单球投入式扩眼器及其扩眼技术在渤海油田的应用

朱国宁，和鹏飞，葛文臣，侯冠中，王 宁

(1．中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津300452;2．中海石油〈中国〉天津分公司，天津300452)

渤海油田钻井作业中95%以上的常规定向井、大斜度井利用马达钻具实现，大多数水平井与大位移井利用上部地层马达钻具、下部地层旋转导向钻具的方式完成。2013年渤海油田共完成钻井近300口，其中37%为常规定向井、7%为大斜度井、45%为水平井、11%为直井。由于旋转导向工具的工作特性，形成的井眼较为规整，尤其在深部可钻性较差的地层钻进扩眼率较小，在深井、大位移井等需要下入尾管结构的井中，规整的井眼对于尾管下入并非有利，为保证尾管、筛管的顺利下入，渤海油田引入了扩眼技术用以解决此类问题。

目前以史密斯公司生产的犀牛系列扩眼工具占据主要市场，具有较多的应用案例，使用面积较为广泛。国内在中原油田、塔河油田等深井、复杂地层井作业中分别应用了胜利油田和塔河钻井院研制的水力扩眼装置。

1 单球投入式扩眼器的结构原理

1．1 结构组成

单球投入式扩眼器(以下简称扩眼器)主要分为本体总成、传动总成和扩眼总成3部分，如图1所示。其中，本体总成主要是容纳传动总成及扩眼总成，同时实现与其他钻具的组合;传动总成是控制扩眼器工作的传动开关;扩眼总成是扩眼作业的主体部分。

1．2 工作原理简述

此类型扩眼器采用三刀翼组合、同心分布，利用钻具内液力压差控制刀翼的伸出和收回。正常非扩眼段或者工序作业时，扩眼器未投球激活，刀翼处于收缩状态，对钻井作业不产生其他影响。使用过程中在地面井口钻具内投入激活球，利用泥浆泵小泵冲泵送球到位，然后憋压、剪切活塞销钉，打开旁通水眼流道，激活扩眼器切削块。保持液力压差5.5 MPa时，扩眼器刀翼完全伸出，进入扩眼状态。

图1 单球投入式扩眼器结构示意图

2 扩眼器的应用分析

2．1 应用范围

扩眼器的使用目的就是实现井径的扩大，主要应用于渤海油田以下几个方面的作业。

(1)受限扩孔:由于上部井眼及窗口尺寸的限制［1－2］，大尺寸钻具无法下入井内，只能采用扩眼器对下部井眼进行扩眼作业，实现井眼达到所需井径，也可提高固井质量［3］。

(2)非常规套管程序:为满足非常规套管程序的需求，出现下部井眼的裸眼直径大于上级套管内径的现象，因此需使用扩眼器对下部井段进行扩眼作业［4］。

(4)清除键槽:在钻进过程中，对易于形成键槽的井段，扩眼器不断地切削、修整井壁，破坏键槽，减少出现键槽卡钻的风险［7－8］。

扩眼器的工作模式主要分为:随钻扩眼、倒划扩眼、钻后单独扩孔。

2．2 现场应用

2．2．1 随钻扩眼

以I38H井为例。该井为一口水平井，设计井深3643 m，垂深1155 m，水平段长844 m，水垂比达到2.47。该井四开水平段设计为152.4 mm井眼，下入114.3 mm筛管简易防砂，为保证筛管的顺利下入，通过论证分析，决定将152.4 mm井眼扩至177.8 mm井眼。

扩眼器加放在旋转导向工具上部(单流阀以上，震击器以下，保证激活球可通过上部钻具内径)，在钻开水泥塞扩眼器到达套管鞋5 m，投球激活扩眼器。I38H井选用犀牛系列扩眼器5625型号(最大扩眼177.8 mm)进行扩眼作业，工作排量为900 L/min。扩眼齿距钻头30 m。

随钻扩眼钻进参数:钻压30～50 kN，排量1200～1300 L/min(80%分配到扩眼器)，转速90～110 r/min。

2．2．2 倒划扩眼

作为本系列的第二册教材，本册收录了阿伦斯基《六首儿童小曲》中的三首、贝多芬 《D大调奏鸣曲》选段、沃克曼《俄罗斯人来了》、加德《C大调进行曲》、傅契斯《降E大调圆舞曲》、安德烈《D大调小奏鸣曲》、莫舍莱斯《圆舞曲和三声中部》、库劳《快板》、舒曼《花园之歌》、赖内克 《中庸的快板》、比才《舞会》、莫什科夫斯基《西班牙舞曲》，以及弗雷《洋娃娃组曲》等15首四手联弹作品。值得注意的是，编者强调了这些作品都是原创的四手联弹，让我们感受到过去时代不同作曲家对这类重奏的理解和运用。本册的作曲家的选择均很有代表性，并且跨越多种风格。

以某37井为例。该井同样为水平井，设计井深3723 m，垂深 1154 m，水垂比达到 2.43，三开215.9 mm井眼稳斜着陆。其215.9 mm井眼裸眼段长达950 m，且稳斜角80°左右，着陆段方位从192°增至221°，下入177.8 mm尾管的难度极大。为保障下尾管作业顺利，决定采用扩眼技术将本井的三开215.9 mm井眼扩至241.3 mm井眼。在旋转导向工具组合上下入扩眼工具，三开中完短起下钻后，再投球激活扩眼器，进行倒划眼扩眼作业。37井选用犀牛系列扩眼器8000型号(最大扩眼241.3 mm)，工作排量1600～2000 L/min。

倒划扩眼参数:钻压10～30 kN，排量1600～000 L/min，转速60～120 r/min。扩眼速度在0.02 m/s左右。

2．2．3 单独扩眼

以B5H井为例。该井设计为水平井，设计井深3600 m，井底垂深2533.84 m。二开311.15 mm井眼着陆，着陆点2928 m，井斜88.48°。三开水平段215.9 mm井眼至3600 m，设计下177.8 mm尾管至3591 m。三开裸眼长度达672 m，尾管下入长度663 m。

扩眼参数:钻压20～50 kN，排量2000～2200 L/min，转速 90 r/min。

3 结论及建议

(1)工具的选择:扩眼器的扩眼尺寸可达本体尺寸的125%，合理选用扩眼器尺寸对扩眼作业难度及稳定性都具有较大影响。

(2)随钻扩眼:对于作业井段较长、地层较软的扩眼作业，随钻扩眼可以更节省时间。但是随钻作业时扩眼器一般要与MWD、旋转导向工具系统等配合使用由此导致扩眼器以下的钻具长度较长。

(3)倒划扩眼:如果在随钻扩眼时扭矩较大，或者设计阶段利用软件模拟测算随钻扩眼扭矩较大，无法保证钻具安全，则采用倒划扩眼模式，将钻进和扩眼分开进行，避免扭矩复合。

(4)单独扩眼:钻后单独扩眼时，可以通过简化钻具达到缩短导眼、增加扩眼段长度的目的。单独扩眼钻具组合简单，工作程序简单，参数易于控制。但钻后单独扩眼时，在使用旧牙轮钻头为引导工具时，需控制扩眼速度降低侧钻风险，同时单独扩眼也会产生更大的震动，对钻具和扩眼器都具有风险，尤其是对扩眼器的刀翼寿命影响较大。

(5)对于后续作业困难、易出现异常情况的井，如易缩径的井、长裸眼段井等，在设计时应考虑进行扩眼作业，避免后期作业时复杂情况的出现。扩眼作业虽然会影响机械钻速，但相对于异常情况出现甚至事故的发生，扩眼器的使用是必要的。

［1］ 闫永宏，王进全，黄悦华，等．扩张式随钻扩眼工具技术现状与发展建议［J］．石油机械，2011，(10):162－165．

［2］ 杨保健，付建民，马英文，等．508 mm隔水导管开窗侧钻技术［J］．石油钻采工艺，2014，36(4):50 －53．

［3］ 李明朝，蔡文军，王卫，等．胜利扩孔技术在小井眼扩孔中的应用［J］．西部探矿工程，2014，26(5):49 －51．

［4］ 和鹏飞，孔志刚．Power Drive Xceed指向式旋转导向系统在渤海某油田的应用［J］．探矿工程(岩土钻掘工程)，2013，40(11):45－48．

［5］ 祝效华，朱虎军，司念亭，等．扩眼器在定向造斜段的应用可行性研究［J］．海洋石油，2008，28(4):96 －98．

［6］ 于小龙，刘贵远，左凯，等．新型随钻液压扩眼器的研制［J］．石油机械，2010，38(7):14 －16．

［7］ 吴吉元，韩秀玲，杨华，等．双扩眼器井底小井眼消除技术［J］．石油机械，2015(4):73 －76，104．