隨鉆擴眼技術研究進展

隨鉆擴眼技術就是采用隨鉆擴眼工具和常規鉆頭，在全面鉆進的同時擴大裸眼段尺寸，使其大于上部套管串內徑的一種鉆井技術。該技術減少了起下鉆次數，效率高，在深井、超深井、小間隙井、側鉆井和復雜井況中得到了廣泛應用。隨鉆擴眼工具作為擴眼工具的一種，具有常規固定翼式擴眼工具無法比擬的優勢，隨鉆擴眼工具帶動了隨鉆擴眼技術的迅速發展。筆者重點介紹了隨鉆擴眼技術的適用領域、國外研究進展、該技術的研究重點和今后的發展趨勢，旨在提高我國的鉆井效率，促進鉆井技術的快速發展。

隨鉆擴眼技術應用情況

塔河油田深井和超深井中主力油層是古生界奧陶系碳酸巖地層，油層埋深在5400m以上，完井方式采用149.2mm裸眼完井或127.0mm套管射孔完井。為了滿足分層測試、采油和修井作業的要求，必須下入127.0mm套管封固油氣層，然后分層射孔和測試。但149.2mm井眼和127.0mm套管間隙小，不滿足分層測試作業的要求，環空固井質量差，甚至造成油井報廢。為了確保該井段套管固井質量、擴大固井水泥環厚度及采收半徑，要求對149.2mm井眼進行擴眼作業，使擴眼直徑達到165.0mm以上。塔河油田在深井和超深井中采用井下擴眼技術后，增大了套管與井眼之間的環空間隙，提高了固井質量，延長了油氣井壽命，應用效果明顯。石油圈原創www.h29736.cn

小間隙井眼鉆井能夠降低油田勘探開發成本，節約成本30%，邊遠探井或后勤供應困難的地區應用小井眼技術可節約成本50%～75%。小間隙井眼由于井眼與套管柱之間的環空間隙小，無法加扶正器，泥餅的存在及井眼縮徑使套管不易居中，造成水泥環薄，施工過程中環空壓耗大，注水泥施工壓力高，且易壓漏地層，導致頂替效率低等問題，嚴重影響井眼的固井質量。為提高固井質量，在鉆完套管內的水泥塞之后，常采用隨鉆擴眼工具鉆出直徑大于上部相鄰套管內徑的井眼，以獲得所需要的大尺寸井眼，增大裸眼與待固套管之間的間隙，進而提高固井質量。鹽膏層鉆井常造成復雜井況。鹽膏層是油氣儲層的很好蓋層，但鹽膏層蠕變速度較快，蠕變壓力高，蠕變和擠壓可造成縮徑、卡鉆、卡套和擠毀套管等事故，導致固井質量差。采用隨鉆擴眼技術可一次性完成鉆孔和擴孔作業，減少作業時間，進而減少鹽膏層蠕變，擴大鹽膏層井段的井眼，以抵消蠕變造成的縮徑位移，可減少或避免卡鉆和縮徑等復雜情況，同時可增大水泥環厚度，提高水泥環體系抵抗地層蠕變的能力，提高固井質量和保護油層套管。國內中東部各油田普遍進入開發中后期，開窗側鉆定向井已成為復活低產井、停產井和報廢井，大幅提高儲量動用程度，挖掘油氣藏潛力，提高單井產量和采收率，以及降低老油田開發成本的有效手段。

但是，部分固井技術與工具仍沿襲直井固井的一些常規做法，不能更好地滿足油田開發要求，主要存在以下問題:

• 固井水泥環形間隙較小;
• 井眼的清潔度差;石油圈原創www.h29736.cn
• 套管居中不滿足要求;
• 井徑規則度較差。

采用隨鉆擴眼技術可使側鉆井段井眼擴大，改善井眼狀況，提高側鉆井完井質量，這對側鉆井的應用與推廣具有深遠意義。

國外隨鉆擴眼工具研究進展及應用

國外對隨鉆擴眼技術的研究一直是幾大油田服務公司的研究熱點及核心技術。幾大油田服務公司都有成熟的隨鉆擴眼工具，如斯倫貝謝公司的Rhino系列擴眼工具、哈里伯頓公司的RTM和URTM擴眼工具、貝克休斯公司的GaugePro擴眼工具、威德福公司的RipTide擴眼工具和國民油井公司的Anderreamer擴眼工具。

斯倫貝謝公司的Rhino系列擴眼工具

RhinoXS為液壓擴張式擴眼工具，提供單行程的擴孔作業，需要投球進行激活，投球激活Z型傳動系統，推動擴眼工具切削塊向上徑向擴張到達打開位置，開始進行擴眼作業，停泵后切削塊收回。集成的噴嘴和流道可確保巖屑有效清除，無論擴眼器開啟還是關閉，流體都可流經底部鉆具組合(BHA)。

整體式平衡設計最大程度地減輕了振動，可避免形成欠尺寸和不規則井眼。切削塊進行了換代設計，第1代切削塊結構為兩端含有13mm的切削刀刃，中部大平頂面鑲嵌有硬質合金塊的穩定掌。這種結構切削性好，但需要很大的扭矩，穩定性較差。兩端保留切削刀刃，中部除去穩定掌，中部大平頂面上設有2排保徑齒，中部開有流道。這種結構具有切削快、水力清洗和冷卻效果好等優點。斯倫貝謝公司在ＲhinoXS擴眼工具的基礎上又演化出RhinoXS2、RhinoXC和RhinoRHE等系列擴眼工具。RhinoXS2為最新推出的全循環驅動擴眼工具，可以在起鉆或進行其他方式的擴眼作業時進行隨鉆擴眼作業。RhinoXC為靈活的液壓驅動擴眼工具，全面控制無限制多次驅動擴眼，可在1次鉆井過程中多次實現井眼的有距離間隔的多段擴眼作業，減少多次起鉆時間。RhinoRHE工具為雙擴眼系統，集成了RhinoXS和RhinoXC2種擴眼工具、PowerDrive旋轉導向系統和SmithBits的個性化PDC鉆頭等4種先進技術，在施工中與MWD/LWD儀器串聯配合使用，通過地面的隨時控制實現1趟鉆擴大井眼。直至2014年，斯倫貝謝公司的Rhino系列擴眼工具在全球范圍內現場應用5000多井次，完成213萬m的隨鉆擴眼作業。

哈里伯頓公司的XRTM和URTM擴眼工具

哈里伯頓公司的XRTM擴眼工具能夠在原有領眼的基礎上擴眼后收回，并且允許起鉆時全排量循環，可進行井下裸眼擴眼。XRTM是機械式擴眼工具，當到達目的層，通過投入小球到達擴眼工具激活擴眼刀翼，地面上的壓力指示表可顯示是否完全打開擴眼刀翼。準備收回刀翼時，投入比之前體積更大的小球，收回擴眼刀翼。XＲTM擴眼工具的最大特點在于其在擴眼后能全排量起鉆，不損傷套管和井壁。XRTM擴眼工具能夠在領眼的基礎上將井眼擴大50%。XRTM工具常用規格有:XR800、XR1000、XR1200、XR1400、XR1600和XR1800，可將井眼尺寸分別由216.0、270.0、311.2、374.7、419.0和460.4mm最大擴大到311.2、374.7、444.5、508.0、558.8和558.8mm。XRTM擴眼工具最小擴眼打開壓力僅為5.00MPa。

哈里伯頓公司的URTM工具是一種重載荷擴眼工具。該工具起初專為套管鉆井技術研制，能在套管鉆井時隨鉆擴眼。其工作原理是:通過持續的液壓伸出可動刀翼進行擴眼作業，停泵則收回擴眼刀翼。URTM擴眼工具沒有鎖緊機制，依靠工具內部驅動機制可以將擴眼刀翼打開角度設定為35°和90°2種，擴眼能力強，常用于轉盤鉆井。URTM工具常用規格有:UR475、UR600、UR800、UR1200和UR1700，將井眼尺寸分別由領眼直徑127.0、158.8、216.0、311.2和444.5mm，最大擴大到216.0、406.4、444.5、660.4和812.8mm，最大井眼擴大率高達256%。UR475和UR600有2組刀翼臂，其他規格為3組刀翼臂。UＲ475的最小擴眼打開操作壓力為5.52MPa，其他URTM工具為4.14MPa。

貝克休斯公司的GaugePro擴眼工具

貝克休斯公司的GaugeProXPＲ擴張式隨鉆擴眼采用機械式投球方法激活擴眼刀翼，沒有使用剪切銷，代替的是緊定螺釘，水眼位于本體上方，滑套下行時打開。另外，貝克休斯公司和殼牌公司研究了領眼鉆頭與擴眼器的同步性。該工具在墨西哥灣以及挪威海等深海隨鉆擴眼作業中應用廣泛，并取得較好的擴眼效果。

GaugeProEcho回波數字指令隨鉆擴眼工具是專為高成本的海洋鉆井提供不限次擴孔作業而研制的工具，能夠實時控制和確認擴孔作業，可對擴眼工具的位置、刀翼狀態、井眼直徑、油壓、油溫和振動信息等進行實時通信，激活擴眼操作時間短，不超過4min，效率高。

GaugeProEcho隨鉆擴眼工具可與有線鉆桿進行連接，實現更為實時的通信和控制。貝克休斯公司利用GaugeProEcho隨鉆擴眼工具和AutoTrakTMG3旋轉導向工具在墨西哥灣為深水運營商進行造斜率2.5°、目標地層1139m的鉆井作業。石油圈原創www.h29736.cn

威德福公司的ＲipTide擴眼工具

威德福公司的RipTide擴眼工具分為上、下2部分，上部為控制部分，下部為擴眼部分，上部分可通過2種方式控制，即投球和射頻識別RFID(Ｒadio-FrequencyIdentification)。采用RFID方式控制擴眼工具開閉時，泵送1個小型的射頻發射器到擴眼工具，將激活擴眼功能的命令傳遞到嵌入工具內的電子接收器，通過電磁方式激活切削齒翼，使它沿斜面軸向向上爬行，徑向尺寸擴大，實現擴眼功能。擴眼結束后，從井口投放射頻發射器到達擴眼工具位置，之后再激活特殊機構，切削齒翼軸向回縮，擴眼工具徑向尺寸與管柱或鉆柱尺寸一致，擴眼功能關閉。RipTide擴眼工具采用RFID技術可無限制實現擴眼過程的開關，在擴眼工程中可進行MWD和LWD系統測井，測量井底的振動、壓力、轉速和溫度，能夠更好地為地面操作人員提供井下信息，同時節省鉆井時間和相關費用。RipTideRFID擴眼工具為保護敏感地層可以在低流量的情況下實現擴眼過程。威德福公司的隨鉆擴眼工具長度較長，多用于旋轉導向鉆井，產品規格有6000、8500、9500、10625、12000、14750和16500mm。

國民油井公司的Anderreamer擴眼工具

國民油井公司的Anderreamer同心式可動翼隨鉆擴眼工具依靠液壓和鉆壓來控制切削翼的伸出，具有鎖止機構，切削翼在需要時靠投球或排量激活展開，不需要時可收縮，不受立管壓力和鉆壓的影響。該工具可鉆套管附件，不局限于地層類型、鉆井參數和井底狀況，在多數鉆井環境下都適用，擴眼后直徑約比套管內徑大20%，可用于旋轉導向鉆井、ECD控制、下膨脹尾管及小間隙套管工況下的隨鉆擴眼作業，也適用于塑性地層和鹽膏地層的擴眼作業。Anderreamer擴眼工具在墨西哥灣610～3658m的Louann鹽膏層應用時，解決了旋轉導向鉆井時鹽膏層的縮徑問題。國外公司擁有成熟的擴眼技術與產品，規格齊全，可以應用在大部分鉆井領域，近年來在幾個關鍵技術上又有較大突破和更新，大大拓寬了隨鉆擴眼工具的應用范圍。

國內外技術研究重點和發展趨勢

(1)隨鉆擴眼工具將逐漸淘汰固定翼式和機械擴張式結構，液壓滑移擴張式擴眼工具由于易實現、可靠性高和鉆井效率高，將是隨鉆擴眼工具的主流發展方向。

(2)隨鉆擴眼工具的控制主要采用投球方式開啟，刀翼的回收普遍需要停泵后靠彈簧收回，多為單行程擴眼，控制方式使其效率低。高效率的全面控制無限制液壓壓差和射頻識別控制方式將是隨鉆擴眼工具在控制方面的發展方向，這2項技術的應用將大幅度拓寬隨鉆擴眼技術的應用范圍。

(3)擴眼執行機構的設計是隨鉆擴眼工具的核心設計部分，設計的優劣直接關系到隨鉆擴眼工具的性能和擴眼的成敗。擴眼執行機構多以鉆井液的壓差為驅動力，刀翼的伸縮沿設計斜面或垂直面運動，刀翼的收縮需要降低工具內壓和內部的彈簧輔助給予收縮力才能實現，刀翼的定位多以鎖銷固定和多樣的特殊機構定位。實現擴眼執行機構的設計較為復雜，加工難度大，如何簡化執行機構的結構將是設計的方向。

(4)刀翼的結構優化將是隨鉆擴眼工具的關鍵，各公司針對不同的情況進行了個性化設計。刀翼的結構設計不單只有單一的鉆井擴眼功能，還必須具有倒劃眼功能，刀翼的切削效率和長使用壽命將是研究的重點。石油圈原創www.h29736.cn

(5)注重隨鉆擴眼工具與鉆柱系統的配合研究。隨鉆擴眼工具使用時其整體穩定性，擴眼工具和鉆頭的切削效率和壽命對井眼軌跡的影響，鉆井液能量的分配，鉆井液的破巖、清洗、冷卻和潤滑等問題都是今后研究的重點。

(6)隨鉆擴眼技術還需加強其在深井、超深井、小間隙井和側鉆井等復雜井中的綜合應用效果，提高建井質量和安全性，擴大其使用范圍，以適應不斷發展的鉆井和完井工藝需求。

結論與建議

(1)隨鉆擴眼技術在深井、超深井、小間隙井和側鉆井等復雜井領域具有廣闊的應用前景，在處理井下復雜情況、降低鉆井綜合成本、提高建井質量和安全性等方面具有顯著優勢。

(2)國外隨鉆擴眼工具形式多樣，液壓滑移擴張式擴眼工具將是主流結構，全面控制無限制液壓壓差和射頻識別將成為隨鉆擴眼工具控制方式的發展方向。國外幾大油田服務公司的隨鉆擴眼技術和工具已廣泛應用于各種復雜井況中，并取得顯著的經濟效益。石油圈原創www.h29736.cn

(3)建議加大隨鉆擴眼技術和工具的適應性研究力度，同時擴眼執行機構的設計和刀翼結構優化、工具與鉆柱系統的配合等也是研究的重點，分析其今后的發展趨勢，完善隨鉆擴眼技術和工具對提高我國的鉆井技術有著重要的現實意義。

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