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【技术】连续油管技术发展现状与展望

能源情报2018-12-05 11:50:56

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文/韩秀明 中石化石油工程机械有限公司

连续油管技术可追溯到二战期间为盟军从海底输送战略能源的“海底管线”项目,战后该技术逐步向民用技术发展,到 1962 年现代连续油管技术开始应用于石油工业,经过 50 多年的发展连续油管技术从仅用于简单修井作业发展到广泛应用阶段。我国于 1977 年引进了第一台 Bowen Oil Tool 公司连续油管作业设备,并在四川油田成功应用于气井小型酸化、冲砂、解卡等简单作业。

随着连续油管技术的发展,目前已广泛应用于钻井、完井、采油、修井和集输等各个作业领域。实践表明,连续油管作业技术与装备是一项具有巨大潜力的实用性技术,尤其是专用设备的出现与改进更加推动了连续油管在石油领域的广泛应用。目前,国内石油领域中连续油管的应用正处于一个快速发展阶段,在国内的应用具有很大的发展空间。

1 连续油管设备组成

连续油管作业机是连续油管钻井的核心装备,包括动力系统、控制系统、井控系统、注入头和连续油管卷筒等 5 大部分,如图 1 所示。


连续油管注入头是地面设备的关键部件之一,主要作用是提供推、拉起连续油管和载重,已基本实现系列化。注入头由两台同步的可反向旋转的液压马达驱动链条,以带动夹块夹住连续油管上下移动,并可以通过更换夹持块以适应不同口径尺寸的连续油管,是连续油管注入头的关键部位。卷筒由筒芯和边凸缘组成,为焊接的钢结构,采用液压驱动形式,用以均匀地缠绕连续油管,其中卷筒的关键设计参数是滚筒容量,决定所能缠绕连续油管的长度和直径的大小。目前最新型的滚筒装置具有可升降机构,能有效地解决了道路对滚筒凸缘外径尺寸的限制,进而使滚筒容量达到最大。控制室上装有控制系统,用于控制注入头、卷筒、泥浆泵、防喷器和节流管汇的工作。地面设备的控制系统由过去的手动液压阀操作方式,发展到今天的电 - 液控制系统、计算机控制系统,提高了其可控性和安全、可靠性。

连续油管是一种高强度高韧性管材,是连续油管钻井作业气、液传输的通道,其尺寸和性能直接影响连续油管钻井技术的适用范围。目前美国有三家连续油管制造公司,即精密油管技术公司、优质油管公司和西南管材公司,用以制造连续油管的材料主要有碳素钢、调质钢和稀有材料 3 种。随着材料技术的发展,目前已开发了抗腐蚀性连续油管,提高其在酸性气体环境油气藏开发中应用的安全系数。与常规钻井一样,连续油管钻井中的主要井控设备也是防喷器组,它是由全封闭闸板、剪切式闸板、带卡瓦闸板和半封闭式闸板组成。

2 连续油管作业及作业工具简介

目前,世界上较大的连续油管作业供应商主要有美国的哈里伯顿公司、Hydra Rig 公司、加拿大 DRECO 能源公司等。总体来说,过去的 50 余年,地面设备多样化得到了长足的发展,CTU 可分为常规型和复合型两种型式,以适应不同的作业用途、工况和道路条件的要求。

其中,常规型主要有用于陆上的拖车式和车装式,及用于海洋作业的橇装式。为了适应特殊作业各连续油管商相继开发了多种专用连续油管设备,例如用于特殊环境的全封闭式作业机和驳船式作业机等,不断丰富地面设备的种类。

连续油管技术应用与发展和其配套工具的创新是密不可分的,同时其发展速度影响连续油管技术的进步。连续油管作业配套工具分为通用工具和专用工具。一台连续油管作业机的标准工具串部件包括连接器、震击器、加速器、加重杆、万向节、扶正器、安全阀、循环阀、丢手接头、马达头和井下马达等。

标准工具串是完成所有连续油管作业的必备基础工具,可根据不同作业工艺要求选择不同的组成,其组合影响连续油管钻井作业的效率。井下动力工具一般是采用容积式马达,主要有三种类型: 高速低扭矩、中速中扭矩和低速高扭矩,其中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; 常用的钻头有 TSP、天然金刚石钻头和 PDC 钻头,要求钻头能在低钻压、高转速下应具有足够的破岩能力;在钻定向井和水平井过程中,必须用定向工具来调整底部钻具组合的工具面方位; 连续油管适配器将连续油管和底部钻具组合联接起来,主要作用是承受扭矩,处理下部钻具组合的振动,以确保连续油管免遭损坏。

此外,连续油管还配备了紧急分离机构,当下部钻具组合发生井下事故,则使用分离机构使连续油管与下部钻具组合分离,目前使用的分离机构主要有液压和剪切机构两种。

3 国外连续油管技术发展与现状

目前世界上研究和应用连续油管钻井技术的公司集中在一些发达国家,其中美国的连续油管技术处领先地位。随着连续油管技术和材料技术的进步,其钻井深度不断增加,连续油管的直径规格不断丰富,可以满足不同作业需要,可以说,世界石油工业正在经历一次连续油管技术革命。

3. 1 现代连续油管作业技术的发展

现代连续油管作业技术发展过程大致可分为三个阶段,即: 初期快速发展阶段( 1962 年至 70 年代初) ,由于连续油管无接箍,作业时不需接单根,作业过程不停泵,避免砂埋及起下速度快等优点,因此得到迅速发展。

该阶段已广泛用于浅井修井作业,例如洗井、打捞等; 第二阶段20 世纪70 至80 年代初的发展“停滞”阶段,当试图将连续油管作业范围延伸到深井作业时,由于连续油管材料性能及其直焊缝工艺远不能满足深井作业条件要求,作业事故逐渐增多,对连续油管技术提出了新的挑战。在这阶段连续油管制造商们结合现场应用情况致力于完善设备作业设计和制造技术,同时焊接工艺得到了快速发展,新工艺使焊缝数量减少了 80%,提高其抗高压大负荷能力,大大提高了设备的适用范围及安全性; 20 世纪 80 年代以来,随着钢材材质和管材制造技术的改进,制造材料从碳素钢发展到低碳合金钢、不锈钢等合金材料及碳纤维复合材料,强度逐渐提高使其屈服强度已达 960 MPa,焊接技术由多焊缝发展到少焊缝,直到无焊缝,大大提高了钻井作业的可靠性,连续油管作业技术焕发新的生机,伴随着非常规开发方式的推广应用,连续油管进入普及应用阶段。


3. 2 国外连续油管技术的研究概况

自连续油管问世以来,国外就对连续油管进行了系统研究,主要研究了连续油管的物理机械性能,并对设计及操作规范进行改进,改善了地面设备的性能和可靠性,降低了设备的损坏率。80 年代通过对连续油管加工工艺及热处理技术研究,提高了连续油管的疲劳强度和使用寿命,并逐步建立了连续油管寿命预测计算机模型,可以较好预测连续油管的疲劳寿命,如美国莫尔工程公司( Maurer Engineering InC. ) 开发了基于实验与理论研究为基础的疲劳寿命预测软件,可方便、有效地指导钻井作业。近几年来,国外专家学者也对连续油管在作业时的受力情况等问题进行了系统的研究,建立了许多的理论计算模型,例如预测小椭园度( ≤3%) 连续油管抗外挤压力值的理论模型、在井中弯曲度的力学模型和 CIRCA 计算机模型等。

3. 3 国外连续油管钻井技术现状

目前国外连续油管钻井井下钻具组合不断创新,已研制了新型小直径井下动力工具和高扭矩定向钻井工具等,使连续油管钻井技术的应用范围逐渐扩展到新的领域,例如取心、欠平衡钻井、水平井及侧钻等。近年随着以电潜泵马达为动力的电动连续油管钻井系统的研制试验成功,能够把输出轴转速调整到与钻井条件相适的转速,可以使钻头转速与钻井液流量无关,并可实时获得井下数据,实现压力动态平衡; 可实现自动控制井斜和方位,降低起下钻次数,延长使用寿命,其将会成为连续油管钻井的发展方向。

3.4 连续油管用材料的发展

早期的连续油管研究重点主要集中于装置结构的改进方面,直到 20 世纪 60 年代末,才开始对其可靠性进行研究,并投入大量精力改善连续油管管材和焊接工艺,使得管材种类逐渐丰富( 例如钛合金和复合材料) 。

此外,连续油管结构类型也不断增加,可分为内部有焊缝和无焊缝,等壁厚及变截面,是否穿电缆等。近年来,随着新材料科学的蓬勃发展,以质量轻,疲劳寿命长等为特点的碳纤维、玻璃纤维复合连续油管相继研制成功,但是由于其制造成本高,维护难等问题,未能投入常规作业服务市场的应用。因此目前使用最普遍的是高强度低合金调质钢。

4 国内连续油管技术发展现状

自 1977 年我国引进首台连续油管作业机,主要利用连续油管作业技术进行简单的修井作业,成功地解决了油田生产中的一些特殊难题,取得了良好的效果,不但提高了生产效率,还大大减轻了员工劳动强度,每年的作业量不断增加,连续油管技术在我国油田已经得到认可。

国内开展连续油管技术装备的研究始于 20 世纪 90年代初,主要由江汉机械研究院承担,该院从充分调研国外相关先进技术入手,广泛收集国外连续油管技术与装备的技术状况和应用情况,自主开发设计了管径为32 mm 的连续油管作业机,并研制了包括加速器、旋转冲洗工具、拉拔工具等近 16 种配套作业工具。


近年来,我国各钢铁公司也积极开展连续油管研究,出现了大量的专利技术,如 2007 年,武汉钢铁( 集团) 公司发明一种高塑性连续油套用钢及其制造方法; 2008 年,宝山钢铁股份有限公司发明了一种 CT 级系列连续油管用钢及其制造方法等,推动了连续油管国产化的进程。目前,国内宝鸡石油钢管有限责任公司于 2009 年 6 月成功开发了 CT80 级 7600 m -31.8 mm 连续油管,是亚洲成功生产的第一根连续油管。在连续油管作业机开发方面,2008 年中石化江汉油田第四机械厂开展了连续油管开发项目,到目前为止,已经能够自主完成整机装配,关键部件注入头的设计、生产工作; 大庆油田有限责任公司,大连交通大学,胜利油田高原石油装备有限责任公司分别对连续油管近卡点震击解卡管柱,连续油管注入头用夹块可快速拆卸瓦块机构和沉入式连续油管作业车做了大量的研究。


此外,国内还涉足了针对连续油管基础研究工作,如江汉机械研究院开展了“CT 椭圆度恒磁检测技术及装置研究”和“CT 缺陷综合检测传感器的磁路设计”单元技术的研究; 石油大学也开展了“用模糊Bayes 方法确定 CT 的疲劳寿命分布”、“CT 疲劳可靠性分析的新方法”和“CT 疲劳寿命预测模型建立”等基础研究。上述基础研究和技术积累为国内开展连续油管技术与装备研究打下了必要的基础。

5 结 论

连续油管钻井技术是新世纪石油工业的一项创新性技术革命,是未来国际石油钻采业的主导技术之一。

( 1) 国外连续油管技术经过半个多世纪的发展已经进入成熟阶段,除常规钻完井等工艺外,非常规领域的开发使其应用领域逐渐扩大;

( 2) 我国各大油气田已进入成熟期,如何降低成本,提高作业安全性已成为油田开发的首要目标,连续油管钻井技术在这方面展现出的优势为其发展提供了广阔的空间;

( 3) 我国的连续油管设备设计和生产仍处于初级阶段,虽然已有中石化江汉油田第四机械厂,杰瑞等连续油管设备生产商,但是主要部件仍依赖进口,作业车配套设备不完善,因此积极吸收国外先进技术,自主研发逐步实现核心部件国产化,是目前国内发展连续油管的首要任务。