CTR120／300复合连续油管钻机研制与试验

单代伟 李 奔 田 雨 文 涛

1.四川宏华石油设备有限公司 2.西南石油大学 3.中国石油长城钻探工程公司装备部4.中国石油川庆钻探工程公司地质勘探开发研究院

自从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（Coiled Tubing Unit，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。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（Coiled Tubing Drilling，CTD）技术的发展[1]。目前连续油管技术已经广泛应用于钻井、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[2－7]。其中连续油管钻井技术作为一项成本低、效率高、安全可靠的钻井新技术，成为了钻井领域的技术热点[8]。在国内，采用连续油管进行修井作业已有30多年的历史，但所采用的连续油管设备大多是从国外进口的。近几年，中国石油和中国石化相关科研院所通过技术引进和自主研发已经成功开发了具有自主知识产权的连续油管作业车[9]，但到目前为止我国还没有开发出用于钻井的专用连续油管钻机[10]。

早期由于没有专用的连续油管钻机，常采用连续油管作业机进行老井重钻，这时往往需要一台修井机准备钻前工作或配合进行下尾管和取出生产油管等作业。在钻新井时，也需要一台常规钻机钻开表层井眼和下套管。这就导致在钻井过程中需要准备两套钻机，并在连续油管作业机和常规钻机之间进行转换，导致作业效率低。为了提高连续油管钻井的效率，在20世纪90年代后期，人们就提出了将连续油管钻机和常规钻机复合的想法，即复合连续油管钻机[11－13]。为了满足国内外钻井市场对连续油管钻机的需求，四川宏华石油设备有限公司与西南石油大学合作成功研发了国内首台CTR120／300复合连续油管钻机。

1 复合连续油管钻机的总体方案

为了使得连续油管钻机能满足全过程钻井和下套管作业的要求，CTR120／300复合连续油管钻机将连续油管装置和带动力水龙头的常规钻井装置集成在一起，钻井过程中采用常规钻井设备钻进表层井段和下套管作业，采用连续油管钻井设备进行表层以下的钻井作业。钻机在门型井架上设计了一段水平导轨，注入头安装在水平导轨上，一对液缸推动注入头底座在水平导轨上滑动，从而实现注入头移动到井眼轴线和远离井眼轴线的动作。当注入头移动到井眼上方时，可以进行连续油管作业；当注入头移离井眼位置时，由动力水龙头（或顶驱）占据井眼位置，则可进行常规钻井和下套管作业。CTR120／300复合连续油管钻机还配备全套的自动化管子处理装置、轻便铁钻工、自动液压卡瓦等机具，以减少钻台面的作业量，不仅能降低工人劳动强度，更能减少潜在事故的发生。为了提高连续油管钻机的移运性，钻机的主要设备设计在3台拖挂单元上，分别是连续油管井架底座拖挂单元、连续油管滚筒拖挂单元和机械手拖挂单元（图1）。

图1 CTR120／300复合连续油管钻机图

2 钻机的基本参数

名义钻井深度范围（114.3mm 钻杆）2 000m；最大大钩载荷（8绳）1 350kN；钻井钢丝绳直径29 mm；滚筒容量3 000m（73.02mm 连续油管），2 000m（88.9mm 连续油管）；注入头提升力534 kN；注入头注入力267kN；注入头最大提升速度48 m／min；绞车额定输入功率450kW；门型井架净空高18.5m；钻台高度4.5m；钻台面积5.7m×3.555m；转盘梁净空高4.1m。

3 厂内钻机钻井试验

3.1 试验目的

图2 CTR120／300复合连续油管钻机试验现场图

2010年，在四川宏华石油设备有限公司广汉厂区，对CTR120／300复合连续油管钻机进行了钻井试验（图2），试验的目的：①初步掌握连续油管钻井工艺；②验证连续油管钻机各部件是否满足设计要求，为相关设备和零部件的改进提供依据；③考察采用连续油管钻井是否能显著提高钻井速度；④考察88.9 mm连续油管在215.9mm井眼的钻进过程中，连续油管是否能提供相应的钻压和承受钻头的反扭矩；⑤考察连续油管钻井过程中井眼的清洗情况。

3.2 钻井试验的基本情况

钻井前挖好方井并安装450mm导管和开好溢流口，为第一次开钻和第二次开钻钻井液循环做好准备。开钻前表层套管、钻具、工具到位，钻井液水化时间达到24h并处理完成，密度1.05g／cm3，漏斗黏度大于40s；全套设备试运转正常，表层固井水泥及固井车辆到位后方可开钻。

第一次开钻主要钻遇未成岩的冲积砂和卵石层，采用常规钻杆钻井，采用311.2mm钻头，钻至井深64m，下入244.5mm的表层套管，封隔易塌、易漏和区域水层，保护地下水层。

第二次开钻进行连续油管钻井试验（图3），215.9mm钻头钻达设计试验井深350m。主要钻遇泥岩、页岩和砂岩。钻井参数：钻压为20～30kN，排量为18～20L／s，泵压为3～5MPa。钻井液参数：密度为1.05～1.15g／cm3，漏斗黏度为38～40s，API失水量为5mL，泥饼厚度为0.5mm。钻具组合：215.9mm钻头＋165.1mm螺杆钻具＋431×4A0接头＋5根152.4mm钻铤＋4A1×310接头＋120.65mm马达头总成＋139.7mm连接器＋88.9mm连续油管。

图3 连续油管钻井下部钻具组合图

3.2.1 连续油管

钻机配套美国Tenaris公司的90级连续油管，外径为88.9mm；内径为78.53mm；壁厚为5.18mm；长度为2 000m；重量为10.7kg／m；最小屈服极限为620MPa；内部最小屈服压力为68.26MPa；扭矩屈服极限为18.6kN·m。

3.2.2 连续油管连接器

连续油管钻井需要通过连续油管连接器连接各种井下工具，此次配套的是螺钉凹坑式连续油管连接器。该连接器一端和连续油管连接，另一端的螺纹接头与其他井下工具连接（图3）。连接前，通过连接器和凹坑螺钉在连续油管末端的管壁上预先压制出相应的凹坑，再通过球头螺钉压入凹坑，从而将连接器固定在连续油管末端。球头螺钉需要扭紧至规定的扭矩，确保连接器与连续油管的连接安全可靠，能承受钻井时的冲击和振动。

3.2.3 马达头总成

马达头总成是集成了几种井下工具的短节，通常将止回阀、丢手短节和循环短节集成在一起，集成后的工具长度更短（图3），减少了现场连接次数。止回阀在马达头总成的最上端，用来阻止钻井液倒流进入连续油管。丢手短节通常安装在止回阀之下，在下部钻具组合卡死的情况下，通过投球的方式能断开连续油管与下部钻具组合的连接，上提连续油管后就可开始打捞作业。循环短节位于马达头总成的最下端，当下部钻具被埋或钻头水眼堵塞时，通过循环短节来建立钻井液循环通道。

4 连续油管钻井试验分析

4.1 钻压

本次试验过程中，注入头载荷变化不规则，未能准确反映施加在钻头上的钻压，需要依靠钻井泵泵压的变化来判断钻压的施加情况。分析认为：连续油管的不旋转使其与井壁产生无规律的滑动摩擦，导致从注入头悬重表测量的钻压数据不准确。因此，连续油管钻井应在下部钻具组合增加测量短节，从井底直接测量钻压，以消除连续油管与井壁摩擦对钻压测量的影响。在连续油管定向钻井中，连续油管与井壁的随机接触情况更加复杂，从井底测量钻压尤为必要。

4.2 井眼清洗情况

连续油管钻进因上部管柱不旋转，有效地清洗井眼的钻井液环空返速要求更高，特别是钻定向井。岩屑容易沉降在井眼低边形成岩屑床，这增大了连续油管与井壁的摩擦力，甚至导致管柱在井眼中屈曲锁死。根据有关文献资料[14]，垂直井段钻进时，如果环空返速能大于36.57m／min，则能确保井眼清洗良好。在钻斜井和水平井时，钻井液环空返速至少为73.15m／min。

本次215.9mm垂直井眼段的钻进试验，按钻井泵排量为18.5L／s时计算环空返速就达到36.57 m／min，实际钻井中钻井泵排量在17～20L／s，井眼清洗情况良好（图4）。

4.3 钻进深度测量

图4 返回的井底岩屑图

此次钻井试验，注入头和滚筒上深度测量传感器为接触式传感器，钻进过程的连续油管长度测量误差较大，而在起下钻记录深度比较准确。试验采用的是三牙轮钻头，三牙轮钻头是通过冲击破碎的方式实现破岩的，钻进过程中引起了连续油管较强烈的振动，特别是在钻头钻遇软硬交错地层时，振动更为明显，连续油管的振动从井下传到地面，导致连续油管的深度测量出现较大误差。钻井过程中，井下连续油管处于屈曲失稳状态，在温度、压力、轴力和扭矩的作用下亦会产生相应的变形，即使是地面传感器测量精度高也很难准确掌握钻头的钻进深度。所以，在连续油管进行老井开窗侧钻作业中，可以在下部钻具组合中增加套管接箍定位器以便准确的确定钻头的深度。在已知区块采用连续油管钻新井则可在BHA中增加自然伽马（gamma）传感器，通过测量地层的自然伽马来校准钻头的深度[15]。

4.4 起下钻分析

连续油管钻井的一大优点就是起下钻无需接单根。在现场进行连续油管起下钻时平均速度为0.16 m／s（576m／h）（图5）。而常规钻井时，如果5min起下一根立根（27m），则起下钻速度也仅为324m／h，因此在钻井试验中连续油管起下钻速度是常规钻杆起下钻速度的1.78倍。考虑到连续油管注入头的最大提升速度是0.8m／s，因此在保证起下钻安全的情况下，连续油管起下钻速度可以达到常规钻杆起下钻速度的3倍。

图5 连续油管钻机与教学钻机起下钻速度对比图

4.5 机械钻速分析

在相同地质状况和用同一台钻井泵的情况下，将连续油管钻机与相距35.6m处宏华2号教学钻机（ZJ40DBS钻机＋顶驱）的钻井情况进行对比如下：

1）连续油管钻机全井纯钻38.68h，全井平均机械钻速9.05m／h，宏华2号教学钻机全井段平均机械钻速1.93m／h，连续油管钻机的全井段机械钻速是宏华2号教学钻机的4.69倍。

2）连续油管的215.9mm井眼段钻进，进尺为285.74m，纯钻时间为27.40h，机械钻速为10.42m／h。而采用宏华2号教学钻机钻的215.9mm井眼段平均机械钻速仅为2.03m／h。因此在215.9mm井眼的钻进中，连续油管钻机的机械钻速是教学钻机机械钻速的5.1倍（图6）。

图6 连续油管钻机与教学钻机机械钻速对比图

从图6对比数据可以看出，连续油管钻井因不需要接钻杆，能实现钻井液的连续循环，从而获得了更高的机械速度。如果配备完善的井下工具，司钻人员也具备丰富的连续油管钻井经验，那么钻井速度势必会进一步提高。

5 结束语

通过厂内的钻井试验，验证了CTR120／300连续油管钻机总体性能符合设计要求，88.9mm连续油管能满足215.9mm井眼钻进要求，而且连续油管钻井与常规钻井相比具有起下钻速度快、钻速高等优点。CTR120／300连续油管钻机的成功研制，填补了国内在该类型钻机上的空白。

目前，我国各油气田已进入开发中后期，急需开展老井挖潜增效、难动用储量开采等工作，而且我国浅层石油天然气、煤层气、页岩气资源丰富，这些都为连续油管钻井技术提供了广阔的发展空间和潜在市场[16]。目前国内连续油管钻机的研制与生产还没有形成规模，并且缺乏连续油管钻井相配套井下工具，特别是随钻测量和导向工具，在连续油管开窗侧钻和连续油管定向井钻井等方面也缺乏现场的实践经验。笔者认为国内相关科研机构和钻井公司应积极开展相关领域的研究工作，共同推动连续油管钻井技术在国内的应用和发展。

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