心钻头有了较大的改善，领眼稳定性和井壁光滑程度更高；其优点是：不必单独
6、钻领 眼；可以使用柔性钻具组合；可以敏捷地选用牙轮钻头或PDC 钻头作为领眼钻头；可以到达随钻扩眼的使用效果；由于具有硬质合金垫块和保径，最大程度地稳定了扩眼工具的工作 稳定性。3. Andergauge 公司的AnderreamerTM 扩眼工具Andergauge 公司的Underreamer 井下扩眼工具承受了该公司机械式变径稳定器的工作原理，使用独特的机械和水力构造外推扩眼总成来到达随钻扩眼的作业目的，扩眼总成使用PDC 切削刃，并能在起钻前主动收回扩眼刀翼总成。4. TRI-MAX Industries 公司的EWDTM 随钻扩眼工具TRI-MAX Industries 公司于 19
7、96 年开发了第一代随钻扩眼工具，用于在标准井眼实施小间隙套管程序 RCCPs，以此来降低钻井本钱。其主要构造和原理和 Andergauge 公司的Anderreamer 扩眼工具相像，并且取得了良好的商业应用效果。（1） 第一代随钻扩眼工具这种工具通过重力驱动，上部的花键驱动轴及其配套的驱动帽是由震击器的浮动升降补偿器改进的，三个对称的切削块嵌进扩眼工具壳体内，一个双直径心轴通过螺纹与驱动轴相连，能将切削块推至工作位置。为了钻套管内的水泥塞，在驱动帽上部的平面上设计一个剪切销，使之与驱动轴相连。作业时，钻掉阻流环、水泥塞和套管鞋后，给随钻扩眼工具加压以剪断销钉,驱动轴向下滑 动，促使大直径的
8、心轴沿切削块内外表运动，心轴将切削块向外推出并锁定在壳体相应的锥 形孔内。切削块和壳体相应的锥形孔的协作尺寸能避开切削块掉入井内，在几口直井和定向井中 的使用证明白随钻扩眼工具的使用性能和安全性能，3 个反向喷嘴用于冷却和清洗切削块。第一代随钻扩眼工具在设计上存在肯定的局限性。首先，钻头压降作用在心轴下部的圆柱形截面内，为防止心轴被推回到起始位置，对于尺寸311.2mm374.7mm 的随钻扩眼工具，必需施加 10.2kN 的钻压。其次，在钻套管内的分级箍倒泄阀、水泥塞、浮箍和套管鞋时，切削块处于缩回的下入位置，这样金属碎屑会进入壳体。心轴的向下运动会将金属碎屑封闭在心轴和壳体的密封区域内，导
9、致心轴密封区域的损坏。（2） 其次代随钻扩眼工具为了抑制第一代随钻扩眼工具的缺陷，其次代产品作了下述改进：驱动心轴设计成两局部，使金属碎屑在切削块收缩的状况下也不会进入心轴和外壳之间的封闭腔；钻套管内水泥塞时，当切削块处于收回的下入位置时能实现壳体密封；在随钻扩眼上增加了一个压力显示装置，以便在地面上监测随钻扩眼工具的工作状态；上部和下部心轴使用金属密封。改进后的随钻扩眼工具先后在两口井中使用，旋转工作时间超过 300h，进尺 1524m， 没有更换任何部件。（3） 反向喷嘴调整反向喷嘴的轴向和径向倾角，进一步提高了随钻扩眼工具的钻速和进尺，甚至能在降低钻井液排量的状况下，使钻头钻速提高 1
10、倍以上，其缘由在于反向喷嘴在井底产生了一种抽吸作用。反向喷嘴的其它作用包括：防止产生钻头泥包；钻井液排量降低，从而在环空中形成层 流，削减了在软地层中对井壁的冲蚀；环空层流减小了环空摩阻，从而降低了等量循环密度。5. Halliburton SecurityDBS 公司的NBRTM近钻头扩眼工具SecurityDBS 公司的近钻头扩眼工具NBR 象一个三翼变径稳定器。工具驱动活塞的推力来自水眼内部与环空之间的压差，压差可以通过调整钻头的水眼总面积，或在NBR 下面增加其它钻具来调整。压差越大活塞的推力越大。活塞外外表刀翼镶有PDC聚晶金 刚石复合片切削齿。活塞的内部预置有弹簧以保证当压差产生的
11、驱动力小于弹簧力时能缩回。设计有剪切销钉保证NBR 在钻进套管鞋时处于缩回的工作状态。该工具可直接安装在钻头上方或下部钻具组合的其它部位。NBR 适用于任何型号的领眼钻头。NBR 在满眼状态下长度与常规近钻头稳定器的长度相当，实践证明其扩眼力量优于双心钻头或其它类型的扩眼工具。在定向施工过程中，尤其是在高难度大位移井钻井过程中， 传统的扩眼技术很难进展，而NBR 可以钻过水泥塞和套管鞋在不起钻更换下部钻具组合的前提下钻出扩大尺寸的井眼。NBR 使得钻进和井下扩眼同时进展，对下部钻具组合性能的影响却很小。因此，NBR 既可以用于马达钻进，又可以用于旋转钻进包括导向钻进。由于NBR 是满眼的，它能
12、将任何形式的下部钻具组合扶正，减弱了钻具扭振，减小了井眼螺旋。6. 国内的进展趋势与现状最近几年，国内大港油田、辽河油田有单一规格的扩眼工具问世，但大多仿制改进国外 以往的产品，没有形成成熟的配套技术。依据文献，国内相关争论单位已完成承受双心钻头 进展井下扩眼的课题争论工作，双心钻头的工业性应用也取得了肯定使用效果，但双心钻头 具有以下缺点：井斜和方位不行推测；扭矩脉冲过高；井径不规章；在中硬地层中， 钻速和工具寿命受到限制；不能钻套管内的水泥塞。成功石油治理局钻井工艺争论院 1999年开头进展承受 PDC 复合片切削刃液压式扩眼工具的争论工作，并形成了四种尺寸系列， 在塔里木塔河油田取得了较
13、好的使用效果，初步展现扩眼钻井技术良好的应用前景和技术价 值。但总的来说，工具的种类尚显单一，配套技术也不成熟，还很难满足各种现场应用需求， 因此随钻扩眼钻井技术迫切需要进展争论。三 成功油田随钻扩眼技术及工具的先导性争论成功石油治理局钻井工艺争论院依据钻井生产需要并借签国外石油扩眼工具的进展趋势与特点，研制开发了机械式和偏心式PDC 扩眼工具随钻扩眼工具，并进展了先导性试验。各型工具的构造原理、性能参数及主要特点如下：3图 1SK 系列双心PDC 随钻扩眼器1. 工具的研制开发（1） SK 系列双心PDC 随钻扩眼器该系列工具见图1是在双心钻头的技术根底上，进一步进展了改进设计，到达了随钻扩
14、眼的技术要求，其主要技术特点有：j为平衡扩眼刀翼的侧向力，设计了光滑保径的领眼稳定垫块；k无活动部件，寿命长，井下风险小，适合长井段和定向井段扩眼；l承受高 强度钢整体加工，强度高；m独特的凹凸不同扩眼刀翼设计，可到达逐级扩眼效果；n可以依据地层状况，敏捷选用领眼钻头。技术参数见表3。4表 1SK 系列双心PDC 随钻扩眼器技术参数和规格表领眼直径 通过直径 扩眼直径总 长型 号上部扣型mmmmmmmm下部扣型SK-178120152178576NC3827/ REG8SK-245152216245750NC5031/ REG2（2） JK 系列机械式PDC 随钻扩眼器JK 系列机械式 PDC
15、 随钻扩眼器(见图 2)主要原理是未剪断销钉时，扩眼刀翼不外张，可钻进套管内的水泥塞和套管鞋；当需要刀片伸出时， 加压剪断销钉使锥体下行，迫使刀片伸出，需要刀片收回时，工具上提，锥体上行，靠锥体上的燕尾槽使刀片收回。主要的技术特点有：j六方驱动，浮动机械剪断销钉设计；k不必单独钻水泥塞和套管鞋；l同心性和居中性良好，工作平稳,井斜掌握性能好；m楔形的刀翼/驱动轴协作，燕尾工具关闭状态工具工作状态型 号领眼直径mm通过直径mm扩眼直径mm总 长mm上部扣型下部扣型槽固定。技术参数见表 2。图 2JK 系列机械式PDC 随钻扩眼器表 2JK 系列机械式PDC 随钻扩眼器技术参数和规格表JK-178
16、152.4152178780NC3827/ REG8JK-245215.9216245780NC5031/ REG22. 垦 628 井随钻扩眼先导试验垦 628 井是成功油田勘探公司依据中石化十条龙工程布置的一口深层稠油开发先导试验井，地理位置位于山东省东营市河口区垦西地区；该井由渤海钻井二公司 32936 队负责施工，2023 年 5 月 22 日开钻，2023 年 7 月 3 日完钻。为满足深层稠油开发工艺的需要，即扩大井眼尺寸、提高固井质量，钻井院担当的中石化集团公司课题“随钻扩眼技术”在本井三 开 215.9mm 井眼进展了先导试验，垦 628 井构造上位于济阳凹陷沾化凹陷垦西断裂带
17、高部位，垦西断裂带东邻孤岛突起， 北面为渤南洼陷，西接罗家鼻状构造，南与三合村洼陷相邻；其油源区主要为西面的渤南洼陷；本井设计井深2450m，地层自上而下依次为平原组、明化镇组、馆陶组、东营组、沙河街组的沙一段、沙三段和沙四段，其中沙河街组的沙二段在本地区缺失。垦 628 井钻探目的是通过该井的钻探进一步取得深层稠油开采的突破。（1） 井身数据本井一开井眼直径 444.5mm，套管外径 339.7mm，下深 200m，二开井眼直径 311.1mm，套管外径 244.5mm，下深 1500.0m，三开井眼直径 215.9mm，为满足热采的要求，承受 244.5mm 技套挂 177.8mm 尾管的
18、设计方案，在 215.9mm 井眼下入 177.8mm 套管，环空间隙小，固井质量难以保证，因此承受随钻扩眼技术来增加井眼直径， 使之到达 244.5mm，增大环空间隙，提高固井质量；但后来考虑到扩眼尺寸过大，可能使机械钻速受到影响，因此在满足固井要求的前提下，征得勘探事业部的同意，三开井眼尺寸 扩至 237mm。本井原设计在三开后直接进展随钻扩眼，但考虑到钻水泥塞有提前剪断销钉的风险，为 安全起见，打算在钻完水泥塞后，再下入随钻扩眼工具。因此实际扩眼从井深1528m 开头， 扩眼工具位置在井深 1510m。钻具构造：3AH517(J22)+ 178mmDC2 根18m+JK215-237 随
19、钻扩眼工具+10 根 178DC+ 127DP。钻进参数：钻压 14-18t，转速 60 rpm，排量 28 l/s , 泵压：16Mpa。泥浆性能：密度1.10，粘度：40，API 失水 5.2ml，泥饼：0.5，含砂量0.3%， 塑性粘度 10mpa.s。（2） 扩眼过程2023 年 6 月 4 日 15：00 工具入井，19：30 下钻到底，等气测。6 月 5 日 0：30 开头20预备钻进，加压 15t 剪断销钉，上提原方入，15缓慢下放，造出扩眼台肩，然后开头正常钻进。扩眼钻时曲线如图 3。h)(时 10钻扩眼至 6 月 8 日 18：00，井段 2243m，5见油气显示，停钻取心。
20、 扩眼工具深度2225m ， 扩 眼 进 尺 715m ， 钻 进 井 段01101 201 301 401 501 601 7011528m-2243m，扩眼井段1510m-2225m，工进尺(m)具入井 90 小时，纯钻 73.2 小时，中间短起下两次，平均机械钻速 9.77m/h。图 3k628 井随钻扩眼钻时曲线6 月 8 日 20：30 起钻，起到第 14 柱钻杆，即 1860 米处遇阻，上下活动钻具，开泵循环，然后起至技套内，紧接着下钻到底循环后起钻，起至1950m 后又遇阻，再次活动钻具， 开泵循环后，起出钻具，钻具在套管内起钻顺当，说明随钻扩眼器刀片已顺当收回。分析认 为，遇阻
21、可能是地层缩径较大或者泥饼较厚造成的，由于钻进时速度较快，井壁不太稳定所 致。6 月 9 日 11：00 工具起出井口，井口检查觉察刀片伸缩自如，证明白上述推断是正确的。刀片下部两个齿磨损约有 3mm，保径齿根本未磨损，刀片无变形现象。（3） 机械钻速分析随钻扩眼机械钻速与邻井 215.9mm 井眼机械钻速相等或略高。本井随钻扩眼井段机械钻速平均 9.77m/h，随钻扩眼钻时曲线如上图 7，比照取心后下部地层无随钻扩眼器时的机械钻速，两者在 50m 内根本一样。与邻井段机械钻速比照见下表3。井 号开 钻日 期井 段m表 3机械钻速比照井 径钻 头mm所钻地层机械钻速m/h垦 6221998.8
22、1617-2068.78 215.9J11(江汉)Nm, Ng, Ed11.96垦 62419981488-1978 215.9H447Nm, Ng, Ed13.901978-2460.8 215.9H537Ed,S1,S3,S45.48义 125-21987.91892-2234 215.9J11Ed,S1, S37.21528-2225 237J22+JkEd,S1,S39.77垦 6282023.61528-2023 237J22+JkNm, Ng, Ed18.552023-2225 237J22+JkEd,S1, ,S37.30从表 3 可以看出，垦 628 井 1528-2023m
23、井段与垦 622 井 1617-2068.78m 井段、垦 624 井 1488m-1978m 井段所钻地层根本一样，均为明化镇组、馆陶组、东营组，该井段垦 628 井随钻扩眼机械钻速高于垦 622 井平均机械钻速 (18.55m/h-11.96m/h)/11.96m/h=55.10%，高于垦 624 井平均机械钻速18.55m/h-13.90m/h/13.90m/h =33.45%，垦 628 井 2023m-2225m 井段与义 125-2 井所钻地层一样，而随钻扩眼机械钻速 7.30m/h 略高于义 125-2 井的平均机械钻速 7.20m/h。固然，由于邻井钻探时间较长，当时钻探技术与
24、当前钻探技术有所差异，加之所承受的钻头不尽一样，因此机械钻速的比照不具有量化性，但至少从一个方面说明，承受随钻扩眼技术，其机械钻速不低于领眼钻头单独机械钻速。（4） 扩眼效果分析本井原设计扩眼尺寸为 237mm。由于承受了强抑制性钻井液体系，因此本井的井径自然扩大率相比邻井大为降低，加之由于天气缘由，本井电测前曾经空井将近30 小时，导致井壁长时间受静止泥浆浸泡，泥饼增厚，馆陶组井段泥岩地层产生缩径现象明显。从井径 曲线来看，除馆陶组局部缩径井段，井眼尺寸偏离扩眼尺寸外，其余井径自 1530m 至井底大局部在 237mm 以上，约占扩眼井段的 90%以上；这说明承受随钻扩眼工具确实能扩出符合工
25、具设计要求的井眼尺寸。各井段平均井径如表 4以测井解释成果和双井径测线为主， 兼顾组合测井和密度测井。表 4 各井段平均井径井段 m井径 mm井段 m井径 mm15151542 23716851730 2371555 2201758 2301667 2371830 2371685 2252430 2371530m-1830m，该段地层为馆陶组，该段井径从电测图上看，大局部处于 237mm 以上，但由于馆陶组泥岩吸水易膨胀发生缩径现象，因此有个别井段井径大小低于扩眼工具尺寸，如 1645m-1655m，1666 米-1685m，1730 米-1758 m 等井段，井径约为 220mm 左右， 从
26、测井解释图上看，这些井段自然电位产生正特别，测井解释该段岩性为泥岩，因此可断定是由于泥岩吸水缩径造成的现象。1830m-井底，地层为东营组和沙河街，该段井径从电测 图上看，绝大局部处于 237mm 以上，是扩眼效果较为明显的井段（5） 固井质量分析本次在垦 628 井扩眼的最终目的是为了提高该井的固井质量，有利于稠油开发；因此， 本井固井质量是否合格是检验扩眼技术是否到达目的的最终标准。本井固井电测承受声波变 密度和磁定位、声波幅度扇区水泥胶结测井，固井质量综合评价为优质井。四 完毕语开展井下随钻扩眼技术争论具有重要的工程意义，虽然该技术的提出与进展已有一段时间，但是仍存在很多问题值得深入探讨
27、，特别是国内随钻扩眼技术的争论刚刚起步，在赶超国际先进技术方面，以下几个方向是今后争论的重点：1. 设计开发性能牢靠、寿命长、效率高的系列随钻扩眼工具。目前，国外几家公司具有系列化的随钻扩眼工具，例如 Andergauge、Tri-max Industry Inc.、Halliburton 等，而此方面国内的争论则刚刚起步。研制开发性能牢靠、寿命长、效率高的系列随钻扩眼工具具有重要的实际意义。2. 钻扩眼钻具组合稳定性分析随钻扩眼是边钻进边扩眼，这就使得在设计和选择随钻扩眼钻具组合时必需考虑其整体稳定性，保证整个底部钻具组合能够在一种平稳的状态进展工作，保证随钻扩眼工具和钻头 的切削效率和寿命
28、。防止由于在底部钻具组合中加上了随钻扩眼工具而使钻出的轨迹不能到达实际要求。3. 随钻扩眼工具水力构造设计与争论在随钻扩眼钻进过程中，存在井底和钻头上部两个破岩位置，两个破岩工具同时工作， 在现有的地面机泵条件下，如何合理安排钻井液能量，在两个部位同时满足钻井液关心破岩、清洗、冷却和润滑的要求，是一个格外困难的问题，处理不当很可能引起钻头泥包、井径不规章、井眼环空中局部岩屑沉积等钻井安全隐患。因此合理的水力构造设计是随钻扩眼钻井 技术中的一个关键问题。参考文献1 CHDewey, GMiller,王培良,常虹，经济高效的随钻扩眼方法，河南石油，1997.2 2钻扩眼工艺可在一次连续作业中进展钻
29、井与扩眼，石油矿场机械，1999.53Seth Silverman,申守庆,周润才，清理钻井的高效工具，国外油田工程，2023.08 4胡国清,李玲，小间隙套管程序使用的底部钻具组合，石油机械，2023.015 Adel Sheshtawy ,Marlin Howell ,赵金海,蔺燕滨，用小间隙井身构造降低钻井本钱， 国外油田工程，2023.106 刘艳红,史明义,张恒,张文华，墨西哥湾 8 口侧钻井节约了 730 万美元，国外油田工程， 2023.017 王越之,段异生,金业权,王友华,夏宏南,杨明合，格外规套管及钻头尺寸系列设计，江汉石油学院学报，2023.028 卢玉东,赵炜，可实施随
30、钻管下扩孔的近钻头扩孔器，石油机械，2023.01 9王金龙，叶金龙，沙 42 井膏盐层钻井工艺技术，石油钻探技术，1994。04 10周立辉，井下导向扩眼钻井系统，钻采工艺，1994.0211刘建军,剪占鳌,郑彪，确定同步式扩眼器临界钻压的一种数学方法，石油机械，1997.02 12唐世春,崔龙兵，小井眼扩孔技术在塔河油田的应用，石油钻探技术，2023.0313 孙磊,陈永刚,向阳，塔参一井管下扩眼技术，钻采工艺，2023.0314 丛海洋,倪合合,温林荣,司英晖,王卫，液压式扩眼器在柴参 1 侧 1 井扩眼施工的实践与生疏，钻采工艺，2023.0515 李明，利用扩孔方法提高侧钻小眼井的固井质量，石油钻采工艺，2023.05