随钻扩眼钻压分配规律的试验研究

侯福祥 宋健 张燕萍 单泓铭

基金项目：中国石油天然气集团有限公司科学研究与技术开发项目“随钻扩眼及膨胀管裸眼搭接悬挂技术研究”（2021DJ4102）、“万米超深层油气资源钻完井关键技术与装备研究”（2022ZG06）。

侯福祥，宋健，张燕萍，等.随钻扩眼钻压分配规律的试验研究32-39

Hou Fuxiang，Song Jian，Zhang Yanping，et al.Experimental study on distribution of weight on bit during reaming while drilling32-39

随钻扩眼钻井技术可在全面钻进的同时实现裸眼井段的扩径，能有效减少起下钻次数、提高钻井效率。隨钻扩眼过程中领眼钻头和扩眼器上钻压、扭矩的分配与地层岩石性质、钻井参数、钻具结构等多种因素有关，因此提出能反映实际随钻扩眼过程的理论或试验方案是钻压分配规律研究的关键。为了在室内试验环境下模拟实际随钻扩眼过程，设计并进行了全尺寸随钻扩眼破岩试验。设计加工了215.9 mm PDC领眼钻头和扩眼直径可调（242、260 mm）的试验用扩眼器，在钻头试验台架上进行了全尺寸破岩试验，研究了随钻扩眼过程中的钻压分配规律及其受岩石类型、钻压、转速及扩眼直径的影响。试验结果表明：钻压比和扭矩比随总钻压的增大而增大，随岩石强度的减小而增大，但基本不受钻速的影响；扩眼器刀翼切削区域攻击性越强，相应的钻压比越大。所得结论可为随钻扩眼作业的钻井参数和钻具组合优化提供依据。

随钻扩眼；领眼钻头；扩眼器；钻压分配；全尺寸破岩试验

TE921

A

005

Experimental Study on Distribution of Weight

on Bit During Reaming While Drilling

Hou Fuxiang1  Song Jian2  Zhang Yanping1  Shan Hongming2

（1.CNPC Engineering Technology R&D Company Limited;2.College of Mechanical and Transportation Engineering，China University of Petroleum （Beijing））

Reaming while drilling （RWD） technology can realize the expansion of open hole section while fully drilling，which can effectively reduce the trip times and improve drilling efficiency.The distribution of weight on bit （WOB） and torque on the pilot bit and reamer during RWD is related to several factors such as rock properties，drilling parameters and tool structure.Thus，a theoretical or experimental scheme that can reflect the actual RWD process is essential for clarifying the WOB distribution.In order to simulate the actual RWD process in the laboratory，the full-size RWD experiment was designed，and a 215.9 mm PDC pilot bit and an experimental reamer with adjustable diameter （242 mm，260 mm） were developed.The full-size RWD experiment was performed using the PDC pilot bit and experimental reamer on the bit test bench to analyze the WOB distribution and how it is affected by the rock type，WOB，rotational speed and reaming diameter.The results show that the WOB ratio and torque ratio increase as the total WOB increases and also as the rock strength increases，but they are basically not affected by the rate of penetration （ROP）.The more aggressive the cutting part of the reamer blades，the higher the corresponding WOB.The research findings provide basis for optimization of drilling parameters and bottomhole assembly during RWD.

RWD;pilot bit;reamer;WOB distribution;full-size RWD experiment

0  引  言

侯福祥，等：随钻扩眼钻压分配规律的试验研究

随钻扩眼技术是指在全面钻进的同时，利用随钻扩眼器实现对裸眼段井径的扩大［1-4］。随钻扩眼器刀翼在常规钻进时处于收回状态，不进行扩眼作业；当到达指定地层时，通过投球等操作激活随钻扩眼器，刀翼伸出进行井眼扩径作业；扩眼完成后收回刀翼，一次下井可进行多次扩眼作业。相比固定刀翼式扩眼器，随钻扩眼器的使用可减少起下钻次数、提高钻井效率，在深井、超深井等钻井作业中具有广泛的应用前景［5-9］。

随钻扩眼过程中，钻井总钻压按照一定比例分配到领眼钻头和扩眼器上，其具体分配情况是进行随钻扩眼钻具组合优化、振动特性分析的基础。为了研究随钻擴眼过程中钻压的分配规律，国内外学者进行了理论和试验研究，取得了一定的研究成果。布伦瑞克工业大学B.MEYER-HEYE等［10］基于钻头攻击性和机械比能，考虑地层岩性、井眼直径和机械钻速等对载荷分布规律的影响，建立了随钻扩眼过程中钻头和扩眼器上钻压、扭矩分布规律的理论计算模型。Baker Hughes公司I.THOMSON等［11］在美国俄克拉何马州进行了全尺寸井下钻井试验，利用井下测量仪器实现对钻头和扩眼器受力、运动的监测，从而对随钻扩眼过程中钻压传递和钻具振动情况进行分析。马汝涛等［12-13］基于机械比能方法，在考虑岩石特性、钻具切削结构双参数的基础上，提出了计算随钻扩眼钻压分配关系的双因素法，以分析各因素对钻压分配的影响规律。夏焱等［14-15］提出了阶梯效应指数概念，认为领眼钻头和扩眼器的钻压分配关系主要取决于阶梯效应指数。管志川等［16］根据相似原理设计了随钻扩眼的模型试验装置，利用该装置研究了领眼钻头与扩眼器的钻压分配关系。

综上所述，基于机械比能提出的钻压比分配理论模型涉及众多参数变量，而根据现场钻井工况又难以确定模型中变量的准确值，因此理论模型的应用存在较大的局限性。直接在随钻扩眼钻井现场进行各项钻井参数的测量，可实现对随钻扩眼过程中受力和运动的直观分析，缺点是试验成本高昂，并且无法进行多组试验以实现钻压分配规律的对照分析。室内模型试验可减小随钻扩眼过程的研究成本，并且可进行多参数试验研究，缺点是模型试验与实际工况仍存在显著不同，模型试验分析结果与实际情况的一致性仍需进一步验证。

为了在室内试验环境下尽可能模拟实际随钻扩眼过程，开展了全尺寸随钻扩眼破岩试验。设计并加工了215.9 mm PDC领眼钻头和扩眼直径可调的试验用扩眼器，同时设计了测量短节以测量施加在领眼钻头和扩眼器上的钻压与扭矩；在钻头试验台架上进行了全尺寸破岩试验，测量并采集了试验过程中的钻压、扭矩、钻速和转速等数据。通过数据分析，可得出随钻扩眼过程中的钻压分配规律，以期为随钻扩眼作业的钻井参数和钻具组合优化提供依据。

1  领眼钻头和扩眼器设计

根据随钻扩眼作业要求，采用215.9 mm PDC领眼钻头+随钻扩眼器的扩眼组合，并分别设计了领眼钻头和扩眼器钻头，以实现从215.9～242.0 mm和260.0 mm的井眼扩径。

1.1  领眼钻头

设计的领眼钻头为215.9 mm的5刀翼PDC钻头，主切削齿直径为16 mm，总布齿数为38，如图1所示。

1.2  扩眼器

设计的随钻扩眼器刀翼如图2所示。扩眼刀翼轮廓由扩眼切削部分和保径切削部分组成；同时为了兼具扩眼和倒划眼的功能，分别设计了扩眼刀翼和倒划眼刀翼，并相应地布置了切削齿。

钻井过程中，扩眼器刀翼收缩在扩眼器中时，切削齿不与岩石接触；当需要扩眼作业时，在扩眼器内部液压结构的驱动下，扩眼器刀翼沿着径向方向伸出，此时扩眼器刀翼与岩石接触进行扩眼破岩作业。刀翼伸出的位移量决定了扩眼器对井眼直径的扩大效果。

破岩试验研究的是随钻扩眼过程中领眼钻头和扩眼器钻压的分配问题，不涉及倒划眼过程。因此试验用扩眼器刀翼省略了倒划眼刀翼（见图3），以减少试验加工量。扩眼器刀翼安装在如图4所示的接头上，模拟扩眼器刀翼的伸出状态；同时通过在接头和扩眼器刀翼之间增减垫片来实现对扩眼直径的调节，如图5所示。

2  随钻扩眼破岩试验设计

2.1  试验方案

随钻扩眼破岩试验装置示意图如图6所示。测量接头1上部与钻头试验台架的钻杆相连，岩石用钢板固定在试验台架底部转盘上。试验过程中，岩石随着转盘转动，领眼钻头和扩眼器保持周向静止，并在钻压作用下向下移动，与岩石接触进行破岩钻进，试验台架控制器实时测量钻压和进尺数据。另外，在测量接头1和测量接头2处粘贴了应变片，结合应变测试仪可实现不同位置钻压和扭矩的实时测量。

2.2  试验装置和材料

随钻扩眼破岩试验现场图如图7所示。

试验装置包括钻头试验架、测量接头、动态应变仪、领眼钻头和扩眼器。试验岩石为水泥石和砂岩。

测量接头的制作流程如图8所示。图9为动态应变仪，可实时采集应变片的电信号，并传输至计算机进行处理和分析。

试验用水泥石和砂岩岩样如图10所示。

2.3  试验过程

试验开始时，启动下转盘，钻头缓慢向下钻进，完成岩块的造底工作后升起钻头，停止下转盘转动，如图11a所示。随后启动应变测试仪，并进行通道平衡和清零。正式开始试验时，启动下转盘并施加钻压使钻头正常钻进，钻压加载至预定数值，开始采集试验数据，保持下转盘转速及施加钻压值持续钻进，如图11b所示。达到预定钻进深度后，停止钻压施加，下转盘停止转动，结束钻进。在测得全部试验数据后，选取领眼钻头和扩眼器稳定钻进阶段的数据作为该组试验的正式数据。

3  试验结果及分析

采用215.9 mm PDC领眼钻头+242.0 mm扩眼器、215.9 mm PDC领眼钻头+260.0 mm扩眼器2种组合进行了随钻扩眼试验，并采集了不同岩石类型、转速和钻压W下的试验数据。通过对试验数据进行分析与处理，得出随钻扩眼过程中钻压、扭矩的分配情况及其受参数影响的规律。具体试验数据如表1和表2所示。

钻压比或扭矩比定义为领眼钻头上的钻压或扭矩与扩眼器上的钻压或扭矩的比值，即：

RW=WBWR（1）

RT=TBTR（2）

式中：RW和RT分别为钻压比和扭矩比，无量纲；WB和WR分别为领眼钻头的钻压和扩眼器的钻压，kN；TB和TR分别为领眼钻头的扭矩和扩眼器的扭矩，N·m。

在砂岩随钻扩眼过程中，机械钻速随钻压的变化曲线如图12所示。由图12可知，钻压和转速的增大有利于机械钻速的提高，并且扩眼直径为260.0 mm时的机械钻速要低于扩眼直径为242.0 mm时的机械钻速。这是因为扩眼直径的增大意味着破岩体积和难度的增大，所以机械钻速会相应降低。

考虑到试验过程中存在扩眼直径、岩石类型、转速和钻压4个变量，因此分别对每个因素进行针对性分析，弄清钻压分配的参数影响规律。

不同岩石类型和扩眼直径条件下，钻压比和扭矩比随总钻压的变化曲线如图13所示。

由图13可以看出，钻压比呈现出随着总钻压增大而增大的趋势。这说明总钻压的增大使得领眼钻头的吃入深度和破岩功耗增大，导致总钻压分配在领眼钻头上的钻压增大。随着总钻压的变化，钻压比和扭矩比具有相似的变化趋势。与钻井砂岩相比，水泥石强度较低，钻进水泥石的钻压比和扭矩比更大。

不同转速时钻压比和扭矩比的变化曲线如图14所示。由图14可知，转速对钻压比或扭矩比没有明显的影响。这说明转速对随钻扩眼过程中的钻压和扭矩分配的影响作用不明显。

不同扩眼直径时钻压比和扭矩比随总钻压的变化曲线如图15所示。由图15可知，扩眼直径较大时反而有更大的钻压比和扭矩比，这与常规分析结果不符。常规分析结果认为，扩眼直径变大，相应的破岩体积和难度也增大，扩眼器所需钻压也越大。本次试验结果与常规分析结果不符的原因为：扩眼直径的不同，导致扩眼器刀翼参与切削的区域也不同。

扩眼直径为242.0和260.0 mm时，扩眼刀翼接触岩石的区域如图16所示。

由图16可知，扩眼直径为260.0 mm时刀翼切削区域的攻击性更强，更容易吃入和破碎岩石。虽然扩眼直径为260.0 mm时切削面积扩大了，但刀翼切削区域的破岩能力更强，因此使得分配在扩眼器上的钻压减小，相应地分配在领眼钻头上的钻压增大。

at different remaining diameters

4  結  论

（1）在相同钻井参数情况下，大直径扩眼器的破岩体积更大，因此其机械钻速要小于小直径扩眼器的机械钻速。

（2）钻压比呈现出随着总钻压增大而增大的趋势，因为总钻压的增大使得领眼钻头的吃入深度和破岩功耗增大，造成总钻压分配在领眼钻头上的比例增大；钻压比和扭矩比具有相似的变化趋势。

（3）钻进强度较小的岩石时，相应的钻压比和扭矩比更大；转速对随钻扩眼过程中的钻压分配没有明显的影响，并非主要作用。

（4）钻压比受扩眼器刀翼切削区域攻击性的影响，刀翼切削区域攻击性越强，扩眼器越容易吃入和破碎岩石，所需破岩钻压也越小，相应的钻压比越大。

［1］

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第一侯福祥，高级工程师，生于1976年，2007年毕业于北京科技大学机械工程专业，获博士学位，现从事石油机械研发工作。地址：（102206）北京市昌平区。email：hfxdri@cnpc.com.cn。

2023-11-28

任武