国内连续管侧钻定向井现状与难点分析

于东兵，刘寿军，张富强，杨高，熊革

油气田开发

国内连续管侧钻定向井现状与难点分析

于东兵，刘寿军，张富强，杨高，熊革

（中石油江汉机械研究所有限公司，湖北 荆州 434000）

连续管侧钻定向井技术在中国刚刚起步，在工艺、装备与工具等相关技术方面缺乏足够认识。为此，介绍了国外连续管侧钻定向井技术现状与最新的进展，以及国内开展的连续管侧钻定向井现状与存在的难点，通过结合相关井次的理论分析与现场数据回归统计，得出了国内开展连续管定向钻井需要考虑的几个难点，研究分析了地面装备配套、水力学、岩屑床、钻压等方面参数，并进行了量化，为下步开展连续管定向钻井具有借鉴与指导作用。

连续管侧钻定向井；现状与难点；地面配套

从上世纪90年代初美国Oryx能源公司用无缆连续管在一口老井中完成了侧钻作业试验起，连续管侧钻在全球已经有整整30年的发展历程。因连续管钻井具有安全有效的压力控制、快速的起下速度（45 m/min）、连续的循环以及更小的井场需求、更快的安装与拆卸速度，对环境影响小、需要人员少，已经在国外钻表层井眼、浅层气或气化采煤井眼与过油管老井重入侧钻定向井发挥了重要作用，成为油田老井增产侧钻定向井，浅层钻新井一种的新解决办法。

1 国外连续管侧钻定向井技术现状

据不完全统计，国外斯伦贝谢、贝克与Antech等公司连续管钻井总数超过2 200井次，总进尺达到了2×106m；其中，斯伦贝谢在全球连续管钻井数量已经超过了1 400井次，总进尺超过106m；贝克公司达到750井次，总进尺达到了9.5×105m[1，2]。连续管钻井按连续管内是否穿入电缆，分为无缆连续管钻井与有缆连续管钻井[3，4]。无缆连续管钻井被国外公司广泛地用于浅层大井眼直井钻井，最大井眼尺寸375 mm，该连续管钻井系统与常规钻井系统基本相同，包括地面井控配套由剪切/密封闸板与环形防喷器组成；剪切/密封闸板通径339.72 mm，工作压力34.5 MPa；环形防喷器通经342.9 mm，工作压力20.7 MPa。钻井配套泵额定工作压力17.2 MPa，最大排量18.4 L/s。工具系统包括60.3 mm连接器、120.65 mm马达头、158.75 mm钻铤（3~5）、171.5 mm马达、311.15 mm钻头，以及374.65 mm的扩孔器[5，6]。有缆连续管钻井系统主要用于侧钻定向井作业中，以贝克和Antech为例，工具系统尺寸已经发展成三种规格如60.3 mm、76.2 mm与127 mm；目前侧钻定向井最小井眼尺寸71 mm，最大井眼尺寸215.9 mm[7，8]。

2 国内连续管侧钻定向井技术现状

国内中石油江汉机械研究所有限公司从2010年开展了无缆连续管老井加深钻井的先导试验，并逐渐开展了过套管开窗的有缆连续管侧钻现场试验，至今已开展了13口井的现场试验，有效进尺接近104m；其中开展有缆连续管定向钻进4井次，无缆连续管定向钻进9井次；应用60.3mm连续管侧钻1口井次，73mm连续管侧钻12井次； 2019年还成功完成了一口连续管侧钻水平井作业，水平段长度123m。

作者通过参与国内连续管侧钻技术现场试验，发现国内无论是单模式的连续管钻机还是复合式连续管钻机工作能力都达到了国际先进水平[9]，以复合式钻机为例注入头最大提升力907.2kN，滚筒缠绕88.9mm连续管长度达到3000m，钻机井架提升力超1200kN，具备钻表层与起下管柱的能力。但，国内连续管侧钻定向井开展的侧钻工艺简单，以过平衡钻井为主，作业过程中存在着钻压施加困难，地面设备配套不协调，钻井时效慢，工艺与工具结合、经济性程度不高，导致了部分油田和施工方对连续管侧钻定向井在国内市场大范围应用产生怀疑。

3 国内连续管侧钻定向井难点

3.1 地面设备配套

连续管侧钻定向井的地面配套是指泥浆泵与固控净化循环系统，图1、2所示。国内连续管已钻井常采用2台F800泥浆泵或2台F500泥浆泵，一用一备，泥浆泵铭牌标注最大压力分别是34.5 MPa或27.2 MPa，常配置110 mm缸套与活塞；固控净化循环系统处理能力最大处理量：210 m3/h，配备2台高频振动筛、1台中速离心机、1台真空除气器，配80~160目的振动筛网，现场80目筛网占多数。表1是连续管侧钻定向井现场实测泵压统计表。表中现场作业的泵压值范围很宽，其中发现泥浆稠化较快、较严重，导致泵压值快速升高，现场观察振动筛有筛糊、泥浆处理不到位现象，表明固控中振动筛网与离心机选用是满足不了连续管侧钻要求；其次，泥浆泵标注铭牌与系统配置不协调，导致钻进作业中不满足要求，出现压力接近或稍稍超过20 MPa时，泥浆泵无法长时间工作。

图1 钻井泥浆泵

图2 固控净化循环

表1 现场施工泵压统计表

3.2 钻压施加

作者统计了连续管侧钻定向井侧钻深度至作业井深，如表2所示，侧钻点深度最小855 m，最大深度1 790 m；作业中配套的典型工具串如图3所示，包括钻头、单弯螺杆马达、MWD浮阀、无磁钻铤（MWD）、转向器、加重钻杆（8～12根）、马达头、连接器。所有的侧钻工具串中都加入了加重钻杆用于钻压施加，但现场作业中同样发现钻压施加困难，表现为钻压施加后无进尺，或进尺较慢。

表2 连续管定向钻井作业深度统计

图3 国内连续管定向侧钻典型工具串

3.3 侧钻工具数据获取

连续管定向侧钻工具如图3所示，与地面形成数据交流仅仅依靠MWD测出的井斜与方位数据，导致当前侧钻定向井过程中不能够准确的获得钻头处的钻压、扭矩值，导致地面注入头下放钻压与在井下施加的载荷关系是未知的，常出现以注入头的下放载荷作为钻压，无法获得钻进的钻压实际参数，钻进效果不好，其次，螺杆钻具输出的钻压和扭矩值是未知数，螺杆钻具的压降无法获得，总体泵压构成分析困难，易导致盲目下钻与起钻。某些情况下，还导致了管柱遇卡。

4 难点分析与解决措施

4.1 地面配套设备选用

选取定向钻进中泵压的实测值，利用钻柱公式[10]与MeDCO软件进行回归如表3所示，得出现场的泵压值与理论计算泵压差值约1~5 MPa，考虑到螺杆钻具压力属于负载决定，以及钻井过程中含钻屑含量的不同，因此，认为理论计算与现场作业的泵压基本吻合。结合国内东部区块的老井侧钻点井深，以及长庆苏里格的老井侧钻点井深，分析模拟计算得出现场需要的泵压与水功率如表4所示。考虑到连续管可连续高压循环钻井，可以喷射速度，有利于提高机械钻速；因此，建议现场配备更高压力的钻井泵,建议压力等级52.7 MPa，如F800HL，结合排量10~12 L/s，并对钻井泵的缸套和活塞采用陶瓷材料，提供使用寿命，降低现场修泵次数；其次，整套系统特别是驱动泵的动力必须满足压力等级要求。

表3 模拟分析与现场泵压对比

连续管侧钻是直接面向储层的钻井，钻压小，通过对返排的岩屑颗粒物直径分析得出直径小于3mm较多，图4所示。因此需要选用更高目数的振动筛网，建议选用筛网160~200目筛网，并配变频离心机，其次配套带有除气设备，此套装备中石油江汉所已经完成研发，并已生产。

表4 模拟分析与泵水功率计算

4.2 排量与机械钻速匹配

连续管定向钻进过程中，环空岩屑的含量、岩屑床的高度判断是一个难点，通过利用专业分析软件与现场回归分析，如表5分类统计所示。机械钻速影响到环空中泥浆固相含量与泵压，钻速越快，岩屑床堆积越严重，特别在造斜段岩屑堆积波峰与波谷差值越大，影响钻压施加，连续管进给发生卡阻现象。增大排量可有效降低岩屑床高度与造斜段堆积的波峰和波谷差值。因此，根据现场连续管钻进成功经验，回归得出在排量12 L/s下，最优的机械钻速时7.5 m/h，可有效降低短起次数，或注入高黏度胶塞协助返排，可以连续的钻进。10 L/s下，机械钻速时9 m/h，出现钻压施加困难，上提管柱有时有卡阻。

表5 施工排量与岩屑床回归模拟分析

4.3 环空流态控制

经验表明，紊流与层流对连续管钻定向井造斜段与水平段岩屑返排有至关重要的作用，图5通过国内目前连续管钻进120 mm井眼参数回归分析，泥浆密度按均值1.18 g/cm3，排量如图5所示9~12 L/s，对于宾汉姆流体，雷诺数大于2 100，环空内流体处于紊流状态，便于水平段与大斜度井的携岩，雷诺数小于2 100，环空内流体处于层流状态，适应于45°井斜的携岩。

图5 雷诺数回归分析

通过计算雷洛数Re，得出目前国内连续管钻井环空流态呈现的多是层流状态，也说明了当前钻大斜度井时岩屑返排困难，短起次数增加，因此，连续管进行大斜度定向钻进时必须控制环空流态。

4.4 短起工艺控制与测试工具

连续管钻井属滑动钻进，因连续管管径小，施工排量的限制，导致作业中岩屑易堆积，并不被悬浮起来，在钻压施加困难时，建议泵注高黏度的胶塞进行顶替，或者通过起下连续管的方式，打开工具中的循环阀，大排量冲洗井筒底部的岩屑床。所以，建议在钻井施工过程出现施加钻压后，机械钻速慢，或根本无进尺时，需要短起，其次，需要加快连续管定向钻进测试工具研发，快速的反馈井下钻进参数，利于更好地进行短起工艺控制。

5 结论

本文通过对国内连续管定向钻井现状的难点分析，并结合软件对现场数据回归研究，提出了下步促进连续管定向钻井需要考虑4个方面：地面配套设备选用、排量与机械钻速匹配、环空流态控制、短起工艺控制与测试工具研发，并在4个方面提出了促进国内连续管定向钻井现场的量化参数。

（1）建议配套适合连续管定向钻井的高压泥浆泵注设备，通过分析研究建议选用52.7 MPa的泥浆泵，整套泵组的动力参数配置必须满足水功率要求，建议配套适合于连续管面向地层钻进的固控设备，建议选用160~200目振动筛配变频离心机，使地面配套小型化，集约化；

（2）当施工排量10~12 L/s下，必须做好施工设计，控制机械钻速，使岩屑床高度控制在48 mm以内，建议连续管钻井机械钻速不超过9 m/h；

（3）钻井斜超过45°的大斜度井或水平井时，应随时控制造斜段的环空流态，控制泥浆的性能，使大斜度的环空流态处于紊流状态，建议增加循环阀，必要时开启，降低造斜段岩屑床波峰波谷差值，并在出现钻压施加困难或井下测量工具反馈钻压较低时，增加短起次数。

［1］Stefan Krueger, SPE, Keith Gray, SPE, and David Killip, SPE, Baker Hughes Fifteen Years of Successful Coiled Tubing Re-entry Drilling Projects in the Middle East: Driving Efficiency and Economics in Maturing Gas Fields SPE166692 2011．

［2］Stefan Krueger, and Lars Pridat Twenty Years of Successful Coiled Tubing Re-entry Drilling With E-Line BHA Syetems-Improving Efficiency and Economics in Maturing Fields Worldwide SPE179046，2016．

［3］张富强，刘寿军，段文益，等. 国外连续油管钻井系统发展与应用［J］. 石油矿场机械，2017，48（6）．

［4］刘寿军，于东兵，等. 有缆连续管钻井系统在侧钻水平井中的应用现状［J］. 石油机械, 2018，46（10）．

［5］R.Ortega, R. Kowalski, J. Escobar, and R. Garcia, Schlumberger Successful Coiled-Tubing Drilling-Hole Enlargement Improves Production SPE 132938．

［6］于东兵，刘寿军，等. 连续管钻井系统钻大尺寸井眼技术现状［J］. 辽宁化工，2018，47（8）．

［7］Zhon Wei Ooi, Nurul Ezalina Hamzah, Zahidi Ibrahim, Nurfaridah Ahmad Fauzi, and Maxim Pozdnyshev, PETRONAS Carigali Sdn. Bhd. Journey to Success - Advancement of Coiled Tubing Drilling in Malaysia OTC-26690-MS．

［8］Paul McCutchion, Toni Miszewski, SPE, Joe Heaton, AnTech Ltd Coiled Tubing Drilling: Directional and Horizontal Drilling With Larger Hole Sizes SPE 159349．

［9］贺会群，熊革，等. LZ580-73T连续管钻机的研制［J］. 石油机械， 2012，40（11）．

［10］李诚铭. 新编石油钻井工程实用技术手册［M］. 第1版. 中国知识出版社，2006：264．

Current Situation and Difficulty Analysis of CT Directional Drilling in China

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（CNPC Jianghan Machinery Research Institute Co., Ltd., Hubei Jingzhou 434000, China）

CT directional drilling has just started in China, and there is a lack of sufficient understanding in CT drilling process, equipments, tools and other related technologies. In this paper, the current situation and the latest progress of this technology abroad were introduced as well as the current situation and the difficulties of CT directional drilling in China. By combining the theoretical analysis of relevant wells and the statistics of field data regression, several difficult problems were put forward. The parameters of ground equipment matching, hydraulics, cuttings bed and bit weight were analyzed and quantified. The result can be used as reference and guidance in the next CT drilling.

CT directional drilling; Current situation and difficulty; Ground equipment matching

国家课题：水合物钻完井和试采技术应用示范，项目号：2017YFC0307604-4。

2020-02-19

于东兵（1982-），男，高级工程师，硕士，湖北荆州人，2004毕业于长江大学，研究方向：连续管装备与工具。

TE 242

A

1004-0935（2020）05-0572-04