井下扩眼工具的研究现状分析

黄 韬，何世明，汤 明，马日春，李华军，姚耕华

(西南石油大学 油气藏地质及开发工程国家重点实验室，成都 610500)

在现今的深井、超深井的钻井作业中，经常因井眼直径小而产生环空压耗大、固井质量不稳定等问题。复杂地层小井眼钻井中也经常出现井眼缩径、卡钻等井下复杂情况[1]。因此，利用井下扩眼工具在不改变套管尺寸的情况下扩大复杂地层裸眼段井眼尺寸，在降低钻井作业的成本、提高油气井建井质量、优化井身结构、提升固井质量等方面有重要意义[2-3]。

1 扩眼工具的发展历程

现今国内学者在井下扩眼工具的研究与优化方面尚处于起步阶段，有关扩眼工具理论分析和实际应用的研究较少[4-10]。但是，国外学者自20世纪90年代以来，已经在井下扩眼工具的研发、优化与应用方面开展了大量研究。

1994年，Kalloo发表文章阐述了双心钻头在深井钻井中成功应用的实例[11]；在1995年，Sketchler等人介绍了一种新型双心钻头及相关底部钻具组合在小井眼水平井钻井中的应用[12]，T.M.Warren等人提出了用固定式刀片优化扩眼器的相关研究项目[13]；除普通扩眼工具的应用及优化外， John Cook、L. F. Eaton等学者于1998年提出了旋转导向扩眼工具(SRWD)的概念，并阐述了旋转导向扩眼技术的原理及相关现场试验情况[14-16]。20世纪以来，在利用扩眼工具解决井下复杂难题、优化和改善井眼质量、提高钻井工程效率等方面，相关学者也做出了相应的研究及阐述[17-21]。

2 井下扩眼工具基本类型

自20世纪以来，扩眼工具经过了最初的固定切削刀翼式、早期机械展开扩张式、中期悬臂液压展开扩张式和后期滑移液压展开扩张式等数代发展。以工具结构为标准，井下扩眼工具可划分为钻头型扩眼工具和独立结构型扩眼工具2大类[22]，分类如图1所示。

2.1 独立结构型扩眼工具

2.1.1 偏心扩眼器

常用的机械偏心式井下扩眼工具如图2所示。该类扩眼器主要由本体及扩眼刀翼组成，且上、下2个偏心扩眼刀翼成镜像对称分布，具有较强的岩石切削能力[23-24]，偏心扩眼器扩眼前后井径示意图如图3。

图1 扩眼工具分类

图2 偏心扩眼器结构组成示意

机械式偏心扩眼器有以下特点：①两件式设计保证了与领眼钻头的分体式安装，故偏心扩眼器对领眼钻具组合的选择没有限制；②本体无活动性部件，可有效避免刀翼滑落；③优化了切削齿的几何布置，并用硬质合金对切削齿加以支撑，减少了剪切应力集中，并改善了扩眼器的排屑能力；④偏心式设计易于与钻具组合连接，增强了钻柱系统稳定性[25-26]。

图3 偏心扩眼器扩眼前后井径示意

2.1.2 同心扩眼器

同心扩眼器的各扩眼刀翼为同轴设计，这些刀刃构成的圆心线与钻柱轴线重合。其结构示意图如图4。

a 截面 b 侧视

按工作原理可将同心扩眼器划分为2种类型：①通过液压动力实现扩眼刀刃的伸缩；②依靠机械作用力实现扩眼刀刃的伸缩。由于具有对称的几何结构，因此同心扩眼器在钻进过程中较为稳定。在钻具组合中，同心扩眼器常与旋转导向工具等结合，也偶有采用常规稳定器加上同心扩眼器的组合方式[27-31]。

2.2 钻头型扩眼工具

2.2.1 双心钻头

双心钻头由领眼钻头和扩眼刀翼2部分组成，具有2个不同的旋转中心。双心钻头采用钻头偏心的方式进行工具下放，当双心钻头到达作业层段后，领眼钻头首先在井底切削出一个领眼孔径，然后扩眼刀翼再以领眼钻头的轴心旋转并切削地层，从而在领眼孔径的基础上将井眼进一步扩大[32]。双心钻头扩眼孔径为领眼钻头轴心距扩眼刀翼最大外轮廓值。双心钻头示意图如图5所示。

图5 双心钻头示意

双心钻头存在水眼射流反作用力过大、井底岩屑清洗效率低，且易出现扩眼井径小于设计井径的问题。Barton、Quintana、Kent等指出，双心钻头实际井眼扩大率与岩石破碎效率等多个复杂因素[33-35]紧密相关。

2.2.2 近钻头扩眼器

近钻头扩眼器NBR(Near-Bit Reamer)是一种依靠压差驱动活塞进而推出刀翼来完成扩眼作业的扩眼工具，且在完成扩眼作业后NBR能够自动收回刀翼[36]。哈里伯顿NBR示意图如图6。

图6 哈里伯顿Security DBS近钻头扩眼器示意

NBR有两个显著的优点：①腔体内不设锁紧机构，避免了刀翼阻卡导致的卡钻等井下复杂问题；②NBR可被装配在钻柱中的任何位置，既能保证钻具系统的平衡性，也能有效降低钻具振动的影响，确保了钻井作业中转矩和钻压的平稳、安全传递[37]。

2.2.3 可变径钻头

可变径钻头的主体上设计有标准螺旋片和锥形的凸轮[38]，其结构示意图如图7所示。

图7 井下可变径稳定器示意

可变径钻头由钻压激活，该工具腔体内部设置有碟形弹簧，当弹簧预紧力大于钻压时，扩眼器便会保持工作状态。扩眼器在被激活后将保持工作状态，直至将其从井底提出。

3 国内外井下扩眼工具特点

3.1 扩眼工具作业形式的分类

扩眼工具的作业形式可分为随钻扩眼和钻后扩眼2种：①随钻扩眼是下入随钻扩眼工具后边钻边扩，在保证正常钻进的同时同步形成扩大井眼；②钻后扩眼则是在钻完整个井眼后再下入相关扩眼工具，扩大已有井眼的直径。

在本文所述的扩眼工具中，除部分偏心式扩眼工具仅能以随钻扩眼形式工作以外，其余工具均可根据需求选择随钻扩眼或钻后扩眼的形式展开扩眼作业。

3.2 国外主流扩眼工具及其特点分析

通过对国外井下扩眼工具的调研和分析，本节将它们的特点进行简要总结，具体分类如表1。

表1 国外主流扩眼工具分类信息及特点

3.2.1 威德福Ripetide扩眼器

Ripetide型扩眼工具由控制机构和执行机构2大部分构成，其结构如图8所示。其工作原理[40]为：当工具到达作业层后，向钻杆内投入含“开启”信号的芯片，即可令工具内的主控机构读取命令、控制工具开始正常工作。当扩眼完毕时，再投入一个含有“关闭”信号的芯片，即可收回刀翼，完成扩眼作业。

1—控制本体；2—弹簧；3—扩眼器本体；4—切削块；5—心轴活塞。

与普通机械式扩眼工具相比，Ripetide型扩眼器具有以下优势：①信息化控制系统控制扩眼刀翼的开闭，无需反复起下钻便可高效伸缩刀翼；②在同一钻具组合上可以同时安装数个Ripetide型扩眼器，从而有效提高控制效率和扩眼效率。

3.2.2 贝克休斯GaugeProXPR扩眼器

贝克休斯GaugeProXPR型扩眼器示意图如图9。不同于滑移式扩眼工具，GaugeProXPR型扩眼器凭借滑套滑行伸出刀翼，有效避免了传统工具剪断销钉伸出刀翼的方式导致的工具内卡阻故障[41-42]。

1—保护接头；2—本体；3—稳定快；4—切削块。

3.2.3 贝克休斯Ledge X随钻扩眼工具

Ledge X型随钻扩眼工具采用偏心刀翼结构，保证扩眼尺寸，并减小了摩阻和托压风险；该工具最大的特点是其刀翼采用超耐磨敷焊材料，且刀翼高度可调，有效降低了扩眼作业中切削齿的磨损速度。Ledge X型偏心随钻扩眼工具结构如图10所示。

图10 Ledge X型偏心随钻扩眼工具示意

3.2.4 Tesco套管钻井扩眼器

Tesco的Underreamer型扩眼器的结构示意如图11。Underreamer的腔体内设有稳定器，并且没有安装轴承。该工具内只有1个活塞以及3个伸展臂，减小了活动部件掉入井眼内引发井下事故的风险[43-44]。

1—上接头短节；2—可更换式切削机构；3—本体；4—稳定器短节。

Tesco的Underreamer型扩眼器还能被装配在旋转导向系统中进行套管导向钻井，这种技术已经被Tesco公司应用于数十口井现场钻井作业之中，施工效果良好[45-46]。

3.2.5 哈里伯顿(Halliburton Security DBS)扩眼器

Halliburton Security DBS 公司有NBR、UR、SPHO和XR等4种类型的扩眼器[47-48]。其中XR型扩眼器为哈里伯顿公司最具代表性的扩眼工具[49]，其结构如图12。

1—本体；2—执行机构；3—刀翼。

XR型扩眼器能够保证在扩眼结束后，在原有领眼孔径的基础上收回工具，且在起钻时允许全排量起钻。因此，该扩眼器作业时能够最大程度地保证不损伤套管和井壁。除此之外，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。

3.2.6 Andergauge公司Anderreamer扩眼器

Anderreamer型扩眼工具示意图如图13所示。该工具凭借其机械结构外推腔体上的扩眼执行机构(PDC切削刃)来完成扩眼作业[50]。

1—切刀；2—控制机构；3—本体。

该井下扩眼工具能够形成高质量的同心大直径井眼，且该工具扩眼作业时不受钻井工程参数、钻遇地层类型和井底状况的限制，扩眼后井眼直径约比套管内径大20%[51]。

3.2.7 TRI-MAX Industries公司EWD扩眼工具

EWD型机械式扩眼工具与Anderreamer型扩眼器结构类似[49]，这2种工具均利用钻压外推扩眼执行结构从而完成扩眼作业，并都能在起钻前及时安全收回扩眼总成。EWD实物示意图如图14。

迄今为止，EWD型扩眼工具已历经了数代的发展，其轴心密封易失效、整体寿命短、工作不稳定等问题已得到改善。但是，受限于机械式工具的缺点，该工具仍存在体积偏大、井眼扩大率较低和整体强度偏弱的问题[52-53]。

图14 EWD型扩眼器实物示意

3.2.8 Smith公司Rhino XS一体化扩眼系统

新型Rhino XS型扩眼器的井眼扩大率可以达到20%。该扩眼器主要由Rhino扩眼器本体、Rhino钻具稳定器、IDEAS系统控制模块(ISB)等几大独立模块[54]组成，Rhino XS型扩眼器示意图如图15。

1—本体；2—弹簧；3—切削体；4—活塞。

Rhino XS型扩眼器将整体扶正器集中于切削结构上，以防止侧向切削。该工具设置了高耐磨性切削齿，适用于多种地层的大位移井扩眼作业。在力学性能方面，Rhino XS型扩眼器将切削结构和扩张机械结构一体化，并用舌型和槽型结构定位切削块，这样的单一本体设计增强了工具的抗拉伸和抗扭能力[55]。

3.3 国内主流扩眼工具及其特点分析

国内学者开展扩眼技术研究的时间较晚，在扩眼工具方面开展的研究更是甚少。现今国内常用的扩眼工具主要来自辽河油田和胜利石油管理局[56-61]，具体工具信息如表2。

表2 国内主流扩眼工具信息分类及特点

3.3.1 胜利油田自研系列扩眼工具

1)JK215-237型扩眼工具。

图16所示即为JK215-237型扩眼工具。该工具的锥体与八方杆连接，从而将锥体装入主体内；锥体上的3个键槽和主体上的3槽对正，在锥体下端将3个刀片装入键槽内并将锥体上移，装上扶正套，然后将下接头与主体连接上紧。八方套与八方杆配合并与主体相连。装上定位套和锁销、上接头与八方杆连接。扩眼工具用大钳拧紧,然后与钻铤相连。

1—上接头；2—八方杆；3—锁销；4—定位套；5—八方套；6—主体；7—锥体；8—刀片；9—扶正套；10—密封圈；11—下接头。

该扩眼工具的特点为：

①刀翼由压差剪断锁销释放椎体推出，且刀翼的伸缩由键槽结构制约，保证了扩眼时刀翼不会缩回，确保扩眼后井径上下一致。

②钻具设计采用八方结构传递转矩，安全可靠。并辅以三点刚性支撑以确保工作平稳、有效控制井斜。

③扶正套进行了耐磨处理，在起下钻时能起到保护刀翼的作用。钻进作业时，耐磨处理后的扶正套又能发挥支撑刀翼和扶正钻具的功能。

④刀翼材料使用合金钢，配合PDC切削齿使用时能够实现切削齿同轨布齿，以便保证扩眼器的扩眼效率。

2)SJK系列扩眼工具。

SJK系列扩眼工具示意图如图17。该工具主要由接头、主腔体、刀翼和扶正器等部件组成；压差剪断销钉后，该工具刀翼划出开始扩眼作业；当扩眼作业完成时，上提钻具，锥体上的特殊结构会作用于刀翼，使刀翼收回。

图17 SJK型扩眼工具示意

3)SPK双心式扩眼工具。

SPK系列扩眼工具(如图18)原理与偏心扩眼钻头相同。该工具上设计了领眼垫块用以平衡工具在扩眼作业时产生的侧向平衡力，且由于偏心扩眼工具一体化的特点，该工具腔体上无多余活动部件，结构稳定、寿命长、井下风险小，适合长井段和定向井段扩眼。

图18 SPK型双心扩眼工具示意

4)SYK压差式扩眼工具。

SYK型压差式扩眼工具主要由本体、刀翼、弹簧等组成，如图19。该工具由压差驱动活塞推出刀翼开启。SYK系列工具几何上采用抛物线型、平行2排交错布齿方式；用于推出刀翼的活塞与腔体本体以及缸套之间分别采用“O”、“Y”型密封圈，以保证刀翼在憋压外推之后的稳定性。SYK系列工具结构设计紧凑、便于现场检测维修，压耗小且具有倒划眼功能。

图19 SYK型压差式扩眼工具

5)YK系列扩眼工具。

胜利油田YK系列扩眼工具主要由上接头、本体、活塞总成、弹簧、刀片等组成，如图20。YK系列扩眼工具的开启方式为压差推动活塞伸出刀翼，刀片上焊接的PDC切削齿在张开的过程中逐渐扩大切削半径，从而完成扩眼作业的造台阶工作。作业完成后停泵，压差消失后活塞复位，刀翼收回。

图20 YK型扩眼工具示意

3.3.2 辽河油田RWD-152扩眼工具

辽河油田在跟踪国外扩眼设备研究的基础上，研发出了RWD-152型滑移液压式扩眼工具，其具体结构如图21所示。其开启方式是通过开泵时钻井液作用在活塞上的压力推动活塞滑行将切削齿推出主腔体外，进行扩眼造台阶作业。在2007-05，该工具在现场应用5井次，包含了稀油、稠油、高凝析油等油藏，试验井固井质量均合格[62]。

1—本体；2—弹簧；3—下腔体；4—切削体。

4 结语

扩大井眼能有效提高油气井建井质量、优化井身结构等。扩眼技术在国外超深井、小井眼井、开窗侧钻井等复杂情况井中得到了广泛应用[63]。石油工业发展进入后期，勘探开发难度的日益增大，井下扩眼工具的研究设计也面临着以下巨大挑战：

1)扩眼执行机构的优化设计及扩眼工具与底部钻具的优选配合。设计和优选扩眼执行机构及其材料、合理选择扩眼工具与底部钻具的搭配，从而最大化扩眼工具的切削效率、提高扩眼率、延长工具寿命以及控制井眼轨迹等，是当今井下扩眼工具研究的一个重要方向。

2)由于偏心扩眼工具的结构限制，该类工具现存的挑战有：①偏心扩眼工具领眼钻头和刀翼处的水眼间隔较小，常导致流场的相互影响，进而降低井眼净化效率。该工具的水眼优化布置及作业时的水力参数优选是偏心扩眼睛工具未来的重大研究方向之一；②由于领眼钻头和扩眼刀翼异轴心转动，导致侧向不平衡力长期作用于扩眼工具和钻柱。优化领眼钻头和扩眼刀翼的选材、布置，减小侧向不平衡力，有助于提高扩眼工具稳定性和寿命。

3)机械扩张式的井下扩眼工具由于内部构件多，存在稳定性较差的问题，反之滑移液压式井下扩眼器具有高可靠性和易操作性，是今后扩眼工具的一大发展方向；其次，由于机械式扩眼工具在开启时依赖压差，在钻遇硬地层时合理调整泵压，既保证工具的正常开启，又不影响地层的稳定性，是应用该类工具时亟待解决的一大工程难题。

4)当今油田信息化趋势加速，高效的自动化控制系统必将逐步取代目前低效的机械式控制机构。由于扩眼工具不是面对单一地层作业，高温高压对含信息化控制系统的扩眼工具的选材和设计提出了极大考验。优化信息化控制机构、优选扩眼工具材料对井下扩眼工具的发展具有指导意义。