油气钻井扩眼工具研究现状及发展趋势.pdf

石 油机械 C H I N A P E T R O L E U M M A C H I N E R Y 2 0 1 0年第 3 8卷第 8期 ． I 钻井新技术 油气钻井扩眼工具研 究现状及发展趋 势 马汝涛 纪友哲 王 辉 中国石油集 团钻 井工程技术研 究院机械所 摘要 随着技术的不断发展完善，扩眼作业 已成为解决复杂深井阻卡、改 良套 管程序、提高 固井质量 以及降低钻井成本的重要手段。结合扩眼技术的分类和特点，着重论述 了国内外扩 眼工 具的发展历程和 目前处于主导地位的双心钻 头、臂式和块式扩 眼器 的典型结构形式，给 出了提高 国内扩眼器技术水平的建议。国外公 司在扩眼工具领域进行 了长时间的研发，形成 了较为系统的 理论和系列化工具 ，而国内在此领域起步晚，需从计算机辅助设计、应用领域拓展和数据库建设 等方面进行完善，逐步缩小与国外的技术差距。 关键词 油气钻井 扩眼器 现状 发展趋势 0 引 言 扩眼就是指采用钻掘手段将本已存在的孔眼原 位扩大为直径更大的孑 L 眼的过程。油气钻井工业的 扩眼技术始于 2 0世纪初 ，应用该技术 的基本意图 是解决井 眼缩颈、井壁坍塌等钻进难题。实践表 明，扩眼技术是行之有效 的。近 2 O 一3 0年来 ，随 着油气钻井向着深井 、超深井 、高压油气井 、海洋 深水钻井等领域的转移 ，钻井工程所要面对的复杂 状况越来越多。扩眼技术作为处理钻井异常状况的 重要手段不断发展 ，逐渐成为一种能够应对塑性地 层，优化套管程序 ，提高固井质量，降低钻井成本 的先进技术 。 。 扩眼工具的不断升级是扩眼技术快速发展的主 要推动力。目前 ，H u g h e s C h r i s t e n s e n 、S m i t h和 A n ． d e r g a u g e等公司在扩眼器的设计制造领域处于领先 地位 ，各个厂家均有独具特色的商业产品，被广泛 应用于世界各大油 田。近年来，随着国内不断深入 开发老油田和勘探深层油气、海洋油气资源，对扩 眼器的需求量越来越大。若采用购买国外产品的方 式，既不利于国内技术的发展，又使这一领域受制 于人 ；而国内相对落后的技术现状亟待设计理念的 突破和加工技术的革新。为此，笔者在广泛调研文 献的前提下，综合介绍了国内外扩眼器的发展历程 和主要结构形式 ，提出了国内扩 眼器发展的建议 ， 以期对我国在该领域的发展起到启发和借鉴作用。 1 国外扩眼工具研究现状 2 0世纪初 ，油气钻井工业开始大规模使用旋 转钻井技术。由于早期钻头质量欠佳 ，造成钻进时 井径逐渐缩小。为解决这一问题 ，钻井界很快引人 扩眼技术并加以推广。2 0世纪 4 0年代 出现伸缩臂 式扩眼器 ，以液压驱动。该类工具长期 占据扩眼装 置主导地位，至 7 0年代 ，扩眼器被用于钻进深部 地层和海洋油气井。1 9 8 1年 ，第 1支装有 P D C切 削齿的扩 眼器 问世 ，并在 随后 数年内取 得飞速发 展。9 0年代 中后期 至今 ，扩 眼工具有 了天翻地覆 的重大革新 ，而扩 眼作业 的难度也 同样与 7 0 8 0 年代不可同 日而语 。这一时期 ，扩眼技术逐渐与其 他钻井技术相融合 ，形成了套管钻井 、导向扩眼钻 井等特色鲜明的新技术 ，而扩眼器的设计也开始与 钻头 、稳定器等相配合 ，注重提高下部 钻具组合 B H A的整体性能 。 近百年的发展历程造就 了种类繁多的扩眼工 具 ，按其切削部件是否可动 ，可将其分为固定翼扩 眼器和可动翼扩眼器 2类 。固定翼扩眼器主要是指 基金项 目国家 8 6 3计划项 目 “ 套管钻井技术” 2 0 0 6 A A 0 6 A1 0 7 ；中国石油集团公司科技项 目 “ 车载小井 眼套管钻井专 用钻机研 制” 2 0 0 8 C一 2 0 0 3 。 2 0 1 0年 第3 8卷 第8期 马汝涛等 油气钻井扩眼工具研究现状及发展趋势 ， 9-- 双心钻头，由领眼钻头和扩眼刀翼组成 ；可动翼扩 眼器通常由本体 、控制机构和扩眼体 3部分组成。 本体多为筒形 ，用于容纳控制机构和扩眼体并与钻 柱 、钻头等钻具相连 ；控制机构结构复杂 ，是扩眼 器的神经 中枢 ，用于控制扩眼体的张开和缩 回；扩 眼体通常是安装有切削刃的刀翼或牙轮 ，用 于执行 破岩扩眼作业。 1 ． 1固定 翼扩 眼器 1 ． 1 ． 1 一 体式 双心 钻 头 图 1 是双心钻头基本结构示意 图，图2是双心 钻头主要几何指标示意图。双心钻头 由领眼钻头和 扩眼刀翼 2部分组成 ，领眼部分与常规钻头结构几 乎相同，钻进时处于井筒的最下端 ，可钻出 1 个直 径较小 的领眼 ；扩 眼刀翼是带有 切削刃 的棱 柱结 构，沿 圆周方向布置于双心钻头的侧面，通常只分 布在 圆周范围内，能将领眼扩大为工艺要求尺寸 的井眼。由于这种钻头在下入和钻进过程中所通过 井眼的中心线不重合 ，存在 1 个通过中心 图2中 0 点和 1个钻进中心 图 2中 0 ， 点 。 图 l 双心钻 头基本 结构 示意图 1 一扩 眼体 ；2 一领 眼钻头 。 扩眼 刀翼 通过直 径 领 眼直 径 扩 眼直 径 图 2 双 心 钻 头 主 要 几 何 指 标 示 意 图 双心钻头的切削刃和本体固结在一起 ，不含运 动件 ，具有很高的可靠性 ；能够承受大钻压 ，获得 较高钻速 ；对钻井液 固含量无特殊要求 ，适用于多 种地层 。此外 ，适当改变切削刃的布齿方式还可使 用双心钻头钻开套管内的水泥塞。在扩眼刀翼的上 方再布置 1 组切削半径更大的刀翼还可获得具有 2 级扩眼能力的双心钻头 。 但结构的偏心设计导致这类扩眼工具受力不平 衡 ，钻进过程中易造成下部钻具组合的振动，还可 能造成严重的井斜 ，因而该类工具一般不与导向钻 具联合使用。 具有代表性的是 V a r e l 公 司的双心钻头，该钻 头具有钻穿固井水泥塞的能力。当钻头在套管中旋 转时，受管壁限制而绕套管轴线旋转 ，扩眼刀翼所 安装的后倾角很大的切削齿与套管内壁接触 ，并不 会对套管造成伤害；钻人地层后 ，扩眼刀翼在钻压 和扭矩作用下绕领眼钻头轴线旋转 ，切削刃刻划周 围岩石 ，使其破碎并脱落，使井径扩大。 1 ． 1 ． 2两体 式 双心钻 头 若将扩眼刀翼安装在短节上 ，使其与领眼钻头 分离即形成两体式双心钻头。这种布置方式 的优势 主要在 于领眼钻头和扩眼刀翼可以独立加工 ，降 低制造成本 ；领 眼钻头和扩眼短节可根据实际需要 匹配使用 ，增加工具应用 的灵活性 ；领日 艮 头 和扩 眼短节之间可以安装 MWD和 L WD等井下测量工 具 ，既能对钻进过 程进行监控 ，又不影 响扩 眼作 业 ；此外 ，扩眼短节下方还可安装稳定器，从而改 善 井 斜 问 题。两 体 式 双 心 钻 头 的 典 型 代 表 是 Hu g h e s C h r i s t e n s e n公 司的 R WD 2 图 3 随钻扩眼 器 ，其扩眼刀翼位于本体 的侧面 ，覆盖约 圆周表 面 ；刀翼对侧下方设有硬质合金垫块 ，称为领眼稳 定垫，其作用是减小偏心振动 ，保持扩眼作业 的稳 定。R WD 2扩眼刀翼装有特殊设计 的水眼 ，能充分 清洗岩屑 ，防止钻头泥包问题 。 图 3 RWD 2随 钻 扩 眼 器外 形 示 意 图 1 一领 眼稳定垫 ；2 一扩眼体 。 1 ． 2可 动翼扩 眼器 按照扩眼体结构的不同，可动翼扩眼器可划分 为臂式和块式 2类。前者的扩眼体通常依靠销轴 固 定在本体上 ，可绕 同定轴在一定角度范 围内旋转 ， 扩眼体张开后 ，形如张开的双臂 ，故而得名 ；后者 的扩眼体呈楔状 ，不能旋转 ，可在液压或机械推力 作用下凸出或缩人本体中。 1 ． 2 ． 1 臂 式扩 眼 器 臂式扩眼器的控制机构可将中心管的垂直运动 转换为扩眼体绕固定销的旋转运动 ，从而到达工作 位置 ，而扩眼体 的收回通常依靠弹簧力或 自身的重 力作用 。扩眼臂一般沿本体的周向均匀布置，这种 布置方式可减小扩眼器工作时的侧向力 ，改善其受 力效果 ，提高井身质量。 臂式扩眼器的扩眼臂可以很长 ，能将井眼大幅 扩大 ，但加长的切削臂也同时降低 了结构的强度 ， 容易造成扩眼臂脱落甚至折断等问题。扩眼体与井 壁基本为点接触 ，自身不具备扶正功能 ，为控制井 石 油机械 2 0 1 0年第 3 8卷第 8期 斜，常在领眼钻头或扩眼器上方设 置稳定器。此 外，钻井液的性能特别是其 固相含量可能会对扩眼 臂 的启闭动作造成一定影响。 该类扩眼器 的典型代表是 S m i t h公 司的一系列 产品 ，如 R e a m a s t e r U n d e r r e a m e r R U 图 4 、 D r i l l i n g T y p e Un d e r r e a me r和 Ro c k T y p e U n d e r r e a me r 等。其中，R U最早出现在 2 0世纪 8 0年代 中后期 ， 其设计理念较传统方案有了很大改进 ，注重活动部 件结构设计 ，采用扩眼臂一体锻造工艺提高了整体 强度 ；对扩眼部分水眼进行了专门设计，对水功率 进行合理分配；加强了扩眼钻进过程的稳定性 ，可 与井下动力钻具联合使用 。 图 4 RU扩 眼 器结 构 示 意 图 l 一本体 ；2 --控制机构 ；3 一 扩眼体 。 1 ． 2 ． 2块式扩 眼 器 块式扩眼器对扩眼体的控制方式与臂式扩眼器 极为相似，也是将中心管的垂直运动转换为扩眼体 的径向运动。扩眼体的收回通常依靠弹簧力或燕尾 槽等机械装置 ，不使用销轴等易损部件 ，通常不会 发生切削块脱落的事故 ，工作可靠性高。 这类扩眼器刀翼轮廓一般设计为抛物面 ，可使 领眼和扩眼井筒平滑过渡。在刀翼的上半部分安装 切削齿可使扩眼器具备倒划眼功能 ；在中部布置带 有保径齿的平垫则可使扩眼器具备扶正功能。 块式扩眼器的刀翼加工制造要求较高 ，其动作 容易受到钻井液性能的影响。此外 ，由于块体尺寸 受到本体壁厚的限制 ，扩眼体径向尺寸较小 ，因而 只能将领眼扩大 2 5 ％ ～ 5 0 ％。 典型的块式扩眼器主要有 S m i t h公司的 R h i n o R e a me r 图 5、 图 6、 H u g h e s C h r i s t e n s e n公 司 的 1 2 3 2 图 5 R h i n o Re a me r 扩 眼 器结 构 示 意 图 l 一本体 ；2 一 控制机构 ；3 一扩眼体 。 图 6 Rh i n o Re a me r 扩 眼 体 结 构 示 意 图 G a u g e P r o和 A n d e r g a u g e公 司 的 A n d e r r e a m e r 图 7 。这类扩眼器是最近 5 _ _ 6年来 出现的新型扩眼 工具 ，优势独特 ，短期内即获得广泛应用 。 1 2 3 图 7 A n d e T e a m e r 扩眼器基本 结构示意 图 1 一本体 ；2 一控制机构 ；3 一扩眼体 。 2 国内扩 眼工具研 究现状 2 0世纪 7 0年代初，井下扩眼技术从 国外 引入 国内 。经过近 4 0 a的发展 ，大港 、辽河 、胜 利油田等单位在跟踪考察国外技术的基础上，陆续 研制了不同规格的扩眼器 ，其中辽河油田、胜利油 田研制的几种随钻扩眼器比较有代表性。 辽河油 田设计 的一种扩 眼器结构示意 图见图 8 。该工具为液压驱动臂式扩眼器，主体 内的上 部安装一个活塞 ，活塞杆与弹簧相连。扩眼器处于 闲置状态时，扩眼体缩 回在本体内；需要进行扩眼 作业时 ，即加大钻井液流速 ，高压钻井液经过节流 装置形成一定的压差 ，压差推动活塞做压缩弹簧的 运动 ，同时活塞下端 的齿条与扩 眼体上 的轮齿 啮 合 ，使扩眼臂张开 ，实现扩孔钻进。反之 ，当钻井 液停止流动时，压差消失 ，活塞在弹簧力的作用下 复位 ，同时带动扩眼壁缩回扩眼器本体里。工具主 要技术特点是 结构简单 ，拆装方便 ；扩眼体具备 可靠的 自锁功能。 图 8 Z K 61 2型 同步 扩 眼 器 结构 示意 图 1 一本体 ；2 --控制机构 ；3 一扩眼体 。 辽河油 田研制的 R WD一1 5 2型随钻扩眼器结 构示 意 图见 图 9 1 7 1 。该工具 主要 由主体、活 塞、 腔体 、切 削钻头 、弹簧、腔体 固定螺钉等部分组 成。当扩眼器下至设计井深后 ，泵压加大 ，活塞所 受推力增大，直至剪切销钉被剪断 ，活塞开始运动 并带动扩眼体切削井壁 ，造 出台阶。台阶完成后 ， 泵压稍降 0 ． 5～ 0 ． 8 M P a ，此时扩眼体完全张开， 可加大钻压进行正常钻进 。工具主要特点是 扩眼 体易于启动和收回；切削元件强度高，不会发生切 削臂掉落等问题。图 1 0为扩眼体结构示意图，其 2 0 1 0年第3 8卷第8期 马汝涛等油气钻井扩眼工具研究现状及发展趋势 特征为 P D C切削齿安装在椭 圆形活塞杆上 ，杆上 开有环槽 ，用于安装密封圈。活塞杆末端凸台上开 有定位孑 L ，用以安装导向杆 ，为弹簧导向。 1 2 3 图9 R wD一1 5 2型随钻 扩眼器结构示意 图 1 一本体 ；2 一 控制机构；3 一扩 眼体 PDC切 削齿 孔 图 1 0 RWD 一1 5 2型 随 钻 扩 眼 器扩 眼体 结构 示 意 图 胜利油 田研制 的机械式 P D C随钻扩 眼器结构 示意图见图 1 1 l 1 8 1 。该工具采用机械力驱动 ，属块 式扩眼器。其控制机构 中装有安全销钉 ，未剪断销 钉时 ，扩眼体不张开 ；当需要进行扩眼作业时，增 大钻压剪断销钉使锥体下行 ，锥体 的斜面与切削块 斜面配合 ，迫使其伸 出本体外进行扩眼作业 ；工具 上提 时，锥体随之上行 ，锥体上的燕尾槽机构带动 切削块缩回本体 内。工具 的主要技术特点是 使用 销钉作为锁紧机构 ，自锁功能可靠 ；扩眼作业时工 具稳定性良好 ，井斜控制能力较强 ；由燕尾槽固定 心轴和扩眼体 ，可实现完全由心轴 的上下运动控制 扩眼体的径向伸缩运动。 图 1 1 机 械 式 P DC随 钻 扩 眼 器 结 构 示 意 图 1 一 本体 ；2 --控制机构 ；3 --扩眼体 。 胜利油田设计的 B G型扩眼器结构示意图见 图 1 2l 1 9 1 。该工具 由水力推进机构 、控制机构 、扩 眼 体和扶正系统等组成。当钻井液流经上 部喷嘴时 ， 由于调压杆 的节流作用 ，中心杆上产生较大压降 ， 推动中心杆下行 。中心杆的楔形面推动切削块 向外 1 2 3 图 1 2 B G型扩眼 器结构示意 图 1 一本体 ；2 一 控制机构3 一扩 眼体。 张开并切削井壁造 台阶 ，同时压缩弹簧 。待切削块 完全伸出后 ，台阶完成 ，泵压稍有下降 ，此时可加 大钻压正 常钻进。若需要 倒划 眼，可直接上 提钻 具 ，扩眼器上的倒划眼元件可完成划眼任务。工具 的主要特点是 采用楔形面配合的控制机构使扩眼 体动作迅速、可靠 ；具有倒划眼和保径能力 ；扩眼 体安装牢固，不会发生脱落等问题。 3 国 内扩 眼工具研究方 向 在扩眼技术领域 ，国内外研发状况差异较大 ， 究其根源 ，当归 因于以往 国内需求的不足，导致科 研机构重视程度不够 ，人力物力投入较少，形成的 产品缺乏竞争力。而 目前国内大部分油 田已进入开 发中后期 ，剩余可采储量逐年递减。利用侧钻技术 进一步开发老油 田和钻深层探井 以寻找新储量很可 能成为今后我 同钻井工作者的工作重点。合理引入 扩眼技术是一个具有 良好应用前景的发展方向，应 引起科研工作者和现场作业人员 的重视和关注。 欲发展和完善我国的扩眼工具及技术 ，尚需解 决如下几个问题。 3 ． 1 应用数值模拟技术 ，加快设计进程 扩眼器工作性能的优劣很大程度上取决于其扩 眼体破岩 、清岩能力 的高低。由于扩眼体与岩石之 间的相互作用极为复杂 ，尚不能用现有理论进行描 述 ，但可以用数值模拟技术进行分析 ，并据此优化 配置扩眼器结构和工作参数。 目前 国内此类研究不 多 ，应重视计算机辅助设计功能 ，结合应用实践加 速设计进程 。 3 ． 2 重视总结创新成果 ，形成基础理论体 系 扩眼器的设计过程涉及工程力学、机械设计与 制造 、流体力学 、机械振动等诸多学科领域 ，是一 项综合工程。设计过程中很 可能萌生一些新理念 、 新思路 ，应及时整理记录这些成果 ，并形成较为完 整的知识体系，以指导 日后更为深入的工作。 3 ． 3 提高扩眼器性能 ，扩大应用领域 周内扩眼技术长期得不到快速发展的一个重要 原因是扩眼器质量不过关 ，但这一状况已随着生产 实践经验的累积逐步得到改善。研究单位应在提升 扩眼器质量的同时考虑将其应用于套管钻井和导 向 扩眼钻井等高新领域 ，以积累经验 ，拓展理论 ，为 扩 眼工具 的进 一步优 化 奠定基 础 。 3 ． 4建立现场应用数据库，形成选型标准 一 方面，目前国内的扩眼器 尚未形成统一的型 号标准，不利于用户 的选择和使用 ；另一方面，扩 眼器作为一种钻井工具 ，其性能应 南现场应用来检 验。应建立完备的数据库 ，记录每种扩眼器在各种 工况下的应用效果 ，以形成选型标准，为扩眼器的 石 油机械 2 0 1 0年第 3 8卷第 8期 系统开发奠定基础 。 4 结 论 1 扩眼技术在油气钻井领域用途广泛 ，随 着钻井技术的进步而不断发展 ，展现出了旺盛的生 命力。 2 国外扩眼工具历经数十年发展 ，形式 多 样 ，性能各异。目前处于主导地位的是双心钻头和 液压臂式扩眼器。研究机构经现场试验和应用总结 了大量规律 ，形成 了系统的研发程序 。 3 国内扩眼技术研究起步较 晚，扩 眼工具 的设计基本为追踪和模仿国外成熟产品，已初步实 现系列化应用 ，但在基础理论研究方面较为薄弱。 4 欲摆脱 国外的技术垄断 ，形成具有竞争 力的国产工具 ，国内科研机构还需在计算机辅助设 计、应用领域拓展 和数据库建设等方面进行完善 ， 逐步缩小与国外的技术差距。 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] 参考文献 R a i t t F W S．B o y l e J ． I n n o v a t i v e s t e e r a b l e u n d e r r e a mi n g B H A d e s i g n o v e r c o m e B O P r e s t r i c t i o n s[ R ]．S P E 2 39 0 9， 1 9 92 ． De we y C H ， Mi l l e r G C． Dr i l l i n g a nd un d e e a mi n g s i re u h a n e o u s l y a c o s t e f f e c t i v e o p t i o n[ R ]． S P E 3 6 4 6 2 ， 1 99 6． S k e t c h i e r B C， F i e l d e r C M ， L e e B 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l t h r o u g h i mp r o v e d d i r e c t i o n al c o n t r o l ，b i t c l e a n i n g，a n d d y s f u n c t i o n， mi t i g a t i o n i n s o ft， b a l l i n g ， a n d s we l l i n g f o r m a t i o n s[ R]． S P E 1 2 1 2 6 9 ，2 0 0 9 ． Ne wh o u s e C C， F i e l d e r C M． A n e w l o o k a t d e e p wa t e r [ 1 0 ] [ 1 2 ] [ 1 3 ] [ 1 4 ] [ 1 5 ] [ 1 6 ] [ 1 7 ] [ 1 8 ] [ 1 9 ] d r i l l i n g p r o b l e ms c o mb i n e d w i t h n e w P D C t e c h n o l o gy p r o d u c e s s a v i n g s o f 5 ． 9 M M [R] ． S P E ／ I A D C 67 7 65，2 001 ． T h u wa i n i J A，He n d r a z i d M E，Mo h a me d W ，e t a 1 ． C o mb i n a t i o n o f a u n i q u e s t a b i l i z e d b i c e n t e r b i t a n d v i - b r a t i o n d a mpe n i ng t o o l i mp r o v e ho l e o p e n i ng p e r f o rm a n c e s t hr o ug h i n t e r be dd e d f o r ma t i o n s i n s a ud i a r a bi a [ R]． S P E 1 1 7 2 4 8 ，2 0 0 8 ． T h o ms o n L，Ra d f o r d S ，P o we r s J ，e t a1． A s y s t e ma t i c a p pr o a c h t o a b e t t e r un d e r s t a n d i n g o f t h e c o n c e n t ric ho l eo p e n i n g pr o c e s s ut i l i z i ng d r i l l i n g me c ha n i c s a n d dril l i n g d y na mi c s me a s ur e me n t s r e c o r d e d a b o v e a n d be l o w t h e r e a m e r『 R]． S P E 1 1 2 6 4 7 ，2 0 0 8 ． De s a l P C． Un de r r e a mi n g o l d me t h o d wi t h ne w t e c h n o l o g y[ R 3． S P E 1 9 6 9 3 ，1 9 8 9 ． L e n a mo n d C ． F u l l yr o t a t i n g r o t a r y s t e e r a b l e a n d c o n c e n t r i c r e a me r s t e c hn o l o gy c o mbi n a t i o n e l i mi n a t e we l l b o r e t h r e a d i n g i n d e e p w a t e r[ R]． S P E 9 1 9 2 9，2 0 0 5 ． Mi l l e r C， Ch i l d e r s R D． I n no v a t i v e c o nc e nt ric r e a me r e n h a n c e s d e e p w a t e r d ri l l i n g o p e r a t i o n s [ R] ． S P E 8 4 2 47，2 0 03． 剪树旭，文均红，王向东，等．国产扩孔器的研究 应用现状及展望 [ J ]．石油钻探技术 ，2 0 0 3 ，3 1 6 4 2 4 3 ． 古亚 敏 ．井 下 扩 孔 装 置 的 研制 现 状 与 发 展 方 向 [ J ]．石油机械 ，2 0 0 4 ，3 2 增刊 1 1 3 21 3 4 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