隨鉆擴眼鉆壓分配規(guī)律的試驗研究

侯福祥 宋健 張燕萍 單泓銘

基金項目：中國石油天然氣集團有限公司科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)項目“隨鉆擴眼及膨脹管裸眼搭接懸掛技術(shù)研究”（2021DJ4102）、“萬米超深層油氣資源鉆完井關(guān)鍵技術(shù)與裝備研究”（2022ZG06）。

侯福祥，宋健，張燕萍，等.隨鉆擴眼鉆壓分配規(guī)律的試驗研究32-39

Hou Fuxiang，Song Jian，Zhang Yanping，et al.Experimental study on distribution of weight on bit during reaming while drilling32-39

隨鉆擴眼鉆井技術(shù)可在全面鉆進(jìn)的同時實現(xiàn)裸眼井段的擴徑，能有效減少起下鉆次數(shù)、提高鉆井效率。隨鉆擴眼過程中領(lǐng)眼鉆頭和擴眼器上鉆壓、扭矩的分配與地層巖石性質(zhì)、鉆井參數(shù)、鉆具結(jié)構(gòu)等多種因素有關(guān)，因此提出能反映實際隨鉆擴眼過程的理論或試驗方案是鉆壓分配規(guī)律研究的關(guān)鍵。為了在室內(nèi)試驗環(huán)境下模擬實際隨鉆擴眼過程，設(shè)計并進(jìn)行了全尺寸隨鉆擴眼破巖試驗。設(shè)計加工了215.9 mm PDC領(lǐng)眼鉆頭和擴眼直徑可調(diào)（242、260 mm）的試驗用擴眼器，在鉆頭試驗臺架上進(jìn)行了全尺寸破巖試驗，研究了隨鉆擴眼過程中的鉆壓分配規(guī)律及其受巖石類型、鉆壓、轉(zhuǎn)速及擴眼直徑的影響。試驗結(jié)果表明：鉆壓比和扭矩比隨總鉆壓的增大而增大，隨巖石強度的減小而增大，但基本不受鉆速的影響；擴眼器刀翼切削區(qū)域攻擊性越強，相應(yīng)的鉆壓比越大。所得結(jié)論可為隨鉆擴眼作業(yè)的鉆井參數(shù)和鉆具組合優(yōu)化提供依據(jù)。

隨鉆擴眼；領(lǐng)眼鉆頭；擴眼器；鉆壓分配；全尺寸破巖試驗

TE921

A

005

Experimental Study on Distribution of Weight

on Bit During Reaming While Drilling

Hou Fuxiang1? Song Jian2? Zhang Yanping1? Shan Hongming2

（1.CNPC Engineering Technology R&D Company Limited;2.College of Mechanical and Transportation Engineering，China University of Petroleum （Beijing））

Reaming while drilling （RWD） technology can realize the expansion of open hole section while fully drilling，which can effectively reduce the trip times and improve drilling efficiency.The distribution of weight on bit （WOB） and torque on the pilot bit and reamer during RWD is related to several factors such as rock properties，drilling parameters and tool structure.Thus，a theoretical or experimental scheme that can reflect the actual RWD process is essential for clarifying the WOB distribution.In order to simulate the actual RWD process in the laboratory，the full-size RWD experiment was designed，and a 215.9 mm PDC pilot bit and an experimental reamer with adjustable diameter （242 mm，260 mm） were developed.The full-size RWD experiment was performed using the PDC pilot bit and experimental reamer on the bit test bench to analyze the WOB distribution and how it is affected by the rock type，WOB，rotational speed and reaming diameter.The results show that the WOB ratio and torque ratio increase as the total WOB increases and also as the rock strength increases，but they are basically not affected by the rate of penetration （ROP）.The more aggressive the cutting part of the reamer blades，the higher the corresponding WOB.The research findings provide basis for optimization of drilling parameters and bottomhole assembly during RWD.

RWD;pilot bit;reamer;WOB distribution;full-size RWD experiment

0? 引? 言

侯福祥，等：隨鉆擴眼鉆壓分配規(guī)律的試驗研究

隨鉆擴眼技術(shù)是指在全面鉆進(jìn)的同時，利用隨鉆擴眼器實現(xiàn)對裸眼段井徑的擴大［1-4］。隨鉆擴眼器刀翼在常規(guī)鉆進(jìn)時處于收回狀態(tài)，不進(jìn)行擴眼作業(yè)；當(dāng)?shù)竭_(dá)指定地層時，通過投球等操作激活隨鉆擴眼器，刀翼伸出進(jìn)行井眼擴徑作業(yè)；擴眼完成后收回刀翼，一次下井可進(jìn)行多次擴眼作業(yè)。相比固定刀翼式擴眼器，隨鉆擴眼器的使用可減少起下鉆次數(shù)、提高鉆井效率，在深井、超深井等鉆井作業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用前景［5-9］。

隨鉆擴眼過程中，鉆井總鉆壓按照一定比例分配到領(lǐng)眼鉆頭和擴眼器上，其具體分配情況是進(jìn)行隨鉆擴眼鉆具組合優(yōu)化、振動特性分析的基礎(chǔ)。為了研究隨鉆擴眼過程中鉆壓的分配規(guī)律，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了理論和試驗研究，取得了一定的研究成果。布倫瑞克工業(yè)大學(xué)B.MEYER-HEYE等［10］基于鉆頭攻擊性和機械比能，考慮地層巖性、井眼直徑和機械鉆速等對載荷分布規(guī)律的影響，建立了隨鉆擴眼過程中鉆頭和擴眼器上鉆壓、扭矩分布規(guī)律的理論計算模型。Baker Hughes公司I.THOMSON等［11］在美國俄克拉何馬州進(jìn)行了全尺寸井下鉆井試驗，利用井下測量儀器實現(xiàn)對鉆頭和擴眼器受力、運動的監(jiān)測，從而對隨鉆擴眼過程中鉆壓傳遞和鉆具振動情況進(jìn)行分析。馬汝濤等［12-13］基于機械比能方法，在考慮巖石特性、鉆具切削結(jié)構(gòu)雙參數(shù)的基礎(chǔ)上，提出了計算隨鉆擴眼鉆壓分配關(guān)系的雙因素法，以分析各因素對鉆壓分配的影響規(guī)律。夏焱等［14-15］提出了階梯效應(yīng)指數(shù)概念，認(rèn)為領(lǐng)眼鉆頭和擴眼器的鉆壓分配關(guān)系主要取決于階梯效應(yīng)指數(shù)。管志川等［16］根據(jù)相似原理設(shè)計了隨鉆擴眼的模型試驗裝置，利用該裝置研究了領(lǐng)眼鉆頭與擴眼器的鉆壓分配關(guān)系。

綜上所述，基于機械比能提出的鉆壓比分配理論模型涉及眾多參數(shù)變量，而根據(jù)現(xiàn)場鉆井工況又難以確定模型中變量的準(zhǔn)確值，因此理論模型的應(yīng)用存在較大的局限性。直接在隨鉆擴眼鉆井現(xiàn)場進(jìn)行各項鉆井參數(shù)的測量，可實現(xiàn)對隨鉆擴眼過程中受力和運動的直觀分析，缺點是試驗成本高昂，并且無法進(jìn)行多組試驗以實現(xiàn)鉆壓分配規(guī)律的對照分析。室內(nèi)模型試驗可減小隨鉆擴眼過程的研究成本，并且可進(jìn)行多參數(shù)試驗研究，缺點是模型試驗與實際工況仍存在顯著不同，模型試驗分析結(jié)果與實際情況的一致性仍需進(jìn)一步驗證。

為了在室內(nèi)試驗環(huán)境下盡可能模擬實際隨鉆擴眼過程，開展了全尺寸隨鉆擴眼破巖試驗。設(shè)計并加工了215.9 mm PDC領(lǐng)眼鉆頭和擴眼直徑可調(diào)的試驗用擴眼器，同時設(shè)計了測量短節(jié)以測量施加在領(lǐng)眼鉆頭和擴眼器上的鉆壓與扭矩；在鉆頭試驗臺架上進(jìn)行了全尺寸破巖試驗，測量并采集了試驗過程中的鉆壓、扭矩、鉆速和轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)分析，可得出隨鉆擴眼過程中的鉆壓分配規(guī)律，以期為隨鉆擴眼作業(yè)的鉆井參數(shù)和鉆具組合優(yōu)化提供依據(jù)。

1? 領(lǐng)眼鉆頭和擴眼器設(shè)計

根據(jù)隨鉆擴眼作業(yè)要求，采用215.9 mm PDC領(lǐng)眼鉆頭+隨鉆擴眼器的擴眼組合，并分別設(shè)計了領(lǐng)眼鉆頭和擴眼器鉆頭，以實現(xiàn)從215.9～242.0 mm和260.0 mm的井眼擴徑。

1.1? 領(lǐng)眼鉆頭

設(shè)計的領(lǐng)眼鉆頭為215.9 mm的5刀翼PDC鉆頭，主切削齒直徑為16 mm，總布齒數(shù)為38，如圖1所示。

1.2? 擴眼器

設(shè)計的隨鉆擴眼器刀翼如圖2所示。擴眼刀翼輪廓由擴眼切削部分和保徑切削部分組成；同時為了兼具擴眼和倒劃眼的功能，分別設(shè)計了擴眼刀翼和倒劃眼刀翼，并相應(yīng)地布置了切削齒。

鉆井過程中，擴眼器刀翼收縮在擴眼器中時，切削齒不與巖石接觸；當(dāng)需要擴眼作業(yè)時，在擴眼器內(nèi)部液壓結(jié)構(gòu)的驅(qū)動下，擴眼器刀翼沿著徑向方向伸出，此時擴眼器刀翼與巖石接觸進(jìn)行擴眼破巖作業(yè)。刀翼伸出的位移量決定了擴眼器對井眼直徑的擴大效果。

破巖試驗研究的是隨鉆擴眼過程中領(lǐng)眼鉆頭和擴眼器鉆壓的分配問題，不涉及倒劃眼過程。因此試驗用擴眼器刀翼省略了倒劃眼刀翼（見圖3），以減少試驗加工量。擴眼器刀翼安裝在如圖4所示的接頭上，模擬擴眼器刀翼的伸出狀態(tài)；同時通過在接頭和擴眼器刀翼之間增減墊片來實現(xiàn)對擴眼直徑的調(diào)節(jié)，如圖5所示。

2? 隨鉆擴眼破巖試驗設(shè)計

2.1? 試驗方案

隨鉆擴眼破巖試驗裝置示意圖如圖6所示。測量接頭1上部與鉆頭試驗臺架的鉆桿相連，巖石用鋼板固定在試驗臺架底部轉(zhuǎn)盤上。試驗過程中，巖石隨著轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，領(lǐng)眼鉆頭和擴眼器保持周向靜止，并在鉆壓作用下向下移動，與巖石接觸進(jìn)行破巖鉆進(jìn)，試驗臺架控制器實時測量鉆壓和進(jìn)尺數(shù)據(jù)。另外，在測量接頭1和測量接頭2處粘貼了應(yīng)變片，結(jié)合應(yīng)變測試儀可實現(xiàn)不同位置鉆壓和扭矩的實時測量。

2.2? 試驗裝置和材料

隨鉆擴眼破巖試驗現(xiàn)場圖如圖7所示。

試驗裝置包括鉆頭試驗架、測量接頭、動態(tài)應(yīng)變儀、領(lǐng)眼鉆頭和擴眼器。試驗巖石為水泥石和砂巖。

測量接頭的制作流程如圖8所示。圖9為動態(tài)應(yīng)變儀，可實時采集應(yīng)變片的電信號，并傳輸至計算機進(jìn)行處理和分析。

試驗用水泥石和砂巖巖樣如圖10所示。

2.3? 試驗過程

試驗開始時，啟動下轉(zhuǎn)盤，鉆頭緩慢向下鉆進(jìn)，完成巖塊的造底工作后升起鉆頭，停止下轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，如圖11a所示。隨后啟動應(yīng)變測試儀，并進(jìn)行通道平衡和清零。正式開始試驗時，啟動下轉(zhuǎn)盤并施加鉆壓使鉆頭正常鉆進(jìn)，鉆壓加載至預(yù)定數(shù)值，開始采集試驗數(shù)據(jù)，保持下轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速及施加鉆壓值持續(xù)鉆進(jìn)，如圖11b所示。達(dá)到預(yù)定鉆進(jìn)深度后，停止鉆壓施加，下轉(zhuǎn)盤停止轉(zhuǎn)動，結(jié)束鉆進(jìn)。在測得全部試驗數(shù)據(jù)后，選取領(lǐng)眼鉆頭和擴眼器穩(wěn)定鉆進(jìn)階段的數(shù)據(jù)作為該組試驗的正式數(shù)據(jù)。

3? 試驗結(jié)果及分析

采用215.9 mm PDC領(lǐng)眼鉆頭+242.0 mm擴眼器、215.9 mm PDC領(lǐng)眼鉆頭+260.0 mm擴眼器2種組合進(jìn)行了隨鉆擴眼試驗，并采集了不同巖石類型、轉(zhuǎn)速和鉆壓W下的試驗數(shù)據(jù)。通過對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理，得出隨鉆擴眼過程中鉆壓、扭矩的分配情況及其受參數(shù)影響的規(guī)律。具體試驗數(shù)據(jù)如表1和表2所示。

鉆壓比或扭矩比定義為領(lǐng)眼鉆頭上的鉆壓或扭矩與擴眼器上的鉆壓或扭矩的比值，即：

RW=WBWR（1）

RT=TBTR（2）

式中：RW和RT分別為鉆壓比和扭矩比，無量綱；WB和WR分別為領(lǐng)眼鉆頭的鉆壓和擴眼器的鉆壓，kN；TB和TR分別為領(lǐng)眼鉆頭的扭矩和擴眼器的扭矩，N·m。

在砂巖隨鉆擴眼過程中，機械鉆速隨鉆壓的變化曲線如圖12所示。由圖12可知，鉆壓和轉(zhuǎn)速的增大有利于機械鉆速的提高，并且擴眼直徑為260.0 mm時的機械鉆速要低于擴眼直徑為242.0 mm時的機械鉆速。這是因為擴眼直徑的增大意味著破巖體積和難度的增大，所以機械鉆速會相應(yīng)降低。

考慮到試驗過程中存在擴眼直徑、巖石類型、轉(zhuǎn)速和鉆壓4個變量，因此分別對每個因素進(jìn)行針對性分析，弄清鉆壓分配的參數(shù)影響規(guī)律。

不同巖石類型和擴眼直徑條件下，鉆壓比和扭矩比隨總鉆壓的變化曲線如圖13所示。

由圖13可以看出，鉆壓比呈現(xiàn)出隨著總鉆壓增大而增大的趨勢。這說明總鉆壓的增大使得領(lǐng)眼鉆頭的吃入深度和破巖功耗增大，導(dǎo)致總鉆壓分配在領(lǐng)眼鉆頭上的鉆壓增大。隨著總鉆壓的變化，鉆壓比和扭矩比具有相似的變化趨勢。與鉆井砂巖相比，水泥石強度較低，鉆進(jìn)水泥石的鉆壓比和扭矩比更大。

不同轉(zhuǎn)速時鉆壓比和扭矩比的變化曲線如圖14所示。由圖14可知，轉(zhuǎn)速對鉆壓比或扭矩比沒有明顯的影響。這說明轉(zhuǎn)速對隨鉆擴眼過程中的鉆壓和扭矩分配的影響作用不明顯。

不同擴眼直徑時鉆壓比和扭矩比隨總鉆壓的變化曲線如圖15所示。由圖15可知，擴眼直徑較大時反而有更大的鉆壓比和扭矩比，這與常規(guī)分析結(jié)果不符。常規(guī)分析結(jié)果認(rèn)為，擴眼直徑變大，相應(yīng)的破巖體積和難度也增大，擴眼器所需鉆壓也越大。本次試驗結(jié)果與常規(guī)分析結(jié)果不符的原因為：擴眼直徑的不同，導(dǎo)致擴眼器刀翼參與切削的區(qū)域也不同。

擴眼直徑為242.0和260.0 mm時，擴眼刀翼接觸巖石的區(qū)域如圖16所示。

由圖16可知，擴眼直徑為260.0 mm時刀翼切削區(qū)域的攻擊性更強，更容易吃入和破碎巖石。雖然擴眼直徑為260.0 mm時切削面積擴大了，但刀翼切削區(qū)域的破巖能力更強，因此使得分配在擴眼器上的鉆壓減小，相應(yīng)地分配在領(lǐng)眼鉆頭上的鉆壓增大。

at different remaining diameters

4? 結(jié)? 論

（1）在相同鉆井參數(shù)情況下，大直徑擴眼器的破巖體積更大，因此其機械鉆速要小于小直徑擴眼器的機械鉆速。

（2）鉆壓比呈現(xiàn)出隨著總鉆壓增大而增大的趨勢，因為總鉆壓的增大使得領(lǐng)眼鉆頭的吃入深度和破巖功耗增大，造成總鉆壓分配在領(lǐng)眼鉆頭上的比例增大；鉆壓比和扭矩比具有相似的變化趨勢。

（3）鉆進(jìn)強度較小的巖石時，相應(yīng)的鉆壓比和扭矩比更大；轉(zhuǎn)速對隨鉆擴眼過程中的鉆壓分配沒有明顯的影響，并非主要作用。

（4）鉆壓比受擴眼器刀翼切削區(qū)域攻擊性的影響，刀翼切削區(qū)域攻擊性越強，擴眼器越容易吃入和破碎巖石，所需破巖鉆壓也越小，相應(yīng)的鉆壓比越大。

［1］

馬清明，王瑞和．隨鉆擴眼工具及技術(shù)研究［J］．天然氣工業(yè)，2006，26（3）：71-74．

MA Q M，WANG R H.Study on tools and techniques of reaming while drilling［J］.Natural Gas Industry，2006，26（3）： 71-74.

［2］? 余榮華，袁鵬斌．隨鉆擴眼技術(shù)研究進(jìn)展［J］．石油機械，2016，44（8）：6-10．

YU R H，YUAN P B.Advances in reaming while drilling technology［J］.China Petroleum Machinery，2016，44（8）： 6-10.

［3］? 王站穩(wěn)，張紅，施雷，等．多級變徑隨鉆擴眼器研制及刀翼受力與鉆壓分配分析［J］．石油鉆探技術(shù)，2023，51（1）：51-56．

WANG Z W，ZHANG H，SHI L，et al.Development of a reamer-while-drilling with multistage variable diameter and analysis of force on blade and weight-on-bit distribution［J］.Petroleum Drilling Techniques，2023，51（1）： 51-56.

［4］? 黃韜，何世明，湯明，等．井下擴眼工具的研究現(xiàn)狀分析［J］．石油礦場機械，2021，50（3）：8-16．

HUANG T，HE S M，TANG M，et al.Analysis of the research status of downhole reaming tools［J］.Oil Field Equipment，2021，50（3）： 8-16.

［5］? 張佳偉，紀(jì)國棟，郭衛(wèi)紅，等．隨鉆擴眼鉆具組合與鉆井參數(shù)優(yōu)化研究［J］．石油機械，2021，49（2）：22-27．

ZHANG J W，JI G D，GUO W H，et al.Study on bottom hole assembly and drilling parameter optimization for reaming while drilling［J］.China Petroleum Machinery，2021，49（2）： 22-27.

［6］? 谷磊，田宗正，尹慧博，等．隨鉆擴眼器擴眼機構(gòu)流場分析與優(yōu)化設(shè)計［J］．石油機械，2020，48（7）：14-18．

GU L，TIAN Z Z，YIN H B，et al.Fluid analysis and optimal design on the reaming mechanism of reamer while drilling［J］.China Petroleum Machinery，2020，48（7）： 14-18.

［7］? 黃興，姬廣奇，劉成真．單投球式液壓擴眼器安放位置優(yōu)選［J］．石化技術(shù)，2020，27（3）：257-258．

HUANG X，JI G Q，LIU C Z.Optimization of positioning of single ball-throwed hydraulic reamer［J］.Petrochemical Industry Technology，2020，27（3）： 257-258.

［8］? 張茂林，張晨，陳濤，等．準(zhǔn)噶爾盆地南緣隨鉆擴眼技術(shù)實踐與認(rèn)識［J］．西部探礦工程，2021，33（5）：29-32．

ZHANG M L，ZHANG C，CHEN T，et al.Practice and understanding of reaming while drilling technology in southern margin of Junggar Basin［J］.West-China Exploration Engineering，2021，33（5）： 29-32.

［9］? 張全立，曹通，侯福祥，等．基于分區(qū)法的擴眼器刀翼布齒優(yōu)化研究［J］．石油機械，2021，49（4）：44-50．

ZHANG Q L，CAO T，HOU F X，et al.Cutter layout optimization of reamer based on zoning method［J］.China Petroleum Machinery，2021，49（4）： 44-50.

［10］? MEYER-HEYE B，RECKMANN H，OSTERMEYER G P P.Weight distribution in reaming while drilling BHAs［C］∥IADC/SPE Drilling Conference and Exhibition.New Orleans： SPE，2010： SPE 127094-MS.

［11］? THOMSON I，RADFORD S，POWERS J，et al.A systematic approach to a better understanding of the concentric hole-opening process utilizing drilling mechanics and drilling dynamics measurements recorded above and below the reamer［C］∥IADC/SPE Drilling Conference.Orlando： SPE，2008： SPE 112647-MS.

［12］? 馬汝濤，紀(jì)友哲，王輝．油氣鉆井?dāng)U眼工具研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］．石油機械，2010，38（8）：8-12．

MA R T，JI Y Z，WANG H.The current situation and development trend of the research on hole reamer for oil-gas drilling［J］.China Petroleum Machinery，2010，38（8）： 8-12.

［13］? 馬汝濤，鄭巖，紀(jì)友哲，等．隨鉆擴眼鉆壓分配的雙因素計算方法［J］．石油機械，2012，40（1）：26-28，36．

MA R T，ZHENG Y，JI Y Z，et al.The double-factor method for calculation of the bit weight distribution in reaming while drilling［J］.China Petroleum Machinery，2012，40（1）： 26-28，36.

［14］? 夏焱，管志川，袁光杰，等．隨鉆擴眼工具鉆壓分配比的計算方法及對鉆速的影響［J］．石油礦場機械，2009，38（8）：69-72．

XIA Y，GUAN Z C，YUAN G J，et al.Calculating method and effect on ROP of ratio for WOB of RWD tools［J］.Oil Field Equipment，2009，38（8）： 69-72.

［15］? 夏焱．隨鉆擴眼工具結(jié)構(gòu)及與之相匹配的鉆具組合設(shè)計方法研究［D］．東營：中國石油大學(xué)（華東），2006．

XIA Y.Study on structure of reaming while drilling tools and design of suitable bottom-hole assembly［D］.Dongying： China University of Petroleum （East China），2006.

［16］? 管志川，魏文忠，夏焱．隨鉆擴眼工具井底鉆壓分配的實驗研究［J］．中國石油大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2007，31（6）：44-47．

GUAN Z C，WEI W Z，XIA Y.Experimental research on ratio of weight on bit for reaming while drilling tools［J］.Journal of China University of Petroleum （Edition of Natural Science），2007，31（6）： 44-47.

第一侯福祥，高級工程師，生于1976年，2007年畢業(yè)于北京科技大學(xué)機械工程專業(yè)，獲博士學(xué)位，現(xiàn)從事石油機械研發(fā)工作。地址：（102206）北京市昌平區(qū)。email：hfxdri@cnpc.com.cn。

2023-11-28

任武