韓秀明

(中石化石油工程機(jī)械有限公司 湖北 荊州 434024 )

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·綜 述·

淺談連續(xù)油管技術(shù)的現(xiàn)狀與展望

韓秀明

(中石化石油工程機(jī)械有限公司 湖北 荊州 434024 )

文章主要通過對(duì)連續(xù)油管作業(yè)的主要設(shè)備和配套工具的發(fā)展情況以及專利技術(shù)的研究，闡述了連續(xù)油管技術(shù)的現(xiàn)狀，并對(duì)連續(xù)油管技術(shù)的發(fā)展提出一些建議。

連續(xù)油管；鉆井；工具；滾筒；注入頭

0 引 言

連續(xù)油管技術(shù)可追溯到二戰(zhàn)期間為盟軍從海底輸送戰(zhàn)略能源的“海底管線”項(xiàng)目，戰(zhàn)后該技術(shù)逐步向民用技術(shù)發(fā)展，到1962年現(xiàn)代連續(xù)油管技術(shù)開始應(yīng)用于石油工業(yè)，經(jīng)過50多年的發(fā)展連續(xù)油管技術(shù)從僅用于簡(jiǎn)單修井作業(yè)發(fā)展到廣泛應(yīng)用階段[1]。我國(guó)于1977年引進(jìn)了第一臺(tái)Bowen Oil Tool公司連續(xù)油管作業(yè)設(shè)備，并在四川油田成功應(yīng)用于氣井小型酸化、沖砂、解卡等簡(jiǎn)單作業(yè)。隨著連續(xù)油管技術(shù)的發(fā)展，目前已廣泛應(yīng)用于鉆井、完井、采油、修井和集輸?shù)雀鱾€(gè)作業(yè)領(lǐng)域。實(shí)踐表明，連續(xù)油管作業(yè)技術(shù)與裝備是一項(xiàng)具有巨大潛力的實(shí)用性技術(shù),尤其是專用設(shè)備的出現(xiàn)與改進(jìn)更加推動(dòng)了連續(xù)油管在石油領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。目前，國(guó)內(nèi)石油領(lǐng)域中連續(xù)油管的應(yīng)用正處于一個(gè)快速發(fā)展階段，在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用具有很大的發(fā)展空間。

1 連續(xù)油管設(shè)備組成

連續(xù)油管作業(yè)機(jī)是連續(xù)油管鉆井的核心裝備，包括動(dòng)力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、井控系統(tǒng)、注入頭和連續(xù)油管卷筒等5大部分，如圖1所示。

圖1 連續(xù)油管作業(yè)機(jī)

連續(xù)油管注入頭是地面設(shè)備的關(guān)鍵部件之一，主要作用是提供推、拉起連續(xù)油管和載重，已基本實(shí)現(xiàn)系列化[2]。注入頭由兩臺(tái)同步的可反向旋轉(zhuǎn)的液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)鏈條，以帶動(dòng)夾塊夾住連續(xù)油管上下移動(dòng)，并可以通過更換夾持塊以適應(yīng)不同口徑尺寸的連續(xù)油管，是連續(xù)油管注入頭的關(guān)鍵部位。卷筒由筒芯和邊凸緣組成，為焊接的鋼結(jié)構(gòu)，采用液壓驅(qū)動(dòng)形式，用以均勻地纏繞連續(xù)油管，其中卷筒的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)是滾筒容量，決定所能纏繞連續(xù)油管的長(zhǎng)度和直徑的大小。目前最新型的滾筒裝置具有可升降機(jī)構(gòu)，能有效地解決了道路對(duì)滾筒凸緣外徑尺寸的限制，進(jìn)而使?jié)L筒容量達(dá)到最大?？刂剖疑涎b有控制系統(tǒng)，用于控制注入頭、卷筒、泥漿泵、防噴器和節(jié)流管匯的工作。地面設(shè)備的控制系統(tǒng)由過去的手動(dòng)液壓閥操作方式，發(fā)展到今天的電-液控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，提高了其可控性和安全、可靠性。連續(xù)油管是一種高強(qiáng)度高韌性管材，是連續(xù)油管鉆井作業(yè)氣、液傳輸?shù)耐ǖ溃涑叽绾托阅苤苯佑绊戇B續(xù)油管鉆井技術(shù)的適用范圍。目前美國(guó)有三家連續(xù)油管制造公司，即精密油管技術(shù)公司、優(yōu)質(zhì)油管公司和西南管材公司，用以制造連續(xù)油管的材料主要有碳素鋼、調(diào)質(zhì)鋼和稀有材料3種。隨著材料技術(shù)的發(fā)展，目前已開發(fā)了抗腐蝕性連續(xù)油管，提高其在酸性氣體環(huán)境油氣藏開發(fā)中應(yīng)用的安全系數(shù)。與常規(guī)鉆井一樣，連續(xù)油管鉆井中的主要井控設(shè)備也是防噴器組，它是由全封閉閘板、剪切式閘板、帶卡瓦閘板和半封閉式閘板組成。

2 連續(xù)油管作業(yè)及作業(yè)工具簡(jiǎn)介

目前，世界上較大的連續(xù)油管作業(yè)供應(yīng)商主要有美國(guó)的哈里伯頓公司、Hydra Rig公司、加拿大DRECO能源公司等?？傮w來說，過去的50余年，地面設(shè)備多樣化得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，CTU可分為常規(guī)型和復(fù)合型兩種型式，以適應(yīng)不同的作業(yè)用途、工況和道路條件的要求。其中，常規(guī)型主要有用于陸上的拖車式和車裝式，及用于海洋作業(yè)的橇裝式。為了適應(yīng)特殊作業(yè)各連續(xù)油管商相繼開發(fā)了多種專用連續(xù)油管設(shè)備，例如用于特殊環(huán)境的全封閉式作業(yè)機(jī)和駁船式作業(yè)機(jī)等，不斷豐富地面設(shè)備的種類。

連續(xù)油管技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展和其配套工具的創(chuàng)新是密不可分的，同時(shí)其發(fā)展速度影響連續(xù)油管技術(shù)的進(jìn)步。連續(xù)油管作業(yè)配套工具分為通用工具和專用工具[3]。一臺(tái)連續(xù)油管作業(yè)機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)工具串部件包括連接器、震擊器、加速器、加重桿、萬向節(jié)、扶正器、安全閥、循環(huán)閥、丟手接頭、馬達(dá)頭和井下馬達(dá)等。

標(biāo)準(zhǔn)工具串是完成所有連續(xù)油管作業(yè)的必備基礎(chǔ)工具，可根據(jù)不同作業(yè)工藝要求選擇不同的組成，其組合影響連續(xù)油管鉆井作業(yè)的效率。井下動(dòng)力工具一般是采用容積式馬達(dá)，主要有三種類型：高速低扭矩、中速中扭矩和低速高扭矩，其中低速高扭矩馬達(dá)適合于TSD鉆頭和天然金剛石鉆頭，中速中扭矩馬達(dá)適合PDC鉆頭；常用的鉆頭有TSP、天然金剛石鉆頭和PDC鉆頭，要求鉆頭能在低鉆壓、高轉(zhuǎn)速下應(yīng)具有足夠的破巖能力；在鉆定向井和水平井過程中，必須用定向工具來調(diào)整底部鉆具組合的工具面方位；連續(xù)油管適配器將連續(xù)油管和底部鉆具組合聯(lián)接起來，主要作用是承受扭矩，處理下部鉆具組合的振動(dòng)，以確保連續(xù)油管免遭損壞。此外，連續(xù)油管還配備了緊急分離機(jī)構(gòu)，當(dāng)下部鉆具組合發(fā)生井下事故，則使用分離機(jī)構(gòu)使連續(xù)油管與下部鉆具組合分離，目前使用的分離機(jī)構(gòu)主要有液壓和剪切機(jī)構(gòu)兩種。

3 國(guó)外連續(xù)油管技術(shù)發(fā)展與現(xiàn)狀

目前世界上研究和應(yīng)用連續(xù)油管鉆井技術(shù)的公司集中在一些發(fā)達(dá)國(guó)家,其中美國(guó)的連續(xù)油管技術(shù)處領(lǐng)先地位。隨著連續(xù)油管技術(shù)和材料技術(shù)的進(jìn)步，其鉆井深度不斷增加，連續(xù)油管的直徑規(guī)格不斷豐富，可以滿足不同作業(yè)需要，可以說，世界石油工業(yè)正在經(jīng)歷一次連續(xù)油管技術(shù)革命。

3.1 現(xiàn)代連續(xù)油管作業(yè)技術(shù)的發(fā)展

現(xiàn)代連續(xù)油管作業(yè)技術(shù)發(fā)展過程大致可分為三個(gè)階段，即：初期快速發(fā)展階段(1962年至70年代初)，由于連續(xù)油管無接箍，作業(yè)時(shí)不需接單根，作業(yè)過程不停泵，避免砂埋及起下速度快等優(yōu)點(diǎn)，因此得到迅速發(fā)展。該階段已廣泛用于淺井修井作業(yè)，例如洗井、打撈等；第二階段20世紀(jì)70至80年代初的發(fā)展“停滯”階段，當(dāng)試圖將連續(xù)油管作業(yè)范圍延伸到深井作業(yè)時(shí)，由于連續(xù)油管材料性能及其直焊縫工藝遠(yuǎn)不能滿足深井作業(yè)條件要求，作業(yè)事故逐漸增多，對(duì)連續(xù)油管技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。在這階段連續(xù)油管制造商們結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況致力于完善設(shè)備作業(yè)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，同時(shí)焊接工藝得到了快速發(fā)展，新工藝使焊縫數(shù)量減少了80%，提高其抗高壓大負(fù)荷能力，大大提高了設(shè)備的適用范圍及安全性；20世紀(jì)80年代以來，隨著鋼材材質(zhì)和管材制造技術(shù)的改進(jìn)，制造材料從碳素鋼發(fā)展到低碳合金鋼、不銹鋼等合金材料及碳纖維復(fù)合材料，強(qiáng)度逐漸提高使其屈服強(qiáng)度已達(dá)960 MPa，焊接技術(shù)由多焊縫發(fā)展到少焊縫，直到無焊縫，大大提高了鉆井作業(yè)的可靠性，連續(xù)油管作業(yè)技術(shù)煥發(fā)新的生機(jī)，伴隨著非常規(guī)開發(fā)方式的推廣應(yīng)用，連續(xù)油管進(jìn)入普及應(yīng)用階段[1,7]。

圖2 連續(xù)油管技術(shù)的應(yīng)用

3.2 國(guó)外連續(xù)油管技術(shù)的研究概況

自連續(xù)油管問世以來，國(guó)外就對(duì)連續(xù)油管進(jìn)行了系統(tǒng)研究，主要研究了連續(xù)油管的物理機(jī)械性能，并對(duì)設(shè)計(jì)及操作規(guī)范進(jìn)行改進(jìn)，改善了地面設(shè)備的性能和可靠性，降低了設(shè)備的損壞率。80年代通過對(duì)連續(xù)油管加工工藝及熱處理技術(shù)研究，提高了連續(xù)油管的疲勞強(qiáng)度和使用壽命，并逐步建立了連續(xù)油管壽命預(yù)測(cè)計(jì)算機(jī)模型，可以較好預(yù)測(cè)連續(xù)油管的疲勞壽命，如美國(guó)莫爾工程公司(Maurer Engineering InC.)開發(fā)了基于實(shí)驗(yàn)與理論研究為基礎(chǔ)的疲勞壽命預(yù)測(cè)軟件[4]，可方便、有效地指導(dǎo)鉆井作業(yè)。近幾年來，國(guó)外專家學(xué)者也對(duì)連續(xù)油管在作業(yè)時(shí)的受力情況等問題進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，建立了許多的理論計(jì)算模型，例如預(yù)測(cè)小橢園度(≤3%)連續(xù)油管抗外擠壓力值的理論模型、在井中彎曲度的力學(xué)模型和CIRCA計(jì)算機(jī)模型等。

3.3 國(guó)外連續(xù)油管鉆井技術(shù)現(xiàn)狀

目前國(guó)外連續(xù)油管鉆井井下鉆具組合不斷創(chuàng)新，已研制了新型小直徑井下動(dòng)力工具和高扭矩定向鉆井工具等，使連續(xù)油管鉆井技術(shù)的應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)展到新的領(lǐng)域，例如取心、欠平衡鉆井、水平井及側(cè)鉆等。近年隨著以電潛泵馬達(dá)為動(dòng)力的電動(dòng)連續(xù)油管鉆井系統(tǒng)的研制試驗(yàn)成功,能夠把輸出軸轉(zhuǎn)速調(diào)整到與鉆井條件相適應(yīng)的轉(zhuǎn)速,可以使鉆頭轉(zhuǎn)速與鉆井液流量無關(guān)，并可實(shí)時(shí)獲得井下數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)壓力動(dòng)態(tài)平衡；可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制井斜和方位，降低起下鉆次數(shù)，延長(zhǎng)使用壽命，其將會(huì)成為連續(xù)油管鉆井的發(fā)展方向。

3.4 連續(xù)油管用材料的發(fā)展

早期的連續(xù)油管研究重點(diǎn)主要集中于裝置結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方面，直到20世紀(jì)60年代末，才開始對(duì)其可靠性進(jìn)行研究，并投入大量精力改善連續(xù)油管管材和焊接工藝，使得管材種類逐漸豐富(例如鈦合金和復(fù)合材料)。此外,連續(xù)油管結(jié)構(gòu)類型也不斷增加，可分為內(nèi)部有焊縫和無焊縫，等壁厚及變截面，是否穿電纜等。近年來,隨著新材料科學(xué)的蓬勃發(fā)展，以質(zhì)量輕，疲勞壽命長(zhǎng)等為特點(diǎn)的碳纖維、玻璃纖維復(fù)合連續(xù)油管相繼研制成功，但是由于其制造成本高，維護(hù)難等問題，未能投入常規(guī)作業(yè)服務(wù)市場(chǎng)的應(yīng)用。因此目前使用最普遍的是高強(qiáng)度低合金調(diào)質(zhì)鋼。

4 國(guó)內(nèi)連續(xù)油管技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

自1977年我國(guó)引進(jìn)首臺(tái)連續(xù)油管作業(yè)機(jī),主要利用連續(xù)油管作業(yè)技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的修井作業(yè)，成功地解決了油田生產(chǎn)中的一些特殊難題，取得了良好的效果，不但提高了生產(chǎn)效率，還大大減輕了員工勞動(dòng)強(qiáng)度，每年的作業(yè)量不斷增加，連續(xù)油管技術(shù)在我國(guó)油田已經(jīng)得到認(rèn)可[5～7]。

國(guó)內(nèi)開展連續(xù)油管技術(shù)裝備的研究始于20世紀(jì)90年代初[8]，主要由江漢機(jī)械研究院承擔(dān)，該院從充分調(diào)研國(guó)外相關(guān)先進(jìn)技術(shù)入手，廣泛收集國(guó)外連續(xù)油管技術(shù)與裝備的技術(shù)狀況和應(yīng)用情況，自主開發(fā)設(shè)計(jì)了管徑為32 mm的連續(xù)油管作業(yè)機(jī)，并研制了包括加速器、旋轉(zhuǎn)沖洗工具、拉拔工具等近16種配套作業(yè)工具[9]。近年來，我國(guó)各鋼鐵公司也積極開展連續(xù)油管研究，出現(xiàn)了大量的專利技術(shù)，如2007年，武漢鋼鐵(集團(tuán))公司發(fā)明一種高塑性連續(xù)油套用鋼及其制造方法；2008年，寶山鋼鐵股份有限公司發(fā)明了一種CT級(jí)系列連續(xù)油管用鋼及其制造方法等，推動(dòng)了連續(xù)油管國(guó)產(chǎn)化的進(jìn)程。目前，國(guó)內(nèi)寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司于2009年6月成功開發(fā)了CT80級(jí)7600 mφ31．8 mm連續(xù)油管，是亞洲成功生產(chǎn)的第一根連續(xù)油管[10]。在連續(xù)油管作業(yè)機(jī)開發(fā)方面，2008年中石化江漢油田第四機(jī)械廠開展了連續(xù)油管開發(fā)項(xiàng)目，到目前為止，已經(jīng)能夠自主完成整機(jī)裝配，關(guān)鍵部件注入頭的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工作；大慶油田有限責(zé)任公司，大連交通大學(xué)，勝利油田高原石油裝備有限責(zé)任公司分別對(duì)連續(xù)油管近卡點(diǎn)震擊解卡管柱，連續(xù)油管注入頭用夾塊可快速拆卸瓦塊機(jī)構(gòu)和沉入式連續(xù)油管作業(yè)車做了大量的研究。此外，國(guó)內(nèi)還涉足了針對(duì)連續(xù)油管基礎(chǔ)研究工作，如江漢機(jī)械研究院開展了“CT橢圓度恒磁檢測(cè)技術(shù)及裝置研究”和“CT缺陷綜合檢測(cè)傳感器的磁路設(shè)計(jì)”單元技術(shù)的研究；石油大學(xué)也開展了“用模糊Bayes方法確定CT的疲勞壽命分布”、“CT疲勞可靠性分析的新方法”和“CT疲勞壽命預(yù)測(cè)模型建立”等基礎(chǔ)研究。上述基礎(chǔ)研究和技術(shù)積累為國(guó)內(nèi)開展連續(xù)油管技術(shù)與裝備研究打下了必要的基礎(chǔ)。

5 結(jié) 論

連續(xù)油管鉆井技術(shù)是新世紀(jì)石油工業(yè)的一項(xiàng)創(chuàng)新性技術(shù)革命，是未來國(guó)際石油鉆采業(yè)的主導(dǎo)技術(shù)之一。

(1)國(guó)外連續(xù)油管技術(shù)經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入成熟階段，除常規(guī)鉆完井等工藝外，非常規(guī)領(lǐng)域的開發(fā)使其應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴(kuò)大；

(2)我國(guó)各大油氣田已進(jìn)入成熟期，如何降低成本，提高作業(yè)安全性已成為油田開發(fā)的首要目標(biāo)，連續(xù)油管鉆井技術(shù)在這方面展現(xiàn)出的優(yōu)勢(shì)為其發(fā)展提供了廣闊的空間；

(3)我國(guó)的連續(xù)油管設(shè)備設(shè)計(jì)和生產(chǎn)仍處于初級(jí)階段，雖然已有中石化江漢油田第四機(jī)械廠，杰瑞等連續(xù)油管設(shè)備生產(chǎn)商，但是主要部件仍依賴進(jìn)口，作業(yè)車配套設(shè)備不完善，因此積極吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，自主研發(fā)逐步實(shí)現(xiàn)核心部件國(guó)產(chǎn)化，是目前國(guó)內(nèi)發(fā)展連續(xù)油管的首要任務(wù)。

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Introduction Situation and Development of Coiled Tubing Technology

HAN Xiuming

(SinopecOilfieldEquipmentCorporation,Jingzhou,Hubei434024,China)

This paper studied the development of patented technologies and major equipment and supporting tools of CTU,described the present situation of CT,and provided some suggestions for the development of CT.

coiled tubing，drilling，tool，reel，injector

韓秀明,女，1980年生，碩士研究生，工程師，現(xiàn)在中石化石油工程機(jī)械有限公司主要從事鉆頭設(shè)計(jì)、連續(xù)油管設(shè)計(jì)工作。 E-mail：hanxiuming@126.com

TE88

A

2096-0077(2015)02-0001-03

2015-02-07 編輯：馬小芳)