連續管注入頭現狀及發展趨勢

瞿 丹，黎 偉

（西南石油大學機電工程學院，成都610500） ①

·技術綜述·

連續管注入頭現狀及發展趨勢

瞿 丹，黎 偉

（西南石油大學機電工程學院，成都610500）①

注入頭是連續管裝備的核心部件。介紹了連續管注入頭的發展起源，并對現今連續管注入頭的典型結構及工作原理進行了闡述。對注入頭國內外發展現狀進行了詳細介紹，并對其發展趨勢進行了總結。建議國內加大對連續管鉆井裝備，特別是鉆井用注入頭的研發力度，加快連續管裝備國產化進程，為我國連續管鉆井技術的快速發展創造有利條件。

連續管；注入頭；連續管鉆井；現狀；發展趨勢

1960年開發的一種潛水艇水下通訊天線升降裝置，稱為A／N Bra－18A天線傳輸系統，可在183 m（600英尺）水下升降?15.9mm（英寸）帶有聚乙烯包層的銅芯天線。2條傳輸鏈條中間裝有由纖維強化酚醛塑料制成的“鞍狀塊”，通過鞍狀塊凹槽鎖定通訊天線，并將天線儲藏在注入頭下方的滾筒上以便于天線的收放［1］。

該設計概念幫助Bowen工具公司開發出連續管注入頭樣機。1962年，加利佛尼亞石油公司和Bowen工具公司開發出第1臺輕型連續管修井樣機，并在美國墨西哥灣的油氣井上用于沖砂作業［2］。連續管第1號注入頭設計為垂直反轉鏈條牽引系統，可起下?33.4mm（1.315英寸）的油管，最大操作載荷為136kN（30 000磅）。滾筒直徑為?2 743 mm（9英尺），并裝配了可旋轉循環接頭，在修井作業中可連續泵送連續管。

1 結構組成及工作原理

注入頭經過幾十年發展演變，各方面都發生了諸多變化。目前，用于連續管作業的注入頭典型結構組成如圖1。

圖1 注入頭典型結構

注入頭主要由機架、液壓馬達、計數齒輪、連續管卡瓦、牽引鏈條、張緊裝置、壓緊裝置、惰輪、載荷傳感器等部件組成。機架的主要功能是安裝固定注入頭上的鏈輪、液壓馬達、壓緊裝置等附件；液壓馬達為驅動鏈條及連續管輸送提供動力來源；張緊裝置和壓緊裝置主要起張緊鏈條和驅使卡瓦抱緊連續管的作用；計數齒輪用于測量連續管的下入長度；載荷傳感器主要起測量鉆壓的作用。通常，鏈條外側的卡瓦內徑與連續管外徑相匹配，用于夾持連續管并隨驅動鏈條一起拖動連續管做上、下移動［3］。

注入頭上方的2個液壓馬達帶動鏈條轉動。鏈條外側嵌裝著連續管卡瓦。壓緊油缸推動夾持塊夾住鏈條的內側，使連續管卡瓦夾緊油缸。當井口中心上方的鏈條向下運動時，將連續管注入井內，反之則將連續管從井內起出。為了保證鏈條能夠正常工作，需要張緊油缸調節張緊滾輪，使鏈條完全張緊。

2 國外發展現狀

2.1 連續管注入頭

國外在連續管裝備上發展較早，技術水平較成熟和先進。國外生產連續管注入頭的公司主要有NOV Hydra Rig公司、雙S（Stewart ＆Stevenson）公司、ASEP公司等。

2.1.1 Hydra Rig公司

Hydra Rig公司是美國NOV國民油井旗下的是生產注入頭的主要廠家之一，全球約75%的注入頭均由該公司生產。從技術開發水平上來說，Hydra Rig公司生產的連續管設備是目前市場最為先進和性能可靠的設備。近幾年該公司注入頭從200系列經過400系列、500系列更新，現已發展成最先進的600系列注入頭。同時，Hydra Rig公司在連續管設備的技術開發中擁有多項專利，是世界上幾個最大的技術服務公司（如斯倫貝謝、BJ、哈里伯頓等）的指定連續管設備供應商。國內絕大多數連續管裝備都從Hydra Rig公司引進。Hydra Rig公司目前最新的注入頭有HR－635、HR－660、HR－680、HR－5100等型號，如圖2，其技術參數如表1。

圖2 美國Hydra Rig公司注入頭

表1 美國Hydra Rig公司注入頭主要技術參數

2.1.2 雙S公司

美國雙S公司（Stewart＆Stevenson）也是生產連續管設備的廠家之一。雙S公司從1989年起開始為油田提供連續管設備，以產品可靠耐用、質量輕而著稱。雙S公司的設備所具有的拉力和驅動技術使其成為最受歡迎的連續管設備制造商。該公司M系列注入頭（如圖3）可以提供業界最大的拉力；D系列注入頭則是按照連續管測井、鉆井和壓裂作業的需求而設計的；D系列注入頭擁有特殊設計的“浮式”張緊系統，自動張緊，可實現超低速度，所適用連續管尺寸從?25.4mm（1英寸）達到?114.3 mm（4英寸）。雙S公司最新D200型注入頭的上提力可達到907kN（200 000磅），下推力可達到454kN（100 000磅），該注入頭可滿足連續管鉆井的要求。

圖3 美國雙S公司M－100L型注入頭

2.1.3 ASEP公司

荷蘭ASEP公司也是生產注入頭的主要廠商之一。其最新研發的363kN四驅K－COIL Quad－Head 80H型注入頭（如圖4）體積只有同類產品體積的1／2左右，這是因為該注入頭采用四鏈條驅動式設計，能增大注入頭提升力并大幅降低注入頭夾痕對連續管的傷害［4］。

圖4 荷蘭ASEP公司四驅注入頭

還有些公司在注入頭的設計研發上各具特色。如加拿大Dreco公司生產的注入頭采用單組牽引鏈條，具有結構簡單、體積小、更換卡瓦方便等優點；美國Baker Hughes公司開發的人工智能注人頭能有效減少連續管受彎曲變形和交變疲勞作用，使連續管壽命提高70%［5］。

2.2 連續管鉆機

連續管鉆機生產商主要有加拿大Foremost公司和美國Xtreme Coil公司。

2.2.1 Foremost公司

早在1997年，Foremost公司就致力于開發獨特的商業化連續管鉆機。到2007年底，Foremost公司已經成為北美連續管鉆機的主要供應商。目前，Foremost能研發鉤載907kN（200 000磅）、注入頭上提力544kN（120 000磅）、下推力182kN（40 000磅）的復合連續管鉆機。

2.2.2 Xtreme Coil公司

Xtreme Coil公司連續管鉆機技術處于世界領先地位。目前設計了XTC200ST、XTC200DT、XTC200DTPlus、XTC300ST和XTC400ST型5種型號的復合連續管鉆機。前2種型號鉆機配備的注入頭上提力為544kN（120 000磅），后3種型號鉆機配備的注入頭上提力為907kN（200 000磅），適用連續管尺寸均為?88.9mm（3英寸）。

可以看出，隨著連續管外徑不斷增大和作業深度不斷增加，連續管作業從修井領域向鉆井領域擴展，對注入頭提升能力的要求也越來越高。

3 國內發展現狀

我國引進和利用連續管作業技術始于20世紀70年代。1977年，我國引進了第1臺Bowen公司生產的連續管作業機。受引進成本和國外關鍵技術封鎖的制約，國內連續管的應用局限在沖砂洗井、鉆橋塞、氣舉排液、注液氮、清蠟、擠酸和配合測試等常規作業，并且存在設備老化、設備不配套、設備使用率低、施工費用高等缺點［6－7］。

為打破國外對連續管設備的技術壟斷，國內公司主要采取技術引進和自主研發相結合的方式，進行連續管作業設備的研發工作，并取得了一定成果。代表公司主要有：中國石油集團鉆井工程技術研究院江漢機械研究所（簡稱江漢機械研究所）、中石化江漢石油管理局第四石油機械廠、遼河石油裝備制造總公司及煙臺杰瑞石油裝備技術有限公司等，研發的注入頭主要技術參數如表2。

表2 國內連續管注入頭主要技術參數

近幾年，由于連續管鉆井呈現出越來越明顯的技術優勢，國內對連續管鉆井裝備與技術的關注度日益增加。四川宏華石油設備有限公司是國內在連續管鉆井裝備研發上開展較深入、技術水平較高的公司之一。該公司已經研制出了ZJ30／1350CT型復合連續管鉆機和ZRT540型注入頭，如圖5～6。該注入頭由2臺赫格隆液壓馬達直接驅動，沒有機械減速箱，簡化了注入頭結構，提高了作業效率。注入頭最大提升載荷為544kN（120 000磅），最大注入載荷為272kN（60 000磅），最大起下速度為48 m／min（157英尺／min），適用連續管尺寸為?50.8（2）、?60.33（2）、?73（2）、?88.9（3）mm（英寸）。目前該連續管鉆機已完成鉆井工藝試驗，還未進行商業推廣應用。

圖5 ZJ30／1350CT型連續管鉆機

圖6 ZRT540注入頭

4 發展趨勢

1） 由于大直徑連續管鉆井能力強，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。目前，?88.9mm（3英寸）連續管已成為連續管鉆機的標準配置［8］。因此能夠容納?88.9mm（3英寸）連續管的注入頭成為了行業內的主流發展趨勢。且隨著連續管外徑的不斷增大和長度的不斷增加，對注入頭提升能力的要求也越來越高。

2） 世界鉆井裝備與技術正朝著信息化、智能化和自動化方向發展，連續管鉆井裝備的發展趨勢也應與此相符。因此，為使連續管鉆機更易實現數字化控制，對注入頭及配套裝備采用交流變頻驅動和PLC控制技術也成為主要發展方向。

5 結語

本文首先介紹了連續管注入頭的發展起源，并對現今連續管注入頭的典型結構及工作原理進行了闡述。在此基礎上，對注入頭國內外發展現狀進行了詳細介紹，并對其發展趨勢進行了總結。可以看出，國內研制的連續管注入頭工作能力與國外相比存在較大差距，適用連續管尺寸范圍較窄，且主要應用于連續管作業領域，對適用于鉆井工況下的注入頭研發力度不夠，與國外大公司相比缺乏競爭力。21世紀連續管鉆機將成為主要的鉆井裝備，且我國具有廣闊的連續管鉆井市場需求，在這種背景下，國內亟須加大對連續管鉆井裝備，特別是鉆井用注入頭的研發力度，加快連續管裝備國產化進程，為我國連續管鉆井技術的快速發展創造有利條件。

［1］ 劉新會，張興平.連續油管設備及技術的發展［J］.國外油田工程，2007，23（6）：26－28.

［2］ 李大公，朱長發.連續油管綜述［J］.國外石油機械，1995，6（3）：22－33.

［3］ 鄧 平，王定亞，楊建武，等.連續管鉆機技術研究及開發建議［J］.石油礦場機械，2009，38（11）：36－40.

［4］ 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.

［5］ Richard B.Microdrill Initiative Initial Market Evaluation［R］.US：Department of Energy，2003：9－11.

［6］ 王少力，鄭子元.連續油管國產化技術研究新進展［J］.石油礦場機械，2008，37（8）：91－93.

［7］ 王海濤，李相方.連續油管技術在井下作業中的應用現狀及思考［J］.石油鉆采工藝，2008，30（6）：120－124.

［8］ 單代偉，劉清友，陳 俊，等.連續油管鉆機現狀和發展趨勢［J］.石油礦場機械，2010，39（5）：79－83.

Current Situation and Development Trend of Coiled Tubing Injector Head

QU Dan，LI Wei
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu，610500，China）

Injector head is the core component of coiled tubing equipment.The developing history of coiled tubing injector head was presented and a detailed introduction about typical structure and working principle for modern coiled tubing injector head was made.On this basis，the current development situation of coiled tubing injector head at home and abroad was elaborated and the developing trend of coiled tubing injector head was summarized.More efforts for research on coiled tubing drilling equipment，especially injector head used for drilling should be made to speed up localization process of coiled tubing equipment and create favorable conditions for rapid development of domestic coiled tubing drilling technology.

coiled tubing；injector head；coiled tubing drilling；current situation；development trend

1001－3482（2012）01－0046－05

TE933.8

A

2011－07－07

四川省科技支撐計劃項目（07GG002－023）

瞿 丹（1987－），女，湖北荊州人，碩士研究生，主要從事連續管裝備的設計研究，E－mail：qudan1987＠126.com。