连续管钻井减阻技术发展

欧阳赛赛，葛云华，王苏为，汪海阁

(1.中国石油集团 钻井工程技术研究院，北京 102206；2.中国石油大学(北京)，北京 102249)①



连续管钻井减阻技术发展

欧阳赛赛1，2，葛云华1，王苏为1，2，汪海阁1

(1.中国石油集团 钻井工程技术研究院，北京 102206；2.中国石油大学(北京)，北京 102249)①

连续管钻井技术在油气开发领域的应用越来越广泛，尤其在水平井、大位移井、多分支井、老井加深和侧钻等技术领域更具有其独特的优势。连续管因其刚度小、不旋转等原因，导致摩擦阻力大，压力传递困难、易屈曲，严重限制了连续管的应用。针对连续管钻井减阻技术，阐述了振荡减阻器、润滑剂和牵引器减阻原理。介绍了几种先进减阻工具的结构、原理和应用情况。提出了我国连续管减阻技术的研究方向。

连续管钻井；减阻技术；减阻工具

现代连续管技术自20世纪60年代兴起后，迅速应用到各个相关领域。近年来，随着水平井、大位移井和多分支井数量的逐渐增加以及小井眼钻井、老井加深和侧钻技术的发展，连续管钻井技术已经越来越广泛用于油气勘探开发领域中。制约连续管钻井技术应用的主要因素是由于其管径小、刚度差并且无旋转，导致摩擦阻力大、压力传递困难、易发生屈曲甚至卡死。目前，连续管钻井减阻技术得到一定发展，本文将介绍几种减阻技术和工具的原理及应用情况。

1　连续管钻井减阻技术

连续管钻井中，连续管与井壁间的摩擦阻力与管壁和井壁之间的摩擦因数、压力相关，所以连续管钻井减阻技术可分为2个方向：降低连续管与井壁之间的摩擦因数和减小连续管与井壁之间的压力。其中，降低摩擦因数有2种方法，一种为通过振动将静摩擦转变成动摩擦从而减低摩擦因数，振动形式包括横向振动和轴向振动，又以轴向振荡效果较好；另一种是添加润滑剂，改变摩擦介质属性，减低摩擦因数。减小连续管与井壁之间压力的方法主要是通过降低连续管屈曲，解决屈曲问题除了改善连续管的材质外，还可以依靠井下牵引器调整轴向力来实现。

2　振动减阻工具

振动减阻工具按其工作原理分为机械惯性式和断流式2大类。机械惯性式工具的原理是通过钻井液的流动激发机械结构的位移或者旋转产生振动；断流式工具是通过机械结构周期性限制或者中断钻井液的流动，由水锤效应激发工具振动。

2.1机械惯性式减阻工具

E-line Agitator工具是由National Oilwell Varco公司研发的连续管钻井减阻工具[1-4]，由大口径钻井中使用的减阻器改进而来。该工具由振荡短节和激发短节2部分组成，如图1所示。激发短节又分为动力短节和盘阀短节，动力短节由1∶2容积式马达构成；盘阀短节为一个由动力短节驱动的带有偏心孔圆盘，通过改变泥浆通道面积，产生连续的压力脉冲。压力脉冲传到振荡短节，形成周期性轴向振动。该工具进行了3 700 m深的水平井连续管钻井测试，测试结果表明E-line Agitator能够降低摩擦阻力至少26 %，并且延缓了连续管卡死情况，增加了卡死的深度。

图1　水力振荡器结构

该工具结构简单稳定、连续工作的时间较长，且减阻效果明显。但对钻井液的压力影响较大，正常工作时可使钻井液的压力降低约4.5 MPa。该工具适用于机械钻速慢，施工工期长的井况。

FDR工具是由RF-Rogaland Research公司研发的一种连续管钻井减阻工具[5]，主要由振荡部分、流入阀和流出阀3部分构成，如图2。工作时，钻井液经流入阀进入液缸，推动振荡部分轴向运动，到达行程后，流入阀置左，流出阀置右，钻井液推动振荡部分做反向运动，从而实现周期性运动。该工具行程为50～100 mm，频率2～8 Hz，可以结合现场需要进行调节。FDR工具进行了3 000 m水平井的测试，可减小摩阻75%～92%。

图2　FDR工具结构

FDR工具结构较为复杂，对关键阀门部位的加工制造要求极高，循环液通道易发生故障，振荡部分需要较高的机械强度。该工具适用于破岩难度大且工期较短的井况。

2.2断流式减阻工具

流量调节振动工具[6]是一种依靠钻井液流道的特殊设计，形成类似阀门的通断功能，产生流体脉冲激发工具的轴向振动，其原理如图3所示。该工具无移动部件，可靠性高，无橡胶类弹性体，适用范围广，无温度限制，结构短且耐用。

图3　流量调节振动工具示意

旋转脉冲工具的基本工作原理是通过钻井液的流动激发工具内部旋转结构，强制周期性中断钻井液，利用水锤效应产生轴向振动。该工具在非极端环境下可有效可靠的运行；因其具有橡胶类弹性体结构，不能长时间暴露在高温、化学品等环境中；其结构较长。

锥形阀工具的基本工作原理与旋转脉冲工具基本相似，该工具的周期性断流由锥形阀完成。该工具结构简单，成本较低，可以不用橡胶类弹性体，结构长度短，不适用于岩屑多的钻井液环境。

2.3工具现场试验对比

工具的现场试验在相同地质条件下能得到最准确的结果。表1为美国伊格福特油田的现场试验数据对比[7]，该试验分别采用5种不同的工具，选取伊格福特油田的5口井进行试验。

表1　减阻工具现场试验对比

由表1可知，径向惯性减阻工具的效果与无减阻工具基本相同，均未能达到预定深度就发生锁死。旋转脉冲工具、流量调节工具和锥形阀工具均达到预定深度，实际摩擦因数与预计相近，而流量调节工具在钻速和摩擦因数上表现最为优异。相比于其他工具，流量调节工具在运行时无刚性冲击，结构上无移动部件，具有较高的可靠性；并且不会强制中断钻井液，对压降影响小。

3　润滑剂减阻

3.1油基钻井液

连续管钻井摩擦阻力大，对钻井液的润滑性能要求较高。通过优化泥浆体系，控制固相含量、提高润滑剂含量等手段，可提高钻井液的润滑性能，减小摩阻。目前，国外大多数的大位移水平井采用合成基或油基钻井液。各类泥浆的摩阻系数如表2[8]。

油基泥浆或合成基泥浆在高温、高压下稳定性更好，因此油基、合成基泥浆是一个降低连续管钻井摩阻的途径之一。

表2　泥浆摩阻系数

油基钻井液虽然成本高昂、调配困难，但由于可以重复利用，适用于连续大量钻井的情况，并且在一些水基钻井液不能使用的地层，油基钻井液是很好的选择。

3.2表面活性剂

在连续管钻井中表面活性剂的减阻作用[9-10]是由于其结构中的棒状或蠕虫状的线性胶束结构，该结构可以抑制紊流和减低摩擦因数，从而达到降低能耗，提高钻速的效果。表面活性剂因其应用环境复杂，减阻效果易受各种因素影响，包括表面活性剂自身结构及浓度、补偿离子的结构及浓度、流体介质的特性和外界环境如温度等。表面活性剂在钻井中已得到了比较广泛的应用。先进的表面活性剂产品已经具备了很好的减阻效果，比如Smith[11]等研究的长链烷基季铵盐与水杨酸钠的混合体系可以降低摩阻70 %。

表面活性剂不能用于高温油藏的开发，温度最高不能超过90 ℃，并且其造价高、生产周期长，适用于高黏度的钻井液。

油基钻井液与表面活性剂的配合使用能够有效减小连续管钻井的摩阻。但油基钻井液对环境的污染和表面活性剂适应性差的特点是阻碍该减阻技术发展的障碍，研发环保型钻井液和复杂环境适应性强的表面活性剂势在必行。

4　牵引器减阻工具

牵引器也叫井下爬行器，是一种能在井底提供牵引力的井下工具。以前牵引器的研究大多集中在大直径井眼，用于连续管的较少，随着连续管钻井的发展，国外也有一些相对成熟的牵引器出现。

4.1轮式牵引器

Welltec牵引器[12]是由Statoil公司、Maritime油井服务公司和Welltec公司共同开发的轮式牵引器，已经在北海等地成功投入使用。该牵引器为轮式结构，主要由动力部分、牵引部分、连接部分3部分组成，如图4。工具结构紧凑，外径54 mm，长度5.87 m；牵引力可达3.63 kN；平均移动速度达到818 m/h。动力部分为涡轮发电机，钻井液通过时可提供电能。牵引部分为滚轮组，由钻井液驱动。工作时发动机驱动滚轮弹出，与井壁接触提供牵引力。该牵引器还具有故障保护系统，当牵引器发生断开或失去电能时，轮子收回，不影响钻井。Welltec牵引器成功用于澳大利亚北部的万度油田的3个产油水平井，共用12个牵引器，拖拉运行距离8 300 m，最长水平段距离1 190 m，平均速度303 m/h。

图4　Welltec连续管井下牵引器

以Welltec牵引器为代表的轮式牵引器，在实际工作中，由于其轮式结构不能达到设计牵引力。轮式牵引器一般具有牵引力较小、速度较快的特点，适用于需提供牵引力较小的水平段井。

4.2伸缩式牵引器

Microhole Drilling Tractor牵引器[13]是由Western Well Tool公司设计的伸缩式牵引器。牵引器由前轴部分、后轴部分和控制部分构成，如图4。该工具由高压钻井液驱动，由液压杆的伸长与缩短带动弹簧钢片的收缩与扩张，通过对井壁的夹紧与收合，达到井下牵引器的单向运动的目的，实现牵引功能。该牵引器适用范围广，环境要求低，并且能够提供较大的牵引力。

图5　Microhole Drilling Tractor牵引器

电机驱动CT牵引器[14-15]是由中国石油大学(北京)侯学军等人设计的一种微小井眼井下牵引器。该牵引器主要包括上卡瓦支撑系统、六方中心滑管、下卡瓦支撑系统和控制系统4部分，如图5所示。该牵引器直接利用4个伺服电机驱动与控制牵引器牵引井下CT进行下入和取出；牵引器通过上下卡瓦支撑系统抓紧井壁，支撑牵引器提供轴向摩擦力，进而为连续管提供牵引力。该牵引器通过伺服电机驱动，减少了对循环液液压能的依赖，不影响钻井液循环，降低了控制的复杂性，节省了大部分液压管路占据的空间。

1—上卡瓦支撑系统；2—中心滑管总成；3—控制系统；4—下卡瓦支撑系统。

伸缩式牵引器的行进方式是依靠支撑臂的周期性动作，一步一步运动。该方式可提供的牵引力较大并且稳定，但是行进速度较慢。伸缩式牵引器适用于对牵引力要求较高的水平井。

5　结语

连续管钻井具有刚度小、摩阻大、有效钻压传递困难和易屈曲等缺点，减阻技术的发展日渐迫切。降低摩擦因数和连续管与井壁间的压力是有效地减阻方法。振动减阻工具、润滑剂和牵引器虽然都是解决问题的方法，但是在使用效果上还有欠缺。流量调节振动工具因结构稳定可靠、效果显著，是目前最适用的减阻工具。该工具的研发在国内尚在初级阶段，需解决工具的流道设计难题。另外，每种减阻方法具有各自的优势，将不同的方法配合使用以达到更好的减阻效果，也是一种研究的方向。

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[15]侯学军，高德利.微小井眼连续油管钻井牵引器系统结构设计[J].石油机械，2013，41(3)：40-43.

Development of Drag Reduction Technology for Coiled Tubing Drilling

OUYANG Saisai1，2，GE Yunhua1，WANG Suwei1，2，WANG Haige1

(1.Drilling Research Institute，CNPC，Beijing 102206，China；2.ChinaUniversityofPetroleum，Beijing102249，China)

In recent years，the application of coiled tubing drilling technology in the field of oil and gas are much wider，it has unique advantages in horizontal wells，extended reach wells，multilateral wells and old wells drilling deeper and sidetrack drilling and other fields.Coiled tubing is severely limited because of its friction and buckling caused by rigidity and non-rotating.The drag reduction devices，lubricants and traction are introduced.The structure，principle and application of some advanced drag reduction devices are illustrated in this paper.

coiled tubing drilling；drag reduction technology；drag reduction devices

1001-3482(2016)10-0011-05

2016-04-24

国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”(2016ZX05013005)

欧阳赛赛(1990-)，男，辽宁朝阳人，硕士研究生，主要从事海洋石油装备研究，E-mail：1011747654@qq.com。

TE921.2

Adoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.10.003