小井眼隨鉆擴眼技術

王榮軍 王宗亞 蔣嘉琪 王姍 閆志強 張軍生

針對中原油田開窗側鉆井小井眼鉆井井身質量差、鉆速低、環空間隙小、鹽膏層井段縮徑、固井質量差等技術難題，探索采用合適的隨鉆擴眼工具：機械式擴眼工具、雙心式隨鉆擴眼工具、壓差式隨鉆擴眼工具、液壓式擴眼工具、可擴眼鉆頭等，解決小井眼鉆井的逐項問題。該文對各種擴眼工具的結構原理、特性及現場應用情況進行的闡述，對小井眼鉆井具有很好的指導意義。

隨鉆擴眼；井下工具；鉆頭；小井眼；中原油田

中原油田開發區塊已經進入開發后期，許多老井長期生產，井下套管出現問題，為了繼續應用這些井進行生產和挖潛剩余潛能，只有進行開窗側鉆，造成側鉆井比例大幅上升。但由于在5″套管內進行開窗側鉆，小井眼小間隙鉆井，鉆速低，井身質量差，影響固井質量。為了提高固井質量、延長側鉆井壽命，采用隨鉆擴眼技術增大井眼與套管之間的環形間隙，增加水泥環的厚度和韌性。隨鉆擴眼技術是采用隨鉆擴眼工具和常規鉆頭或者采用可擴眼鉆頭，在正常鉆進的同時擴大井眼的一種技術。隨鉆擴眼工具可以分兩次或多次鉆進完成大尺寸井眼段；可擴眼鉆頭可一次隨鉆擴眼到設計井徑。隨鉆擴眼技術的應用可提高井身質量，達到“無螺旋井眼”；增加套管環空間隙，擴大裸眼段環空尺寸，提高固井質量；解決鹽膏層及其他易縮徑地層所帶來的完井風險。近年來各單位自主研發了一系列擴眼工具，現場應用中取得了較好的效果。

1.隨鉆擴眼工具結構及應用

機械式擴眼工具。機械式隨鉆擴眼工具由上接頭、八方組合、主體、刀片和扶正器等部件組成（見圖1）。其原理是在套管內鉆進時，銷釘不剪斷，擴眼刀翼不張開，可用來鉆掉套管內的水泥塞和套管鞋；當需要擴眼時，加壓剪斷銷釘，使錐體下移，迫使刀片伸出，可進行擴眼鉆進。擴眼結束需要收回刀翼時，工具上提，錐體上行，靠錐體上的特殊機構可使刀片收回，順利起鉆。

設計特點：六方驅動和浮動機械剪切銷釘設計，同心性和劇中穩定性良好，工作穩定，井斜控制能力強；不必專門再下一趟鉆鉆水泥塞和套管鞋，一趟鉆即可解決問題；楔形刀翼/驅動軸配合，燕尾槽固定。

已開發的機械式擴眼器有：114mm、152.0mm、215.9mm、311.1mm四種尺寸。鉆具組合為： 114mm單牙輪鉆頭（或PDC）+穩定器+擴眼器+ 88.9mmHWDp，進行隨鉆擴眼鉆進，可將井眼從114mm擴大到140mm。同時因為是隨鉆擴眼，機械鉆速不會因為擴眼而受影響，機械鉆速也得到了提高。特別是對于目的層段擴徑最好，經擴眼后的裸眼段環空間隙大大增加，提高了固井質量。

雙心式隨鉆擴眼工具。雙心式隨鉆擴眼工具是在雙心PDC鉆頭的基礎上設計的，其結構見圖2。

其結構特點：為平衡擴眼刀翼的側向力，設計了光滑保徑的領眼穩定墊片；整體結構無活動部件，壽命長，井下風險小，適合長井段和定向井段擴眼；采用高低不同的擴眼刀翼設計可達到漸進式擴眼的目的；適應性強，可適用于各種領眼鉆頭。

壓差式隨鉆擴眼工具。壓差式隨鉆擴眼工具總體結構見圖3。其結構主要有本體、刀體翼、彈簧、擋塊、缸套等組成。刀翼為雙排交錯部齒、拋物線型設計，刀翼的活塞與缸套之間的動密封采用“Y”形密封圈密封，與缸套本體之間的靜密封采用“O”形密封圈密封。

其工作原理是通過鉆頭水眼調節工作壓降，在一定工作壓降下，當作用在刀翼活塞面上的壓力大于彈簧的彈力時，刀翼被外推，開始擴眼作業。當作用在活塞上的推力小于彈簧的彈力時，在彈簧力的作用下，刀翼逐漸回收并復位。

設計特點：結構緊湊，便于連接；現場維修、檢測方便；由于利用鉆頭水眼所產生的壓降，本身不消耗壓降，使用范圍廣；具有很好的倒劃眼功能，有利于安全起下鉆。

液壓式擴眼工具。液壓式擴眼工具主要由保護接頭、殼體、泵壓顯示裝置、活塞總成、彈簧、刀翼、下扶正器等組成。該工具采用水力活塞式結構，利用噴嘴產生的壓降推動活塞外張擴眼刀翼；獨特的擴眼刀翼結構設計，有利于初始造臺階作業；采用PDC復合片作為切削刃，各擴眼刀翼增設了保徑齒，保證擴眼刀翼外張時不受嚴重磨損；設計了鉆井液流道和殼體保徑，內部鉆井液沖管使得鉆井液全部從鉆頭處循環，不至于中間泄露，可增設旁通水眼清洗擴眼刀翼；利用泵壓顯示裝置，可調節初始造臺階的外張力，并有利于地面操作人員判斷和操作；可靈活選擇領眼鉆頭，是套管側鉆井小井眼擴眼作業比較合理的設計。

工作原理：將液壓式擴眼器下到預定擴眼深度，啟動轉盤，緩慢開泵，此時鉆井液流經活塞上的噴嘴產生壓力降，形成的壓力推動活塞下行，活塞上的圓螺母支撐刀翼外張切削井壁。當刀翼達到最大外張位置，泵壓將明顯下降，即可進行擴眼鉆進作業；擴眼完畢后，停泵，壓力降消失，活塞在彈簧的反力作用下復位，刀翼借助自身重量和外力收回刀槽內。液壓式PDC擴眼工具技術參數和規范見表1。

液壓式擴眼工具曾在中原油田胡12-側5井成功應用。擴眼井段1940～2420m，進尺480m。擴眼前個別井段井徑從118mm縮小到100mm，縮徑率達15.3%。井徑小于118mm的井段累計165m，占總裸眼井段的31.7%。擴眼后，井徑大于140mm的井段為310m，占總擴眼段的64.5%，井徑大于130mm的井段累計400m，占總擴眼段的83.3%，平均井徑大于136mm。中原油田部分開窗側鉆井擴眼前后井徑對比情況見表2。

由表2可看出，擴眼后井徑發生了明顯增大，擴大率均在15%以上，達到了預期的目的。

伸縮式擴眼器利用具有伸縮性的刀翼實現擴徑，擴徑量不受上部井段套管內徑的限制，可實現較大位移的擴徑，靠彈簧和液壓方式實現刀翼的伸縮，屬于軟支撐。該工具易受到井壁巖石軟硬交錯程度的影響，易形成糖葫蘆井眼。

2.新型可擴眼鉆頭

目前國內外研制的可擴眼鉆頭為雙中心擴眼鉆頭，其著眼點為采用硬支撐設計方案，將 118mm鉆頭鉆進井眼機械式擴眼至 130～ 150mm。

可擴眼鉆頭結構見圖4，主要由下接頭、活塞、主殼體缸體、返向活塞、返向缸體、變流套、返向缸體接頭、鋼球、上接頭等部分組成。借助于高壓鉆井液作用在活塞上、下端面上的壓力差產生一定的靜壓力，剪斷銷釘后，利用活塞軸上的斜面和斜面銷推動PDC刀片到設計確定的張開尺寸，并將力傳遞給PDC刀片，連續不斷的作用使PDC鉆頭向下切削巖石形成機械進尺。同時利用連接接頭上的定位銷，使PDC刀片的位置保持不變，鉆出的井眼尺寸穩定。當需要收回PDC刀片時，上提鉆柱，活塞軸上移，PDC刀片在斜面銷的作用下恢復到原始尺寸。

擴眼鉆頭可隨鉆擴眼，擴眼速度、壽命與單牙輪鉆頭相匹配；刀翼伸縮靈活，強度可靠；擴孔后，井徑規則。

擴眼鉆頭入井鉆具組合最好避開定向井段。嚴禁下鉆過程中循環鉆井液排量超過3L/s和猛提猛放鉆柱，以防液柱壓力波動使銷釘提前剪斷。擴眼鉆頭總成送達預定擴眼深度后，緩慢轉動轉盤，開泵循環鉆井液，當排量達到3～5L/s時，鉆井液截留壓差的作用迫使活塞壓縮彈簧，小活塞外滑脫離返向中心軸，實現解除安全定位。當泵壓達到5～8MPa，即可進行正常擴眼鉆進。該擴眼鉆頭在中原油田個別井上應用取得了很好的成效。

3.隨鉆擴眼鉆具組合

隨鉆擴眼鉆具組合的選擇是根據所鉆井情況、地層和井身結構進行優化。

常規隨鉆擴眼組合。一般采用多穩定器組合設計：鉆頭+穩定器+隨鉆擴眼工具+鉆鋌+穩定器（可膨脹）+鉆鋌+鉆桿；鉆頭+鉆鋌+穩定器+隨鉆擴眼工具+鉆鋌+穩定器（可膨脹）+鉆鋌+鉆桿。這2套鉆具組合是比較廣泛的鉆具組合。

旋轉近鉆頭擴眼模式。旋轉近鉆頭擴眼模式鉆具組合有：鉆頭+隨鉆擴眼工具+鉆鋌+穩定器（可膨脹）+鉆鋌+鉆桿；鉆頭+短穩定器+隨鉆擴眼工具+鉆鋌+穩定器（可膨脹）+鉆鋌+鉆桿；鉆頭+隨鉆擴眼工具+鉆鋌+鉆桿。

此鉆具組合性能較好，不影響巖屑錄井，對地層不敏感，可適用于直井、定向井穩斜段，但現場要根據橫向振動情況合理調節穩定器，控制鉆壓過大對切削齒的橫向沖擊和破壞。

導向擴眼鉆具組合。常用的小井眼鉆具組合有：穩斜鉆具組合：鉆頭+隨鉆擴眼工具或旋轉導向工具+可膨脹式扶正器（比擴眼尺寸小3～9mm）+鉆鋌（加重鉆桿）+鉆桿。降斜鉆具組合：鉆頭+隨鉆擴眼工具或旋轉導向工具+可膨脹式扶正器（比擴眼尺寸小1.6mm）+鉆鋌（加重鉆桿）+鉆桿。增斜鉆具組合：鉆頭+隨鉆擴眼工具或旋轉導向工具+（可膨脹式扶正器（比擴眼尺寸小12.7～19mm））+鉆鋌（加重鉆桿）+鉆桿。

如果使用動力鉆具，隨鉆擴眼工具直接接到鉆頭上部，可膨脹扶正器直接連接動力鉆具上部，或者去掉扶正器。

對現有工具的適應性和配套技術還要進行繼續研究，根據現場應用中存在的問題對工具進行改進和完善，形成系列化，提高小井眼側鉆技術水平，提高機械鉆速和井身質量，提高小井眼固井質量。

4.結論

現場應用情況表明隨鉆擴眼工具能滿足小井眼隨鉆擴眼的需要，根據地層情況優選擴眼鉆具組合有助于提高擴眼效率，控制井斜，最大限度地提高擴眼工具的工作穩定性。

小井眼隨鉆擴眼技術是老區開窗側鉆的必配套技術，有利于提高鉆速和井身質量，提高小井眼小間隙套管固井質量。

小井眼擴眼鉆具經過逐步開發和完善，形成系列化生產，對老井后期開發潛能的挖潛是有力的技術支撐。