連續油管鉆井的關鍵技術(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 老井重入，為油公司提供了利用現有井筒開采其他儲層及深部儲層的機會，并可以達到提高井的產量、減少邊底水的錐進、重新構造二次及三次采油過程中的泄流形式等目的，同時節省了打新井的鉆井、完井投入。利用連續油管鉆小井眼井，可以大幅度降低勘探開發的費用，預計將降低勘探鉆井成本 1/3，降低開發鉆井成本 1/2。國內遼河、新疆等油田稠油資源豐富，采用連續油管鉆井技術鉆短半徑多層多側向水平井開采具有獨特的優勢，不僅有利于防止邊水水竄和底水推進，更有利于提高單井產量 和采收率。 比較國內外連續油管作業技術的應用、研究水平與現狀可以看出，我國連續油管作業技術的應用與研究均處于起步階段。在國外，用連續油管作業技術已能完成 20 多種作業工藝，并且其應用范圍正在進一步擴大。因此，如何引進、吸收和開發連續油管作業技術，是擺在我國科研人員面前的又一新的課題。 隨著我國東部油田增產挖潛工作的深入 ， 需要采取在套管內側鉆水平井的方法對一批復雜斷塊油田開采剩余油 ， 以及對待廢井、工程事故井、停產井進行挖潛復產或增產。我國西部油田的開采也以大量的深井、超深井及水平井、叢式井為主。因此 ,隨 著我國側鉆井和小井眼鉆井需求的不斷增加 ， 連續油管作業技術在我國水平井鉆井、修井及完井作業中將會發揮巨大的作用。連續油管鉆井 技術與配套裝備 9 第 2 章 連續油管鉆井技術與配套裝備 發展歷程 早在 20 世紀 30 年代以前 ， 人們就對連續鉆井管柱的概念和優點有了初步的認識 。 在二戰期間 ,盟軍曾用連續油管從海底輸送能源 ,以滿足戰爭的需要。據報道 ， 1962 年加利福尼亞石油公司及勃溫工具廠研制了第一個原始型“ 連續管輕型修車裝置 ” ， 用來清除海岸區油氣井中的砂橋。 1964 年 ， Roy H. Culla Research 公司研制了一種鉆井系統 ， 該系統使用了一 個連續的、靈活的鉆井管柱 (外徑 )來循環液體 ， 并使用電流來驅動井下電動馬達 ， 使用一個液壓注入頭來放入或回收鉆井管柱。該系統曾經在德克薩斯州的Marble Falls 附近的采石廠花崗巖地層上鉆了一口 、井深 的試驗井 ， 鉆井速度為 ～ 。 在此后的 20 多年內 ， 連續油管技術雖然取得了一些進步 ， 并在修井和完井作業中獲得了一些應用 ， 也進行過鉆井嘗試 ， 但由于連續油管可靠性問題 ，未能在石油界取得大范圍的推廣應用。 80 年代中后期 ， 世界范圍內原油價格下跌 ， 迫使國內外作業 公司和服務公司研究和采用可降低鉆井成本的新方法 ，再加上連續油管質量和可靠性的提高 ， 連續油管在修井和完井等作業中的應用急劇增加 ， 并取得了明顯的經濟效益和社會效益。 連續油管鉆井技術（ CTD）的發展和應用始于 90 年代初 ， 目前仍處于研究和開發的初級階段。 1991 年 ， 美國、加拿大、法國相繼成功地試驗應用了連續油管鉆井技術。近年來 ， 世界上用連續油管所鉆井的數量急劇增加 ， 1996年為 410 口 ， 1997 年猛增至 600 多口 ， 目前仍在繼續增加。 近年來 ， 隨著連續油管器材和制造工藝的進一步發展 ， 可靠性高的高強度大直徑連續油管、 小直徑容積式馬達、先進的定向工具及測量系統和金剛石鉆頭的相繼問世 ， 極大地推動了連續油管鉆井技術發展及應用 [6]。 連續油管鉆井對小直徑淺直井、定向井和水平井都適合。其應用范圍包括 :新的淺直井、定向井和水平井 ,老井加深、側鉆 ,過油管鉆井 ， 產層取心以及完井鉆井等。連續油管鉆井的另一個用途是欠平衡鉆井 ， 而且在此領域有著巨大的潛在市場。對于裂縫性壓力遞減儲層和酸氣井 ， 用連續油管鉆機進行欠平衡鉆井最為理想、有效。用連續油管鉆機進行鉆井的最大優點是井控安全 ,操作簡便靈活 ， 不接單根 ， 不必壓井就可以進行換鉆頭和起下鉆作業。連續油管鉆井 技術與配套裝備 10 連續油管鉆井深度目前已達到 3000m左右 ， 過油管側鉆的深度已達到 5000m。 目前世界上研究和應用連續油管鉆井技術的公司大都集中在歐、美地區的一些發達國家 ， 如美國、法國、加拿大和委內瑞拉等。美國是目前應用連續油管鉆井最多且技術領先的國家。美國從 1994 年起就開始在其 Pruhole 灣油田東部地區全面實施連續油管鉆井計劃。目前在美國 Alberta 南部地區 ， 用連續油管鉆機鉆井的數量已占該地區所有開鉆井數量的 10%以上。北海油田用連續鉆機鉆井更為普遍。 連續油管鉆井的優缺點 優點 在鉆井工程中 ,連續 油管的應用包括 :取心、安放造斜器和開窗側鉆、無線隨鉆測量、導向工具的有線測量、下尾管和懸掛器等。連續油管鉆井與常規鉆井相比 ， 主要有以下幾方面的優點 [7]： (1)能夠安全地實現欠平衡壓力鉆井作業 ， 有利于保護油氣層 ， 提高鉆速。連續油管沒有接頭 ， 為實現欠平衡壓力鉆井創造了有利條件。安裝在防噴器上方的環形橡膠 ， 其作用相當于始終處于關閉狀態的環形防噴器 ， 它能在鉆進和起下鉆作業過程中密封環空 ， 使鉆井作業得以在欠平衡壓力下進行 ， 從而可防止地層傷害并提高鉆速。 (2)在鉆進過程中不需停泵接單根 ， 可實現鉆井液的連續循環 ， 減 少了起下鉆時間 ， 縮短了鉆井周期 ， 提高了起下鉆速度和作業的安全性 ， 避免因接單根可能引起井噴和卡鉆事故的發生。 (3)連續油管鉆井特別適用于小眼井鉆井、老井側鉆、老井加深。在老井側鉆或加深作業中 ， 因連續油管直徑小可進行過油管作業 ， 無需取出老井中現有的生產設備 ， 從而實現邊采邊鉆的目的 ， 可顯著節約鉆井成本。 (4)地面設備少 ， 占地面積小 ， 特別適合于條件受限制的地面或海上平臺作業 ， 能減少對周圍環境的影響 ,降低井場建設和維護費用 ， 同時設備移運安裝快捷、方便、靈活。 (5)連續油管內可以內置電纜 ， 有利于實現自動控制和隨鉆 測量。 (6)減少作業人員。 局限性 連續油管鉆井 技術與配套裝備 11 與常規鉆井技術相比 ， 連續油管鉆井雖有許多優點 ， 但由于其尚處于發展的初級階段 ， 遠未成熟 ， 因此也有一些局限性 ： （ 1）用連續油管鉆井之前 ， 通常需要借助常規鉆井或修井機作好鉆前準備工作 ， 如起出油管和封隔器等。 (2)盡管連續油管可以用來下入較短的襯管 ， 但如果要下入較長的套管柱或尾管柱 ， 則需要借助常規鉆機或修井機才能完成。因此 ， 目前的連續油管作業裝置還不能完成從開鉆到完井的所有作業。 (3)因連續油管不能像常規鉆桿那樣旋轉 ， 無法攪動可能形成的巖屑床 ，增大了卡鉆的風險。 (4)連續油管內徑較小 ， 泥漿在管內摩擦壓耗太高 ， 限制了泥漿排量。 (5)鉆壓、轉矩、水力參數和井底鉆具組合受到限制。 (6)連續油管使用壽命較短。 地面設備 連續油管鉆井的地面設備主要由連續油管作業機、泥漿循環系統和井控系統組成 [8]。 連續油管作業機 連續 油管作業機組成示意圖如圖 所示 圖 連續油管作業機組成示意圖 (1)連續油管注入頭。它的主要功能是克服連續油管在井筒內的浮力及摩連續油管鉆井 技術與配套裝備 12 擦力使油管下入井內 ； 在不同情況下控制連續油管的下入速度 ； 懸掛油管和 圖 鏈條牽引總成剖面 示意圖 控 制從井內起出油管的速度。連續油管注入頭的關鍵部位是鏈條總成 [9](見圖)。 (2)卷筒。它由筒芯和邊凸緣組成。卷筒的轉動由液壓馬達控制 ， 液壓馬達的作用是在連續油管起下時在油管上保持一定的拉力 ， 使其緊繞在卷筒上。卷筒前上方裝有排管器和計數器。卷筒所能纏繞連續油管的長度和直徑的大小主要取決于卷筒的外徑、寬度、筒芯的直徑、運輸設備的要求等。 (3)動力系統。動力系統主要為作業機和各部件提供動力源。大多數連續油管作業機的動力系統是柴油機和水力泵。 (4)控制室。控制室上裝有各種儀表、開關及有關控制系 統 ， 操作人員在控制室里控制注入頭、卷筒、泥漿泵、防噴器和節流管匯的工作。 (5)連續油管。連續油管是一種高強度高韌性管材。目前 ， 美國有三家公司 (均位于休斯敦 )制造連續油管 ， 即精密管技術公司、優質管公司、西南管子公司。隨著連續油管應用的增加 ,這三家公司近年來開展了激烈的競爭 ， 使連續油管的制造技術不斷發展 ， 質量不斷提高。 連續油管鉆井 技術與配套裝備 13 目前 ， 世界上較大的連續油管作業供應商主要有美國的哈里伯頓公司、Hydra Rig 公司、 CVDD 公司、 Bowen 工具公司、 Stewart Stevenson 公司、加拿大 DRECO 能源公司。 總體 來說 ,過去的 40 余年，地面設備得到了長足的發展，其技術發展現狀具體表現在地面裝備多樣化。 CTU 可分為常規型和復合型 2 種型式 ， 以適應不同的作業用途、工況和道路條件的要求 ， 其中 ,常規型主要有拖車式、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 [10]。復合型 CTU可用 CT 和鉆桿柱進行作業。此外 ,一些專用連續油管設備的相繼問世 ， 如處理大直徑連續油管完井管柱的連續油管完井作業機、能夠操作連續油管和接頭連接管柱的連續油管鉆井作業機、湖泊和沼澤地區使用的駁船式作業機、北極地區使用的全封閉式作業機等 ， 使得地面 設備的品種和型式更加豐富。圖 至圖 展示了幾種典型的地面設備 ， 其中圖 所示的車裝式連續油管作業機結構相對較為簡單 ， 移運方便靈活 ， 適合我國的道路和井場條件 ，較小直徑的連續油管作業設備通常采取這種結構形式 ； 圖 車裝式連續油管作業機 圖 所示的拖車式連續油管作業機將各個工作機構集中布置在拖車上 ， 采用通用的牽引車移運 ， 適合較好的道路和井場條件 ， 較大直徑的連續油管作業設備通常采取這種結構形式 ； 連續油管鉆井 技術與配套裝備 14 圖 拖車式連續油管作業機 圖 所示的橇裝式連續油管作業機采用模塊化結構形式 ， 根據連續 油管作業機的機構特點，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油管作業設備通常采用這種結構形式 ； 圖 橇裝式連續油管作業機 圖 和圖 所示的自帶吊車和井架的連續油管作業機結構較為復雜 ，其突出特點是 ， 作業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 拖車帶吊車式連續油管作業機 連續油管鉆井 技術與配套裝備 15 圖 拖車帶井架式連續油管作業機 圖 所示的專用連續油管鉆井裝備結構齊全而復雜 ， 造價昂貴 ,移運困難 ，其突出的結構特點是 ， 這種裝置將滾筒置于注入頭上 方 ， 作業時 ， 省去了注入頭的導向器消除了因導向器引起的彎曲和疲勞破壞 ， 因此能大大提高的使 用壽命。 圖 專用連續油管鉆井裝備 美國Ｈ ydra Rig 公司研制的復合型 CTU， 除了配備常規 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、傳感技術和數據采集系統 ， 對整套裝備實施全面監控 ， 具有自動司鉆功能。加拿大公司開發的用于北極或沙漠地區使用的 ，連續油管鉆井 技術與配套裝備 16 安裝在該公司制造的重型自走式車上。該型適合于 45~+45℃ 的環境下作業各部件封裝在防碰框架結構內 ,液壓動力 系統采用封閉和隔音結構。 泥漿循環系統 連續油管鉆井中所選擇的泥漿 ， 既不能損壞泥漿馬達橡膠定子 ， 同時能最大限度地減少連續油管內的摩擦壓力損失 ， 使泥漿在環空中具有足夠的攜巖能力。連續油管鉆井所應用的泥漿循環系統與小眼井鉆井所使用的泥漿循環系統大致一樣。與常規鉆井相比 ， 其泥漿循環系統的容積要小一些。固控設備也包括振動篩、除砂器、除泥器和離心機。泥漿泵的功率應滿足井下泥漿馬達和井眼清潔的要求。 井控系統 與常規鉆井一樣 ,連續油管鉆井中的主要井控設備也是防噴器組 ， 它是由全封閉閘板、剪切式閘板、帶 卡瓦閘板和連續油管組成。在欠平衡壓力鉆井中 ， 通常采用兩套防噴器組 ， 一套用在連續油管上 ， 一套用在井底鉆具組合上。 井下工具 連續油管鉆井用的井下工具主要有鉆頭、彎接頭、馬達、鉆鋌、分離機構、連續油管配合接頭。 一般 呈 井下鉆具組合形式 [11]，見圖 鉆頭 用于連續油管鉆井的鉆頭應具備 ： (1)在低鉆壓和高轉速下應具有足夠的破巖能力 ； (2)在鉆井過程中 ,鉆頭對扭矩的要求要低 ， 以避免高扭矩使連續油管疲勞破壞。目前 ,常用的鉆頭有 TSP、天然金剛石鉆頭和 PDC 鉆頭。 彎接頭、定向工具 用連續 油管鉆定向井和水平井過程中 ， 在下部鉆具組合中應配有彎接頭和定向工具。用常規鉆柱鉆定向井或水平井時 ， 底部鉆具組合的工具面方位可在地面通過轉動鉆柱進行調整。但用連續油管鉆井時 ， 因連續油管不能旋轉 ， 必須用一種專門的井下工具即定向工具來調整底部鉆具組合的工具面方位。 連續油管鉆井 技術與配套裝備 17 圖 底部鉆具組合 (BHA) 鉆鋌 鉆鋌主要給鉆頭施加鉆壓 ， 提高鉆頭的破巖能量 ， 從而提高機械鉆速。在使用導向工具或 MWD 系統時 ， 必須使用無磁鉆鋌以避免電磁干擾 ， 避免導向和測量錯誤。