连续管注入头现状及发展趋势

瞿 丹，黎 伟

（西南石油大学机电工程学院，成都610500） ①

·技术综述·

连续管注入头现状及发展趋势

瞿 丹，黎 伟

（西南石油大学机电工程学院，成都610500）①

注入头是连续管装备的核心部件。介绍了连续管注入头的发展起源，并对现今连续管注入头的典型结构及工作原理进行了阐述。对注入头国内外发展现状进行了详细介绍，并对其发展趋势进行了总结。建议国内加大对连续管钻井装备，特别是钻井用注入头的研发力度，加快连续管装备国产化进程，为我国连续管钻井技术的快速发展创造有利条件。

连续管；注入头；连续管钻井；现状；发展趋势

1960年开发的一种潜水艇水下通讯天线升降装置，称为A／N Bra－18A天线传输系统，可在183 m（600英尺）水下升降∅15.9mm（英寸）带有聚乙烯包层的铜芯天线。2条传输链条中间装有由纤维强化酚醛塑料制成的“鞍状块”，通过鞍状块凹槽锁定通讯天线，并将天线储藏在注入头下方的滚筒上以便于天线的收放［1］。

该设计概念帮助Bowen工具公司开发出连续管注入头样机。1962年，加利佛尼亚石油公司和Bowen工具公司开发出第1台轻型连续管修井样机，并在美国墨西哥湾的油气井上用于冲砂作业［2］。连续管第1号注入头设计为垂直反转链条牵引系统，可起下∅33.4mm（1.315英寸）的油管，最大操作载荷为136kN（30 000磅）。滚筒直径为∅2 743 mm（9英尺），并装配了可旋转循环接头，在修井作业中可连续泵送连续管。

1 结构组成及工作原理

注入头经过几十年发展演变，各方面都发生了诸多变化。目前，用于连续管作业的注入头典型结构组成如图1。

图1 注入头典型结构

注入头主要由机架、液压马达、计数齿轮、连续管卡瓦、牵引链条、张紧装置、压紧装置、惰轮、载荷传感器等部件组成。机架的主要功能是安装固定注入头上的链轮、液压马达、压紧装置等附件；液压马达为驱动链条及连续管输送提供动力来源；张紧装置和压紧装置主要起张紧链条和驱使卡瓦抱紧连续管的作用；计数齿轮用于测量连续管的下入长度；载荷传感器主要起测量钻压的作用。通常，链条外侧的卡瓦内径与连续管外径相匹配，用于夹持连续管并随驱动链条一起拖动连续管做上、下移动［3］。

注入头上方的2个液压马达带动链条转动。链条外侧嵌装着连续管卡瓦。压紧油缸推动夹持块夹住链条的内侧，使连续管卡瓦夹紧油缸。当井口中心上方的链条向下运动时，将连续管注入井内，反之则将连续管从井内起出。为了保证链条能够正常工作，需要张紧油缸调节张紧滚轮，使链条完全张紧。

2 国外发展现状

2.1 连续管注入头

国外在连续管装备上发展较早，技术水平较成熟和先进。国外生产连续管注入头的公司主要有NOV Hydra Rig公司、双S（Stewart ＆Stevenson）公司、ASEP公司等。

2.1.1 Hydra Rig公司

Hydra Rig公司是美国NOV国民油井旗下的是生产注入头的主要厂家之一，全球约75%的注入头均由该公司生产。从技术开发水平上来说，Hydra Rig公司生产的连续管设备是目前市场最为先进和性能可靠的设备。近几年该公司注入头从200系列经过400系列、500系列更新，现已发展成最先进的600系列注入头。同时，Hydra Rig公司在连续管设备的技术开发中拥有多项专利，是世界上几个最大的技术服务公司（如斯伦贝谢、BJ、哈里伯顿等）的指定连续管设备供应商。国内绝大多数连续管装备都从Hydra Rig公司引进。Hydra Rig公司目前最新的注入头有HR－635、HR－660、HR－680、HR－5100等型号，如图2，其技术参数如表1。

图2 美国Hydra Rig公司注入头

表1 美国Hydra Rig公司注入头主要技术参数

2.1.2 双S公司

美国双S公司（Stewart＆Stevenson）也是生产连续管设备的厂家之一。双S公司从1989年起开始为油田提供连续管设备，以产品可靠耐用、质量轻而著称。双S公司的设备所具有的拉力和驱动技术使其成为最受欢迎的连续管设备制造商。该公司M系列注入头（如图3）可以提供业界最大的拉力；D系列注入头则是按照连续管测井、钻井和压裂作业的需求而设计的；D系列注入头拥有特殊设计的“浮式”张紧系统，自动张紧，可实现超低速度，所适用连续管尺寸从∅25.4mm（1英寸）达到∅114.3 mm（4英寸）。双S公司最新D200型注入头的上提力可达到907kN（200 000磅），下推力可达到454kN（100 000磅），该注入头可满足连续管钻井的要求。

图3 美国双S公司M－100L型注入头

2.1.3 ASEP公司

荷兰ASEP公司也是生产注入头的主要厂商之一。其最新研发的363kN四驱K－COIL Quad－Head 80H型注入头（如图4）体积只有同类产品体积的1／2左右，这是因为该注入头采用四链条驱动式设计，能增大注入头提升力并大幅降低注入头夹痕对连续管的伤害［4］。

图4 荷兰ASEP公司四驱注入头

还有些公司在注入头的设计研发上各具特色。如加拿大Dreco公司生产的注入头采用单组牵引链条，具有结构简单、体积小、更换卡瓦方便等优点；美国Baker Hughes公司开发的人工智能注人头能有效减少连续管受弯曲变形和交变疲劳作用，使连续管寿命提高70%［5］。

2.2 连续管钻机

连续管钻机生产商主要有加拿大Foremost公司和美国Xtreme Coil公司。

2.2.1 Foremost公司

早在1997年，Foremost公司就致力于开发独特的商业化连续管钻机。到2007年底，Foremost公司已经成为北美连续管钻机的主要供应商。目前，Foremost能研发钩载907kN（200 000磅）、注入头上提力544kN（120 000磅）、下推力182kN（40 000磅）的复合连续管钻机。

2.2.2 Xtreme Coil公司

Xtreme Coil公司连续管钻机技术处于世界领先地位。目前设计了XTC200ST、XTC200DT、XTC200DTPlus、XTC300ST和XTC400ST型5种型号的复合连续管钻机。前2种型号钻机配备的注入头上提力为544kN（120 000磅），后3种型号钻机配备的注入头上提力为907kN（200 000磅），适用连续管尺寸均为∅88.9mm（3英寸）。

可以看出，随着连续管外径不断增大和作业深度不断增加，连续管作业从修井领域向钻井领域扩展，对注入头提升能力的要求也越来越高。

3 国内发展现状

我国引进和利用连续管作业技术始于20世纪70年代。1977年，我国引进了第1台Bowen公司生产的连续管作业机。受引进成本和国外关键技术封锁的制约，国内连续管的应用局限在冲砂洗井、钻桥塞、气举排液、注液氮、清蜡、挤酸和配合测试等常规作业，并且存在设备老化、设备不配套、设备使用率低、施工费用高等缺点［6－7］。

为打破国外对连续管设备的技术垄断，国内公司主要采取技术引进和自主研发相结合的方式，进行连续管作业设备的研发工作，并取得了一定成果。代表公司主要有：中国石油集团钻井工程技术研究院江汉机械研究所（简称江汉机械研究所）、中石化江汉石油管理局第四石油机械厂、辽河石油装备制造总公司及烟台杰瑞石油装备技术有限公司等，研发的注入头主要技术参数如表2。

表2 国内连续管注入头主要技术参数

近几年，由于连续管钻井呈现出越来越明显的技术优势，国内对连续管钻井装备与技术的关注度日益增加。四川宏华石油设备有限公司是国内在连续管钻井装备研发上开展较深入、技术水平较高的公司之一。该公司已经研制出了ZJ30／1350CT型复合连续管钻机和ZRT540型注入头，如图5～6。该注入头由2台赫格隆液压马达直接驱动，没有机械减速箱，简化了注入头结构，提高了作业效率。注入头最大提升载荷为544kN（120 000磅），最大注入载荷为272kN（60 000磅），最大起下速度为48 m／min（157英尺／min），适用连续管尺寸为∅50.8（2）、∅60.33（2）、∅73（2）、∅88.9（3）mm（英寸）。目前该连续管钻机已完成钻井工艺试验，还未进行商业推广应用。

图5 ZJ30／1350CT型连续管钻机

图6 ZRT540注入头

4 发展趋势

1） 由于大直径连续管钻井能力强，所需要的循环泵压低，这有利于获得更快的机械钻速和更好的清岩效果。目前，∅88.9mm（3英寸）连续管已成为连续管钻机的标准配置［8］。因此能够容纳∅88.9mm（3英寸）连续管的注入头成为了行业内的主流发展趋势。且随着连续管外径的不断增大和长度的不断增加，对注入头提升能力的要求也越来越高。

2） 世界钻井装备与技术正朝着信息化、智能化和自动化方向发展，连续管钻井装备的发展趋势也应与此相符。因此，为使连续管钻机更易实现数字化控制，对注入头及配套装备采用交流变频驱动和PLC控制技术也成为主要发展方向。

5 结语

本文首先介绍了连续管注入头的发展起源，并对现今连续管注入头的典型结构及工作原理进行了阐述。在此基础上，对注入头国内外发展现状进行了详细介绍，并对其发展趋势进行了总结。可以看出，国内研制的连续管注入头工作能力与国外相比存在较大差距，适用连续管尺寸范围较窄，且主要应用于连续管作业领域，对适用于钻井工况下的注入头研发力度不够，与国外大公司相比缺乏竞争力。21世纪连续管钻机将成为主要的钻井装备，且我国具有广阔的连续管钻井市场需求，在这种背景下，国内亟须加大对连续管钻井装备，特别是钻井用注入头的研发力度，加快连续管装备国产化进程，为我国连续管钻井技术的快速发展创造有利条件。

［1］ 刘新会，张兴平.连续油管设备及技术的发展［J］.国外油田工程，2007，23（6）：26－28.

［2］ 李大公，朱长发.连续油管综述［J］.国外石油机械，1995，6（3）：22－33.

［3］ 邓 平，王定亚，杨建武，等.连续管钻机技术研究及开发建议［J］.石油矿场机械，2009，38（11）：36－40.

［4］ 任国富，张华光，付钢旦，等.国外连续油管作业机的最新进展［J］.石油矿场机械，2009，38（2）：97－99.

［5］ Richard B.Microdrill Initiative Initial Market Evaluation［R］.US：Department of Energy，2003：9－11.

［6］ 王少力，郑子元.连续油管国产化技术研究新进展［J］.石油矿场机械，2008，37（8）：91－93.

［7］ 王海涛，李相方.连续油管技术在井下作业中的应用现状及思考［J］.石油钻采工艺，2008，30（6）：120－124.

［8］ 单代伟，刘清友，陈 俊，等.连续油管钻机现状和发展趋势［J］.石油矿场机械，2010，39（5）：79－83.

Current Situation and Development Trend of Coiled Tubing Injector Head

QU Dan，LI Wei
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu，610500，China）

Injector head is the core component of coiled tubing equipment.The developing history of coiled tubing injector head was presented and a detailed introduction about typical structure and working principle for modern coiled tubing injector head was made.On this basis，the current development situation of coiled tubing injector head at home and abroad was elaborated and the developing trend of coiled tubing injector head was summarized.More efforts for research on coiled tubing drilling equipment，especially injector head used for drilling should be made to speed up localization process of coiled tubing equipment and create favorable conditions for rapid development of domestic coiled tubing drilling technology.

coiled tubing；injector head；coiled tubing drilling；current situation；development trend

1001－3482（2012）01－0046－05

TE933.8

A

2011－07－07

四川省科技支撑计划项目（07GG002－023）

瞿 丹（1987－），女，湖北荆州人，硕士研究生，主要从事连续管装备的设计研究，E－mail：qudan1987＠126.com。