连续油管作业技术与装备的应用

连续油管作业技术与装备的应用

连续油管作业装备管道连续采集（ct）技术已成为石油天然气勘探和开发领域中的一项日益完善的新技术。连续管道技术已经广泛应用于广泛应用，因此被称为“无限服务设备”。自1962年第一台连续油管作业设备问世以来,目前全球拥有的连续油管作业设备已超过1400台套。1972年,我国从Bowen公司引进首台连续油管作业设备,截至今年累计引进28台套。连续油管技术的应用也从单纯的修井作业发展到钻井、完井、测井以及增产作业等领域,预计未来10年,其应用将更加广泛。笔者在回顾连续油管技术和装备的发展历程,展示其技术特点,总结其发展现状和展望其发展趋势的基础上,客观地分析了国内连续油管技术和装备应用情况与研究现状及存在的问题,提出相应的发展对策。ct技术的发展历程自1962年美国California石油公司和Bowen石油工具公司联合研制的第一台连续油管作业装置(CoiledTubingUnit,CTU)投入石油工业应用至今,CT技术和CTU已经历了40多年的发展历程,其间,历经了初级发展阶段、发展“停滞”阶段、高速发展阶段和广泛应用阶段。特别是20世纪90年代初,法国Elf公司利用CT技术进行老井加深,美国Oryx公司利用CT技术侧钻水平井以及Ensco公司利用CT技术进行欠平衡钻井的试验成功,极大地推动了连续油管钻井(CoiledTubingDrilling,CTD)技术的发展。目前CT作业技术已广泛应用于钻井(小井眼井、定向井、侧钻水平井、欠平衡钻井等)、完井、采油、修井和集输等作业的各个领域,解决了许多常规作业技术和方式难以解决的问题,应用效果明显。1.ct的技术优势CT作业技术与常规作业技术和方式相比,具有许多明显的优势和特点,突出表现在:①作业成本低。由于CTU设备少,搬迁安装和作业井准备时间短,以及CT起下作业速度快,工作量小,直接降低成本,CTD侧钻井成本为常规钻新井的1/3,CTD作业节约费用25%～40%。②增加油井产量。CT作业技术或通过油管老井重钻或侧钻水平井,可使原本没有经济效益的老井增加产量。③保护油层,作业安全。对一些敏感地层,用CT作业安全可靠,可进行不放喷、放压,带压连续作业,防止地层污染,保护环境,保护油层,增加产量。④水平井、定向井作业,方便快捷。在水平井和大斜度定向井中,一些如电测和钢丝绳作业,或在水平井段中的冲砂洗井作业,CT技术具有方便作业的优势。⑤海上作业,优势明显。CTU占地面积小,特别适合于地面条件受限制的海上平台钻井和过油管钻井作业,不仅缩短作业周期,而且增加产量,降低成本。2.备、井下工具和作业工艺总体来说,完整的连续油管技术主要有地面设备、井下工具和作业工艺三大部分构成。过去的40余年,这三大部分均得到了长足的发展,其技术发展现状具体表现在如下几个方面。(1)连续油管作业机CTU可分为常规型和复合型2种型式,以适应不同的作业用途、工况和道路条件的要求,其中,常规型主要有拖车式、车装式、橇装式3种型式。前2种用于陆上,后者主要用于海洋。复合型CTU可用CT和钻杆柱进行作业。此外,一些专用连续油管设备的相继问世,如处理大直径连续油管完井管柱的连续油管完井作业机、能够操作连续油管和接头连接管柱的连续油管钻井作业机、湖泊和沼泽地区使用的驳船式作业机、北极地区使用的全封闭式作业机等,使得地面设备的品种和型式更加丰富。图1至图6展示了几种典型的地面设备,其中图1所示的车装式连续油管作业机结构相对较为简单,移运方便灵活,适合我国的道路和井场条件,较小直径的连续油管作业设备通常采取这种结构形式;图2所示的拖车式连续油管作业机将各个工作机构集中布置在拖车上,采用通用的牵引车移运,适合较好的道路和井场条件,较大直径的连续油管作业设备通常采取这种结构形式;图3所示的橇装式连续油管作业机采用模块化结构形式,根据连续油管作业机的机构特点,将其主要部件划分为合适的模块,因此制造相对较为简单,用于海上平台的连续油管作业设备通常采用这种结构形式;图4和图5所示的自带吊车和井架的连续油管作业机结构较为复杂,其突出特点是,作业时不需要另外的起吊设备,但移运时对道路和井场条件的要求较高;图6所示的专用连续油管钻井装备结构齐全而复杂,造价昂贵,移运困难,其突出的结构特点是,这种装置将CT滚筒置于注入头上方,作业时,省去了注入头的导向器,消除了因导向器引起的CT弯曲和疲劳破坏,因此能大大提高CT的使用寿命。美国HydraRig公司研制的复合型CTU,除了配备常规CTU外,还装备有钻台、天车、井架、游车、液压大钳等,注入头、导向器与控制室置于钻台上,采用自动控制技术、传感技术和数据采集系统,对整套装备实施全面监控,具有自动司钻功能。加拿大Dreco公司开发的用于北极或沙漠地区使用的CTU,安装在该公司制造的重型自走式车上。该型CTU适合于-45～+45℃的环境下作业,各部件封装在防碰框架结构内,液压动力系统采用封闭和隔音结构。地面设备的关键部件之一,注入头的研制已基本实现系列化。注入头提升能力从20世纪70～80年代的44.5～178kN(10000～40000lbs)发展到今天最大为889.6kN(200000lbs);不同型号的注入头常常通过更换图7所示的连续油管夹持块来实现,这种带有可替换嵌入件的注入头链轮可适合于不同口径尺寸的连续油管;特殊嵌入件使注入头可操作直径193.6mm(英寸)的接头式套管。美国Stewart&Stevenson公司近期开发的新型注入头有2000型、1500型和1000型3种系列,其最大拉力分别为889.6、667.2和444.8kN,其中,2000型注入头的强行下入能力为445kN,适用CT尺寸为ø114mm,这种注入头采用2台轴向柱塞变排量马达,可在闭路或开路状态下工作,排量为49.2L/min,压力为31MPa,最大下入速度达61m/min。HydraRig公司生产的注入头也有多种型式,其中,HR2500型注入头最大拉力为889.6kN,适用CT尺寸为ø50.8～139.7mm。Stewart&Stevenson公司提供给CTU用的防喷器组,孔径尺寸为65～179mm,工作压力为35～105MPa,防喷器采用手动或液力打开或关闭阀体,更换闸板方便,有单组、两组、三组和四组防喷器结构型式。地面设备的控制系统由过去的手动液压阀操作方式,发展到今天的电-液控制系统、计算机控制系统,大大提高了控制能力和性能。反馈控制方式能够保持恒定压力,并使连续油管以恒定的速度下井,提高了操作的可靠性和安全性。国外CT作业技术的发展是随着CT自身性能的提高而不断发展起来的。CT尺寸从20世纪60年代的ø19.05mm发展到20世纪90年代的ø168.3mm,其材质的发展也经历由高强度低合金碳钢、高强度低合金调质钢到钛合金和复合材料,屈服强度也由原来的345MPa提高到960MPa。为优化CT管柱质量,增加CT作业下入深度,国外近期研制出一种变径CT,其下入深度比常规CT深出55%。此外还进行CT腐蚀状态的研究。(2)井下工具组合最初的连续油管作业工具都是由常规的钢丝绳工具、钢丝工具和钻进工具加以修改用于连续油管作业。随着连续油管作业技术应用的拓展,专用连续油管作业工具不断研发出来并投入使用。连续油管内缆线的穿入推动了电子控制工具的发展:MWD、电-液-机械动力井下工具组合应用于定向钻进。井下工具几乎成为作业工艺的代名词,一套井下工具系统代表了一项作业工艺;反过来,一项作业工艺则需要一套特有的井下工具系统来实现。图8展示了用于负压冲砂作业的井下工具系统,该系统主要由喉部节流装置、滤砂装置、单向阀、连接器、喷射装置等组成,其特点是有利于保护油层,冲砂效果较好;图9展示的则是连续油管过油管分层酸化作业的工具组合,该系统主要由封隔器、相关控制阀、连接器等组成。为了适应CTD欠平衡钻井需要,美国AnTech公司近期开发出一种COLT型CT井底钻具总成(BHA),这种新型总成配备有一连接器,钻头的定向采用电驱动的定向装置控制。在钻井过程中,其弯壳可在0～3°之间连续调节,在钻直井眼时,减少卡钻的可能性。(3)连续油管现场应用随着水力模拟技术的发展,冲洗、酸化增产措施、氮气气举这3项连续油管主体作业工艺技术更加优化,作业效率提高,费用降低。近几年发展的连续油管负压冲砂技术,结合了喷射泵的技术,动力液为水或氮气,适于冲洗含砂量大、环空返出液速度不高的油井。用于深井的连续油管负压冲砂技术、连续油管过油管跨层分隔、分层酸化压裂等多项新技术也相继投入现场应用。到目前为止,国外连续油管技术主要应用于修井作业、测井和钻完井3个方面。其中,用于修井作业的典型工艺有挤注水泥、打捞、通井扩眼、冲砂洗井、除垢、卸压诱流、注氮试井、酸化作业(酸洗、定点注酸)、不停产油管防腐处理作业和连续油管分层压裂等;用于钻完井的典型工艺主要有老井重钻加深、小井眼水平钻井、欠平衡钻井、气举完井、过油管防砂作业等。其中,图10所示的连续油管分层压裂作业工艺是备受油田关注且油田生产需要的工艺技术,也是我国近期需要研究开发的工艺技术之一。微井眼钻井技术连续油管技术与装备的发展趋势主要体现在如下几个方面:①地面设备将继续体现作业用途、工况和道路条件的差异性与特殊性,突显其个性化。控制系统将朝着数字化和智能化方向发展,设备性能将进一步提高;②随着勘探开发的难度加大和油井条件的进一步复杂,一些新的特殊作业工艺将应运而生,其目的是解决常规技术无法解决的热点难点问题,与这些特殊作业工艺密切相关的井下工具也会得到进一步发展;③新材料和新工艺的应用将显著提升连续油管本身的综合性能,扩大其应用范围。变直径和变壁厚的锥形连续油管具有管柱下部质量较轻的特点,可以使连续油管下入到更深的井段;④连续油管专用管理软件和施工作业软件将得到进一步丰富与完善,并将在实际应用中发挥其特有的作用。基于连续油管技术的微井眼钻采技术(MicroholeTechnology)无疑是这一领域的前沿技术。该项技术是以连续油管技术装备为中心发展起来的一套集钻井、测试、采油等功能装备和技术于一身的集成技术,其井眼直径为88.9mm(英寸)或更小,是经济开发老油田剩余油藏和低渗透油藏的有效手段之一。微井眼钻井技术具有如下优势:①微井眼钻井设备占据空间更小(大约是常规钻机的1/20),质量更轻(不到常规钻机的1/10),因此减少了设备及人力费用(约为常规钻机的90%),相关对比见表1;②减少了钻井及完井所需材料;③相对于常规钻井技术,由于用连续油管钻井几乎不需要起下钻,因此更加省时、省钱;④钻井液与岩屑体积大大减少,降低了处理费用;⑤对地层和环境的负面效应更小,钻井液系统的零排放能更好地保护生态环境,更能满足HSE要求;⑥微型化的连续油管钻机移运性好,有利于复杂地理环境的油气田的开发;⑦钻机及相关设备占地更少,减少了对环境的影响;⑧微井眼及相关钻井设备的微型化大大降低了钻开发井投资者的勘探风险;⑨可实现增产及提高采收率。为了做到既符合环保要求,又能经济地开发众多低丰度、低渗透油藏和边际油田,美国能源部(DOE)主动组织、协调、支持、资助微井眼钻采工艺的研发。这一举措被认为是一项寓意深远的科技决策和能源发展战略。微井眼钻采工艺被认为是一项旗舰(FlagShip)型工艺,将会引领和触发一系列专业技术的大变革。美国能源部国家能源技术实验室(NETL)所属的天然气与石油策略研究中心(StrategicCenterforNaturalGasandOil)为此建立了开发ø88.9mm(英寸)微井眼钻采工艺的基金,资助6家有潜质的公司开展六大核心技术的攻关:①斯伦贝谢公司承担研发用连续油管的超小型钻机(CTmicrorig);②贝克休斯公司承担用于ø60.3mm(英寸)的小型地质导向工具(Geosteering);③西方井下工具公司(WesternWellTool)承担研发水平井钻井井下工具;④Bandera公司负责开发零排放钻井液系统;⑤Stolar研究公司承担雷达导向系统(Radarguidanccsystem);⑥采气专业公司(GasProductionSpcciaities)负责研发超小型电潜泵(Micropump)。国内连续油管关键技术研究情况我国引进和利用连续油管作业技术始于20世纪70年代。1972年,我国引进了第一台波恩公司生产的连续油管作业机,在四川油田开始利用连续油管进行气井小型酸化、注氮排残酸、气举降液、冲砂、清蜡等一些简单作业,累计进行数百口井的应用试验,取得了一定的效果,并积累了经验,随后在全国各油田推广应用。目前,国内共有引进连续油管作业机28台,主要分布陆地上(自走车装或大拖车装式)有大庆、胜利、中原、河南、大港、辽河、华北、四川、吉林、吐哈、塔里木等油田。海洋上(橇装式)也有少数几台。国内开展连续油管技术与装备的研究与开发始于20世纪90年代初,主要由中国石油集团科学技术研究院江汉机械研究所承担。该所从充分调研和学习消化国外相关先进技术入手,先后开展了如下工作:①广泛收集国外连续油管技术与装备的技术状况和应用情况,重点调研有关作业工艺技术,翻译、编辑和出版了《连续油管作业技术文集》一书;②针对塔里木油田早期引进的连续油管作业装备,学习消化该设备的使用、操作与维护,并翻译、编辑和出版了《连续油管作业机操作与维护》一书;③针对连续油管侧钻工艺技术,承担并完成了中国石油天然气集团公司科研项目“连续油管侧钻技术调研报告”的撰写工作;④对管径为32mm的连续油管作业机进行了总体设计和主要部件的详细设计;⑤1997～1998年,与塔里木油田合作,在对引进的连续油管作业井下配套工具进行学习和消化的基础上,研制了适应于ø31.75mm和ø38.1mmCTU使用的液压断开接头、双向震击器、加速器、旋转冲洗工具、拉拨工具等近16种,已在新疆油田进行现场试验与使用;⑥目前,正在针对长庆油田低压低产小水量排水采气工艺,开展“XPCQ—36小直径连续管排水采气装置的研制”;针对辽河油田对水平井进行修井作业的工艺需求,开展“连续管技术在水平井作业中的应用技术研究”。此外,国内还涉足了针对CT本身的部分研究工作,如江汉机械研究所开展了“CT椭圆度恒磁检测技术及装置研究”和“CT缺陷综合检测传感器的磁路设计”单元技术的研究,石油大学也开展了“用模糊Bayes方法确定CT的疲劳寿命分布”、“CT疲劳可靠性分析的新方法”和“CT疲劳寿命预测模型的建立”等基础研究。上述工作基础和技术积累为国内开展连续油管技术与装备研究打下了必要的基础。但是,也必须看到,连续油管技术和装备在国内的应用主要局限于直井的简单作业,应用情况有好有差,但总体应用情况不如人意,没有反应和显示此项技术的真实水平和特点,其主要原因