復(fù)合連續(xù)油管鉆機(jī)的研制

復(fù)合連續(xù)油管鉆機(jī)的研制

自196年開始使用ctu系列以來，由美國cow石油公司和美國boot石油工具公司開發(fā)的第一個(gè)連續(xù)油壓機(jī)操作裝置（ctu）已經(jīng)使用了40多年。特別是20世紀(jì)90年代初,法國Elf公司利用CT技術(shù)進(jìn)行老井加深,美國Oryx公司利用CT技術(shù)側(cè)鉆水平井以及Ensco公司利用CT技術(shù)進(jìn)行欠平衡鉆井的試驗(yàn)成功,極大地推動(dòng)了連續(xù)油管鉆井(CoiledTubingDrilling,CTD)技術(shù)的發(fā)展。目前連續(xù)油管技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于鉆井、完井、采油、修井和集輸?shù)茸鳂I(yè)的各個(gè)領(lǐng)域,解決了許多常規(guī)作業(yè)技術(shù)和方式難以解決的問題,應(yīng)用效果明顯。其中連續(xù)油管鉆井技術(shù)作為一項(xiàng)成本低、效率高、安全可靠的鉆井新技術(shù),成為了鉆井領(lǐng)域的技術(shù)熱點(diǎn)。在國內(nèi),采用連續(xù)油管進(jìn)行修井作業(yè)已有30多年的歷史,但所采用的連續(xù)油管設(shè)備大多是從國外進(jìn)口的。近幾年,中國石油和中國石化相關(guān)科研院所通過技術(shù)引進(jìn)和自主研發(fā)已經(jīng)成功開發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的連續(xù)油管作業(yè)車,但到目前為止我國還沒有開發(fā)出用于鉆井的專用連續(xù)油管鉆機(jī)。早期由于沒有專用的連續(xù)油管鉆機(jī),常采用連續(xù)油管作業(yè)機(jī)進(jìn)行老井重鉆,這時(shí)往往需要一臺(tái)修井機(jī)準(zhǔn)備鉆前工作或配合進(jìn)行下尾管和取出生產(chǎn)油管等作業(yè)。在鉆新井時(shí),也需要一臺(tái)常規(guī)鉆機(jī)鉆開表層井眼和下套管。這就導(dǎo)致在鉆井過程中需要準(zhǔn)備兩套鉆機(jī),并在連續(xù)油管作業(yè)機(jī)和常規(guī)鉆機(jī)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換,導(dǎo)致作業(yè)效率低。為了提高連續(xù)油管鉆井的效率,在20世紀(jì)90年代后期,人們就提出了將連續(xù)油管鉆機(jī)和常規(guī)鉆機(jī)復(fù)合的想法,即復(fù)合連續(xù)油管鉆機(jī)。為了滿足國內(nèi)外鉆井市場(chǎng)對(duì)連續(xù)油管鉆機(jī)的需求,四川宏華石油設(shè)備有限公司與西南石油大學(xué)合作成功研發(fā)了國內(nèi)首臺(tái)CTR120/300復(fù)合連續(xù)油管鉆機(jī)。1復(fù)合連續(xù)油管鉆機(jī)為了使得連續(xù)油管鉆機(jī)能滿足全過程鉆井和下套管作業(yè)的要求,CTR120/300復(fù)合連續(xù)油管鉆機(jī)將連續(xù)油管裝置和帶動(dòng)力水龍頭的常規(guī)鉆井裝置集成在一起,鉆井過程中采用常規(guī)鉆井設(shè)備鉆進(jìn)表層井段和下套管作業(yè),采用連續(xù)油管鉆井設(shè)備進(jìn)行表層以下的鉆井作業(yè)。鉆機(jī)在門型井架上設(shè)計(jì)了一段水平導(dǎo)軌,注入頭安裝在水平導(dǎo)軌上,一對(duì)液缸推動(dòng)注入頭底座在水平導(dǎo)軌上滑動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)注入頭移動(dòng)到井眼軸線和遠(yuǎn)離井眼軸線的動(dòng)作。當(dāng)注入頭移動(dòng)到井眼上方時(shí),可以進(jìn)行連續(xù)油管作業(yè);當(dāng)注入頭移離井眼位置時(shí),由動(dòng)力水龍頭(或頂驅(qū))占據(jù)井眼位置,則可進(jìn)行常規(guī)鉆井和下套管作業(yè)。CTR120/300復(fù)合連續(xù)油管鉆機(jī)還配備全套的自動(dòng)化管子處理裝置、輕便鐵鉆工、自動(dòng)液壓卡瓦等機(jī)具,以減少鉆臺(tái)面的作業(yè)量,不僅能降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度,更能減少潛在事故的發(fā)生。為了提高連續(xù)油管鉆機(jī)的移運(yùn)性,鉆機(jī)的主要設(shè)備設(shè)計(jì)在3臺(tái)拖掛單元上,分別是連續(xù)油管井架底座拖掛單元、連續(xù)油管滾筒拖掛單元和機(jī)械手拖掛單元(圖1)。2門型井架鉆臺(tái)設(shè)計(jì)名義鉆井深度范圍(?114.3mm鉆桿)2000m;最大大鉤載荷(8繩)1350kN;鉆井鋼絲繩直徑?29mm;滾筒容量3000m(?73.02mm連續(xù)油管),2000m(?88.9mm連續(xù)油管);注入頭提升力534kN;注入頭注入力267kN;注入頭最大提升速度48m/min;絞車額定輸入功率450kW;門型井架凈空高18.5m;鉆臺(tái)高度4.5m;鉆臺(tái)面積5.7m×3.555m;轉(zhuǎn)盤梁凈空高4.1m。3該鉆床在工廠內(nèi)進(jìn)行了鉆孔試驗(yàn)3.1連續(xù)油管鉆井試驗(yàn)2010年,在四川宏華石油設(shè)備有限公司廣漢廠區(qū),對(duì)CTR120/300復(fù)合連續(xù)油管鉆機(jī)進(jìn)行了鉆井試驗(yàn)(圖2),試驗(yàn)的目的:①初步掌握連續(xù)油管鉆井工藝;②驗(yàn)證連續(xù)油管鉆機(jī)各部件是否滿足設(shè)計(jì)要求,為相關(guān)設(shè)備和零部件的改進(jìn)提供依據(jù);③考察采用連續(xù)油管鉆井是否能顯著提高鉆井速度;④考察?88.9mm連續(xù)油管在?215.9mm井眼的鉆進(jìn)過程中,連續(xù)油管是否能提供相應(yīng)的鉆壓和承受鉆頭的反扭矩;⑤考察連續(xù)油管鉆井過程中井眼的清洗情況。3.2次開鉆試驗(yàn)鉆井前挖好方井并安裝?450mm導(dǎo)管和開好溢流口,為第一次開鉆和第二次開鉆鉆井液循環(huán)做好準(zhǔn)備。開鉆前表層套管、鉆具、工具到位,鉆井液水化時(shí)間達(dá)到24h并處理完成,密度1.05g/cm3,漏斗黏度大于40s;全套設(shè)備試運(yùn)轉(zhuǎn)正常,表層固井水泥及固井車輛到位后方可開鉆。第一次開鉆主要鉆遇未成巖的沖積砂和卵石層,采用常規(guī)鉆桿鉆井,采用?311.2mm鉆頭,鉆至井深64m,下入?244.5mm的表層套管,封隔易塌、易漏和區(qū)域水層,保護(hù)地下水層。第二次開鉆進(jìn)行連續(xù)油管鉆井試驗(yàn)(圖3),?215.9mm鉆頭鉆達(dá)設(shè)計(jì)試驗(yàn)井深350m。主要鉆遇泥巖、頁巖和砂巖。鉆井參數(shù):鉆壓為20~30kN,排量為18~20L/s,泵壓為3~5MPa。鉆井液參數(shù):密度為1.05~1.15g/cm3,漏斗黏度為38~40s,API失水量為5mL,泥餅厚度為0.5mm。鉆具組合:?215.9mm鉆頭+?165.1mm螺桿鉆具+431×4A0接頭+5根?152.4mm鉆鋌+4A1×310接頭+?120.65mm馬達(dá)頭總成+?139.7mm連接器+?88.9mm連續(xù)油管。3.2.1最小屈服能力鉆機(jī)配套美國Tenaris公司的90級(jí)連續(xù)油管,外徑為88.9mm;內(nèi)徑為78.53mm;壁厚為5.18mm;長度為2000m;重量為10.7kg/m;最小屈服極限為620MPa;內(nèi)部最小屈服壓力為68.26MPa;扭矩屈服極限為18.6kN·m。3.2.2接器的表面連接連續(xù)油管鉆井需要通過連續(xù)油管連接器連接各種井下工具,此次配套的是螺釘凹坑式連續(xù)油管連接器。該連接器一端和連續(xù)油管連接,另一端的螺紋接頭與其他井下工具連接(圖3)。連接前,通過連接器和凹坑螺釘在連續(xù)油管末端的管壁上預(yù)先壓制出相應(yīng)的凹坑,再通過球頭螺釘壓入凹坑,從而將連接器固定在連續(xù)油管末端。球頭螺釘需要扭緊至規(guī)定的扭矩,確保連接器與連續(xù)油管的連接安全可靠,能承受鉆井時(shí)的沖擊和振動(dòng)。3.2.3減少現(xiàn)場(chǎng)連接次數(shù)馬達(dá)頭總成是集成了幾種井下工具的短節(jié),通常將止回閥、丟手短節(jié)和循環(huán)短節(jié)集成在一起,集成后的工具長度更短(圖3),減少了現(xiàn)場(chǎng)連接次數(shù)。止回閥在馬達(dá)頭總成的最上端,用來阻止鉆井液倒流進(jìn)入連續(xù)油管。丟手短節(jié)通常安裝在止回閥之下,在下部鉆具組合卡死的情況下,通過投球的方式能斷開連續(xù)油管與下部鉆具組合的連接,上提連續(xù)油管后就可開始打撈作業(yè)。循環(huán)短節(jié)位于馬達(dá)頭總成的最下端,當(dāng)下部鉆具被埋或鉆頭水眼堵塞時(shí),通過循環(huán)短節(jié)來建立鉆井液循環(huán)通道。4連續(xù)油擠出試驗(yàn)分析4.1連續(xù)油管鉆井后連續(xù)管本次試驗(yàn)過程中,注入頭載荷變化不規(guī)則,未能準(zhǔn)確反映施加在鉆頭上的鉆壓,需要依靠鉆井泵泵壓的變化來判斷鉆壓的施加情況。分析認(rèn)為:連續(xù)油管的不旋轉(zhuǎn)使其與井壁產(chǎn)生無規(guī)律的滑動(dòng)摩擦,導(dǎo)致從注入頭懸重表測(cè)量的鉆壓數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。因此,連續(xù)油管鉆井應(yīng)在下部鉆具組合增加測(cè)量短節(jié),從井底直接測(cè)量鉆壓,以消除連續(xù)油管與井壁摩擦對(duì)鉆壓測(cè)量的影響。在連續(xù)油管定向鉆井中,連續(xù)油管與井壁的隨機(jī)接觸情況更加復(fù)雜,從井底測(cè)量鉆壓尤為必要。4.2管柱環(huán)空返速連續(xù)油管鉆進(jìn)因上部管柱不旋轉(zhuǎn),有效地清洗井眼的鉆井液環(huán)空返速要求更高,特別是鉆定向井。巖屑容易沉降在井眼低邊形成巖屑床,這增大了連續(xù)油管與井壁的摩擦力,甚至導(dǎo)致管柱在井眼中屈曲鎖死。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)資料,垂直井段鉆進(jìn)時(shí),如果環(huán)空返速能大于36.57m/min,則能確保井眼清洗良好。在鉆斜井和水平井時(shí),鉆井液環(huán)空返速至少為73.15m/min。本次?215.9mm垂直井眼段的鉆進(jìn)試驗(yàn),按鉆井泵排量為18.5L/s時(shí)計(jì)算環(huán)空返速就達(dá)到36.57m/min,實(shí)際鉆井中鉆井泵排量在17~20L/s,井眼清洗情況良好(圖4)。4.3連續(xù)油管深度測(cè)量出現(xiàn)誤差此次鉆井試驗(yàn),注入頭和滾筒上深度測(cè)量傳感器為接觸式傳感器,鉆進(jìn)過程的連續(xù)油管長度測(cè)量誤差較大,而在起下鉆記錄深度比較準(zhǔn)確。試驗(yàn)采用的是三牙輪鉆頭,三牙輪鉆頭是通過沖擊破碎的方式實(shí)現(xiàn)破巖的,鉆進(jìn)過程中引起了連續(xù)油管較強(qiáng)烈的振動(dòng),特別是在鉆頭鉆遇軟硬交錯(cuò)地層時(shí),振動(dòng)更為明顯,連續(xù)油管的振動(dòng)從井下傳到地面,導(dǎo)致連續(xù)油管的深度測(cè)量出現(xiàn)較大誤差。鉆井過程中,井下連續(xù)油管處于屈曲失穩(wěn)狀態(tài),在溫度、壓力、軸力和扭矩的作用下亦會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變形,即使是地面?zhèn)鞲衅鳒y(cè)量精度高也很難準(zhǔn)確掌握鉆頭的鉆進(jìn)深度。所以,在連續(xù)油管進(jìn)行老井開窗側(cè)鉆作業(yè)中,可以在下部鉆具組合中增加套管接箍定位器以便準(zhǔn)確的確定鉆頭的深度。在已知區(qū)塊采用連續(xù)油管鉆新井則可在BHA中增加自然伽馬(gamma)傳感器,通過測(cè)量地層的自然伽馬來校準(zhǔn)鉆頭的深度。4.4連續(xù)油管起下鉆速度m連續(xù)油管鉆井的一大優(yōu)點(diǎn)就是起下鉆無需接單根。在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行連續(xù)油管起下鉆時(shí)平均速度為0.16m/s(576m/h)(圖5)。而常規(guī)鉆井時(shí),如果5min起下一根立根(27m),則起下鉆速度也僅為324m/h,因此在鉆井試驗(yàn)中連續(xù)油管起下鉆速度是常規(guī)鉆桿起下鉆速度的1.78倍。考慮到連續(xù)油管注入頭的最大提升速度是0.8m/s,因此在保證起下鉆安全的情況下,連續(xù)油管起下鉆速度可以達(dá)到常規(guī)鉆桿起下鉆速度的3倍。4.5連續(xù)油管鉆機(jī)的機(jī)械鉆速在相同地質(zhì)狀況和用同一臺(tái)鉆井泵的情況下,將連續(xù)油管鉆機(jī)與相距35.6m處宏華2號(hào)教學(xué)鉆機(jī)(ZJ40DBS鉆機(jī)+頂驅(qū))的鉆井情況進(jìn)行對(duì)比如下:1)連續(xù)油管鉆機(jī)全井純鉆38.68h,全井平均機(jī)械鉆速9.05m/h,宏華2號(hào)教學(xué)鉆機(jī)全井段平均機(jī)械鉆速1.93m/h,連續(xù)油管鉆機(jī)的全井段機(jī)械鉆速是宏華2號(hào)教學(xué)鉆機(jī)的4.69倍。2)連續(xù)油管的?215.9mm井眼段鉆進(jìn),進(jìn)尺為285.74m,純鉆時(shí)間為27.40h,機(jī)械鉆速為10.42m/h。而采用宏華2號(hào)教學(xué)鉆機(jī)鉆的?215.9mm井眼段平均機(jī)械鉆速僅為2.03m/h。因此在?215.9mm井眼的鉆進(jìn)中,連續(xù)油管鉆機(jī)的機(jī)械鉆速是教學(xué)鉆機(jī)機(jī)械鉆速的5.1倍(圖6)。從圖6對(duì)比數(shù)據(jù)可以看出,連續(xù)油管鉆井因不需要接鉆桿,能實(shí)現(xiàn)鉆井液的連續(xù)循環(huán),從而獲得了更高的機(jī)械速度。如果配備完善的井下工具,司鉆人員也具備豐富的連續(xù)油管鉆井經(jīng)驗(yàn),那么鉆井速度勢(shì)必會(huì)進(jìn)一步提高。5連續(xù)油管鉆機(jī)發(fā)展空間和潛力通過廠內(nèi)的鉆井試驗(yàn),驗(yàn)證了CTR120/300連續(xù)油管鉆機(jī)總體性能符合設(shè)計(jì)要求,?88.9mm連續(xù)油管能滿足?215.9mm井眼鉆進(jìn)要求,而且連續(xù)油管鉆井與常規(guī)鉆井相比具有起下鉆速度快、鉆速高等優(yōu)點(diǎn)。CTR120/300連續(xù)油管鉆機(jī)的成功研制,填補(bǔ)了國內(nèi)在該類型鉆機(jī)上的空白。目前,