單代偉,劉清友,陳 俊,劉正兵

(1.西南石油大學(xué),成都 610500;2.四川宏華石油設(shè)備有限公司,成都 610000)

連續(xù)油管鉆機(jī)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

單代偉1,2,劉清友1,陳 俊2,劉正兵2

(1.西南石油大學(xué),成都 610500;2.四川宏華石油設(shè)備有限公司,成都 610000)

在總結(jié)連續(xù)油管鉆井發(fā)展歷程的基礎(chǔ)上,對常規(guī)連續(xù)油管鉆機(jī)、復(fù)合連續(xù)油管鉆機(jī)和連續(xù)油管旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)形式和工作原理進(jìn)行了介紹,并對連續(xù)油管鉆機(jī)的發(fā)展趨勢進(jìn)行了分析。分析認(rèn)為,連續(xù)油管鉆井技術(shù)能實(shí)現(xiàn)安全、高效、低成本開發(fā)油氣藏的目的,具備易于實(shí)現(xiàn)自動化和智能化等優(yōu)點(diǎn),體現(xiàn)了國際石油鉆井技術(shù)發(fā)展的總趨勢。預(yù)測連續(xù)油管鉆機(jī)將成為 21世紀(jì)的主要鉆井裝備。

連續(xù)油管;連續(xù)油管鉆機(jī);旋轉(zhuǎn)連續(xù)油管

1 連續(xù)油管鉆井發(fā)展歷程

自從 1962年,美國 California石油公司和Bowen石油工具公司聯(lián)合研制的第 1臺連續(xù)油管作業(yè)裝置(Coiled TubingUnit,CTU)投入石油工業(yè)應(yīng)用至今, CT技術(shù)和 CTU已經(jīng)歷了 40多 a的發(fā)展歷程。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成功,極大地推動了連續(xù)油管鉆井 (Coiled TubingDrilling,CTD)技術(shù)的發(fā)展[1]。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[2-3]。其中連續(xù)油管鉆井技術(shù)作為一項成本低、效率高、安全可靠的鉆井新技術(shù),成為鉆井領(lǐng)域的技術(shù)熱點(diǎn)。2005年,全球連續(xù)油管服務(wù)收益比 2004年增長 27%,達(dá)到＄16.84億美元,其中連續(xù)油管鉆井占連續(xù)油管服務(wù)市場的 15%,但是其增長速度明顯快于連續(xù)油管在其他服務(wù)領(lǐng)域的應(yīng)用。在加拿大,從 2006年起采用連續(xù)油管鉆井的數(shù)量就超過了 1 000口,2007年在淺井作業(yè)中采用連續(xù)油管鉆井的比例達(dá)到 27%, 2008年這一比例達(dá)到了 32%,這使得加拿大成為了采用連續(xù)油管鉆井最活躍的國家。美國也對連續(xù)油管鉆井技術(shù)表現(xiàn)出極大的興趣,據(jù)估計美國每年有4 000～5 000口井適合采用連續(xù)油管鉆井。早在1994年,美國就提出了以連續(xù)油管鉆井技術(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行微小井眼鉆井的概念,2004年美國能源部把“微小井眼”技術(shù)作為重點(diǎn)研發(fā)新項目,進(jìn)一步推動了連續(xù)油管鉆井技術(shù)的發(fā)展[4]。伴隨著連續(xù)油管鉆井技術(shù)的發(fā)展,連續(xù)油管鉆機(jī)經(jīng)歷了從常規(guī)連續(xù)油管鉆機(jī)到復(fù)合連續(xù)油管鉆機(jī)的變革,下一代連續(xù)油管旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)也正處于初期研發(fā)階段。

2 連續(xù)油管鉆機(jī)現(xiàn)狀

2.1 常規(guī)連續(xù)油管鉆機(jī)

20世紀(jì) 90年代,國外許多油氣田都進(jìn)入了開采的后期階段,用原井眼側(cè)鉆開發(fā)新區(qū)塊,可充分利用老井,減少投資成本,大幅度提高產(chǎn)量,因此開發(fā)老油田中未涉及的油氣儲層越來越受到重視。由于傳統(tǒng)的老井重鉆技術(shù)不具備開采這種儲層所要求的經(jīng)濟(jì)效益,人們迫切需要找到一種更加經(jīng)濟(jì)高效的老井重鉆技術(shù)。由于連續(xù)油管技術(shù)可以進(jìn)行油管側(cè)鉆,可實(shí)現(xiàn)連續(xù)下放和連續(xù)循環(huán)等優(yōu)勢,使得連續(xù)油管側(cè)鉆能顯著降低成本、提高效率,適應(yīng)了老井重鉆這一潛在的大市場,因此在連續(xù)油管作業(yè)裝置的基礎(chǔ)上發(fā)展起來了第 1代連續(xù)油管鉆機(jī)—常規(guī)連續(xù)油管鉆機(jī)。針對陸上和海上,常規(guī)連續(xù)油管鉆機(jī)又分為 2類。陸上鉆機(jī)安裝在拖車上,采用吊車或U型井架支撐注入頭;而海上鉆機(jī)幾乎全是裝在滑動底座上,采用吊車組裝塔式井架來支撐注入頭[5]。常規(guī)連續(xù)油管鉆機(jī)除了注入頭、卷筒等連續(xù)油管設(shè)備外,還必須裝備與傳統(tǒng)鉆機(jī)相同的許多設(shè)備,例如泥漿泵、泥漿罐、固控設(shè)備、混漿設(shè)備和井控設(shè)備等。常規(guī)連續(xù)油管鉆機(jī)不具備鉆表層和起下管柱的能力,因此主要用于老井作業(yè),如老井加深或側(cè)鉆井作業(yè)。ARCO公司和BPX公司在普魯?shù)禄魹秤吞?150余口連續(xù)油管側(cè)鉆井的實(shí)踐表明,采用常規(guī)連續(xù)油管鉆機(jī)進(jìn)行側(cè)鉆井作業(yè)平均成本只有常規(guī)側(cè)鉆井的50%左右。在阿拉斯加,從 1992年起已經(jīng)有 470口井采用連續(xù)油管鉆機(jī)進(jìn)行了重入井鉆井,多數(shù)為開窗鉆多分支井,井深 3 139～5 547 m(10 300～ 18 200英尺)。在阿聯(lián)酋,有 27口井采用欠平衡工藝進(jìn)行了連續(xù)油管重入井作業(yè),全部為側(cè)鉆多分支井,最多達(dá)到 13個分支。目前,常規(guī)連續(xù)油管鉆機(jī)重入井鉆井已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用,主要是采用 60.3 mm(23/8英寸)連續(xù)油管鉆 158.7 mm(61/4英寸)以下的井眼。

2.2 復(fù)合連續(xù)油管鉆機(jī)

采用常規(guī)連續(xù)油管鉆機(jī)進(jìn)行老井作業(yè),通常需要 1臺修井機(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,也需要 1臺常規(guī)鉆機(jī)鉆開表層井眼或下套管。這就導(dǎo)致在鉆井過程中需要準(zhǔn)備 2套鉆機(jī),并在連續(xù)油管鉆機(jī)和常規(guī)鉆機(jī)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。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)。早期的復(fù)合連續(xù)油管鉆機(jī)是將常規(guī)轉(zhuǎn)盤鉆機(jī)和連續(xù)油管裝置集成在一起,主要部件包括連續(xù)油管注入頭、連續(xù)油管滾筒、液壓站、鉆機(jī)井架、鉆臺等,連續(xù)油管注入頭安裝在鉆臺的雙導(dǎo)軌上,并通過 4個滾輪使注入頭十分方便地進(jìn)入或離開井眼位置。在這一時期典型的復(fù)合連續(xù)油管鉆機(jī)是貝克休斯公司的Galileo系列[5]。

早期的復(fù)合連續(xù)油管鉆機(jī)搬動時,需要將滾筒和注入頭從鉆機(jī)上拆下,而且采用轉(zhuǎn)盤鉆井方式效率也不高。2002年,美國 Savanna鉆井公司就意識到以前的復(fù)合連續(xù)油管鉆機(jī)移運(yùn)性能和作業(yè)效率不高的問題,因此該公司結(jié)合當(dāng)時先進(jìn)的頂驅(qū)鉆井技術(shù),開發(fā)了帶頂驅(qū)的復(fù)合連續(xù)油管鉆機(jī)[6],如圖 1。該連續(xù)油管鉆機(jī)將連續(xù)油管鉆井方式和頂驅(qū)相結(jié)合,大量采用了交流變頻和 PLC控制技術(shù),引導(dǎo)了連續(xù)油管鉆機(jī)未來的發(fā)展方向。復(fù)合頂驅(qū)連續(xù)油管鉆機(jī)將卷筒、絞車、注入頭、頂驅(qū)、井架和底座等設(shè)備全部集成在一臺拖車上,方便實(shí)現(xiàn)快速的移運(yùn)。鉆機(jī)井架上安裝有水平導(dǎo)軌,注入頭可以沿水平導(dǎo)軌移動。當(dāng)注入頭離開井眼中心時,可以采用頂驅(qū)進(jìn)行常規(guī)鉆井,當(dāng)注入頭移動到井眼中心時,則可以進(jìn)行連續(xù)油管鉆井。這一結(jié)構(gòu)設(shè)計使得該鉆機(jī)具備了鉆表層井眼、下套管、處理井下事故的能力。最初設(shè)計的復(fù)合頂驅(qū)連續(xù)油管鉆機(jī)主要針對淺油氣藏,井架大鉤載荷為 454 kN(100 000 lbs),注入頭的提升能力為 363 kN(80 000 lbs),采用 73.0 mm(27/8英寸)連續(xù)油管,鉆井深度小于 1 500 m。隨著在淺井領(lǐng)域的成功應(yīng)用,鉆井能力更強(qiáng)的復(fù)合頂驅(qū)連續(xù)油管鉆機(jī)被設(shè)計開發(fā)出來。目前,復(fù)合頂驅(qū)連續(xù)油管鉆機(jī)多采用 88.9 mm(31/2英寸)連續(xù)油管,注入頭提升能力可達(dá) 544 kN(120 000 lbs),甚至 907 kN(200 000 lbs),井架鉤載達(dá)到 1 360 kN(30 0000 lbs),甚至 1 814 kN(400 000 lbs),鉆井深度超過3 000 m。

圖 1 Savanna復(fù)合連續(xù)油管鉆機(jī)

目前,復(fù)合頂驅(qū)連續(xù)油管鉆機(jī)的設(shè)計和制造廠家主要是加拿大的 Foremost和美國的 Xtreme Coil公司。早在 1997年,Foremost公司就致力于開發(fā)獨(dú)特的商業(yè)化連續(xù)油管鉆機(jī)。1999年,第 1臺 Foremost連續(xù)油管鉆機(jī)投入使用,并顯著提高了油井的產(chǎn)量。到 2002年,Foremost已經(jīng)能為鉆井公司設(shè)計和制造技術(shù)更加先進(jìn)的復(fù)合連續(xù)油管鉆機(jī)。目前, Foremost能研發(fā)鉤載 907 kN(200 000 lbs),注入頭提升力 544 kN(120 000 lbs)的復(fù)合連續(xù)油管鉆機(jī)。到 2007年年底,Foremost公司已經(jīng)成為北美連續(xù)油管鉆機(jī)的主要供應(yīng)商,為各鉆井公司提供了超過 60臺的連續(xù)油管鉆機(jī)。Foremost的客戶包括 Savanna energy,Nabors,Technicoilcrop和 Xtreme等鉆井公司。Xtreme Coil公司是一家技術(shù)處于世界領(lǐng)先地位的連續(xù)油管鉆機(jī)公司。該公司目前設(shè)計了 5種型號的復(fù)合連續(xù)油管鉆機(jī),用于不同的鉆井深度,如表1。Xtreme Coil公司的 XTC200ST,XTC200DT, XTC200DTPlus三種型號的復(fù)合連續(xù)油管鉆機(jī)是通過門型井架的傾斜來實(shí)現(xiàn)注入頭和頂驅(qū)分別對準(zhǔn)井眼軸線。如圖 2所示,注入頭傾斜安裝在門型井架上,當(dāng)井架豎直時頂驅(qū)位于井眼軸線上,當(dāng)井架傾斜時注入頭位于井眼軸線上,從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)油管鉆井和常規(guī)鉆桿鉆井之間的轉(zhuǎn)換[7]。其中 XTC200DT, XTC200DTPlus復(fù)合頂驅(qū)連續(xù)油管鉆機(jī),將連續(xù)油管卷筒單獨(dú)用一個拖車運(yùn)輸,一次能運(yùn)送更重更長的連續(xù)油管。XTC300ST和 XTC400ST鉆機(jī)采用了桁架式井架,使得井架能承受更大的鉤載,從而增大了下套管和解卡能力。截至 2009-03,Xtreme Coil公司已經(jīng)生產(chǎn)了 16臺帶頂驅(qū)的復(fù)合連續(xù)油管鉆機(jī),如圖3。其中 8臺在墨西哥作業(yè),8臺在美國作業(yè)。2009-04,在墨西哥作業(yè)的 XTC300ST連續(xù)油管鉆機(jī),采用88.9 mm(31/2英寸)連續(xù)油管創(chuàng)紀(jì)錄的達(dá)到了3 034 m的鉆井深度。

表 1 Xtreme公司復(fù)合頂驅(qū)連續(xù)油管鉆機(jī)系列

圖2 Xtreme復(fù)合連續(xù)油管鉆機(jī)

2.3 連續(xù)油管旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)

復(fù)合頂驅(qū)連續(xù)油管鉆機(jī)的應(yīng)用進(jìn)一步拓寬了連續(xù)油管鉆機(jī)的應(yīng)用深度和廣度,但是由于連續(xù)油管不能旋轉(zhuǎn),導(dǎo)致了連續(xù)油管鉆井存在以下缺點(diǎn):

a) 連續(xù)油管鉆井水平位移受到限制,而且由于清洗井眼難度大,使得連續(xù)油管和井底鉆具組合容易發(fā)生卡鉆。

b) 連續(xù)油管不能旋轉(zhuǎn),在定向鉆井作業(yè)中,為了控制井眼軌跡,需要頻繁起下鉆,以便更換井底鉆具組合或改變馬達(dá)的彎曲度。

為了克服以上缺點(diǎn),充分發(fā)揮連續(xù)油管鉆井的優(yōu)勢,2006年美國人 John VanWay將一臺修井機(jī)改進(jìn)成了一臺連續(xù)油管旋轉(zhuǎn)樣機(jī)[8],如圖 4。該樣機(jī)將連續(xù)油管作業(yè)裝置安裝在井架內(nèi)部,其中卷筒水平安裝在井眼上方,連續(xù)油管纏繞在卷筒的內(nèi)側(cè),卷筒下方安裝有注入頭,連續(xù)油管通過注入頭可以垂直進(jìn)出井眼。在連續(xù)油管進(jìn)出井眼的過程中,卷筒和注入頭能以 20 r/min的速度向不同方向旋轉(zhuǎn)或靜止不動,使得連續(xù)油管滑動鉆進(jìn)方式變?yōu)榱宿D(zhuǎn)動鉆進(jìn),能有效降低管體和井壁的摩擦,增大連續(xù)油管的側(cè)鉆深度,同時也有利于清洗井眼和減少卡鉆的幾率。由于旋轉(zhuǎn)連續(xù)油管鉆機(jī)的卷筒直接布置在注入頭的上方,連續(xù)油管進(jìn)入井眼不再通過鵝頸和注入頭的彎曲作用,預(yù)計能增大連續(xù)油管壽命 5～7倍[8]。

2008年,Arpit等人在 John Van Way連續(xù)油管旋轉(zhuǎn)樣機(jī)的基礎(chǔ)上,提出了連續(xù)油管旋轉(zhuǎn)的復(fù)合鉆機(jī),該鉆機(jī)卷筒的下方安裝有一個可拆卸的中心機(jī)構(gòu),該機(jī)構(gòu)具有旋轉(zhuǎn)卷筒和收放連續(xù)油管的功能。當(dāng)拆除該中心機(jī)構(gòu)后,頂驅(qū)可以通過卷筒中心的空間對螺紋鉆桿進(jìn)行操作,從而實(shí)現(xiàn)常規(guī)鉆井作業(yè),當(dāng)裝上該機(jī)構(gòu)后可實(shí)現(xiàn)連續(xù)油管旋轉(zhuǎn)鉆井作業(yè)[9]。目前,旋轉(zhuǎn)連續(xù)油管鉆機(jī)還處于初期研發(fā)階段,關(guān)于旋轉(zhuǎn)連續(xù)油管疲勞壽命的研究工作正在積極開展中[10]。已經(jīng)有幾家獨(dú)立的石油公司對該項技術(shù)產(chǎn)生了濃厚的興趣,如果旋轉(zhuǎn)連續(xù)油管鉆井技術(shù)一旦能滿足現(xiàn)場應(yīng)用的需求,必將為鉆井技術(shù)帶來一次新的革命。

3 連續(xù)油管鉆機(jī)的發(fā)展趨勢

當(dāng)今世界石油鉆井技術(shù)主要向著有利于發(fā)現(xiàn)新油氣藏、提高油氣田采收率和自動化鉆井的趨勢發(fā)展,以實(shí)現(xiàn)安全、高效、低成本開發(fā)油氣藏的目的。連續(xù)油管鉆機(jī)的發(fā)展趨勢也符合了世界鉆機(jī)技術(shù)的發(fā)展潮流,主要體現(xiàn)在 2個方面。

圖3 Xtreme復(fù)合連續(xù)油管鉆機(jī)

圖4 連續(xù)油管旋轉(zhuǎn)樣機(jī)卷筒

a) 大直徑連續(xù)油管鉆井能力強(qiáng),所需要的循環(huán)泵壓低,這有利于獲得更快的機(jī)械鉆速和更好的清巖效果。在連續(xù)油管鉆井早期主要采用 50.8 mm (2英寸)連續(xù)油管和 73.0 mm(27/8英寸)井底鉆具組合;后來出現(xiàn)了 60.3 mm(23/8英寸)連續(xù)油管和88.9 mm(31/2英寸)底部鉆具組合鉆 120.6 mm(43/4英寸)井眼,再后來發(fā)展到采用 73.0 mm(27/8英寸)連續(xù)油管和 120.6 mm(43/4英寸)底部鉆具組合鉆158.8 mm(61/4英寸)井眼,目前,88.9 mm(31/2英寸)連續(xù)油管已經(jīng)逐漸成為了連續(xù)油管鉆機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置。

b) 連續(xù)油管通過內(nèi)置電纜,能實(shí)現(xiàn)井底和地面的雙向信息高速傳送。如果配備動力電纜則可以通過電動方式驅(qū)動鉆頭旋轉(zhuǎn)和控制鉆頭定向,更容易實(shí)現(xiàn)鉆井過程的隨鉆測量和閉環(huán)控制。

c) 連續(xù)油管鉆井裝備大量采用交流變頻和PLC控制技術(shù),如目前的復(fù)合頂驅(qū)連續(xù)油管鉆機(jī)采用了交流變頻驅(qū)動的注入頭、頂驅(qū)、泥漿泵和絞車等設(shè)備,使得連續(xù)油管鉆機(jī)控制更容易實(shí)現(xiàn)信息化、智能化和自動化鉆井。

4 結(jié)語

本文在總結(jié)連續(xù)油管鉆井發(fā)展歷程的基礎(chǔ)上,對常規(guī)連續(xù)油管鉆機(jī)、復(fù)合連續(xù)油管鉆機(jī)和連續(xù)油管旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)形式和工作原理進(jìn)行了詳細(xì)介紹,并對連續(xù)油管鉆機(jī)的發(fā)展趨勢進(jìn)行了分析。連續(xù)油管鉆井技術(shù)具有成本低、操作安全、利于環(huán)保、易實(shí)現(xiàn)自動化和智能化等優(yōu)點(diǎn),體現(xiàn)了國際石油鉆井技術(shù)發(fā)展的總趨勢,可以預(yù)見,連續(xù)油管鉆機(jī)必將成為 21世紀(jì)的主要鉆井裝備。

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Coiled Tubing Drilling Rig Status and Trend of Development

SHAN Dai-wei1,2,L IU Qing-you1,CHEN Jun2,L IU Zheng-bing2
(1.South W est Petroleum University,Chengdu610500,China;2.Sichuan Honghua Petroleum Equipm ent Co.,Ltd.,Chengdu610000,China)

Coiled tubing(CT)drilling technology is a new technology of drilling,which was developed from 1990’s.Its developing history of coiled tubing drilling technology is presented and a detailed introduction about structure and working principle for conventional CT drilling rig,hybrid CT drilling rig and drilling rigwith rotating CT are made.The developing trend of CT drilling rig is analyzed.According to the analysis,CT drilling technology is safety,efficient and low cost and easy to realize automation and intelligentization,which represents the trend of petroleum drilling technology.CT drilling rig will become the major drilling equipment in 21 century.

coiled tubing;coiled tubing drilling rig;rotating coiled tubing

1001-3482(2010)05-0079-05

TE922

A

2009-12-14

四川省科技支撐計劃項目(07GG002-023)

單代偉 (1979-),男,四川宜賓人,西南石油大學(xué)在站博士后,主要從事石油機(jī)械設(shè)計和優(yōu)化的研究,E-mail: shandaiwei@tom.com。