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连续管钻井技术及其设备

连续管钻井技术及其设备

1 连续管钻井技术现状

连续管钻井(Coiled Tubing Drilling,CTD) 是一种采用连续管完成钻井的技术。自20世纪90年代初获得成功。近年来成为热门钻井新技术,广泛应用于海上和陆地油田,作业范围包括钻井、修井、完井、试采油等。随着连续管材料和制造工艺的发展进步,特别是连续自动焊接,连续高频淬火工艺的进步,使得连续管成本大幅度降低、寿命进一步提高,现场大范围内广泛使用成为可能。

可靠性高的高强度大直径连续管产生、小直径容积式马达研制成功、先进的定向工具及测量系统和金刚石钻头的问世,有力地推动了连续管钻井技术发展与应用。连续管钻井按钻井的类型分,有直井、定向井、水平井;按工艺方式分类,欠平衡压力钻井、平衡压力钻井和过平衡压力钻井三种。单从技术难度来看,钻直井并不需要特殊的工艺设备。经济可行性的连续管钻井,主要包括重入钻井、新钻直井和欠平衡钻井三大钻井。

1.1 连续管重入钻井

连续管重入钻井有两种方式作业,直井加深作业和侧钻水平井及多分支井作业。小直径连续管多进行过油管侧钻,因不需起下油管,可显著地降低钻井成本。

1.2 连续管新钻直井

连续管新钻直井应用范围,一般指浅层油气藏和煤层气的开发。用连续管作业特点是:钻井速度快,作业也机动灵活轻便、动迁性能特别好。一般来讲,连续管新钻直井成本是常规钻井降低2/3 左右,或许更低都有可能。

1.3 连续管欠平衡钻井

连续管作业不需要接单根,是连续管作业的最大特点,且在防喷器组的协助下,井口压力控制可高达70 MPa,使井口欠平衡作业成为可能,能够实现真正意义上的欠平衡作业。欠平衡连续管钻井的另一好处是,对压力递减储层、衰竭产层和酸性气体井非常有效。

1.4 连续管钻井的优点

(1)使用地面设备相对少,井场占地也小许多,减少了对周围环境的不良影响,井场建设和维护费用得到降低,同时设备搬迁成本也低,效率更高;

(2)老井重钻作业中,能进行过油管作业,成本降低非常明显,使许多没有价值老井有了开发的价值;

(3)能进行真正的欠平衡钻井作业,对保护油气层非常有效,还能提高钻进速度;

(4)如用连续管进行小井眼钻井,能显著地降低作业成本;

(5)连续管作业不需接单根,是连续管作业的最大亮点,缩短纯钻进时间,对井控是非常有利的,安全性更高;另外,起下钻作业时,要进行连续循环泥浆,能有效地防止井喷事故,这是连续管作业的另一亮点;

(6)在连续管内可以通电缆,实现随钻随测,这对采用地质导向技术,实现闭环钻是有益的。

2 连续管钻井技术的发展趋势

(1)使用变直径或变壁厚的锥形连续管作业,因管部下部较轻,能让连续管下到更深的井段;
(2)地面设备的使用,要根据作业用途、工况和道路状况的差异性与特殊性,因地制宜,突显个性化;
(3)更先进的电动连续管钻井系统,井底电动钻具总成是最核心的部件,优点之一是,钻头转速与钻井液流量无关,有利于使用更合适的流量循环;
(4)微小井眼钻井,是连续管钻井绝无仅有的本领。

3 连续管钻井装备

3.1 连续管作业的井下工具

包括:连续管接头、非旋转接头、液压断开接头、循环接头、回压阀、定向工具、随钻测量系统、井下马达、磨鞋和钻头等工具。

3.2 连续管钻井的地面设备

3.2.1 连续管钻机

连续管钻机是连续管钻井的核心装备,包括动力系统(动力源)、控制系统(电液控制)、注入头装置(力平衡)和连续管卷筒(盘管)等四大部分。主要有撬装式、组合式两大类型。撬装式钻机主要用于海上平台钻井,该钻机系统具有安装快速、拆卸方便,操作灵活可靠、安全性高等优点。组合式钻机与普通钻机类似,主要包括连续管作业机、操作台、井架、、注入头动力机组及滚筒等组件。

3.2.2 泥浆循环系统

连续管钻井中所选择的泥浆要求高。第一,不能损坏泥浆马达橡胶定子,第二,要最大限度地减少连续管内的摩擦压力损失,保证泥浆在环空中具有足够的携岩能力。连续管钻井所用的泥浆循环系统与小眼井钻井所使用的泥浆循环系统大致相当。同常规钻井相比,其泥浆循环系统的容积要相对小一些。包括振动筛、除泥器、除砂器和离心机等装备。

3.2.3 井控系统

井控系统是连续管钻井中的井控设备,防止井喷事故发生,是专用的防喷器组,有独立的储能器和控制系统。

3.3 连续油管的主要装置

3.3.1 注入头

注入头是连续管钻井地面装备的最关键设备。基本功能是:通过液压夹紧送进机构平衡连续管在井筒内的浮力、摩擦力以及高压井的上顶力。同时,在不同井况下,能随时控制连续管的起下速度,并能可靠地悬挂油管。

3.3.2 盘管装置

盘管装置由筒芯和边凸缘两部分组成。卷筒的转动由液压马达驱动,液压马达的作用是,在连续管起下时,对连续管保持足够的拉力,使其规则整齐地密绕在卷筒上。在卷筒前上方装有排管器和计数器,便于计量下井长度。卷筒所能缠绕连续管的长度和直径的大小主要取决于卷筒的外径、宽度、筒芯的直径,还有对运输设备的要求等。

3.3.3 连续管

连续管是一种高强度、高韧性的钢管,是作业的工具,整齐密绕在滚筒上,外径固定不变,但相对于常规钻杆,其环空压降要小得多。

3.4 连续管材料及其制造工艺

世界上主要的连续管制造厂商均集中在美国等西方发达国家,分别是精密油管技术公司、优质油管公司和西南管材公司,近几年,国内也有生产。连续管的直径从12.7~168.4mm 有上百种规格;根据材质和热处理工艺不同,屈服强度为482.3MPa 到964.6MPa 不等,用于不同作业的需要;单根长度可达9000m至多。但钻井用连续管外径主要为60.3mm和73.0mm,其他小直径的多用于修井、完井、试采油作业。

连续油管的制造工艺本身就是连续作业,只不过是属于机械制造行业的连续生产线。首先,将钢板按规格剪成连续的钢条,通过对焊或斜焊变成连续钢带,并卷在卷盘上;逐渐打开卷盘上钢带,通过滚轮等成型工具轧制成管状,并采用高频电子加热滚焊焊接成连续的管子;紧接着,对焊缝和整管进行连续高频淬火、回火处理,并通过连续探伤设备检测。检测合格的连续管再次整齐密绕在另一卷盘上。最后整体试压合格后,就可以出厂了。不过,在使用前需对连续管进行水压试验,水压试验合格方可投入使用。

4 结束语

随着机械制造和液压控制技术进一步的发展,特别是电力电子技术的发展,将促进连续管钻井更进一步的发展。集成化、模块化、电力驱动将是发展的新方向,当然离不开新材料、新工艺、电子技术的进步。总地来说,未来的连续管装置体积更小、操作更方便、控制更智能、工作效率更高、维护费用更低、使用寿命更长。

版权声明|来源:《中小企业管理与科技旬刊》,作者:宋云,版权归原作者所有。
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二丫
石油圈认证作者
毕业于中国石油大学(北京),油气井工程硕士,长期聚焦国内外石油行业前沿技术装备信息,具有数十万字技术文献翻译经验。如需获取更多技术资料,请联系二丫(QQ295900524;微信13132550596)

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