國外連續管鉆井系統發展與應用

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(中國石油集團鉆井工程技術研究院 江漢機械研究所，武漢 430024)

國外連續管鉆井系統發展與應用

張富強，劉壽軍，段文益，宋治國，于東兵，顏家福

(中國石油集團鉆井工程技術研究院 江漢機械研究所，武漢 430024)

隨著連續管鉆井裝備、鉆具組合和鉆井工藝的不斷發展，連續管鉆井技術作為一種成本低、效率高、安全可靠的新技術，已成為鉆井領域的技術熱點。介紹了連續管鉆井系統的構成；總結了連續管鉆機發展歷程和技術特點；分析歸納了典型連續管鉆具組合的結構及特點。提出了連續管鉆井系統在國內的發展思路。

鉆機；連續管；連續管鉆井；鉆具組合；發展

連續管鉆井技術始于20世紀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口真正商業化意義的連續管鉆井。隨著連續管鉆井裝備、井下工具和鉆井工藝的不斷發展，連續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。連續管鉆井技術主要分為重入鉆井(加深或側鉆)和鉆新井2大類，重入鉆井主要應用在美國、歐洲和中東地區，通常連續管管徑小，井較深，鉆井過程中需要定向等，重點發展井下鉆具；連續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，需采用大管徑連續管(2英寸或3英寸)，重點發展連續管鉆井裝備。

1 連續管鉆井系統構成

連續管鉆井系統主要由連續管鉆井地面系統和井下鉆具組合2部分組成。連續管鉆井地面系統主要由連續管鉆機、循環系統、井控系統和輔助系統等組成，與常規鉆井地面系統相比，連續管鉆井系統的鉆井液循環與處理系統、井控系統及相關輔助設備并沒有特別要求，兩者標志性的特征差異在于連續管鉆機[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、馬達頭、定向工具、隨鉆測量系統、馬達和鉆頭等。

2 連續管鉆機

伴隨著連續管鉆井技術的發展，連續管鉆機經歷了從單模式連續管鉆機到復合連續管鉆機的變革[2]。

2.1 單模式連續管鉆機

單模式連續管鉆機是在常規連續管作業裝置的基礎上發展起來的，整套鉆機的組成除了注入頭、滾筒等連續管設備外，還配置了用于支撐注入頭的塔式井架和循環系統、井控系統等。單模式連續管鉆機不具備鉆表層和起下管柱的能力，主要是在鉆機或修井機的配合下進行重入鉆井。

2.2 復合式連續管鉆機

FOREMOST公司是連續管復合鉆機的先驅，據不完全統計，85%的在用連續管復合鉆機由其制造。連續管復合鉆機的發展經歷了3個階段，如圖1。

a 第1代

b 第2代

c 第3代

第1代連續管復合鉆機是將井架、絞車和游動系統與單模式連續管鉆機集成于一體，放置于一臺半掛車上，具備了起下管柱的能力，提高了設備的運輸機動性和安裝的方便性。該復合鉆機于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，連續管鉆井深度800 m。至2000年共有15臺第1代連續管鉆機在加拿大西部使用，至2002年共鉆井6 200余口。

隨著頂驅鉆井技術的不斷成熟，在第1代連續管鉆機的基礎上，由頂驅替代游動系統，產生了第2代連續管復合鉆機，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，連續管鉆井深度達2 100 m(3英寸連續管)。至2009年該型連續管復合鉆機共90臺在北美地區應用。

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

2010年以后，由于北美地區煤層氣鉆井數量大幅度下降和鉆井深度的不斷增加，北美連續管復合鉆機的數量基本達飽和狀態。

3 連續管鉆井鉆具組合

連續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，不用嚴格控制鉆井軌跡，鉆具組合相對簡單；定向鉆井用于連續管側鉆，需嚴格控制鉆井軌跡，鉆具組合比較復雜，分為無纜式鉆具組合和有纜式鉆具組合2大類[4]。

3.1 無纜式連續管鉆具組合

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

3.2 有纜式連續管鉆具組合

有纜式鉆具組合是指連續管內傳入電纜，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據可用于鉆井優化和過程控制。目前比較知名的有纜式連續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技術先進、性能可靠，已在現場廣泛應用。

3.2.1CoilTrak連續管鉆具組合

1992年，出現了以貝克公司為代表的有纜式連續管鉆具組合CoilTrak，經過2 a的測試和發展，1994年在歐洲開始商業化應用，1996年和1997年應用于荷蘭、委內瑞拉、阿曼、俄羅斯以及阿拉斯加等地區。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、機械丟手和螺桿馬達。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代連續管鉆具組合2001年開始應用，2003年商業化。第2代系統拓展使用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連續管鉆具組合主要部件是快速連接系統、動力和通訊短接、電控丟手和循環短接、鉆井參數測量短接、定向伽馬短接、液力定向器工具和一個螺桿馬達。根據不同需求可額外增加不同的模塊，包括安全回壓閥、地質導向MWD、小井眼電阻率短接、肋板導向馬達等[4]。如圖2。

a 標準連續管鉆具組合

b 大位移和地質導向鉆具組合

c 欠平衡連續管鉆具組合

3.2.2VIPER連續管鉆具組合

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

圖3 VIPER 連續管鉆具組合

該鉆具組合盡可能利用已有的成熟技術，其方向及井斜傳感器、伽瑪傳感器就是由成熟的MWD的傳感器改進而來。方向及井斜測量精度達±1°，精確的方向傳感器和良好的方向控制允許設計小靶區鉆井；伽瑪傳感器可以用來進行地層評價和地質導向，可用于薄地層的鉆進并通過地質導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直接提供動力，可實時定向，工具面可以以1°的增量來轉動，并可以順時針或逆時針轉動，轉動轉矩達1 351 kN·m(1 000 lbf·ft)，旋轉速度1 r/min[5]。

3.2.3COLT連續管鉆具組合

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

圖4 COLT 連續管鉆具組合

4 現場應用

目前，世界上規模較大的石油公司和服務公司都在開展或參與連續管鉆井業務，其中Baker Hughes、Nabors、Halliburton、Savanna、AnTech等公司占據優勢。

連續管鉆新井主要應用于加拿大地區，2000—2009年，在加拿大用連續管復合鉆機鉆井超過4萬口，主要為淺層氣井和煤層氣井，其中僅2007年用50臺連續管裝備鉆井數量超過5 000口，鉆井深度大部分在1 800 m以內。用常規鉆桿鉆表層，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。

連續管側鉆在美國、中東和歐洲等地區都有較廣泛的應用，是一種可靠、安全、經濟的對現有老井眼進行側鉆的有效方法。側鉆井深相對較深，井眼尺寸較小，為69.85～120.65 mm (2～4英寸)。1994—2016年，僅Baker Hughes公司采用連續管側鉆井810口，鉆井總進尺達1 021 534 m。

5 結論

1) 經過20多年的發展，國外連續管鉆井系統已比較成熟，并廣泛應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，急需對停產井、套損井和工程事故井進行側鉆復產。根據國外連續管鉆井技術的實施情況，可以優先考慮在我國的一些老油田采用連續管鉆井技術，進行老井加深和老井側鉆。

3) 為了縮短研究周期和減少研制費用，應廣泛調研，選擇性地引進成熟工藝和裝備。在消化、吸收的基礎上，研發適合我國國情的連續管鉆井技術，并逐步實現國產化。

[1] 賀會群.連續管鉆井技術與裝備[J].石油機械，2009，37(7)：1-6.

[2] 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.

[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.連續管鉆井技術綜述[J].天然氣工業，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.連續油管鉆井技術研究與應用進展[J].天然氣工業，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 “致密油氣連續管側鉆鉆井技術與裝備”(2016ZX05022-003)

張富強(1981-)，男，高級工程師，碩士，現從事石油機械研發工作，E-mail：zhangfuq1@cnpc.com.cn。

TE922

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.06.003