钻井需求亟待扩眼工具创新

随着石油工业的发展，钻井难度越来越大，特别在深井和超深井中，常会遇到狗腿、键槽和缩径等复杂情况，而且在深井钻井中要求下多层管柱，这就增加了对更耐用、更可靠的管下扩眼工具的需求。多数扩眼工具通过投球来打开和关闭扩眼器切削块，但由于钻柱内通道被投球限制，仅能容许钻井液通过。威德福公司创造性的将射频识别技术应用于扩眼工具，从钻柱内泵入射频电子标签，当标签通过扩眼工具时，向其发出激活打开命令，工具内植入的电子阅读器自动读取并接受命令，实现切削块的自动打开。所有的命令都储存在工具内的存储器中，并可以随时下载。目前已经成功完成了多次室内试验和现场测试，无需投球即可实现扩眼工具切削块的多次打开和关闭，具有安全、可靠的优点。

目前常用的扩眼器主要有偏心式、机械式、液压式，其中偏心式扩眼器对钻具组合性能影响较大，井斜、方位变化难以预测，而且不能钻套管内的水泥塞；机械式扩眼器自身体积较大、结构复杂、可靠性较差；液压式扩眼器需要足够的流体压力打开切削块，限制了在深井、高泥浆粘度条件的应用。扩眼工具面临的最大问题是缺乏安全、可靠的技术手段来实现扩眼工具的多次打开和关闭。

在过去20年间，扩眼工具几乎没有任何变化，都是通过投球使工具打开、扩张，进行扩眼施工。七年前，技术人员对扩眼工具进行改进设计，增加了锁紧功能。在现场应用中，如果工具没有锁紧，一旦开泵循环，工具有可能重新打开，为了避免损坏套管，在起钻过程中不能进行开泵循环。而且由于投球后钻柱内通道受限，不利于其它工具的下入使用，如MWD、LWD等工具，需要将工具起至地面更换。随着井眼状况越来越复杂，对扩眼工具的要求也越来越高，迫切需要一种安全、可靠，又不影响钻井液循环的扩眼工具打开和关闭方式。

射频识别技术扩眼工具大放光彩

无线射频识别技术（Radio Frequency Identification，RFID），或称射频识别技术，是从二十世纪90年代兴起的一项非接触式自动识别技术。它是利用射频方式进行非接触双向通信，以达到自动识别目标对象并获取相关数据，具有精度高、适应环境能力强、抗干扰强、操作快捷等许多优点。它由电子标签（Tag）、阅读器（Reader）和数据交换与管理系统（Processor）三大部分组成，标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的信息（Passive Tag，无源标签或被动标签），或者由标签主动发送某一频率的信号（Active Tag，有源标签或主动标签），解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理和操作。

自20世纪90年代以来，射频识别技术在国内外发展很快，RFID产品种类很多，像TI、Motorola、Philips、Microchip等世界著名厂家都生产RFID产品，并且各有特点，自成系列。RFID已被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域，例如汽车或火车等的交通监控系统、高速公路自动收费系统、物品管理、流水线生产自动化、门禁系统、金融交易、仓储管理、畜牧管理、车辆防盗等。随着成本的下降和标准化的应用，RFID技术的全面推广和普遍应用将是不可逆转的趁势，但在石油钻井行业尚无相关应用。

威德福公司率先将此技术应用于扩眼工具，研发了具有双重打开功能的RipTide™ RFID扩眼器，工具尺寸包括53/4、81/4、101/4、113/4、141/4、16in共计6种型号，最大扩眼尺寸为71/2～22in。它采用双体设计，分为扩眼器本体和控制器短节，见图1、图2。在控制器内部植入射频标签阅读器，编制切削块控制程序，使切削块既可以通过传统的投球方式打开，也可以通过投入“打开或关闭”指令的电子射频标签，实现切削块的打开和关闭，见图3、图4。该技术具有以下优势：

具有多次激活打开、关闭功能  通过应用射频识别技术，可以实现扩眼工具的多次激活打开和关闭。尤其是专门针对某些井段如盐膏层段扩眼时，该功能显得特别重要。而且可以通过传统的投球方式打开，具有双重保险功能，大大提高了工具的可靠性。

可以开泵循环  如果对长井段进行随钻扩眼，会降低钻井液性能。钻至设计井深后，往往需要长时间循环，以恢复钻井液性能。因此，如果钻进一段后，关闭扩眼工具，然后开泵循环，有利于清除岩屑、保持钻井液性能，避免长时间的循环、划眼。

钻柱内通道不受限制  射频识别技术不需要投球，因此不会对钻柱内通径造成任何影响，可以将压力损耗降至最低，而且不影响其它工具的下入。

可同时控制多个工具  应用射频识别技术可以为多个井下工具设置不同的电子标签，从而可以同时控制多个工具。为了实现长井段连续扩眼，可以一次性下入两个扩眼工具，见图5。先将1#扩眼器设置为激活打开状态，2#扩眼器设置为关闭状态；待1#扩眼器磨损后，投入“关闭”射频标签将其关闭，然后将上部2#扩眼器激活打开，无需起出钻柱即实现连续扩眼，大大提高了扩眼效率。扩眼完毕后，投入“关闭”指令射频标签，关闭扩眼工具，循环泥浆，清洁井眼。

多项测试展示广阔应用前景

耐久性测试  目前射频识别技术大多是在与地面条件下应用，与之相反，井下工具必须能够满足恶劣的井下工作条件，井下高温、钻柱振动、冲击等都将对射频控制元件产生不利影响。因此在20℃和150℃条件下，对控制器的电池进行使用寿命测试，并在不同温度条件下对工具进行多次打开、关闭测试，评估电池在井下的潜在使用寿命。

除此之后，还对仪器进行了20次静水压力测试，测试压力为500～10000psi。另外专门将工具置于关闭状态下，开泵循环18小时，然后重新激活打开，检验工具的可靠性。累计通过了32种不同的测试。

试验井测试  在威德福位于休斯顿的实验室中，利用一口井深1000ft的试验井，将工具下入试验井中，通过多次打开或关闭扩眼工具，对工具的可靠性进行检验。试验表明，当压力为825～850psi时，泵入电子标签可以使扩眼工具处于长期打开状态；压力为435～450psi时，泵入电子标签使工具处于长期关闭状态。每泵入一个“关闭”指令标签后，以低泵速循环，利用钻井液的流动将标签带出控制器。为了优选最适合的标签结构和泵入方式，分别对光标签、塑料保护套标签、镖形标签等进行多次测试。

现场测试  在北达科他州马拉松石油公司的Casey Edward井，对射频标签控制工具进行了多次打开、关闭测试。在入井之前，先对工具进行了打开和关闭测试，确定了切削块激活打开和关闭的压差为300psi。入井钻具组合见图6，下至井深300ft时工具始终处于关闭状态，然后泵入“激活打开”指令标签，地面监测到压降为300psi，表明工具已经成功打开。钻至完钻井深后，泵入“关闭”指令标签，关闭工具。在整个试验过程中，累计成功完成了8次打开和关闭操作，将井眼由121/4扩至131/2，与传统扩眼工具相比，至少缩短施工时间5天以上。另外还在乌克兰基辅和墨西哥Poza Rica分别完成了5000m和2500m的扩眼作业测试，结果表明工具可靠性强、能够适应井下的恶劣工作条件。

通过多次的室内实验和现场测试表明，应用射频识别技术可以实现井下扩眼工具的多次打开和关闭，具有灵活、安全、可靠性强的特点，而且不影响钻柱内通道，不会对旋转导向工具、MWD、LWD等井下工具造成不利影响。随着射频识别技术的进一步发展，相信在其它钻井工具中也将具有广阔的应用前景。