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鉆井需求亟待擴(kuò)眼工具創(chuàng)新

隨著石油工業(yè)的發(fā)展，鉆井難度越來(lái)越大，特別在深井和超深井中，常會(huì)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(duì)更耐用、更可靠的管下擴(kuò)眼工具的需求。多數(shù)擴(kuò)眼工具通過(guò)投球來(lái)打開(kāi)和關(guān)閉擴(kuò)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(guò)。威德福公司創(chuàng)造性的將射頻識(shí)別技術(shù)應(yīng)用于擴(kuò)眼工具，從鉆柱內(nèi)泵入射頻電子標(biāo)簽，當(dāng)標(biāo)簽通過(guò)擴(kuò)眼工具時(shí)，向其發(fā)出激活打開(kāi)命令，工具內(nèi)植入的電子閱讀器自動(dòng)讀取并接受命令，實(shí)現(xiàn)切削塊的自動(dòng)打開(kāi)。所有的命令都儲(chǔ)存在工具內(nèi)的存儲(chǔ)器中，并可以隨時(shí)下載。目前已經(jīng)成功完成了多次室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，無(wú)需投球即可實(shí)現(xiàn)擴(kuò)眼工具切削塊的多次打開(kāi)和關(guān)閉，具有安全、可靠的優(yōu)點(diǎn)。

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

在過(guò)去20年間，擴(kuò)眼工具幾乎沒(méi)有任何變化，都是通過(guò)投球使工具打開(kāi)、擴(kuò)張，進(jìn)行擴(kuò)眼施工。七年前，技術(shù)人員對(duì)擴(kuò)眼工具進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，增加了鎖緊功能。在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，如果工具沒(méi)有鎖緊，一旦開(kāi)泵循環(huán)，工具有可能重新打開(kāi)，為了避免損壞套管，在起鉆過(guò)程中不能進(jìn)行開(kāi)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(lái)越復(fù)雜，對(duì)擴(kuò)眼工具的要求也越來(lái)越高，迫切需要一種安全、可靠，又不影響鉆井液循環(huán)的擴(kuò)眼工具打開(kāi)和關(guān)閉方式。

射頻識(shí)別技術(shù)擴(kuò)眼工具大放光彩

無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)（Radio Frequency Identification，RFID），或稱(chēng)射頻識(shí)別技術(shù)，是從二十世紀(jì)90年代興起的一項(xiàng)非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。它是利用射頻方式進(jìn)行非接觸雙向通信，以達(dá)到自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)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(qiáng)、抗干擾強(qiáng)、操作快捷等許多優(yōu)點(diǎn)。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(jìn)入磁場(chǎng)后，接收解讀器發(fā)出的射頻信號(hào)，憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲(chǔ)在芯片中的信息（Passive Tag，無(wú)源標(biāo)簽或被動(dòng)標(biāo)簽），或者由標(biāo)簽主動(dòng)發(fā)送某一頻率的信號(hào)（Active Tag，有源標(biāo)簽或主動(dòng)標(biāo)簽），解讀器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理和操作。

自20世紀(jì)90年代以來(lái)，射頻識(shí)別技術(shù)在國(guó)內(nèi)外發(fā)展很快，RFID產(chǎn)品種類(lèi)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(diǎn)，自成系列。RFID已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、商業(yè)自動(dòng)化、交通運(yùn)輸控制管理等眾多領(lǐng)域，例如汽車(chē)或火車(chē)等的交通監(jiān)控系統(tǒng)、高速公路自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)、物品管理、流水線生產(chǎn)自動(dòng)化、門(mén)禁系統(tǒng)、金融交易、倉(cāng)儲(chǔ)管理、畜牧管理、車(chē)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(shì)，但在石油鉆井行業(yè)尚無(wú)相關(guān)應(yīng)用。

威德福公司率先將此技術(shù)應(yīng)用于擴(kuò)眼工具，研發(fā)了具有雙重打開(kāi)功能的RipTide™ RFID擴(kuò)眼器，工具尺寸包括53/4、81/4、101/4、113/4、141/4、16in共計(jì)6種型號(hào)，最大擴(kuò)眼尺寸為71/2～22in。它采用雙體設(shè)計(jì)，分為擴(kuò)眼器本體和控制器短節(jié)，見(jiàn)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(guò)傳統(tǒng)的投球方式打開(kāi)，也可以通過(guò)投入“打開(kāi)或關(guān)閉”指令的電子射頻標(biāo)簽，實(shí)現(xiàn)切削塊的打開(kāi)和關(guān)閉，見(jiàn)圖3、圖4。該技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì)：

具有多次激活打開(kāi)、關(guān)閉功能  通過(guò)應(yīng)用射頻識(shí)別技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)眼工具的多次激活打開(kāi)和關(guān)閉。尤其是專(zhuān)門(mén)針對(duì)某些井段如鹽膏層段擴(kuò)眼時(shí)，該功能顯得特別重要。而且可以通過(guò)傳統(tǒng)的投球方式打開(kāi)，具有雙重保險(xiǎn)功能，大大提高了工具的可靠性。

可以開(kāi)泵循環(huán)  如果對(duì)長(zhǎng)井段進(jìn)行隨鉆擴(kuò)眼，會(huì)降低鉆井液性能。鉆至設(shè)計(jì)井深后，往往需要長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)，以恢復(fù)鉆井液性能。因此，如果鉆進(jìn)一段后，關(guān)閉擴(kuò)眼工具，然后開(kāi)泵循環(huán)，有利于清除巖屑、保持鉆井液性能，避免長(zhǎng)時(shí)間的循環(huán)、劃眼。

鉆柱內(nèi)通道不受限制  射頻識(shí)別技術(shù)不需要投球，因此不會(huì)對(duì)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(shí)控制多個(gè)工具  應(yīng)用射頻識(shí)別技術(shù)可以為多個(gè)井下工具設(shè)置不同的電子標(biāo)簽，從而可以同時(shí)控制多個(gè)工具。為了實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)井段連續(xù)擴(kuò)眼，可以一次性下入兩個(gè)擴(kuò)眼工具，見(jiàn)圖5。先將1#擴(kuò)眼器設(shè)置為激活打開(kāi)狀態(tài)，2#擴(kuò)眼器設(shè)置為關(guān)閉狀態(tài)；待1#擴(kuò)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(kuò)眼器激活打開(kāi)，無(wú)需起出鉆柱即實(shí)現(xiàn)連續(xù)擴(kuò)眼，大大提高了擴(kuò)眼效率。擴(kuò)眼完畢后，投入“關(guān)閉”指令射頻標(biāo)簽，關(guān)閉擴(kuò)眼工具，循環(huán)泥漿，清潔井眼。

多項(xiàng)測(cè)試展示廣闊應(yīng)用前景

耐久性測(cè)試  目前射頻識(shí)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(mǎn)足惡劣的井下工作條件，井下高溫、鉆柱振動(dòng)、沖擊等都將對(duì)射頻控制元件產(chǎn)生不利影響。因此在20℃和150℃條件下，對(duì)控制器的電池進(jìn)行使用壽命測(cè)試，并在不同溫度條件下對(duì)工具進(jìn)行多次打開(kāi)、關(guān)閉測(cè)試，評(píng)估電池在井下的潛在使用壽命。

除此之后，還對(duì)儀器進(jìn)行了20次靜水壓力測(cè)試，測(cè)試壓力為500～10000psi。另外專(zhuān)門(mén)將工具置于關(guān)閉狀態(tài)下，開(kāi)泵循環(huán)18小時(shí)，然后重新激活打開(kāi)，檢驗(yàn)工具的可靠性。累計(jì)通過(guò)了32種不同的測(cè)試。

試驗(yàn)井測(cè)試  在威德福位于休斯頓的實(shí)驗(yàn)室中，利用一口井深1000ft的試驗(yàn)井，將工具下入試驗(yàn)井中，通過(guò)多次打開(kāi)或關(guān)閉擴(kuò)眼工具，對(duì)工具的可靠性進(jìn)行檢驗(yàn)。試驗(yàn)表明，當(dāng)壓力為825～850psi時(shí)，泵入電子標(biāo)簽可以使擴(kuò)眼工具處于長(zhǎng)期打開(kāi)狀態(tài)；壓力為435～450psi時(shí)，泵入電子標(biāo)簽使工具處于長(zhǎng)期關(guān)閉狀態(tài)。每泵入一個(gè)“關(guān)閉”指令標(biāo)簽后，以低泵速循環(huán)，利用鉆井液的流動(dòng)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(duì)光標(biāo)簽、塑料保護(hù)套標(biāo)簽、鏢形標(biāo)簽等進(jìn)行多次測(cè)試。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試  在北達(dá)科他州馬拉松石油公司的Casey Edward井，對(duì)射頻標(biāo)簽控制工具進(jìn)行了多次打開(kāi)、關(guān)閉測(cè)試。在入井之前，先對(duì)工具進(jìn)行了打開(kāi)和關(guān)閉測(cè)試，確定了切削塊激活打開(kāi)和關(guān)閉的壓差為300psi。入井鉆具組合見(jiàn)圖6，下至井深300ft時(shí)工具始終處于關(guān)閉狀態(tài)，然后泵入“激活打開(kāi)”指令標(biāo)簽，地面監(jiān)測(cè)到壓降為300psi，表明工具已經(jīng)成功打開(kāi)。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(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，累計(jì)成功完成了8次打開(kāi)和關(guān)閉操作，將井眼由121/4擴(kuò)至131/2，與傳統(tǒng)擴(kuò)眼工具相比，至少縮短施工時(shí)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(kuò)眼作業(yè)測(cè)試，結(jié)果表明工具可靠性強(qiáng)、能夠適應(yīng)井下的惡劣工作條件。

通過(guò)多次的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明，應(yīng)用射頻識(shí)別技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)井下擴(kuò)眼工具的多次打開(kāi)和關(guān)閉，具有靈活、安全、可靠性強(qiáng)的特點(diǎn)，而且不影響鉆柱內(nèi)通道，不會(huì)對(duì)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(shí)別技術(shù)的進(jìn)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。