【正文】 之后，1964 年，布朗石油工具公司和埃索(ESSO)石油公司共同研制出一種修井用注入頭，使用的連續(xù)油管外徑為 mm，用于陸上和海上油井清砂作業(yè)。19641967 年，油、氣工業(yè)用連續(xù)油管外徑為 19. 05～,1967 年至 70 年代初則主要使用外徑為 ～ 的連續(xù)油管。 70 年代是連續(xù)油管技術(shù)發(fā)展史上的“灰色歲月” ，但到了 70 年代末至 80 年代初，美國連續(xù)油管作業(yè)機(jī)的制造廠商開始針對(duì)其設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用情況，著重在連續(xù)油管作業(yè)設(shè)計(jì)和制造上進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，進(jìn)而提高了設(shè)備的性能，擴(kuò)大了連續(xù)油管作業(yè)機(jī)的適用管徑范圍，并大大降低了設(shè)備的失效率。隨著鋼材材質(zhì)和管材制造技術(shù)的改進(jìn)，以及連續(xù)油管作業(yè)設(shè)備性能的不斷更新，各連續(xù)油管制造廠商抓緊時(shí)機(jī)，不斷開發(fā)出新的連續(xù)油管投入市場(chǎng)應(yīng)用。80 年代后期，外徑為 和 的連續(xù)油管相繼問世。 至今，連續(xù)油管作業(yè)已涉及鉆井、完井、試油、采油、修并和集輸?shù)榷鄠€(gè)作業(yè)領(lǐng)域。但是連續(xù)油管鉆井并不是新的鉆井概念，早在 1976 年,加拿大的 Flex Tube公司就使用 φ60 連續(xù)油管作為鉆柱在加拿大 Alberta 東南部地區(qū)鉆淺氣井。為了提高連續(xù)油管鉆井的能力和應(yīng)用,過去 10 年間,不少公司還投入巨資研究和開發(fā)連續(xù)油管鉆井技術(shù)及其裝備,并取得了巨大成就。其應(yīng)用范圍包括:新的淺直井、定向井和水平井,老井加深、側(cè)鉆,過油管鉆井,產(chǎn)層取心以及完井鉆井等。連續(xù)油管鉆井深度目前已達(dá)到 3000m 左右,過油管側(cè)鉆的深度已達(dá)到 5000m[3]。目前在美國 Alberta 南部地區(qū),用連續(xù)油管鉆機(jī)鉆井的數(shù)量已占該地區(qū)所有開鉆井?dāng)?shù)量的 10%以上。世界上主要的連續(xù)油管制造廠商均集中在美國，它們是精密油管技術(shù)公司、優(yōu)質(zhì)油管公司和西南管材公司。 國內(nèi)現(xiàn)狀1985 年以來，國內(nèi)陸上各油田共引進(jìn)連續(xù)油管作業(yè)設(shè)備 20 多臺(tái)，主要分布在大慶、勝利、中原、河南、大港、遼河、新疆等油田。現(xiàn)場(chǎng)使用中遇到的主要問題有 [5]：連續(xù)油管被腐蝕或銹蝕現(xiàn)象嚴(yán)重。作業(yè)車底盤離合器斷裂。液壓系統(tǒng)故障。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)觀察的基礎(chǔ)上，總結(jié)歸納出部分力學(xué)分析計(jì)算模型，同時(shí)也研制出適應(yīng)連續(xù)油管作用的井下工具。八十年代制造商對(duì)連續(xù)油管加工工藝及熱處理進(jìn)行研究，提高了連續(xù)油管的疲勞強(qiáng)度和使用壽命。大多數(shù)連續(xù)油管作業(yè)服務(wù)公司都有計(jì)算程序來模擬連續(xù)油管下入井筒后在各種軸向壓載下的幾何形狀和受力狀況，用該程序預(yù)先分析連續(xù)油管進(jìn)入水平段的可行長(zhǎng)度。美國莫爾工程公司(Maurer Engineering InC．)在這方面的研究處于領(lǐng)先地位，該公司采用實(shí)驗(yàn)與理論研究相結(jié)合的方法開發(fā)了連續(xù)油管疲勞壽命預(yù)測(cè)的計(jì)算機(jī)軟件，隨大型鉆井與完井技術(shù)分析軟件一起向世界各大油田推出。與國外相比，還有不少差距，主要存在以下幾個(gè)方面的問題：(1)系統(tǒng)研究不夠。(4)使用連續(xù)油管在修井、完井等作業(yè)中的費(fèi)用偏高，存在讓用戶不能接受的成本問題。法國、美國、加拿大和德國等先導(dǎo)試驗(yàn)表明，連續(xù)油管技術(shù)在己鉆井眼內(nèi)鉆直井或水平井，以及在淺油層鉆新井都是經(jīng)濟(jì)可行的。利用連續(xù)油管鉆小井眼井，可以大幅度降低勘探開發(fā)的費(fèi)用，預(yù)計(jì)將降低勘探鉆井成本 1/3，降低開發(fā)鉆井成本 1/2。因此，如何引進(jìn)、吸收和開發(fā)連續(xù)油管作業(yè)技術(shù)，是擺在我國科研人員面前的又一新的課題。第 2 章 連續(xù)油管鉆井技術(shù)與配套裝備 發(fā)展歷程早在 20 世紀(jì) 30 年代以前，人們就對(duì)連續(xù)鉆井管柱的概念和優(yōu)點(diǎn)有了初步的認(rèn)識(shí)。該系統(tǒng)曾經(jīng)在德克薩斯州的 Marble Falls 附近的采石廠花崗巖地層上鉆了一口 、井深 的試驗(yàn)井，鉆井速度為 ～。1991 年，美國、加拿大、法國相繼成功地試驗(yàn)應(yīng)用了連續(xù)油管鉆井技術(shù)。其應(yīng)用范圍包括:新的淺直井、定向井和水平井,老井加深、側(cè)鉆 ,過油管鉆井，產(chǎn)層取心以及完井鉆井等。連續(xù)油管鉆井深度目前已達(dá)到 3000m 左右，過油管側(cè)鉆的深度已達(dá)到5000m。目前在美國 Alberta 南部地區(qū)，用連續(xù)油管鉆機(jī)鉆井的數(shù)量已占該地區(qū)所有開鉆井?dāng)?shù)量的 10%以上。連續(xù)油管沒有接頭，為實(shí)現(xiàn)欠平衡壓力鉆井創(chuàng)造了有利條件。在老井側(cè)鉆或加深作業(yè)中，因連續(xù)油管直徑小可進(jìn)行過油管作業(yè)，無需取出老井中現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)邊采邊鉆的目的，可顯著節(jié)約鉆井成本。 局限性與常規(guī)鉆井技術(shù)相比，連續(xù)油管鉆井雖有許多優(yōu)點(diǎn)，但由于其尚處于發(fā)展的初級(jí)階段，遠(yuǎn)未成熟，因此也有一些局限性：（1）用連續(xù)油管鉆井之前，通常需要借助常規(guī)鉆井或修井機(jī)作好鉆前準(zhǔn)備工作，如起出油管和封隔器等。(4)連續(xù)油管內(nèi)徑較小，泥漿在管內(nèi)摩擦壓耗太高，限制了泥漿排量。 連續(xù)油管作業(yè)機(jī)連續(xù)油管作業(yè)機(jī)組成示意圖如圖 所示圖 連續(xù)油管作業(yè)機(jī)組成示意圖(1)連續(xù)油管注入頭。它由筒芯和邊凸緣組成。(3)動(dòng)力系統(tǒng)?？刂剖疑涎b有各種儀表、開關(guān)及有關(guān)控制系統(tǒng)，操作人員在控制室里控制注入頭、卷筒、泥漿泵、防噴器和節(jié)流管匯的工作。隨著連續(xù)油管應(yīng)用的增加,這三家公司近年來開展了激烈的競(jìng)爭(zhēng)，使連續(xù)油管的制造技術(shù)不斷發(fā)展，質(zhì)量不斷提高。前 2 種用于陸上，后者主要用于海洋 [10]。圖 專用連續(xù)油管鉆井裝備美國Ｈydra Rig 公司研制的復(fù)合型 CTU，除了配備常規(guī) CTU 外，還裝備有鉆臺(tái)、天車、井架、游車、液壓大鉗等，注入頭、導(dǎo)向器與控制室置于鉆臺(tái)上，采用自動(dòng)控制技術(shù)、傳感技術(shù)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對(duì)整套裝備實(shí)施全面監(jiān)控，具有自動(dòng)司鉆功能。連續(xù)油管鉆井所應(yīng)用的泥漿循環(huán)系統(tǒng)與小眼井鉆井所使用的泥漿循環(huán)系統(tǒng)大致一樣。 井控系統(tǒng)與常規(guī)鉆井一樣,連續(xù)油管鉆井中的主要井控設(shè)備也是防噴器組，它是由全封閉閘板、剪切式閘板、帶卡瓦閘板和連續(xù)油管組成。目前,常用的鉆頭有 TSP、天然金剛石鉆頭和 PDC 鉆頭。圖 底部鉆具組合(BHA) 鉆鋌鉆鋌主要給鉆頭施加鉆壓，提高鉆頭的破巖能量，從而提高機(jī)械鉆速。在施工中馬達(dá)必須與所用的鉆頭相匹配，低速高扭矩馬達(dá)適合于 TSD 鉆頭和天然金剛石鉆頭，中速中扭矩馬達(dá)適合 PDC 鉆頭。目前使用的分離機(jī)構(gòu)主要有液壓和剪切機(jī)構(gòu)兩種，所用的分離機(jī)構(gòu)必須能夠抵抗泥漿馬達(dá)的扭矩。 連續(xù)油管鉆井技術(shù)新進(jìn)展(1)連續(xù)油管直徑不斷增大(最大尺寸達(dá) )，制造材料由碳鋼發(fā)展到調(diào)質(zhì)合金鋼、鈦合金等合金材料及復(fù)合材料，強(qiáng)度從低強(qiáng)度發(fā)展到高強(qiáng)度( 屈服強(qiáng)度已達(dá) 960MPa)，焊接技術(shù)由多焊縫發(fā)展到少焊縫，直到無焊縫。(5)電動(dòng)連續(xù)油管鉆井系統(tǒng)研制試驗(yàn)成功。該馬達(dá)由地面上的一臺(tái)與變速驅(qū)動(dòng)裝置相連的便攜式計(jì)算機(jī)控制。連續(xù)油管具有無接頭、無變徑、彎曲大、能連續(xù)起下能動(dòng)態(tài)密封和強(qiáng)度大、承壓高、體積小等特點(diǎn),為進(jìn)行短半徑、大位移、多側(cè)向的水平鉆井和欠平衡、小井眼鉆井提供了安全、先進(jìn)、有效的技術(shù)手段。CTD 的發(fā)展趨勢(shì)和主要優(yōu)勢(shì)是小井眼、欠平衡、多側(cè)向、短半徑和重進(jìn)入。小井眼 CT 鉆井技術(shù)是將小井眼和 CT 鉆井技術(shù)結(jié)合起來的一種綜合技術(shù)，既體現(xiàn)了小井眼鉆井技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，又顯示出 CT 鉆井技術(shù)所具有的常規(guī)鉆井技術(shù)不能比擬的優(yōu)越性。小井眼鉆井的初期投資較小，開發(fā)較經(jīng)濟(jì)。CT 鉆井技術(shù)特別適用于小井眼鉆井。小井眼用 CT 鉆井與常規(guī)接頭鉆桿鉆井相比，用 CT 鉆并操作簡(jiǎn)便，施工安全，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1)能夠安全地實(shí)現(xiàn)欠平衡壓力鉆井作業(yè)，有利于保護(hù)油氣層，提高鉆速。減少了起下鉆時(shí)間，縮短了鉆井周期，提高了起下鉆速度和作業(yè)的安全性，避免因接單根可能引起井噴和卡鉆事故的發(fā)生。(1)小井眼 CT 鉆井使用較小的鉆井裝備，使得操作運(yùn)行的場(chǎng)地大大減小，減少對(duì)環(huán)境的影響。(2)小井眼 CT 鉆井另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是降低噪聲，在臨近居民區(qū)鉆井作業(yè)時(shí)，這一點(diǎn)就顯得特別重要。這樣，與鉆井液使用和處理有關(guān)的運(yùn)輸和環(huán)境問題也明顯減少。連續(xù)油管在起下和鉆井過程中，不僅能實(shí)現(xiàn)完全動(dòng)密封，而且承壓高，可靠性好，這就為欠平衡鉆井創(chuàng)造了安全可靠的條件 [13]。在常規(guī)欠平衡鉆井施工中，為了降低流體靜壓頭，在井筒獲得欠平衡狀態(tài)，鉆井液同時(shí)使用液相和氣相。接完單根恢復(fù)鉆井作業(yè)、開始轉(zhuǎn)動(dòng)管柱后，巖屑?jí)|層可能會(huì)被慢慢碾磨到井筒表面。采用連續(xù)油管鉆井，由于連續(xù)不停地循環(huán)鉆井液，井內(nèi)欠平衡狀態(tài)成為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)狀態(tài)，從而形成“真正的”欠平衡狀態(tài)。(2)鉆井效率高欠平衡鉆井的鉆速比常規(guī)鉆井高，而連續(xù)油管在欠平衡鉆井中不用接單根，省去了接單根的時(shí)間，而在起下鉆中的起下速度也比常規(guī)鉆桿柱快，這樣可大大節(jié)約占用鉆機(jī)的時(shí)間。在這種情況下，如使用有線MWD 工具進(jìn)行測(cè)量，但在測(cè)量時(shí)因需停鉆而失去欠平衡條件。另外，使用連續(xù)油管進(jìn)行欠平衡定向斜井或水平鉆井，方向難以控制。井口壓力由回流管線上的附加節(jié)流裝置控制，節(jié)流管匯如圖 所示。由于井口壓力隨當(dāng)量循環(huán)密度的變化而變化,因此司鉆和控制節(jié)流的操作人員都要依據(jù)井口壓力的變化情況進(jìn)行操作。下入管柱過程中，不會(huì)沿連續(xù)油管循環(huán)鉆井液，以免造成鉆頭破損，可以靠節(jié)流控制返回的驅(qū)替液，維持井口壓力；起出管柱過程中，同樣不能沿連續(xù)油管循環(huán)鉆井液，但可通過防噴器組上的 T 型壓力接頭循環(huán)，維持井口壓力，當(dāng)井筒內(nèi)充滿流體時(shí)，也可利用控制節(jié)流裝置控制井底壓力，當(dāng)管柱逐漸起出，井底當(dāng)量循環(huán)密度對(duì)井筒的影響逐漸減弱，至井口則完全消失這時(shí)可以緩慢減小井口壓力，彌補(bǔ)逐漸減弱的當(dāng)量循環(huán)密度,以維持恒定的井底壓力。連接管鉆機(jī)的強(qiáng)度在于鉆柱的機(jī)械性能，較大的“推”“拉”力和旋轉(zhuǎn)鉆柱能力常常帶來較長(zhǎng)的水平井段。對(duì)于欠平衡鉆井作業(yè)來說，連續(xù)循環(huán)作業(yè)可以有效控制和維持井底壓力。鉆桿連接完成泥漿泵重新開啟循環(huán)后，泡沫、氣體和游離水段塞就會(huì)向井筒上推，致使井底壓力產(chǎn)生波動(dòng)，直到大量段塞被推出井筒恢復(fù)壓力平衡為止。 專用 BHA 結(jié)構(gòu)按照各種工作的專門需要，BHA 可分為:套管或襯管開窗用 BHA、增斜段用 BHA 和水平段用 BHA。鉆導(dǎo)引孔時(shí)使用 1176。彎接頭。鉆井液馬達(dá)的外殼彎角從 1176。水平段 BHA：:鉆水平段所用 BHA 結(jié)構(gòu)與鉆增斜段所用完全相同。 鉆井液要求磨銑開窗作業(yè)時(shí)會(huì)產(chǎn)生巖屑和金屬碎末，因此，要求鉆井液必須具有良好的鐵屑攜帶能力和良好的剪切稀釋性能以及懸浮能力，漏斗粘度一般在 70～100s 之間為宜，屈服值大于 25，使塑性粘度與屈服值之比較小。其中，水泥塞開窗側(cè)鉆技術(shù)比較成熟，應(yīng)用廣泛，是 3 種技術(shù)中最可靠、經(jīng)濟(jì)、有效的一種。導(dǎo)引孔的形狀確定了其他階段的磨銑操作。(3)磨銑窗口開窗的最后一個(gè)步驟是磨銑窗口。 雙彎外殼井下馬達(dá)+磨鞋，鉆鋌用于向磨鞋提供所需的鉆壓。一趟磨鞋的逐步成熟，使一趟開窗成為可能，不僅節(jié)約了開窗時(shí)間，節(jié)省了費(fèi)用，而且可以避免第二趟磨鞋下井銜接的準(zhǔn)確性問題。對(duì)連續(xù)油管的軸向載荷分析，本文運(yùn)用兩種模型加以討論：(1)考慮管柱剛度影響的剛桿模型(StiffString Model)；(2)不考慮管柱剛度影響的軟桿模型（SoftString Model)。(2)模型建立圖 微元段管柱受力分析在井眼軸線坐標(biāo)系上任取一弧長(zhǎng)為 ds 的微元體 AB，并對(duì)其進(jìn)行受力分析，以 A 點(diǎn)為始點(diǎn)，其軸線坐標(biāo)為 s， B 點(diǎn)為終點(diǎn)，其軸線坐標(biāo)為 s十 ds，此單元體的受力如圖 所示[1922] 。?根據(jù)微元段上的力矩平衡，可得： (410)bndMsKQ??????將(410)式代入(49)式并整理可得全剛度管柱軸向載荷計(jì)算公式： (411)2 22cos0()sin0bmfbbfmfnbdTNqKsdMKdqssN?????????????????其中： ， ， ，222sidrs????dKs?ds??1msKf??式中：—井斜曲率， ；Kmad/?—井斜變化率， ；o—方位變化率， ；?Kmad/?—井眼撓率， ；?—管柱單位長(zhǎng)度重量，N/m；nQ—管柱微段上的內(nèi)彎矩，N；Mb—管柱軸向力增量，N；dT—微元段上的軸向力，N；—井斜角， ；?mad/?—摩阻系數(shù)。)(1(sh??把常微分方程離散化，求得 T(s+1), Mb(s+1),Mb(s+2)，然后將其代入非線方程組求解，得出主副法線方向上的均布接觸力后，即可計(jì)算出微元段內(nèi)任意井深處的摩阻 F，和軸向力 T。在 xyz 坐標(biāo)系中，根據(jù)力平衡原理有如下方程： (418)?????????0)(0)(1zzg yygyiyi xxxixiNFF?圖 單元桿柱受力示意圖 圖 單元桿柱笛卡爾坐標(biāo)系在大地坐標(biāo)系中，向量 , ，可分別表示為： ( 419)(sin,sinco,s)i i iiiFF?????? (420)11111,co)iiiiiiiiiF?? ?式中： , —第 i 單元段上端和下端井斜角；i , —第 i 單元段上端和下端方位角。不同的工況邊界條件不同：起、下鉆：摩阻 = 0，軸向力 = 0oFoT正常鉆進(jìn)：摩阻 = WOB，軸向力 = WOBoo其中，WOB 為鉆頭鉆壓。重力平面內(nèi)垂直于空間斜平面方向的側(cè)壓力 N。因此，如何正確合理地確定摩阻系數(shù)是軸向載荷分析中的一個(gè)重要內(nèi)容。本文建議采用如表 所示經(jīng)驗(yàn)?zāi)ψ柘禂?shù) [1922]：表 經(jīng)驗(yàn)?zāi)ψ柘禂?shù)表泥漿體系水基油鹽 連續(xù)油管工作特性分析 連續(xù)油管彎曲分析(1)連續(xù)油管下入時(shí)最小彎曲半徑計(jì)算連續(xù)油管從油管滾筒放出，經(jīng)導(dǎo)向架、注入頭，進(jìn)入油井，歷經(jīng) 3 次拉伸—彎曲交替變