国外扩眼工具现状及发展趋势

深部盐膏层钻井是钻井工程重大技术难题之一, 导致井下事故频发。为解决这个问题, 在钻井工艺措施上利用合适的扩眼工具进行扩眼是解决该问题的有效手段。根据扩眼技术类型可将扩眼工具分为:钻后扩眼工具和随钻扩眼工具两类。随钻扩眼技术最为常用, 随钻扩眼工具从结构上来说又可以分为两大类, 一是钻头类型的随钻扩眼工具, 二是具有独立结构的随钻扩眼工具随钻扩眼工具按执行机构不同, 可分为机械式随钻扩眼工具、液压式随钻扩眼工具和偏心式随钻扩眼工具。国外随钻扩眼工具主要有:Halliburton Security DBS公司的NBR™、UR™、SPHO和XR™, Smith公司的随钻扩眼器和Rhino水力扩眼器, Andergauge公司的Anderreamer等随钻扩眼工具。

一、Halliburton Security DBS扩眼工具

Halliburton Security DBS公司推出的扩眼器有Near Bit Reamer (NBR™) 、Under Reamer (UR™) 、Single Piece Hole Opener (SPHO) 和XR™Reamer Borehole Enlargement Tool (XR™) 四种。NBR™是一种同轴的边钻边扩的近钻头扩眼工具, 能随钻将井眼扩大20%;UR™是在井眼钻完以后进行井眼扩大, 扩眼尺寸为钻头的1.5到2倍之间;SPHO是一种改进型的金刚石扩眼器, 能有效减小钻井过程中的震动, 提高机械钻速;XR™是新一代的扩眼工具, 钻井与扩眼同步, 可确保扩眼精度, 并最大限度地减小下部钻具组合的震动, 提高钻进过程中的洗井效率。

NBR能随钻将井眼扩大20%, NBR是一种独特的随钻扩眼工具, 它先钻掉套管鞋, 然后在套管之下张开并进行随钻扩眼。NBR工具类似于一个三刮刀式近钻头稳定器, 靠水力打开三个切削臂, 作用在法兰上的压力使切削臂打开, 而弹簧则用来把活塞缩回到原始静止位置。NBR达到套管鞋下之后, 略微增加一定的排量即可驱动工具, 所产生的压差作用于切削臂背部的横截面上, 迫使切削臂向外径方向打开并开始随钻扩眼作业。NBR可与多种BHA配合使用, 包括旋转钻具、旋转导向钻具及滑动导向钻具。NBR可当作一个全尺寸稳定器使用, 它的三个接触点对BHA有很好的扶正作用, 从而减少BHA的振动和故障, 以及LWD的故障。与其它扩眼方法 (如双心钻头、管下扩大器等) 相比, NBR具有以下优点:NBR在定向钻进中工作性能良好, 而双心钻头则有可能诱发损坏性振动, 并导致钻出螺旋井眼;NBR随钻扩眼技术不但使各项定向钻井目标容易实现, 而且大大减少了起下钻次数;NBR与CBI联合使用, 不但降低钻柱扭矩、减少卡钻风险, 而且还改善了井底流场。 (4) NBR的随钻扩眼功能允许下入较大尺寸的尾管, 从而扩大了完井方式的选择范围。

二、Smith公司扩眼工具

Smith公司扩眼工具分为随钻扩眼器和Rhino水力扩眼器两个大类。

随钻扩眼器包括:Drilling-Type Underreamer (DTU) 、Geo Ream Dual-Diameter Near-Bit Reamer (Geo Ream) 、Quad-D Reamer (QDR) 、Reamaster-XTU Forged Cutter Arm Underreamer (RXTU) 、Rock-Type Underreamer (RTU) 多个系列。

Smith公司的研制的新型RHINO扩眼器是一种水力张开式、同心扩眼工具, 可将井眼扩大20%, 主要用于对工具的可靠性、耐用性、井眼同心度要求严格的深水和大陆架钻井作业, 代表了扩孔技术的最新进步。该扩孔器可与旋转导向系统、定向钻井系统、变径稳定器组合等配合使用。工具壳体上装有3个等距离间隔的切削块, 上面布有PDC镶齿, 用来钻进和倒划眼。

三、Andergauge公司扩眼工具

Andergauge公司根据其主导产品Andergauge可变径稳定器 (Adjustable Gauge Stabilizer) 的原理改型设计了Anderreamer扩眼工具, 该工具采用独特的机械和水力结构外推扩眼总成来达到套管下随钻扩眼的作业目的, 扩眼总成使用PDC切削刃, 并能在起钻前主动收回扩眼总成。Anderreamer扩眼工具其特点和优势: (1) 全尺寸领眼钻头, 正排量启动工具:优选适应于地层的最佳钻头;一趟钻钻掉套管鞋并进行随后的扩眼作业;钻进和扩眼可同时进行, 也可从套管下扩大以前所钻的井段。 (2) 坚固耐用的组合刀翼为各种固定式切削元件提供了良好的平台;刀翼设计可以互换, 适应不同地层;刀翼固定牢靠, 工作寿命长;楔形刀翼/驱动轴配合确保扩眼总成能主动收回。 (3) 导向性和同心性:平衡的同心切削作用确保无螺旋井眼;减小了侧向力, 提高导向能力, 稳定的切削作用最大程度延长钻头寿命。 (4) 可换喷嘴优化水力参数:工具驱动后即激活喷嘴, 喷嘴可更换以优化射流, 压降最小, 地面的泵压降低指示工具的工作状态。 (5) 配置多样性:扩眼工具可被配置成没有喷嘴、没有上动切削元件的扩张式稳定器, 连接到旋转钻井组合或导向马达之上, 形成三点刚性支承, 可改善井斜控制。

四、结论及展望

扩孔器的应用具有广泛前景。特别是超常规扩孔器, 由于它的结构独特, 扩孔尺寸范围广:最大的扩孔直径是领眼的5倍, 且扩孔质量好, 工具使用寿命长。目前超常规扩孔器已在“高压水射流超短半径水平井”技术的扩孔钻进中应用, 且效果良好。

要摆脱国外的技术垄断, 形成具有竞争力的国产工具, 国内科研机构需要加强现有工具的适应性和匹配性研究, 发掘各类工具的优势, 优化执行机构、扩眼总成和水力结构、重视底部钻具组合力学特性的分析。同时, 国内还需研究高强度、高硬度、高耐磨的新型材料, 采用高科技设计手段, 尝试用寿命计算代替强度计算方法制造出安全、性能可靠、使用寿命长的扩孔器, 使之赶上国外水平。此外, 还要对扩孔器的结构不断地进行改进设计, 扩大其使用范围, 以适应不断发展着的钻井完井工艺的需求。

摘要：采用合适的扩眼工具进行扩眼是应对盐膏层钻井非常有效的手段, 根据扩眼类型可将扩眼工具分为:钻后扩眼工具和随钻扩眼工具两类, 其中随钻扩眼技术最为常用。论文通过调研国外扩眼工具, 详细介绍和分析了国内外随钻扩眼工具的研究进展, 并就各种随钻扩眼工具的工作原理、特点、产品系列进行了总结和分析, 预测了随钻扩眼工具未来的发展趋势。

关键词：钻井,扩眼工具,随钻扩眼