鉆井需求亟待擴眼工具創(chuàng)新

隨著石油工業(yè)的發(fā)展，鉆井難度越來越大，特別在深井和超深井中，常會遇到狗腿、鍵槽和縮徑等復(fù)雜情況，而且在深井鉆井中要求下多層管柱，這就增加了對更耐用、更可靠的管下擴眼工具的需求。多數(shù)擴眼工具通過投球來打開和關(guān)閉擴眼器切削塊，但由于鉆柱內(nèi)通道被投球限制，僅能容許鉆井液通過。威德福公司創(chuàng)造性的將射頻識別技術(shù)應(yīng)用于擴眼工具，從鉆柱內(nèi)泵入射頻電子標(biāo)簽，當(dāng)標(biāo)簽通過擴眼工具時，向其發(fā)出激活打開命令，工具內(nèi)植入的電子閱讀器自動讀取并接受命令，實現(xiàn)切削塊的自動打開。所有的命令都儲存在工具內(nèi)的存儲器中，并可以隨時下載。目前已經(jīng)成功完成了多次室內(nèi)試驗和現(xiàn)場測試，無需投球即可實現(xiàn)擴眼工具切削塊的多次打開和關(guān)閉，具有安全、可靠的優(yōu)點。

目前常用的擴眼器主要有偏心式、機械式、液壓式，其中偏心式擴眼器對鉆具組合性能影響較大，井斜、方位變化難以預(yù)測，而且不能鉆套管內(nèi)的水泥塞；機械式擴眼器自身體積較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性較差；液壓式擴眼器需要足夠的流體壓力打開切削塊，限制了在深井、高泥漿粘度條件的應(yīng)用。擴眼工具面臨的最大問題是缺乏安全、可靠的技術(shù)手段來實現(xiàn)擴眼工具的多次打開和關(guān)閉。

在過去20年間，擴眼工具幾乎沒有任何變化，都是通過投球使工具打開、擴張，進行擴眼施工。七年前，技術(shù)人員對擴眼工具進行改進設(shè)計，增加了鎖緊功能。在現(xiàn)場應(yīng)用中，如果工具沒有鎖緊，一旦開泵循環(huán)，工具有可能重新打開，為了避免損壞套管，在起鉆過程中不能進行開泵循環(huán)。而且由于投球后鉆柱內(nèi)通道受限，不利于其它工具的下入使用，如MWD、LWD等工具，需要將工具起至地面更換。隨著井眼狀況越來越復(fù)雜，對擴眼工具的要求也越來越高，迫切需要一種安全、可靠，又不影響鉆井液循環(huán)的擴眼工具打開和關(guān)閉方式。

射頻識別技術(shù)擴眼工具大放光彩

無線射頻識別技術(shù)（Radio Frequency Identification，RFID），或稱射頻識別技術(shù)，是從二十世紀(jì)90年代興起的一項非接觸式自動識別技術(shù)。它是利用射頻方式進行非接觸雙向通信，以達到自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，具有精度高、適應(yīng)環(huán)境能力強、抗干擾強、操作快捷等許多優(yōu)點。它由電子標(biāo)簽（Tag）、閱讀器（Reader）和數(shù)據(jù)交換與管理系統(tǒng)（Processor）三大部分組成，標(biāo)簽進入磁場后，接收解讀器發(fā)出的射頻信號，憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲在芯片中的信息（Passive Tag，無源標(biāo)簽或被動標(biāo)簽），或者由標(biāo)簽主動發(fā)送某一頻率的信號（Active Tag，有源標(biāo)簽或主動標(biāo)簽），解讀器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統(tǒng)進行有關(guān)數(shù)據(jù)處理和操作。

自20世紀(jì)90年代以來，射頻識別技術(shù)在國內(nèi)外發(fā)展很快，RFID產(chǎn)品種類很多，像TI、Motorola、Philips、Microchip等世界著名廠家都生產(chǎn)RFID產(chǎn)品，并且各有特點，自成系列。RFID已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、商業(yè)自動化、交通運輸控制管理等眾多領(lǐng)域，例如汽車或火車等的交通監(jiān)控系統(tǒng)、高速公路自動收費系統(tǒng)、物品管理、流水線生產(chǎn)自動化、門禁系統(tǒng)、金融交易、倉儲管理、畜牧管理、車輛防盜等。隨著成本的下降和標(biāo)準(zhǔn)化的應(yīng)用，RFID技術(shù)的全面推廣和普遍應(yīng)用將是不可逆轉(zhuǎn)的趁勢，但在石油鉆井行業(yè)尚無相關(guān)應(yīng)用。

威德福公司率先將此技術(shù)應(yīng)用于擴眼工具，研發(fā)了具有雙重打開功能的RipTide™ RFID擴眼器，工具尺寸包括53/4、81/4、101/4、113/4、141/4、16in共計6種型號，最大擴眼尺寸為71/2～22in。它采用雙體設(shè)計，分為擴眼器本體和控制器短節(jié)，見圖1、圖2。在控制器內(nèi)部植入射頻標(biāo)簽閱讀器，編制切削塊控制程序，使切削塊既可以通過傳統(tǒng)的投球方式打開，也可以通過投入“打開或關(guān)閉”指令的電子射頻標(biāo)簽，實現(xiàn)切削塊的打開和關(guān)閉，見圖3、圖4。該技術(shù)具有以下優(yōu)勢：

具有多次激活打開、關(guān)閉功能  通過應(yīng)用射頻識別技術(shù)，可以實現(xiàn)擴眼工具的多次激活打開和關(guān)閉。尤其是專門針對某些井段如鹽膏層段擴眼時，該功能顯得特別重要。而且可以通過傳統(tǒng)的投球方式打開，具有雙重保險功能，大大提高了工具的可靠性。

可以開泵循環(huán)  如果對長井段進行隨鉆擴眼，會降低鉆井液性能。鉆至設(shè)計井深后，往往需要長時間循環(huán)，以恢復(fù)鉆井液性能。因此，如果鉆進一段后，關(guān)閉擴眼工具，然后開泵循環(huán)，有利于清除巖屑、保持鉆井液性能，避免長時間的循環(huán)、劃眼。

鉆柱內(nèi)通道不受限制  射頻識別技術(shù)不需要投球，因此不會對鉆柱內(nèi)通徑造成任何影響，可以將壓力損耗降至最低，而且不影響其它工具的下入。

可同時控制多個工具  應(yīng)用射頻識別技術(shù)可以為多個井下工具設(shè)置不同的電子標(biāo)簽，從而可以同時控制多個工具。為了實現(xiàn)長井段連續(xù)擴眼，可以一次性下入兩個擴眼工具，見圖5。先將1#擴眼器設(shè)置為激活打開狀態(tài)，2#擴眼器設(shè)置為關(guān)閉狀態(tài)；待1#擴眼器磨損后，投入“關(guān)閉”射頻標(biāo)簽將其關(guān)閉，然后將上部2#擴眼器激活打開，無需起出鉆柱即實現(xiàn)連續(xù)擴眼，大大提高了擴眼效率。擴眼完畢后，投入“關(guān)閉”指令射頻標(biāo)簽，關(guān)閉擴眼工具，循環(huán)泥漿，清潔井眼。

多項測試展示廣闊應(yīng)用前景

耐久性測試  目前射頻識別技術(shù)大多是在與地面條件下應(yīng)用，與之相反，井下工具必須能夠滿足惡劣的井下工作條件，井下高溫、鉆柱振動、沖擊等都將對射頻控制元件產(chǎn)生不利影響。因此在20℃和150℃條件下，對控制器的電池進行使用壽命測試，并在不同溫度條件下對工具進行多次打開、關(guān)閉測試，評估電池在井下的潛在使用壽命。

除此之后，還對儀器進行了20次靜水壓力測試，測試壓力為500～10000psi。另外專門將工具置于關(guān)閉狀態(tài)下，開泵循環(huán)18小時，然后重新激活打開，檢驗工具的可靠性。累計通過了32種不同的測試。

試驗井測試  在威德福位于休斯頓的實驗室中，利用一口井深1000ft的試驗井，將工具下入試驗井中，通過多次打開或關(guān)閉擴眼工具，對工具的可靠性進行檢驗。試驗表明，當(dāng)壓力為825～850psi時，泵入電子標(biāo)簽可以使擴眼工具處于長期打開狀態(tài)；壓力為435～450psi時，泵入電子標(biāo)簽使工具處于長期關(guān)閉狀態(tài)。每泵入一個“關(guān)閉”指令標(biāo)簽后，以低泵速循環(huán)，利用鉆井液的流動將標(biāo)簽帶出控制器。為了優(yōu)選最適合的標(biāo)簽結(jié)構(gòu)和泵入方式，分別對光標(biāo)簽、塑料保護套標(biāo)簽、鏢形標(biāo)簽等進行多次測試。

現(xiàn)場測試  在北達科他州馬拉松石油公司的Casey Edward井，對射頻標(biāo)簽控制工具進行了多次打開、關(guān)閉測試。在入井之前，先對工具進行了打開和關(guān)閉測試，確定了切削塊激活打開和關(guān)閉的壓差為300psi。入井鉆具組合見圖6，下至井深300ft時工具始終處于關(guān)閉狀態(tài)，然后泵入“激活打開”指令標(biāo)簽，地面監(jiān)測到壓降為300psi，表明工具已經(jīng)成功打開。鉆至完鉆井深后，泵入“關(guān)閉”指令標(biāo)簽，關(guān)閉工具。在整個試驗過程中，累計成功完成了8次打開和關(guān)閉操作，將井眼由121/4擴至131/2，與傳統(tǒng)擴眼工具相比，至少縮短施工時間5天以上。另外還在烏克蘭基輔和墨西哥Poza Rica分別完成了5000m和2500m的擴眼作業(yè)測試，結(jié)果表明工具可靠性強、能夠適應(yīng)井下的惡劣工作條件。

通過多次的室內(nèi)實驗和現(xiàn)場測試表明，應(yīng)用射頻識別技術(shù)可以實現(xiàn)井下擴眼工具的多次打開和關(guān)閉，具有靈活、安全、可靠性強的特點，而且不影響鉆柱內(nèi)通道，不會對旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具、MWD、LWD等井下工具造成不利影響。隨著射頻識別技術(shù)的進一步發(fā)展，相信在其它鉆井工具中也將具有廣闊的應(yīng)用前景。