隨著對(duì)油氣成藏機(jī)制認(rèn)識(shí)的深化和油氣田開發(fā)的深入，鉆井遇到的問題越來越復(fù)雜，這些復(fù)雜問題的解決也越來越依賴于工具的發(fā)展和手段的完善，隨鉆擴(kuò)眼技術(shù)正是基于這種背景提出和發(fā)展的。所謂隨鉆擴(kuò)眼技術(shù)就是采用隨鉆擴(kuò)眼工具和常規(guī)鉆頭程序，在全面鉆進(jìn)的同時(shí)擴(kuò)大井眼的一種鉆井技術(shù)。實(shí)踐表明，隨鉆擴(kuò)眼技術(shù)在處理井下復(fù)雜情況、降低鉆井綜合成本、提高鉆井速度、提高建井質(zhì)量和安全性等方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，隨鉆擴(kuò)眼工具也正逐漸成為一種重要的石油鉆井配套工具。國內(nèi)隨鉆擴(kuò)眼工具及技術(shù)的研究剛剛起步，重視該項(xiàng)技術(shù)，就隨鉆擴(kuò)眼工具這個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)開展針對(duì)性研究，對(duì)于提升我國鉆井工程的實(shí)力具有重要的實(shí)際意義。
　　
　　一、技術(shù)優(yōu)勢(shì)
　　
　　1．降低鉆井綜合成本[1]
　　
　　在深井鉆井作業(yè)中，為維持表層套管和防噴器足夠的額定壓力，又能使生產(chǎn)套管直徑有多種改變，要求采用小間隙套管程序，研究表明，對(duì)于井深為4878m 的井, 采用小間隙套管程序比用普通套管程序節(jié)約鉆井成本27 %。實(shí)現(xiàn)小間隙套管程序所必備的井下工具包括隨鉆擴(kuò)眼工具和可膨脹穩(wěn)定器。
　　
　　2．提高油井建井質(zhì)量[2,3]
　　
　　采用井下擴(kuò)眼技術(shù)，增大套管環(huán)空間隙，可顯著提高固井質(zhì)量，延長油井壽命，同時(shí)井眼尺寸的增大也可為礫石填充完井等后續(xù)作業(yè)創(chuàng)造了條件，有利于提高油氣開發(fā)效率。
　　
　　3．解決井下復(fù)雜情況，保障安全鉆進(jìn)[4]
　　
　　采用井下隨鉆擴(kuò)眼技術(shù)，擴(kuò)大鹽膏層井段的井眼，以抵消鹽膏層蠕變所造成的位移，可減少或避免卡鉆、縮徑等復(fù)雜情況，同時(shí)可增大水泥環(huán)厚度，提高套管—水泥環(huán)體系抵抗地層蠕變的能力。
　　
　　4．是相關(guān)工藝技術(shù)實(shí)施的保障和基礎(chǔ)[5]
　　
　　許多工藝技術(shù)對(duì)井眼尺寸有要求，如膨脹管技術(shù)、套管鉆井技術(shù)、開窗側(cè)鉆以及復(fù)雜井段中管柱的下入等，增大井眼尺寸有助于這些工藝技術(shù)的順利實(shí)施。
　　
　　
　　
　　二、隨鉆擴(kuò)眼工具的結(jié)構(gòu)原理
　　
　　隨鉆擴(kuò)眼工具隨鉆和擴(kuò)眼的基本功能決定了其結(jié)構(gòu)原理，隨鉆功能的實(shí)現(xiàn)要求工具不能影響鉆井的基本過程，能與常規(guī)鉆井工具匹配，能在地面啟動(dòng)或停止井下工具的工作，擴(kuò)眼功能的實(shí)現(xiàn)則要求工具能夠擴(kuò)出所要求的井眼尺寸，而且擴(kuò)眼鉆井的速度應(yīng)與常規(guī)鉆井速度相當(dāng)。為實(shí)現(xiàn)隨鉆擴(kuò)眼工具的這些基本功能，國內(nèi)外發(fā)展了多種結(jié)構(gòu)形式的擴(kuò)眼工具。分析這些隨鉆擴(kuò)眼工具，按照所實(shí)現(xiàn)的功能，其基本結(jié)構(gòu)可分為執(zhí)行機(jī)構(gòu)、擴(kuò)眼總成和本體結(jié)構(gòu)3個(gè)部分，其中本體結(jié)構(gòu)主要是容納執(zhí)行機(jī)構(gòu)和擴(kuò)眼總成、并與鉆柱、鉆頭等鉆具相聯(lián)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是啟動(dòng)或停止工具擴(kuò)眼作業(yè)的機(jī)構(gòu)，擴(kuò)眼總成則是具體執(zhí)行破巖擴(kuò)眼作業(yè)。隨鉆擴(kuò)眼工具的差別主要是執(zhí)行機(jī)構(gòu)和擴(kuò)眼總成的不同。按照?qǐng)?zhí)行機(jī)構(gòu)的不同，隨鉆擴(kuò)眼工具可分為以重力驅(qū)動(dòng)的機(jī)械式、以流體壓力驅(qū)動(dòng)的液壓式和以離心力驅(qū)動(dòng)的偏心式3類，擴(kuò)眼總成按照破巖工具工作方式的不同有PDC和牙輪總成兩類。下面按照?qǐng)?zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析討論
　　
　　1．機(jī)械式隨鉆擴(kuò)眼工具
　　
　　機(jī)械式隨鉆擴(kuò)眼工具以TRI-MAX Industries公司的EWDTM隨鉆擴(kuò)眼工具[1]和Andergauge公司的AnderreamerTM擴(kuò)眼工具為代表。這兩種工具的結(jié)構(gòu)原理相似，均是采用重力外推擴(kuò)眼總成進(jìn)行隨鉆擴(kuò)眼作業(yè)，擴(kuò)眼總成采用PDC切削刃，并能在起鉆前主動(dòng)收回。Andergauge公司后來還在 AnderreamerTM的基礎(chǔ)上，研制了液壓式的隨鉆擴(kuò)眼工具。EWDTM共發(fā)展了兩代。
　　
　　第1代EWDTM隨鉆擴(kuò)眼工具上部的花鍵驅(qū)動(dòng)軸及與其配套的驅(qū)動(dòng)副由震擊器的浮動(dòng)升降補(bǔ)償器改進(jìn)而成。驅(qū)動(dòng)副上設(shè)有與驅(qū)動(dòng)軸相連的剪切銷。作業(yè)時(shí)，領(lǐng)眼鉆頭鉆掉阻流環(huán)、水泥塞和套管鞋后，給隨鉆擴(kuò)眼工具加壓以剪斷銷釘，驅(qū)動(dòng)軸和與之相聯(lián)的雙直徑心軸向下滑動(dòng)，雙直徑心軸大直徑段沿?cái)U(kuò)眼總成內(nèi)表面運(yùn)動(dòng)，將擴(kuò)眼總成切削塊向外推出并鎖定在工作位置。采用反向噴嘴冷卻和清洗擴(kuò)眼總成。
　　
　　實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)了第1代EWDTM隨鉆擴(kuò)眼工具的一些缺陷，其一，鉆頭壓降作用在心軸下部的圓柱形截面內(nèi)，為防止心軸被推回到起始位置，必需施加鉆壓穩(wěn)定，其二，在鉆套管內(nèi)的分級(jí)箍倒泄閥、水泥塞、浮箍和套管鞋時(shí)，擴(kuò)眼總成收縮于本體結(jié)構(gòu)內(nèi)，金屬碎屑易進(jìn)入本體結(jié)構(gòu)，心軸向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)將金屬碎屑封閉于心軸和本體結(jié)構(gòu)的密封區(qū)域內(nèi)，導(dǎo)致心軸密封失效。
　　
　　第2代EWDTM針對(duì)第一代產(chǎn)品所反映出的不足，將驅(qū)動(dòng)心軸分成兩部分，當(dāng)擴(kuò)眼總成收縮時(shí)，金屬碎屑不會(huì)進(jìn)入心軸和本體結(jié)構(gòu)之間的封閉腔；采用金屬密封；增加了工作壓力顯示裝置，用以地面監(jiān)測(cè)工具的工作狀態(tài)。使用證明，上述改進(jìn)顯著提高了工具的整體壽命[1]。
　　
　　機(jī)械式隨鉆擴(kuò)眼工具的優(yōu)點(diǎn)是工作穩(wěn)定，不受井深和泥漿性能的影響，不足是擴(kuò)眼總成徑向行程有限，造成工具的體積較大、井眼直徑擴(kuò)大有限，在小尺寸井眼中，由于工具空間尺寸的限制，如果要求較大的擴(kuò)眼尺寸，就容易削弱本體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，造成安全隱患。
　　
　　2．液壓式隨鉆擴(kuò)眼工具
　　
　　出現(xiàn)較早，應(yīng)用也較成功的液壓式隨鉆擴(kuò)眼工具是Bakersfeild Bit&Tool公司的Gaugemaster Driller UnderreamerTM擴(kuò)眼工具。Gaugemaster Driller UnderreamerTM采用牙輪擴(kuò)眼總成，首次實(shí)現(xiàn)了地面遙控啟動(dòng)，不需額外的起下鉆來調(diào)整鉆井工具，設(shè)計(jì)思路較以前的常規(guī)擴(kuò)眼工具有了較大發(fā)展。采用牙輪擴(kuò)眼總成的優(yōu)點(diǎn)是可以施加較大的鉆壓，地層適應(yīng)性好，但是由于牙輪壽命有限，自身體積較大，附屬結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易削弱工具的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，降低工具可靠性 [6]，隨著PDC切削元件的出現(xiàn)和成熟，這類擴(kuò)眼工具逐漸減少，但其結(jié)構(gòu)原理和設(shè)計(jì)思路，還是為后續(xù)工具的發(fā)展奠定了很好的基礎(chǔ)。
　　
　　Halliburton Security DBS公司的NBRTM近鉆頭擴(kuò)眼工具[7]外形和長度與三翼變徑穩(wěn)定器相似。采用PDC擴(kuò)眼總成，擴(kuò)眼總成內(nèi)部預(yù)置有彈簧，當(dāng)鉆柱內(nèi)與環(huán)空之間的壓差產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力小于彈簧彈力時(shí)，擴(kuò)眼總成縮回。設(shè)有剪切銷釘保證在鉆進(jìn)套管鞋時(shí)，擴(kuò)眼總成處于縮回狀態(tài)。NBRTM對(duì)領(lǐng)眼鉆頭的適應(yīng)性很好，可直接安裝于鉆頭上方或下部鉆具組合的其它部位，可用于滑動(dòng)導(dǎo)向和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆進(jìn)的擴(kuò)眼作業(yè)。
　　
　　液壓式隨鉆擴(kuò)眼工具的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，可以擴(kuò)出較大尺寸的井眼，不足是液壓式隨鉆擴(kuò)眼工具是靠流體的壓力推動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使擴(kuò)眼總成完成破巖擴(kuò)眼的作業(yè)，如果不能形成足夠的流體壓力，則難以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)或保持?jǐn)U眼總成工作的穩(wěn)定，這點(diǎn)限制了液壓式隨鉆擴(kuò)眼工具在深井、高泥漿粘度等情況下的應(yīng)用，另外液壓式隨鉆擴(kuò)眼工具對(duì)密封結(jié)構(gòu)和水力利元件的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)等要求較高，處理不當(dāng)也容易造成工具失效。
　　
　　3．偏心式隨鉆擴(kuò)眼工具
　　
　　BakerHughes Christens公司的DOSRWDTM隨鉆擴(kuò)眼系統(tǒng)是在雙心鉆頭的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，DOSRWDTM的擴(kuò)眼總成與本體結(jié)構(gòu)為一體，位于本體結(jié)構(gòu)的一側(cè)，在本體結(jié)構(gòu)上與擴(kuò)眼總成相對(duì)的另一側(cè)設(shè)有硬質(zhì)合金墊塊和保徑，由于擴(kuò)眼總成呈不對(duì)稱分布，鉆柱旋轉(zhuǎn)所形成的離心力，迫使擴(kuò)眼總成沿徑向外移進(jìn)行破巖擴(kuò)眼作業(yè)。DOSRWDTM隨鉆擴(kuò)眼系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是不必單獨(dú)鉆領(lǐng)眼、可以使用柔性鉆具組合、可以靈活地選用牙輪鉆頭或PDC鉆頭作為領(lǐng)眼鉆頭，由于具有硬質(zhì)合金墊塊和保徑，可有效提高擴(kuò)眼工具工作的穩(wěn)定性。但是通過跟蹤現(xiàn)場(chǎng)使用情況發(fā)現(xiàn)，偏心式隨鉆擴(kuò)眼工具對(duì)BHA的性能影響較大，井斜和方位的變化難以預(yù)測(cè)，扭矩脈沖過高，所形成的井徑不規(guī)則，不能鉆套管內(nèi)的水泥塞。
　　
　　三、國內(nèi)研究進(jìn)展
　　
　　國內(nèi)隨鉆擴(kuò)眼工具及技術(shù)的研究剛剛起步，大港、遼河、勝利等油田，在跟蹤考察國外技術(shù)的基礎(chǔ)上，陸續(xù)研制了不同規(guī)格的隨鉆擴(kuò)眼工具，其中勝利油田所研制的機(jī)械式PDC隨鉆擴(kuò)眼工具比較有代表性。