國外連續(xù)管鉆井系統(tǒng)發(fā)展與應(yīng)用

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(中國石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院 江漢機(jī)械研究所，武漢 430024)

國外連續(xù)管鉆井系統(tǒng)發(fā)展與應(yīng)用

張富強(qiáng)，劉壽軍，段文益，宋治國，于東兵，顏家福

(中國石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院 江漢機(jī)械研究所，武漢 430024)

隨著連續(xù)管鉆井裝備、鉆具組合和鉆井工藝的不斷發(fā)展，連續(xù)管鉆井技術(shù)作為一種成本低、效率高、安全可靠的新技術(shù)，已成為鉆井領(lǐng)域的技術(shù)熱點。介紹了連續(xù)管鉆井系統(tǒng)的構(gòu)成；總結(jié)了連續(xù)管鉆機(jī)發(fā)展歷程和技術(shù)特點；分析歸納了典型連續(xù)管鉆具組合的結(jié)構(gòu)及特點。提出了連續(xù)管鉆井系統(tǒng)在國內(nèi)的發(fā)展思路。

鉆機(jī)；連續(xù)管；連續(xù)管鉆井；鉆具組合；發(fā)展

連續(xù)管鉆井技術(shù)始于20世紀(jì)90年代初期，1992-10，道威爾公司在法國巴黎盆地MLB1井完成了第1口真正商業(yè)化意義的連續(xù)管鉆井。隨著連續(xù)管鉆井裝備、井下工具和鉆井工藝的不斷發(fā)展，連續(xù)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)，成為鉆井領(lǐng)域的技術(shù)熱點。連續(xù)管鉆井技術(shù)主要分為重入鉆井(加深或側(cè)鉆)和鉆新井2大類，重入鉆井主要應(yīng)用在美國、歐洲和中東地區(qū)，通常連續(xù)管管徑小，井較深，鉆井過程中需要定向等，重點發(fā)展井下鉆具；連續(xù)管鉆新井主要用于加拿大的淺層氣井、煤層氣井和澳大利亞煤層氣井，井淺且需要鉆表層、下套管和完井等作業(yè)，需采用大管徑連續(xù)管(2英寸或3英寸)，重點發(fā)展連續(xù)管鉆井裝備。

1 連續(xù)管鉆井系統(tǒng)構(gòu)成

連續(xù)管鉆井系統(tǒng)主要由連續(xù)管鉆井地面系統(tǒng)和井下鉆具組合2部分組成。連續(xù)管鉆井地面系統(tǒng)主要由連續(xù)管鉆機(jī)、循環(huán)系統(tǒng)、井控系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)等組成，與常規(guī)鉆井地面系統(tǒng)相比，連續(xù)管鉆井系統(tǒng)的鉆井液循環(huán)與處理系統(tǒng)、井控系統(tǒng)及相關(guān)輔助設(shè)備并沒有特別要求，兩者標(biāo)志性的特征差異在于連續(xù)管鉆機(jī)[1]。

對于不同的鉆井工藝，鉆具組合有所不同，其基本配置包括連接器、馬達(dá)頭、定向工具、隨鉆測量系統(tǒng)、馬達(dá)和鉆頭等。

2 連續(xù)管鉆機(jī)

伴隨著連續(xù)管鉆井技術(shù)的發(fā)展，連續(xù)管鉆機(jī)經(jīng)歷了從單模式連續(xù)管鉆機(jī)到復(fù)合連續(xù)管鉆機(jī)的變革[2]。

2.1 單模式連續(xù)管鉆機(jī)

單模式連續(xù)管鉆機(jī)是在常規(guī)連續(xù)管作業(yè)裝置的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，整套鉆機(jī)的組成除了注入頭、滾筒等連續(xù)管設(shè)備外，還配置了用于支撐注入頭的塔式井架和循環(huán)系統(tǒng)、井控系統(tǒng)等。單模式連續(xù)管鉆機(jī)不具備鉆表層和起下管柱的能力，主要是在鉆機(jī)或修井機(jī)的配合下進(jìn)行重入鉆井。

2.2 復(fù)合式連續(xù)管鉆機(jī)

FOREMOST公司是連續(xù)管復(fù)合鉆機(jī)的先驅(qū)，據(jù)不完全統(tǒng)計，85%的在用連續(xù)管復(fù)合鉆機(jī)由其制造。連續(xù)管復(fù)合鉆機(jī)的發(fā)展經(jīng)歷了3個階段，如圖1。

a 第1代

b 第2代

c 第3代

第1代連續(xù)管復(fù)合鉆機(jī)是將井架、絞車和游動系統(tǒng)與單模式連續(xù)管鉆機(jī)集成于一體，放置于一臺半掛車上，具備了起下管柱的能力，提高了設(shè)備的運(yùn)輸機(jī)動性和安裝的方便性。該復(fù)合鉆機(jī)于1997年研制成功，配置最大提升力272.2 kN(60 000 lb)注入頭、最大鉤載360 kN的井架和游動系統(tǒng)，連續(xù)管鉆井深度800 m。至2000年共有15臺第1代連續(xù)管鉆機(jī)在加拿大西部使用，至2002年共鉆井6 200余口。

隨著頂驅(qū)鉆井技術(shù)的不斷成熟，在第1代連續(xù)管鉆機(jī)的基礎(chǔ)上，由頂驅(qū)替代游動系統(tǒng)，產(chǎn)生了第2代連續(xù)管復(fù)合鉆機(jī)，具備了鉆表層和處理管柱的能力，同時增大了注入頭的提升能力和連續(xù)管鉆井深度。注入頭最大提升力544.4 kN(120 000 lb)，最大鉤載900 kN，連續(xù)管鉆井深度達(dá)2 100 m(3英寸連續(xù)管)。至2009年該型連續(xù)管復(fù)合鉆機(jī)共90臺在北美地區(qū)應(yīng)用。

為提升連續(xù)管鉆井能力，繼續(xù)增大注入頭和頂驅(qū)的能力，增加滾筒的容量；驅(qū)動型式由原來的液壓驅(qū)動改為交流變頻驅(qū)動，提高連續(xù)管鉆井的控制精度；同時配置了井口自動化工具鐵鉆工，提高連續(xù)管復(fù)合鉆機(jī)的自動化水平，形成了第3代連續(xù)管復(fù)合鉆機(jī)。第3代連續(xù)管復(fù)合鉆機(jī)注入頭最大提升力達(dá)907.2 kN(200 000 lb)，最大鉤載1 360 kN，連續(xù)管鉆井深度達(dá)3 000 m(3英寸連續(xù)管)。至2009年該型連續(xù)管復(fù)合鉆機(jī)共5臺在北美地區(qū)應(yīng)用。2009年使用該型鉆機(jī)鉆井井深達(dá)3 034 m，鉆井時間為常規(guī)鉆井的1/2，創(chuàng)世界紀(jì)錄[3]。

2010年以后，由于北美地區(qū)煤層氣鉆井?dāng)?shù)量大幅度下降和鉆井深度的不斷增加，北美連續(xù)管復(fù)合鉆機(jī)的數(shù)量基本達(dá)飽和狀態(tài)。

3 連續(xù)管鉆井鉆具組合

連續(xù)管鉆井分為定向鉆井和非定向鉆井，非定向鉆井主要用于鉆淺層新井，不用嚴(yán)格控制鉆井軌跡，鉆具組合相對簡單；定向鉆井用于連續(xù)管側(cè)鉆，需嚴(yán)格控制鉆井軌跡，鉆具組合比較復(fù)雜，分為無纜式鉆具組合和有纜式鉆具組合2大類[4]。

3.1 無纜式連續(xù)管鉆具組合

無纜式連續(xù)管鉆具組合是指連續(xù)管內(nèi)不穿入電纜，井底鉆井參數(shù)通過泥漿脈沖傳輸，隨著小尺寸MWD的發(fā)展，可通過機(jī)械-液力定向工具和彎螺桿馬達(dá)實現(xiàn)定向控制。井下鉆具組合一般包括鉆頭、螺桿馬達(dá)、測量儀、連續(xù)管接頭、定向工具和緊急斷開接頭等連續(xù)管專用工具。

3.2 有纜式連續(xù)管鉆具組合

有纜式鉆具組合是指連續(xù)管內(nèi)傳入電纜，可以從地面恒功率給井下鉆具組合提供動力，并且在地面控制系統(tǒng)和BHA之間可以高速雙向通訊。精確高效的定向控制和井下數(shù)據(jù)可用于鉆井優(yōu)化和過程控制。目前比較知名的有纜式連續(xù)管鉆具組合主要為貝克休斯公司的CoilTrak、斯倫貝謝公司的VIPER和AnTech公司的COLT，這幾種鉆具組合系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)、性能可靠，已在現(xiàn)場廣泛應(yīng)用。

3.2.1CoilTrak連續(xù)管鉆具組合

1992年，出現(xiàn)了以貝克公司為代表的有纜式連續(xù)管鉆具組合CoilTrak，經(jīng)過2 a的測試和發(fā)展，1994年在歐洲開始商業(yè)化應(yīng)用，1996年和1997年應(yīng)用于荷蘭、委內(nèi)瑞拉、阿曼、俄羅斯以及阿拉斯加等地區(qū)。第1套有纜BHA主要由4部分組成：上部快速連接器、控制系統(tǒng)、機(jī)械丟手和螺桿馬達(dá)。工具尺寸79.4 mm(3英寸)，完成井眼尺寸95.25～120.65 mm(3～4英寸)。

第2代連續(xù)管鉆具組合2001年開始應(yīng)用，2003年商業(yè)化。第2代系統(tǒng)拓展使用60.33 mm(2英寸)工具尺寸，鉆更小的69.85 mm(2英寸)井眼。60.33和106.2 mm(2和3英寸)2種不同的工具尺寸可以覆蓋69.85～120.65 mm (2～4英寸)的井眼。

CoilTrak連續(xù)管鉆具組合主要部件是快速連接系統(tǒng)、動力和通訊短接、電控丟手和循環(huán)短接、鉆井參數(shù)測量短接、定向伽馬短接、液力定向器工具和一個螺桿馬達(dá)。根據(jù)不同需求可額外增加不同的模塊，包括安全回壓閥、地質(zhì)導(dǎo)向MWD、小井眼電阻率短接、肋板導(dǎo)向馬達(dá)等[4]。如圖2。

a 標(biāo)準(zhǔn)連續(xù)管鉆具組合

b 大位移和地質(zhì)導(dǎo)向鉆具組合

c 欠平衡連續(xù)管鉆具組合

3.2.2VIPER連續(xù)管鉆具組合

VIPER連續(xù)管鉆具組合是斯倫貝謝公司針對連續(xù)管鉆井開發(fā)的一套有纜式連續(xù)管鉆具組合，主要由鉆井頭、測量工具、轉(zhuǎn)向工具和肋板馬達(dá)4部分組成，如圖3。工具外徑73.0 mm(2英寸)。

圖3 VIPER 連續(xù)管鉆具組合

該鉆具組合盡可能利用已有的成熟技術(shù)，其方向及井斜傳感器、伽瑪傳感器就是由成熟的MWD的傳感器改進(jìn)而來。方向及井斜測量精度達(dá)±1°，精確的方向傳感器和良好的方向控制允許設(shè)計小靶區(qū)鉆井；伽瑪傳感器可以用來進(jìn)行地層評價和地質(zhì)導(dǎo)向，可用于薄地層的鉆進(jìn)并通過地質(zhì)導(dǎo)向最大限度延長井眼的有效長度。

定向器是鉆具組合的主要特點之一，該定向器由電力馬達(dá)直接提供動力，可實時定向，工具面可以以1°的增量來轉(zhuǎn)動，并可以順時針或逆時針轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)矩達(dá)1 351 kN·m(1 000 lbf·ft)，旋轉(zhuǎn)速度1 r/min[5]。

3.2.3COLT連續(xù)管鉆具組合

COLT連續(xù)管鉆具組合是AnTech公司針對連續(xù)管鉆井開發(fā)的一套有纜式連續(xù)管鉆具組合，主要由電纜連接器、連續(xù)管連接器、電纜頭、斷脫器、定向器、傳感器總成、可調(diào)彎螺桿馬達(dá)和PDC鉆頭組成，如圖4。該鉆具組合采用可間斷或連續(xù)轉(zhuǎn)動電驅(qū)式定向裝置控制鉆頭方位，并能將井底情況、鉆具工作狀態(tài)和地質(zhì)資料實時反饋給鉆井工作人員[6]。

圖4 COLT 連續(xù)管鉆具組合

4 現(xiàn)場應(yīng)用

目前，世界上規(guī)模較大的石油公司和服務(wù)公司都在開展或參與連續(xù)管鉆井業(yè)務(wù)，其中Baker Hughes、Nabors、Halliburton、Savanna、AnTech等公司占據(jù)優(yōu)勢。

連續(xù)管鉆新井主要應(yīng)用于加拿大地區(qū)，2000—2009年，在加拿大用連續(xù)管復(fù)合鉆機(jī)鉆井超過4萬口，主要為淺層氣井和煤層氣井，其中僅2007年用50臺連續(xù)管裝備鉆井?dāng)?shù)量超過5 000口，鉆井深度大部分在1 800 m以內(nèi)。用常規(guī)鉆桿鉆表層，表層井眼直徑251 mm，深度150～300 m；用外徑178 mm套管固井；利用外徑73或89 mm連續(xù)管和外徑120 mm的鉆具組合鉆主井眼，井眼直徑159 mm；用外徑114 mm套管固井。

連續(xù)管側(cè)鉆在美國、中東和歐洲等地區(qū)都有較廣泛的應(yīng)用，是一種可靠、安全、經(jīng)濟(jì)的對現(xiàn)有老井眼進(jìn)行側(cè)鉆的有效方法。側(cè)鉆井深相對較深，井眼尺寸較小，為69.85～120.65 mm (2～4英寸)。1994—2016年，僅Baker Hughes公司采用連續(xù)管側(cè)鉆井810口，鉆井總進(jìn)尺達(dá)1 021 534 m。

5 結(jié)論

1) 經(jīng)過20多年的發(fā)展，國外連續(xù)管鉆井系統(tǒng)已比較成熟，并廣泛應(yīng)用于淺層油氣鉆新井和老井重鉆，在縮短鉆井時間、降低開采成本、提高最終采收率等方面發(fā)揮了積極作用。

2) 隨著我國大慶、遼河、長慶等老油田挖潛增效工作的深入，急需對停產(chǎn)井、套損井和工程事故井進(jìn)行側(cè)鉆復(fù)產(chǎn)。根據(jù)國外連續(xù)管鉆井技術(shù)的實施情況，可以優(yōu)先考慮在我國的一些老油田采用連續(xù)管鉆井技術(shù)，進(jìn)行老井加深和老井側(cè)鉆。

3) 為了縮短研究周期和減少研制費(fèi)用，應(yīng)廣泛調(diào)研，選擇性地引進(jìn)成熟工藝和裝備。在消化、吸收的基礎(chǔ)上，研發(fā)適合我國國情的連續(xù)管鉆井技術(shù)，并逐步實現(xiàn)國產(chǎn)化。

[1] 賀會群.連續(xù)管鉆井技術(shù)與裝備[J].石油機(jī)械，2009，37(7)：1-6.

[2] 單代偉，劉清友，陳俊，等.連續(xù)油管鉆機(jī)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].石油礦場機(jī)械，2010，39(5)：79-83.

[3] By J.Gregory Nutter and Reg Layden.Two-in-one rotatry drilling/coiled-tubing rig enhances performance for permian basin wells[R].Drilling Contractor，2009.

[4] 唐志軍，劉正中，熊繼有.連續(xù)管鉆井技術(shù)綜述[J].天然氣工業(yè)，2005，25(8)：73-75.

[5] Stefan Krueger，Lars Pridat.Twenty Years of Successful Coiled Tubing Re-entry Drilling With E-Line BHA Syetems-Improving Efficiency and Economics in Maturing Fields Worldwide[R].SPE 179046，2016.

[6] David Hill，Eric Neme.Reentry Drilling Gives New Life to Aging Fields[R].Oilfield Review，1996.

[7] 蘇新亮，李根生，沈忠厚，等.連續(xù)油管鉆井技術(shù)研究與應(yīng)用進(jìn)展[J].天然氣工業(yè)，2008，28(8)：55-57.

DevelopmentandApplicationofOverseasCoiledTubingDrillingSystem

ZHANG Fuqing，LIU Shoujun，DUAN Wenyi，SONG Zhiguo，YU Dongbing，YAN Jiafu

(JianghanMachineryResearchInstitute，CNPCDrillingResearchInstitute，Wuhan430024，China)

With the continuous development of overseas coiled tubing drilling equipment，BHA and drilling technology，coiled tubing drilling as a low cost，high efficiency，safety and reliability of the new drilling technology，become a focus of drilling.The coiled tubing drilling system is introduced in this paper，the development，technological profile of coiled tubing drilling rig，and the structure and characteristics of typical BHA are studied and summarized.The development idea for our country’s coiled tubing drilling system us put forward.

drilling rig；coiled tubing；coiled tubing drilling；BHA；development

1001-3482(2017)06-011-05

2017-06-02

國家科技重大專項 “致密油氣連續(xù)管側(cè)鉆鉆井技術(shù)與裝備”(2016ZX05022-003)

張富強(qiáng)(1981-)，男，高級工程師，碩士，現(xiàn)從事石油機(jī)械研發(fā)工作，E-mail：zhangfuq1@cnpc.com.cn。

TE922

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.06.003