摘　要：連續(xù)油管鉆井技術(shù)是20世紀(jì)90年代從北美地區(qū)迅速發(fā)展起來的一項(xiàng)高效、低成本、安全環(huán)保的鉆井技術(shù)。四川宏華石油設(shè)備有限公司成功研發(fā)了國內(nèi)首臺(tái)復(fù)合連續(xù)油管鉆機(jī)，名義鉆井深度(Æ114.3mm鉆桿)2000m。鉆機(jī)的主要設(shè)備由移動(dòng)運(yùn)輸性好的3臺(tái)拖掛單元組成：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(jī)械手拖掛單元。該鉆機(jī)將連續(xù)油管裝置和帶動(dòng)力水龍頭的常規(guī)鉆井裝置集成在一起，既能進(jìn)行常規(guī)鉆桿鉆井，又能進(jìn)行連續(xù)油管鉆井。鉆機(jī)配備的全套自動(dòng)化管子處理裝置、輕便鐵鉆工、自動(dòng)液壓卡瓦等機(jī)具，極大地減少了鉆臺(tái)面的作業(yè)量，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。鉆井試驗(yàn)結(jié)果表明，CTRl20／300復(fù)合連續(xù)油管鉆機(jī)總體性能符合設(shè)計(jì)要求，與常規(guī)鉆井相比具有起下鉆速度快、機(jī)械鉆速高、鉆井液連續(xù)循環(huán)等優(yōu)點(diǎn)，但還需要進(jìn)一步加強(qiáng)井下工具和鉆井工藝的研究，以加快其在國內(nèi)的推廣應(yīng)用和發(fā)展。

關(guān)鍵詞：連續(xù)油管  復(fù)合連續(xù)油管鉆機(jī)  鉆井試驗(yàn)  淺油氣藏  中國  四川宏華石油設(shè)備有限公司

Research＆development of CTRl20／300 hybrid coiled tubing rig and its experimental studies

A11stract：Since its first use in North America in the l900s，the Coiled Tubing Drilling(CTD)has been developing rapidly as an effi-cient，low cost and environmentally-friendly technology．The first hybrid coiled tubing rig in China was researched and developed successfullv by Sichuan Honghua Petroleum Equipment C0．，LTD，and its designed drilling depth is up to 2000m by use of the Æ114.3mm drill pipe．The main equipment of the rig is mounted on three trailers with strong mobility，i.e.，substructure trailer,reel trailer and pipe handling trailer．This hybrid coiled tubing rig is integrated with a coiled tubing device and the conventional drill-ing device equipped with a power swivel，so it can drill either with conventional drill pipes or coiled tubing．Both workload and work intensitv of operators will be significantly，cut down by use of such tools as automatic pipe handling system，portable iron roughneck，automatic hvdraulic slip，etc．The experiment shows that the overall performance of CTRl20／300 hybrid CTR satisfies the require-ment of design．Compared with the traditional drilling，CTD has the advantages of fast tripping，a high rate of penetration，and con-tinuous circulation of drilling fluid．However，further studies on downhole tools and drilling techniques are required for faster devel-opment and wider application of CTD technology in China．

Key words：coiled tubing，hybrid coiled tubing rig，drilling experiment，shallow gas and oil reservoir

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(tái)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(jì)90年代初，法國Elf公司利用CT技術(shù)進(jìn)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(jìn)行欠平衡鉆井的試驗(yàn)成功，極大地推動(dòng)了連續(xù)油管鉆井(Coiled Tubing Drill-ing，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(gè)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(xiàng)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(diǎn)^[8]。在國內(nèi)，采用連續(xù)油管進(jìn)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(jìn)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(jìn)和自主研發(fā)已經(jīng)成功開發(fā)了具有自主知識(shí)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(jī)^[10]。

早期由于沒有專用的連續(xù)油管鉆機(jī)，常采用連續(xù)油管作業(yè)機(jī)進(jìn)行老井重鉆，這時(shí)往往需要一臺(tái)修井機(jī)準(zhǔn)備鉆前工作或配合進(jìn)行下尾管和取出生產(chǎn)油管等作業(yè)。在鉆新井時(shí)，也需要一臺(tái)常規(guī)鉆機(jī)鉆開表層井眼和下套管。這就導(dǎo)致在鉆井過程中需要準(zhǔn)備兩套鉆機(jī)，并在連續(xù)油管作業(yè)機(jī)和常規(guī)鉆機(jī)之間進(jìn)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(jì)90年代后期，人們就提出了將連續(xù)油管鉆機(jī)和常規(guī)鉆機(jī)復(fù)合的想法，即復(fù)合連續(xù)油管鉆機(jī)^[11-13]。為了滿足國內(nèi)外鉆井市場(chǎng)對(duì)連續(xù)油管鉆機(jī)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(tái)CTRl20／300復(fù)合連續(xù)油管鉆機(jī)。

1　復(fù)合連續(xù)油管鉆機(jī)的總體方案

為了使得連續(xù)油管鉆機(jī)能滿足全過程鉆井和下套管作業(yè)的要求，CTRl20／300復(fù)合連續(xù)油管鉆機(jī)將連  續(xù)油管裝置和帶動(dòng)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(jìn)表層井段和下套管作業(yè)，采用連續(xù)油管鉆井設(shè)備進(jìn)行表層以下的鉆井作業(yè)。鉆機(jī)在門型井架上設(shè)計(jì)了一段水平導(dǎo)軌，注入頭安裝在水平導(dǎo)軌上，一對(duì)液缸推動(dòng)注入頭底座在水平導(dǎo)軌上滑動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)注入頭移動(dòng)到井眼軸線和遠(yuǎn)離井眼軸線的動(dòng)作。當(dāng)注人頭移動(dòng)到井眼上方時(shí)，可以進(jìn)行連續(xù)油管作業(yè)；當(dāng)注入頭移離井眼位置時(shí)，由動(dòng)力水龍頭(或頂驅(qū))占據(jù)井眼位置，則可進(jìn)行常規(guī)鉆井和下套管作業(yè)。CTRl20／300復(fù)合連續(xù)油管鉆機(jī)還配備全套的自動(dòng)化管子處理裝置、輕便鐵鉆工、自動(dòng)液壓卡瓦等機(jī)具，以減少鉆臺(tái)面的作業(yè)量，不僅能降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，更能減少潛在事故的發(fā)生。為了提高連續(xù)油管鉆機(jī)的移運(yùn)性，鉆機(jī)的主要設(shè)備設(shè)計(jì)在3臺(tái)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(jī)械手拖掛單元(圖1)。

2　鉆機(jī)的基本參數(shù)

名義鉆井深度范圍(Æ114.3 mm鉆桿)2000m；最大大鉤載荷(8繩)1350kN；鉆井鋼絲繩直徑Æ29mm；滾筒容量3000m(Æ73.02mm連續(xù)油管)，2000m(Æ88.9mm連續(xù)油管)；注人頭提升力534kN；注人頭注入力267 kN；注人頭最大提升速度48m／min；絞車額定輸入功率450kW；門型井架凈空高18.5m；鉆臺(tái)高度4.5m；鉆臺(tái)面積5.7m×3.555m：轉(zhuǎn)盤梁凈空高4.1m。

3　廠內(nèi)鉆機(jī)鉆井試驗(yàn)

3．1試驗(yàn)?zāi)康?span lang="EN-US">

2010年，在四川宏華石油設(shè)備有限公司廣漢廠區(qū)，對(duì)CTRl20／300復(fù)合連續(xù)油管鉆機(jī)進(jìn)行了鉆井試驗(yàn)(圖2)，試驗(yàn)的目的：①初步掌握連續(xù)油管鉆井工藝；②驗(yàn)證連續(xù)油管鉆機(jī)各部件是否滿足設(shè)計(jì)要求，為相關(guān)設(shè)備和零部件的改進(jìn)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考察乃Æ88.9mm連續(xù)油管在影Æ215.9mm井眼的鉆進(jìn)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(yàn)的基本情況

鉆井前挖好方井并安裝夠Æ450mm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(zhǔn)備。開鉆前表層套管、鉆具、工具到位，鉆井液水化時(shí)間達(dá)到24h并處理完成，密度l.05g／cm³，漏斗黏度大于40s；全套設(shè)備試運(yùn)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，采用乃Æ311.2mm鉆頭，鉆至井深64m，下入Æ244.5mm的表層套管，封隔易塌、易漏和區(qū)域水層，保護(hù)地下水層。

第二次開鉆進(jìn)行連續(xù)油管鉆井試驗(yàn)(圖3)，Æ215.9mm鉆頭鉆達(dá)設(shè)計(jì)試驗(yàn)井深350 m。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：Æ215.9mm鉆頭+Æ165.1mm螺桿鉆具+431×4A0接頭+5根Æl52.4mm鉆鋌+4A1×310接頭+Æ120.65mm馬達(dá)頭總成+Æ139.7mm連接器+Æ88.9mm連續(xù)油管。

3．2．1連續(xù)油管

鉆機(jī)配套美國Tenaris公司的90級(jí)連續(xù)油管，外徑為88.9mm；內(nèi)徑為78.53mm；壁厚為5.18mm；長度為2000m；重量為l0.7kg／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(shí)的沖擊和振動(dòng)。

3．2．3馬達(dá)頭總成

馬達(dá)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(chǎng)連接次數(shù)。止回閥在馬達(dá)頭總成的最上端，用來阻止鉆井液倒流進(jìn)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(dá)頭總成的最下端，當(dāng)下部鉆具被埋或鉆頭水眼堵塞時(shí)，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(yàn)分析

4．1鉆壓

本次試驗(yàn)過程中，注入頭載荷變化不規(guī)則，未能準(zhǔn)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(rèn)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(dòng)摩擦，導(dǎo)致從注入頭懸重表測(cè)量的鉆壓數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。因此，連續(xù)油管鉆井應(yīng)在下部鉆具組合增加測(cè)量短節(jié)，從井底直接測(cè)量鉆壓，以消除連續(xù)油管與井壁摩擦對(duì)鉆壓測(cè)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(jī)接觸情況更加復(fù)雜，從井底測(cè)量鉆壓尤為必要。

4．2井眼清洗情況

連續(xù)油管鉆進(jìn)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。廠根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)資料^[14]，垂直井段鉆進(jìn)時(shí)，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(shí)，鉆井液環(huán)空返速至少為73.15m／min。

本次Æ215.9mm垂直井眼段的鉆進(jìn)試驗(yàn)，按鉆井泵排量為18.5L／s時(shí)計(jì)算環(huán)空返速就達(dá)到36.57m／min，實(shí)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(jìn)深度測(cè)量

此次鉆井試驗(yàn)，注人頭和滾筒上深度測(cè)量傳感器為接觸式傳感器，鉆進(jìn)過程的連續(xù)油管長度測(cè)量誤差較大，而在起下鉆記錄深度比較準(zhǔn)確。試驗(yàn)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(shí)現(xiàn)破巖的，鉆進(jìn)過程中引起了連續(xù)油管較強(qiáng)烈的振動(dòng)，特別是在鉆頭鉆遇軟硬交錯(cuò)地層時(shí)，振動(dòng)更為明顯，連續(xù)油管的振動(dòng)從井下傳到地面，導(dǎo)致連續(xù)油管的深度測(cè)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(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變形，即使是地面?zhèn)鞲衅鳒y(cè)量精度高也很難準(zhǔn)確掌握鉆頭的鉆進(jìn)深度。所以，在連續(xù)油管進(jìn)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(zhǔn)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(cè)量地層的自然伽馬來校準(zhǔn)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(diǎn)就是起下鉆無需接單根。在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行連續(xù)油管起下鉆時(shí)平均速度為0.16m／s(576m／h)(圖5)。而常規(guī)鉆井時(shí)，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(yàn)中連續(xù)油管起下鉆速度是常規(guī)鉆桿起下鉆速度的l.78倍?？紤]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(dá)到常規(guī)鉆桿起下鉆速度的3倍。

4．5機(jī)械鉆速分析

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

1)連續(xù)油管鉆機(jī)全井純鉆38.68h，全井平均機(jī)械鉆速9.05m／h，宏華2號(hào)教學(xué)鉆機(jī)全井段平均機(jī)械鉆速l.93m／h，連續(xù)油管鉆機(jī)的全井段機(jī)械鉆速是宏華2號(hào)教學(xué)鉆機(jī)的4.69倍。

2)連續(xù)油管的Æ215.9mm井眼段鉆進(jìn)，進(jìn)尺為285.74m，純鉆時(shí)間為27.40h，機(jī)械鉆速為l0.42m／h。而采用宏華2號(hào)教學(xué)鉆機(jī)鉆的Æ215.9mm井眼段平均機(jī)械鉆速僅為2.03m／h。因此在Æ215.9mm井眼的鉆進(jìn)中，連續(xù)油管鉆機(jī)的機(jī)械鉆速是教學(xué)鉆機(jī)機(jī)械鉆速的5.1倍(圖6)。

從圖6對(duì)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(shí)現(xiàn)鉆井液的連續(xù)循環(huán)，從而獲得了更高的機(jī)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(yàn)，那么鉆井速度勢(shì)必會(huì)進(jìn)一步提高。

5　結(jié)束語、

通過廠內(nèi)的鉆井試驗(yàn)，驗(yàn)證了CTRl20／300連續(xù)油管鉆機(jī)總體性能符合設(shè)計(jì)要求，Æ88.9mm連續(xù)油管能滿足Æ215.9mm井眼鉆進(jìn)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(diǎn)。CTRl20／300連續(xù)油管鉆機(jī)的成功研制，填補(bǔ)了國內(nèi)在該類型鉆機(jī)上的空白。

目前，我國各油氣田已進(jìn)入開發(fā)中后期，急需開展老井挖潛增效、難動(dòng)用儲(chǔ)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(chǎng)^[16]。目前國內(nèi)連續(xù)油管鉆機(jī)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(cè)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(chǎng)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。筆者認(rèn)為國內(nèi)相關(guān)科研機(jī)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(dòng)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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本文作者：單代偉  李奔  田雨  文濤

作者單位：四川宏華石油設(shè)備有限公司

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