連續油管鉆井井下鉆具組合的組成及對比分析

馬衛國，付 悅，陽 婷 （長江大學機械工程學院，湖北 荊州434023）

近年來，隨著高強度、大直徑的連續油管，小直徑高扭矩馬達，先進的定向和導向工具以及高切削效率低磨損鉆頭等井下作業工具的更新換代，極大地提高了連續油管鉆井井下工具組合 （BHA）的作業能力，使得連續油管在過油管重入鉆井、欠平衡鉆井、鉆小井眼、短曲率半徑、多側向的大位移井等方面具有獨特優勢，拓展了連續油管鉆井技術的應用范圍［1］。下面，筆者對連續油管鉆井BHA的組成進行對比分析。

1 連續油管鉆井BHA

1．1 組成元件

連續油管鉆井BHA由多種元件組成，具有為井下作業提供破巖動力、調整鉆頭工作面、測量鉆井工程參數等作用。連續油管鉆井時，使用合理的BHA有利于減少鉆井費用和時間以及提高井眼軌跡的準確程度。

目前，連續油管鉆井主要有泥漿脈沖系統底部鉆具組合和電纜系統底部鉆具組合。實際運用中，現場作業人員應對BHA的適用性和可靠性綜合考慮后再選擇使用。雖然以上2類井下鉆具組合中的一些元件（工具短節）在工作原理和結構形式上存在一定差異，但是它們都具有井下鉆具組合作業所必需的功能。

一般來說，連續油管定向鉆井對井下鉆具組合的要求比鉆垂直井的要高，對鉆具作業功能的要求更多，導致鉆具結構更復雜。泥漿脈沖系統底部鉆具組合和電纜系統底部鉆具組合鉆定向井時，都必須配備的基本工具短節。

1）連續油管連接器 通過絲扣或夾緊作用使連續油管與底部鉆具組合相連，其自身具有比連續油管更高的抗拉／抗扭能力。連續油管連接器通常有螺釘式、卡瓦式、嵌壓式和螺紋式，其中螺釘式連接器優越的抗扭、抗過載拉伸和抗振動的能力，使其被廣泛應用于鉆井作業。

2）止回閥 止回閥用于限制流體流動方向，阻止環空流體回流進連續油管管線，保證作業安全，通常與連續油管連接器相連。連續油管鉆井使用的止回閥有雙瓣止回閥和雙球座止回閥，其中雙瓣止回閥通徑較大，適合大流量和復雜工藝作業。

3）緊急分離工具 用于鉆具遇卡時使連續油管與下部鉆具組合分離，并使液壓和電力通訊安全切斷。目前使用的緊急分離工具的工作原理分為液力釋放式、拉伸／剪切釋放式和電控釋放式。當使用電纜鉆具時，則不能使用液力釋放式工具，而要換作拉伸／剪切釋放式或電控釋放式緊急分離工具。

4）循環閥 循環接頭位于緊急分離工具下方，投球循環至球座后發揮作用。循環接頭減少了通過BHA的壓力損失和流速限制，從而允許增大流速，較高的流速可改善井眼清潔效果。

5）定向工具 定向工具用于連續油管定向鉆井時調整井下馬達的工具面，主要類型有液力定向器、電驅動／控制定向器［2］和智能無線定向器［3］。目前美國Fedlech公司已經開發出了可以旋轉連續油管的新型轉盤，其作用之一就是可以用來改變井下鉆具的工作面［4］。

6）隨鉆測量工具 隨鉆測量工具 （如MWD、LWD等）用于在鉆井過程中對定向數據、地層參數和井下鉆井參數進行測量與上傳。隨鉆測量工具向地面傳遞測量數據的方法有2種，即泥漿脈沖遙測和連續油管電纜系統傳遞，前者僅限用于不可壓縮型鉆井液，后者不受鉆井液類型的影響。

7）馬達 井下馬達為鉆頭提供破巖動力，通常具有可調彎外殼。目前連續油管鉆井使用的馬達種類有螺桿馬達 （容積式馬達）和電動馬達，其中使用最多的是螺桿馬達。在鉆穿油層時，推薦使用無磁定子／轉子組合馬達，以減少磁干擾，從而改善井眼軌跡的控制。

8）鉆頭 連續油管鉆井鉆頭轉速常常比常規鉆井高，而能夠施加的鉆壓又比常規鉆井低，所以，CTD鉆頭的選用應與高轉速低鉆壓作業相適應。目前，在軟到中硬地層普遍采用PDC鉆頭，在硬到堅硬地層使用金剛石鉆頭。

此外，連續油管鉆井作業時，常常根據實際需要加入一些其他工具短節，如非旋轉接頭、激振器、助推器、撓性接頭、鉆鋌等。通常情況下，連續油管鉆井時鉆具工具短節的上下連接順序相對固定，但是也需要根據鉆具的類型和作業工藝的需要適當調整工具短節的相互位置。

1．2 鉆井BHA基本分類

1）井下鉆具組合控制或隨鉆測井數據傳輸方式 連續油管鉆井BHA根據井下鉆具組合控制或隨鉆測井數據傳輸方式的不同可分為泥漿脈沖系統井下鉆具組合和電纜系統井下鉆具組合。電纜系統井下鉆具組合為隨鉆測井數據傳輸、工具短節工作動力提供和控制等提供了新的途徑，改善了鉆井操作和井眼質量。

2）鉆井工藝方法 根據鉆井工藝方法的不同，鉆具組合可分為欠平衡壓力鉆井、動態近平衡壓力鉆井和過平衡壓力鉆井。特別是連續油管欠平衡鉆井，當鉆井液為可壓縮流體時，MWD工具和馬達的類型都會受到一定限制。

3）作業類型 根據作業類型的不同，鉆具組合可分為套管開窗鉆具組合、裸眼鉆進鉆具組合。

4）井身結構 根據作業井身結構的不同，鉆具組合可分為垂直井和定向鉆井鉆具組合。

2 連續油管鉆井BHA與常規鉆井BHA性能的比較

連續油管鉆井BHA與常規鉆井BHA相比，其工作性能有所區別 （見表1）。從工具角度分析可得出如下結論：①連續油管的尺寸和剛度小，得其承載和輸送鉆井液的能力下降，管內流體壓力損失大，液力馬達輸出功率變小，影響了鉆具的破巖能力，井眼清潔能力和作業深度；②連續油管有限的徑向尺寸決定了其鉆具的尺寸要比常規鉆具的尺寸小，剛度也小于常規鉆井鉆具，這就使得連續油管鉆井鉆具更適合重入鉆井，鉆小井眼和短曲率半徑定向井；③連續油管鉆定向井時需要鉆具組合上的定向工具來調整工具面，而常規鉆井方法一般不需要；④連續油管井下鉆具組合可以內置電纜，使得隨鉆定向、測井更簡單可靠，方便與地面進行鉆井數據的實時交換，有利于鉆出狗腿度小、井眼軌跡光滑的井眼。

表1 連續油管鉆井BHA與常規鉆井BHA結構和性能比較

在連續油管鉆井作業中，鉆新直井時一般采用外徑76．2（3in）～120．65mm （4in）的鉆具組合，BHA的外徑尺寸主要取決于井下馬達的尺寸。目前，外徑為69．85（2in）～76．2mm （3in）的鉆具組合與60．325mm （2in）的連續油管已經被視為連續油管定向鉆井的常用尺寸［5］。

3 典型的連續油管鉆井BHA組合及其作業性能對比

目前連續油管鉆井典型的鉆具組合有泥漿脈沖系統底部鉆具組合和電纜系統底部鉆具組合，2種鉆具組合的結構和作業性能存在一定差別 （見表2和表3）。從表2可以看出，2種BHA組成上的區別在于元件的結構和工作方式不同，工具動力來源和井下數據傳輸方式不同。需要注意的是，不管使用泥漿脈沖系統底部鉆具組合，還是電纜系統底部鉆具組合，連續油管鉆垂直井時，多數情況下需要在BHA上配備4～6節的鉆鋌，以增加鉆頭鉆壓和工具面的穩定性；在鉆定向井或水平井時，在造斜段和水平段一般不使用鉆鋌，但會使用1°～3°的彎外殼馬達或彎接頭，根據整個井段的增斜及方位扭轉率而定。從表3可以看出，電纜系統底部鉆具組合作業能力和作業范圍都優于泥漿脈沖系統底部鉆具組合，更適合于復雜和高難度井況的鉆井作業。

表2 泥漿脈沖系統底部鉆具組合和電纜系統底部鉆具組合結構對比

表3 電纜系統底部鉆具組合和泥漿脈沖系統底部鉆具組合作業性能比較

4 連續油管鉆井BHA的選用原則

（1）作業經濟性。作業的經濟性體現在提高機械鉆速、降低設備成本和非鉆井時間等方面。電纜系統底部鉆具組合因其結構復雜和功能較多，使得其設備成本高，但其鉆進速度比泥漿系統高52%，鉆具裝配和拆卸所需時間為泥漿系統的一半，不需要額外的定向時間，鉆井時間可減少2．6h／1000ft［6］。

（2）作業類型。一般來說，鉆井作業類型決定了井下鉆具組合的配置。

（3）作業工藝。對于某一類型的鉆井作業一般有多種工藝方法可供選擇使用，不同的工藝方法需要配備相應的作業工具，如裸眼鉆進時可以采用欠平衡和過平衡鉆井方法，可壓縮流體欠平衡鉆井則最好使用電纜測井工具和電纜系統底部鉆具組合。

（4）地層因素或作業復雜程度。對于一些復雜地層，鉆井時特別需要實時了解井下的地質參數和工程參數，并把信息及時傳輸到地面，為作業人員提供決策依據，避免事故的發生。電纜系統組合可以適應多種測井工具，能夠快速采集和傳輸高質量數據到地面，泥漿脈沖系統底部鉆具組合此時的使用效果則較差。

（5）井眼清潔。連續油管過尺寸較大的套管井加深作業或鉆大井斜定向鉆井時都需要大流量和高流速的鉆井液以移運巖屑。泥漿脈沖系統底部鉆具組合的循環閥具有不可逆性，一旦打開就無法關上，從而影響馬達的后續鉆井，而電纜系統底部鉆具組合的電控循環閥可隨時關閉和開啟，不影響后續鉆井工作。

5 結 語

分析和對比現有連續油管鉆井井下鉆具組合的作用和性能，有助于更好地了解連續油管鉆具組合的作業能力和特點，便于相關研究人員有針對性地開展后續研究以及為現場作業人員提供一定的技術指導。連續油管鉆具組合的選擇和使用，最基本的原則是在保證經濟性和可行性的前提下獲得最大機械鉆速，應根據鉆井作業的類型、復雜程度、技術要求和操作人員的經驗綜合考慮鉆具的使用。

［1］于東兵，包文德 ．連續油管打撈技術專用工具研究現狀及展望 ［J］．石油機械，2007，35（1）：45-47．

［2］吳剛譯 ．新式電纜導向井下鉆具組合使連續油管鉆井具有類似轉盤鉆井的性能 ［J］．國外石油機械，1999，10（6）：4-12．

［3］Cassee U，Leblanc J，Meek D．Intelligent wireless orienter for coiled tubing drilling：development to field test ［J］．SPE 74836-TA，2002．

［4］陳樹杰，趙薇 ．國外連續油管技術最新研究進展 ［J］．國外油田工程，2010，26（11）：44-50．

［5］孫振純，何立新 ．新興的連續油管鉆井技術 （二）［J］．石油與裝備，2010（32）：57-60．

［6］孫振純，何立新 ．新興的連續油管鉆井技術 （三）［J］．石油與裝備，2010（33）：50-53．