連續(xù)油管作業(yè)技術與裝備的應用

連續(xù)油管作業(yè)技術與裝備的應用

連續(xù)油管作業(yè)裝備管道連續(xù)采集（ct）技術已成為石油天然氣勘探和開發(fā)領域中的一項日益完善的新技術。連續(xù)管道技術已經(jīng)廣泛應用于廣泛應用，因此被稱為“無限服務設備”。自1962年第一臺連續(xù)油管作業(yè)設備問世以來,目前全球擁有的連續(xù)油管作業(yè)設備已超過1400臺套。1972年,我國從Bowen公司引進首臺連續(xù)油管作業(yè)設備,截至今年累計引進28臺套。連續(xù)油管技術的應用也從單純的修井作業(yè)發(fā)展到鉆井、完井、測井以及增產(chǎn)作業(yè)等領域,預計未來10年,其應用將更加廣泛。筆者在回顧連續(xù)油管技術和裝備的發(fā)展歷程,展示其技術特點,總結(jié)其發(fā)展現(xiàn)狀和展望其發(fā)展趨勢的基礎上,客觀地分析了國內(nèi)連續(xù)油管技術和裝備應用情況與研究現(xiàn)狀及存在的問題,提出相應的發(fā)展對策。ct技術的發(fā)展歷程自1962年美國California石油公司和Bowen石油工具公司聯(lián)合研制的第一臺連續(xù)油管作業(yè)裝置(CoiledTubingUnit,CTU)投入石油工業(yè)應用至今,CT技術和CTU已經(jīng)歷了40多年的發(fā)展歷程,其間,歷經(jīng)了初級發(fā)展階段、發(fā)展“停滯”階段、高速發(fā)展階段和廣泛應用階段。特別是20世紀90年代初,法國Elf公司利用CT技術進行老井加深,美國Oryx公司利用CT技術側(cè)鉆水平井以及Ensco公司利用CT技術進行欠平衡鉆井的試驗成功,極大地推動了連續(xù)油管鉆井(CoiledTubingDrilling,CTD)技術的發(fā)展。目前CT作業(yè)技術已廣泛應用于鉆井(小井眼井、定向井、側(cè)鉆水平井、欠平衡鉆井等)、完井、采油、修井和集輸?shù)茸鳂I(yè)的各個領域,解決了許多常規(guī)作業(yè)技術和方式難以解決的問題,應用效果明顯。1.ct的技術優(yōu)勢CT作業(yè)技術與常規(guī)作業(yè)技術和方式相比,具有許多明顯的優(yōu)勢和特點,突出表現(xiàn)在:①作業(yè)成本低。由于CTU設備少,搬遷安裝和作業(yè)井準備時間短,以及CT起下作業(yè)速度快,工作量小,直接降低成本,CTD側(cè)鉆井成本為常規(guī)鉆新井的1/3,CTD作業(yè)節(jié)約費用25%～40%。②增加油井產(chǎn)量。CT作業(yè)技術或通過油管老井重鉆或側(cè)鉆水平井,可使原本沒有經(jīng)濟效益的老井增加產(chǎn)量。③保護油層,作業(yè)安全。對一些敏感地層,用CT作業(yè)安全可靠,可進行不放噴、放壓,帶壓連續(xù)作業(yè),防止地層污染,保護環(huán)境,保護油層,增加產(chǎn)量。④水平井、定向井作業(yè),方便快捷。在水平井和大斜度定向井中,一些如電測和鋼絲繩作業(yè),或在水平井段中的沖砂洗井作業(yè),CT技術具有方便作業(yè)的優(yōu)勢。⑤海上作業(yè),優(yōu)勢明顯。CTU占地面積小,特別適合于地面條件受限制的海上平臺鉆井和過油管鉆井作業(yè),不僅縮短作業(yè)周期,而且增加產(chǎn)量,降低成本。2.備、井下工具和作業(yè)工藝總體來說,完整的連續(xù)油管技術主要有地面設備、井下工具和作業(yè)工藝三大部分構(gòu)成。過去的40余年,這三大部分均得到了長足的發(fā)展,其技術發(fā)展現(xiàn)狀具體表現(xiàn)在如下幾個方面。(1)連續(xù)油管作業(yè)機CTU可分為常規(guī)型和復合型2種型式,以適應不同的作業(yè)用途、工況和道路條件的要求,其中,常規(guī)型主要有拖車式、車裝式、橇裝式3種型式。前2種用于陸上,后者主要用于海洋。復合型CTU可用CT和鉆桿柱進行作業(yè)。此外,一些專用連續(xù)油管設備的相繼問世,如處理大直徑連續(xù)油管完井管柱的連續(xù)油管完井作業(yè)機、能夠操作連續(xù)油管和接頭連接管柱的連續(xù)油管鉆井作業(yè)機、湖泊和沼澤地區(qū)使用的駁船式作業(yè)機、北極地區(qū)使用的全封閉式作業(yè)機等,使得地面設備的品種和型式更加豐富。圖1至圖6展示了幾種典型的地面設備,其中圖1所示的車裝式連續(xù)油管作業(yè)機結(jié)構(gòu)相對較為簡單,移運方便靈活,適合我國的道路和井場條件,較小直徑的連續(xù)油管作業(yè)設備通常采取這種結(jié)構(gòu)形式;圖2所示的拖車式連續(xù)油管作業(yè)機將各個工作機構(gòu)集中布置在拖車上,采用通用的牽引車移運,適合較好的道路和井場條件,較大直徑的連續(xù)油管作業(yè)設備通常采取這種結(jié)構(gòu)形式;圖3所示的橇裝式連續(xù)油管作業(yè)機采用模塊化結(jié)構(gòu)形式,根據(jù)連續(xù)油管作業(yè)機的機構(gòu)特點,將其主要部件劃分為合適的模塊,因此制造相對較為簡單,用于海上平臺的連續(xù)油管作業(yè)設備通常采用這種結(jié)構(gòu)形式;圖4和圖5所示的自帶吊車和井架的連續(xù)油管作業(yè)機結(jié)構(gòu)較為復雜,其突出特點是,作業(yè)時不需要另外的起吊設備,但移運時對道路和井場條件的要求較高;圖6所示的專用連續(xù)油管鉆井裝備結(jié)構(gòu)齊全而復雜,造價昂貴,移運困難,其突出的結(jié)構(gòu)特點是,這種裝置將CT滾筒置于注入頭上方,作業(yè)時,省去了注入頭的導向器,消除了因?qū)蚱饕鸬腃T彎曲和疲勞破壞,因此能大大提高CT的使用壽命。美國HydraRig公司研制的復合型CTU,除了配備常規(guī)CTU外,還裝備有鉆臺、天車、井架、游車、液壓大鉗等,注入頭、導向器與控制室置于鉆臺上,采用自動控制技術、傳感技術和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),對整套裝備實施全面監(jiān)控,具有自動司鉆功能。加拿大Dreco公司開發(fā)的用于北極或沙漠地區(qū)使用的CTU,安裝在該公司制造的重型自走式車上。該型CTU適合于-45～+45℃的環(huán)境下作業(yè),各部件封裝在防碰框架結(jié)構(gòu)內(nèi),液壓動力系統(tǒng)采用封閉和隔音結(jié)構(gòu)。地面設備的關鍵部件之一,注入頭的研制已基本實現(xiàn)系列化。注入頭提升能力從20世紀70～80年代的44.5～178kN(10000～40000lbs)發(fā)展到今天最大為889.6kN(200000lbs);不同型號的注入頭常常通過更換圖7所示的連續(xù)油管夾持塊來實現(xiàn),這種帶有可替換嵌入件的注入頭鏈輪可適合于不同口徑尺寸的連續(xù)油管;特殊嵌入件使注入頭可操作直徑193.6mm(英寸)的接頭式套管。美國Stewart&Stevenson公司近期開發(fā)的新型注入頭有2000型、1500型和1000型3種系列,其最大拉力分別為889.6、667.2和444.8kN,其中,2000型注入頭的強行下入能力為445kN,適用CT尺寸為?114mm,這種注入頭采用2臺軸向柱塞變排量馬達,可在閉路或開路狀態(tài)下工作,排量為49.2L/min,壓力為31MPa,最大下入速度達61m/min。HydraRig公司生產(chǎn)的注入頭也有多種型式,其中,HR2500型注入頭最大拉力為889.6kN,適用CT尺寸為?50.8～139.7mm。Stewart&Stevenson公司提供給CTU用的防噴器組,孔徑尺寸為65～179mm,工作壓力為35～105MPa,防噴器采用手動或液力打開或關閉閥體,更換閘板方便,有單組、兩組、三組和四組防噴器結(jié)構(gòu)型式。地面設備的控制系統(tǒng)由過去的手動液壓閥操作方式,發(fā)展到今天的電-液控制系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng),大大提高了控制能力和性能。反饋控制方式能夠保持恒定壓力,并使連續(xù)油管以恒定的速度下井,提高了操作的可靠性和安全性。國外CT作業(yè)技術的發(fā)展是隨著CT自身性能的提高而不斷發(fā)展起來的。CT尺寸從20世紀60年代的?19.05mm發(fā)展到20世紀90年代的?168.3mm,其材質(zhì)的發(fā)展也經(jīng)歷由高強度低合金碳鋼、高強度低合金調(diào)質(zhì)鋼到鈦合金和復合材料,屈服強度也由原來的345MPa提高到960MPa。為優(yōu)化CT管柱質(zhì)量,增加CT作業(yè)下入深度,國外近期研制出一種變徑CT,其下入深度比常規(guī)CT深出55%。此外還進行CT腐蝕狀態(tài)的研究。(2)井下工具組合最初的連續(xù)油管作業(yè)工具都是由常規(guī)的鋼絲繩工具、鋼絲工具和鉆進工具加以修改用于連續(xù)油管作業(yè)。隨著連續(xù)油管作業(yè)技術應用的拓展,專用連續(xù)油管作業(yè)工具不斷研發(fā)出來并投入使用。連續(xù)油管內(nèi)纜線的穿入推動了電子控制工具的發(fā)展:MWD、電-液-機械動力井下工具組合應用于定向鉆進。井下工具幾乎成為作業(yè)工藝的代名詞,一套井下工具系統(tǒng)代表了一項作業(yè)工藝;反過來,一項作業(yè)工藝則需要一套特有的井下工具系統(tǒng)來實現(xiàn)。圖8展示了用于負壓沖砂作業(yè)的井下工具系統(tǒng),該系統(tǒng)主要由喉部節(jié)流裝置、濾砂裝置、單向閥、連接器、噴射裝置等組成,其特點是有利于保護油層,沖砂效果較好;圖9展示的則是連續(xù)油管過油管分層酸化作業(yè)的工具組合,該系統(tǒng)主要由封隔器、相關控制閥、連接器等組成。為了適應CTD欠平衡鉆井需要,美國AnTech公司近期開發(fā)出一種COLT型CT井底鉆具總成(BHA),這種新型總成配備有一連接器,鉆頭的定向采用電驅(qū)動的定向裝置控制。在鉆井過程中,其彎殼可在0～3°之間連續(xù)調(diào)節(jié),在鉆直井眼時,減少卡鉆的可能性。(3)連續(xù)油管現(xiàn)場應用隨著水力模擬技術的發(fā)展,沖洗、酸化增產(chǎn)措施、氮氣氣舉這3項連續(xù)油管主體作業(yè)工藝技術更加優(yōu)化,作業(yè)效率提高,費用降低。近幾年發(fā)展的連續(xù)油管負壓沖砂技術,結(jié)合了噴射泵的技術,動力液為水或氮氣,適于沖洗含砂量大、環(huán)空返出液速度不高的油井。用于深井的連續(xù)油管負壓沖砂技術、連續(xù)油管過油管跨層分隔、分層酸化壓裂等多項新技術也相繼投入現(xiàn)場應用。到目前為止,國外連續(xù)油管技術主要應用于修井作業(yè)、測井和鉆完井3個方面。其中,用于修井作業(yè)的典型工藝有擠注水泥、打撈、通井擴眼、沖砂洗井、除垢、卸壓誘流、注氮試井、酸化作業(yè)(酸洗、定點注酸)、不停產(chǎn)油管防腐處理作業(yè)和連續(xù)油管分層壓裂等;用于鉆完井的典型工藝主要有老井重鉆加深、小井眼水平鉆井、欠平衡鉆井、氣舉完井、過油管防砂作業(yè)等。其中,圖10所示的連續(xù)油管分層壓裂作業(yè)工藝是備受油田關注且油田生產(chǎn)需要的工藝技術,也是我國近期需要研究開發(fā)的工藝技術之一。微井眼鉆井技術連續(xù)油管技術與裝備的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在如下幾個方面:①地面設備將繼續(xù)體現(xiàn)作業(yè)用途、工況和道路條件的差異性與特殊性,突顯其個性化?？刂葡到y(tǒng)將朝著數(shù)字化和智能化方向發(fā)展,設備性能將進一步提高;②隨著勘探開發(fā)的難度加大和油井條件的進一步復雜,一些新的特殊作業(yè)工藝將應運而生,其目的是解決常規(guī)技術無法解決的熱點難點問題,與這些特殊作業(yè)工藝密切相關的井下工具也會得到進一步發(fā)展;③新材料和新工藝的應用將顯著提升連續(xù)油管本身的綜合性能,擴大其應用范圍。變直徑和變壁厚的錐形連續(xù)油管具有管柱下部質(zhì)量較輕的特點,可以使連續(xù)油管下入到更深的井段;④連續(xù)油管專用管理軟件和施工作業(yè)軟件將得到進一步豐富與完善,并將在實際應用中發(fā)揮其特有的作用?；谶B續(xù)油管技術的微井眼鉆采技術(MicroholeTechnology)無疑是這一領域的前沿技術。該項技術是以連續(xù)油管技術裝備為中心發(fā)展起來的一套集鉆井、測試、采油等功能裝備和技術于一身的集成技術,其井眼直徑為88.9mm(英寸)或更小,是經(jīng)濟開發(fā)老油田剩余油藏和低滲透油藏的有效手段之一。微井眼鉆井技術具有如下優(yōu)勢:①微井眼鉆井設備占據(jù)空間更小(大約是常規(guī)鉆機的1/20),質(zhì)量更輕(不到常規(guī)鉆機的1/10),因此減少了設備及人力費用(約為常規(guī)鉆機的90%),相關對比見表1;②減少了鉆井及完井所需材料;③相對于常規(guī)鉆井技術,由于用連續(xù)油管鉆井幾乎不需要起下鉆,因此更加省時、省錢;④鉆井液與巖屑體積大大減少,降低了處理費用;⑤對地層和環(huán)境的負面效應更小,鉆井液系統(tǒng)的零排放能更好地保護生態(tài)環(huán)境,更能滿足HSE要求;⑥微型化的連續(xù)油管鉆機移運性好,有利于復雜地理環(huán)境的油氣田的開發(fā);⑦鉆機及相關設備占地更少,減少了對環(huán)境的影響;⑧微井眼及相關鉆井設備的微型化大大降低了鉆開發(fā)井投資者的勘探風險;⑨可實現(xiàn)增產(chǎn)及提高采收率。為了做到既符合環(huán)保要求,又能經(jīng)濟地開發(fā)眾多低豐度、低滲透油藏和邊際油田,美國能源部(DOE)主動組織、協(xié)調(diào)、支持、資助微井眼鉆采工藝的研發(fā)。這一舉措被認為是一項寓意深遠的科技決策和能源發(fā)展戰(zhàn)略。微井眼鉆采工藝被認為是一項旗艦(FlagShip)型工藝,將會引領和觸發(fā)一系列專業(yè)技術的大變革。美國能源部國家能源技術實驗室(NETL)所屬的天然氣與石油策略研究中心(StrategicCenterforNaturalGasandOil)為此建立了開發(fā)?88.9mm(英寸)微井眼鉆采工藝的基金,資助6家有潛質(zhì)的公司開展六大核心技術的攻關:①斯倫貝謝公司承擔研發(fā)用連續(xù)油管的超小型鉆機(CTmicrorig);②貝克休斯公司承擔用于?60.3mm(英寸)的小型地質(zhì)導向工具(Geosteering);③西方井下工具公司(WesternWellTool)承擔研發(fā)水平井鉆井井下工具;④Bandera公司負責開發(fā)零排放鉆井液系統(tǒng);⑤Stolar研究公司承擔雷達導向系統(tǒng)(Radarguidanccsystem);⑥采氣專業(yè)公司(GasProductionSpcciaities)負責研發(fā)超小型電潛泵(Micropump)。國內(nèi)連續(xù)油管關鍵技術研究情況我國引進和利用連續(xù)油管作業(yè)技術始于20世紀70年代。1972年,我國引進了第一臺波恩公司生產(chǎn)的連續(xù)油管作業(yè)機,在四川油田開始利用連續(xù)油管進行氣井小型酸化、注氮排殘酸、氣舉降液、沖砂、清蠟等一些簡單作業(yè),累計進行數(shù)百口井的應用試驗,取得了一定的效果,并積累了經(jīng)驗,隨后在全國各油田推廣應用。目前,國內(nèi)共有引進連續(xù)油管作業(yè)機28臺,主要分布陸地上(自走車裝或大拖車裝式)有大慶、勝利、中原、河南、大港、遼河、華北、四川、吉林、吐哈、塔里木等油田。海洋上(橇裝式)也有少數(shù)幾臺。國內(nèi)開展連續(xù)油管技術與裝備的研究與開發(fā)始于20世紀90年代初,主要由中國石油集團科學技術研究院江漢機械研究所承擔。該所從充分調(diào)研和學習消化國外相關先進技術入手,先后開展了如下工作:①廣泛收集國外連續(xù)油管技術與裝備的技術狀況和應用情況,重點調(diào)研有關作業(yè)工藝技術,翻譯、編輯和出版了《連續(xù)油管作業(yè)技術文集》一書;②針對塔里木油田早期引進的連續(xù)油管作業(yè)裝備,學習消化該設備的使用、操作與維護,并翻譯、編輯和出版了《連續(xù)油管作業(yè)機操作與維護》一書;③針對連續(xù)油管側(cè)鉆工藝技術,承擔并完成了中國石油天然氣集團公司科研項目“連續(xù)油管側(cè)鉆技術調(diào)研報告”的撰寫工作;④對管徑為32mm的連續(xù)油管作業(yè)機進行了總體設計和主要部件的詳細設計;⑤1997～1998年,與塔里木油田合作,在對引進的連續(xù)油管作業(yè)井下配套工具進行學習和消化的基礎上,研制了適應于?31.75mm和?38.1mmCTU使用的液壓斷開接頭、雙向震擊器、加速器、旋轉(zhuǎn)沖洗工具、拉撥工具等近16種,已在新疆油田進行現(xiàn)場試驗與使用;⑥目前,正在針對長慶油田低壓低產(chǎn)小水量排水采氣工藝,開展“XPCQ—36小直徑連續(xù)管排水采氣裝置的研制”;針對遼河油田對水平井進行修井作業(yè)的工藝需求,開展“連續(xù)管技術在水平井作業(yè)中的應用技術研究”。此外,國內(nèi)還涉足了針對CT本身的部分研究工作,如江漢機械研究所開展了“CT橢圓度恒磁檢測技術及裝置研究”和“CT缺陷綜合檢測傳感器的磁路設計”單元技術的研究,石油大學也開展了“用模糊Bayes方法確定CT的疲勞壽命分布”、“CT疲勞可靠性分析的新方法”和“CT疲勞壽命預測模型的建立”等基礎研究。上述工作基礎和技術積累為國內(nèi)開展連續(xù)油管技術與裝備研究打下了必要的基礎。但是,也必須看到,連續(xù)油管技術和裝備在國內(nèi)的應用主要局限于直井的簡單作業(yè),應用情況有好有差,但總體應用情況不如人意,沒有反應和顯示此項技術的真實水平和特點,其主要原因