摘要
随钻扩孔是大洋钻探跟管钻进工艺的关键技术环节，扩张式随钻扩孔器通过压差控制刀翼的张开和闭拢，扩孔率大，可有效实现套管跟管钻进。设计了悬臂式扩孔器，采用偏置式喷射孔布置对刀翼进行冲刷，运用计算流体力学理论，采用标准k-湍流模型，对喷射孔在不同角度和直径下的流场进行模拟分析。模拟结果表明：作用于扩孔刀翼切削齿的流体速度和动压力受喷射孔角度、直径和环空钻井液综合影响；随着喷射孔角度α从40°递增至90°，作用于切削齿的流体速度呈类余弦曲线变化；随着喷射孔直径d从4 mm增大到10 mm，作用于切削齿的流体速度和动压力呈抛物线型变化；综合考虑冲刷效果、加工性能和喷射流体与环空钻井液的相互作用，优选α=70°、d=8 mm。陆地试验和浅海试验证明，扩张式随钻扩孔器结构功能可行，扩孔尺寸满足套管正常跟管钻进需求，优选的喷射孔角度和直径可对刀翼形成良好冲刷，有效防止泥包产生。研究成果可为大洋钻探不同规格的随钻扩孔器设计提供参考依据。
为提高大洋钻探浅部孔壁稳定性和施工效率，在海底泥面至稳定地层间采用跟管钻进工艺边钻孔边下套管，一趟钻完成钻孔及护壁，既可解决孔壁长期裸露发生缩颈或坍塌问题，还能大大提高施工效率。2017年在我国南海实施的IODP 367航次，在U1499B和U1500B钻孔内采用跟管钻进工艺下入套管长度分别为651 m和842 m，钻孔尺寸为123/4in（1 in=25.4 mm，下同），套管尺寸为103/4 i
扩张式随钻扩孔器的驱动方式通常可分为投球、压差和射频识别3种，其中压差和射频识别是刀翼控制的2个主要发展方向。大洋钻探跟管钻进工艺其动力来自孔底螺杆马达，而随钻扩孔器位于螺杆马达以下，故其扩孔刀翼的开闭需要通过液压压差的方式进行，NOV公司的Anderreamer、Schlumberger公司的Rhino XC、Halliburton公司的U
图1 Bakersfeild公司的Gaugemaster Drille
Fig.1 Gaugemaster Drille
大洋钻探用随钻扩孔器的结构设计依据跟管钻进的工艺需求制定。跟管钻进利用海水深度，提前将套管柱下放到海水里，最上面1根套管固定到月池盖板上，然后，在套管柱内依次连接并下放钻具组合，钻具组合自下而上依次为领眼钻头、扩张式随钻扩孔器、扶正器、螺杆马达、钻铤和钻杆。随钻扩孔器刀翼位于套管柱以下，保证扩孔刀翼张开后与套管柱下端不发生干涉，跟管钻进套管柱与钻具组合如
图2 套管柱与钻具组合示意
Fig.2 Connection of the casing string and BHA
基于以上工艺需求和钻具组合，扩张式随钻扩孔器利用压差进行激活，开泵后随着液压力的增大扩孔刀翼打开，停泵后液压力减小，扩孔刀翼闭拢。如
图3 扩张式随钻扩孔器结构示意
Fig.3 Structural diagram of the expandable underreamer
刀翼为悬臂结构，槽深自上而下逐渐递减，满足凸块随中心杆下移过程将刀翼推出扩孔。刀翼侧面设有限位台，限位台与固定到外壳体上的限位块碰触对刀翼进行径向限位。闭拢时凸块上移至闭拢锁定面，可将刀翼收回并锁紧，防止提钻过程刀翼张开。切削齿选择PDC复合片可满足海底多样性沉积地层的扩孔钻进。刀翼本体分3段焊接PDC，分别为小切削齿段、保径齿段和大切削齿段，3段布齿可满足造台阶和正常扩孔钻进对孔壁的切削。圆周均布的3个刀翼，分别在3段进行圆周互补，防止扩孔孔壁不光滑。刀翼结构如
图4 刀翼结构
Fig.4 Reaming arms
随钻扩孔器喷射孔的布置方式通常有2种：偏置式和后置
图5 偏置式和后置式喷射液流方向示意
Fig.5 Schematic diagram of offset and back jet flow directions
2种布置方式各有优缺点，偏置式布置钻井液分流角度与管内流体方向基本一致，分流速度较大，但喷出后与环空返浆方向相反，对钻井液上返有一定影
模型由中心杆和刀翼组成，中心杆上端设置流体入口，A组喷射孔、B组喷射孔和流体出口。由于工作状态下3个扩孔翼板旋转为一个圆锥台，且从A组喷射孔喷射出的流体同时受到孔壁的阻挡，因此模型将3个扩孔翼板边界简化为圆锥台，既可对喷射流体进行边界限定，又可将模型简化，如
图6 简化物理模型
Fig.6 Simplified physical model
由于A组喷射孔尺寸远小于中心轴和翼板，因此对喷射孔部分进行局部网格加密，如
图7 网格模型
Fig.7 Mesh model
入口边界定义为质量流动速率入口，入口流速为47 m/s，入口压力为3 MPa，水力直径为26 mm，根据雷诺数计算公式得到，本次流动雷诺数为1.21×1
根据结构尺寸选定A组喷射孔直径为4~10 mm、A组喷射孔轴线与中心杆轴线夹角α为40°~90°进行模拟分析。通过模拟分析作用在刀翼切削刃上的流体速度，数值越大证明对刀翼的冲刷效果越好，“泥包”产生的可能小越小，因而越有利于扩孔效率的提高。为简化分析过程，首先将A组喷射孔直径作为定量值，在直径不变的情况下，分析角度变化后作用在刀翼边界的流体速度变化规律，优选A组喷射孔的角度。以优选出的角度为定量值，直径为变量值再次进行模拟分析，在给定的范围内优选A组喷射孔的直径。
初步选定A组喷射孔的直径为8 mm，考虑喷射孔的实际加工性能，选定α角度从40°~90°的物理模型，共构建8个物理模型。A组喷射孔的角度和位置设置原则为：无论角度如何变化，通过改变喷射孔在中心杆上的位置，保证流体喷出后均能喷射到切削齿上，区别为不同角度喷射出的流体作用在切削齿上的速度不同。
图8 不同角度喷射孔流体轴向速度云图
Fig.8 Velocity cloud chart of jet flows at different angles
图9 不同角度下喷射孔固定点a横截面速度云图
Fig.9 Cross‑section velocity cloud chart of a fixed point “a” of the jet port at different angles
图10 不同角度下的流体轴向速度曲线和a-b横截面平均速度曲线
Fig.10 Fluid axial velocity curve and the a-b cross section average velocity curve at different angles
对比不同角度下作用于切削齿位置的流体速度曲线和喷射孔出口a-b截面的平均速度曲线，可直观得到速度变化规律一致。50°为8种角度下速度的最小值，70°为最大值。通过对喷射孔内流体速度矢量图（见
图11 流体速度矢量图
Fig.11 Fluid velocity vector diagram
根据角度模拟结果，选择α=70°进行直径优选。根据中心杆的结构尺寸，预设喷射孔A的直径为4~10 mm，对不同直径喷射孔作用于切削齿的流场进行模拟分析。
图12 不同直径喷射孔流体速度云图
Fig.12 Fluid velocity cloud chart of the jet ports with different diameters
图13 不同直径流体速度曲线和动压力曲线
Fig.13 Velocity curves and the dynamic pressure curves of fluids with different diameters
从
对喷射孔内出口固定点a点的横截面a-b通过的流体平均流速进行分析，得出了不同直径下喷射孔内流速的相对变化（见
图14 不同直径喷射孔固定点a横截面速度云图和曲线
Fig.14 Cross section velocity chart and curve of different diameter jet ports at a fixed point “a”
为验证跟管钻进工艺和器具的可行性，分别进行了陆地试验和浅海试验。
陆地试验地点为山东沿海区域，其地层情况与海底沉积层相似，以泥沙、粘土为主，伴有粉砂、细砂。陆地试验主要测试扩孔器的功能性，分别对喷射孔为5 mm和8 mm，角度为70°的随钻扩孔器进行测试。测试结果如
图15 喷射孔为5 mm和8 mm的试验效果
Fig.15 Test results for 5mm and 8mm jet ports
在陆地试验成功的基础上，搭载“海洋地质十号船”于2020年12月在南海的北部湾东方海域开展了浅海试验。本次试验站点水深为63.63 m，经前期取心勘察，地层基本为泥沙混合，粘土较多，其次为细砂、粉砂，偶含粒径30~80 mm卵石或贝壳。
钻具组合如下：
套管柱组合：套管鞋+Ø244.5 mm套管+套管尾节+Ø2500 mm泥垫+Ø2500 mm重入锥+套管挂。
内钻具组合：Ø216 mm PDC领眼钻头+Ø216 mm/Ø311 mm随钻扩孔器+Ø172 mm螺杆马达+Ø178 mm钻铤+Ø127 mm钻杆+送入工具内挂总成。
本次海试随钻扩孔器的喷射孔参数为d=8 mm，α=70°，共进行3个轮次的跟管钻进试验，跟管长度分别为54、41和28 m，平均钻进速度约为1 m/min，在第3次完成套管跟管长度为28 m后，上提钻具解锁，解锁压力8 MPa，顺利提出内钻具组合完成跟管（见
图16 提出孔外的随钻扩孔器
Fig.16 Underreamer out of the hole
（1）扩孔器的扩孔效果直接影响跟管效率，而扩孔效果受扩孔刀翼的清洁程度直接影响，合理的喷射孔角度和直径设置是防止刀翼形成泥包保证刀翼清洁度的关键参数指标。
（2）通过模拟比较了8种喷射角度和和7种直径的喷射孔流场，从流速和动压力云图及曲线可看出，对于扩张式随钻扩孔器，作用于扩孔刀翼切削齿的流体速度和动压力受喷射孔角度、直径和环空钻井液的综合影响。喷射孔角度和直径的变化与喷射速度呈非线性关系，通过有限元分析可对多种参数下的流场进行模拟分析，优选参数进而优化结构设计。
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