国外扩张式随钻扩眼工具应用现状及发展趋势

范亚民，张永泽，栾 苏，赵旭东，闫永宏

（宝鸡石油机械有限责任公司，陕西宝鸡721002） ①

国外扩张式随钻扩眼工具应用现状及发展趋势

范亚民，张永泽，栾 苏，赵旭东，闫永宏

（宝鸡石油机械有限责任公司，陕西宝鸡721002）①

随钻扩眼技术在处理复杂地层、提高钻井速度、提高套管环空间隙等方面具有应用价值。分析了国外几大油田服务公司的扩张式随钻扩眼工具的结构，介绍了其在现场的应用情况，总结了国外扩张式随钻扩眼工具的技术特点，并初步探讨了随钻扩眼工具的发展趋势。

井眼；钻井；随钻扩眼；扩张式扩眼工具

随钻扩眼技术就是采用随钻扩眼工具和常规钻头，在全面钻进的同时扩大井眼的一种钻井技术，节约了起下钻次数，效率高，避免了钻后扩眼可能带来的一系列的施工问题。随钻扩眼技术通常用于扩大裸眼段尺寸，使其大于上部套管串的内径，降低下套管成本（套管程序设计中自上而下均采用小尺寸套管），或者解决盐膏层钻探难题［1－4］。对于新发展的工艺技术，例如套管钻井技术、多分支井技术等，也常利用随钻扩眼工具来保证工艺实现。扩张式随钻扩眼工具作为扩眼工具的一种，具有常规固定翼式扩眼工具无法比拟的优势，是国外各大油服公司研究发展的重点。本文将重点介绍威德福、贝克休斯等公司的扩张式随钻扩眼工具结构及应用情况。

1 国外产品现状及应用概况

国外扩眼相关技术的研究已开展多年，经历了最初的固定翼式、第1代机械扩张式、第2代悬臂液压扩张式、最新的第3代滑移液压扩张式等阶段［5］。国外几大油田服务公司都已研制出相对成熟的扩张式随钻扩眼工具，例如威德福的Riptide扩眼器、哈里伯顿的XR型扩眼器、Tesco的Underreamer扩眼器等。

1.1 威德福RipTide扩眼器

威德福扩眼器分为上、下两短节，如图1。上短节为控制部分，下短节为扩眼器部分，上部分可通过2种方式控制动作，即投球和RFID（Radio－Frequency Identification）。采用RFID方式控制扩眼器开

图1 RipTide扩眼器结构

威德福使用RFID技术的RipTide扩眼器能随钻扩眼，在美国北Dakota地区的油气井，使用该系统将井眼从311.15mm（12英寸）扩大至342.90 mm（13英寸），总进尺91.44m（300ft），是世界第1家使用电子而非投球激活扩眼器的公司。目前，RFID方式可以在外径为269.88～406.40mm（10～16英寸）的扩眼器上使用，并且以后将大量应用在墨西哥湾Marathon油田上。

1.2 贝克休斯GaugePro XPR扩眼器

贝克休斯公司的GaugePro XPR扩张式随钻扩眼器外形如图2所示（图示为刀翼未伸出时状态）。刀翼伸出使用投球开启，但是没有使用剪切销，代替的是紧定螺钉，而水眼位于本体上方，滑套下行时打开。对于311.15mm（英寸）的领眼，该工具可以扩眼至342.90mm（13英寸）。另外，贝克休斯和壳牌公司研究了领眼钻头与扩眼器的同步性［7］。

图2 GaugePro XPR扩眼器外形结构

墨西哥国家石油公司（PEMEX）在南墨西哥湾深水区规划了部分超深水井，平均水深2 015～2 020m，最深达2 438m，GaugePro XPR扩眼器成功地在墨西哥湾的世界最深水井（约9 573m）中使用［8］。

1.3 Tesco套管钻井扩眼器

Tesco的Underreamer扩眼器起源于专为套管钻井技术研制的工具［9］，能在套管钻井时随钻扩眼，可将常规井眼尺寸114.30～339.73mm（4～13英寸）扩大至158.75～444.50mm（6～17英寸）。该工具已在90多口井中使用，进尺超过152.4km（500 000ft）。Tesco还利用商用化CFD软件进行腐蚀模拟，以改进工具［10］。

Underreamer扩眼器的结构如图3，工具本体设计有稳定器，并且无轴承，只有3个移动部件（1个活塞，3个伸展臂）。

图3 Underreamer扩眼器外形结构

Tesco公司还应用旋转导向系统（Rotary Steering System，RSS）进行套管导向钻井（Casing Directional Drilling，CDD）［11］，在井下钻具组合（BHA）中，Underreamer扩眼器位于泥浆马达下部，喷射短节上部。至2005年，Tesco公司已完成300多口套管钻井，其中十几口井尝试了套管导向钻井。2008－02，Tesco公司在印度尼西亚使用339.73mm（13英寸）套管进行了亚太地区首次商业化套管定向钻井，平均机械钻速为22.86 m／h（75ft／h）。

1.4 哈里伯顿XR型扩眼器

XR型扩眼器能够在原有领眼基础上扩眼后收回，并且允许起钻时全排量循环，可进行井下裸眼扩眼［12－13］。XR型扩眼器的最大特点在于其在扩眼完后能全排量起钻，不损伤套管和井壁。XR扩眼器还是目前唯一能够在领眼基础上扩大井眼50%的工具，其结构如图4所示。

图4 XR扩眼器外形结构

在墨西哥湾浅海Campeche海湾，墨西哥国家石油公司（PEMEX）应用哈里伯顿的Geo－Pilot 9600系列和XR1200型扩眼器相结合成功地对1口井进行了开窗侧钻，将井眼从311.15mm（12英寸）扩大至374.65mm（14英寸），一趟完成，共用时8h，约节约＄8.3万元。

1.5 国民油井Anderreamer扩眼器

Anderreamer井下扩张式液压扩眼器外形及结构如图5所示。该扩眼器能够形成高质量的同心井眼，不考虑地层类型、钻井参数或者井底状况，直径大约比套管内径大20%。Anderreamer扩眼器能够在苛刻的井下环境中作业，还应用数学预测模型以确保钻头的切削结构与Anderreamer的切削结构相匹配。

图5 Anderreamer扩张式液压扩眼器结构

该工具已成功应用于旋转导向系统（RSS）之上的扩眼、当量循环密度（ECD）管理中的扩眼、塑性地层中的扩眼、套管环空间隙过小时的扩眼、盐膏层蠕变等。

该扩眼器与NOV的钻头已成功应用于墨西哥湾深水钻井中［14］，其中斯伦贝谢利用Anderreamer扩眼器解决了在墨西哥湾Louann盐膏层旋转导向钻井时的缩进问题［15］，该区域盐膏层分布在610～3 568mm（2 000～12 000ft）。之所以选择扩张式扩眼器代替常见的双心钻头，是因为双心钻头会引起破坏性振动从而导致BHA故障。

2 国外技术特点与发展趋势

综上所述，可以看出国外油服公司的扩眼工具已经很成熟，产品规格齐全，可以应用在大部分地层条件下，具体情况如表1所示。

表1 国外公司扩眼器产品一览

2.1 技术特点

1） 动作原理 现在已基本淘汰了固定翼式和机械扩张式，液压扩张式中除Tesco套管钻井扩眼器和哈里伯顿的UR型扩眼器属于悬臂扩张式外，其余的皆为滑移液压扩张式扩眼器，这是因为滑移液压扩张式扩眼器动作更可靠，钻井效率更高。

2） 控制方式 国外滑移液压式扩眼工具主要采用投球或压差开启方式，收回则普遍采用停泵卸压后靠弹簧收回的方式，除了哈里伯顿的二次投球和威德福的RFID方式。

3） 工具本体 或者采用整体式工具体，或者由两短节组成；而刀翼则普遍采用硬质合金体镶嵌PDC块，并带倒划眼功能的结构形式。

4） 扩眼范围 国外工具普遍可以在原领眼尺寸基础上将井眼实际扩大20%以上，有的甚至达到50%。

5） 应用范围 国外扩眼工具的应用已从陆地到海洋，尤其是深海中，从基本的盐膏层扩眼到开窗侧钻、导向钻井以及多分支井、大位移井钻井，使用广泛，使钻井效率和固井质量大为提高，带来了可观的经济效益。

6） 国外公司还普遍重视优选钻头和扩眼工具，优化井下钻具组合。

2.2 发展趋势

1） 将逐步淘汰第2代悬臂扩张式，第3代滑移扩张式将更普遍应用。

2） 更为可靠地动作并扩眼，更高的安全性和更长的使用寿命。

3） 激发方式将会以威德福RFID为发展方向，向远程遥控激发方向发展。

4） 刀翼结构更为优化和个性化设计，更能有效切割地层。

3 结论

1） 随钻扩眼技术发展至今已经发生了很大变化，需要满足更多用户的需求，以及具有更高的可靠性，这成为推动随钻扩眼技术快速发展的主要动力。

2） 国外公司拥有成熟的扩眼技术与产品，并且已广泛应用于钻完井作业中。

3） 国内正处于起步上升阶段，欲解决日益凸现的深部地层和岩膏层钻探难题、满足新钻井技术发展，冲破国外技术封锁、提升我国石油装备水平，必须加强基础研究，切实开展刀翼优化设计、工具可靠性分析等工作，力求缩小与国外的技术差距。

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Application Status and Trends of Foreign Expandable Reaming Tool While Drilling

FAN Ya－min，ZHANG Yong－ze，LUAN Su，ZHAO Xu－dong，YAN Yong－hong
（Baoji Oilfield Machinery Co.，Ltd.，Baoji 721002，China）

The technology of reaming while drilling is of prevalent value in complex formation handling，drilling speed increasing，annular clearance enlarging，etc.The structure for expandable reamers of several foreign oilfield service companies are analyzed in detail.Meanwhile the applications are introduced respectively.Also the characteristics of foreign expandable reamer are summarized and trends are discussed preliminarily.

borehole；drilling；reaming while drilling；expandable reamer

1001－3482（2011）12－0025－04

TE921

A

2011－06－15

范亚民（1956－），男，陕西韩城人，工程师，主要从事石油井口、井控、钻采设备研发及标准化管理工作，E－mail：jszxfym＠bomco.cn。闭［6］时，泵送1个小型的射频发射器到扩眼器，使扩眼器控制部分接收到“开”或者“闭”的指令，然后开始动作。