關于聚合物鎧裝連續油管和鉆進水平井用液動加載裝置的試驗研究

湯鳳林， Чихоткин A.B.， 段隆臣， 潘秉鎖， 譚松成， Чихоткин В.Ф.

(中國地質大學〈武漢〉工程學院，湖北 武漢 430074)

1 概述

連續油管鉆井是一項重要的油氣井鉆井技術，美國、加拿大使用較多，俄羅斯也在使用，我國有這方面的設備也在使用，取得了很好的社會經濟效果[1-7]。

連續油管，也稱撓性管(Coiled Tubing，簡稱CT)，指的是可纏繞在大直徑的卷筒上，由若干段鋼帶斜接在一起，經軋制成型焊接而成的無接頭連續油管，是用低碳合金鋼制作的管材，有很好的撓性，可以代替常規油管進行多種作業(見圖1)[1]。

圖1 連續油管卷筒Fig.1 Drum of coiled tubing

連續油管作業設備(Coiled Tubing Unit,簡稱CTU)具有帶壓作業、連續起下的特點，設備體積小，作業周期快，成本低。與傳統作業相比，連續油管作業周期短、事故率低、運輸方便；能夠帶壓作業，保護油氣儲層；水平井、定向井作業方便快捷；能進行油管內作業、過油管作業等。

與傳統鉆井相比，連續油管鉆井(Coiled Tubing Drilling，簡稱CTD)在改善鉆井工藝和降低成本(可節約25%～40%的費用)方面，在定向鉆井和欠平衡鉆井方面占有技術優勢地位。連續油管鉆進地面設備外貌見圖2[1]。

圖2 連續油管鉆進設備外貌圖Fig.2 Appearance of coiled tubing drilling unit

鉆進水平井，使用連續油管設備效果比較明顯。連續油管鉆井設備包括地面設備和地下工具。地面設備主要有控制裝置、動力裝置、卷筒、連續油管、注入頭和壓力安全殼等。地下工具包括鉆頭、馬達、數據傳感器、定向裝置和連續油管等(見圖3)[5]。

2 連續油管鉆井技術的主要優缺點

優點是：(1)由于連續油管管徑較小，當老井重鉆或加深鉆、側鉆作業時，可以進行過油管作業，成本降低，效率提高。(2)利用連續油管可以減少泥漿污染，防止地層傷害的發生；在起下鉆過程中能夠持續保持循環，防止卡鉆及井噴事故的發生。(3)造斜率高，連續油管鉆井技術的造斜率可達50°/100 ft(1 ft=0.3048 m,下同)。

圖3 連續油管鉆進水平井示意圖Fig.3 Scheme of horizontal well coiled tubing drilling

缺點是：(1)連續油管內徑較小，限制了井眼的尺寸，泥漿在管內摩擦壓耗太高，限制了泥漿排量。(2)由于連續油管不能像常規鉆桿那樣旋轉，由此帶來了一些問題：連續油管在井下無法轉動前進，只能滑動前進，容易產生屈曲現象，導致鉆壓施加困難，限制了水平位移；失去了管柱旋轉對泥漿的攪動效應，易形成巖屑堆積，發生卡鉆；連續油管貼在井壁上，容易造成壓差卡鉆。(3)連續油管的壽命比常規鉆桿短，更換費用高。

國內外作業表明，連續油管鉆井技術應用于水平井鉆井、修井作業和增產等，有利于實現施工過程的簡單快捷和安全可靠，提高了作業效率，降低了勞動強度和作業成本，減少了對地層環境的傷害。據2010年1月國際連續油管協會(International Coiled Tubing Association, ICTA)統計，全球在用的CTU有1778臺(中國有50余臺)，主要分布在北美、南美和歐洲等地。加拿大有399臺(套)占世界總量的22%，美國有444(套)占世界總量的25%。

俄羅斯非常重視連續油管鉆井工作，他們開發出了聚合物鎧裝連續油管，設計出了液動加載裝置，經實踐驗證是成功的。據俄羅斯連續油管鉆井技術中心資料，使用這種技術每年給俄羅斯增加了5億t石油和300億m3天然氣[8-16]。目前，在煤層氣、頁巖氣等非常規天然氣開發中，連續油管鉆井可能大有用武之地。在加拿大阿爾伯達省南部和美國的部分地區，利用連續管進行煤層氣、頁巖氣鉆井已經非常普遍。與美國相比，我國與其在頁巖氣地質條件上具有許多相似之處，在非常規天然氣發展中，連續油管技術或許會發揮更大的作用[1-7]。

3 連續油管的材質和規格

3.1 鋼制油管

連續油管一般是用鋼材制造的。碳鋼管的成本比較低,是連續油管的主要品種。當前制造連續油管主要采用的是A-606高強度低合金鋼,其物理性能和化學成分如下：

鋼號:A-606,4型,改良型。其物理性能:最小屈服強度70.000 psi(1 psi=6.89 kPa，下同)；最小拉力強度50.000 psi；最小延伸率30%；最小硬度22洛氏硬度；化學成分:碳0.1%～0.15%、硅0.3%～0.5%、錳0.6%～0.9%、鉻0.55%～0.7%、磷0.03%(最多)、銅0.2%～0.40%、硫0.005%(最多)、鎳0.25%(最多)。

一種經過淬火和回火鋼管(代號為Q&T)的連續油管,在冶金上和A-606稍有不同,最主要的是改變了鉻和鉬的成分,以適應熱處理的要求。其特點是制成連續油管后進行淬火和回火熱處理構成馬氏體晶粒結構,屈服強度達到100千磅/平方英寸(689.4 MPa),其抗爆和抗拉強度都有提高,而且有很好的抗硫化強度。

鈦管強度高而質量輕,具有抗H2S和CO2腐蝕性能,可用于惡劣環境,其屈服強度高達140×103psi(964.6 MPa)，但成本高，約為碳鋼油管的6倍。

連續油管的強度和管徑大小直接決定連續油管鉆井技術應用的范圍，同時對其使用的效果也會產生一定的影響。

目前，已經被投入使用到實際生產中的連續油管的外徑在60.3～168.3 mm之間都有分布，其中比較常用的外徑大小為60.3和73.0 mm。

3.2 聚合物鎧裝連續油管

俄羅斯研發出了一種鎧裝連續油管。這種油管撓性更好，由鎧裝鋼絲、鋼帶和高強度絲組成(見圖4)[16]。使用了低壓聚乙烯、丙烯和乙烯共聚物，其屈服強度達到了23～29 MPa。鎧裝材料鋼絲和鋼帶的屈服極限達到了2000 MPa。許多情況下，還添加高強度絲(玻璃絲和碳纖維基的絲)。鋼帶在管子骨架上的纏繞角度為與管子中心線成70°～80°。鋼絲相向纏繞，與油管中心線15°～30°。與碳鋼油管比較，聚合物鎧裝油管生產工藝比較簡單，勞動強度比較小，能耗比較低，生態保護較好，一條生產線可以連續生產，廠房只需200 m2。聚合物鎧裝油管的強度指標不亞于鋼制油管的強度指標。這項技術獲得了俄羅斯發明專利，專利號為RU138537[13]。

圖4 俄羅斯聚合物連續油管Fig.4 Russian polymer coiled tubing

4 連續油管鉆進水平井用加載裝置

4.1 問題的提出

連續油管鉆進斜井和水平井遇到的問題之一是阻力太大，軸載不足。為了保證其正常工作，必須使軸載足以克服摩擦力等。工業用水洗井時，摩擦系數f=0.14～0.18，泥漿洗井時f=0.16～0.25。還要考慮使用直徑60.3 mm連續油管和直徑123.8 mm鉆頭時，頂角變化和水平井段長度對摩擦力的影響。摩擦力致使軸載損失數值的計算結果見表1[16]

表1 連續油管管柱鉆進時，摩擦力致使軸載損失(kN)與頂角的關系計算結果(碳鋼連續油管?60.3 mm、鉆頭?123.8 mm)Table 1 Calculation results of drag force caused axial load loss vsinclination in coiled tubing drilling

從表1可見，這個摩擦力是非常大的，特別是頂角90°時，100 m孔筒長度的摩擦力竟達到了10.82 kN。

4.2 連續油管鉆進用液動加載裝置

為了克服上述這種摩擦力，俄羅斯烏菲姆國立石油工業大學Шайдаков В. В.教授等設計出了液動加載裝置，其結構見圖5[16]。該裝置由3個動力活塞和一套水槍噴嘴組成。活塞的數量和噴嘴的直徑可以根據設計的水平井井段長度和液動加載裝置在井底組合鉆具中的位置來確定。例如安裝在鉆頭上方時，在該裝置的噴嘴和鉆頭水眼中產生的壓力降作用到液動加載裝置動力活塞上，可以產生液動載荷，把鉆頭壓向井底。

1-動力活塞；2-連桿；3-排水通道；4-高壓通道；5-高壓室；6-低壓室；7-水槍噴嘴；8-花鍵連接

圖5液動加載裝置結構圖
Fig.5Design of the hydraulic feed device

4.3 液動加載裝置試驗臺

為了試驗液動加載裝置的性能，設計建立了試驗臺，其示意圖見圖6[16]。試驗臺包括：沖洗液池1，鉆探水泵2，把絞車固定在試驗臺機座上用的固定件3，接頭4和接頭11，液動加載裝置5，試驗臺機座6，活動架7，測力計8，絞車繩索9，固定在絞車座上的接頭10和高壓軟管12。

1-沖洗液池；2-鉆探水泵；3-固定件；4、11-接頭；5-液動加載裝置；6-試驗臺機座；7-活動架；8-測力計；9-絞車繩索；10-固定在絞車座上的接頭；12-高壓軟管

圖6液動加載裝置試驗臺示意圖
Fig.6Scheme of hydraulic feed test bench

4.4 試驗臺試驗及結果

沖洗液流量的調節，是用改變鉆探水泵連桿雙作用行程次數進行的。把試驗裝置固定在試驗臺上，通過逐步改變水泵連桿雙作用次數來逐步提高沖洗液的壓力，按測力計記錄軸載的數值，畫出了軸載隨沖洗液壓力變化的關系曲線，見圖7[16]。

液動加載裝置試驗臺試驗結果表明，增加的軸載與水泵壓力有直接關系。可以根據此結果選取其基本參數，確定液動加載裝置產生必要軸載需要的沖洗液量，以及可以確定有關的鉆進工藝參數。

4.5 加有液動加載裝置的井底組合鉆具

為了鉆進側向的水平井段，設計了帶有液動加載裝置的井底組合鉆具，見圖8[16]。從圖8可見，組合鉆具包括有：直徑123.8 mm的鉆頭、鉆頭上方部件、螺桿馬達ДГ-95К、止逆閥、液動加載裝置、處理事故接頭、造斜器位置指示器、液動導向裝置和遙測裝置。

圖7 液動加載裝置產生的軸載與水泵壓力的關系圖Fig.7 Hydraulic feed device produced axial load vs pump pressure

圖8 加有液動加載裝置的井底組合鉆具Fig.8 Bottom hole assembly with the hydraulic feed device

4.6 野外試驗結果

為了檢驗井底組合鉆具的性能和工作情況，俄羅斯“НИЛ”公司使用這種組合鉆具在阿夏諾夫油田1619Г號油井鉆場，在鉆進長度為322 m(1115～1437 m)的水平井段時，使用了這套鉆具，取得了很大的成功(見圖9)[16]。

野外試驗結果表明，在鉆進井段500 m以內的水平井、彎曲半徑16 m條件下，機械鉆速可以達到8 m/h，說明這種液動加載裝置的設計是成功的，可以保證鉆進過程的導向作用和需要的軸載，能夠保證長水平段鉆井過程的順利進行。現在，這種裝置已經在俄羅斯“Перфобур”公司的所屬井隊推廣使用。

圖9 阿夏諾夫油田1619Г號油井鉆場長度為322 m(1115～1437 m)水平段鉆井的剖面圖Fig.9 Profile of Well No.1619 with horizontal section length 322m(1115～1437m) in Axianov Oil Field

5 討論和建議

根據上述分析，可做如下討論和建議。

(1)連續油管鉆井的優點是：設備體積小，作業周期快，成本低；鉆進水平井、定向井作業方便快捷；可以減少泥漿污染，防止地層傷害的發生；在起下鉆過程中能夠持續保持循環，保護油氣儲層；防止卡鉆及井噴事故的發生；造斜率高，可達50°/100 ft。美國、加拿大使用較多，俄羅斯也在使用，取得了很好的技術經濟效果。我國使用較少，建議在特定適合條件下多做試驗，加以使用。

(2)俄羅斯研發的鋼絲鎧裝聚合物連續油管，是俄羅斯發明專利產品，生產工藝比較簡單，生產的勞動強度比較小，能耗比較低，生態保護較好，一條生產線可以連續生產，廠房只需200 m2，且其強度指標不亞于鋼制油管。如果能夠代替碳鋼連續油管，可以節省大量鋼材，則很有實際意義，建議試驗研究，加以適量生產，以便以后推廣使用。

(3)連續油管鉆進水平井時，不僅要克服鉆具因扭矩、彎曲帶來的阻力，更要克服很大的摩擦力，鉆壓加不上去，直接影響機械鉆速。俄羅斯設計的水平井加載裝置，結構簡單，加工容易，性能可調，效果良好，為在大水平距離鉆井時推廣使用連續油管鉆進創造了有利條件。

(4)鎧裝聚合物油管的研制成功加上液動加載裝的良好使用效果，為大面積使用連續油管鉆井創造了有利條件，可為煤層氣和頁巖氣鉆井工程的發展做出一定貢獻。我國正在大力開發煤層氣和頁巖氣，可以借鑒，建議研究試用。