连续管钻井技术研究

连续管钻井技术研究

0连续管钻井技术1991年，美国奥斯本州开始采用ctd连续钻孔（ctd）技术，成功完成了单孔侧钻，成为单管钻头技术在当前工业应用中的象征。经过近20年的发展,连续管钻井技术的应用迅速拓展。截止2008年底,全球采用连续管钻井技术完钻的总钻井数约为11000口。从2004年开始,平均每年钻成900～1000口井1主开挖系统的组成和特点1.1井下钻具组合系统构成连续管钻井系统主要由连续管钻机、循环系统、井控系统、辅助设备、井下钻具组合(BottomHoleAssembly,BHA)等硬件系统和连续管钻井工艺、专用软件等软件系统构成。其中连续管钻机、循环系统、井控系统、辅助设备等构成了连续管钻井地面系统1.2连续管钻井技术连续管钻井技术的特点和适用范围一直备受关注。研究分析和应用实践表明,连续管钻井技术具有如下优点:①井场占地面积小,适合于地面条件受限制的地区或海上平台钻井作业;②不用接单根,减少了作业人数,缩短了起下钻时间和作业周期,对于部分需要频繁调整或更换BHA的钻井作业,其优势更为突出;③可以实现不停泵连续循环和带压作业,提高了起下钻速度和作业安全性,有效避免因接单根可能引起的井喷或卡钻事故;④可以进行过油管钻井作业,因此能非常方便地实现老井加深和过油管侧钻当然,连续管钻井技术也存在局限性:①从提升连续管钻井能力的要求考虑,希望选用管径和壁厚尽可能大的连续管,但由于设备能力、运输条件的局限,使得连续管长度受限,所以必将限制钻井作业深度;②频繁起下钻以更换或调整BHA,将导致连续管过早疲劳,缩短使用寿命;③目前用于钻井的连续管强度较低,无法实现旋转钻进,也无法承受较大钻压;④井眼尺寸和泵速受到限制;⑤实施连续管钻井之前,需要借助常规钻机或修井机对目标井进行钻前修井作业;若需下套管,也必须依靠常规钻机或修井机完成。由此可见,连续管钻井技术优势和局限性同样突出与鲜明。总体而言,连续管钻井技术的应用可分为2个大的方面:①从地面开始新钻井眼至目的层(钻新井);②在老井中实施加深和侧钻(老井重入)。受技术水平和装备能力制约,目前完全采用连续管钻井技术和装备钻新井的钻深只有数百米,而且要求地层相对易钻且不易垮塌,此类应用主要集中在加拿大。若采取连续管钻井技术与常规钻井技术联合钻新井,其钻深可以达到数千米,但耗时更多,成本更大,必要性和经济性均受到质疑。连续管的无需接单根和无接箍特性,使得连续管钻井技术特别适合老井加深和过油管侧钻,特别适合应用于欠平衡工艺技术,因此而成为应用钻井新技术提高油气采收率的典型代表。2加拿大连续管钻机截止2009年1月,全球的连续管作业机拥有量已达到1704台套,连续管钻机的拥有量为99台套,这些钻机主要集中在加拿大。2006—2009年,在加拿大服役的连续管钻机分别为75、89、72和62台。尽管连续管钻机的全球拥有量并不大,但其结构型式、技术参数和用途仍然多样化,继续保持和传承了连续管装备(包括连续管作业机和钻机)“个性化鲜明”的特征。连续管钻机和连续管作业机的基本构成有着惊人的相似之处,主要有注入头、导向器、连续管滚筒、连续管、动力单元、控制单元及辅助单元等,但设备用途、技术水平和关键部件的能力等有着本质差异。2.1车台发挥主要技术参数如图3所示,连续管钻机所有部件均合理布置与安装在一台4桥重型自走底盘上,移运时放倒井架,钻机可方便地在路上行驶。尾部装有两腿井架,工作时利用2个液缸将井架起升到工作位置,井架上装有一个悬吊、支撑注入头的横梁。注入头既可随横梁沿井架上下移动,也可在横梁下面水平移动,以便根据井口位置调整注入头方位。此外,横梁还具备提升井口装置、工具组合及其他部件之功能,使用很方便。在驾驶室后的车台面上,依次安装了控制室、连续管滚筒、液压动力装置和软管滚筒等。其主要技术参数为:注入头拉力907kN,滚筒外径5.84m、底径3.05m、宽度2.03m。该机移运快捷,装卸方便,主要用于陆地钻井。2.2单车式连续管钻机拖车式连续管钻机是连续管钻机的主要型式,可分为自带井架(图4a)、自带井架和钻台(图4b)、不带井架和钻台(图4c)3种结构型式。根据钻井深度、连续管管径、道路条件和用户要求的不同,又分为一车装、二车装、甚至三车装。生产拖车式连续管钻机的公司主要有美国HydraRig公司、Stewart&Stevenson公司、Foremost公司,加拿大DRECO能源服务有限公司、Schlumberger公司、Xtreme公司等。其中Xtreme公司在拖车式连续管钻机研制方面具有代表性,近年来先后研发了XTC200ST、XTC200DT、XTC300、XTC400等多种连续管钻井装置。ST系列为一车装形式,DT系列为二车装形式,采用ϕ88.9mm(3.5英寸)或ϕ101.6mm(4英寸)连续管,钻井深度为2100～3000m。2.3混合连续管钻机采用连续管钻机钻新井,需要常规钻机配合完成下套管作业;对老井作业时,通常先用常规钻机或修井机完成钻前工作,然后用连续管钻机钻井,再用完井设备进行完井投产。为了提高效率,既能操作油管、套管,又能操作连续管的混合型连续管钻机系统(见图5)应运而生。混合型连续管钻机系统(HCTS)有机地将连续管注入头、连续管滚筒、动力装置与可移动式井架结合在一起,具有较大的灵活性。Tuboscope’sCT/PC公司、TransoceanEnsignDrilling公司、贝克休斯公司、阿科公司都相继开发和使用了混合连续管钻机系统。典型技术参数为:注入头工作拉力363.63kN,注入力181.82kN;适用连续管的最大外径88.9mm;井架的最大工作空间16.76m;最大钩载545.45kN;当连续管直径为88.9mm时,滚筒最大容量2073m。2.4确定置头下井,并进行初始变形滚筒上置式连续管钻机如图6所示,将连续管滚筒坐放在注入头上方,不需要安装连续管导向装置,避免了通常在导向器处发生的连续管弯曲变形,可大大减轻连续管的疲劳损害。滚筒若安装在钻机底盘上,或以滚筒橇的形式固定在地基上,钻井作业时,连续管从滚筒“飞出”,经过导向器、注入头下井;完成作业后,又经过注入头、导向器起出,回到滚筒“入巢”。在这个完整的起下周期中,连续管要历经6次弯曲变形;滚筒若直接上置在注入头上方,则只发生2次弯曲变形,在理论上可延长寿命3倍多。当然,滚筒上置给结构设计和设备移运带来了挑战。2.5塔架共享型齿轮装置钻塔式连续管钻机如图7所示,采用专用的塔式井架固定注入头,井架的3个侧面均有方便上下的扶梯,工作人员可进入塔架中间的工作台维修注入头并根据需要更换夹持块。在连续管导向器的鹅颈管上有5个均匀分布的滚轮装置,每个滚轮装置处均有一个小工作台,供维修滚轮装置和更换易损件之用。橇装式连续管滚筒置于井架的前面。钻井泵和钻井液净化系统置于井架右侧,液压动力装置置于井架左侧。2.6海洋平台钻井作业用于海洋或湖泊钻井的连续管钻机为橇装式(如图8所示),全套装置分为注入头、连续管滚筒、控制室、液压动力装置、钻井泵、高压管线及钻井液净化系统等6个模块,安装在海洋平台或钻井船上进行钻井作业。2.7可旋转连续管钻机图9展示了用于极地钻井作业的连续管钻机(移运状态),其外形根本看不出连续管钻机的任何痕迹,仿佛是一种形状怪异的作战武器,外形尺寸大大超出了常规道路运输的限制,因此,只能在极地地区服役。此外,为了满足极地抗低温环境要求,这种钻机无论是处于移运状态,还是工作状态,均采取了特殊的封装和防护措施。鉴于连续管本身的尺寸和强度局限性,目前的连续管钻机均采取滑动钻井方式,即钻井液马达驱动钻头的钻进方式。为了改变这种单一钻进方式的局面,有人尝试开发连续管旋转钻井技术,并开始进行部分单元技术试验,图10为可旋转连续管钻机创意图。随着连续管钻井技术应用领域的日益拓展和技术的不断进步,其他特殊功能连续管钻机,如海底连续管钻机、变频电驱动连续管钻机、全自动连续管钻机、零排放微井眼连续管钻机等将逐步进入人们的视线。3要明确钻井方法连续管钻井全过程分为3个阶段:钻前准备、钻井实施、钻后综合评估。钻前准备工作是否细致,直接决定整个连续管钻井工程项目的成败,要求项目各成员单位和干系人必须参与设计和理解工程方案,共同完成钻前的现场准备工作。该阶段的核心任务是:清晰界定连续管钻井工程项目的目标,基于信息收集和处理完成连续管钻井的可行性分析,明确项目实施计划、关键任务和里程碑事件,完成工程方案设计、设备购置或租用计划、工程费用估算、总体安全措施。钻井实施阶段的根本目的是:安全并成功地实施钻前设计的工程方案和项目计划,其关键措施是有效监控钻井全过程,实时采集、完整记录、准确理解各个环节的工程数据。钻后综合评估的根本目的是:全面分析和总结连续管钻井工程的计划安排、工艺设计、实际执行、数据和结果,经验与教训,为此后的其他连续管钻井工程项目的实施提供直接而科学的指导。具体而言,连续管钻井工艺工程主要包括如下基本步骤和程序(1)针对要钻的目标井,首先必须明确以下内容:①为什么要采用连续管钻井工艺对目标井实施钻井;②是钻新井,还是老井重入;③是采用欠平衡工艺,还是平衡工艺,或过平衡工艺;④井眼尺寸大小;⑤钻屑如何运移与处置;⑥是采用套管完井,还是裸眼完井。(2)研究分析目标井历史信息及其井身状况等相关信息,若目标井为老井,则重点关注目标井井身结构和状况、油藏性质及存在的问题、是否需要打定向井等3个方面;若目标井为新井,则选择邻近老井作为参考对象,研究分析其相关的信息和数据。(3)进行可行性研究,识别采用连续管钻井的风险及规避措施,以及危险和防控措施。明确在连续管钻井装备到位之前,是否需要对目标井进行修井作业,若需要实施修井作业,则应形成相关的作业文件。(4)若钻定向井,应进行定向井钻井初步方案设计。(5)钻前修井作业及连续管钻机的操作与调试,应获得项目(或工程)监督机构或管理机构的批准与认可。(6)与连续管钻井设备供应商共同实地考查井场。(7)明确此项目(或工程)所需的连续管钻井设备。(8)明确与连续管钻机配套需要哪些辅助设备及其安装位置。(9)确定目标井的井身结构,预测可能出现的高压状况,由此确定井控设备的选型。(10)若钻定向井,要审查并确定最终的定向井钻井施工方案,并与定向井工程师讨论确定BHA。(11)基于油藏信息,选择钻井液,并进行井眼水力学计算,判断所选的钻井液与相关系统能否满足要求。(12)对于需要开窗的目标井,明确采取何种方式开窗。(13)明确是否要进行裸眼测井和射孔完井。(14)评估在裸眼井中下套管完井的必要性,若有必要下套管完井,确定套管完井,确定套管尺寸和种类,并明确是否进行固井。(15)形成最终的钻井工艺与施工文件。(16)组织召开钻前工作会议,讨论对钻井工艺与施工文件的修改,增加应急预案。(17)井场的整理与准备,连续管钻井设备及时就位。(18)对所有的设备进行检测与维护,并形成相关记录文件。(19)确定整个钻井工艺全过程已形成了文件,并按需求发放。(20)通知项目(工程)管理者或监督人员、定向井钻井工程师、定向井工具工程师、BHA供应商、特殊工具供应商、套管及套管工具供应商等人员到场。(21)对于老井侧钻,若钻前修井作业未开窗,则此时应完成开窗作业。(22)按照先前制定的定向井钻井施工方案及工艺文件、实施定向井钻井。(23)在钻井过程中,要求记录、通报全部相关信息和数据。(24)如果需要,实施裸眼测井,在井眼中下套管完井、固井、射孔。(25)连续管钻机及相关设备撤离井场。(26)收集整理整个连续管钻井工程项目的全部数据,并将所有数据输入数据库,以满足今后的使用要求。(27)对项目或整个工程进行评估与总结。4连续管钻井技术基于对国外连续管钻井技术与装备的跟踪研究、部分典型工程案例的综合分析、国家863计划相关课题的攻关执行以及对国内油气勘探开发热点难点问题的密切关注,形成如下认识。(1)连续管钻机种类繁多,个性化特征鲜明。(2)尽管用于连续管钻井的连续油管直径最大用到101.6mm,但以60.3mm和73.0mm最为常用。(3)对连续管钻井技术的经济性和应用范围需要科学评估。理论上应用连续管技术可以钻各种井,但综合考虑,连续管钻井技术的最佳应用点是应用欠平衡工艺实施老井加深和过油管侧钻。(4)完全采用连续管钻井技术钻新井,钻深会受到很大限制。(5)采用连续管钻井技术和欠平衡工艺进