■ 徐 昉 申守庆

在深水和其他海上区域，钻难以钻进的井（主要指井眼稳定性差的井）时，扩张式扩眼器能提高钻井的效率和经济性、安全性，并降低相关作业风险。

通常在地层断裂和页岩坍塌间的一个较窄的压力范围内，用小井眼井身结构钻井可以使钻井作业更快、更高效，实现更好的井控和减少材料消耗。所以，钻井时通常会尽可能应用最小的井眼以及与套管串间最小的间隙，以便于以较大直径的井眼进入储层，提高生产流量或是进入到较深层的油、气藏区域内。

为了钻出平滑的井眼，小井眼井身结构需要配备旋转导向装置，同时还用要到扩张式扩眼器，以便在管下扩眼时控制当量循环密度、保持井眼稳定，实现可靠的注水泥（固井）作业。

世界上第一代同心扩张式扩眼器的触发方式为钢球触发，但存在扩眼器扩张开后不停止循环就无法收回的问题。第二代同心扩张式扩眼器在结构上作了改进，扩眼完成后不需要停止井下泥浆循环就可以使其收回，井眼清理效果更好。

与最早的机械臂式扩眼器相比，同心扩张式扩眼器的优点有：能扩出更大的井眼尺寸以便容纳更大的底部钻具组合部件；选择领眼钻头的灵活性更好；允许使用更大的钻井液流量；能对前期钻出的井眼进行扩眼，或在钻井后进行倒划眼作业。

管下扩眼技术的发展拓展了同心扩张式扩眼器的应用范围，目前在开发井中的应用越来越多。其中最常见的用途是在套管鞋间进行管下扩眼，以加大间隙、更易于起下钻和下套管作业。

然而，传统的扩张式管下扩眼器却存在着一些缺陷：一是其触发状态无法确定；二是如果将扩眼器置于钻头上方100～300英尺，就必须专门进行一次起下钻作业，否则就会有一段相同长度的井眼（通常被称作鼠洞）无法被扩大。而这种专门作业一般需要耗时1～2天，每天的费用大约为1～2百万美元。

为了解决管下扩眼器的这些问题，美国贝克休斯公司与挪威国家石油公司于2007年联合开发出一种单一尺寸的、按指令执行动作的数字扩眼器原型（当时只限于在挪威和英国海域使用）。这种远程控制式水力—电动扩眼器刀翼的扩张是通过水力触发实现的，可以在地面控制。

自2012年始，贝克休斯公司开始开发多种尺寸的、按指令执行动作的GaugePro Echo数字扩眼器，也是为全球市场开发的一种改进型下行线触发式扩眼器。该产品的优点是更加可靠、灵活，可实时操作，勿需对鼠洞扩眼作业。产品已在美国墨西哥湾、挪威和马来西亚进行了商业化测试，于2015年年初实现了商业化应用。

新型GaugePro Echo数字扩眼器

由于不再受机械触发的限制，GaugePro Echo扩眼器可以根据需要随时触发扩张或收回，而且能够提供刀翼状态和位置的实时确认。这一点是钻井作业商长期以来所寻求的目标。另外，它还可以向地面发回有关油压、油温和井下振动方面的实时信息，以便作业人员对井下状况进行诊断和优化。

它可以被置于底部钻具组合（BHA）中的任何部位，可以更快、更安全的方式进行下套管作业，置于钻头附近时可以改善井眼状况、消除对鼠洞二次扩眼作业的要求。

GaugePro Echo扩眼器根据3个主要指令进行工作：扩张、收回和扩眼（倒划眼）。扩眼器刀翼的扩张或收回由一个水力驱动的活塞控制，如果要使扩眼器扩张，来自随钻测量（MWD）装置的电流就会驱动一个电机，使一个泵开始工作从而驱动一个活塞，而该活塞与一个轭相连，轭会带动扩眼器上的切削块沿结构斜坡上行，一旦刀翼运动抵达止动块，活塞上的压力就会相应减小并被保持在一个足以使切削块稳定定位的状态。活塞的动作与泥浆流量无关。

在收回模式中，压力被施加到活塞的另一端，轭被拉回到其非工作位置。而在倒划眼模式下，则会向切削块施加最大压力以便使其在倒划眼过程中一直保持在工作位置。

GaugePro Echo扩眼器是目前世界上唯一能够以数字模式来确认其扩张和收回状态的扩眼器，而且其工作与钻井参数（如钻井液压力、流量、转速或钻压等）不相关联。这种按指令执行动作的新型数字型扩眼器目前有S12和S14两种型号，分别可以将英寸、英寸的井眼扩大到英寸和英寸。

值得注意的是，为使GaugePro Echo扩眼器在使用过程中达到其最佳性能，扩眼器和钻头在切削齿尺寸和攻击性（切削深度）方面一定要匹配良好，以便在钻均质地层时使负荷达到更精准的平衡。比如，如果钻头的钻进速度比扩眼器快，当扩眼器开始钻新的地层时就会有一些内部地层应力被释放出来，而钻头上没有钻压、钻柱的重量都被转移到扩眼器，就会造成扩眼器切削齿的损坏。还有，如果钻头上没有钻压，侧向振动以及回旋振动会损坏BHA的下部，很快使井眼的稳定性变差。

下面以两次应用实例来说明这种新型数字扩眼器的优势所在。

实例1：在挪威北海区域的南部奥斯堡油田。一个作业商应用新型GaugePro Echo扩眼器钻了一段2498米的超长井段，实际钻井时间比计划时间缩短了2.7天。在钻该井段时，难题有计算出来的121/4英寸井段的当量循环密度（ECD）很高、地层过硬而使机械钻速较低、该井段快结束时地层不稳定等。

该扩眼器被直接置于BHA的顶部，将扩眼器到钻头的距离减小了约50米。钻完浮动设备和水泥以后，由下行线在2543米的测量深度处将扩眼器触发扩张，扩眼器将英寸井眼扩大到英寸，扩眼长度为2448米。在整个管下扩眼作业期间，对包括扩眼器扩张直径实时确认在内的扩眼器性能一直通过泥浆脉冲遥感信号进行了连续监控。

钻该井段时，机械钻速（ROP）一直控制在20米/小时，直至钻到测量深度为3000米时，遇到Shetland地层（这种地层中夹带有较硬的石灰岩）。在钻这种夹层地层时，机械钻速减慢到10米/小时，偶尔还会低至2米/小时，对钻压进行相应调整，以便控制扭矩的增加和极度不稳定性。

钻完了夹层地层以后，钻压被再度优化，机械钻速恢复到20米/小时，钻水平段和到55°的降斜段时没有出现钻井问题。钻完整个这一超长井段后，该扩眼器被用来从井眼总深（TD）开始倒划眼至4850米井深处。在整个作业期间对振动和黏-滑现象进行了观察，扩眼器起出井眼后几乎没有发现磨损的迹象。

实例2：在美国墨西哥湾的深水海域。将GaugePro Echo数字扩眼器置于近钻头处，实现了通过几种类型的硬和研磨性地层进行扩眼作业，并消除了对鼠洞段的专门扩眼作业，节省了36个小时的钻机时间（钻机工作日费用为140万美元）。

该井从6489米深处开始钻水泥塞，一直钻到6728米处，而后继续钻进一直达到总深（7852米）。然后底部钻具组合被向上提起到7798米处，在该井深处花了不到5分钟的时间使扩眼器进行入工作状态。当在地面通过来自扩眼器的数字通信信号确认了刀翼状态后，扩眼器随即开始对鼠洞段进行扩眼，将其从英寸扩大到英寸。

通过参考伽马射线测井数据，现场钻井工程师确定了石灰岩夹层和页岩井段，并相应推荐了合适的转速和钻压值以便能够使扩眼器发挥其最佳性能。实际作业时机械钻速为15.2～21.3米/小时。该扩眼器在7845米井深处完成了鼠洞段的扩眼，将鼠洞段的长度从53.7米缩至6.4米。扩眼器从井眼中起出后仍然状况良好；后续的下套管和注水泥作业也很成功，地层整体性测试结果比预期的更好。

随着相关石油机械和通信技术的不断发展，相信这种新型数字扩眼器的技术将日臻成熟，应用范围会越来越广。