64胜利钻井院随钻扩眼工具及技术

————————
*国家十五攻关课题"复杂油藏配套钻井技术及关键装备研究"子专题"钻井扩眼技术研究与应用"部分成果.
课题编号:2003BA613A-11

1

随钻扩眼工具及技术*
马清明
（胜利石油管理局钻井工艺研究院，山东东营257017）

摘要：基于随钻扩眼技术优势的分析，研究了机械式、液压式和偏心

式随钻扩眼工具执行结构和扩眼总成的结构原理，并介绍了国内所开
展的相关研究。指出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
合力学特性的分析是今后发展和完善随钻扩眼工具及技术需要解决
的几个关键问题。
关键词：随钻扩眼；随钻扩眼工具；结构原理；设计优化；现场试验
第一作者简介：马清明(1966～)，男，高级工程师，胜利石油管理局钻井工艺研
究院副总工程师，石油工具研究所所长，1990年获石油大学（华东）说是学位，
现为石油大学(华东)博士研究生，主要从事石油工具的研究和开发工作。联系方
式：zjymqm@163.com，0546-8778223。
1前言
随着对油气成藏机制认识的深化和油气田开发的深入，钻井遇到
的问题越来越复杂，这些复杂问题的解决也越来越依赖于工具的发展
和手段的完善，随钻扩眼技术正是基于这种背景提出和发展的。所谓
随钻扩眼技术就是采用随钻扩眼工具和常规钻头程序，在全面钻进的
同时扩大井眼一种钻井技术。实践表明，随钻扩眼技术在处理井下复
杂情况、降低钻井综合成本、提高建井质量和安全性等方面具有显著
的优势，随钻扩眼工具也正逐渐成为一种重要的石油钻井配套工具。
国内随钻扩眼工具及技术的研究刚刚起步，重视该项技术，就随钻扩
眼工具这个关键环节开展针对性研究，对于提升我国钻井工程的实力
2

具有重要的实际意义。
2技术优势
分析扩眼技术实际应用的情况，其所表现的优势主要有以下几个
方面
一、降低钻井综合成本[1]
在深井钻井作业中，为维持表层套管和防喷器足够的额定压力，
又能使生产套管直径有多种改变，要求采用小间隙套管程序，研究表
明，对于井深为4878m 的井, 采用小间隙套管程序比用普通套管程
序节约钻井成本27 %。实现小间隙套管程序所必备的井下工具包括
随钻扩眼工具和可膨胀稳定器。
二、提高油井建井质量[2、3]
采用井下扩眼技术，增大套管环空间隙，可显著提高固井质量，
延长油井寿命，同时井眼尺寸的增大也可为砾石填充完井等后续作业
创造了条件，有利于提高油气开发效率。
三、解决井下复杂情况，保障安全钻进[4]
采用井下随钻扩眼技术，扩大盐膏层井段的井眼，以抵消盐膏层
蠕变所造成的位移，可减少或避免卡钻、缩径等复杂情况，增大水泥
环厚度，提高套管—水泥环体系抵抗地层蠕变的能力。
四、是相关工艺技术实施的保障和基础[5]
许多工艺技术对井眼尺寸有要求，如膨胀管技术、套管钻井技术、
开窗侧钻以及复杂井段中管柱的下入等，增大井眼尺寸有助于这些工
艺技术的顺利实施。
3

3随钻扩眼工具的结构原理
随钻扩眼工具随钻和扩眼的基本功能决定了其结构原理，随钻功
能的实现要求工具不能影响钻井的基本过程，能与常规钻井工具匹
配，能在地面启动或停止井下工具的工作，扩眼功能的实现则要求工
具能够扩出所要求的井眼尺寸，而且扩眼钻井的速度应与常规钻井速
度相当。为实现随钻扩眼工具的这些基本功能，国内外发展了多种结
构形式的扩眼工具。
分析这些随钻扩眼工具，按照所实现的功能基本，其结构基本可
分为执行机构、扩眼总成和本体结构三个部分，其中本体结构主要是
容纳执行机构和扩眼总成、并与钻柱、钻头等钻具相联，执行机构是
启动或停止工具扩眼作业的机构，扩眼总成则是具体执行破岩扩眼作
业。随钻扩眼工具的差别主要是执行机构和扩眼总成的不同。按照执
行机构的不同，随钻扩眼工具可分为以重力驱动的机械式、以流体压
力驱动的液压式和以离心力驱动的偏心式三类，扩眼总成按照破岩工
具工作方式的不同有PDC和牙轮总成两类。下面按照执行机构进行
分析讨论
3.1 机械式随钻扩眼工具
机械式随钻扩眼工具以TRI-MAX Industries公司的EWDTM随钻
扩眼工具[1]和Andergauge公司的AnderreamerTM扩眼工具为代表。这
两种工具的结构原理相似，均是采用重力外推扩眼总成进行随钻扩眼
作业，扩眼总成采用PDC切削刃，并能在起钻前主动收回。Andergauge
公司后来还在AnderreamerTM的基础上，研制了液压式的随钻扩眼工
4

具。EWDTM共发展了两代。
第一代EWDTM随钻扩眼工具上部的花键驱动轴及与其配套的驱
动副由震击器的浮动升降补偿器改进而成。驱动副上设有与驱动轴相
连的剪切销。作业时，领眼钻头钻掉阻流环、水泥塞和套管鞋后，给
随钻扩眼工具加压以剪断销钉，驱动轴和与之相联的双直径心轴向下
滑动，双直径心轴大直径段沿扩眼总成内表面运动，将扩眼总成切削
块向外推出并锁定在工作位置。采用反向喷嘴冷却和清洗扩眼总成。
实际应用发现了第一代EWDTM随钻扩眼工具的一些缺陷，其一，
钻头压降作用在心轴下部的圆柱形截面内，为防止心轴被推回到起始
位置，必需施加钻压稳定，其二，在钻套管内的分级箍倒泄阀、水泥
塞、浮箍和套管鞋时，扩眼总成收缩于本体结构内，金属碎屑易进入
本体结构，心轴向下运动时，会将金属碎屑封闭于心轴和本体结构的
密封区域内，导致心轴密封失效。
第二代EWDTM针对第一代产品所反映出的不足，将驱动心轴分成
两部分，当扩眼总成收缩时，金属碎屑不会进入心轴和本体结构之间
的封闭腔；采用金属密封；增加了工作压力显示装置，用以地面监测
工具的工作状态。使用证明，上述改进显著提高了工具的整体寿命[1]。
机械式随钻扩眼工具的优点是工作稳定，不受井深和泥浆性能的
影响，不足是扩眼总成径向行程有限，造成工具的体积较大、井眼直
径扩大有限，在小尺寸井眼中，由于工具空间尺寸的限制，如果要求
较大的扩眼尺寸，就容易削弱本体结构的强度，造成安全隐患。
5

3.3 液压式随钻扩眼工具
出现较早，应用也较成功的液压式随钻扩眼工具是Bakersfeild
Bit&Tool公司的Gaugemaster Driller UnderreamerTM扩眼工具。
Gaugemaster Driller UnderreamerTM采用牙轮扩眼总成，首次实现了地
面遥控启动，不需额外的起下钻来调整钻井工具，设计思路较以前的
常规扩眼工具有了较大发展。采用牙轮扩眼总成的优点是可以施加较
大的钻压，地层适应性好，但是由于牙轮寿命有限，自身体积较大，
附属结构复杂，易削弱工具的结构强度，降低工具可靠性[6]，随着PDC
切削元件的出现和成熟，这类扩眼工具逐渐减少，但其结构原理和设
计思路，还是为后续工具的发展奠定了很好的基础。
Halliburton Security DBS公司的NBRTM近钻头扩眼工具[7]外形和
长度与三翼变径稳定器相似。采用PDC扩眼总成，扩眼总成内部预
置有弹簧，当钻柱内与环空之间的压差产生的驱动力小于弹簧弹力
时，扩眼总成缩回。设有剪切销钉保证在钻进套管鞋时，扩眼总成处
于缩回状态。NBRTM对领眼钻头的适应性很好，可直接安装于钻头上
方或下部钻具组合的其它部位，可用于滑动导向和旋转导向钻进的扩
眼作业。
液压式随钻扩眼工具的优点是结构简单，可以扩出较大尺寸的井
眼，不足是液压式随钻扩眼工具是靠流体的压力推动执行机构，使扩
眼总成完成破岩扩眼的作业，如果不能形成足够的流体压力，则难以
驱动执行机构或保持扩眼总成工作的稳定，这点限制了液压式随钻扩
眼工具在深井、高泥浆粘度等情况下的应用，另外液压式随钻扩眼工
6

具对密封结构和水力利元件的结构、材质等要求较高，处理不当也容
易造成工具失效。
3.4 偏心式随钻扩眼工具
BakerHughes Christens公司的DOSRWDTM随钻扩眼系统[8]是在
双心钻头的基础上发展起来的，DOSRWDTM的扩眼总成与本体结构
为一体，位于本体结构的一侧，在本体结构上与扩眼总成相对的另一
侧设有硬质合金垫块和保径，由于扩眼总成呈不对称分布，钻柱旋转
所形成的离心力，迫使扩眼总成沿径向外移进行破岩扩眼作业。
DOSRWDTM随钻扩眼系统的优点是不必单独钻领眼、可以使用柔性
钻具组合、可以灵活地选用牙轮钻头或PDC钻头作为领眼钻头，由
于具有硬质合金垫块和保径，可有效提高扩眼工具工作的稳定性。但
是通过跟踪现场使用情况发现，偏心式随钻扩眼工具对BHA的性能
影响较大，井斜和方位的变化难以预测，扭矩脉冲过高，所形成的井
径不规则，不能钻套管内的水泥塞[9]。
4国内研究进展
国内随钻扩眼工具及技术的研究刚刚起步，大港、辽河、胜利等
油田，在跟踪考察国外技术的基础上，陆续研制了不同规格的随钻扩
眼工具，其中胜利油田所研制的机械式随钻扩眼工具比较有代表性。
4.1工具结构

1-上接头；2-八方杆；3-锁销；4-定位套；5-八方套；6-壳体；7-锥体；8-刀片；
9-扶正套；10-密封圈；11-下接头
图1 机械式PDC随钻扩眼工具
7

图1是胜利油田所研制的机械式PDC随钻扩眼工具的示意图，
其原理是未剪断销钉时，扩眼总成不外张，可钻进套管内的水泥塞和
套管鞋，当需要扩眼总成伸出时，加压剪断销钉使锥体下行，迫使扩
眼总成伸出，需要扩眼总成收回时，工具上提，锥体上行，靠锥体上
的燕尾槽使扩眼总成收回。该种工具主要的技术特点有：（1）六方驱
动，浮动机械剪断销钉设计；（2）不必单独钻水泥塞和套管鞋；（3）
同心性和居中性良好，工作平稳，井斜控制性能好；（4）楔形的扩眼
总成/驱动轴配合，燕尾槽固定。
4.2 现场试验
垦628井是胜利油田勘探公司根据中石化十条龙项目布置的一
口深层稠油开发试验井，地理位置位于山东省东营市河口区垦西地
区。为满足深层稠油开发工艺的需要，即扩大井眼尺寸、提高固井质
量，胜利石油管理局钻井工艺研究院承担的中石化集团公司课题“随
钻扩眼技术”在本井三开ф215.9mm井眼，于2003年6月进行了现
场试验。在井深1510～2225m井段，扩眼进尺715m，工具入井时间
90h，纯钻73.12h，平均机械钻速9.177m/h。钻穿地层依次为馆陶组、
东营组、沙一段、沙三段。因钻遇油气层需要钻井取心而起钻。工具
起出新度大于70%。完井电测效果较好，固井质量优。试验结果表明
JK系列机械式PDC随钻扩眼器原理正确、结构可靠，随钻扩眼的机
械钻速与相同领眼钻头的机械钻速相当。
5今后发展需要解决的几个问题
虽然随钻扩眼技术的提出与发展已有一段时间，国内外也出现了