歐陽(yáng)賽賽，葛云華，王蘇為，汪海閣

(1.中國(guó)石油集團(tuán) 鉆井工程技術(shù)研究院，北京 102206；2.中國(guó)石油大學(xué)(北京)，北京 102249)①

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連續(xù)管鉆井減阻技術(shù)發(fā)展

歐陽(yáng)賽賽1，2，葛云華1，王蘇為1，2，汪海閣1

(1.中國(guó)石油集團(tuán) 鉆井工程技術(shù)研究院，北京 102206；2.中國(guó)石油大學(xué)(北京)，北京 102249)①

連續(xù)管鉆井技術(shù)在油氣開發(fā)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，尤其在水平井、大位移井、多分支井、老井加深和側(cè)鉆等技術(shù)領(lǐng)域更具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。連續(xù)管因其剛度小、不旋轉(zhuǎn)等原因，導(dǎo)致摩擦阻力大，壓力傳遞困難、易屈曲，嚴(yán)重限制了連續(xù)管的應(yīng)用。針對(duì)連續(xù)管鉆井減阻技術(shù)，闡述了振蕩減阻器、潤(rùn)滑劑和牽引器減阻原理。介紹了幾種先進(jìn)減阻工具的結(jié)構(gòu)、原理和應(yīng)用情況。提出了我國(guó)連續(xù)管減阻技術(shù)的研究方向。

連續(xù)管鉆井；減阻技術(shù)；減阻工具

現(xiàn)代連續(xù)管技術(shù)自20世紀(jì)60年代興起后，迅速應(yīng)用到各個(gè)相關(guān)領(lǐng)域。近年來(lái)，隨著水平井、大位移井和多分支井?dāng)?shù)量的逐漸增加以及小井眼鉆井、老井加深和側(cè)鉆技術(shù)的發(fā)展，連續(xù)管鉆井技術(shù)已經(jīng)越來(lái)越廣泛用于油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域中。制約連續(xù)管鉆井技術(shù)應(yīng)用的主要因素是由于其管徑小、剛度差并且無(wú)旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致摩擦阻力大、壓力傳遞困難、易發(fā)生屈曲甚至卡死。目前，連續(xù)管鉆井減阻技術(shù)得到一定發(fā)展，本文將介紹幾種減阻技術(shù)和工具的原理及應(yīng)用情況。

1　連續(xù)管鉆井減阻技術(shù)

連續(xù)管鉆井中，連續(xù)管與井壁間的摩擦阻力與管壁和井壁之間的摩擦因數(shù)、壓力相關(guān)，所以連續(xù)管鉆井減阻技術(shù)可分為2個(gè)方向：降低連續(xù)管與井壁之間的摩擦因數(shù)和減小連續(xù)管與井壁之間的壓力。其中，降低摩擦因數(shù)有2種方法，一種為通過振動(dòng)將靜摩擦轉(zhuǎn)變成動(dòng)摩擦從而減低摩擦因數(shù)，振動(dòng)形式包括橫向振動(dòng)和軸向振動(dòng)，又以軸向振蕩效果較好；另一種是添加潤(rùn)滑劑，改變摩擦介質(zhì)屬性，減低摩擦因數(shù)。減小連續(xù)管與井壁之間壓力的方法主要是通過降低連續(xù)管屈曲，解決屈曲問題除了改善連續(xù)管的材質(zhì)外，還可以依靠井下牽引器調(diào)整軸向力來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2　振動(dòng)減阻工具

振動(dòng)減阻工具按其工作原理分為機(jī)械慣性式和斷流式2大類。機(jī)械慣性式工具的原理是通過鉆井液的流動(dòng)激發(fā)機(jī)械結(jié)構(gòu)的位移或者旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生振動(dòng)；斷流式工具是通過機(jī)械結(jié)構(gòu)周期性限制或者中斷鉆井液的流動(dòng)，由水錘效應(yīng)激發(fā)工具振動(dòng)。

2.1機(jī)械慣性式減阻工具

E-line Agitator工具是由National Oilwell Varco公司研發(fā)的連續(xù)管鉆井減阻工具[1-4]，由大口徑鉆井中使用的減阻器改進(jìn)而來(lái)。該工具由振蕩短節(jié)和激發(fā)短節(jié)2部分組成，如圖1所示。激發(fā)短節(jié)又分為動(dòng)力短節(jié)和盤閥短節(jié)，動(dòng)力短節(jié)由1∶2容積式馬達(dá)構(gòu)成；盤閥短節(jié)為一個(gè)由動(dòng)力短節(jié)驅(qū)動(dòng)的帶有偏心孔圓盤，通過改變泥漿通道面積，產(chǎn)生連續(xù)的壓力脈沖。壓力脈沖傳到振蕩短節(jié)，形成周期性軸向振動(dòng)。該工具進(jìn)行了3 700 m深的水平井連續(xù)管鉆井測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明E-line Agitator能夠降低摩擦阻力至少26 %，并且延緩了連續(xù)管卡死情況，增加了卡死的深度。

圖1　水力振蕩器結(jié)構(gòu)

該工具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單穩(wěn)定、連續(xù)工作的時(shí)間較長(zhǎng)，且減阻效果明顯。但對(duì)鉆井液的壓力影響較大，正常工作時(shí)可使鉆井液的壓力降低約4.5 MPa。該工具適用于機(jī)械鉆速慢，施工工期長(zhǎng)的井況。

FDR工具是由RF-Rogaland Research公司研發(fā)的一種連續(xù)管鉆井減阻工具[5]，主要由振蕩部分、流入閥和流出閥3部分構(gòu)成，如圖2。工作時(shí)，鉆井液經(jīng)流入閥進(jìn)入液缸，推動(dòng)振蕩部分軸向運(yùn)動(dòng)，到達(dá)行程后，流入閥置左，流出閥置右，鉆井液推動(dòng)振蕩部分做反向運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)周期性運(yùn)動(dòng)。該工具行程為50～100 mm，頻率2～8 Hz，可以結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。FDR工具進(jìn)行了3 000 m水平井的測(cè)試，可減小摩阻75%～92%。

圖2　FDR工具結(jié)構(gòu)

FDR工具結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，對(duì)關(guān)鍵閥門部位的加工制造要求極高，循環(huán)液通道易發(fā)生故障，振蕩部分需要較高的機(jī)械強(qiáng)度。該工具適用于破巖難度大且工期較短的井況。

2.2斷流式減阻工具

流量調(diào)節(jié)振動(dòng)工具[6]是一種依靠鉆井液流道的特殊設(shè)計(jì)，形成類似閥門的通斷功能，產(chǎn)生流體脈沖激發(fā)工具的軸向振動(dòng)，其原理如圖3所示。該工具無(wú)移動(dòng)部件，可靠性高，無(wú)橡膠類彈性體，適用范圍廣，無(wú)溫度限制，結(jié)構(gòu)短且耐用。

圖3　流量調(diào)節(jié)振動(dòng)工具示意

旋轉(zhuǎn)脈沖工具的基本工作原理是通過鉆井液的流動(dòng)激發(fā)工具內(nèi)部旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，強(qiáng)制周期性中斷鉆井液，利用水錘效應(yīng)產(chǎn)生軸向振動(dòng)。該工具在非極端環(huán)境下可有效可靠的運(yùn)行；因其具有橡膠類彈性體結(jié)構(gòu)，不能長(zhǎng)時(shí)間暴露在高溫、化學(xué)品等環(huán)境中；其結(jié)構(gòu)較長(zhǎng)。

錐形閥工具的基本工作原理與旋轉(zhuǎn)脈沖工具基本相似，該工具的周期性斷流由錐形閥完成。該工具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，可以不用橡膠類彈性體，結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度短，不適用于巖屑多的鉆井液環(huán)境。

2.3工具現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)比

工具的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)在相同地質(zhì)條件下能得到最準(zhǔn)確的結(jié)果。表1為美國(guó)伊格福特油田的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比[7]，該試驗(yàn)分別采用5種不同的工具，選取伊格福特油田的5口井進(jìn)行試驗(yàn)。

表1　減阻工具現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)比

由表1可知，徑向慣性減阻工具的效果與無(wú)減阻工具基本相同，均未能達(dá)到預(yù)定深度就發(fā)生鎖死。旋轉(zhuǎn)脈沖工具、流量調(diào)節(jié)工具和錐形閥工具均達(dá)到預(yù)定深度，實(shí)際摩擦因數(shù)與預(yù)計(jì)相近，而流量調(diào)節(jié)工具在鉆速和摩擦因數(shù)上表現(xiàn)最為優(yōu)異。相比于其他工具，流量調(diào)節(jié)工具在運(yùn)行時(shí)無(wú)剛性沖擊，結(jié)構(gòu)上無(wú)移動(dòng)部件，具有較高的可靠性；并且不會(huì)強(qiáng)制中斷鉆井液，對(duì)壓降影響小。

3　潤(rùn)滑劑減阻

3.1油基鉆井液

連續(xù)管鉆井摩擦阻力大，對(duì)鉆井液的潤(rùn)滑性能要求較高。通過優(yōu)化泥漿體系，控制固相含量、提高潤(rùn)滑劑含量等手段，可提高鉆井液的潤(rùn)滑性能，減小摩阻。目前，國(guó)外大多數(shù)的大位移水平井采用合成基或油基鉆井液。各類泥漿的摩阻系數(shù)如表2[8]。

油基泥漿或合成基泥漿在高溫、高壓下穩(wěn)定性更好，因此油基、合成基泥漿是一個(gè)降低連續(xù)管鉆井摩阻的途徑之一。

表2　泥漿摩阻系數(shù)

油基鉆井液雖然成本高昂、調(diào)配困難，但由于可以重復(fù)利用，適用于連續(xù)大量鉆井的情況，并且在一些水基鉆井液不能使用的地層，油基鉆井液是很好的選擇。

3.2表面活性劑

在連續(xù)管鉆井中表面活性劑的減阻作用[9-10]是由于其結(jié)構(gòu)中的棒狀或蠕蟲狀的線性膠束結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以抑制紊流和減低摩擦因數(shù)，從而達(dá)到降低能耗，提高鉆速的效果。表面活性劑因其應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜，減阻效果易受各種因素影響，包括表面活性劑自身結(jié)構(gòu)及濃度、補(bǔ)償離子的結(jié)構(gòu)及濃度、流體介質(zhì)的特性和外界環(huán)境如溫度等。表面活性劑在鉆井中已得到了比較廣泛的應(yīng)用。先進(jìn)的表面活性劑產(chǎn)品已經(jīng)具備了很好的減阻效果，比如Smith[11]等研究的長(zhǎng)鏈烷基季銨鹽與水楊酸鈉的混合體系可以降低摩阻70 %。

表面活性劑不能用于高溫油藏的開發(fā)，溫度最高不能超過90 ℃，并且其造價(jià)高、生產(chǎn)周期長(zhǎng)，適用于高黏度的鉆井液。

油基鉆井液與表面活性劑的配合使用能夠有效減小連續(xù)管鉆井的摩阻。但油基鉆井液對(duì)環(huán)境的污染和表面活性劑適應(yīng)性差的特點(diǎn)是阻礙該減阻技術(shù)發(fā)展的障礙，研發(fā)環(huán)保型鉆井液和復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的表面活性劑勢(shì)在必行。

4　牽引器減阻工具

牽引器也叫井下爬行器，是一種能在井底提供牽引力的井下工具。以前牽引器的研究大多集中在大直徑井眼，用于連續(xù)管的較少，隨著連續(xù)管鉆井的發(fā)展，國(guó)外也有一些相對(duì)成熟的牽引器出現(xiàn)。

4.1輪式牽引器

Welltec牽引器[12]是由Statoil公司、Maritime油井服務(wù)公司和Welltec公司共同開發(fā)的輪式牽引器，已經(jīng)在北海等地成功投入使用。該牽引器為輪式結(jié)構(gòu)，主要由動(dòng)力部分、牽引部分、連接部分3部分組成，如圖4。工具結(jié)構(gòu)緊湊，外徑54 mm，長(zhǎng)度5.87 m；牽引力可達(dá)3.63 kN；平均移動(dòng)速度達(dá)到818 m/h。動(dòng)力部分為渦輪發(fā)電機(jī)，鉆井液通過時(shí)可提供電能。牽引部分為滾輪組，由鉆井液驅(qū)動(dòng)。工作時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滾輪彈出，與井壁接觸提供牽引力。該牽引器還具有故障保護(hù)系統(tǒng)，當(dāng)牽引器發(fā)生斷開或失去電能時(shí)，輪子收回，不影響鉆井。Welltec牽引器成功用于澳大利亞北部的萬(wàn)度油田的3個(gè)產(chǎn)油水平井，共用12個(gè)牽引器，拖拉運(yùn)行距離8 300 m，最長(zhǎng)水平段距離1 190 m，平均速度303 m/h。

圖4　Welltec連續(xù)管井下牽引器

以Welltec牽引器為代表的輪式牽引器，在實(shí)際工作中，由于其輪式結(jié)構(gòu)不能達(dá)到設(shè)計(jì)牽引力。輪式牽引器一般具有牽引力較小、速度較快的特點(diǎn)，適用于需提供牽引力較小的水平段井。

4.2伸縮式牽引器

Microhole Drilling Tractor牽引器[13]是由Western Well Tool公司設(shè)計(jì)的伸縮式牽引器。牽引器由前軸部分、后軸部分和控制部分構(gòu)成，如圖4。該工具由高壓鉆井液驅(qū)動(dòng)，由液壓桿的伸長(zhǎng)與縮短帶動(dòng)彈簧鋼片的收縮與擴(kuò)張，通過對(duì)井壁的夾緊與收合，達(dá)到井下牽引器的單向運(yùn)動(dòng)的目的，實(shí)現(xiàn)牽引功能。該牽引器適用范圍廣，環(huán)境要求低，并且能夠提供較大的牽引力。

圖5　Microhole Drilling Tractor牽引器

電機(jī)驅(qū)動(dòng)CT牽引器[14-15]是由中國(guó)石油大學(xué)(北京)侯學(xué)軍等人設(shè)計(jì)的一種微小井眼井下牽引器。該牽引器主要包括上卡瓦支撐系統(tǒng)、六方中心滑管、下卡瓦支撐系統(tǒng)和控制系統(tǒng)4部分，如圖5所示。該牽引器直接利用4個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制牽引器牽引井下CT進(jìn)行下入和取出；牽引器通過上下卡瓦支撐系統(tǒng)抓緊井壁，支撐牽引器提供軸向摩擦力，進(jìn)而為連續(xù)管提供牽引力。該牽引器通過伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，減少了對(duì)循環(huán)液液壓能的依賴，不影響鉆井液循環(huán)，降低了控制的復(fù)雜性，節(jié)省了大部分液壓管路占據(jù)的空間。

1—上卡瓦支撐系統(tǒng)；2—中心滑管總成；3—控制系統(tǒng)；4—下卡瓦支撐系統(tǒng)。

伸縮式牽引器的行進(jìn)方式是依靠支撐臂的周期性動(dòng)作，一步一步運(yùn)動(dòng)。該方式可提供的牽引力較大并且穩(wěn)定，但是行進(jìn)速度較慢。伸縮式牽引器適用于對(duì)牽引力要求較高的水平井。

5　結(jié)語(yǔ)

連續(xù)管鉆井具有剛度小、摩阻大、有效鉆壓傳遞困難和易屈曲等缺點(diǎn)，減阻技術(shù)的發(fā)展日漸迫切。降低摩擦因數(shù)和連續(xù)管與井壁間的壓力是有效地減阻方法。振動(dòng)減阻工具、潤(rùn)滑劑和牽引器雖然都是解決問題的方法，但是在使用效果上還有欠缺。流量調(diào)節(jié)振動(dòng)工具因結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠、效果顯著，是目前最適用的減阻工具。該工具的研發(fā)在國(guó)內(nèi)尚在初級(jí)階段，需解決工具的流道設(shè)計(jì)難題。另外，每種減阻方法具有各自的優(yōu)勢(shì)，將不同的方法配合使用以達(dá)到更好的減阻效果，也是一種研究的方向。

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Development of Drag Reduction Technology for Coiled Tubing Drilling

OUYANG Saisai1，2，GE Yunhua1，WANG Suwei1，2，WANG Haige1

(1.Drilling Research Institute，CNPC，Beijing 102206，China；2.ChinaUniversityofPetroleum，Beijing102249，China)

In recent years，the application of coiled tubing drilling technology in the field of oil and gas are much wider，it has unique advantages in horizontal wells，extended reach wells，multilateral wells and old wells drilling deeper and sidetrack drilling and other fields.Coiled tubing is severely limited because of its friction and buckling caused by rigidity and non-rotating.The drag reduction devices，lubricants and traction are introduced.The structure，principle and application of some advanced drag reduction devices are illustrated in this paper.

coiled tubing drilling；drag reduction technology；drag reduction devices

1001-3482(2016)10-0011-05

2016-04-24

國(guó)家科技重大專項(xiàng)“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”(2016ZX05013005)

歐陽(yáng)賽賽(1990-)，男，遼寧朝陽(yáng)人，碩士研究生，主要從事海洋石油裝備研究，E-mail：1011747654@qq.com。

TE921.2

Adoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.10.003