井下随钻扩眼技术及工具研究

1、井下随钻扩眼技术及工具研究引言井下扩眼钻井技术， 是采用专门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， 钻井扩眼技术随着复杂工艺井及深井的增多， 在国外的钻井领域得到了进一步 的发展， 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逐渐成为国内外钻 井研究领域的新亮点。一 随钻扩眼技术的工程意义1可采用小间隙套管程序，

2、降低钻井综合成本钻井扩眼可以减小套管柱之间的间隙， 有效降低钻井综合成本， 这在国外的许多钻井实 践中已得到证实。 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 管直径有较大改变，需要使用小间隙套管程序( RCCPs 即 Reduced Clearance Casing Programs)。实现RCCPs所采用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， 继续向下钻进， 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，采用RCCPs比用普通套管程序节约钻

3、井成本27%。2增加套管环空间隙，提高固井质量，并为后续作业创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 油等作业提供有利条件，如可给砾石填充完井提供更大空间等。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，引发严重的钻井事故，而且盐膏层蠕变和挤 压也可造成下套管困难， 固井质量差，容易挤毁套管，给后期的采油作业带来麻烦。采用井 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， 避免了钻井事故和后期完井难题。

4、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基础和准备，具有较好的技术延续性5提高复杂结构井中，套管的通过性井下扩眼技术可以使套管更容易通过定向井、 水平井的造斜井段， 特别是复杂三维定向 井、大位移井等复杂工艺井。随着旋转导向钻井技术的广泛应用，各种大位移井、 复杂三维定向井日益增多， 由于其造斜井段轨迹复杂给套管下入带来了一定困难，通过随钻扩眼技术扩大造斜段井眼，可确保套管的顺利下入。二 随钻扩眼技术及工具的研究进展1 Bakersfeild Bit&Tool 公司的 Gaugemaster Driller TM 扩眼工具BakerHughes 公司的 Gaugemaster D

5、riller TM 扩眼工具是一种出现较早、设计独特、性 能优良的套管下扩眼工具， 它是采用牙轮扩眼刀翼， 两刀翼设计可以使用更大和重载的扩眼 牙轮，工具强度和可靠性更高。在钻完油层以后，取出撞针，两只扩眼刀翼外伸，就可以进 行扩眼作业， 不需额外的起下钻来改变工具， 节省了资金和时间， 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发展。2 BakerHughes Christens 公司的 DOSRWD TM 系统BakerHughes Christens 公司的 RWD 随钻扩眼系统在已有双心钻头的技术基础上，进一 步更新了设计理念和制造工艺， 机构简单、性能可靠，并经实验室测试表

6、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： 不必单独钻领 眼；可以使用柔性钻具组合；可以灵活地选用牙轮钻头或 PDC 钻头作为领眼钻头；可以达 到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 井下扩眼工具采用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结构外推扩眼总成来达到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。4TRI-

7、MAX Industries 公司的 EWDTM 随钻扩眼工具TRI-MAX Industries 公司于 1996 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,以此来降低钻井成本。其主要结构和原理和Andergauge公司的Anderreamer 扩眼工具相似，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

8、，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，促使大直径的心轴沿切削块内表面运动， 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配合尺寸能避免切削块掉入井内，在几口直井和定向井中的使用证明了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一定的局限性。 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、

9、 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，导致心轴密封区域的损坏。（2）第二代随钻扩眼工具为了克服第一代随钻扩眼工具的缺陷， 第二代产品作了下述改进： 驱动心轴设计成两部 分，使金属碎屑在切削块收缩的情况下也不会进入心轴和外壳之间的封闭腔；钻套管内水泥3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

10、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情况下，使钻头钻速提高1倍以上，其原因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，减少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NB

11、R下面增加其它钻具来调整。压差越大活塞的推力越大。活塞外表面（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，实践证明其扩眼能力优于双 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行，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

12、和井下扩眼同时进行，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.国内的发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。根据文献，国内相关研究单位已完成采用双心钻头进行井下扩眼的课题研究工作，双心钻头的工业性应用也取得了一定使用效果，但双心钻头具有下列缺点：井斜和方位不可预测； 扭矩脉冲过高；井径不规则；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。胜利石油管理局

13、钻井工艺研究院1999年开始进行采用 PDC复合片切削刃液压式扩眼工具的研究工作，并形成了四种尺寸系列， 在塔里木塔河油田取得了较好的使用效果，初步展示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行研究。三 胜利油田随钻扩眼技术及工具的先导性研究胜利石油管理局钻井工艺研究院根据钻井生 产需要并借签国外石油扩眼工具的发展趋势与特 点，研制开发了机械式和偏心式PDC扩眼工具随钻扩眼工具，并进行了先导性试验。各型工具的 结构原理、性能参数及主要特点如下：图1 SK系列双心PDC随钻扩眼器91工具

14、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基础上，进一步进行了改进设计，达到了随 钻扩眼的技术要求， 其主要技术特点有：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；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；采用高强度钢整体加工，强度高；独特的高低不同扩眼刀翼设计，可达到逐级扩眼效果；可以型号领眼直径(mm)通过直径(mm)扩眼直径(mm)总长(mm)上部扣型下部扣型SK-178120152178576NC3827/8REGSK-245152216245750NC5031/2REG表1 SK系列双心PDC随钻扩眼器技术参数和规

15、格表根据地层情况，灵活选用领眼钻头。技术参数见表3。工具工作状态工具关闭状态图2 JK系列机械式PDC随钻扩眼器(2)JK系列机械式PDC随钻扩眼器JK系列机械式PDC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：六方驱动，浮动机械剪断销钉设计；不必单独钻水泥塞和套管鞋；同心性和居中性良好，工作平稳，井斜控制性能好；楔形的刀翼/驱动轴配合，燕尾槽固定。技术参数见表 2。表2 JK系列机械式PDC随钻扩眼

16、器技术参数和规格表型号领眼直径(mm)通过直径(mm)扩眼直径(mm)总长(mm)上部扣型下部扣型JK-178152.4152178780NC3827/8REGJK-245215.9216245780NC5031/2REG2垦628井随钻扩眼先导试验垦628井是胜利油田勘探公司根据中石化十条龙项目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，2003年5月22日开钻，2003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，钻井院承担的中石化集团公司课题“随钻扩眼技术”在本井三开215.9mm

17、井眼进行了先导试验，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

18、足热采的 要求，采用$ 244.5mm技套挂$ 177.8mm尾管的设计方案，在$215.9mm井眼下入$177.8mm套管，环空间隙小，固井质量难以保证，因此采用随钻扩眼技术来增加井眼直径， 使之达到$ 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行随钻扩眼，但考虑到钻水泥塞有提前剪断销钉的风险，为安全起见，决定在钻完水泥塞后，再下入随钻扩眼工具。因此实际扩眼从井深1528m开始，扩眼工具位置在井深 1510m。钻具结构：3AH517

19、(J22)+ $ 178mmDC2 根(18m) +JK215-237 随钻扩眼工具+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2003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开始 准备钻进，加压15t剪断销钉，上提原方入， 缓慢下放，造出扩眼台肩，然后开始正常钻 进。扩眼钻时曲线如图3。扩眼至6月8日18： 00,井段2243m, 见油气

20、显示，停钻取心。扩眼工具深度2225m ,扩眼进尺715m ,钻进井段 1528m-2243m，扩眼井段 1510m-2225m，工 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。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利，说明随钻扩眼器刀片已顺利收回。分析认为，遇阻可能是地层缩径较大或者泥饼较厚造成的，因为钻进时速度较快， 井壁不太稳定所致。6月9日11 : 00工具起出井口，井口检查发现

21、刀片伸缩自如，证明了上述判断是正确 的。刀片下部两个齿磨损约有3mm，保径齿基本未磨损，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,对比取心后下部地层无随钻扩眼器时的 机械钻速，两者在 50m内基本相同。与邻井段机械钻速对比见下表3。表3机械钻速对比井号开钻 日期井段m井径mm钻头所钻地层机械钻速m/h垦6221998.81617-2068.78$ 215.9J11（江汉）Nm, Ng, Ed11.96垦62419981488-1978$ 215.9H447Nm,

22、Ng, Ed13.901978-2460.80 215.9H537Ed,S1,S3,S45.48义 125-21987.91892-22340 215.9J11Ed,S1, S37.2垦6282003.61528-22250 237J22+JkEd,S1,S39.771528-20000 237J22+JkNm, Ng, Ed18.552000-22250 237J22+JkEd,S1, ,S37.30从表3可以看出，垦 628井1528-2000m井段与垦 622井1617-2068.78m 井段、垦 624 井1488m-1978m井段所钻地层基本相同，均为明化镇组、馆陶组、东营组，该井段

23、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 2000m-2225m 井段与义125-2井所钻地层相同，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。当然，由于邻井钻探时间较长，当时钻探技术与当前钻探技术有所差异，加之所采用的钻头不尽相同，因此机械钻速的对比不具有量化性， 但至少从一个方面说明， 采用随钻扩眼 技术，其机械钻速不低于领眼钻头单独机械钻速。(4)

24、扩眼效果分析本井原设计扩眼尺寸为0237mm。由于采用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，加之由于天气原因，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，除馆陶组部分缩径井段，井眼尺寸偏离扩眼尺寸外，其余井径自1530m至井底大部分在0 237mm以上，约占扩眼井段的 90%以上；这说明采用随钻扩眼工具确实能扩出 符合工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 0

25、 23716851730 0 23715550 22017580 2301667 0 2371830 0 23716850 2252430 0 2371530m-1830m ,该段地层为馆陶组，该段井径从电测图上看，大部分处于0237mm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，女口 1645m-1655m , 1666 米-1685m, 1730 米-1758 m 等井段，井径约为 0220mm 左右，从测井解释图上看， 这些井段自然电位产生正异常，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

26、街，该段井径从电测图上看，绝大部分处于0237mm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达到目的的最终标准。本井固井电测采用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。四结束语开展井下随钻扩眼技术研究具有重要的工程意义，虽然该技术的提出与发展已有一段时间，但是仍存在许多问题值得深入探讨，特别是国内随钻扩眼技术的研究刚刚起步，在赶超国际先进技术方面，以下几个方向是今后研究的重点：1 设计开发性能可靠、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，而此方面国内的研究则刚刚起步。研制开发性能可靠、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须考虑其整体 稳定性， 保证整个底部钻具组合能够在一种平稳的状态进行工作， 保证随钻扩眼工具和钻头 的切削效率和寿命。 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达 到实际要求。3 随钻扩眼工具水力结构设计与研究 在随钻扩眼钻进过程中