LZ900/73-3500型連續(xù)管復(fù)合鉆機(jī)研制

張富強(qiáng)，劉壽軍，劉平國，梁建龍，曹 欣，顏家福，李 偉

(1.中石油江漢機(jī)械研究所有限公司，武漢 430024;2.中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司 長慶井下技術(shù)作業(yè)公司，西安 710018)

我國很多老油田已經(jīng)處于開發(fā)的中后期，低產(chǎn)井、停產(chǎn)井及報廢井的數(shù)量多。老井側(cè)鉆水平井，能夠充分利用現(xiàn)有井場、設(shè)備及管網(wǎng)等資源，減少資源浪費(fèi)，節(jié)約成本，有效動用剩余油氣儲藏，是油田老區(qū)塊恢復(fù)產(chǎn)能的主要技術(shù)手段之一[1]。國外的經(jīng)驗(yàn)表明，利用連續(xù)管鉆井技術(shù)進(jìn)行老井側(cè)鉆水平井，具有高效、安全、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢，側(cè)鉆直徑85～101.6 mm井眼的井?dāng)?shù)占比接近90%。老井過油管側(cè)鉆定向井?dāng)?shù)占比為82%。我國在“十二五”期間，通過技術(shù)攻關(guān)，研制了單模式連續(xù)管鉆機(jī)、液力定向式鉆井工具系統(tǒng)，取得了階段性成果。為了進(jìn)一步提升連續(xù)管鉆機(jī)的獨(dú)立作業(yè)能力，提高連續(xù)管側(cè)鉆井效率， 在“十三五” 期間開展了連續(xù)管復(fù)合鉆機(jī)的技術(shù)攻關(guān)，突破了輕量化注入頭、下沉式滾筒、三折疊液壓導(dǎo)向器、伸縮式門型井架、電液一體化集成控制系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù),完成了LZ900/73-3500型連續(xù)管復(fù)合鉆機(jī)研制?，F(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證，可滿足連續(xù)管側(cè)鉆井全過程的施工要求。

1 總體方案設(shè)計

LZ900/73-3500型連續(xù)管復(fù)合鉆機(jī)的設(shè)計和研制主要針對老井側(cè)鉆井工藝，主要能實(shí)現(xiàn)前期井筒處理階段起下油管等常規(guī)管柱、連續(xù)管開窗側(cè)鉆、下套管固井以及井下復(fù)雜情況的處理，滿足側(cè)鉆井全過程施工要求。為保證整機(jī)技術(shù)參數(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計、加工制造和性能水平的先進(jìn)性，總體設(shè)計時提出了車裝和橇裝2種方案。經(jīng)綜合對比和評估，特別是考慮到我國的道路和井場條件，最終選擇主機(jī)采用2輛車車裝結(jié)構(gòu)方案。

LZ900/73-3500型連續(xù)管復(fù)合鉆機(jī)主要結(jié)構(gòu)型式及立面布置如圖1。主要由滾筒車、井架車、鉆臺總成、司鉆房橇和井控系統(tǒng)5部分組成。

1-滾筒車；2-井架車；3-井控系統(tǒng)；4-司鉆房橇；5-鉆臺總成。

滾筒車主要由底盤車、滾筒和連續(xù)管組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1-底盤車；2-滾筒；3-連續(xù)管。

井架車主要由底盤、動力系統(tǒng)、小絞車、主絞車、注入頭、導(dǎo)向器、游車大鉤、井架、鋼絲繩、天車等組成，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1-底盤車；2-動力系統(tǒng)；3-小絞車；4-主絞車；5-注入頭；6-導(dǎo)向器；7-游車大鉤；8-井架；9-鋼絲繩；10-天車。圖3 井架車結(jié)構(gòu)

2 技術(shù)參數(shù)

該型連續(xù)管復(fù)合鉆機(jī)可適應(yīng)連續(xù)管的外徑為60.3 mm(2英寸)、73.0 mm(2英寸)。注入頭設(shè)計最大提升力900 kN，最大注入力270 kN，最大起升速度35 m/min。滾筒容量為73.0 mm(2英寸)連續(xù)管3 500 m，或60.3 mm(2英寸)連續(xù)管4 500 m。井架最大鉤載1 125 kN,凈空高度26 m。鉆臺高度4.5 m。防噴系統(tǒng)額定工作壓力35 MPa，通徑180 mm。滾筒車(移運(yùn))外形尺寸(長×寬×高)為14.50 m×3.00 m×4.45 m，井架車(移運(yùn))外形尺寸(長×寬×高)為16.50 m×3.00 m×4.45 m。從連續(xù)管管徑和長度、注入頭配置及總體結(jié)構(gòu)型式看，LZ900/73-3500型連續(xù)管復(fù)合鉆機(jī)可滿足連續(xù)管側(cè)鉆井全過程作業(yè)需要，其技術(shù)參數(shù)和性能指標(biāo)與國外先進(jìn)水平相當(dāng)。

3 主要部件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

3.1 注入頭

注入頭是連續(xù)管復(fù)合鉆機(jī)最為核心的關(guān)鍵部件。連續(xù)管復(fù)合鉆機(jī)由于要適應(yīng)?73.0 mm(2英寸)-3 500 m 連續(xù)管，或者?60.3 mm(2英寸)-4 500 m 連續(xù)管，鉆井需要的解卡能力比在常規(guī)套管井中作業(yè)時大，因此需要大規(guī)格注入頭來滿足提升力需求。注入頭主要由底座、框架、鏈條機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)、鏈條夾緊機(jī)構(gòu)和鏈條張緊機(jī)構(gòu)等部件組成[2]，如圖4所示。在注入頭底部安裝雙向指重傳感器，用以顯示下入井內(nèi)的連續(xù)管重力、檢查連續(xù)管下入遇阻情況、監(jiān)測連續(xù)管鉆井過程中的鉆壓。在注入頭鏈條上設(shè)計有測量裝置，用于測量起下連續(xù)管的長度、速度和鉆進(jìn)過程中的機(jī)械鉆速。

圖4 注入頭結(jié)構(gòu)

實(shí)施連續(xù)管鉆井時，注入頭主要用于起下連續(xù)管和井下鉆具組合。為了保證注入頭既不咬傷或劃傷連續(xù)管，又有足夠的夾持力和摩擦力[3]，同時盡量減小注入頭的外形尺寸和質(zhì)量，基于彈性夾持理論、數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究，開發(fā)了微變形夾持塊，即，彈性夾持塊。該彈性夾持塊提高了夾持塊與連續(xù)管外表面的貼合度，改變了通過連續(xù)管變形適應(yīng)夾持塊的基本模式，提升夾持塊與連續(xù)管之間的接觸面積，減小接觸應(yīng)力集中，增大有效正壓力，壓力總值提升了20%～39%，夾持塊當(dāng)量摩擦因數(shù)提高23%～31%[4]。彈性夾持塊結(jié)構(gòu)如圖5所示。由于安裝了彈性夾持塊，縮小了注入頭的外形尺寸，減輕了注入頭的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了注入頭的輕量化。

圖5 彈性夾持塊結(jié)構(gòu)

3.2 滾筒

滾筒輪緣外徑4 200 mm，內(nèi)寬2 280 mm，底徑2 600 mm，滿足?73.0 mm長3 500 m連續(xù)管纏繞要求。滾筒主要由底座、筒體、驅(qū)動系統(tǒng)、排管器、計數(shù)器、連續(xù)管潤滑系統(tǒng)和內(nèi)外部管匯等組成(如圖6)，通過下沉方式安裝在滾筒運(yùn)輸車上。驅(qū)動系統(tǒng)采用液壓馬達(dá)+行星減速器直接驅(qū)動型式。行星減速器具有斷油剎車裝置。排管器既可以通過鏈條傳動進(jìn)行自動排管，也可通過液壓馬達(dá)進(jìn)行手動強(qiáng)制排管。自動排管與手動排管轉(zhuǎn)換通過液壓離合器實(shí)現(xiàn)，避免使用摩擦離合器因摩擦面磨損而需要不斷調(diào)整的問題。

圖6 滾筒結(jié)構(gòu)

為滿足有纜式連續(xù)管鉆井時鉆井液和電纜動力數(shù)據(jù)雙通道傳輸要求，將旋轉(zhuǎn)接頭和電纜滑環(huán)集成設(shè)計為一體旋轉(zhuǎn)接頭采用U型結(jié)構(gòu)，內(nèi)置于滾筒軸內(nèi)。高壓流體通過旋轉(zhuǎn)接頭到達(dá)內(nèi)外部管匯。電纜滑環(huán)集成在旋轉(zhuǎn)接頭的最小軸徑位置，利用信號屏蔽與漏電保護(hù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)過程中電液信號安全可靠的傳輸。

3.3 滾筒運(yùn)輸車

我國的涵洞、橋梁限高為4 500 mm。為了保證滾筒運(yùn)輸不超高，滾筒應(yīng)該有足夠的下沉量。為保證連續(xù)管復(fù)合鉆機(jī)滾筒運(yùn)輸車具有良好的道路通過性能，設(shè)計的底盤采用10×6后驅(qū)的方式，發(fā)動機(jī)后置，后三橋驅(qū)動，結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 滾筒運(yùn)輸車結(jié)構(gòu)

為進(jìn)一步提高底盤適應(yīng)復(fù)雜工況的能力，創(chuàng)造性地為該底盤設(shè)計前橋應(yīng)急動力系統(tǒng)，當(dāng)后橋部分車輪陷入泥坑而失去驅(qū)動力等工況時，可以通過前橋應(yīng)急動力系統(tǒng)使底盤前橋獲得動力，從而迅速脫困。該技術(shù)主要是通過發(fā)動機(jī)取力器和分動箱驅(qū)動前橋的應(yīng)急液壓泵，為前橋應(yīng)急液壓馬達(dá)提供動力，驅(qū)動底盤車第2前橋轉(zhuǎn)動。

3.4 伸縮式門型井架

為滿足常規(guī)管柱起下、連續(xù)管鉆井與常規(guī)管柱起下快速轉(zhuǎn)換、注入頭井口支撐和我國道路運(yùn)輸條件等要求，創(chuàng)新研制了直立伸縮式門型井架。井架最大鉤載1 125 kN，額定鉤載800 kN，井架高度26 m。

為滿足連續(xù)管鉆井與常規(guī)管柱起下轉(zhuǎn)換的便捷性，井架選用直立式結(jié)構(gòu)。根據(jù)我國道路運(yùn)輸條件，井架設(shè)計為兩級伸縮套裝結(jié)構(gòu)。井架下體兩側(cè)大腿采用矩形結(jié)構(gòu)，選用高強(qiáng)度鋼板折彎焊接。井架上體大腿采用工字梁結(jié)構(gòu)，提高井架的抗扭性能。井架上體伸出后，采用機(jī)械鎖死的方式鎖死。井架前后設(shè)計有繃?yán)K。井架結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 伸縮式門型井架結(jié)構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)連續(xù)管鉆井與常規(guī)管柱起下的轉(zhuǎn)換，在井架上焊接注入頭的移動裝置，使注入頭能夠在井架上前后、左右移動。注入頭移動裝置采用3層結(jié)構(gòu)，如圖9所示。基礎(chǔ)底座焊接于井架內(nèi)，利用液缸1推動中間支座在底層導(dǎo)軌上前后移動，實(shí)現(xiàn)連續(xù)管鉆井與常規(guī)管柱起下的轉(zhuǎn)換。當(dāng)注入頭位于前部時，可實(shí)施連續(xù)管鉆井作業(yè)。注入頭位于后部時，注入頭遠(yuǎn)離井口，可實(shí)施常規(guī)管柱起下作業(yè)。注入頭安裝座通過液缸2推動，使其在中間座上沿上層導(dǎo)軌左右移動，實(shí)現(xiàn)注入頭與井口的對中。

圖9 注入頭移動裝置

對天車結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，增加天車滑輪數(shù)量，改變快繩方向，使快繩出天車滑輪后按照井架上導(dǎo)輪的控制方向進(jìn)入絞車滾筒，避免快繩與連續(xù)管發(fā)生干擾。

3.5 電液集成控制系統(tǒng)

電液集成控制系統(tǒng)對整機(jī)各執(zhí)行部件的動作進(jìn)行集中控制，實(shí)現(xiàn)LZ900/73-3500型連續(xù)管復(fù)合鉆機(jī)的各部件的協(xié)調(diào)動作。采用部件歸屬、反向羅列的思路，實(shí)現(xiàn)動力驅(qū)動系統(tǒng)優(yōu)化共享、快速功能模式切換、鉆進(jìn)速度精確控制、電液集成一體化控制和安全可靠目的，有效解決了整機(jī)驅(qū)動力復(fù)雜、精確速度控制難、執(zhí)行元件繁多和動作復(fù)雜等難題。

LZ900/73-3500型連續(xù)管復(fù)合鉆機(jī)的控制系統(tǒng)硬件部分包括前端設(shè)備(壓力變送器、電控閥、變頻器等)、控制器(PLC CPU、功能模塊、通訊模塊等)、人機(jī)界面(指示燈、觸摸屏、開關(guān)按鈕、電位器等)以及管理后臺幾個部分。系統(tǒng)組成模塊如圖10所示[5]。

圖10 電液集成控制系統(tǒng)組成

4 創(chuàng)新技術(shù)

1) 針對夾持塊載荷分布不均、夾持效率低等問題，建立了夾持塊與連續(xù)管摩擦模型，進(jìn)行優(yōu)化分析。發(fā)明了彈性自適應(yīng)高效率夾持塊和三折疊導(dǎo)向器。優(yōu)化了注入頭結(jié)構(gòu)，研制了連續(xù)管鉆井用輕量化注入頭。新研制的注入頭在外形尺寸、質(zhì)量、最低速度和最大適應(yīng)管徑等4個方面均優(yōu)于國外同類產(chǎn)品。

2) 通過對連續(xù)管鉆井和常規(guī)鉆桿鉆井的研究，將連續(xù)管鉆井設(shè)備和起升系統(tǒng)集成，發(fā)明了連續(xù)管注入頭移動裝置，成功研制了連續(xù)管鉆井用伸縮式門型井架，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)管鉆井與常規(guī)管柱處理之間的快速轉(zhuǎn)換，為完成連續(xù)管側(cè)鉆井全工藝過程奠定了基礎(chǔ)。

3) 突破發(fā)動機(jī)后置驅(qū)動、框架式分離大梁等關(guān)鍵技術(shù)，創(chuàng)新研制了滾筒運(yùn)輸專用底盤車和下沉式信息化滾筒，解決了在現(xiàn)有道路運(yùn)輸條件下鉆井用?73.0 mm(2英寸)長3 500 m連續(xù)管的運(yùn)輸難題。與同樣外形尺寸車裝式連續(xù)管滾筒相比，?73.0 mm(2英寸)連續(xù)管容量增加22.5%。

4) 首次將電液控制技術(shù)在連續(xù)管鉆機(jī)上成功應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)的模塊化、集成化，解決了連續(xù)管復(fù)合鉆機(jī)的部件分布點(diǎn)多、面廣，液壓傳輸和控制滯后等難題。采用基于人機(jī)界面的電器控制系統(tǒng)，最大程度地優(yōu)化了司鉆臺布置。采用基于冗余備份的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)時記錄鉆井過程中的各種數(shù)據(jù)，完成了數(shù)據(jù)的采集、存儲、備份和恢復(fù)，提高了連續(xù)管復(fù)合鉆機(jī)的自動化水平。

5 現(xiàn)場試驗(yàn)情況

LZ900/73-3500型連續(xù)管復(fù)合鉆機(jī)研制成功以來，在長慶油田、江漢油田等區(qū)域共開展了5口井的老井側(cè)鉆現(xiàn)場試驗(yàn)，實(shí)施了連續(xù)管開窗、連續(xù)管定向鉆進(jìn)、鉆桿開窗、鉆桿定向鉆進(jìn)、鉆桿打撈、連續(xù)管注水泥等16項(xiàng)作業(yè)工藝，單井最大進(jìn)尺1 015 m，證明該鉆機(jī)可滿足側(cè)鉆全過程作業(yè)的要求。

5.1 長慶油田WXXX井

WXXX井是2007年12月完鉆的二開直井，完鉆井深1 524 m。2014-09-04 ，因套管腐蝕嚴(yán)重而停運(yùn)。2019年對該井進(jìn)行修井作業(yè)，先后對1 115～1 155 m井段，610～650 m井段進(jìn)行鍛銑擴(kuò)眼，起出650 m以上套管后在處理井筒過程中出現(xiàn)復(fù)雜井況。2020-06-09，利用連續(xù)管復(fù)合鉆機(jī)、常規(guī)鉆具和無纜式連續(xù)管側(cè)鉆工具，對該井進(jìn)行鉆水泥塞作業(yè)，下入139 mm套管固井后進(jìn)行連續(xù)管側(cè)鉆井作業(yè)，下88.9 mm 油管完井。

本次試驗(yàn)開窗點(diǎn)井深600 m，完鉆井深1 615 m，總鉆進(jìn)進(jìn)尺1 015 m，連續(xù)管復(fù)合鉆機(jī)累計運(yùn)行約600 h，共起下鉆28趟，主要實(shí)施了連續(xù)管探底、通井、刮削、開窗、定向鉆進(jìn)、鉆灰面、注水泥、投球丟手和鉆桿下斜向器、開窗、通井、測井、固井、射孔、下油管等15種施工工藝。獨(dú)立完成了老井井筒處理、開窗側(cè)鉆和完井全過程作業(yè)，驗(yàn)證了LZ900/73-3500型連續(xù)管復(fù)合鉆機(jī)滿足老井側(cè)鉆全過程的技術(shù)要求，具有鉆完井作業(yè)一體化能力。

連續(xù)管開窗和裸眼鉆進(jìn)試驗(yàn)，注入頭起下連續(xù)管速度快，開窗過程低速穩(wěn)定性較好(達(dá)0.01 m/min)，對連續(xù)管開窗和側(cè)鉆有較好的適應(yīng)性。該連續(xù)管復(fù)合鉆機(jī)起下常規(guī)管柱有較好的適應(yīng)性，游動系統(tǒng)大鉤最高下鉆速度達(dá)1.3 m/s，每分鐘起下約20根鉆桿，更換鉆具方便。

注入頭和井架一體化設(shè)計，鉆桿起下過程中與注入頭無干涉。注入頭在井架上前后、左右移動，鉆具更換和非旋轉(zhuǎn)接頭連接方便快捷，更換時間縮短50%，同時減低了勞動強(qiáng)度。

5.2 江漢油田陵XXX井

2021-03-05，利用連續(xù)管復(fù)合鉆機(jī)+有纜式連續(xù)管側(cè)鉆工具在江漢油田陵XXX井開展連續(xù)管側(cè)鉆井作業(yè)。本次側(cè)鉆開窗點(diǎn)井深895 m，完鉆井深1 142 m，總鉆進(jìn)進(jìn)尺247 m。

本次側(cè)鉆，LZ900/73-3500型連續(xù)管復(fù)合鉆機(jī)累計運(yùn)行807 h，起下連續(xù)管約5 400 m，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，可靠性和安全性再次得到驗(yàn)證。再次驗(yàn)證了該連續(xù)管復(fù)合鉆機(jī)既可使用連續(xù)管鉆井，也可使用游動系統(tǒng)起下鉆具。滾筒集流環(huán)信號能穩(wěn)定可靠傳輸，電纜密封頭高壓密封的能力得到驗(yàn)證。

6 結(jié)論

1) LZ900/73-3500型連續(xù)管復(fù)合鉆機(jī)具備前期井筒處理階段起下油管等常規(guī)管柱、連續(xù)管開窗側(cè)鉆、下套管固井以及井下復(fù)雜的處理能力，功能完備，滿足全過程側(cè)鉆要求。設(shè)備低速運(yùn)行穩(wěn)定性良好，最低穩(wěn)定運(yùn)行速度0.01 m/min，對連續(xù)管開窗和側(cè)鉆有較好的工藝適應(yīng)性。

2) 突破了輕量化注入頭、下沉式滾筒、三折疊液壓導(dǎo)向器、伸縮式門型井架、電液一體化集成控制系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)。注入頭和井架結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計，注入頭在井架上前后、左右移動，鉆具更換和非旋轉(zhuǎn)接頭連接方便快捷，具有較好的時效性。滾筒上的旋轉(zhuǎn)接頭和電纜滑環(huán)集成設(shè)計為一體，滿足井下鉆井液、動力信息傳輸要求，穩(wěn)定可靠，性能良好。

3) 該連續(xù)管復(fù)合鉆機(jī)外形尺寸較大，移運(yùn)時對道路的要求較高，不適應(yīng)山地和丘陵道路運(yùn)輸。

4) 我國很多老油田已處于開發(fā)中后期，低產(chǎn)、停產(chǎn)及報廢井?dāng)?shù)量龐大，利用連續(xù)管實(shí)施老井側(cè)鉆，能充分利用現(xiàn)有井場、設(shè)備及管網(wǎng)等資源，減少資源浪費(fèi)，提高效率，節(jié)約成本，有效動用剩余油氣，是油田老區(qū)塊恢復(fù)活力的主要技術(shù)手段之一。LZ900/73-3500型連續(xù)管復(fù)合鉆機(jī)滿足連續(xù)管側(cè)鉆全過程的施工要求，同時可實(shí)現(xiàn)快速高效作業(yè)，具有良好的推廣應(yīng)用前景。

5) 下一步將開展連續(xù)管復(fù)合鉆機(jī)小型化、模塊化研究，提高道路適應(yīng)性；同時開展自動化、智能化研究，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)工程一體化。