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1、,第八讲 连续管钻井技术Coiled Tubing Drilling,连续软管钻井技术,一连续软管钻井技术发展概况二连续软管钻井主要装备和工具三连续软管钻井的关键技术四连续软管钻井在特殊工艺井中的应用五连续软管钻井发展展望,一连续软管钻井技术发展概况,总况1.1 连续软管钻井技术发展历程 1.2 连续软管钻井的优点1.3 连续软管钻井的局限性1.4 世界连续软管钻井发展概况 1.5 我国连续软管技术发展状况 1.6 连续软管钻井技术新进展,总 况,连续软管(Coiled Tubing)又称挠性油管、蛇形管或盘管，也称连续油管。其操纵设备称连续软管作业机。连续软管作业技术是近年来兴起的一项具有广
2、阔发展前景的实用性技术。经过30多年的发展,连续软管作业装置已被誉为万能作业设备。连续软管作业技术已能对陆地和海上油气井进行清蜡、酸化、挤水泥、压井、冲砂洗井、负压射孔、试井、测井、完井、钻井、井下摄像和作为生产油管等20多种作业。连续软管作业技术现已成为世界油气工业技术研究与应用中的一个热点。世界上现有连续软管作业机的数量已达600多台,连续软管的年耗量近500万m,连续软管的最大作业井深已超过9000m。近年来连续软管钻井技术亦成为世界钻井技术的热点。目前连续软管的最大钻井深度已超过6900m。现在连续软管外径也由原来的12.7mm发展到现在12.7-168.275mm十几种规格。可以说,
3、世界石油工业正在经历一次连续软管作业技术的变革。,总 况,连续软管钻井(Coiled Tubing Drilling,简称CTD),是国外九十年代发展起来的一项新技术。连续软管具有无接头、无变径、弯曲大、能连续起下、能动态密封和强度大、承压高、体积小等特点,为进行短半径、大位移、多侧向的水平钻井和欠平衡、小井眼钻井提供了安全、先进、有效的技术手段。与常规接头钻杆钻井相比,CTD操作简便,施工安全,污染小和占地少,操作人员仅需3、4人,作业效率很高,施工效果好,从而倍受人们的欢迎。近年来,世界各国石油公司争相配套应用该技术,特别是加拿大、美国和英国等发达国家,在短短的几年内CTD技术的配套应用得
4、到了迅速的发展,初步显示了CTD技术旺盛的生命力和巨大的吸引力。,连续软管钻井技术发展历程,早在20世纪30年代以前,人们就对连续钻井管柱的概念和优点有了初步的认识。在二战期间,盟军曾用连续软管从海底输送能源,以满足战争的需要。1962年加利福尼亚石油公司及Bowen工具厂研制了第一个原始型“连续管轻型修车装置”,用来清除海岸区油气井中的砂桥。1964年,RoyH.CullaResearch公司研制了一种连续软管钻井系统,在德克萨斯州的MarbleFalls附近的采石厂花岗岩地层上钻了一口120.65mm、井深304.8m的试验井。,连续软管钻井技术发展历程,19641987年之间,由于连续软
5、管的可靠性差,事故频繁,连续软管作业技术几乎夭折80年代后期,世界石油价格下跌,迫使国内外作业公司和服务公司研究和采用可降低钻井成本的新方法,再加上连续软管质量和可靠性的提高,连续软管在修井和完井等作业中的应用急剧增加,并取得了明显的经济效益和社会效益90年代初,连续软管钻井技术开始发展和应用 1991年,美国、加拿大、法国相继成功地试验应用了连续软管钻井技术,连续软管钻井技术发展历程,自从1991年采用连续软管钻了3口井之后，连续软管钻井的数量急剧增加。1994年到150口，1995年356口，1996年410口，1997年610口。到了1999年，除去侧钻井和加深井，全世界则有1500口。
6、到2003年，全世界用连续软管所钻的井数超过了7000口，目前正以每年约750850口的数目增加。近年来,随着连续软管器材和制造工艺的进一步发展,可靠性高的高强度大直径连续软管、小直径容积式马达、先进的定向工具及测量系统和金刚石钻头的相继问世,极大地推动了连续软管钻井技术发展及应用。,连续软管钻井的优点,1 由于井场占地少，适合于地面条件受限制的地区或小平台上作业2 特别适合钻小井眼，能节省套管和水泥，降低作业成本3 在老井重钻作业时，因连续软管尺寸小，可进行过油管作业，无需取出老井中已有的生产装置，可显著节约成本 4 采用连续软管钻井，可以使欠平衡钻井技术得以成功应用，其最大的优势是可以确保
7、井下始终处于欠平衡状态，防止或减轻漏失以及地层伤害，有利于提高机械钻速，而且作业的安全性较高 5 钻井废弃物少，有利于减少环境污染,连续软管钻井的优点,6 在起下钻过程中能够连续循环泥浆，不用停泵接单根，减少了起下钻时间，缩短了钻井周期，提高了起下钻速度和作业的安全性，避免因接单根可能引起井喷和卡钻事故的发生7 改善信号的随钻传输，方便了定向控制和监测 8 连续软管钻井要求人员少，钻井作业中起下钻和钻台工作量少，从而提供了一个安全的工作环境9 连续软管侧钻成本是利用常规钻机钻一新水平井的40,连续软管钻井的缺点,1 用连续软管钻井之前,通常需要借助常规钻井或修井机作好钻前准备工作,如起出油管和
8、封隔器等。2 尽管连续软管可以用来下入较短的衬管,但如果要下入较长的套管柱或尾管柱,则需要借助常规钻机或修井机才能完成。因此,目前的连续软管作业装置还不能完成从开钻到完井的所有作业。3 因连续软管不能像常规钻杆那样旋转,无法搅动可能形成的岩屑床,增大了卡钻的风险以及BHA难以打捞等问题。4 连续软管内径较小,泥浆在管内摩擦压耗太高,限制了泥浆排量。,连续软管钻井的缺点,5 钻压、转矩、水力参数和井底钻具组合受到限制。6 连续软管使用寿命较短，其疲劳寿命大大短于普通钻杆。7 工作压力受到限制。在地面施加压力时，连续软管呈正弦状，当压力增高时，其迅速变成螺旋状。最终，井眼摩阻过大导致连续软管停止前
9、进。因此必须限制施加的压力。8 滚筒成本较高，且体积大，难以运输和安装。9 由于连续软管的柔性，使其在井眼中易受阻，可达的水平长度受限。10 进行定向斜井或水平钻井时，方向难以控制。,世界连续软管钻井发展概况,连续软管钻井技术是90年代以来国外大力研究和发展的一项技术,该项技术开始只是用于垂直深度9001300范围内的低含硫低压油藏。随着技术的发展,目前已能用于钻深气井和含硫气井。目前欠平衡连续软管钻气井的垂直深度已达到2572,该技术已从陆上向海上发展。连续软管钻井技术已在德国、英国、美国、加拿大等国广泛应用,钻井井数逐年增加,从1991年至1994年,几年时间内,已从3口增加到200口,至
10、1997年,仅在加拿大西部,用连续软管钻井已超过400口。连续软管从1993年已开始用于垂直井延伸欠平衡钻井,1995年已开始用于欠平衡水平井及开窗侧钻井。,世界连续软管钻井发展概况,目前连续软管用途广泛，可用于水平钻井、多侧向钻井、欠平衡钻井、老井侧钻、过油管作业、小井眼钻井、加深钻井、浅层直井、救援井、注入井等作业。Arco、BPAmoco、PDO等公司现均在利用现有井眼,借助连续软管钻井(CTD)技术开发常规钻井技术难以达到的、隐蔽的、枯竭的油气藏。CTD最大的应用市场在美国的阿拉斯加,其次为加拿大。,我国连续软管技术发展状况,1977年,我国引进了第1台Bowen Oil Tools公
11、司生产的连续软管作业机,目前国内共引进连续软管作业机约20台。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。使用范围主要包括冲砂洗井、钻桥塞、气举、注液氮、清蜡、排液、挤酸和配合测试(水平井测试或高温高压井测试)等。其中用得比较多的是冲洗砂堵和清蜡。连续软管钻井尚属空白，开展科研的单位也不多,连续软管钻井技术新进展,1 无焊缝,大直径(最大尺寸达168.275mm),高强度(屈服强度已达960MPa)连续软管出现2 连续软管疲劳破坏的精确模拟,提高了钻井作业的可靠性 3 连续软管注入头进展显著,Hydra
12、 Rig公司已经生产出HR560、HR580、HR5100型一系列注入头4 过程控制系统、电缆安装系统、数据采集系统等方面取得了明显进展。5 电动连续软管钻井系统研制试验成功,连续软管钻井技术新进展,6 加拿大研制成功一种模块化多功能钻机7 美国设计并试验成功一种加压鹅颈管8 美国开发了人工智能注入头，可减少连续软管 弯曲变形和交变疲劳作用，使连续软管寿命提高 709 美国开发了旋转连续软管的新型转盘，在钻井时使连续软管以5-15r/min的速度向右旋转，可使连续软管寿命提高37010 美国推出了一种名叫COLT的连续软管井底钻具组合,二连续软管钻井主要装备和工具,（一）连续软管钻井装置类型
13、1 陆地连续软管钻井装置 2 陆地连续软管钻塔 3 连续软管钻井驳船 4 带井架车装连续软管钻井装置 5 带井架连续软管钻井驳船 6 简易车装连续软管钻井装置 7 拖车装连续软管钻井 8 模块式海洋连续软管钻井装置（二）连续软管钻井装备及工具 1 地面设备 2 底部钻具组合（BHA）,连续软管钻机,连续软管,陆地连续软管钻井装置,装置安装在长方形井场中央，前开口井架固定在可以平行四边形起升的高钻台底座上面。滚筒架空设计可减少连续软管疲劳,陆地连续软管钻塔,专用的塔式井架固定着注入头，井架的3个侧面均有可上下的扶梯，滚筒置于井架前面，钻井泵和净化系统置于井架右侧，液压动力装置置于左侧，主要用于陆
14、地钻井,带井架的车装连续软管钻井装置,所有部件均安装在一台8轮重型车上,卡车尾部装有两腿井架,可利用两个液缸起升到钻井位置,井架放倒后卡车可在公路上自由行驶.井架上面有一个悬吊注入头的横梁,横梁可沿井架上下移动,注入头可在横梁下面水平移动,以对准或离开井口.,简易车装连续软管钻井装置,全套装置分别安装在两台卡车上，无井架，利用随车吊吊着注入头对准井口，注入头本身有坐地的框架,主要用于北极地区各种地形-4545,拖车装连续软管钻井装置,无井架，所有装置均安装在一个大型拖车上，主要用于陆地钻井,模块式海上连续软管钻机,全装置分为注入头、滚筒、控制室、液压动力装置、钻井泵、高压管线和净化系统6个模块
15、，组装在钻井船上。,连续软管钻井装备及工具,连续软管作业机示意图,连续油管(CT)即工作管柱，是一种连续的高强度、高韧性的钢管。连续油管外径尺寸范围一般为12.7114.3mm(0.54.5in)，在连续油管钻井作业中，适合采用外径大于44.45mm（1 34in）连续油管。滚筒 其转动由液压马达控制。滚筒上的匀绕机构和计量装置，可以使连续油管均匀地缠绕并测量出管子的长度。另外，滚筒上还装有安全装置，如滚筒刹车。连续油管注入头 主要用来为连续油管下入井内提供推力，并控制连续油管下入速度；承载悬空连续油管的全部重量；协助回收连续油管。注入头由连续油管引导器、链条牵引总成、橡胶刮泥器3部分组成。液
16、压动力系统 液压动力系统的功能是，为连续油管作业提供液压控制和操作动力。,控制台 由各种开关和仪表组成，用于监测并操纵连续油管钻井作业。循环系统。循环系统由钻井液罐、振动筛、除砂器、过滤池和离心机组成，此外还有钻井泵。钻井泵最高压力通常限制为2835MPa，排量0.64mmin。井控系统。欠平衡条件下的连续油管作业，防喷器是井控主要设备。连续油管防喷器具由封井头、全封芯子、剪断芯子、带有隔离阀的压井管线、卡瓦芯子和油管芯子等组成。防喷器的设计压力为69MPa。,防喷器组,底部钻具组合,2,连续油管连接器。连续油管连接器是一个外凹型连接件，通过丝扣与连续油管相连，以保证其具有抗扭、抗钻进振动能力
17、。紧急分离工具。钻井过程中钻具遇卡时该工具可使连续油管与下部钻具分离，并使液压和电力通讯安全切断。多路传输接头。实现井下与地面的数据传送。,定向工具。当连续油管钻水平段时，需要旋转钻具来改变井眼的方位和井斜。定向工具具有在地面控制定向和实时测得井下数据的能力。助推器。当连续油管钻井向水平延伸时，由于摩阻和管柱在井中的螺旋弯曲，钻压会降低。助推器有助于通过锚定钻柱控制钻压，抵消钻井作业中所产生的无功扭矩和负荷。循环阀。连续油管钻井期间，有许多情况常需在钻头不转时保持循环。循环阀能满足这一要求。下负载变送器。其作用是协助助推器工作。导向工具。由电缆控制的导向工具，其作用与常规定向钻井和水平钻井所使
18、用的导向工具相同，目前正在研制适用于连续油管钻井的新型导向工具。,马达。主要作用是使钻头产生旋转，有高速低扭矩、中速中扭矩、低速高扭矩三种类型，其中低速高扭矩马达与TSD钻头匹配，中速中等扭矩马达与PDC钻头匹配。马达外径60.33mm165.10mm。钻头。连续油管作业时，PDC钻头常用于钻直井或钻水平井的直井段，适用于中软或软地层；TSD钻头常用于钻定向井、水平井的造斜段或曲线段，适用于硬地层。另外，井下钻具还包括控制管缆和井下电子仪器,三连续软管钻井的关键技术,连续软管可靠性问题钻屑携带问题固井问题定向问题水平位移问题,连续软管可靠性问题,失效原因：连续软管材质不好，强度不高；工作环境恶
19、劣，受力复杂；焊接质量差，人为操作不当失效形式：变形失效，断裂失效，表面损伤失效内在机理：连续软管在力的作用下超过了它的抗拉抗压极限、直径和椭圆度极限、由循环疲劳和腐蚀决定的使用寿命极限这三个极限之一。,连续软管可靠性问题,解决方法：建立各种受力模型、计算各种强度；疲劳寿命计算；软件跟踪疲劳寿命；截断法；使用变径管；反转使用；防止机械损伤；合理配置设备（采用大直径滚筒和导向架、小直径高强度软管）,钻屑携带问题,1原因：连续软管不旋转，无法搅动可能形成的钻屑 床；泥浆排量受井下马达和喷嘴直径限制；管内压降大，软管与套管之间环空体积大；水平段和大斜度段软管不居中；3065井斜角范围内钻屑床下滑。,
20、钻屑携带问题,2 解决方法：多次短起下部钻具组合（通井/划眼）；采用高粘度驱替钻井液；采用欠平衡钻井。,固井问题,1原因：流道窄、排量小。2解决方法：严格控制水泥浆的稳定性、流变特性、滤失 特性以及稠化时间等；精确控制深度和稳定水泥浆柱以使水泥浆 顶替准确；计算机辅助设计。,定向问题,1原因：钻头和马达旋转对CT产生反扭矩，且受钻压波动的影响；（源于旋转）CT钻井是滑动钻进，所以弯外壳对 方位的影响不能通过旋转保持方位不 变而抵消；（源于不旋转）CT的残余弯曲。2解决方法：采用无线智能定向器实时定向,水平位移问题,1原因：连续软管在压力作用下发生从正弦状再到 螺旋状变形，进而被井壁产生的反向摩 阻力“锁死”，使水平延伸长度受到限制。2解决方法：优化井眼设计；采用泥浆添加剂。一是加滚珠和润滑剂，二 是使用油基泥浆；增大CT直径和下入小尺寸尾管；使用上部壁厚下部壁薄的锥形变径CT管柱；,水平位移问题,2解决方法：使用CT矫直器 安装助推器 安装钻压平衡器 安装牵引器 安装旋转器 反向旋转钻头 采用磨料射流和水射流钻进,第四章连续软管钻井在特殊工艺井的应用,1 小井眼钻井 2 欠平衡钻井 3 多分支钻井 4 短半径钻井 5 重进入钻井,第五章连续软管钻井发展展望,1连续软管钻井技术应用前景：在稠油开发中的应用 特殊勘探开发中的应用 老油田侧钻水平井,
