新型數字擴眼器提高鉆井效率

■ 徐 昉 申守慶

在深水和其他海上區域，鉆難以鉆進的井（主要指井眼穩定性差的井）時，擴張式擴眼器能提高鉆井的效率和經濟性、安全性，并降低相關作業風險。

通常在地層斷裂和頁巖坍塌間的一個較窄的壓力范圍內，用小井眼井身結構鉆井可以使鉆井作業更快、更高效，實現更好的井控和減少材料消耗。所以，鉆井時通常會盡可能應用最小的井眼以及與套管串間最小的間隙，以便于以較大直徑的井眼進入儲層，提高生產流量或是進入到較深層的油、氣藏區域內。

為了鉆出平滑的井眼，小井眼井身結構需要配備旋轉導向裝置，同時還用要到擴張式擴眼器，以便在管下擴眼時控制當量循環密度、保持井眼穩定，實現可靠的注水泥（固井）作業。

世界上第一代同心擴張式擴眼器的觸發方式為鋼球觸發，但存在擴眼器擴張開后不停止循環就無法收回的問題。第二代同心擴張式擴眼器在結構上作了改進，擴眼完成后不需要停止井下泥漿循環就可以使其收回，井眼清理效果更好。

與最早的機械臂式擴眼器相比，同心擴張式擴眼器的優點有：能擴出更大的井眼尺寸以便容納更大的底部鉆具組合部件；選擇領眼鉆頭的靈活性更好；允許使用更大的鉆井液流量；能對前期鉆出的井眼進行擴眼，或在鉆井后進行倒劃眼作業。

管下擴眼技術的發展拓展了同心擴張式擴眼器的應用范圍，目前在開發井中的應用越來越多。其中最常見的用途是在套管鞋間進行管下擴眼，以加大間隙、更易于起下鉆和下套管作業。

然而，傳統的擴張式管下擴眼器卻存在著一些缺陷：一是其觸發狀態無法確定；二是如果將擴眼器置于鉆頭上方100～300英尺，就必須專門進行一次起下鉆作業，否則就會有一段相同長度的井眼（通常被稱作鼠洞）無法被擴大。而這種專門作業一般需要耗時1～2天，每天的費用大約為1～2百萬美元。

為了解決管下擴眼器的這些問題，美國貝克休斯公司與挪威國家石油公司于2007年聯合開發出一種單一尺寸的、按指令執行動作的數字擴眼器原型（當時只限于在挪威和英國海域使用）。這種遠程控制式水力—電動擴眼器刀翼的擴張是通過水力觸發實現的，可以在地面控制。

自2012年始，貝克休斯公司開始開發多種尺寸的、按指令執行動作的GaugePro Echo數字擴眼器，也是為全球市場開發的一種改進型下行線觸發式擴眼器。該產品的優點是更加可靠、靈活，可實時操作，勿需對鼠洞擴眼作業。產品已在美國墨西哥灣、挪威和馬來西亞進行了商業化測試，于2015年年初實現了商業化應用。

新型GaugePro Echo數字擴眼器

由于不再受機械觸發的限制，GaugePro Echo擴眼器可以根據需要隨時觸發擴張或收回，而且能夠提供刀翼狀態和位置的實時確認。這一點是鉆井作業商長期以來所尋求的目標。另外，它還可以向地面發回有關油壓、油溫和井下振動方面的實時信息，以便作業人員對井下狀況進行診斷和優化。

它可以被置于底部鉆具組合（BHA）中的任何部位，可以更快、更安全的方式進行下套管作業，置于鉆頭附近時可以改善井眼狀況、消除對鼠洞二次擴眼作業的要求。

GaugePro Echo擴眼器根據3個主要指令進行工作：擴張、收回和擴眼（倒劃眼）。擴眼器刀翼的擴張或收回由一個水力驅動的活塞控制，如果要使擴眼器擴張，來自隨鉆測量（MWD）裝置的電流就會驅動一個電機，使一個泵開始工作從而驅動一個活塞，而該活塞與一個軛相連，軛會帶動擴眼器上的切削塊沿結構斜坡上行，一旦刀翼運動抵達止動塊，活塞上的壓力就會相應減小并被保持在一個足以使切削塊穩定定位的狀態。活塞的動作與泥漿流量無關。

在收回模式中，壓力被施加到活塞的另一端，軛被拉回到其非工作位置。而在倒劃眼模式下，則會向切削塊施加最大壓力以便使其在倒劃眼過程中一直保持在工作位置。

GaugePro Echo擴眼器是目前世界上唯一能夠以數字模式來確認其擴張和收回狀態的擴眼器，而且其工作與鉆井參數（如鉆井液壓力、流量、轉速或鉆壓等）不相關聯。這種按指令執行動作的新型數字型擴眼器目前有S12和S14兩種型號，分別可以將英寸、英寸的井眼擴大到英寸和英寸。

值得注意的是，為使GaugePro Echo擴眼器在使用過程中達到其最佳性能，擴眼器和鉆頭在切削齒尺寸和攻擊性（切削深度）方面一定要匹配良好，以便在鉆均質地層時使負荷達到更精準的平衡。比如，如果鉆頭的鉆進速度比擴眼器快，當擴眼器開始鉆新的地層時就會有一些內部地層應力被釋放出來，而鉆頭上沒有鉆壓、鉆柱的重量都被轉移到擴眼器，就會造成擴眼器切削齒的損壞。還有，如果鉆頭上沒有鉆壓，側向振動以及回旋振動會損壞BHA的下部，很快使井眼的穩定性變差。

下面以兩次應用實例來說明這種新型數字擴眼器的優勢所在。

實例1：在挪威北海區域的南部奧斯堡油田。一個作業商應用新型GaugePro Echo擴眼器鉆了一段2498米的超長井段，實際鉆井時間比計劃時間縮短了2.7天。在鉆該井段時，難題有計算出來的121/4英寸井段的當量循環密度（ECD）很高、地層過硬而使機械鉆速較低、該井段快結束時地層不穩定等。

該擴眼器被直接置于BHA的頂部，將擴眼器到鉆頭的距離減小了約50米。鉆完浮動設備和水泥以后，由下行線在2543米的測量深度處將擴眼器觸發擴張，擴眼器將英寸井眼擴大到英寸，擴眼長度為2448米。在整個管下擴眼作業期間，對包括擴眼器擴張直徑實時確認在內的擴眼器性能一直通過泥漿脈沖遙感信號進行了連續監控。

鉆該井段時，機械鉆速（ROP）一直控制在20米/小時，直至鉆到測量深度為3000米時，遇到Shetland地層（這種地層中夾帶有較硬的石灰巖）。在鉆這種夾層地層時，機械鉆速減慢到10米/小時，偶爾還會低至2米/小時，對鉆壓進行相應調整，以便控制扭矩的增加和極度不穩定性。

鉆完了夾層地層以后，鉆壓被再度優化，機械鉆速恢復到20米/小時，鉆水平段和到55°的降斜段時沒有出現鉆井問題。鉆完整個這一超長井段后，該擴眼器被用來從井眼總深（TD）開始倒劃眼至4850米井深處。在整個作業期間對振動和黏-滑現象進行了觀察，擴眼器起出井眼后幾乎沒有發現磨損的跡象。

實例2：在美國墨西哥灣的深水海域。將GaugePro Echo數字擴眼器置于近鉆頭處，實現了通過幾種類型的硬和研磨性地層進行擴眼作業，并消除了對鼠洞段的專門擴眼作業，節省了36個小時的鉆機時間（鉆機工作日費用為140萬美元）。

該井從6489米深處開始鉆水泥塞，一直鉆到6728米處，而后繼續鉆進一直達到總深（7852米）。然后底部鉆具組合被向上提起到7798米處，在該井深處花了不到5分鐘的時間使擴眼器進行入工作狀態。當在地面通過來自擴眼器的數字通信信號確認了刀翼狀態后，擴眼器隨即開始對鼠洞段進行擴眼，將其從英寸擴大到英寸。

通過參考伽馬射線測井數據，現場鉆井工程師確定了石灰巖夾層和頁巖井段，并相應推薦了合適的轉速和鉆壓值以便能夠使擴眼器發揮其最佳性能。實際作業時機械鉆速為15.2～21.3米/小時。該擴眼器在7845米井深處完成了鼠洞段的擴眼，將鼠洞段的長度從53.7米縮至6.4米。擴眼器從井眼中起出后仍然狀況良好；后續的下套管和注水泥作業也很成功，地層整體性測試結果比預期的更好。

隨著相關石油機械和通信技術的不斷發展，相信這種新型數字擴眼器的技術將日臻成熟，應用范圍會越來越廣。