随钻微扩眼器研制及应用

贾利春， 邓 虎， 陈俊斌， 刘先明

1中国石油川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院 2长江大学机械工程学院

0 引言

随着常规油气资源储量日益减少的矛盾越来越凸显，对非常规油气资源的勘探开发不断推进、加快[1-3]，水平井作为其高效开采的有效途径占据越来越重要角色[4-7]。旋转导向钻具虽然具有井眼井径规整、机械钻速快的优势，但是面临工具短缺、国外技术垄断的困境，因此当前在非常规油气水平井钻井中水平段仍以弯螺杆钻具组合为主要方式，钻进会形成螺旋状井眼，井壁上微台阶、微狗腿现象突出，导致实际井径比预期井眼小[8-9]，同时随着水平段长度延伸，井眼清洁困难、极易形成岩屑床，造成扭矩摩阻增加、划眼次数多，完井通井的时间长且次数多，后期电测、下套管耗时增加[8]。

针对水平井井壁台阶、微狗腿等引起的井眼质量问题，划眼、钻后扩眼虽然可以解决,但是起下钻次数多、效率低，近年来国内外发展形成了一种形式简单、经济安全可靠的随钻微扩眼器，在消除井壁台阶、提高井眼质量、减小起下钻次数和提高钻井效率等方面具有显著的优势[10-15]。

本文在调研国内外相关技术基础上，研制了一种适用于Ø215.9 mm水平井井眼的偏心式随钻微扩眼器，用于清除井壁上微台阶、修整井壁改善井身质量，同时对岩屑床具有扰动破坏作用[13]，提高井底清洁效果，现场应用表明该工具有助于减少划眼作业时间，提高起下钻时效，降低电测、下套管固井的风险等。

1 随钻微扩眼器研制

随钻扩眼器按其扩眼原理可分为偏心式、固定翼式及液压扩张式等，主要用于扩大井眼解决缩径、固井质量不高的问题[16-22]。对于随钻微扩眼器，其主要功能是修整井壁、扰动岩屑床，因此采用简易可靠的偏心式固定翼结构。

1.1 结构特征及工作原理

参考双心扩眼钻头的偏心设计原理，根据偏心刀翼高度、夹角与井眼通径、扩眼直径的几何关系确定随钻微扩眼器的偏心距和主、副刀翼的布置[11,17](见图1)，结合流场分析优化工具的整体结构。

图1 随钻微扩眼器偏心结构示意图

随钻微扩眼器采用上、下两组螺旋刀翼，并且在螺旋翼上镶嵌切削齿。下刀翼组负责钻进随钻修整井壁或下钻过程中的正划眼，上刀翼组负责起钻过程中的倒划眼；上、下两组螺旋刀翼旋向相反，可以实现工具的自主力平衡[10-12]。工具随钻柱旋转传递扭矩，钻进或倒划眼遇到井壁微台阶时由于偏心作用，钻柱旋转所形成的离心力迫使切削齿对井壁台阶进行破岩[13]，实现微扩孔后比原井眼尺寸稍大(见图2所示)。

图2 随钻微扩眼器修整井壁微扩眼示意图

1.2 流场分析

由于上下两组螺旋刀翼结构会阻碍钻井液流动，造成局部钻井液流型发生改变，因此对随钻微扩眼器的钻井液流场进行分析，优化工具的刀翼尺寸和布置，分析结果见图3和图4所示。

由图3可知，当刀翼螺旋角分别为75°、80°、85°时，刀翼间最大流速分别为4.25 m/s、4.69 m/s、5.52 m/s，最大流速增大29.8%，因此优选刀翼螺旋角为85°。

图3 刀翼布置对流场影响

由图4可以看出，当刀翼宽度分别为30 mm、40 mm、50 mm时，刀翼处的压力损失分别为2 921 Pa、3 208 Pa、4 458 Pa，刀翼宽度40 mm时压降损失增加幅度为9.82%，显著低于50 mm时的增加幅度52.62%，因此,随钻微扩眼器刀翼的最佳宽度为40 mm。

图4 刀翼尺寸对流场影响

图5给出了微扩眼器螺旋刀翼对岩屑床扰动分析结果，可知在螺旋刀翼作用下井底岩屑沉积体积分数由30%降低为6.7%，由于螺旋刀翼的扰动，环空内岩屑沿周向分布更为分散，更有利于岩屑轴向运移和清除携带。

图5 螺旋刀翼对岩屑床扰动分析

1.3 适应性及安放位置

通过结构优化设计和流场分析，研制了适用于Ø215. 9 mm井眼的随钻微扩眼器，结构示意图见图6。工具外径165 mm、最大通径202 mm、内径85 mm，抗拉强度6 664 kN、抗扭强度159 kN·m。

图6 随钻微扩眼器示意图

钻具组合中加入随钻微扩眼器后，钻柱的刚性会发生变化，同时由于偏心结构作用会造成钻柱扭矩增加，图7、图8给出了随钻微扩眼器安装位置和使用前后对钻柱附加扭矩的影响。

图7 随钻微扩眼器安装位置对钻头扭矩影响

图8 随钻微扩眼器使用前后钻头扭矩变化(距钻头30 m)

由图7可知随着微扩眼器距钻头距离增加，钻头处扭矩降低，当超过120 m后逐渐趋于平稳，相较于距钻头30 m降幅在6.38%以内，但是整体上对扭矩影响较小，考虑到微扩眼器越接近钻头位置扩眼口袋越小效果越好，因此推荐安装位置在底部钻具组合上；由图8可知使用随钻微扩眼器后钻头处扭矩微幅增加，增加幅度低于6.65%，对扭矩增加的影响较小。

2 现场应用效果

2.1 应用情况

NX- 4井是位于四川盆地的一口三维页岩气水平井，造斜点井深3 020 m，A点井深3 628 m、完钻井深5 150 m、水平段长1 522 m、井斜角87.8°。在三开Ø215. 9 mm水平段井眼中应用了随钻微扩眼器，应用井段为4 397～5 150 m。NX- 3井是同井场相邻同类型水平井，在NX- 3井中未使用随钻微扩眼器，因此对两井相同井段进行相关参数对比分析。

NX- 4井水平段4 397～5 150 m采用钻具组合为：PDC钻头+LWD+止回阀+无磁承压钻杆+随钻微扩眼器+加重钻杆+钻杆。NX-3井在该井段除未加入随钻微扩眼器外，其他底部钻具组合相同。两口井的钻进参数情况统计见表1所示。

表1 NX-3井和NX-4井的钻井参数统计

2.2 应用效果

图9给出了NX- 4井和NX- 3井在4 397～5 150 m 井段井径对比情况，可知该井段NX- 4井的井径整体高于NX- 3井，表明随钻微扩眼具有微扩眼功能，井径扩大幅度最高9.53%。

图9 NX-4井和NX-3井的井径情况

图10给出了NX- 4井和NX- 3井在4 397～5 150 m井段钻进扭矩的对比情况，整体而言NX- 4井的钻进扭矩低于NX- 3井，同时由表1中钻时统计对比可知，NX- 4井优于NX- 3井，表明随钻微扩眼器通过修整井壁、微扩孔、搅动岩屑有助于减少井下钻柱扭矩。

图10 NX-4井和NX-3井扭矩对比情况

图11给出了NX- 4井和NX- 3井在4 397～5 150 m井段的钻井时效对比情况。两口井在完钻后电测和下套管固井均是一次完成，但是由图11可知在NX- 4井使用随钻微扩眼器后划眼、下套管固井和电测时效相较于NX- 3井分别提高了20.5%、8.09%和41.4%，应用随钻微扩眼后有利于提高钻井时效。

图11 NX-4井和NX-3井的钻井时效对比

通过NX- 4井随钻微扩眼器的使用情况可知，该工具的优势有：①改善井眼质量，微扩井眼效果好，偏心结构和上下两组螺旋刀翼能实现正反划眼作用，消除井壁微台阶实现扩孔后比原井眼尺寸稍大，井径扩大幅度最高9.53%；②提高钻进时效、扰动岩屑床效果较好，应用井段电测、下套管期间无遇阻现象，划眼、下套管固井和电测时效相较于邻井分别提高了20.5%、8.09%和41.4%。

3 结论

(1)所研制的随钻微扩眼器为偏心式结构，上、下两组螺旋刀翼用于清除井壁上微台阶，同时对岩屑床具有扰动破坏作用。

(2)工具采用整料铣削加工，没有活动部件，可避免扩眼刀翼落井的风险，确保工具的井下工作安全性。

(3)现场应用表明随钻微扩眼器微扩井眼、改善井眼质量的效果好，同时可显著提高钻井时效，应用井段电测、下套管期间无遇阻现象。