国外连续管钻井系统发展与应用

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(中国石油集团钻井工程技术研究院 江汉机械研究所，武汉 430024)

国外连续管钻井系统发展与应用

张富强，刘寿军，段文益，宋治国，于东兵，颜家福

(中国石油集团钻井工程技术研究院 江汉机械研究所，武汉 430024)

随着连续管钻井装备、钻具组合和钻井工艺的不断发展，连续管钻井技术作为一种成本低、效率高、安全可靠的新技术，已成为钻井领域的技术热点。介绍了连续管钻井系统的构成；总结了连续管钻机发展历程和技术特点；分析归纳了典型连续管钻具组合的结构及特点。提出了连续管钻井系统在国内的发展思路。

钻机；连续管；连续管钻井；钻具组合；发展

连续管钻井技术始于20世纪90年代初期，1992-10，道威尔公司在法国巴黎盆地MLB1井完成了第1口真正商业化意义的连续管钻井。随着连续管钻井装备、井下工具和钻井工艺的不断发展，连续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，成为钻井领域的技术热点。连续管钻井技术主要分为重入钻井(加深或侧钻)和钻新井2大类，重入钻井主要应用在美国、欧洲和中东地区，通常连续管管径小，井较深，钻井过程中需要定向等，重点发展井下钻具；连续管钻新井主要用于加拿大的浅层气井、煤层气井和澳大利亚煤层气井，井浅且需要钻表层、下套管和完井等作业，需采用大管径连续管(2英寸或3英寸)，重点发展连续管钻井装备。

1 连续管钻井系统构成

连续管钻井系统主要由连续管钻井地面系统和井下钻具组合2部分组成。连续管钻井地面系统主要由连续管钻机、循环系统、井控系统和辅助系统等组成，与常规钻井地面系统相比，连续管钻井系统的钻井液循环与处理系统、井控系统及相关辅助设备并没有特别要求，两者标志性的特征差异在于连续管钻机[1]。

对于不同的钻井工艺，钻具组合有所不同，其基本配置包括连接器、马达头、定向工具、随钻测量系统、马达和钻头等。

2 连续管钻机

伴随着连续管钻井技术的发展，连续管钻机经历了从单模式连续管钻机到复合连续管钻机的变革[2]。

2.1 单模式连续管钻机

单模式连续管钻机是在常规连续管作业装置的基础上发展起来的，整套钻机的组成除了注入头、滚筒等连续管设备外，还配置了用于支撑注入头的塔式井架和循环系统、井控系统等。单模式连续管钻机不具备钻表层和起下管柱的能力，主要是在钻机或修井机的配合下进行重入钻井。

2.2 复合式连续管钻机

FOREMOST公司是连续管复合钻机的先驱，据不完全统计，85%的在用连续管复合钻机由其制造。连续管复合钻机的发展经历了3个阶段，如图1。

a 第1代

b 第2代

c 第3代

第1代连续管复合钻机是将井架、绞车和游动系统与单模式连续管钻机集成于一体，放置于一台半挂车上，具备了起下管柱的能力，提高了设备的运输机动性和安装的方便性。该复合钻机于1997年研制成功，配置最大提升力272.2 kN(60 000 lb)注入头、最大钩载360 kN的井架和游动系统，连续管钻井深度800 m。至2000年共有15台第1代连续管钻机在加拿大西部使用，至2002年共钻井6 200余口。

随着顶驱钻井技术的不断成熟，在第1代连续管钻机的基础上，由顶驱替代游动系统，产生了第2代连续管复合钻机，具备了钻表层和处理管柱的能力，同时增大了注入头的提升能力和连续管钻井深度。注入头最大提升力544.4 kN(120 000 lb)，最大钩载900 kN，连续管钻井深度达2 100 m(3英寸连续管)。至2009年该型连续管复合钻机共90台在北美地区应用。

为提升连续管钻井能力，继续增大注入头和顶驱的能力，增加滚筒的容量；驱动型式由原来的液压驱动改为交流变频驱动，提高连续管钻井的控制精度；同时配置了井口自动化工具铁钻工，提高连续管复合钻机的自动化水平，形成了第3代连续管复合钻机。第3代连续管复合钻机注入头最大提升力达907.2 kN(200 000 lb)，最大钩载1 360 kN，连续管钻井深度达3 000 m(3英寸连续管)。至2009年该型连续管复合钻机共5台在北美地区应用。2009年使用该型钻机钻井井深达3 034 m，钻井时间为常规钻井的1/2，创世界纪录[3]。

2010年以后，由于北美地区煤层气钻井数量大幅度下降和钻井深度的不断增加，北美连续管复合钻机的数量基本达饱和状态。

3 连续管钻井钻具组合

连续管钻井分为定向钻井和非定向钻井，非定向钻井主要用于钻浅层新井，不用严格控制钻井轨迹，钻具组合相对简单；定向钻井用于连续管侧钻，需严格控制钻井轨迹，钻具组合比较复杂，分为无缆式钻具组合和有缆式钻具组合2大类[4]。

3.1 无缆式连续管钻具组合

无缆式连续管钻具组合是指连续管内不穿入电缆，井底钻井参数通过泥浆脉冲传输，随着小尺寸MWD的发展，可通过机械-液力定向工具和弯螺杆马达实现定向控制。井下钻具组合一般包括钻头、螺杆马达、测量仪、连续管接头、定向工具和紧急断开接头等连续管专用工具。

3.2 有缆式连续管钻具组合

有缆式钻具组合是指连续管内传入电缆，可以从地面恒功率给井下钻具组合提供动力，并且在地面控制系统和BHA之间可以高速双向通讯。精确高效的定向控制和井下数据可用于钻井优化和过程控制。目前比较知名的有缆式连续管钻具组合主要为贝克休斯公司的CoilTrak、斯伦贝谢公司的VIPER和AnTech公司的COLT，这几种钻具组合系统技术先进、性能可靠，已在现场广泛应用。

3.2.1CoilTrak连续管钻具组合

1992年，出现了以贝克公司为代表的有缆式连续管钻具组合CoilTrak，经过2 a的测试和发展，1994年在欧洲开始商业化应用，1996年和1997年应用于荷兰、委内瑞拉、阿曼、俄罗斯以及阿拉斯加等地区。第1套有缆BHA主要由4部分组成：上部快速连接器、控制系统、机械丢手和螺杆马达。工具尺寸79.4 mm(3英寸)，完成井眼尺寸95.25～120.65 mm(3～4英寸)。

第2代连续管钻具组合2001年开始应用，2003年商业化。第2代系统拓展使用60.33 mm(2英寸)工具尺寸，钻更小的69.85 mm(2英寸)井眼。60.33和106.2 mm(2和3英寸)2种不同的工具尺寸可以覆盖69.85～120.65 mm (2～4英寸)的井眼。

CoilTrak连续管钻具组合主要部件是快速连接系统、动力和通讯短接、电控丢手和循环短接、钻井参数测量短接、定向伽马短接、液力定向器工具和一个螺杆马达。根据不同需求可额外增加不同的模块，包括安全回压阀、地质导向MWD、小井眼电阻率短接、肋板导向马达等[4]。如图2。

a 标准连续管钻具组合

b 大位移和地质导向钻具组合

c 欠平衡连续管钻具组合

3.2.2VIPER连续管钻具组合

VIPER连续管钻具组合是斯伦贝谢公司针对连续管钻井开发的一套有缆式连续管钻具组合，主要由钻井头、测量工具、转向工具和肋板马达4部分组成，如图3。工具外径73.0 mm(2英寸)。

图3 VIPER 连续管钻具组合

该钻具组合尽可能利用已有的成熟技术，其方向及井斜传感器、伽玛传感器就是由成熟的MWD的传感器改进而来。方向及井斜测量精度达±1°，精确的方向传感器和良好的方向控制允许设计小靶区钻井；伽玛传感器可以用来进行地层评价和地质导向，可用于薄地层的钻进并通过地质导向最大限度延长井眼的有效长度。

定向器是钻具组合的主要特点之一，该定向器由电力马达直接提供动力，可实时定向，工具面可以以1°的增量来转动，并可以顺时针或逆时针转动，转动转矩达1 351 kN·m(1 000 lbf·ft)，旋转速度1 r/min[5]。

3.2.3COLT连续管钻具组合

COLT连续管钻具组合是AnTech公司针对连续管钻井开发的一套有缆式连续管钻具组合，主要由电缆连接器、连续管连接器、电缆头、断脱器、定向器、传感器总成、可调弯螺杆马达和PDC钻头组成，如图4。该钻具组合采用可间断或连续转动电驱式定向装置控制钻头方位，并能将井底情况、钻具工作状态和地质资料实时反馈给钻井工作人员[6]。

图4 COLT 连续管钻具组合

4 现场应用

目前，世界上规模较大的石油公司和服务公司都在开展或参与连续管钻井业务，其中Baker Hughes、Nabors、Halliburton、Savanna、AnTech等公司占据优势。

连续管钻新井主要应用于加拿大地区，2000—2009年，在加拿大用连续管复合钻机钻井超过4万口，主要为浅层气井和煤层气井，其中仅2007年用50台连续管装备钻井数量超过5 000口，钻井深度大部分在1 800 m以内。用常规钻杆钻表层，表层井眼直径251 mm，深度150～300 m；用外径178 mm套管固井；利用外径73或89 mm连续管和外径120 mm的钻具组合钻主井眼，井眼直径159 mm；用外径114 mm套管固井。

连续管侧钻在美国、中东和欧洲等地区都有较广泛的应用，是一种可靠、安全、经济的对现有老井眼进行侧钻的有效方法。侧钻井深相对较深，井眼尺寸较小，为69.85～120.65 mm (2～4英寸)。1994—2016年，仅Baker Hughes公司采用连续管侧钻井810口，钻井总进尺达1 021 534 m。

5 结论

1) 经过20多年的发展，国外连续管钻井系统已比较成熟，并广泛应用于浅层油气钻新井和老井重钻，在缩短钻井时间、降低开采成本、提高最终采收率等方面发挥了积极作用。

2) 随着我国大庆、辽河、长庆等老油田挖潜增效工作的深入，急需对停产井、套损井和工程事故井进行侧钻复产。根据国外连续管钻井技术的实施情况，可以优先考虑在我国的一些老油田采用连续管钻井技术，进行老井加深和老井侧钻。

3) 为了缩短研究周期和减少研制费用，应广泛调研，选择性地引进成熟工艺和装备。在消化、吸收的基础上，研发适合我国国情的连续管钻井技术，并逐步实现国产化。

[1] 贺会群.连续管钻井技术与装备[J].石油机械，2009，37(7)：1-6.

[2] 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.

[3] By J.Gregory Nutter and Reg Layden.Two-in-one rotatry drilling/coiled-tubing rig enhances performance for permian basin wells[R].Drilling Contractor，2009.

[4] 唐志军，刘正中，熊继有.连续管钻井技术综述[J].天然气工业，2005，25(8)：73-75.

[5] Stefan Krueger，Lars Pridat.Twenty Years of Successful Coiled Tubing Re-entry Drilling With E-Line BHA Syetems-Improving Efficiency and Economics in Maturing Fields Worldwide[R].SPE 179046，2016.

[6] David Hill，Eric Neme.Reentry Drilling Gives New Life to Aging Fields[R].Oilfield Review，1996.

[7] 苏新亮，李根生，沈忠厚，等.连续油管钻井技术研究与应用进展[J].天然气工业，2008，28(8)：55-57.

DevelopmentandApplicationofOverseasCoiledTubingDrillingSystem

ZHANG Fuqing，LIU Shoujun，DUAN Wenyi，SONG Zhiguo，YU Dongbing，YAN Jiafu

(JianghanMachineryResearchInstitute，CNPCDrillingResearchInstitute，Wuhan430024，China)

With the continuous development of overseas coiled tubing drilling equipment，BHA and drilling technology，coiled tubing drilling as a low cost，high efficiency，safety and reliability of the new drilling technology，become a focus of drilling.The coiled tubing drilling system is introduced in this paper，the development，technological profile of coiled tubing drilling rig，and the structure and characteristics of typical BHA are studied and summarized.The development idea for our country’s coiled tubing drilling system us put forward.

drilling rig；coiled tubing；coiled tubing drilling；BHA；development

1001-3482(2017)06-011-05

2017-06-02

国家科技重大专项 “致密油气连续管侧钻钻井技术与装备”(2016ZX05022-003)

张富强(1981-)，男，高级工程师，硕士，现从事石油机械研发工作，E-mail：zhangfuq1@cnpc.com.cn。

TE922

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.06.003