连续油管在国内外应用概况

1、连续油管在国内外应用概况2009-11-16本文叙述了国外连续油管技术在油田井下各种作业的实际应用范围、经济效益和技术优 势及其装备结构发展的概况;简述了国内引进连续油管技术在各个主要油田井下作业试用所 取得的初步成效和存在的问题，论述了在我国推广应用连续油管技术的发展方向在于开发出 这种技术的软件和连续油管的国产化，要全面消化引进，技术创新。连续油管（coiled tubing,简称CT）是相对于常规的单根螺纹连接油管而言的，又称为 挠性油管、蛇形管或盘管，是一种缠绕在卷简上，可以连续下人或从油井起出的一根无螺纹 连接的长油管（例如长达7925m）。连续油管钻井技术是近年来国际石油钻采业的热

2、点话题， 也是我国石油制管业面临创新的重点课题。连续油管技术在国外的发展概况1.1起步阶段的曲折和成长时期的崛起在20世纪30年代，人们对连续钻井管柱有了朦胧的认识。在第二次世界大战期间盟军 曾用连续油管从海底输送能源，以适应战争的需要，这是连续油管首次应用于军事实践，真 正应用于石油工业，是1962年世界上第一台连续油管作业机诞生于美国加利福尼亚石油公 司，用来清除海滨油气井中的砂桥，这揭开了连续油管应用于石油钻采工业的序幕。两年之 后，连续油管钻井技术有了发展，RoyHCuUa Research公司研制出一个连续的、灵活的钻井 管柱来循环液体，用一个液压注入头来放人或回收钻井管柱。这个连续

3、油管外径66.68mm， 在德克萨斯州的Marble Falls的花岗岩底层上钻了一口120.65mm，井深304.8m的试验 井，钻井速度为1.533.05m/h。由于当时连续油管的质量尚不可靠，致使此后20多年内 连续油管技术没有取得重大突破，只是在修井和完井作业中应用。随着连续油管的质量和可靠性日益提高，在修井和完井作业中的大量实践经验的不断积 累，以及配套技术设备和井下工具的日臻完善，连续油管技术得到长足的发展和迅速的推广。 1991年，美国、加拿大、法国相继成功地试用了连续油管钻井技术。1996年世界上用连续 油管钻井的数量为410 口，1997年猛增至600多口。美国重点发展连续油

4、管小井眼钻井技术（coiled robing-based microhole technology）， 每年计划用小井眼连续油管技术钻2万口浅开发井，100 口油藏数据监测井，1000 口深勘探 井，3000 口重入井。美国目前共有40万口井等待重新进入开发新的油层，每年重入井钻井 总费用至少75亿美元。连续油管小井眼钻井有广阔的前景，截止2003年底全世界应用连续 油管技术共钻井7000余口。其中加拿大用连续管钻井数量占世界总量的90%。连续油管钻井技术在世界上用途广泛。按工艺方法分：有欠平衡压力钻井、平衡压力钻 井和过平衡压力钻井；按钻井和作业的类型分：垂直井、定向井、丛式井、斜井、水平井

5、、 小井眼井、裸眼井、下套管井、加深井、老井开窗侧钻、钻水泥封堵、钻塞、驱替钻井液、 打捞、完井、大斜度井、水平井测井作业、井下电视摄影等；按地区分：适用于陆地、沙漠、 浅海、海滩、海洋和极地等各种地区钻井。总之，国外连续油管技术已经能够对陆地和海上 油气井进行20多种作业。1.2连续油管的技术优势降低钻井作业成本美国应用小井眼连续油管技术钻井的成本目标是比现在常规钻井技术节省40%，50%的 开支，最大深度1828.8m。原西德克隆斯用常规技术钻一口 1524m油井的总成本为2535 万美元，而用小井眼连续管钻井的成本为15万美元。连续油管钻井之所以能降低成本主要有两方面的原因:一是采用常规

6、的单根油管连接钻 机，与钻进时间相比，大部分施工时间花费在连接单根油管上。而连续油管钻井的这个连续 管子的优势就转化为施工成本的降低。这些降低的运行成本对项目经济效益会产生巨大影响。 另一方面，连续油管钻井的连续作业也有助于提高平均机械钻速(ROP)来降低成本。2001年全球连续油管技术服务市场收入为10亿美元，而连续油管装置和管材市场分别 为3亿美元和9000万美元。从这一组数字也说明了连续油管钻井能大幅度降低钻井成本。适用于高压油层和欠平衡压力钻井常规欠平衡钻井作业过程中，由于连接单根油管时暂停钻机液循环，对油藏造成压力波 动，同时，停泵后会形成岩屑垫层，而连续油管无需连接单根油管，因而能

7、保持井底压力稳 定，不会对地层产生外来的压力波动，也可以避免出现岩屑垫层。由于采用连续油管钻井， 可以连续不停地循环钻井液，井内欠平衡状态成稳定流动状态，从而形成了 “真正的”欠平 衡状态。减少钻井事故，节省钻井液循环时间在钻井过程中，不需停泵接单根油管，可实现钻井液的连续循环，减少了起、下钻时间， 缩短了钻井周期，提高了起、下钻速度和作业的安全性，避免了因连接单根油管可能引起的 井喷和卡钻事故的发生。更适用于钻小井眼井、老井侧钻、老井加深因为连续油管直径小，可进行过油管作业，无需取出老井中现有生产设备，从而实现边 采边钻的目的，可显著节约钻井成本，故特别适用于小井眼井、老井侧钻和老井加深，从

8、而 提高油藏产量。有利于提高自动化水平连续油管内可以放置电缆，有利于实现自动控制和随钻测量。保护油藏，产量最佳在钻井过程中，钻井阶段损害油藏是影响获得最佳产量的主要 原因之一。这种损害是由于钻井过程中外来流体、化学药剂和岩屑进入孔隙造成的。与垂直 井相比，水平井由于最靠近井身尾部的地层与这些外来异物接触的时间相当长，所遭受的损 伤程度更加严重。采用连续油管钻井能够保持井底稳定，使井内形成真正的欠平衡状态，避免了地层损害， 从而提高了产量。从以上六个方面来看，用连续油管钻井其技术经济指标是比较先进的，也减少了对环境 的污染，这是符合节能环保的技术。连续油管技术之所以能迅速发展，还因为它的技术装备

9、有了很大的进步，达到了现代化 水平。1.3连续油管技术装备的发展19932003年全球连续油管井下作业量以每年25%的速度增长，连续油管装置在这10 年内增加了一倍，以每年20%的速度增长，到2003年底达到了 1050台套。连续油管技术的设备由地面设备和地下设备组成，地面设备主要是连续油管作业机、井 控设备等组成；地下设备主要是井下工具，例如：钻头、弯接头、马达、钻铤、分离机构、 连续油管配合接头。1.3.1连续油管作业机(CTU)连续油管作业机是连续钻井作业的主要设备，它的作用是在作业时将连续油管下入、起 出油井，并把起出的连续油管缠绕在卷筒上。从设备结构来说，它是一种移动式液压驱动的 连

10、续油管起下运输设备，它有车装自走式、拖车式和撬装式以及驳船式等多种结构，分别适 用于陆地、沙漠、浅海、海滩、海洋和极地等各种地区作业，典型装备如陆地连续油管钻井 装置、陆地连续油管钻塔、带井架车装连续油管钻井装置、全地形车装连续油管钻井装置、 拖车装连续油管钻井装置以及连续油管钻井驳船、带井架连续油管钻井驳船、模块式海洋连 续油管钻井装置等。近年来，又开发出复合连续油管作业机，适用于连续油管，也适用于普 通油管作业等功能。它们虽然类型不同，但基本组成大体类似，主要有注入头、卷筒、连续 油管、液压动力系统、控制室等五大部分。注入头一一是一套液压驱动装置，主要功能是在下入连续油管时，提供向下的推力

11、，荆 艮连续油管在井筒的浮力及摩擦力，推动连续油管下入井内，在不同情况下控制连续油管的 下入速度；在提升连续油管时，它提供拉力，将连续油管从井中提取出来，或悬挂油管，或 控制从井内提起油管的速度。连续油管的起下速度大致为0.1一60m / min，一般为18一30m / min，有的最高达70m / min。注入头的关键部分是链条总成，它由链条及其驱动装置组成。链条有双组或单组链条传 动，其形式为液压驱动的具有反向张紧力的链条夹持牵引式油管起下机构，驱动马达采用低 速大扭矩液压马达。注入头是连续油管钻井技术作业的关键部分，国外比较知名的厂商有加拿大Dreco公司 生产的40K型和60K型两种规

12、格，最大拉力分别为181.4KN和362.8KN，设计载荷安全系数 为3。美国Hydra Rig公司开发出5000系列注入头，最大拉力可达889.6KN，适用于连续油 管的最大规格为0139.7mm。美国Baker Hughes INTEQ公司开发出入工智能注入头，使连 续油管寿命提高70%。卷筒一一是连续油管的储运设备，用以均匀地缠绕连续油管。它由筒蕊和边凸缘组成， 为焊接的钢结构。卷筒采用液压驱动形式，液压马达通过链条传动驱动卷筒正反转，使连续 油管起、下时在油管上保持一定的拉力，使其紧绕在卷筒上。卷筒前上方装有排管器和计数 器，强制连续油管在卷筒上有序缠绕。采用两个小液压缸起升或下放排管

13、器，并可使排管器 处于钻井需要的位置。卷筒所能缠绕的连续油管的长度和直径的大小，主要取决于卷筒的外 径、宽度和筒蕊的直径，以及运输设备（汽车底盘、拖车的承载能力和道路的条件）。例如相应于25.4mm和31.75mm的连续油管，缠绕在卷蕊直径为1.524-0 1.828m， 卷筒外径为0 2.743m，可卷长度分别为7925m和6706m。连续油管一一是连续油管作业机的关键部件，是连续油管作业技术得以顺利实施的核心 部件，是该技术中用量最大、质量要求最高的管材。世界上每年连续油管用量近500万m。 常用规格一般为 025.4、032、038、045 和 050.8mm 等。从制作工艺来看，连续油

14、管常用ERW焊管，也可用无缝钢管。当采用无缝钢管对接焊后 缠绕成连续油管，由于无缝钢管一般单根长度约810m，对于一盘大于5000m长度的连续 油管来说，会有数百条环焊缝，环焊缝的抗弯、抗拉、抗挤能力较低，对连续油管整体强度 影响较大。而采用ERW焊管来制作连续油管，按照目前国内卷板带供货能力，生产一盘大于 5000m长度的连续油管，最多只有4条环焊缝，可靠性大得多。从材料来看，由碳钢发展到 低合金钢（包括淬火回火钢）、钛合金，目前在研制复合材料。标准连续油管按美国材料试验 协会标准的材料即改性HSIA碳钢制作，最小屈服强度483MPa，最小抗拉强度552MPa，延伸 率28%，硬度HRC22

15、，现在屈服强度已达到703MPa。连续油管用钢必须有良好的强度韧性 匹配，以保证较高的低周疲劳寿命。目前用连续油管钻井深度已超过7000m，每年实施达1500 井次以上。用ERW焊管制作连续油管的主要工艺流程如下:热轧板卷检验一纵剪分条一板探一剪切 对焊f矫平f活套f辊式成型f高频焊接f去毛刺空冷f水冷f焊缝超声波探伤f定减径 一焊管整体调质处理一卷取一水压试验一包装一计量一入库。世界上几个大的连续油管主要制造企业均集中在美国（休斯顿）三家公司，它们是Quality Tubing（优质油管公司）、Precision Technology（精密管技术公司）、Southwestrn Pipe（西南

16、管子公司），用以制造连续油管的材料有碳素钢、调质钢和稀有材料。其中稀有材 料有钛合金，其价格是碳钢材料制成的连续油管的6倍。目前世界上较大的生产连续油管作业机的企业主要有美国的哈里伯顿公司、Hydra Rig 公司、CVDD公司、Bowen工具公司、Stewart Stvenson公司和加拿大DRECO官螈公司。液压动力装置一一为整套连续油管机组提供液压动力源，主要由液压马达、液压阀等组 成。控制室一一是操作人员监控注入头、卷筒、防喷器和节流器等设备的场所，是连续油管 机组的操作控制中心。控制室装有各种仪表、开关以及有关控制系统；在新型连续油管作业 机中，还装备有数据采集系统和监视系统，是作业

17、机的神经中枢。1.3.2泥浆循环系统与常规钻井相比，连续油管钻井所用泥浆循环系统大致相同，只是容积小一些，固控设 备包括振动筛、除砂器、除泥器和离心机。1.3.3井控系统与常规钻井相同，连续油管钻井中的井控主要设备也是防喷器；但在欠平衡压力钻井作 业中，通常采用两套防喷器，一套用在连续油管上，另一套用在井底钻具组合上。1.3.4井下工具井下工具是影响连续油管钻井效率的关键。根据钻井工艺的不同，连续油管钻井时井下 钻具的要求也有所不同，但大体上是相同的。连续油管钻井用的井下工具主要有：钻头、弯接头、马达、钻铤、分离机构和连续油管 配合接头。钻头一一用于连续油管钻井的钻头，其特点有两点：1.低钻压

18、和高钻速；2.钻头对扭矩 的要求要低，以免高扭矩使连续油管疲劳破坏。连续油管钻井所用钻头的结构形式与常规钻 井用的是相同的，一般直井段用PDC钻头，定向井、水平井的造斜段或曲线段用TSD钻头。容积式马达一一用来旋转钻头，有三种类型，低速高扭矩马达，适合于TSD钻头和天然 金刚石钻头；中速中扭矩马达适合PDC钻头；高速低扭矩马达适用于连续油管外径范围为 60.3-165.1mm。连续油管接头一一主要用于联接连续油管和井下工具组合，接头用以承受钻井马达所产 生的扭矩、振动和加速作用，因、此，接头的抗拉强度比连续油管大。钻铤一一与常规钻井相同，用以给钻头提供钻压，以产生预定的钻井速度，并给井下工 具

19、提供合理的重力。断开接头一一其作用是当钻头或钻铤卡死在井眼中时，提供使连续油管与井下工具断开 的能力。定向工具一一用于定向井和水平井钻井，因为用连续油管钻井时，连续油管不能旋转， 必须用一种专门的井下工具即定向工具来调整底部钻具组合的工具面方位。（目前美国 Fedlech公司开发了旋转连续油管的新型转盘，在钻井时使连续油管以515r / min的速度 向右旋转。）连续油管技术在国内的应用概况我国于1977年由四川油田引进第一台Bowen Oil Tools（波恩工具公司）的连续油管作 业机，到1999年我国共引进连续油管作业机18套，虽然都在应用、开发连续油管技术方面 取得了一定的进展，作出了

20、一定的成绩，但同国外同行相比，同国内石油钻采的实际需求相 比，差距仍然很大。2.1国内油田应用连续油管技术的概况国内将引进来的连续油管装备在井下作业应用过程中，主要是两个方面，一方面是进行 了大量的井下简单作业；另一方面是将连续油管用作生产管柱，这方面虽有所进展，但步子 不大，案例不多。四川油田首先利用引进的连续油管设备进行了气井小型酸化、注氮排残酸、气举降液、 冲砂、清蜡等一系列简单作业，进行了这些技术的试验。大庆油田自1985年引进Hydra Rig公司的连续油管设备以来，共在100多口井中进行了修井等多种作业。例如洗井、冲砂解卡、解除蜡堵蜡卡、钻水泥塞和注氮排液等方面进行 了探索，特别是

21、解决了多年来深层压裂后排液周期长、效率低的难题。辽河油田自1985年和1988年从Bowen公司、中原油田1988年从Hydra Rig公司、大 港油田1994年从Hydra Rig公司以及华北油田、胜利油田、榆林油田和河南油田等引进连 续油管装备以来，都进行了大量的井下作业，例如压井、排液、冲砂、喷射、多分支修井等， 都取得了一定的成效。比较典型的案例还有：新疆吐哈油田将连续油管技术除了常用于垂直井内排液、冲砂等 比较简单的作业之外，在丘陵油田11井的水平管解堵施工，取得了成功的经验，为今后水 平井、大斜度井、定向井的施工提供了借鉴和技术依据；同时，吐哈油田运用连续油管技术 对丘东七井（高压

22、、高产气井）进行压井工艺的成功，解决了无法采用常规方法进行压井的难 题，创造了可观的效益。四川石油管理局川南矿区H30井是一 口高压气水同产井，因地层出砂造成堵塞，采用连 续油管技术进行冲砂解堵，未动井内原有生产管柱，不压井就成功解除了井内堵塞，修井周 期短，节约修井成本120万元，直接经济效益显著，间接经济效益也很大。新疆油田22井用连续油管进行热洗清蜡技术，自2002年8月12日至9月15日先后5 次作业，达到疏通循环压井通道的目的。西南油气田在M75-H、M38H及M50井实施了水平井连续油管酸化工艺试验，3 口先导试 验水平井累计增加井口产能37.86x104m3/d，是该地区同类直井

23、平均产量的47倍，获得 了增产效果和良好效益。将连续油管技术用于生产管柱的典型案例有:西南油气田张家场13井2003年进行了连 续油管用作生产管柱于深并排水采气工艺试验，这在我国尚属首次，取得了较好的尝试，日 产气量0.8x104m3,日产水0.2m3,连续油管作生产管柱排水采气工艺获得成功，与常规管柱 作业相比，节约费用30万元。这次试验的意义在于连续油管真正用于钻井工艺上，而且确 实能节约成本方便施工。2.2国内应用连续油管技术存在的问题和发展的方向我国自上世纪70年代起至今引进18套连续油管设备，尽管引进后在各自的油田进行了一些井下作业，但主要限于冲砂洗井、 诱喷助排、酸洗酸化等修井作业

24、范畴内，真正作生产管柱用于钻井工艺的实践却很少。因此， 大多数连续油管作业机闲置率较高，致使这种高技术设备迅速贬值，至今连续油管技术在我 国未能普遍推广。究其原因，大概有如下几个方面：对连续油管技术尚未完全掌握，缺乏软件支撑连续油管的特征是轻、柔属性(与钻具及常规单根连接的钢管相比)，使其在井下受力情 况特别复杂。当用于非垂直井眼作业时因刚度小，较难承受纵向压缩载荷；在通过弯曲井段 或水平井段较为困难，易发生失稳而产生正弦形或螺旋形变形；在井底作业时，能施加的力 太小。目前，我们对连续油管的力学性能还缺乏深入细致的了解。因此，掌握连续油管在井眼 中的受力及弯曲变形的力学模型，是开发连续油管作业

25、工艺的关键。虽然引进了连续油管技术中的硬件，但这是不够的，还应当着力于开发出连续油管技术 的分析软件，分析出连续油管应力和弯曲、疲劳、寿命以及循环周期，根据井内不同情况对 连续油管的直径和壁厚进行选择，并模拟作业情况。国外BJ公司对连续油管的分析软件进 行开发到完善，前后用了 15年；我们有常规侧钻工艺技术，并经过十多年的研究已经成熟， 又通过多年使用连续油管侧钻硬件的试验和在水平管解堵施工成功的经验，已经对水平管的 连续油管受力情况建立了数学模型，有了初步的成果。因此国内完全有能力研究开发出连续 油管钻井系统的软件，在不太长的时间，解决连续油管钻井工艺的问题。我国侧钻井数量较多，市场应用的潜

26、力很大，经济效益也很好，因此连续油管技术在我 国的发展方向，首先是早日攻克连续油管侧钻技术的难关，大力开展连续油管进入斜井、水 平井和水平管的力学研究，开发软件的模型与先导试验相结合，进一步实践这项技术，促进 国内油气田又好又快地达到安全高效高产。国内目前正在试生产连续油管。连续油管服役条件很恶劣，首先是疲劳弯曲。连续油管从卷筒拉出和卷入时，都需经过 注入头和卷筒间的导向架变向，使连续油管在每次起、下作业都承受6次弯曲，每一次循环 中应力都达到材料的屈服点，属于低周疲劳失效，所以疲劳寿命很低。由于连续油管同时承受弯曲和内压，当内压大于一定值后，循环次数急剧下降，见表1。从表1可知，内压大于10

27、MPa后，循环次数急剧下降；大于15MPa后。循环次数已低得难以 满足使用要求。连续油管尺寸对循环次数也有影响，见表2，设定内压为10MPa，从表2可见，当壁厚 相同时，油管外径增大，循环次数减少；当外径相同时，壁厚增加，循环次数增加。连续油管的寿命除了与低周疲劳有关外，还与腐蚀因素有关。造成连续油管早期失效的 主要原因是腐蚀性作业。例如大港油田已经下井使用12次的连续油管31.75x2.21mm，总 长度为4000m，实际下井深度约2500m，主要用于冲堵、注氮、挤酸，连续油管内外壁上均 有许多腐蚀坑，腐蚀深度最大为0.65mm。辽河油田连续油管25.4mm作业30余井次失效，30.5mm作

28、业70余井次失效；中原 油田连续油管30.5mm作业70-100井次失效，大港油田连续油管30.5mm作业30余井次 失效等。上述失效的油管有的是进口美国优质管公司的产品，有的是美国西南公司的产品。如何延长连续油管的寿命是一个重要的课题。这有多个思路，例如：改进作业装置的结 构，如取消导向架，可以将弯曲次数减少三分之二，增加油管工作时间；又如增加壁厚，也 可以延长油管工作时间；再有如前面已叙述过人工智能注入头，使连续油管寿命提高70%。 美国Fedtech公司开发了旋转连续油管的新型转盘，使连续油管的寿命提高了 70%。在一般正常情况下，连续油管工作管柱应在其使用寿命期到来之前更换。连续油管作

29、业 机上的最大消耗品正是连续油管本身，相比之下，作业机其它各项费用都是很小的。因此， 对连续油管的监控有两个方面：一是在它的使用寿命期到来之前的有效控制，就是跟踪测定 连续油管累计疲劳次数并使其达到最小，控制连续油管内外腐蚀以及防止对它的机械损伤， 排除现场断裂的可能性。二是在它的使用寿命期结束后。应由国产连续油管来更换，以便在 利润和设备折旧之间达到平衡。我国从前是直接从国外（美国）进口连续油管，主要规格有25.4mm、32mm、38mm、45mm和50.8mm，由于价格较贵，提高了连续油管作业的成本，使得连续油管技术在国 内的发展受到严重制约。因此，我国发展连续油管技术的战略举措是：迅速将

30、连续油管国产 化，为连续油管技术提供国内供应渠道，提供国产连续油管的硬件支持。从操作上来讲，可以先用ERW工艺制作连续油管，从材料的选择上着手，可以先从试制 碳钢（低合金钢）热轧卷板起步；材料的选择上发展到优质合金钢。因此冶金行业要同石油行 业密切配合，通过应用国外连续油管，了解其材质及制造工艺水平，作为连续油管国产化可 供借鉴的样管。连续油管国产化的关键在于冶金行业能提供合格的热轧卷板，因为连续油管用钢必须有 良好的强、韧性匹配，以保证较高的低周疲劳寿命。中国钢管业要跨入世界强国的行列，这 是一个技术门槛。国内现在由宝鸡石油钢管有限公司用EILW焊管工艺试制连续油管，先是试制出CT80 级3

31、3X3.18mm和50X3.18mm连续油管共20t，在五大核心技术取得了突破后；2009年7 月初又试生产了 7600m长的连续油管。（3）连续油管作业机（CTU）和井下工具的国产化问题连续油管技术在我国要推广应用，还有其作业机的国产化问题。连续油管作业机的一个 重要组成部件是连续油管；在作业数量不大的情况下，每台连续油管作业机消耗连续油管约 4000m左右，目前主要是使用从美国进口的QT-700材质制成的ERW连续油管（国外已发展到 使用QT-1000的材料）。因此，连续油管的国产化是其作业机国产化的前提和重要条件以及 优先发展的硬件。连续油管作业机在国外已经应用了 30年，它的控制系统是

32、集气、液、电一体化，结构 较复杂，自动化程度高。但它的工作性能只是用于运送并起下连续油管，从这个意义上来说， 它的运动轨迹主要是将连续油管在井里进行升降，也并不太神秘，因此，国产化的可能性是 存在的。国外许多厂商如Bowen工具公司、Hydra Rig公司和双S公司等均生产这种作业机。我 国自上个世纪70年代以来引进连续油管作业机共18台套，主要分布在各大油田。例如中原 油田引进Hydra Pig公司生产的CT-112型作业机（配11 / 5in连续油管），吐哈油田引进 Hydra Rig公司生产的CT-220型作业机，其它如胜利油田、华北油田、四川油田等均有此 种类型设备。由于进口作业机价格较贵，使用维修因缺乏备件而有诸多不便，于是国产化问 题便提上议事日程上。目前国内对连续油管作业机的国产化实际上已经起步，归纳起来主要 做了两个方面的