连续油管钻井的关键技术

连续油管钻井的关键技术内容摘要：

老井重入，为油公司提供了利用现有井筒开采其他储层及深部储层的机会，并可以达到提高井的产量、减少边底水的锥进、重新构造二次及三次采油过程中的泄流形式等目的，同时节省了打新井的钻井、完井投入。 利用连续油管钻小井眼井，可以大幅度降低勘探开发的费用，预计将降低勘探钻井成本 1/3，降低开发钻井成本 1/2。 国内辽河、新疆等油田稠油资源丰富，采用连续油管钻井技术钻短半径多层多侧向水平井开采具有独特的优势，不仅有利于防止边水水窜和底水推进，更有利于提高单井产量 和采收率。 比较国内外连续油管作业技术的应用、研究水平与现状可以看出，我国连续油管作业技术的应用与研究均处于起步阶段。 在国外，用连续油管作业技术已能完成 20 多种作业工艺，并且其应用范围正在进一步扩大。 因此，如何引进、吸收和开发连续油管作业技术，是摆在我国科研人员面前的又一新的课题。 随着我国东部油田增产挖潜工作的深入 ， 需要采取在套管内侧钻水平井的方法对一批复杂断块油田开采剩余油 ， 以及对待废井、工程事故井、停产井进行挖潜复产或增产。 我国西部油田的开采也以大量的深井、超深井及水平井、丛式井为主。 因此 ,随 着我国侧钻井和小井眼钻井需求的不断增加 ， 连续油管作业技术在我国水平井钻井、修井及完井作业中将会发挥巨大的作用。 连续油管钻井 技术与配套装备 9 第 2 章 连续油管钻井技术与配套装备 发展历程 早在 20 世纪 30 年代以前 ， 人们就对连续钻井管柱的概念和优点有了初步的认识。 在二战期间 ,盟军曾用连续油管从海底输送能源 ,以满足战争的需要。 据报道 ， 1962 年加利福尼亚石油公司及勃温工具厂研制了第一个原始型“ 连续管轻型修车装置 ” ， 用来清除海岸区油气井中的砂桥。 1964 年 ， Roy H. Culla Research 公司研制了一种钻井系统 ， 该系统使用了一 个连续的、灵活的钻井管柱 (外径 )来循环液体 ， 并使用电流来驱动井下电动马达 ， 使用一个液压注入头来放入或回收钻井管柱。 该系统曾经在德克萨斯州的Marble Falls 附近的采石厂花岗岩地层上钻了一口 、井深 的试验井 ， 钻井速度为 ～。 在此后的 20 多年内 ， 连续油管技术虽然取得了一些进步 ， 并在修井和完井作业中获得了一些应用 ， 也进行过钻井尝试 ， 但由于连续油管可靠性问题 ，未能在石油界取得大范围的推广应用。 80 年代中后期 ， 世界范围内原油价格下跌 ， 迫使国内外作业 公司和服务公司研究和采用可降低钻井成本的新方法 ，再加上连续油管质量和可靠性的提高 ， 连续油管在修井和完井等作业中的应用急剧增加 ， 并取得了明显的经济效益和社会效益。 连续油管钻井技术（ CTD）的发展和应用始于 90 年代初 ， 目前仍处于研究和开发的初级阶段。 1991 年 ， 美国、加拿大、法国相继成功地试验应用了连续油管钻井技术。 近年来 ， 世界上用连续油管所钻井的数量急剧增加 ， 1996年为 410 口 ， 1997 年猛增至 600 多口 ， 目前仍在继续增加。 近年来 ， 随着连续油管器材和制造工艺的进一步发展 ， 可靠性高的高强度大直径连续油管、 小直径容积式马达、先进的定向工具及测量系统和金刚石钻头的相继问世 ， 极大地推动了连续油管钻井技术发展及应用 [6]。 连续油管钻井对小直径浅直井、定向井和水平井都适合。 其应用范围包括 :新的浅直井、定向井和水平井 ,老井加深、侧钻 ,过油管钻井 ， 产层取心以及完井钻井等。 连续油管钻井的另一个用途是欠平衡钻井 ， 而且在此领域有着巨大的潜在市场。 对于裂缝性压力递减储层和酸气井 ， 用连续油管钻机进行欠平衡钻井最为理想、有效。 用连续油管钻机进行钻井的最大优点是井控安全 ,操作简便灵活 ， 不接单根 ， 不必压井就可以进行换钻头和起下钻作业。 连续油管钻井 技术与配套装备 10 连续油管钻井深度目前已达到 3000m左右 ， 过油管侧钻的深度已达到 5000m。 目前世界上研究和应用连续油管钻井技术的公司大都集中在欧、美地区的一些发达国家 ， 如美国、法国、加拿大和委内瑞拉等。 美国是目前应用连续油管钻井最多且技术领先的国家。 美国从 1994 年起就开始在其 Pruhole 湾油田东部地区全面实施连续油管钻井计划。 目前在美国 Alberta 南部地区 ， 用连续油管钻机钻井的数量已占该地区所有开钻井数量的 10%以上。 北海油田用连续钻机钻井更为普遍。 连续油管钻井的优缺点 优点 在钻井工程中 ,连续 油管的应用包括 :取心、安放造斜器和开窗侧钻、无线随钻测量、导向工具的有线测量、下尾管和悬挂器等。 连续油管钻井与常规钻井相比 ， 主要有以下几方面的优点 [7]： (1)能够安全地实现欠平衡压力钻井作业 ， 有利于保护油气层 ， 提高钻速。 连续油管没有接头 ， 为实现欠平衡压力钻井创造了有利条件。 安装在防喷器上方的环形橡胶 ， 其作用相当于始终处于关闭状态的环形防喷器 ， 它能在钻进和起下钻作业过程中密封环空 ， 使钻井作业得以在欠平衡压力下进行 ， 从而可防止地层伤害并提高钻速。 (2)在钻进过程中不需停泵接单根 ， 可实现钻井液的连续循环 ， 减 少了起下钻时间 ， 缩短了钻井周期 ， 提高了起下钻速度和作业的安全性 ， 避免因接单根可能引起井喷和卡钻事故的发生。 (3)连续油管钻井特别适用于小眼井钻井、老井侧钻、老井加深。 在老井侧钻或加深作业中 ， 因连续油管直径小可进行过油管作业 ， 无需取出老井中现有的生产设备 ， 从而实现边采边钻的目的 ， 可显著节约钻井成本。 (4)地面设备少 ， 占地面积小 ， 特别适合于条件受限制的地面或海上平台作业 ， 能减少对周围环境的影响 ,降低井场建设和维护费用 ， 同时设备移运安装快捷、方便、灵活。 (5)连续油管内可以内置电缆 ， 有利于实现自动控制和随钻 测量。 (6)减少作业人员。 局限性 连续油管钻井 技术与配套装备 11 与常规钻井技术相比 ， 连续油管钻井虽有许多优点 ， 但由于其尚处于发展的初级阶段 ， 远未成熟 ， 因此也有一些局限性 ： （ 1）用连续油管钻井之前 ， 通常需要借助常规钻井或修井机作好钻前准备工作 ， 如起出油管和封隔器等。 (2)尽管连续油管可以用来下入较短的衬管 ， 但如果要下入较长的套管柱或尾管柱 ， 则需要借助常规钻机或修井机才能完成。 因此 ， 目前的连续油管作业装置还不能完成从开钻到完井的所有作业。 (3)因连续油管不能像常规钻杆那样旋转 ， 无法搅动可能形成的岩屑床 ，增大了卡钻的风险。 (4)连续油管内径较小 ， 泥浆在管内摩擦压耗太高 ， 限制了泥浆排量。 (5)钻压、转矩、水力参数和井底钻具组合受到限制。 (6)连续油管使用寿命较短。 地面设备 连续油管钻井的地面设备主要由连续油管作业机、泥浆循环系统和井控系统组成 [8]。 连续油管作业机 连续 油管作业机组成示意图如图 所示 图 连续油管作业机组成示意图 (1)连续油管注入头。 它的主要功能是克服连续油管在井筒内的浮力及摩连续油管钻井 技术与配套装备 12 擦力使油管下入井内 ； 在不同情况下控制连续油管的下入速度 ； 悬挂油管和 图 链条牵引总成剖面 示意图 控 制从井内起出油管的速度。 连续油管注入头的关键部位是链条总成 [9](见图)。 (2)卷筒。 它由筒芯和边凸缘组成。 卷筒的转动由液压马达控制 ， 液压马达的作用是在连续油管起下时在油管上保持一定的拉力 ， 使其紧绕在卷筒上。 卷筒前上方装有排管器和计数器。 卷筒所能缠绕连续油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、运输设备的要求等。 (3)动力系统。 动力系统主要为作业机和各部件提供动力源。 大多数连续油管作业机的动力系统是柴油机和水力泵。 (4)控制室。 控制室上装有各种仪表、开关及有关控制系 统 ， 操作人员在控制室里控制注入头、卷筒、泥浆泵、防喷器和节流管汇的工作。 (5)连续油管。 连续油管是一种高强度高韧性管材。 目前 ， 美国有三家公司 (均位于休斯敦 )制造连续油管 ， 即精密管技术公司、优质管公司、西南管子公司。 随着连续油管应用的增加 ,这三家公司近年来开展了激烈的竞争 ， 使连续油管的制造技术不断发展 ， 质量不断提高。 连续油管钻井 技术与配套装备 13 目前 ， 世界上较大的连续油管作业供应商主要有美国的哈里伯顿公司、Hydra Rig 公司、 CVDD 公司、 Bowen 工具公司、 Stewart Stevenson 公司、加拿大 DRECO 能源公司。 总体 来说 ,过去的 40 余年，地面设备得到了长足的发展，其技术发展现状具体表现在地面装备多样化。 CTU 可分为常规型和复合型 2 种型式 ， 以适应不同的作业用途、工况和道路条件的要求 ， 其中 ,常规型主要有拖车式、车装式、橇装式 3 种型式。 前 2 种用于陆上 ， 后者主要用于海洋 [10]。 复合型 CTU可用 CT 和钻杆柱进行作业。 此外 ,一些专用连续油管设备的相继问世 ， 如处理大直径连续油管完井管柱的连续油管完井作业机、能够操作连续油管和接头连接管柱的连续油管钻井作业机、湖泊和沼泽地区使用的驳船式作业机、北极地区使用的全封闭式作业机等 ， 使得地面 设备的品种和型式更加丰富。 图 至图 展示了几种典型的地面设备 ， 其中图 所示的车装式连续油管作业机结构相对较为简单 ， 移运方便灵活 ， 适合我国的道路和井场条件 ，较小直径的连续油管作业设备通常采取这种结构形式 ； 图 车装式连续油管作业机 图 所示的拖车式连续油管作业机将各个工作机构集中布置在拖车上 ， 采用通用的牵引车移运 ， 适合较好的道路和井场条件 ， 较大直径的连续油管作业设备通常采取这种结构形式 ； 连续油管钻井 技术与配套装备 14 图 拖车式连续油管作业机 图 所示的橇装式连续油管作业机采用模块化结构形式 ， 根据连续 油管作业机的机构特点，将其主要部件划分为合适的模块 ， 因此制造相对较为简单 ， 用于海上平台的连续油管作业设备通常采用这种结构形式 ； 图 橇装式连续油管作业机 图 和图 所示的自带吊车和井架的连续油管作业机结构较为复杂 ，其突出特点是 ， 作业时不需要另外的起吊设备 ， 但移运时对道路和井场条件的要求较高 ； 图 拖车带吊车式连续油管作业机 连续油管钻井 技术与配套装备 15 图 拖车带井架式连续油管作业机 图 所示的专用连续油管钻井装备结构齐全而复杂 ， 造价昂贵 ,移运困难 ，其突出的结构特点是 ， 这种装置将滚筒置于注入头上 方 ， 作业时 ， 省去了注入头的导向器消除了因导向器引起的弯曲和疲劳破坏 ， 因此能大大提高的使 用寿命。 图 专用连续油管钻井装备 美国Ｈ ydra Rig 公司研制的复合型 CTU， 除了配备常规 CTU 外 ， 还装备有钻台、天车、井架、游车、液压大钳等 ， 注入头、导向器与控制室置于钻台上 ， 采用自动控制技术、传感技术和数据采集系统 ， 对整套装备实施全面监控 ， 具有自动司钻功能。 加拿大公司开发的用于北极或沙漠地区使用的 ，连续油管钻井 技术与配套装备 16 安装在该公司制造的重型自走式车上。 该型适合于 45~+45℃ 的环境下作业各部件封装在防碰框架结构内 ,液压动力 系统采用封闭和隔音结构。 泥浆循环系统 连续油管钻井中所选择的泥浆 ， 既不能损坏泥浆马达橡胶定子 ， 同时能最大限度地减少连续油管内的摩擦压力损失 ， 使泥浆在环空中具有足够的携岩能力。 连续油管钻井所应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一样。 与常规钻井相比 ， 其泥浆循环系统的容积要小一些。 固控设备也包括振动筛、除砂器、除泥器和离心机。 泥浆泵的功率应满足井下泥浆马达和井眼清洁的要求。 井控系统 与常规钻井一样 ,连续油管钻井中的主要井控设备也是防喷器组 ， 它是由全封闭闸板、剪切式闸板、带 卡瓦闸板和连续油管组成。 在欠平衡压力钻井中 ， 通常采用两套防喷器组 ， 一套用在连续油管上 ， 一套用在井底钻具组合上。 井下工具 连续油管钻井用的井下工具主要有钻头、弯接头、马达、钻铤、分离机构、连续油管配合接头。 一般 呈 井下钻具组合形式 [11]，见图 钻头 用于连续油管钻井的钻头应具备 ： (1)在低钻压和高转速下应具有足够的破岩能力 ； (2)在钻井过程中 ,钻头对扭矩的要求要低 ， 以避免高扭矩使连续油管疲劳破坏。 目前 ,常用的钻头有 TSP、天然金刚石钻头和 PDC 钻头。 弯接头、定向工具 用连续 油管钻定向井和水平井过程中 ， 在下部钻具组合中应配有弯接头和定向工具。 用常规钻柱钻定向井或水平井时 ， 底部钻具组合的工具面方位可在地面通过转动钻柱进行调整。 但用连续油管钻井时 ， 因连续油管不能旋转 ， 必须用一种专门的井下工具即定向工具来调整底部钻具组合的工具面方位。 连续油管钻井 技术与配套装备 17 图 底部钻具组合 (BHA) 钻铤 钻铤主要给钻头施加钻压 ， 提高钻头的破岩能量 ， 从而提高机械钻速。 在使用导向工具或 MWD 系统时 ， 必须使用无磁钻铤以避免电磁干扰 ， 避免导向和测量错误。