連續(xù)油管鉆井井下鉆具組合的組成及對比分析

馬衛(wèi)國，付 悅，陽 婷 （長江大學機械工程學院，湖北 荊州434023）

近年來，隨著高強度、大直徑的連續(xù)油管，小直徑高扭矩馬達，先進的定向和導向工具以及高切削效率低磨損鉆頭等井下作業(yè)工具的更新?lián)Q代，極大地提高了連續(xù)油管鉆井井下工具組合 （BHA）的作業(yè)能力，使得連續(xù)油管在過油管重入鉆井、欠平衡鉆井、鉆小井眼、短曲率半徑、多側向的大位移井等方面具有獨特優(yōu)勢，拓展了連續(xù)油管鉆井技術的應用范圍［1］。下面，筆者對連續(xù)油管鉆井BHA的組成進行對比分析。

1 連續(xù)油管鉆井BHA

1．1 組成元件

連續(xù)油管鉆井BHA由多種元件組成，具有為井下作業(yè)提供破巖動力、調整鉆頭工作面、測量鉆井工程參數(shù)等作用。連續(xù)油管鉆井時，使用合理的BHA有利于減少鉆井費用和時間以及提高井眼軌跡的準確程度。

目前，連續(xù)油管鉆井主要有泥漿脈沖系統(tǒng)底部鉆具組合和電纜系統(tǒng)底部鉆具組合。實際運用中，現(xiàn)場作業(yè)人員應對BHA的適用性和可靠性綜合考慮后再選擇使用。雖然以上2類井下鉆具組合中的一些元件（工具短節(jié)）在工作原理和結構形式上存在一定差異，但是它們都具有井下鉆具組合作業(yè)所必需的功能。

一般來說，連續(xù)油管定向鉆井對井下鉆具組合的要求比鉆垂直井的要高，對鉆具作業(yè)功能的要求更多，導致鉆具結構更復雜。泥漿脈沖系統(tǒng)底部鉆具組合和電纜系統(tǒng)底部鉆具組合鉆定向井時，都必須配備的基本工具短節(jié)。

1）連續(xù)油管連接器 通過絲扣或夾緊作用使連續(xù)油管與底部鉆具組合相連，其自身具有比連續(xù)油管更高的抗拉／抗扭能力。連續(xù)油管連接器通常有螺釘式、卡瓦式、嵌壓式和螺紋式，其中螺釘式連接器優(yōu)越的抗扭、抗過載拉伸和抗振動的能力，使其被廣泛應用于鉆井作業(yè)。

2）止回閥 止回閥用于限制流體流動方向，阻止環(huán)空流體回流進連續(xù)油管管線，保證作業(yè)安全，通常與連續(xù)油管連接器相連。連續(xù)油管鉆井使用的止回閥有雙瓣止回閥和雙球座止回閥，其中雙瓣止回閥通徑較大，適合大流量和復雜工藝作業(yè)。

3）緊急分離工具 用于鉆具遇卡時使連續(xù)油管與下部鉆具組合分離，并使液壓和電力通訊安全切斷。目前使用的緊急分離工具的工作原理分為液力釋放式、拉伸／剪切釋放式和電控釋放式。當使用電纜鉆具時，則不能使用液力釋放式工具，而要換作拉伸／剪切釋放式或電控釋放式緊急分離工具。

4）循環(huán)閥 循環(huán)接頭位于緊急分離工具下方，投球循環(huán)至球座后發(fā)揮作用。循環(huán)接頭減少了通過BHA的壓力損失和流速限制，從而允許增大流速，較高的流速可改善井眼清潔效果。

5）定向工具 定向工具用于連續(xù)油管定向鉆井時調整井下馬達的工具面，主要類型有液力定向器、電驅動／控制定向器［2］和智能無線定向器［3］。目前美國Fedlech公司已經(jīng)開發(fā)出了可以旋轉連續(xù)油管的新型轉盤，其作用之一就是可以用來改變井下鉆具的工作面［4］。

6）隨鉆測量工具 隨鉆測量工具 （如MWD、LWD等）用于在鉆井過程中對定向數(shù)據(jù)、地層參數(shù)和井下鉆井參數(shù)進行測量與上傳。隨鉆測量工具向地面?zhèn)鬟f測量數(shù)據(jù)的方法有2種，即泥漿脈沖遙測和連續(xù)油管電纜系統(tǒng)傳遞，前者僅限用于不可壓縮型鉆井液，后者不受鉆井液類型的影響。

7）馬達 井下馬達為鉆頭提供破巖動力，通常具有可調彎外殼。目前連續(xù)油管鉆井使用的馬達種類有螺桿馬達 （容積式馬達）和電動馬達，其中使用最多的是螺桿馬達。在鉆穿油層時，推薦使用無磁定子／轉子組合馬達，以減少磁干擾，從而改善井眼軌跡的控制。

8）鉆頭 連續(xù)油管鉆井鉆頭轉速常常比常規(guī)鉆井高，而能夠施加的鉆壓又比常規(guī)鉆井低，所以，CTD鉆頭的選用應與高轉速低鉆壓作業(yè)相適應。目前，在軟到中硬地層普遍采用PDC鉆頭，在硬到堅硬地層使用金剛石鉆頭。

此外，連續(xù)油管鉆井作業(yè)時，常常根據(jù)實際需要加入一些其他工具短節(jié)，如非旋轉接頭、激振器、助推器、撓性接頭、鉆鋌等。通常情況下，連續(xù)油管鉆井時鉆具工具短節(jié)的上下連接順序相對固定，但是也需要根據(jù)鉆具的類型和作業(yè)工藝的需要適當調整工具短節(jié)的相互位置。

1．2 鉆井BHA基本分類

1）井下鉆具組合控制或隨鉆測井數(shù)據(jù)傳輸方式 連續(xù)油管鉆井BHA根據(jù)井下鉆具組合控制或隨鉆測井數(shù)據(jù)傳輸方式的不同可分為泥漿脈沖系統(tǒng)井下鉆具組合和電纜系統(tǒng)井下鉆具組合。電纜系統(tǒng)井下鉆具組合為隨鉆測井數(shù)據(jù)傳輸、工具短節(jié)工作動力提供和控制等提供了新的途徑，改善了鉆井操作和井眼質量。

2）鉆井工藝方法 根據(jù)鉆井工藝方法的不同，鉆具組合可分為欠平衡壓力鉆井、動態(tài)近平衡壓力鉆井和過平衡壓力鉆井。特別是連續(xù)油管欠平衡鉆井，當鉆井液為可壓縮流體時，MWD工具和馬達的類型都會受到一定限制。

3）作業(yè)類型 根據(jù)作業(yè)類型的不同，鉆具組合可分為套管開窗鉆具組合、裸眼鉆進鉆具組合。

4）井身結構 根據(jù)作業(yè)井身結構的不同，鉆具組合可分為垂直井和定向鉆井鉆具組合。

2 連續(xù)油管鉆井BHA與常規(guī)鉆井BHA性能的比較

連續(xù)油管鉆井BHA與常規(guī)鉆井BHA相比，其工作性能有所區(qū)別 （見表1）。從工具角度分析可得出如下結論：①連續(xù)油管的尺寸和剛度小，得其承載和輸送鉆井液的能力下降，管內流體壓力損失大，液力馬達輸出功率變小，影響了鉆具的破巖能力，井眼清潔能力和作業(yè)深度；②連續(xù)油管有限的徑向尺寸決定了其鉆具的尺寸要比常規(guī)鉆具的尺寸小，剛度也小于常規(guī)鉆井鉆具，這就使得連續(xù)油管鉆井鉆具更適合重入鉆井，鉆小井眼和短曲率半徑定向井；③連續(xù)油管鉆定向井時需要鉆具組合上的定向工具來調整工具面，而常規(guī)鉆井方法一般不需要；④連續(xù)油管井下鉆具組合可以內置電纜，使得隨鉆定向、測井更簡單可靠，方便與地面進行鉆井數(shù)據(jù)的實時交換，有利于鉆出狗腿度小、井眼軌跡光滑的井眼。

表1 連續(xù)油管鉆井BHA與常規(guī)鉆井BHA結構和性能比較

在連續(xù)油管鉆井作業(yè)中，鉆新直井時一般采用外徑76．2（3in）～120．65mm （4in）的鉆具組合，BHA的外徑尺寸主要取決于井下馬達的尺寸。目前，外徑為69．85（2in）～76．2mm （3in）的鉆具組合與60．325mm （2in）的連續(xù)油管已經(jīng)被視為連續(xù)油管定向鉆井的常用尺寸［5］。

3 典型的連續(xù)油管鉆井BHA組合及其作業(yè)性能對比

目前連續(xù)油管鉆井典型的鉆具組合有泥漿脈沖系統(tǒng)底部鉆具組合和電纜系統(tǒng)底部鉆具組合，2種鉆具組合的結構和作業(yè)性能存在一定差別 （見表2和表3）。從表2可以看出，2種BHA組成上的區(qū)別在于元件的結構和工作方式不同，工具動力來源和井下數(shù)據(jù)傳輸方式不同。需要注意的是，不管使用泥漿脈沖系統(tǒng)底部鉆具組合，還是電纜系統(tǒng)底部鉆具組合，連續(xù)油管鉆垂直井時，多數(shù)情況下需要在BHA上配備4～6節(jié)的鉆鋌，以增加鉆頭鉆壓和工具面的穩(wěn)定性；在鉆定向井或水平井時，在造斜段和水平段一般不使用鉆鋌，但會使用1°～3°的彎外殼馬達或彎接頭，根據(jù)整個井段的增斜及方位扭轉率而定。從表3可以看出，電纜系統(tǒng)底部鉆具組合作業(yè)能力和作業(yè)范圍都優(yōu)于泥漿脈沖系統(tǒng)底部鉆具組合，更適合于復雜和高難度井況的鉆井作業(yè)。

表2 泥漿脈沖系統(tǒng)底部鉆具組合和電纜系統(tǒng)底部鉆具組合結構對比

表3 電纜系統(tǒng)底部鉆具組合和泥漿脈沖系統(tǒng)底部鉆具組合作業(yè)性能比較

4 連續(xù)油管鉆井BHA的選用原則

（1）作業(yè)經(jīng)濟性。作業(yè)的經(jīng)濟性體現(xiàn)在提高機械鉆速、降低設備成本和非鉆井時間等方面。電纜系統(tǒng)底部鉆具組合因其結構復雜和功能較多，使得其設備成本高，但其鉆進速度比泥漿系統(tǒng)高52%，鉆具裝配和拆卸所需時間為泥漿系統(tǒng)的一半，不需要額外的定向時間，鉆井時間可減少2．6h／1000ft［6］。

（2）作業(yè)類型。一般來說，鉆井作業(yè)類型決定了井下鉆具組合的配置。

（3）作業(yè)工藝。對于某一類型的鉆井作業(yè)一般有多種工藝方法可供選擇使用，不同的工藝方法需要配備相應的作業(yè)工具，如裸眼鉆進時可以采用欠平衡和過平衡鉆井方法，可壓縮流體欠平衡鉆井則最好使用電纜測井工具和電纜系統(tǒng)底部鉆具組合。

（4）地層因素或作業(yè)復雜程度。對于一些復雜地層，鉆井時特別需要實時了解井下的地質參數(shù)和工程參數(shù)，并把信息及時傳輸?shù)降孛妫瑸樽鳂I(yè)人員提供決策依據(jù)，避免事故的發(fā)生。電纜系統(tǒng)組合可以適應多種測井工具，能夠快速采集和傳輸高質量數(shù)據(jù)到地面，泥漿脈沖系統(tǒng)底部鉆具組合此時的使用效果則較差。

（5）井眼清潔。連續(xù)油管過尺寸較大的套管井加深作業(yè)或鉆大井斜定向鉆井時都需要大流量和高流速的鉆井液以移運巖屑。泥漿脈沖系統(tǒng)底部鉆具組合的循環(huán)閥具有不可逆性，一旦打開就無法關上，從而影響馬達的后續(xù)鉆井，而電纜系統(tǒng)底部鉆具組合的電控循環(huán)閥可隨時關閉和開啟，不影響后續(xù)鉆井工作。

5 結 語

分析和對比現(xiàn)有連續(xù)油管鉆井井下鉆具組合的作用和性能，有助于更好地了解連續(xù)油管鉆具組合的作業(yè)能力和特點，便于相關研究人員有針對性地開展后續(xù)研究以及為現(xiàn)場作業(yè)人員提供一定的技術指導。連續(xù)油管鉆具組合的選擇和使用，最基本的原則是在保證經(jīng)濟性和可行性的前提下獲得最大機械鉆速，應根據(jù)鉆井作業(yè)的類型、復雜程度、技術要求和操作人員的經(jīng)驗綜合考慮鉆具的使用。

［1］于東兵，包文德 ．連續(xù)油管打撈技術專用工具研究現(xiàn)狀及展望 ［J］．石油機械，2007，35（1）：45-47．

［2］吳剛譯 ．新式電纜導向井下鉆具組合使連續(xù)油管鉆井具有類似轉盤鉆井的性能 ［J］．國外石油機械，1999，10（6）：4-12．

［3］Cassee U，Leblanc J，Meek D．Intelligent wireless orienter for coiled tubing drilling：development to field test ［J］．SPE 74836-TA，2002．

［4］陳樹杰，趙薇 ．國外連續(xù)油管技術最新研究進展 ［J］．國外油田工程，2010，26（11）：44-50．

［5］孫振純，何立新 ．新興的連續(xù)油管鉆井技術 （二）［J］．石油與裝備，2010（32）：57-60．

［6］孫振純，何立新 ．新興的連續(xù)油管鉆井技術 （三）［J］．石油與裝備，2010（33）：50-53．