连续油管在国内外应用概况.docx

1、连续油管在国内外应用概况连续油管在国内外应用概况本文叙述了国外连续油管技术在油田井下各种作业的实际应用范用、经济效益 和技术优势及其装备结构发展的概况;简述了国内引进连续油管技术在各个主要油 田井下作业试用所取得的初步成效和存在的问题，论述了在我国推广应用连续油管 技术的发展方向在于开发出这种技术的软件和连续油管的国产化，要全面消化引 进，技术创新。连续油管（coiled tubing,简称CT）是相对于常规的单根螺纹连接油管而言的， 乂称为挠性油管、蛇形管或盘管，是一种缠绕在卷筒上，可以连续下入或从油井起 出的一根无螺纹连接的长油管（例如长达7925m） o连续油管钻井技术是近年来国际 石油

2、钻采业的热点话题，也是我国石油制管业面临创新的重点课题。1.连续油管技术在国外的发展概况1. 1起步阶段的曲折和成长时期的崛起在20世纪30年代，人们对连续钻井管柱有了朦胧的认识。在第二次世界大战 期间盟军曾用连续油管从海底输送能源，以适应战争的需要，这是连续油管首次应 用于军事实践，真正应用于石油工业，是1962年世界上第一台连续油管作业机诞 生于美国加利福尼亚石油公司，用来清除海滨油气井中的砂桥，这揭开了连续油管 应用于石油钻采工业的序幕。两年之后，连续油管钻井技术有了发展，RoyH Cui la Research公司研制出一个连续的、灵活的钻井管柱来循环液体，用一个液压注入 头来放入或回

3、收钻井管柱。这个连续油管外径?66. 68mm,在德克萨斯州的Marble Falls的花岗岩底层上钻了一口？120.65mm,井深304. 8m的试验井，钻井速度为 l.o3,3.05m/ho 111于当时连续油管的质量尚不可靠，致使此后20多年内连续油管 技术没有取得重大突破，只是在修井和完井作业中应用。随着连续油管的质量和可靠性日益提高，在修井和完井作业中的大量实践经验 的不断积累，以及配套技术设备和井下工具的日臻完善，连续油管技术得到长足的 发展和迅速的推广。1991年，美国、加拿大、法国相继成功地试用了连续油管钻 井技术。1996年世界上用连续油管钻井的数量为410 口，1997年猛

4、增至600多 口。美国重点发展连续油管小井眼钻井技术(coiled tubing-based microhole technology),每年计划用小井眼连续油管 技术钻2万口浅开发井，100 口油藏数据监测井，1000 口深勘探井，3000 口重入 井。美国LI前共有40万口井等待重新进入开发新的油层，每年重入井钻井总费用 至少75亿美元。连续油管小井眼钻井有广阔的前景，截止2003年底全世界应用连 续油管技术共钻井7000余口。其中加拿大用连续管钻井数量占世界总量的90%o 连续油管钻井技术在世界上用途广泛。按工艺方法分:有欠平衡压力钻井、平 衡压力钻井和过平衡压力钻井;按钻井和作业的类型

5、分:垂直井、定向井、丛式井、 斜井、水平井、小井眼井、裸眼井、下套管井、加深井、老井开窗侧钻、钻水泥封 堵、钻塞、驱替钻井液、打捞、完井、大斜度井、水平井测井作业、井下电视 摄影等;按地区分:适用于陆地、沙漠、浅海、海滩、海洋和极地等各种地区钻井。 总之，国外连续油管技术已经能够对陆地和海上油气井进行20多种作业。1.2连续油管的技术优势降低钻井作业成本美国应用小井眼连续油管技术钻井的成本LI标是比现在常规钻井技术节省 40%, 50%的开支，最大深度1828. 8mo原西德克隆斯用常规技术钻一口 1524m油井 的总成本为25, 35万美元，而用小井眼连续管钻井的成本为15万美元。连续油管钻

6、井之所以能降低成本主要有两方面的原因：一是采用常规的单根油 管连接钻机，与钻进时间相比，大部分施工时间花费在连接单根油管上。而连续油 管钻井的这个连续管子的优势就转化为施工成本的降低。这些降低的运行成本对项 LI经济效益会产生巨大影响。另一方面，连续油管钻井的连续作业也有助于提高平 均机械钻速(ROP)来降低成本。2001年全球连续油管技术服务市场收入为10亿美元，而连续油管装置和管材 市场分别为3亿美元和9000万美元。从这一组数字也说明了连续油管钻井能大幅 度降低钻井成本。适用于高压油层和欠平衡压力钻井常规欠平衡钻井作业过程中，由于连接单根油管时暂停钻机液循环，对油藏造 成压力波动，同时，

7、停泵后会形成岩屑垫层，而连续油管无需连接单根油管，因而 能保持井底压力稳定，不会对地层产生外来的压力波动，也可以避免出现岩屑垫 层。山于采用连续油管钻井，可以连续不停地循环钻井液，井内欠平衡状态成稳定 流动状态，从而形成了 “真正的”欠平衡状态。减少钻井事故，节省钻井液循环时间在钻井过程中，不需停泵接单根油管，可实现钻井液的连续循环，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，避免了因连接 单根油管可能引起的井喷和卡钻事故的发生。更适用于钻小井眼井、老井侧钻、老井加深因为连续油管直径小，可进行过油管作业，无需取出老井中现有生产设备，从 而实现边采边钻的LI的，可显著

8、节约钻井成本，故特别适用于小井眼井、老井侧钻 和老井加深，从而提高油藏产量。有利于提高自动化水平连续油管内可以放置电缆，有利于实现自动控制和随钻测量。保护油藏，产量最佳在钻井过程中，钻井阶段损害油藏是影响获得最佳产量的主要原因之一。这种 损害是III于钻井过程中外来流体、化学药剂和岩屑进入孔隙造成的。与垂直井相 比，水平井由于最黑近井身尾部的地层与这些外来异物接触的时间相当长，所遭受 的损伤程度更加严重。采用连续油管钻井能够保持井底稳定，使井内形成真正的欠平衡状态，避免了 地层损害，从而提高了产量。从以上六个方面来看，用连续油管钻井其技术经济指标是比较先进的，也减少 了对环境的污染，这是符合节

9、能环保的技术。连续油管技术之所以能迅速发展，还因为它的技术装备有了很大的进步，达到 了现代化水平。1.3连续油管技术装备的发展1993, 2003年全球连续油管井下作业量以每年25%的速度增长，连续油管装置 在这10年内增加了一倍，以每年20%的速度增长，到2003年底达到了 1030台 套。连续油管技术的设备山地面设备和地下设备组成，地面设备主要是连续油管作 业机、井控设备等组成;地下设备主要是井下工具，例如:钻头、弯接头、马达、钻 铤、分离机构、连续油管配合接头。)1.3. 1连续油管作业机(CTU连续油管作业机是连续钻井作业的主要设备，它的作用是在作业时将连续油管 下入、起出油井，并把起

10、出的连续油管缠绕在卷筒上。从设备结构来说，它是一种 移动式液压驱动的连续油管起下运输设备，它有车装自走式、拖车式和撬装式以及 驳船式等多种结构，分别适用于陆地、沙漠、浅海、海滩、海洋和极地等各种地区 作业，典型装备如陆地连续油管钻井装置、陆地连续油管钻塔、带井架车装连续油 管钻井装置、全地形车装连续油管钻井装置、拖车装连续油管钻井装置以及连续油 管钻井驳船、带井架连续油管钻井驳船、模块式海洋连续油管钻井装置等。近年 来，乂开发出复合连续油管作业机，适用于连续油管，也适用于普通油管作业等功 能。它们虽然类型不同，但基本组成大体类似，主要有注入头、卷筒、连续油管、 液压动力系统、控制室等五大部分。

11、注入头一一是一套液压驱动装置，主要功能是在下入连续油管时，提供向下的 推力，克服连续油管在井筒的浮力及摩擦力，推动连续油管下入井内，在不同情况 下控制连续油管的下入速度;在提升连续油管时，它提供拉力，将连续油管从井中 提取出来，或悬挂油管，或控制从井内提起油管的速度。连续油管的起下速度大致 为 0. 1, 60m/min 般为 18, 30m/min,有的最高达 70m/min。注入头的关键部分是链条总成，它山链条及其驱动装置组成。链条有双组或单 组链条传动，其形式为液压驱动的具有反向张紧力的链条夹持牵引式油管起下机 构，驱动马达采用低速大扭矩液压马达。注入头是连续油管钻井技术作业的关键部分，

12、国外比较知名的厂商有加拿大 Dreco公司生产的40K型和60K型两种规格，最大拉力分别为181. 4KN和 362. 8KN,设计载荷安全系数为3o美国Hydra Rig公司开发出5000系列注入头， 最大拉力可达889. 6KN,适用于连续油管的最大规格为139. 7mnu美国Baker Hughes INTEQ公司开发出人工智能注入头，使连续油管寿命提高70%。卷筒一一是连续油管的储运设备，用以均匀地缠绕连续油管。它山筒蕊和边凸缘组成，为焊接的钢结构。卷筒采用液压驱动形式，液压马达通过链条传动驱 动卷筒正反转，使连续油管起、下时在油管上保持一定的拉力，使其紧绕在卷筒 上。卷筒前上方装有排

13、管器和讣数器，强制连续油管在卷筒上有序缠绕。采用两个 小液圧缸起升或下放排管器，并可使排管器处于钻井需要的位置。卷筒所能缠绕的连续油管的长度和直径的大小，主要取决于卷筒的外径、宽度和筒蕊的直径，以及 运输设备（汽车底盘、拖车的承载能力和道路的条件）。例如相应于?2o. 4mm和?31. 75mm的连续油管，缠绕在卷蕊直径为？1. 524, ?1. 828m,卷筒外径为?2. 743m,可卷长度分别为7925m和6706m。连续油管一一是连续油管作业机的关键部件，是连续油管作业技术得以顺利实 施的核心部件，是该技术中用量最大、质量要求最高的管材。世界上每年连续油管 用量近500万m。常用规格一般

14、为?25.4、？32、？38、？45和?50. 8mm等。从制作工艺来看，连续油管常用ERW焊管，也可用无缝钢管。当采用无缝钢管,10m,对于一盘大于对接焊后缠绕成连续油管，由于无缝钢管一般单根长度约 85000m长度的连续油管来说，会有数白条环焊缝，环焊缝的抗弯、抗拉、抗挤 能力较低，对连续油管整体强度影响较大。而釆用ERW焊管来制作连续油管，按照 目前国内卷板带供货能力，生产一盘大于5000m长度的连续油管，最多只有4条环 焊缝，可靠性大得多。从材料来看，山碳钢发展到低合金钢（包括淬火回火钢）、钛 合金，訂前在研制复合材料。标准连续油管按美国材料试验协会标准的材料即改性 HSIA碳钢制作，

15、最小屈服强度483MP&,最小抗拉强度552MP&,延伸率28%,硬度 HRC22,现在屈服强度已达到703MPao连续油管用钢必须有良好的强度韧性匹配， 以保证较高的低周疲劳寿命。U前用连续油管钻井深度已超过7000m,每年实施达 1500井次以上。用ERW焊管制作连续油管的主要丄艺流程如下:热轧板卷检验?纵剪分条?板探？ 剪切对焊?矫平?活套?規式成型？高频焊接?去毛刺?空冷?水冷？焊缝超声波探伤？ 定减径?焊管整体调质处理?卷取?水压试验?包装?计量?入库。世界上儿个大的连续油管主要制造企业均集中在美国（休斯顿）三家公司，它们 是Quality Tubing（优质油管公司）、Precis

16、ion Technology （精密管技术公司）、 Southwestern Pipe（西南管子公司），用以制造连续油管的材料有碳素钢、调质钢 和稀有材料。其中稀有材料有钛合金，其价格是碳钢材料制成的连续油管的6倍。LI询世界上较大的生产连续油管作业机的企业主要有美国的哈里伯顿公司、 Hydra Rig公司、CVDD公司、Bowen X具公司、Stewart Stvenson公司和加拿大 DRECO能源公司。液压动力装置一一为整套连续油管机组提供液压动力源，主要山液压马达、液 压阀等组成。控制室一一是操作人员监控注入头、卷筒、防喷器和节流器等设备的场所，是 连续油管机组的操作控制中心。控制室装

17、有各种仪表、开关以及有关控制系统;在 新型连续油管作业机中，还装备有数据采集系统和监视系统，是作业机的神经中 枢。1. 3. 2泥浆循环系统与常规钻井相比，连续油管钻井所用泥浆循环系统大致相同，只是容积小一 些，固控设备包括振动筛、除砂器、除泥器和离心机。1. 3. 3井控系统与常规钻井相同，连续油管钻井中的井控主要设备也是防喷器;但在欠平衡压 力钻井作业中，通常采用两套防喷器，一套用在连续油管上，另一套用在井底钻具 组合上。1.3.4井下工具井下工具是影响连续油管钻井效率的关键。根据钻井工艺的不同，连续油管钻 井时井下钻具的要求也有所不同，但大体上是相同的。连续油管钻井用的井下工具主要有:钻

18、头、弯接头、马达、钻铤、分离机构和 连续油管配合接头。头，其特点有两点：1低钻压和高钻速;2.钻 钻头一一用于连续油管钻井的钻头对扭矩的要求要低，以免高扭矩使连续油管疲劳破坏。连续油管钻井所用钻 头的结构形式与常规钻井用的是相同的，一般直井段用PDC钻头，定向井、水平井 的造斜段或曲线段用TSD钻头。容积式马达一一用来旋转钻头，有三种类型，低速高扭矩马达，适合于TSD钻 头和天然金刚石钻头；中速中扭矩马达适合PDC钻头；高速低扭矩马达适用于连续油 管外径范围为60. 3, 165. 1mm。连续油管接头一一主要用于联接连续油管和井下工具组合，接头用以承受钻井 马达所产生的扭矩、振动和加速作用，

19、因此，接头的抗拉强度比连续油管大。钻铤一一与常规钻井相同，用以给钻头提供钻压，以产生预定的钻井速度，并 给井下工具提供合理的重力。断开接头一一其作用是当钻头或钻铤卡死在井眼中时，提供使连续油管与井下 工具断开的能力。定向工具一一用于定向井和水平井钻井，因为用连续油管钻井时，连续油管不 能旋转，必须用一种专门的井下工具即定向工具来调整底部钻具组合的工具面方 位。（LI前美国Fedlech公司开发了旋转连续油管的新型转盘，在钻井时使连续油 管以5, 15r/min的速度向右旋转。）2.连续油管技术在国内的应用概况我国于1977年由四川油田引进第一台Bowen Oil Tools （波恩工具公司）的

20、连续 油管作业机，到1999年我国共引进连续油管作业机18套，虽然都在应用、开发连 续油管技术方面取得了一定的进展，作出了一定的成绩，但同国外同行相比，同国 内石油钻采的实际需求相比，差距仍然很大。2. 1国内油田应用连续油管技术的概况国内将引进来的连续油管装备在井下作业应用过程中，主要是两个方面，一方 面是进行了大量的井下简单作业；另一方面是将连续油管用作生产管柱，这方面虽有所进展，但步子不大，案例不多。四川油田首先利用引进的连续油管设备进行了气井小型酸化、注氮排残酸、气 举降液、冲砂、清蜡等一系列简单作业，进行了这些技术的试验。大庆油田自1985年引进Hydra Rig公司的连续油管设备以

21、来，共在100多口 井中进行了修井等多种作业。例如洗井、冲砂解卡、解除蜡堵蜡卡、钻水泥塞和注 氮排液等方面进行了探索，特别是解决了多年来深层压裂后排液周期长、效率低的 难题。辽河油田自1985年和1988年从Bowen公司、中原油田1988年从Hydra Rig 公司、大港油田1994年从Hydra Rig公司以及华北油田、胜利油田、榆林油田和 河南油田等引进连续油管装备以来，都进行了大量的井下作业，例如压井、排液、 冲砂、喷射、多分支修井等，都取得了一定的成效。比较典型的案例还有:新疆吐哈油田将连续油管技术除了常用于垂直井内排 液、冲砂等比较简单的作业之外，在丘陵油田11井的水平管解堵施工，

22、取得了成 功的经验，为今后水平井、大斜度井、定向井的施工提供了借鉴和技术依据；同 时，吐哈油田运用连续油管技术对丘东七井（高压、高产气井）进行压井工艺的成 功，解决了无法采用常规方法进行压井的难题，创造了可观的效益。四川石油管理局川南矿区H30井是一口高压气水同产井，因地层出砂造成堵 塞，采用连续油管技术进行冲砂解堵，未动井内原有生产管柱，不压井就成功解除 了井内堵塞，修井周期短，节约修井成本120万元，直接经济效益显著，间接经济 效益也很大。新疆油田22井用连续油管进行热洗清蜡技术，自2002年8月12日至9月15 日先后5次作业，达到疏通循环压井通道的LI的。西南油气田在M75-H、M38

23、H及M50井实施了水平井连续油管酸化工艺试验，3 口先导试验水平井累计增加井口产能37. 86X104m3/d,是该地区同类直井平均产 量的4, 7倍，获得了增产效果和良好效益。将连续油管技术用于生产管柱的典型案例有:西南油气田张家场13井2003年 进行了连续油管用作生产管柱于深井排水采气工艺试验，这在我国尚属首次，取得 了较好的尝试，日产气量0.8X104m3,日产水0.2ni3,连续油管作生产管柱排水采气 工艺获得成功，与常规管柱作业相比，节约费用30万元。这次试验的意义在于连 续油管真正用于钻井工艺上，而且确实能节约成本，方便施工。2.2国内应用连续油管技术存在的问题和发展的方向我国自

24、上世纪70年代起至今引进18套连续油管设备，尽管引进后在各自的油 田进行了一些井下作业，但主要限于冲砂洗井、诱喷助排、酸洗酸化等修井作业范 畴内，真正作生产管柱用于钻井工艺的实践却很少。因此，大多数连续油管作业机 闲置率较高，致使这种高技术设备迅速贬值，至今连续油管技术在我国未能普遍推 广。究其原因，大概有如下儿个方面：(1)对连续油管技术尚未完全掌握，缺乏软件支撑连续油管的特征是轻、柔属性(与钻具及常规单根连接的钢管相比)，使其在井 下受力情况特别复杂。当用于非垂直井眼作业时因刚度小，较难承受纵向压缩载荷; 在通过弯曲井段或水平井段较为困难，易发生失稳而产生正弦形或螺旋形变形;在 井底作业时

25、，能施加的力太小。II前，我们对连续油管的力学性能还缺乏深入细致的了解。因此，掌握连续油 管在井眼中的受力及弯曲变形的力学模型，是开发连续油管作业丄艺的关键。虽然引进了连续油管技术中的硬件，但这是不够的，还应当着力于开发出连续 油管技术的分析软件，分析出连续油管应力和弯曲、疲劳、寿命以及循环周期，根 据井内不同情况对连续油管的直径和壁厚进行选择，并模拟作业情况。国外BJ公司对连续油管的分析软件进行开发到完善，前后用了 15年;我们有常规侧钻工艺技 术，并经过十多年的研究已经成熟，乂通过多年使用连续油管侧钻硬件的试验和在 水平管解堵施工成功的经验，已经对水平管的连续油管受力情况建立了数学模型，

26、有了初步的成果。因此国内完全有能力研究开发岀连续油管钻井系统的软件，在不 太长的时间，解决连续油管钻井工艺的问题。我国侧钻井数量较多，市场应用的潜力很大，经济效益也很好，因此连续油管 技术在我国的发展方向，首先是早日攻克连续油管侧钻技术的难关，大力开展连续 油管进入斜井、水平井和水平管的力学研究，开发软件的模型与先导试验相结合， 进一步实践这项技术，促进国内油气田乂好乂快地达到安全高效高产。(2)国内口前正在试生产连续油管。连续油管服役条件很恶劣，首先是疲劳弯曲。连续油管从卷筒拉出和卷入时， 都需经过注入头和卷筒间的导向架变向，使连续油管在每次起、下作业都承受6次 弯曲，每一次循环中应力都达到

27、材料的屈服点，属于低周疲劳失效，所以疲劳寿命 很低。由于连续油管同时承受弯曲和内压，当内压大于一定值后，循环次数急剧下降，见表1。从表1可知，内压大于lOMPa后，循环次数急剧下降;大于15MP&后。循环次数已低得难以满足使用要求。表1连续油管内压与循环次数的关系内压P，Mpa 2. 5 5. 0 7. 5 10. 0 12. 5 15. 0 17. 5 20循环数匚连续油管尺寸对循环次数也有影响，见表2,设定内压为lOMPa,从表2可 见，当壁厚相同时，油管外径增大，循环次数减少；当外径相同时，壁片增加，循 环次数增加。表2内压一定时连续油管尺寸对循环次数的影响（内压为lONIPa）连续油管

28、外径X壁厚，mm循环次数，次031.75X2.413 375. 1X3. 175 629. 5 31. 75 38. 1X2. 786 343.238. 1X3. 175 454.7X3. 175 328.6 44. 45044. 45X3.4 382.4050.8X3.4 304.2050.8X3. 962 429.9 60.32X3. 962 289. 7连续油管的寿命除了与低周疲劳有关外，还与腐蚀因素有关。造成连续油管早 期失效的主要原因是腐蚀性作业。例如大港油田已经下井使用12次的连续油 管?31. 75X2. 21mm，总长度为4000m,实际下井深度约2500m,主要用于冲堵、注

29、氮、挤酸，连续油管内外壁上均有许多腐蚀坑，腐蚀深度最大为0.65mm。辽河油田连续油管?2o. 4mm作业30余井次失效，?30. 5mm作业70余井次失效； 中原油田连续油管?30. 5mm作业70, 100井次失效，大港油田连续油管?30. 5mm作业 30余井次失效等。上述失效的油管有的是进口美国优质管公司的产品，有的是美 国西南公司的产品。如何延长连续油管的寿命是一个重要的课题。这有多个思路，例如：改进作业弯曲次数减少三分之二，增加油管工作时间；装置的结构，如取消导向架，可 以将乂如增加壁厚，也可以延长油管工作时间；再有如前面已叙述过人工智能注入 头，使连续油管寿命提高70%。美国Fe

30、dtech公司开发了旋转连续油管的新型转 盘，使连续油管的寿命提高了 70%。在一般正常情况下，连续油管工作管柱应在其使用寿命期到来之前更换。连续 油管作业机上的最大消耗品正是连续油管本身，相比之下，作业机其它各项费用都 是很小的。因此，对连续油管的监控有两个方面:一是在它的使用寿命期到来之前 的有效控制，就是跟踪测定连续油管累讣疲劳次数并使其达到最小，控制连续油管 内外腐蚀以及防止对它的机械损伤，排除现场断裂的可能性。二是在它的使用寿命 期结束后，应山国产连续油管来更换，以便在利润和设备折旧之间达到平衡。我国从前是直接从国外（美国）进口连续油管，主要规格有?25. 4mm、?32mm、?38

31、mm、?45mm和？50. 8mm,由于价格较贵,提高了连续油 管作业的成本，使得连续油管技术在国内的发展受到严重制约。因此，我国发展连 续油管技术的战略举措是:迅速将连续油管国产化，为连续油管技术提供国内供应 渠道，提供国产连续油管的硬件支持。艺制作连续油管，从材料的选择上着手，可以从操作上来讲，可以先用ERW先从试制碳钢（低合金钢）热轧卷板起步;材料的选择上发展到优质合金钢。因 此冶金行业要同石油行业密切配合，通过应用国外连续油管，了解其材质及制造工 艺水平，作为连续油管国产化可供借鉴的样管。连续油管国产化的关键在于冶金行业能提供合格的热轧卷板，因为连续油管用 钢必须有良好的强、韧性匹配，

32、以保证较高的低周疲劳寿命。中国钢管业要跨入世 界强国的行列，这是一个技术门槛。国内现在由宝鸡石油钢管有限公司用ERW焊管工艺试制连续油管，先是试制出CT80级?33X3. 18mm和？50X3. 18mm连续油管共20t,在五大核心技术取得了 突破后，2009年7月初乂试生产了 7600m长的连续油管。（3）连续油管作业机（CTU）和井下工具的国产化问题连续油管技术在我国要推广应用，还有其作业机的国产化问题。连续油管作业 机的一个重要组成部件是连续油管，在作业数量不大的情况下，每台连续油管作业 机消耗连续油管约4000m左右，前主要是使用从美国进口的QT-700材质制成的 ERW连续油管（国外已发展到使用QT-1000的材料）。因此，连续油管的国产化是其 作业机国产化的前提和重要条件以及优先发展的硬件。连续油管作业机在国外已经应用了 30年，它的控制系统是集气、液、电一体 化，结构较复杂，自动化程度高。但它的工作性能只是用于运送并起下连续油管， 从这