國內連續管側鉆定向井現狀與難點分析

于東兵，劉壽軍，張富強，楊高，熊革

油氣田開發

國內連續管側鉆定向井現狀與難點分析

于東兵，劉壽軍，張富強，楊高，熊革

（中石油江漢機械研究所有限公司，湖北 荊州 434000）

連續管側鉆定向井技術在中國剛剛起步，在工藝、裝備與工具等相關技術方面缺乏足夠認識。為此，介紹了國外連續管側鉆定向井技術現狀與最新的進展，以及國內開展的連續管側鉆定向井現狀與存在的難點，通過結合相關井次的理論分析與現場數據回歸統計，得出了國內開展連續管定向鉆井需要考慮的幾個難點，研究分析了地面裝備配套、水力學、巖屑床、鉆壓等方面參數，并進行了量化，為下步開展連續管定向鉆井具有借鑒與指導作用。

連續管側鉆定向井；現狀與難點；地面配套

從上世紀90年代初美國Oryx能源公司用無纜連續管在一口老井中完成了側鉆作業試驗起，連續管側鉆在全球已經有整整30年的發展歷程。因連續管鉆井具有安全有效的壓力控制、快速的起下速度（45 m/min）、連續的循環以及更小的井場需求、更快的安裝與拆卸速度，對環境影響小、需要人員少，已經在國外鉆表層井眼、淺層氣或氣化采煤井眼與過油管老井重入側鉆定向井發揮了重要作用，成為油田老井增產側鉆定向井，淺層鉆新井一種的新解決辦法。

1 國外連續管側鉆定向井技術現狀

據不完全統計，國外斯倫貝謝、貝克與Antech等公司連續管鉆井總數超過2 200井次，總進尺達到了2×106m；其中，斯倫貝謝在全球連續管鉆井數量已經超過了1 400井次，總進尺超過106m；貝克公司達到750井次，總進尺達到了9.5×105m[1，2]。連續管鉆井按連續管內是否穿入電纜，分為無纜連續管鉆井與有纜連續管鉆井[3，4]。無纜連續管鉆井被國外公司廣泛地用于淺層大井眼直井鉆井，最大井眼尺寸375 mm，該連續管鉆井系統與常規鉆井系統基本相同，包括地面井控配套由剪切/密封閘板與環形防噴器組成；剪切/密封閘板通徑339.72 mm，工作壓力34.5 MPa；環形防噴器通經342.9 mm，工作壓力20.7 MPa。鉆井配套泵額定工作壓力17.2 MPa，最大排量18.4 L/s。工具系統包括60.3 mm連接器、120.65 mm馬達頭、158.75 mm鉆鋌（3~5）、171.5 mm馬達、311.15 mm鉆頭，以及374.65 mm的擴孔器[5，6]。有纜連續管鉆井系統主要用于側鉆定向井作業中，以貝克和Antech為例，工具系統尺寸已經發展成三種規格如60.3 mm、76.2 mm與127 mm；目前側鉆定向井最小井眼尺寸71 mm，最大井眼尺寸215.9 mm[7，8]。

2 國內連續管側鉆定向井技術現狀

國內中石油江漢機械研究所有限公司從2010年開展了無纜連續管老井加深鉆井的先導試驗，并逐漸開展了過套管開窗的有纜連續管側鉆現場試驗，至今已開展了13口井的現場試驗，有效進尺接近104m；其中開展有纜連續管定向鉆進4井次，無纜連續管定向鉆進9井次；應用60.3mm連續管側鉆1口井次，73mm連續管側鉆12井次； 2019年還成功完成了一口連續管側鉆水平井作業，水平段長度123m。

作者通過參與國內連續管側鉆技術現場試驗，發現國內無論是單模式的連續管鉆機還是復合式連續管鉆機工作能力都達到了國際先進水平[9]，以復合式鉆機為例注入頭最大提升力907.2kN，滾筒纏繞88.9mm連續管長度達到3000m，鉆機井架提升力超1200kN，具備鉆表層與起下管柱的能力。但，國內連續管側鉆定向井開展的側鉆工藝簡單，以過平衡鉆井為主，作業過程中存在著鉆壓施加困難，地面設備配套不協調，鉆井時效慢，工藝與工具結合、經濟性程度不高，導致了部分油田和施工方對連續管側鉆定向井在國內市場大范圍應用產生懷疑。

3 國內連續管側鉆定向井難點

3.1 地面設備配套

連續管側鉆定向井的地面配套是指泥漿泵與固控凈化循環系統，圖1、2所示。國內連續管已鉆井常采用2臺F800泥漿泵或2臺F500泥漿泵，一用一備，泥漿泵銘牌標注最大壓力分別是34.5 MPa或27.2 MPa，常配置110 mm缸套與活塞；固控凈化循環系統處理能力最大處理量：210 m3/h，配備2臺高頻振動篩、1臺中速離心機、1臺真空除氣器，配80~160目的振動篩網，現場80目篩網占多數。表1是連續管側鉆定向井現場實測泵壓統計表。表中現場作業的泵壓值范圍很寬，其中發現泥漿稠化較快、較嚴重，導致泵壓值快速升高，現場觀察振動篩有篩糊、泥漿處理不到位現象，表明固控中振動篩網與離心機選用是滿足不了連續管側鉆要求；其次，泥漿泵標注銘牌與系統配置不協調，導致鉆進作業中不滿足要求，出現壓力接近或稍稍超過20 MPa時，泥漿泵無法長時間工作。

圖1 鉆井泥漿泵

圖2 固控凈化循環

表1 現場施工泵壓統計表

3.2 鉆壓施加

作者統計了連續管側鉆定向井側鉆深度至作業井深，如表2所示，側鉆點深度最小855 m，最大深度1 790 m；作業中配套的典型工具串如圖3所示，包括鉆頭、單彎螺桿馬達、MWD浮閥、無磁鉆鋌（MWD）、轉向器、加重鉆桿（8～12根）、馬達頭、連接器。所有的側鉆工具串中都加入了加重鉆桿用于鉆壓施加，但現場作業中同樣發現鉆壓施加困難，表現為鉆壓施加后無進尺，或進尺較慢。

表2 連續管定向鉆井作業深度統計

圖3 國內連續管定向側鉆典型工具串

3.3 側鉆工具數據獲取

連續管定向側鉆工具如圖3所示，與地面形成數據交流僅僅依靠MWD測出的井斜與方位數據，導致當前側鉆定向井過程中不能夠準確的獲得鉆頭處的鉆壓、扭矩值，導致地面注入頭下放鉆壓與在井下施加的載荷關系是未知的，常出現以注入頭的下放載荷作為鉆壓，無法獲得鉆進的鉆壓實際參數，鉆進效果不好，其次，螺桿鉆具輸出的鉆壓和扭矩值是未知數，螺桿鉆具的壓降無法獲得，總體泵壓構成分析困難，易導致盲目下鉆與起鉆。某些情況下，還導致了管柱遇卡。

4 難點分析與解決措施

4.1 地面配套設備選用

選取定向鉆進中泵壓的實測值，利用鉆柱公式[10]與MeDCO軟件進行回歸如表3所示，得出現場的泵壓值與理論計算泵壓差值約1~5 MPa，考慮到螺桿鉆具壓力屬于負載決定，以及鉆井過程中含鉆屑含量的不同，因此，認為理論計算與現場作業的泵壓基本吻合。結合國內東部區塊的老井側鉆點井深，以及長慶蘇里格的老井側鉆點井深，分析模擬計算得出現場需要的泵壓與水功率如表4所示。考慮到連續管可連續高壓循環鉆井，可以噴射速度，有利于提高機械鉆速；因此，建議現場配備更高壓力的鉆井泵,建議壓力等級52.7 MPa，如F800HL，結合排量10~12 L/s，并對鉆井泵的缸套和活塞采用陶瓷材料，提供使用壽命，降低現場修泵次數；其次，整套系統特別是驅動泵的動力必須滿足壓力等級要求。

表3 模擬分析與現場泵壓對比

連續管側鉆是直接面向儲層的鉆井，鉆壓小，通過對返排的巖屑顆粒物直徑分析得出直徑小于3mm較多，圖4所示。因此需要選用更高目數的振動篩網，建議選用篩網160~200目篩網，并配變頻離心機，其次配套帶有除氣設備，此套裝備中石油江漢所已經完成研發，并已生產。

表4 模擬分析與泵水功率計算

4.2 排量與機械鉆速匹配

連續管定向鉆進過程中，環空巖屑的含量、巖屑床的高度判斷是一個難點，通過利用專業分析軟件與現場回歸分析，如表5分類統計所示。機械鉆速影響到環空中泥漿固相含量與泵壓，鉆速越快，巖屑床堆積越嚴重，特別在造斜段巖屑堆積波峰與波谷差值越大，影響鉆壓施加，連續管進給發生卡阻現象。增大排量可有效降低巖屑床高度與造斜段堆積的波峰和波谷差值。因此，根據現場連續管鉆進成功經驗，回歸得出在排量12 L/s下，最優的機械鉆速時7.5 m/h，可有效降低短起次數，或注入高黏度膠塞協助返排，可以連續的鉆進。10 L/s下，機械鉆速時9 m/h，出現鉆壓施加困難，上提管柱有時有卡阻。

表5 施工排量與巖屑床回歸模擬分析

4.3 環空流態控制

經驗表明，紊流與層流對連續管鉆定向井造斜段與水平段巖屑返排有至關重要的作用，圖5通過國內目前連續管鉆進120 mm井眼參數回歸分析，泥漿密度按均值1.18 g/cm3，排量如圖5所示9~12 L/s，對于賓漢姆流體，雷諾數大于2 100，環空內流體處于紊流狀態，便于水平段與大斜度井的攜巖，雷諾數小于2 100，環空內流體處于層流狀態，適應于45°井斜的攜巖。

圖5 雷諾數回歸分析

通過計算雷洛數Re，得出目前國內連續管鉆井環空流態呈現的多是層流狀態，也說明了當前鉆大斜度井時巖屑返排困難，短起次數增加，因此，連續管進行大斜度定向鉆進時必須控制環空流態。

4.4 短起工藝控制與測試工具

連續管鉆井屬滑動鉆進，因連續管管徑小，施工排量的限制，導致作業中巖屑易堆積，并不被懸浮起來，在鉆壓施加困難時，建議泵注高黏度的膠塞進行頂替，或者通過起下連續管的方式，打開工具中的循環閥，大排量沖洗井筒底部的巖屑床。所以，建議在鉆井施工過程出現施加鉆壓后，機械鉆速慢，或根本無進尺時，需要短起，其次，需要加快連續管定向鉆進測試工具研發，快速的反饋井下鉆進參數，利于更好地進行短起工藝控制。

5 結論

本文通過對國內連續管定向鉆井現狀的難點分析，并結合軟件對現場數據回歸研究，提出了下步促進連續管定向鉆井需要考慮4個方面：地面配套設備選用、排量與機械鉆速匹配、環空流態控制、短起工藝控制與測試工具研發，并在4個方面提出了促進國內連續管定向鉆井現場的量化參數。

（1）建議配套適合連續管定向鉆井的高壓泥漿泵注設備，通過分析研究建議選用52.7 MPa的泥漿泵，整套泵組的動力參數配置必須滿足水功率要求，建議配套適合于連續管面向地層鉆進的固控設備，建議選用160~200目振動篩配變頻離心機，使地面配套小型化，集約化；

（2）當施工排量10~12 L/s下，必須做好施工設計，控制機械鉆速，使巖屑床高度控制在48 mm以內，建議連續管鉆井機械鉆速不超過9 m/h；

（3）鉆井斜超過45°的大斜度井或水平井時，應隨時控制造斜段的環空流態，控制泥漿的性能，使大斜度的環空流態處于紊流狀態，建議增加循環閥，必要時開啟，降低造斜段巖屑床波峰波谷差值，并在出現鉆壓施加困難或井下測量工具反饋鉆壓較低時，增加短起次數。

［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］張富強，劉壽軍，段文益，等. 國外連續油管鉆井系統發展與應用［J］. 石油礦場機械，2017，48（6）．

［4］劉壽軍，于東兵，等. 有纜連續管鉆井系統在側鉆水平井中的應用現狀［J］. 石油機械, 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］于東兵，劉壽軍，等. 連續管鉆井系統鉆大尺寸井眼技術現狀［J］. 遼寧化工，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］賀會群，熊革，等. LZ580-73T連續管鉆機的研制［J］. 石油機械， 2012，40（11）．

［10］李誠銘. 新編石油鉆井工程實用技術手冊［M］. 第1版. 中國知識出版社，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

國家課題：水合物鉆完井和試采技術應用示范，項目號：2017YFC0307604-4。

2020-02-19

于東兵（1982-），男，高級工程師，碩士，湖北荊州人，2004畢業于長江大學，研究方向：連續管裝備與工具。

TE 242

A

1004-0935（2020）05-0572-04