單代偉 李 奔 田 雨 文 濤

1.四川宏華石油設(shè)備有限公司 2.西南石油大學(xué) 3.中國石油長城鉆探工程公司裝備部4.中國石油川慶鉆探工程公司地質(zhì)勘探開發(fā)研究院

自從1962年，美國California石油公司和Bowen石油工具公司聯(lián)合研制的第一臺連續(xù)油管作業(yè)裝置（Coiled Tubing Unit，CTU）投入石油工業(yè)應(yīng)用至今，CT技術(shù)和CTU已經(jīng)歷了40多年的發(fā)展歷程。特別是20世紀90年代初，法國Elf公司利用CT技術(shù)進行老井加深，美國Oryx公司利用CT技術(shù)側(cè)鉆水平井以及Ensco公司利用CT技術(shù)進行欠平衡鉆井的試驗成功，極大地推動了連續(xù)油管鉆井（Coiled Tubing Drilling，CTD）技術(shù)的發(fā)展[1]。目前連續(xù)油管技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于鉆井、完井、采油、修井和集輸?shù)茸鳂I(yè)的各個領(lǐng)域，解決了許多常規(guī)作業(yè)技術(shù)和方式難以解決的問題，應(yīng)用效果明顯[2－7]。其中連續(xù)油管鉆井技術(shù)作為一項成本低、效率高、安全可靠的鉆井新技術(shù)，成為了鉆井領(lǐng)域的技術(shù)熱點[8]。在國內(nèi)，采用連續(xù)油管進行修井作業(yè)已有30多年的歷史，但所采用的連續(xù)油管設(shè)備大多是從國外進口的。近幾年，中國石油和中國石化相關(guān)科研院所通過技術(shù)引進和自主研發(fā)已經(jīng)成功開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的連續(xù)油管作業(yè)車[9]，但到目前為止我國還沒有開發(fā)出用于鉆井的專用連續(xù)油管鉆機[10]。

早期由于沒有專用的連續(xù)油管鉆機，常采用連續(xù)油管作業(yè)機進行老井重鉆，這時往往需要一臺修井機準備鉆前工作或配合進行下尾管和取出生產(chǎn)油管等作業(yè)。在鉆新井時，也需要一臺常規(guī)鉆機鉆開表層井眼和下套管。這就導(dǎo)致在鉆井過程中需要準備兩套鉆機，并在連續(xù)油管作業(yè)機和常規(guī)鉆機之間進行轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致作業(yè)效率低。為了提高連續(xù)油管鉆井的效率，在20世紀90年代后期，人們就提出了將連續(xù)油管鉆機和常規(guī)鉆機復(fù)合的想法，即復(fù)合連續(xù)油管鉆機[11－13]。為了滿足國內(nèi)外鉆井市場對連續(xù)油管鉆機的需求，四川宏華石油設(shè)備有限公司與西南石油大學(xué)合作成功研發(fā)了國內(nèi)首臺CTR120／300復(fù)合連續(xù)油管鉆機。

1 復(fù)合連續(xù)油管鉆機的總體方案

為了使得連續(xù)油管鉆機能滿足全過程鉆井和下套管作業(yè)的要求，CTR120／300復(fù)合連續(xù)油管鉆機將連續(xù)油管裝置和帶動力水龍頭的常規(guī)鉆井裝置集成在一起，鉆井過程中采用常規(guī)鉆井設(shè)備鉆進表層井段和下套管作業(yè)，采用連續(xù)油管鉆井設(shè)備進行表層以下的鉆井作業(yè)。鉆機在門型井架上設(shè)計了一段水平導(dǎo)軌，注入頭安裝在水平導(dǎo)軌上，一對液缸推動注入頭底座在水平導(dǎo)軌上滑動，從而實現(xiàn)注入頭移動到井眼軸線和遠離井眼軸線的動作。當注入頭移動到井眼上方時，可以進行連續(xù)油管作業(yè)；當注入頭移離井眼位置時，由動力水龍頭（或頂驅(qū)）占據(jù)井眼位置，則可進行常規(guī)鉆井和下套管作業(yè)。CTR120／300復(fù)合連續(xù)油管鉆機還配備全套的自動化管子處理裝置、輕便鐵鉆工、自動液壓卡瓦等機具，以減少鉆臺面的作業(yè)量，不僅能降低工人勞動強度，更能減少潛在事故的發(fā)生。為了提高連續(xù)油管鉆機的移運性，鉆機的主要設(shè)備設(shè)計在3臺拖掛單元上，分別是連續(xù)油管井架底座拖掛單元、連續(xù)油管滾筒拖掛單元和機械手拖掛單元（圖1）。

圖1 CTR120／300復(fù)合連續(xù)油管鉆機圖

2 鉆機的基本參數(shù)

名義鉆井深度范圍（114.3mm 鉆桿）2 000m；最大大鉤載荷（8繩）1 350kN；鉆井鋼絲繩直徑29 mm；滾筒容量3 000m（73.02mm 連續(xù)油管），2 000m（88.9mm 連續(xù)油管）；注入頭提升力534 kN；注入頭注入力267kN；注入頭最大提升速度48 m／min；絞車額定輸入功率450kW；門型井架凈空高18.5m；鉆臺高度4.5m；鉆臺面積5.7m×3.555m；轉(zhuǎn)盤梁凈空高4.1m。

3 廠內(nèi)鉆機鉆井試驗

3.1 試驗?zāi)康?/h3>

圖2 CTR120／300復(fù)合連續(xù)油管鉆機試驗現(xiàn)場圖

2010年，在四川宏華石油設(shè)備有限公司廣漢廠區(qū)，對CTR120／300復(fù)合連續(xù)油管鉆機進行了鉆井試驗（圖2），試驗的目的：①初步掌握連續(xù)油管鉆井工藝；②驗證連續(xù)油管鉆機各部件是否滿足設(shè)計要求，為相關(guān)設(shè)備和零部件的改進提供依據(jù)；③考察采用連續(xù)油管鉆井是否能顯著提高鉆井速度；④考察88.9 mm連續(xù)油管在215.9mm井眼的鉆進過程中，連續(xù)油管是否能提供相應(yīng)的鉆壓和承受鉆頭的反扭矩；⑤考察連續(xù)油管鉆井過程中井眼的清洗情況。

3.2 鉆井試驗的基本情況

鉆井前挖好方井并安裝450mm導(dǎo)管和開好溢流口，為第一次開鉆和第二次開鉆鉆井液循環(huán)做好準備。開鉆前表層套管、鉆具、工具到位，鉆井液水化時間達到24h并處理完成，密度1.05g／cm3，漏斗黏度大于40s；全套設(shè)備試運轉(zhuǎn)正常，表層固井水泥及固井車輛到位后方可開鉆。

第一次開鉆主要鉆遇未成巖的沖積砂和卵石層，采用常規(guī)鉆桿鉆井，采用311.2mm鉆頭，鉆至井深64m，下入244.5mm的表層套管，封隔易塌、易漏和區(qū)域水層，保護地下水層。

第二次開鉆進行連續(xù)油管鉆井試驗（圖3），215.9mm鉆頭鉆達設(shè)計試驗井深350m。主要鉆遇泥巖、頁巖和砂巖。鉆井參數(shù)：鉆壓為20～30kN，排量為18～20L／s，泵壓為3～5MPa。鉆井液參數(shù)：密度為1.05～1.15g／cm3，漏斗黏度為38～40s，API失水量為5mL，泥餅厚度為0.5mm。鉆具組合：215.9mm鉆頭＋165.1mm螺桿鉆具＋431×4A0接頭＋5根152.4mm鉆鋌＋4A1×310接頭＋120.65mm馬達頭總成＋139.7mm連接器＋88.9mm連續(xù)油管。

圖3 連續(xù)油管鉆井下部鉆具組合圖

3.2.1 連續(xù)油管

鉆機配套美國Tenaris公司的90級連續(xù)油管，外徑為88.9mm；內(nèi)徑為78.53mm；壁厚為5.18mm；長度為2 000m；重量為10.7kg／m；最小屈服極限為620MPa；內(nèi)部最小屈服壓力為68.26MPa；扭矩屈服極限為18.6kN·m。

3.2.2 連續(xù)油管連接器

連續(xù)油管鉆井需要通過連續(xù)油管連接器連接各種井下工具，此次配套的是螺釘凹坑式連續(xù)油管連接器。該連接器一端和連續(xù)油管連接，另一端的螺紋接頭與其他井下工具連接（圖3）。連接前，通過連接器和凹坑螺釘在連續(xù)油管末端的管壁上預(yù)先壓制出相應(yīng)的凹坑，再通過球頭螺釘壓入凹坑，從而將連接器固定在連續(xù)油管末端。球頭螺釘需要扭緊至規(guī)定的扭矩，確保連接器與連續(xù)油管的連接安全可靠，能承受鉆井時的沖擊和振動。

3.2.3 馬達頭總成

馬達頭總成是集成了幾種井下工具的短節(jié)，通常將止回閥、丟手短節(jié)和循環(huán)短節(jié)集成在一起，集成后的工具長度更短（圖3），減少了現(xiàn)場連接次數(shù)。止回閥在馬達頭總成的最上端，用來阻止鉆井液倒流進入連續(xù)油管。丟手短節(jié)通常安裝在止回閥之下，在下部鉆具組合卡死的情況下，通過投球的方式能斷開連續(xù)油管與下部鉆具組合的連接，上提連續(xù)油管后就可開始打撈作業(yè)。循環(huán)短節(jié)位于馬達頭總成的最下端，當下部鉆具被埋或鉆頭水眼堵塞時，通過循環(huán)短節(jié)來建立鉆井液循環(huán)通道。

4 連續(xù)油管鉆井試驗分析

4.1 鉆壓

本次試驗過程中，注入頭載荷變化不規(guī)則，未能準確反映施加在鉆頭上的鉆壓，需要依靠鉆井泵泵壓的變化來判斷鉆壓的施加情況。分析認為：連續(xù)油管的不旋轉(zhuǎn)使其與井壁產(chǎn)生無規(guī)律的滑動摩擦，導(dǎo)致從注入頭懸重表測量的鉆壓數(shù)據(jù)不準確。因此，連續(xù)油管鉆井應(yīng)在下部鉆具組合增加測量短節(jié)，從井底直接測量鉆壓，以消除連續(xù)油管與井壁摩擦對鉆壓測量的影響。在連續(xù)油管定向鉆井中，連續(xù)油管與井壁的隨機接觸情況更加復(fù)雜，從井底測量鉆壓尤為必要。

4.2 井眼清洗情況

連續(xù)油管鉆進因上部管柱不旋轉(zhuǎn)，有效地清洗井眼的鉆井液環(huán)空返速要求更高，特別是鉆定向井。巖屑容易沉降在井眼低邊形成巖屑床，這增大了連續(xù)油管與井壁的摩擦力，甚至導(dǎo)致管柱在井眼中屈曲鎖死。根據(jù)有關(guān)文獻資料[14]，垂直井段鉆進時，如果環(huán)空返速能大于36.57m／min，則能確保井眼清洗良好。在鉆斜井和水平井時，鉆井液環(huán)空返速至少為73.15m／min。

本次215.9mm垂直井眼段的鉆進試驗，按鉆井泵排量為18.5L／s時計算環(huán)空返速就達到36.57 m／min，實際鉆井中鉆井泵排量在17～20L／s，井眼清洗情況良好（圖4）。

4.3 鉆進深度測量

圖4 返回的井底巖屑圖

此次鉆井試驗，注入頭和滾筒上深度測量傳感器為接觸式傳感器，鉆進過程的連續(xù)油管長度測量誤差較大，而在起下鉆記錄深度比較準確。試驗采用的是三牙輪鉆頭，三牙輪鉆頭是通過沖擊破碎的方式實現(xiàn)破巖的，鉆進過程中引起了連續(xù)油管較強烈的振動，特別是在鉆頭鉆遇軟硬交錯地層時，振動更為明顯，連續(xù)油管的振動從井下傳到地面，導(dǎo)致連續(xù)油管的深度測量出現(xiàn)較大誤差。鉆井過程中，井下連續(xù)油管處于屈曲失穩(wěn)狀態(tài)，在溫度、壓力、軸力和扭矩的作用下亦會產(chǎn)生相應(yīng)的變形，即使是地面?zhèn)鞲衅鳒y量精度高也很難準確掌握鉆頭的鉆進深度。所以，在連續(xù)油管進行老井開窗側(cè)鉆作業(yè)中，可以在下部鉆具組合中增加套管接箍定位器以便準確的確定鉆頭的深度。在已知區(qū)塊采用連續(xù)油管鉆新井則可在BHA中增加自然伽馬（gamma）傳感器，通過測量地層的自然伽馬來校準鉆頭的深度[15]。

4.4 起下鉆分析

連續(xù)油管鉆井的一大優(yōu)點就是起下鉆無需接單根。在現(xiàn)場進行連續(xù)油管起下鉆時平均速度為0.16 m／s（576m／h）（圖5）。而常規(guī)鉆井時，如果5min起下一根立根（27m），則起下鉆速度也僅為324m／h，因此在鉆井試驗中連續(xù)油管起下鉆速度是常規(guī)鉆桿起下鉆速度的1.78倍。考慮到連續(xù)油管注入頭的最大提升速度是0.8m／s，因此在保證起下鉆安全的情況下，連續(xù)油管起下鉆速度可以達到常規(guī)鉆桿起下鉆速度的3倍。

圖5 連續(xù)油管鉆機與教學(xué)鉆機起下鉆速度對比圖

4.5 機械鉆速分析

在相同地質(zhì)狀況和用同一臺鉆井泵的情況下，將連續(xù)油管鉆機與相距35.6m處宏華2號教學(xué)鉆機（ZJ40DBS鉆機＋頂驅(qū)）的鉆井情況進行對比如下：

1）連續(xù)油管鉆機全井純鉆38.68h，全井平均機械鉆速9.05m／h，宏華2號教學(xué)鉆機全井段平均機械鉆速1.93m／h，連續(xù)油管鉆機的全井段機械鉆速是宏華2號教學(xué)鉆機的4.69倍。

2）連續(xù)油管的215.9mm井眼段鉆進，進尺為285.74m，純鉆時間為27.40h，機械鉆速為10.42m／h。而采用宏華2號教學(xué)鉆機鉆的215.9mm井眼段平均機械鉆速僅為2.03m／h。因此在215.9mm井眼的鉆進中，連續(xù)油管鉆機的機械鉆速是教學(xué)鉆機機械鉆速的5.1倍（圖6）。

圖6 連續(xù)油管鉆機與教學(xué)鉆機機械鉆速對比圖

從圖6對比數(shù)據(jù)可以看出，連續(xù)油管鉆井因不需要接鉆桿，能實現(xiàn)鉆井液的連續(xù)循環(huán)，從而獲得了更高的機械速度。如果配備完善的井下工具，司鉆人員也具備豐富的連續(xù)油管鉆井經(jīng)驗，那么鉆井速度勢必會進一步提高。

5 結(jié)束語

通過廠內(nèi)的鉆井試驗，驗證了CTR120／300連續(xù)油管鉆機總體性能符合設(shè)計要求，88.9mm連續(xù)油管能滿足215.9mm井眼鉆進要求，而且連續(xù)油管鉆井與常規(guī)鉆井相比具有起下鉆速度快、鉆速高等優(yōu)點。CTR120／300連續(xù)油管鉆機的成功研制，填補了國內(nèi)在該類型鉆機上的空白。

目前，我國各油氣田已進入開發(fā)中后期，急需開展老井挖潛增效、難動用儲量開采等工作，而且我國淺層石油天然氣、煤層氣、頁巖氣資源豐富，這些都為連續(xù)油管鉆井技術(shù)提供了廣闊的發(fā)展空間和潛在市場[16]。目前國內(nèi)連續(xù)油管鉆機的研制與生產(chǎn)還沒有形成規(guī)模，并且缺乏連續(xù)油管鉆井相配套井下工具，特別是隨鉆測量和導(dǎo)向工具，在連續(xù)油管開窗側(cè)鉆和連續(xù)油管定向井鉆井等方面也缺乏現(xiàn)場的實踐經(jīng)驗。筆者認為國內(nèi)相關(guān)科研機構(gòu)和鉆井公司應(yīng)積極開展相關(guān)領(lǐng)域的研究工作，共同推動連續(xù)油管鉆井技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用和發(fā)展。

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