連續油管鉆機現狀和發展趨勢

單代偉,劉清友,陳 俊,劉正兵

(1.西南石油大學,成都 610500;2.四川宏華石油設備有限公司,成都 610000)

連續油管鉆機現狀和發展趨勢

單代偉1,2,劉清友1,陳 俊2,劉正兵2

(1.西南石油大學,成都 610500;2.四川宏華石油設備有限公司,成都 610000)

在總結連續油管鉆井發展歷程的基礎上,對常規連續油管鉆機、復合連續油管鉆機和連續油管旋轉鉆機的結構形式和工作原理進行了介紹,并對連續油管鉆機的發展趨勢進行了分析。分析認為,連續油管鉆井技術能實現安全、高效、低成本開發油氣藏的目的,具備易于實現自動化和智能化等優點,體現了國際石油鉆井技術發展的總趨勢。預測連續油管鉆機將成為 21世紀的主要鉆井裝備。

連續油管;連續油管鉆機;旋轉連續油管

1 連續油管鉆井發展歷程

自從 1962年,美國 California石油公司和Bowen石油工具公司聯合研制的第 1臺連續油管作業裝置(Coiled TubingUnit,CTU)投入石油工業應用至今, CT技術和 CTU已經歷了 40多 a的發展歷程。特別是 20世紀 90年代初,法國 Elf公司利用 CT技術進行老井加深,美國Oryx公司利用 CT技術側鉆水平井以及 Ensco公司利用 CT技術進行欠平衡鉆井的試驗成功,極大地推動了連續油管鉆井 (Coiled TubingDrilling,CTD)技術的發展[1]。目前連續油管技術已經廣泛應用于鉆井、完井、采油、修井和集輸等作業的各個領域,解決了許多常規作業技術和方式難以解決的問題,應用效果明顯[2-3]。其中連續油管鉆井技術作為一項成本低、效率高、安全可靠的鉆井新技術,成為鉆井領域的技術熱點。2005年,全球連續油管服務收益比 2004年增長 27%,達到＄16.84億美元,其中連續油管鉆井占連續油管服務市場的 15%,但是其增長速度明顯快于連續油管在其他服務領域的應用。在加拿大,從 2006年起采用連續油管鉆井的數量就超過了 1 000口,2007年在淺井作業中采用連續油管鉆井的比例達到 27%, 2008年這一比例達到了 32%,這使得加拿大成為了采用連續油管鉆井最活躍的國家。美國也對連續油管鉆井技術表現出極大的興趣,據估計美國每年有4 000～5 000口井適合采用連續油管鉆井。早在1994年,美國就提出了以連續油管鉆井技術為基礎進行微小井眼鉆井的概念,2004年美國能源部把“微小井眼”技術作為重點研發新項目,進一步推動了連續油管鉆井技術的發展[4]。伴隨著連續油管鉆井技術的發展,連續油管鉆機經歷了從常規連續油管鉆機到復合連續油管鉆機的變革,下一代連續油管旋轉鉆機也正處于初期研發階段。

2 連續油管鉆機現狀

2.1 常規連續油管鉆機

20世紀 90年代,國外許多油氣田都進入了開采的后期階段,用原井眼側鉆開發新區塊,可充分利用老井,減少投資成本,大幅度提高產量,因此開發老油田中未涉及的油氣儲層越來越受到重視。由于傳統的老井重鉆技術不具備開采這種儲層所要求的經濟效益,人們迫切需要找到一種更加經濟高效的老井重鉆技術。由于連續油管技術可以進行油管側鉆,可實現連續下放和連續循環等優勢,使得連續油管側鉆能顯著降低成本、提高效率,適應了老井重鉆這一潛在的大市場,因此在連續油管作業裝置的基礎上發展起來了第 1代連續油管鉆機—常規連續油管鉆機。針對陸上和海上,常規連續油管鉆機又分為 2類。陸上鉆機安裝在拖車上,采用吊車或U型井架支撐注入頭;而海上鉆機幾乎全是裝在滑動底座上,采用吊車組裝塔式井架來支撐注入頭[5]。常規連續油管鉆機除了注入頭、卷筒等連續油管設備外,還必須裝備與傳統鉆機相同的許多設備,例如泥漿泵、泥漿罐、固控設備、混漿設備和井控設備等。常規連續油管鉆機不具備鉆表層和起下管柱的能力,因此主要用于老井作業,如老井加深或側鉆井作業。ARCO公司和BPX公司在普魯德霍灣油田 150余口連續油管側鉆井的實踐表明,采用常規連續油管鉆機進行側鉆井作業平均成本只有常規側鉆井的50%左右。在阿拉斯加,從 1992年起已經有 470口井采用連續油管鉆機進行了重入井鉆井,多數為開窗鉆多分支井,井深 3 139～5 547 m(10 300～ 18 200英尺)。在阿聯酋,有 27口井采用欠平衡工藝進行了連續油管重入井作業,全部為側鉆多分支井,最多達到 13個分支。目前,常規連續油管鉆機重入井鉆井已經得到了廣泛應用,主要是采用 60.3 mm(23/8英寸)連續油管鉆 158.7 mm(61/4英寸)以下的井眼。

2.2 復合連續油管鉆機

采用常規連續油管鉆機進行老井作業,通常需要 1臺修井機準備鉆前工作或配合進行下尾管和取出生產油管等作業;在鉆新井時,也需要 1臺常規鉆機鉆開表層井眼或下套管。這就導致在鉆井過程中需要準備 2套鉆機,并在連續油管鉆機和常規鉆機之間進行轉換。為了提高連續油管鉆井的效率,在20世紀 90年代后期,人們就提出了將連續油管鉆機和常規鉆機復合的想法,即復合連續油管鉆機。早期的復合連續油管鉆機是將常規轉盤鉆機和連續油管裝置集成在一起,主要部件包括連續油管注入頭、連續油管滾筒、液壓站、鉆機井架、鉆臺等,連續油管注入頭安裝在鉆臺的雙導軌上,并通過 4個滾輪使注入頭十分方便地進入或離開井眼位置。在這一時期典型的復合連續油管鉆機是貝克休斯公司的Galileo系列[5]。

早期的復合連續油管鉆機搬動時,需要將滾筒和注入頭從鉆機上拆下,而且采用轉盤鉆井方式效率也不高。2002年,美國 Savanna鉆井公司就意識到以前的復合連續油管鉆機移運性能和作業效率不高的問題,因此該公司結合當時先進的頂驅鉆井技術,開發了帶頂驅的復合連續油管鉆機[6],如圖 1。該連續油管鉆機將連續油管鉆井方式和頂驅相結合,大量采用了交流變頻和 PLC控制技術,引導了連續油管鉆機未來的發展方向。復合頂驅連續油管鉆機將卷筒、絞車、注入頭、頂驅、井架和底座等設備全部集成在一臺拖車上,方便實現快速的移運。鉆機井架上安裝有水平導軌,注入頭可以沿水平導軌移動。當注入頭離開井眼中心時,可以采用頂驅進行常規鉆井,當注入頭移動到井眼中心時,則可以進行連續油管鉆井。這一結構設計使得該鉆機具備了鉆表層井眼、下套管、處理井下事故的能力。最初設計的復合頂驅連續油管鉆機主要針對淺油氣藏,井架大鉤載荷為 454 kN(100 000 lbs),注入頭的提升能力為 363 kN(80 000 lbs),采用 73.0 mm(27/8英寸)連續油管,鉆井深度小于 1 500 m。隨著在淺井領域的成功應用,鉆井能力更強的復合頂驅連續油管鉆機被設計開發出來。目前,復合頂驅連續油管鉆機多采用 88.9 mm(31/2英寸)連續油管,注入頭提升能力可達 544 kN(120 000 lbs),甚至 907 kN(200 000 lbs),井架鉤載達到 1 360 kN(30 0000 lbs),甚至 1 814 kN(400 000 lbs),鉆井深度超過3 000 m。

圖 1 Savanna復合連續油管鉆機

目前,復合頂驅連續油管鉆機的設計和制造廠家主要是加拿大的 Foremost和美國的 Xtreme Coil公司。早在 1997年,Foremost公司就致力于開發獨特的商業化連續油管鉆機。1999年,第 1臺 Foremost連續油管鉆機投入使用,并顯著提高了油井的產量。到 2002年,Foremost已經能為鉆井公司設計和制造技術更加先進的復合連續油管鉆機。目前, Foremost能研發鉤載 907 kN(200 000 lbs),注入頭提升力 544 kN(120 000 lbs)的復合連續油管鉆機。到 2007年年底,Foremost公司已經成為北美連續油管鉆機的主要供應商,為各鉆井公司提供了超過 60臺的連續油管鉆機。Foremost的客戶包括 Savanna energy,Nabors,Technicoilcrop和 Xtreme等鉆井公司。Xtreme Coil公司是一家技術處于世界領先地位的連續油管鉆機公司。該公司目前設計了 5種型號的復合連續油管鉆機,用于不同的鉆井深度,如表1。Xtreme Coil公司的 XTC200ST,XTC200DT, XTC200DTPlus三種型號的復合連續油管鉆機是通過門型井架的傾斜來實現注入頭和頂驅分別對準井眼軸線。如圖 2所示,注入頭傾斜安裝在門型井架上,當井架豎直時頂驅位于井眼軸線上,當井架傾斜時注入頭位于井眼軸線上,從而實現連續油管鉆井和常規鉆桿鉆井之間的轉換[7]。其中 XTC200DT, XTC200DTPlus復合頂驅連續油管鉆機,將連續油管卷筒單獨用一個拖車運輸,一次能運送更重更長的連續油管。XTC300ST和 XTC400ST鉆機采用了桁架式井架,使得井架能承受更大的鉤載,從而增大了下套管和解卡能力。截至 2009-03,Xtreme Coil公司已經生產了 16臺帶頂驅的復合連續油管鉆機,如圖3。其中 8臺在墨西哥作業,8臺在美國作業。2009-04,在墨西哥作業的 XTC300ST連續油管鉆機,采用88.9 mm(31/2英寸)連續油管創紀錄的達到了3 034 m的鉆井深度。

表 1 Xtreme公司復合頂驅連續油管鉆機系列

圖2 Xtreme復合連續油管鉆機

2.3 連續油管旋轉鉆機

復合頂驅連續油管鉆機的應用進一步拓寬了連續油管鉆機的應用深度和廣度,但是由于連續油管不能旋轉,導致了連續油管鉆井存在以下缺點:

a) 連續油管鉆井水平位移受到限制,而且由于清洗井眼難度大,使得連續油管和井底鉆具組合容易發生卡鉆。

b) 連續油管不能旋轉,在定向鉆井作業中,為了控制井眼軌跡,需要頻繁起下鉆,以便更換井底鉆具組合或改變馬達的彎曲度。

為了克服以上缺點,充分發揮連續油管鉆井的優勢,2006年美國人 John VanWay將一臺修井機改進成了一臺連續油管旋轉樣機[8],如圖 4。該樣機將連續油管作業裝置安裝在井架內部,其中卷筒水平安裝在井眼上方,連續油管纏繞在卷筒的內側,卷筒下方安裝有注入頭,連續油管通過注入頭可以垂直進出井眼。在連續油管進出井眼的過程中,卷筒和注入頭能以 20 r/min的速度向不同方向旋轉或靜止不動,使得連續油管滑動鉆進方式變為了轉動鉆進,能有效降低管體和井壁的摩擦,增大連續油管的側鉆深度,同時也有利于清洗井眼和減少卡鉆的幾率。由于旋轉連續油管鉆機的卷筒直接布置在注入頭的上方,連續油管進入井眼不再通過鵝頸和注入頭的彎曲作用,預計能增大連續油管壽命 5～7倍[8]。

2008年,Arpit等人在 John Van Way連續油管旋轉樣機的基礎上,提出了連續油管旋轉的復合鉆機,該鉆機卷筒的下方安裝有一個可拆卸的中心機構,該機構具有旋轉卷筒和收放連續油管的功能。當拆除該中心機構后,頂驅可以通過卷筒中心的空間對螺紋鉆桿進行操作,從而實現常規鉆井作業,當裝上該機構后可實現連續油管旋轉鉆井作業[9]。目前,旋轉連續油管鉆機還處于初期研發階段,關于旋轉連續油管疲勞壽命的研究工作正在積極開展中[10]。已經有幾家獨立的石油公司對該項技術產生了濃厚的興趣,如果旋轉連續油管鉆井技術一旦能滿足現場應用的需求,必將為鉆井技術帶來一次新的革命。

3 連續油管鉆機的發展趨勢

當今世界石油鉆井技術主要向著有利于發現新油氣藏、提高油氣田采收率和自動化鉆井的趨勢發展,以實現安全、高效、低成本開發油氣藏的目的。連續油管鉆機的發展趨勢也符合了世界鉆機技術的發展潮流,主要體現在 2個方面。

圖3 Xtreme復合連續油管鉆機

圖4 連續油管旋轉樣機卷筒

a) 大直徑連續油管鉆井能力強,所需要的循環泵壓低,這有利于獲得更快的機械鉆速和更好的清巖效果。在連續油管鉆井早期主要采用 50.8 mm (2英寸)連續油管和 73.0 mm(27/8英寸)井底鉆具組合;后來出現了 60.3 mm(23/8英寸)連續油管和88.9 mm(31/2英寸)底部鉆具組合鉆 120.6 mm(43/4英寸)井眼,再后來發展到采用 73.0 mm(27/8英寸)連續油管和 120.6 mm(43/4英寸)底部鉆具組合鉆158.8 mm(61/4英寸)井眼,目前,88.9 mm(31/2英寸)連續油管已經逐漸成為了連續油管鉆機的標準配置。

b) 連續油管通過內置電纜,能實現井底和地面的雙向信息高速傳送。如果配備動力電纜則可以通過電動方式驅動鉆頭旋轉和控制鉆頭定向,更容易實現鉆井過程的隨鉆測量和閉環控制。

c) 連續油管鉆井裝備大量采用交流變頻和PLC控制技術,如目前的復合頂驅連續油管鉆機采用了交流變頻驅動的注入頭、頂驅、泥漿泵和絞車等設備,使得連續油管鉆機控制更容易實現信息化、智能化和自動化鉆井。

4 結語

本文在總結連續油管鉆井發展歷程的基礎上,對常規連續油管鉆機、復合連續油管鉆機和連續油管旋轉鉆機的結構形式和工作原理進行了詳細介紹,并對連續油管鉆機的發展趨勢進行了分析。連續油管鉆井技術具有成本低、操作安全、利于環保、易實現自動化和智能化等優點,體現了國際石油鉆井技術發展的總趨勢,可以預見,連續油管鉆機必將成為 21世紀的主要鉆井裝備。

[1] 黃志潛,高學和.連續油管作業技術文集[M].北京:石油工業出版社,1998:13-14.

[2] 賀會群.連續油管技術與裝備發展綜述 [J].石油機械,2006,34(1):1-6.

[3] 任國富,張華光,付鋼旦,等.國外連續油管作業機的最新進展[J].石油礦場機械,2009,38(2):97-99.

[4] 余福林,單代偉.微井眼井下工具最新進展和思考[J].鉆采工藝,2008,31(4):40-43.

[5] Leading Edge Advantage International Ltd. Introduction to Coiled TubingDrilling[Z].2002,27-28.

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[8] John VanWay.Rotate coiled tubing[R].E&P,2006.

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[10] StevenM.Tipton,Gregory H.Carlson.Fatigue IntegrityA-nalysis of Rotating Coiled tubing[R].SPE 1100068. 2006.

Coiled Tubing Drilling Rig Status and Trend of Development

SHAN Dai-wei1,2,L IU Qing-you1,CHEN Jun2,L IU Zheng-bing2
(1.South W est Petroleum University,Chengdu610500,China;2.Sichuan Honghua Petroleum Equipm ent Co.,Ltd.,Chengdu610000,China)

Coiled tubing(CT)drilling technology is a new technology of drilling,which was developed from 1990’s.Its developing history of coiled tubing drilling technology is presented and a detailed introduction about structure and working principle for conventional CT drilling rig,hybrid CT drilling rig and drilling rigwith rotating CT are made.The developing trend of CT drilling rig is analyzed.According to the analysis,CT drilling technology is safety,efficient and low cost and easy to realize automation and intelligentization,which represents the trend of petroleum drilling technology.CT drilling rig will become the major drilling equipment in 21 century.

coiled tubing;coiled tubing drilling rig;rotating coiled tubing

1001-3482(2010)05-0079-05

TE922

A

2009-12-14

四川省科技支撐計劃項目(07GG002-023)

單代偉 (1979-),男,四川宜賓人,西南石油大學在站博士后,主要從事石油機械設計和優化的研究,E-mail: shandaiwei@tom.com。