關(guān)于聚合物鎧裝連續(xù)油管和鉆進(jìn)水平井用液動(dòng)加載裝置的試驗(yàn)研究

湯鳳林， Чихоткин A.B.， 段隆臣， 潘秉鎖， 譚松成， Чихоткин В.Ф.

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)〈武漢〉工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

1 概述

連續(xù)油管鉆井是一項(xiàng)重要的油氣井鉆井技術(shù)，美國(guó)、加拿大使用較多，俄羅斯也在使用，我國(guó)有這方面的設(shè)備也在使用，取得了很好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效果[1-7]。

連續(xù)油管，也稱撓性管(Coiled Tubing，簡(jiǎn)稱CT)，指的是可纏繞在大直徑的卷筒上，由若干段鋼帶斜接在一起，經(jīng)軋制成型焊接而成的無(wú)接頭連續(xù)油管，是用低碳合金鋼制作的管材，有很好的撓性，可以代替常規(guī)油管進(jìn)行多種作業(yè)(見(jiàn)圖1)[1]。

圖1 連續(xù)油管卷筒Fig.1 Drum of coiled tubing

連續(xù)油管作業(yè)設(shè)備(Coiled Tubing Unit,簡(jiǎn)稱CTU)具有帶壓作業(yè)、連續(xù)起下的特點(diǎn)，設(shè)備體積小，作業(yè)周期快，成本低。與傳統(tǒng)作業(yè)相比，連續(xù)油管作業(yè)周期短、事故率低、運(yùn)輸方便；能夠帶壓作業(yè)，保護(hù)油氣儲(chǔ)層；水平井、定向井作業(yè)方便快捷；能進(jìn)行油管內(nèi)作業(yè)、過(guò)油管作業(yè)等。

與傳統(tǒng)鉆井相比，連續(xù)油管鉆井(Coiled Tubing Drilling，簡(jiǎn)稱CTD)在改善鉆井工藝和降低成本(可節(jié)約25%～40%的費(fèi)用)方面，在定向鉆井和欠平衡鉆井方面占有技術(shù)優(yōu)勢(shì)地位。連續(xù)油管鉆進(jìn)地面設(shè)備外貌見(jiàn)圖2[1]。

圖2 連續(xù)油管鉆進(jìn)設(shè)備外貌圖Fig.2 Appearance of coiled tubing drilling unit

鉆進(jìn)水平井，使用連續(xù)油管設(shè)備效果比較明顯。連續(xù)油管鉆井設(shè)備包括地面設(shè)備和地下工具。地面設(shè)備主要有控制裝置、動(dòng)力裝置、卷筒、連續(xù)油管、注入頭和壓力安全殼等。地下工具包括鉆頭、馬達(dá)、數(shù)據(jù)傳感器、定向裝置和連續(xù)油管等(見(jiàn)圖3)[5]。

2 連續(xù)油管鉆井技術(shù)的主要優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)是：(1)由于連續(xù)油管管徑較小，當(dāng)老井重鉆或加深鉆、側(cè)鉆作業(yè)時(shí)，可以進(jìn)行過(guò)油管作業(yè)，成本降低，效率提高。(2)利用連續(xù)油管可以減少泥漿污染，防止地層傷害的發(fā)生；在起下鉆過(guò)程中能夠持續(xù)保持循環(huán)，防止卡鉆及井噴事故的發(fā)生。(3)造斜率高，連續(xù)油管鉆井技術(shù)的造斜率可達(dá)50°/100 ft(1 ft=0.3048 m,下同)。

圖3 連續(xù)油管鉆進(jìn)水平井示意圖Fig.3 Scheme of horizontal well coiled tubing drilling

缺點(diǎn)是：(1)連續(xù)油管內(nèi)徑較小，限制了井眼的尺寸，泥漿在管內(nèi)摩擦壓耗太高，限制了泥漿排量。(2)由于連續(xù)油管不能像常規(guī)鉆桿那樣旋轉(zhuǎn)，由此帶來(lái)了一些問(wèn)題：連續(xù)油管在井下無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)前進(jìn)，只能滑動(dòng)前進(jìn)，容易產(chǎn)生屈曲現(xiàn)象，導(dǎo)致鉆壓施加困難，限制了水平位移；失去了管柱旋轉(zhuǎn)對(duì)泥漿的攪動(dòng)效應(yīng)，易形成巖屑堆積，發(fā)生卡鉆；連續(xù)油管貼在井壁上，容易造成壓差卡鉆。(3)連續(xù)油管的壽命比常規(guī)鉆桿短，更換費(fèi)用高。

國(guó)內(nèi)外作業(yè)表明，連續(xù)油管鉆井技術(shù)應(yīng)用于水平井鉆井、修井作業(yè)和增產(chǎn)等，有利于實(shí)現(xiàn)施工過(guò)程的簡(jiǎn)單快捷和安全可靠，提高了作業(yè)效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度和作業(yè)成本，減少了對(duì)地層環(huán)境的傷害。據(jù)2010年1月國(guó)際連續(xù)油管協(xié)會(huì)(International Coiled Tubing Association, ICTA)統(tǒng)計(jì)，全球在用的CTU有1778臺(tái)(中國(guó)有50余臺(tái))，主要分布在北美、南美和歐洲等地。加拿大有399臺(tái)(套)占世界總量的22%，美國(guó)有444(套)占世界總量的25%。

俄羅斯非常重視連續(xù)油管鉆井工作，他們開(kāi)發(fā)出了聚合物鎧裝連續(xù)油管，設(shè)計(jì)出了液動(dòng)加載裝置，經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證是成功的。據(jù)俄羅斯連續(xù)油管鉆井技術(shù)中心資料，使用這種技術(shù)每年給俄羅斯增加了5億t石油和300億m3天然氣[8-16]。目前，在煤層氣、頁(yè)巖氣等非常規(guī)天然氣開(kāi)發(fā)中，連續(xù)油管鉆井可能大有用武之地。在加拿大阿爾伯達(dá)省南部和美國(guó)的部分地區(qū)，利用連續(xù)管進(jìn)行煤層氣、頁(yè)巖氣鉆井已經(jīng)非常普遍。與美國(guó)相比，我國(guó)與其在頁(yè)巖氣地質(zhì)條件上具有許多相似之處，在非常規(guī)天然氣發(fā)展中，連續(xù)油管技術(shù)或許會(huì)發(fā)揮更大的作用[1-7]。

3 連續(xù)油管的材質(zhì)和規(guī)格

3.1 鋼制油管

連續(xù)油管一般是用鋼材制造的。碳鋼管的成本比較低,是連續(xù)油管的主要品種。當(dāng)前制造連續(xù)油管主要采用的是A-606高強(qiáng)度低合金鋼,其物理性能和化學(xué)成分如下：

鋼號(hào):A-606,4型,改良型。其物理性能:最小屈服強(qiáng)度70.000 psi(1 psi=6.89 kPa，下同)；最小拉力強(qiáng)度50.000 psi；最小延伸率30%；最小硬度22洛氏硬度；化學(xué)成分:碳0.1%～0.15%、硅0.3%～0.5%、錳0.6%～0.9%、鉻0.55%～0.7%、磷0.03%(最多)、銅0.2%～0.40%、硫0.005%(最多)、鎳0.25%(最多)。

一種經(jīng)過(guò)淬火和回火鋼管(代號(hào)為Q&T)的連續(xù)油管,在冶金上和A-606稍有不同,最主要的是改變了鉻和鉬的成分,以適應(yīng)熱處理的要求。其特點(diǎn)是制成連續(xù)油管后進(jìn)行淬火和回火熱處理構(gòu)成馬氏體晶粒結(jié)構(gòu),屈服強(qiáng)度達(dá)到100千磅/平方英寸(689.4 MPa),其抗爆和抗拉強(qiáng)度都有提高,而且有很好的抗硫化強(qiáng)度。

鈦管強(qiáng)度高而質(zhì)量輕,具有抗H2S和CO2腐蝕性能,可用于惡劣環(huán)境,其屈服強(qiáng)度高達(dá)140×103psi(964.6 MPa)，但成本高，約為碳鋼油管的6倍。

連續(xù)油管的強(qiáng)度和管徑大小直接決定連續(xù)油管鉆井技術(shù)應(yīng)用的范圍，同時(shí)對(duì)其使用的效果也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

目前，已經(jīng)被投入使用到實(shí)際生產(chǎn)中的連續(xù)油管的外徑在60.3～168.3 mm之間都有分布，其中比較常用的外徑大小為60.3和73.0 mm。

3.2 聚合物鎧裝連續(xù)油管

俄羅斯研發(fā)出了一種鎧裝連續(xù)油管。這種油管撓性更好，由鎧裝鋼絲、鋼帶和高強(qiáng)度絲組成(見(jiàn)圖4)[16]。使用了低壓聚乙烯、丙烯和乙烯共聚物，其屈服強(qiáng)度達(dá)到了23～29 MPa。鎧裝材料鋼絲和鋼帶的屈服極限達(dá)到了2000 MPa。許多情況下，還添加高強(qiáng)度絲(玻璃絲和碳纖維基的絲)。鋼帶在管子骨架上的纏繞角度為與管子中心線成70°～80°。鋼絲相向纏繞，與油管中心線15°～30°。與碳鋼油管比較，聚合物鎧裝油管生產(chǎn)工藝比較簡(jiǎn)單，勞動(dòng)強(qiáng)度比較小，能耗比較低，生態(tài)保護(hù)較好，一條生產(chǎn)線可以連續(xù)生產(chǎn)，廠房只需200 m2。聚合物鎧裝油管的強(qiáng)度指標(biāo)不亞于鋼制油管的強(qiáng)度指標(biāo)。這項(xiàng)技術(shù)獲得了俄羅斯發(fā)明專利，專利號(hào)為RU138537[13]。

圖4 俄羅斯聚合物連續(xù)油管Fig.4 Russian polymer coiled tubing

4 連續(xù)油管鉆進(jìn)水平井用加載裝置

4.1 問(wèn)題的提出

連續(xù)油管鉆進(jìn)斜井和水平井遇到的問(wèn)題之一是阻力太大，軸載不足。為了保證其正常工作，必須使軸載足以克服摩擦力等。工業(yè)用水洗井時(shí)，摩擦系數(shù)f=0.14～0.18，泥漿洗井時(shí)f=0.16～0.25。還要考慮使用直徑60.3 mm連續(xù)油管和直徑123.8 mm鉆頭時(shí)，頂角變化和水平井段長(zhǎng)度對(duì)摩擦力的影響。摩擦力致使軸載損失數(shù)值的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1[16]

表1 連續(xù)油管管柱鉆進(jìn)時(shí)，摩擦力致使軸載損失(kN)與頂角的關(guān)系計(jì)算結(jié)果(碳鋼連續(xù)油管?60.3 mm、鉆頭?123.8 mm)Table 1 Calculation results of drag force caused axial load loss vsinclination in coiled tubing drilling

從表1可見(jiàn)，這個(gè)摩擦力是非常大的，特別是頂角90°時(shí)，100 m孔筒長(zhǎng)度的摩擦力竟達(dá)到了10.82 kN。

4.2 連續(xù)油管鉆進(jìn)用液動(dòng)加載裝置

為了克服上述這種摩擦力，俄羅斯烏菲姆國(guó)立石油工業(yè)大學(xué)Шайдаков В. В.教授等設(shè)計(jì)出了液動(dòng)加載裝置，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5[16]。該裝置由3個(gè)動(dòng)力活塞和一套水槍噴嘴組成?；钊臄?shù)量和噴嘴的直徑可以根據(jù)設(shè)計(jì)的水平井井段長(zhǎng)度和液動(dòng)加載裝置在井底組合鉆具中的位置來(lái)確定。例如安裝在鉆頭上方時(shí)，在該裝置的噴嘴和鉆頭水眼中產(chǎn)生的壓力降作用到液動(dòng)加載裝置動(dòng)力活塞上，可以產(chǎn)生液動(dòng)載荷，把鉆頭壓向井底。

1-動(dòng)力活塞；2-連桿；3-排水通道；4-高壓通道；5-高壓室；6-低壓室；7-水槍噴嘴；8-花鍵連接

圖5液動(dòng)加載裝置結(jié)構(gòu)圖
Fig.5Design of the hydraulic feed device

4.3 液動(dòng)加載裝置試驗(yàn)臺(tái)

為了試驗(yàn)液動(dòng)加載裝置的性能，設(shè)計(jì)建立了試驗(yàn)臺(tái)，其示意圖見(jiàn)圖6[16]。試驗(yàn)臺(tái)包括：沖洗液池1，鉆探水泵2，把絞車(chē)固定在試驗(yàn)臺(tái)機(jī)座上用的固定件3，接頭4和接頭11，液動(dòng)加載裝置5，試驗(yàn)臺(tái)機(jī)座6，活動(dòng)架7，測(cè)力計(jì)8，絞車(chē)?yán)K索9，固定在絞車(chē)座上的接頭10和高壓軟管12。

1-沖洗液池；2-鉆探水泵；3-固定件；4、11-接頭；5-液動(dòng)加載裝置；6-試驗(yàn)臺(tái)機(jī)座；7-活動(dòng)架；8-測(cè)力計(jì)；9-絞車(chē)?yán)K索；10-固定在絞車(chē)座上的接頭；12-高壓軟管

圖6液動(dòng)加載裝置試驗(yàn)臺(tái)示意圖
Fig.6Scheme of hydraulic feed test bench

4.4 試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)及結(jié)果

沖洗液流量的調(diào)節(jié)，是用改變鉆探水泵連桿雙作用行程次數(shù)進(jìn)行的。把試驗(yàn)裝置固定在試驗(yàn)臺(tái)上，通過(guò)逐步改變水泵連桿雙作用次數(shù)來(lái)逐步提高沖洗液的壓力，按測(cè)力計(jì)記錄軸載的數(shù)值，畫(huà)出了軸載隨沖洗液壓力變化的關(guān)系曲線，見(jiàn)圖7[16]。

液動(dòng)加載裝置試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果表明，增加的軸載與水泵壓力有直接關(guān)系。可以根據(jù)此結(jié)果選取其基本參數(shù)，確定液動(dòng)加載裝置產(chǎn)生必要軸載需要的沖洗液量，以及可以確定有關(guān)的鉆進(jìn)工藝參數(shù)。

4.5 加有液動(dòng)加載裝置的井底組合鉆具

為了鉆進(jìn)側(cè)向的水平井段，設(shè)計(jì)了帶有液動(dòng)加載裝置的井底組合鉆具，見(jiàn)圖8[16]。從圖8可見(jiàn)，組合鉆具包括有：直徑123.8 mm的鉆頭、鉆頭上方部件、螺桿馬達(dá)ДГ-95К、止逆閥、液動(dòng)加載裝置、處理事故接頭、造斜器位置指示器、液動(dòng)導(dǎo)向裝置和遙測(cè)裝置。

圖7 液動(dòng)加載裝置產(chǎn)生的軸載與水泵壓力的關(guān)系圖Fig.7 Hydraulic feed device produced axial load vs pump pressure

圖8 加有液動(dòng)加載裝置的井底組合鉆具Fig.8 Bottom hole assembly with the hydraulic feed device

4.6 野外試驗(yàn)結(jié)果

為了檢驗(yàn)井底組合鉆具的性能和工作情況，俄羅斯“НИЛ”公司使用這種組合鉆具在阿夏諾夫油田1619Г號(hào)油井鉆場(chǎng)，在鉆進(jìn)長(zhǎng)度為322 m(1115～1437 m)的水平井段時(shí)，使用了這套鉆具，取得了很大的成功(見(jiàn)圖9)[16]。

野外試驗(yàn)結(jié)果表明，在鉆進(jìn)井段500 m以內(nèi)的水平井、彎曲半徑16 m條件下，機(jī)械鉆速可以達(dá)到8 m/h，說(shuō)明這種液動(dòng)加載裝置的設(shè)計(jì)是成功的，可以保證鉆進(jìn)過(guò)程的導(dǎo)向作用和需要的軸載，能夠保證長(zhǎng)水平段鉆井過(guò)程的順利進(jìn)行。現(xiàn)在，這種裝置已經(jīng)在俄羅斯“Перфобур”公司的所屬井隊(duì)推廣使用。

圖9 阿夏諾夫油田1619Г號(hào)油井鉆場(chǎng)長(zhǎng)度為322 m(1115～1437 m)水平段鉆井的剖面圖Fig.9 Profile of Well No.1619 with horizontal section length 322m(1115～1437m) in Axianov Oil Field

5 討論和建議

根據(jù)上述分析，可做如下討論和建議。

(1)連續(xù)油管鉆井的優(yōu)點(diǎn)是：設(shè)備體積小，作業(yè)周期快，成本低；鉆進(jìn)水平井、定向井作業(yè)方便快捷；可以減少泥漿污染，防止地層傷害的發(fā)生；在起下鉆過(guò)程中能夠持續(xù)保持循環(huán)，保護(hù)油氣儲(chǔ)層；防止卡鉆及井噴事故的發(fā)生；造斜率高，可達(dá)50°/100 ft。美國(guó)、加拿大使用較多，俄羅斯也在使用，取得了很好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。我國(guó)使用較少，建議在特定適合條件下多做試驗(yàn)，加以使用。

(2)俄羅斯研發(fā)的鋼絲鎧裝聚合物連續(xù)油管，是俄羅斯發(fā)明專利產(chǎn)品，生產(chǎn)工藝比較簡(jiǎn)單，生產(chǎn)的勞動(dòng)強(qiáng)度比較小，能耗比較低，生態(tài)保護(hù)較好，一條生產(chǎn)線可以連續(xù)生產(chǎn)，廠房只需200 m2，且其強(qiáng)度指標(biāo)不亞于鋼制油管。如果能夠代替碳鋼連續(xù)油管，可以節(jié)省大量鋼材，則很有實(shí)際意義，建議試驗(yàn)研究，加以適量生產(chǎn)，以便以后推廣使用。

(3)連續(xù)油管鉆進(jìn)水平井時(shí)，不僅要克服鉆具因扭矩、彎曲帶來(lái)的阻力，更要克服很大的摩擦力，鉆壓加不上去，直接影響機(jī)械鉆速。俄羅斯設(shè)計(jì)的水平井加載裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工容易，性能可調(diào)，效果良好，為在大水平距離鉆井時(shí)推廣使用連續(xù)油管鉆進(jìn)創(chuàng)造了有利條件。

(4)鎧裝聚合物油管的研制成功加上液動(dòng)加載裝的良好使用效果，為大面積使用連續(xù)油管鉆井創(chuàng)造了有利條件，可為煤層氣和頁(yè)巖氣鉆井工程的發(fā)展做出一定貢獻(xiàn)。我國(guó)正在大力開(kāi)發(fā)煤層氣和頁(yè)巖氣，可以借鑒，建議研究試用。