■ 徐 昉 申守慶

在深水和其他海上區(qū)域，鉆難以鉆進(jìn)的井（主要指井眼穩(wěn)定性差的井）時(shí)，擴(kuò)張式擴(kuò)眼器能提高鉆井的效率和經(jīng)濟(jì)性、安全性，并降低相關(guān)作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

通常在地層斷裂和頁(yè)巖坍塌間的一個(gè)較窄的壓力范圍內(nèi)，用小井眼井身結(jié)構(gòu)鉆井可以使鉆井作業(yè)更快、更高效，實(shí)現(xiàn)更好的井控和減少材料消耗。所以，鉆井時(shí)通常會(huì)盡可能應(yīng)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(jìn)入儲(chǔ)層，提高生產(chǎn)流量或是進(jìn)入到較深層的油、氣藏區(qū)域內(nèi)。

為了鉆出平滑的井眼，小井眼井身結(jié)構(gòu)需要配備旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向裝置，同時(shí)還用要到擴(kuò)張式擴(kuò)眼器，以便在管下擴(kuò)眼時(shí)控制當(dāng)量循環(huán)密度、保持井眼穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)可靠的注水泥（固井）作業(yè)。

世界上第一代同心擴(kuò)張式擴(kuò)眼器的觸發(fā)方式為鋼球觸發(fā)，但存在擴(kuò)眼器擴(kuò)張開(kāi)后不停止循環(huán)就無(wú)法收回的問(wèn)題。第二代同心擴(kuò)張式擴(kuò)眼器在結(jié)構(gòu)上作了改進(jìn)，擴(kuò)眼完成后不需要停止井下泥漿循環(huán)就可以使其收回，井眼清理效果更好。

與最早的機(jī)械臂式擴(kuò)眼器相比，同心擴(kuò)張式擴(kuò)眼器的優(yōu)點(diǎn)有：能擴(kuò)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(lǐng)眼鉆頭的靈活性更好；允許使用更大的鉆井液流量；能對(duì)前期鉆出的井眼進(jìn)行擴(kuò)眼，或在鉆井后進(jìn)行倒劃眼作業(yè)。

管下擴(kuò)眼技術(shù)的發(fā)展拓展了同心擴(kuò)張式擴(kuò)眼器的應(yīng)用范圍，目前在開(kāi)發(fā)井中的應(yīng)用越來(lái)越多。其中最常見(jiàn)的用途是在套管鞋間進(jìn)行管下擴(kuò)眼，以加大間隙、更易于起下鉆和下套管作業(yè)。

然而，傳統(tǒng)的擴(kuò)張式管下擴(kuò)眼器卻存在著一些缺陷：一是其觸發(fā)狀態(tài)無(wú)法確定；二是如果將擴(kuò)眼器置于鉆頭上方100～300英尺，就必須專門進(jìn)行一次起下鉆作業(yè)，否則就會(huì)有一段相同長(zhǎng)度的井眼（通常被稱作鼠洞）無(wú)法被擴(kuò)大。而這種專門作業(yè)一般需要耗時(shí)1～2天，每天的費(fèi)用大約為1～2百萬(wàn)美元。

為了解決管下擴(kuò)眼器的這些問(wèn)題，美國(guó)貝克休斯公司與挪威國(guó)家石油公司于2007年聯(lián)合開(kāi)發(fā)出一種單一尺寸的、按指令執(zhí)行動(dòng)作的數(shù)字?jǐn)U眼器原型（當(dāng)時(shí)只限于在挪威和英國(guó)海域使用）。這種遠(yuǎn)程控制式水力—電動(dòng)擴(kuò)眼器刀翼的擴(kuò)張是通過(guò)水力觸發(fā)實(shí)現(xiàn)的，可以在地面控制。

自2012年始，貝克休斯公司開(kāi)始開(kāi)發(fā)多種尺寸的、按指令執(zhí)行動(dòng)作的GaugePro Echo數(shù)字?jǐn)U眼器，也是為全球市場(chǎng)開(kāi)發(fā)的一種改進(jìn)型下行線觸發(fā)式擴(kuò)眼器。該產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)是更加可靠、靈活，可實(shí)時(shí)操作，勿需對(duì)鼠洞擴(kuò)眼作業(yè)。產(chǎn)品已在美國(guó)墨西哥灣、挪威和馬來(lái)西亞進(jìn)行了商業(yè)化測(cè)試，于2015年年初實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用。

新型GaugePro Echo數(shù)字?jǐn)U眼器

由于不再受機(jī)械觸發(fā)的限制，GaugePro Echo擴(kuò)眼器可以根據(jù)需要隨時(shí)觸發(fā)擴(kuò)張或收回，而且能夠提供刀翼狀態(tài)和位置的實(shí)時(shí)確認(rèn)。這一點(diǎn)是鉆井作業(yè)商長(zhǎng)期以來(lái)所尋求的目標(biāo)。另外，它還可以向地面發(fā)回有關(guān)油壓、油溫和井下振動(dòng)方面的實(shí)時(shí)信息，以便作業(yè)人員對(duì)井下?tīng)顩r進(jìn)行診斷和優(yōu)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(jìn)行下套管作業(yè)，置于鉆頭附近時(shí)可以改善井眼狀況、消除對(duì)鼠洞二次擴(kuò)眼作業(yè)的要求。

GaugePro Echo擴(kuò)眼器根據(jù)3個(gè)主要指令進(jìn)行工作：擴(kuò)張、收回和擴(kuò)眼（倒劃眼）。擴(kuò)眼器刀翼的擴(kuò)張或收回由一個(gè)水力驅(qū)動(dòng)的活塞控制，如果要使擴(kuò)眼器擴(kuò)張，來(lái)自隨鉆測(cè)量（MWD）裝置的電流就會(huì)驅(qū)動(dòng)一個(gè)電機(jī)，使一個(gè)泵開(kāi)始工作從而驅(qū)動(dòng)一個(gè)活塞，而該活塞與一個(gè)軛相連，軛會(huì)帶動(dòng)擴(kuò)眼器上的切削塊沿結(jié)構(gòu)斜坡上行，一旦刀翼運(yùn)動(dòng)抵達(dá)止動(dòng)塊，活塞上的壓力就會(huì)相應(yīng)減小并被保持在一個(gè)足以使切削塊穩(wěn)定定位的狀態(tài)?；钊膭?dòng)作與泥漿流量無(wú)關(guān)。

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(huì)向切削塊施加最大壓力以便使其在倒劃眼過(guò)程中一直保持在工作位置。

GaugePro Echo擴(kuò)眼器是目前世界上唯一能夠以數(shù)字模式來(lái)確認(rèn)其擴(kuò)張和收回狀態(tài)的擴(kuò)眼器，而且其工作與鉆井參數(shù)（如鉆井液壓力、流量、轉(zhuǎn)速或鉆壓等）不相關(guān)聯(lián)。這種按指令執(zhí)行動(dòng)作的新型數(shù)字型擴(kuò)眼器目前有S12和S14兩種型號(hào)，分別可以將英寸、英寸的井眼擴(kuò)大到英寸和英寸。

值得注意的是，為使GaugePro Echo擴(kuò)眼器在使用過(guò)程中達(dá)到其最佳性能，擴(kuò)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(zhì)地層時(shí)使負(fù)荷達(dá)到更精準(zhǔn)的平衡。比如，如果鉆頭的鉆進(jìn)速度比擴(kuò)眼器快，當(dāng)擴(kuò)眼器開(kāi)始鉆新的地層時(shí)就會(huì)有一些內(nèi)部地層應(yīng)力被釋放出來(lái)，而鉆頭上沒(méi)有鉆壓、鉆柱的重量都被轉(zhuǎn)移到擴(kuò)眼器，就會(huì)造成擴(kuò)眼器切削齒的損壞。還有，如果鉆頭上沒(méi)有鉆壓，側(cè)向振動(dòng)以及回旋振動(dòng)會(huì)損壞BHA的下部，很快使井眼的穩(wěn)定性變差。

下面以兩次應(yīng)用實(shí)例來(lái)說(shuō)明這種新型數(shù)字?jǐn)U眼器的優(yōu)勢(shì)所在。

實(shí)例1：在挪威北海區(qū)域的南部奧斯堡油田。一個(gè)作業(yè)商應(yīng)用新型GaugePro Echo擴(kuò)眼器鉆了一段2498米的超長(zhǎng)井段，實(shí)際鉆井時(shí)間比計(jì)劃時(shí)間縮短了2.7天。在鉆該井段時(shí)，難題有計(jì)算出來(lái)的121/4英寸井段的當(dāng)量循環(huán)密度（ECD）很高、地層過(guò)硬而使機(jī)械鉆速較低、該井段快結(jié)束時(shí)地層不穩(wěn)定等。

該擴(kuò)眼器被直接置于BHA的頂部，將擴(kuò)眼器到鉆頭的距離減小了約50米。鉆完浮動(dòng)設(shè)備和水泥以后，由下行線在2543米的測(cè)量深度處將擴(kuò)眼器觸發(fā)擴(kuò)張，擴(kuò)眼器將英寸井眼擴(kuò)大到英寸，擴(kuò)眼長(zhǎng)度為2448米。在整個(gè)管下擴(kuò)眼作業(yè)期間，對(duì)包括擴(kuò)眼器擴(kuò)張直徑實(shí)時(shí)確認(rèn)在內(nèi)的擴(kuò)眼器性能一直通過(guò)泥漿脈沖遙感信號(hào)進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)控。

鉆該井段時(shí)，機(jī)械鉆速（ROP）一直控制在20米/小時(shí)，直至鉆到測(cè)量深度為3000米時(shí)，遇到Shetland地層（這種地層中夾帶有較硬的石灰?guī)r）。在鉆這種夾層地層時(shí)，機(jī)械鉆速減慢到10米/小時(shí)，偶爾還會(huì)低至2米/小時(shí)，對(duì)鉆壓進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，以便控制扭矩的增加和極度不穩(wěn)定性。

鉆完了夾層地層以后，鉆壓被再度優(yōu)化，機(jī)械鉆速恢復(fù)到20米/小時(shí)，鉆水平段和到55°的降斜段時(shí)沒(méi)有出現(xiàn)鉆井問(wèn)題。鉆完整個(gè)這一超長(zhǎng)井段后，該擴(kuò)眼器被用來(lái)從井眼總深（TD）開(kāi)始倒劃眼至4850米井深處。在整個(gè)作業(yè)期間對(duì)振動(dòng)和黏-滑現(xiàn)象進(jìn)行了觀察，擴(kuò)眼器起出井眼后幾乎沒(méi)有發(fā)現(xiàn)磨損的跡象。

實(shí)例2：在美國(guó)墨西哥灣的深水海域。將GaugePro Echo數(shù)字?jǐn)U眼器置于近鉆頭處，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)幾種類型的硬和研磨性地層進(jìn)行擴(kuò)眼作業(yè)，并消除了對(duì)鼠洞段的專門擴(kuò)眼作業(yè)，節(jié)省了36個(gè)小時(shí)的鉆機(jī)時(shí)間（鉆機(jī)工作日費(fèi)用為140萬(wàn)美元）。

該井從6489米深處開(kāi)始鉆水泥塞，一直鉆到6728米處，而后繼續(xù)鉆進(jìn)一直達(dá)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(shí)間使擴(kuò)眼器進(jìn)行入工作狀態(tài)。當(dāng)在地面通過(guò)來(lái)自擴(kuò)眼器的數(shù)字通信信號(hào)確認(rèn)了刀翼狀態(tài)后，擴(kuò)眼器隨即開(kāi)始對(duì)鼠洞段進(jìn)行擴(kuò)眼，將其從英寸擴(kuò)大到英寸。

通過(guò)參考伽馬射線測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)鉆井工程師確定了石灰?guī)r夾層和頁(yè)巖井段，并相應(yīng)推薦了合適的轉(zhuǎn)速和鉆壓值以便能夠使擴(kuò)眼器發(fā)揮其最佳性能。實(shí)際作業(yè)時(shí)機(jī)械鉆速為15.2～21.3米/小時(shí)。該擴(kuò)眼器在7845米井深處完成了鼠洞段的擴(kuò)眼，將鼠洞段的長(zhǎng)度從53.7米縮至6.4米。擴(kuò)眼器從井眼中起出后仍然狀況良好；后續(xù)的下套管和注水泥作業(yè)也很成功，地層整體性測(cè)試結(jié)果比預(yù)期的更好。

隨著相關(guān)石油機(jī)械和通信技術(shù)的不斷發(fā)展，相信這種新型數(shù)字?jǐn)U眼器的技術(shù)將日臻成熟，應(yīng)用范圍會(huì)越來(lái)越廣。