連續(xù)管鉆井減阻技術(shù)發(fā)展

歐陽賽賽，葛云華，王蘇為，汪海閣

(1.中國石油集團(tuán) 鉆井工程技術(shù)研究院，北京 102206；2.中國石油大學(xué)(北京)，北京 102249)①

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連續(xù)管鉆井減阻技術(shù)發(fā)展

歐陽賽賽1，2，葛云華1，王蘇為1，2，汪海閣1

(1.中國石油集團(tuán) 鉆井工程技術(shù)研究院，北京 102206；2.中國石油大學(xué)(北京)，北京 102249)①

連續(xù)管鉆井技術(shù)在油氣開發(fā)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，尤其在水平井、大位移井、多分支井、老井加深和側(cè)鉆等技術(shù)領(lǐng)域更具有其獨特的優(yōu)勢。連續(xù)管因其剛度小、不旋轉(zhuǎn)等原因，導(dǎo)致摩擦阻力大，壓力傳遞困難、易屈曲，嚴(yán)重限制了連續(xù)管的應(yīng)用。針對連續(xù)管鉆井減阻技術(shù)，闡述了振蕩減阻器、潤滑劑和牽引器減阻原理。介紹了幾種先進(jìn)減阻工具的結(jié)構(gòu)、原理和應(yīng)用情況。提出了我國連續(xù)管減阻技術(shù)的研究方向。

連續(xù)管鉆井；減阻技術(shù)；減阻工具

現(xiàn)代連續(xù)管技術(shù)自20世紀(jì)60年代興起后，迅速應(yīng)用到各個相關(guān)領(lǐng)域。近年來，隨著水平井、大位移井和多分支井?dāng)?shù)量的逐漸增加以及小井眼鉆井、老井加深和側(cè)鉆技術(shù)的發(fā)展，連續(xù)管鉆井技術(shù)已經(jīng)越來越廣泛用于油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域中。制約連續(xù)管鉆井技術(shù)應(yīng)用的主要因素是由于其管徑小、剛度差并且無旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致摩擦阻力大、壓力傳遞困難、易發(fā)生屈曲甚至卡死。目前，連續(xù)管鉆井減阻技術(shù)得到一定發(fā)展，本文將介紹幾種減阻技術(shù)和工具的原理及應(yīng)用情況。

1　連續(xù)管鉆井減阻技術(shù)

連續(xù)管鉆井中，連續(xù)管與井壁間的摩擦阻力與管壁和井壁之間的摩擦因數(shù)、壓力相關(guān)，所以連續(xù)管鉆井減阻技術(shù)可分為2個方向：降低連續(xù)管與井壁之間的摩擦因數(shù)和減小連續(xù)管與井壁之間的壓力。其中，降低摩擦因數(shù)有2種方法，一種為通過振動將靜摩擦轉(zhuǎn)變成動摩擦從而減低摩擦因數(shù)，振動形式包括橫向振動和軸向振動，又以軸向振蕩效果較好；另一種是添加潤滑劑，改變摩擦介質(zhì)屬性，減低摩擦因數(shù)。減小連續(xù)管與井壁之間壓力的方法主要是通過降低連續(xù)管屈曲，解決屈曲問題除了改善連續(xù)管的材質(zhì)外，還可以依靠井下牽引器調(diào)整軸向力來實現(xiàn)。

2　振動減阻工具

振動減阻工具按其工作原理分為機械慣性式和斷流式2大類。機械慣性式工具的原理是通過鉆井液的流動激發(fā)機械結(jié)構(gòu)的位移或者旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生振動；斷流式工具是通過機械結(jié)構(gòu)周期性限制或者中斷鉆井液的流動，由水錘效應(yīng)激發(fā)工具振動。

2.1機械慣性式減阻工具

E-line Agitator工具是由National Oilwell Varco公司研發(fā)的連續(xù)管鉆井減阻工具[1-4]，由大口徑鉆井中使用的減阻器改進(jìn)而來。該工具由振蕩短節(jié)和激發(fā)短節(jié)2部分組成，如圖1所示。激發(fā)短節(jié)又分為動力短節(jié)和盤閥短節(jié)，動力短節(jié)由1∶2容積式馬達(dá)構(gòu)成；盤閥短節(jié)為一個由動力短節(jié)驅(qū)動的帶有偏心孔圓盤，通過改變泥漿通道面積，產(chǎn)生連續(xù)的壓力脈沖。壓力脈沖傳到振蕩短節(jié)，形成周期性軸向振動。該工具進(jìn)行了3 700 m深的水平井連續(xù)管鉆井測試，測試結(jié)果表明E-line Agitator能夠降低摩擦阻力至少26 %，并且延緩了連續(xù)管卡死情況，增加了卡死的深度。

圖1　水力振蕩器結(jié)構(gòu)

該工具結(jié)構(gòu)簡單穩(wěn)定、連續(xù)工作的時間較長，且減阻效果明顯。但對鉆井液的壓力影響較大，正常工作時可使鉆井液的壓力降低約4.5 MPa。該工具適用于機械鉆速慢，施工工期長的井況。

FDR工具是由RF-Rogaland Research公司研發(fā)的一種連續(xù)管鉆井減阻工具[5]，主要由振蕩部分、流入閥和流出閥3部分構(gòu)成，如圖2。工作時，鉆井液經(jīng)流入閥進(jìn)入液缸，推動振蕩部分軸向運動，到達(dá)行程后，流入閥置左，流出閥置右，鉆井液推動振蕩部分做反向運動，從而實現(xiàn)周期性運動。該工具行程為50～100 mm，頻率2～8 Hz，可以結(jié)合現(xiàn)場需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。FDR工具進(jìn)行了3 000 m水平井的測試，可減小摩阻75%～92%。

圖2　FDR工具結(jié)構(gòu)

FDR工具結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，對關(guān)鍵閥門部位的加工制造要求極高，循環(huán)液通道易發(fā)生故障，振蕩部分需要較高的機械強度。該工具適用于破巖難度大且工期較短的井況。

2.2斷流式減阻工具

流量調(diào)節(jié)振動工具[6]是一種依靠鉆井液流道的特殊設(shè)計，形成類似閥門的通斷功能，產(chǎn)生流體脈沖激發(fā)工具的軸向振動，其原理如圖3所示。該工具無移動部件，可靠性高，無橡膠類彈性體，適用范圍廣，無溫度限制，結(jié)構(gòu)短且耐用。

圖3　流量調(diào)節(jié)振動工具示意

旋轉(zhuǎn)脈沖工具的基本工作原理是通過鉆井液的流動激發(fā)工具內(nèi)部旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，強制周期性中斷鉆井液，利用水錘效應(yīng)產(chǎn)生軸向振動。該工具在非極端環(huán)境下可有效可靠的運行；因其具有橡膠類彈性體結(jié)構(gòu)，不能長時間暴露在高溫、化學(xué)品等環(huán)境中；其結(jié)構(gòu)較長。

錐形閥工具的基本工作原理與旋轉(zhuǎn)脈沖工具基本相似，該工具的周期性斷流由錐形閥完成。該工具結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，可以不用橡膠類彈性體，結(jié)構(gòu)長度短，不適用于巖屑多的鉆井液環(huán)境。

2.3工具現(xiàn)場試驗對比

工具的現(xiàn)場試驗在相同地質(zhì)條件下能得到最準(zhǔn)確的結(jié)果。表1為美國伊格福特油田的現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)對比[7]，該試驗分別采用5種不同的工具，選取伊格福特油田的5口井進(jìn)行試驗。

表1　減阻工具現(xiàn)場試驗對比

由表1可知，徑向慣性減阻工具的效果與無減阻工具基本相同，均未能達(dá)到預(yù)定深度就發(fā)生鎖死。旋轉(zhuǎn)脈沖工具、流量調(diào)節(jié)工具和錐形閥工具均達(dá)到預(yù)定深度，實際摩擦因數(shù)與預(yù)計相近，而流量調(diào)節(jié)工具在鉆速和摩擦因數(shù)上表現(xiàn)最為優(yōu)異。相比于其他工具，流量調(diào)節(jié)工具在運行時無剛性沖擊，結(jié)構(gòu)上無移動部件，具有較高的可靠性；并且不會強制中斷鉆井液，對壓降影響小。

3　潤滑劑減阻

3.1油基鉆井液

連續(xù)管鉆井摩擦阻力大，對鉆井液的潤滑性能要求較高。通過優(yōu)化泥漿體系，控制固相含量、提高潤滑劑含量等手段，可提高鉆井液的潤滑性能，減小摩阻。目前，國外大多數(shù)的大位移水平井采用合成基或油基鉆井液。各類泥漿的摩阻系數(shù)如表2[8]。

油基泥漿或合成基泥漿在高溫、高壓下穩(wěn)定性更好，因此油基、合成基泥漿是一個降低連續(xù)管鉆井摩阻的途徑之一。

表2　泥漿摩阻系數(shù)

油基鉆井液雖然成本高昂、調(diào)配困難，但由于可以重復(fù)利用，適用于連續(xù)大量鉆井的情況，并且在一些水基鉆井液不能使用的地層，油基鉆井液是很好的選擇。

3.2表面活性劑

在連續(xù)管鉆井中表面活性劑的減阻作用[9-10]是由于其結(jié)構(gòu)中的棒狀或蠕蟲狀的線性膠束結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以抑制紊流和減低摩擦因數(shù)，從而達(dá)到降低能耗，提高鉆速的效果。表面活性劑因其應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜，減阻效果易受各種因素影響，包括表面活性劑自身結(jié)構(gòu)及濃度、補償離子的結(jié)構(gòu)及濃度、流體介質(zhì)的特性和外界環(huán)境如溫度等。表面活性劑在鉆井中已得到了比較廣泛的應(yīng)用。先進(jìn)的表面活性劑產(chǎn)品已經(jīng)具備了很好的減阻效果，比如Smith[11]等研究的長鏈烷基季銨鹽與水楊酸鈉的混合體系可以降低摩阻70 %。

表面活性劑不能用于高溫油藏的開發(fā)，溫度最高不能超過90 ℃，并且其造價高、生產(chǎn)周期長，適用于高黏度的鉆井液。

油基鉆井液與表面活性劑的配合使用能夠有效減小連續(xù)管鉆井的摩阻。但油基鉆井液對環(huán)境的污染和表面活性劑適應(yīng)性差的特點是阻礙該減阻技術(shù)發(fā)展的障礙，研發(fā)環(huán)保型鉆井液和復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性強的表面活性劑勢在必行。

4　牽引器減阻工具

牽引器也叫井下爬行器，是一種能在井底提供牽引力的井下工具。以前牽引器的研究大多集中在大直徑井眼，用于連續(xù)管的較少，隨著連續(xù)管鉆井的發(fā)展，國外也有一些相對成熟的牽引器出現(xiàn)。

4.1輪式牽引器

Welltec牽引器[12]是由Statoil公司、Maritime油井服務(wù)公司和Welltec公司共同開發(fā)的輪式牽引器，已經(jīng)在北海等地成功投入使用。該牽引器為輪式結(jié)構(gòu)，主要由動力部分、牽引部分、連接部分3部分組成，如圖4。工具結(jié)構(gòu)緊湊，外徑54 mm，長度5.87 m；牽引力可達(dá)3.63 kN；平均移動速度達(dá)到818 m/h。動力部分為渦輪發(fā)電機，鉆井液通過時可提供電能。牽引部分為滾輪組，由鉆井液驅(qū)動。工作時發(fā)動機驅(qū)動滾輪彈出，與井壁接觸提供牽引力。該牽引器還具有故障保護(hù)系統(tǒng)，當(dāng)牽引器發(fā)生斷開或失去電能時，輪子收回，不影響鉆井。Welltec牽引器成功用于澳大利亞北部的萬度油田的3個產(chǎn)油水平井，共用12個牽引器，拖拉運行距離8 300 m，最長水平段距離1 190 m，平均速度303 m/h。

圖4　Welltec連續(xù)管井下牽引器

以Welltec牽引器為代表的輪式牽引器，在實際工作中，由于其輪式結(jié)構(gòu)不能達(dá)到設(shè)計牽引力。輪式牽引器一般具有牽引力較小、速度較快的特點，適用于需提供牽引力較小的水平段井。

4.2伸縮式牽引器

Microhole Drilling Tractor牽引器[13]是由Western Well Tool公司設(shè)計的伸縮式牽引器。牽引器由前軸部分、后軸部分和控制部分構(gòu)成，如圖4。該工具由高壓鉆井液驅(qū)動，由液壓桿的伸長與縮短帶動彈簧鋼片的收縮與擴(kuò)張，通過對井壁的夾緊與收合，達(dá)到井下牽引器的單向運動的目的，實現(xiàn)牽引功能。該牽引器適用范圍廣，環(huán)境要求低，并且能夠提供較大的牽引力。

圖5　Microhole Drilling Tractor牽引器

電機驅(qū)動CT牽引器[14-15]是由中國石油大學(xué)(北京)侯學(xué)軍等人設(shè)計的一種微小井眼井下牽引器。該牽引器主要包括上卡瓦支撐系統(tǒng)、六方中心滑管、下卡瓦支撐系統(tǒng)和控制系統(tǒng)4部分，如圖5所示。該牽引器直接利用4個伺服電機驅(qū)動與控制牽引器牽引井下CT進(jìn)行下入和取出；牽引器通過上下卡瓦支撐系統(tǒng)抓緊井壁，支撐牽引器提供軸向摩擦力，進(jìn)而為連續(xù)管提供牽引力。該牽引器通過伺服電機驅(qū)動，減少了對循環(huán)液液壓能的依賴，不影響鉆井液循環(huán)，降低了控制的復(fù)雜性，節(jié)省了大部分液壓管路占據(jù)的空間。

1—上卡瓦支撐系統(tǒng)；2—中心滑管總成；3—控制系統(tǒng)；4—下卡瓦支撐系統(tǒng)。

伸縮式牽引器的行進(jìn)方式是依靠支撐臂的周期性動作，一步一步運動。該方式可提供的牽引力較大并且穩(wěn)定，但是行進(jìn)速度較慢。伸縮式牽引器適用于對牽引力要求較高的水平井。

5　結(jié)語

連續(xù)管鉆井具有剛度小、摩阻大、有效鉆壓傳遞困難和易屈曲等缺點，減阻技術(shù)的發(fā)展日漸迫切。降低摩擦因數(shù)和連續(xù)管與井壁間的壓力是有效地減阻方法。振動減阻工具、潤滑劑和牽引器雖然都是解決問題的方法，但是在使用效果上還有欠缺。流量調(diào)節(jié)振動工具因結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠、效果顯著，是目前最適用的減阻工具。該工具的研發(fā)在國內(nèi)尚在初級階段，需解決工具的流道設(shè)計難題。另外，每種減阻方法具有各自的優(yōu)勢，將不同的方法配合使用以達(dá)到更好的減阻效果，也是一種研究的方向。

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Development of Drag Reduction Technology for Coiled Tubing Drilling

OUYANG Saisai1，2，GE Yunhua1，WANG Suwei1，2，WANG Haige1

(1.Drilling Research Institute，CNPC，Beijing 102206，China；2.ChinaUniversityofPetroleum，Beijing102249，China)

In recent years，the application of coiled tubing drilling technology in the field of oil and gas are much wider，it has unique advantages in horizontal wells，extended reach wells，multilateral wells and old wells drilling deeper and sidetrack drilling and other fields.Coiled tubing is severely limited because of its friction and buckling caused by rigidity and non-rotating.The drag reduction devices，lubricants and traction are introduced.The structure，principle and application of some advanced drag reduction devices are illustrated in this paper.

coiled tubing drilling；drag reduction technology；drag reduction devices

1001-3482(2016)10-0011-05

2016-04-24

國家科技重大專項“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”(2016ZX05013005)

歐陽賽賽(1990-)，男，遼寧朝陽人，碩士研究生，主要從事海洋石油裝備研究，E-mail：1011747654@qq.com。

TE921.2

Adoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.10.003