第八章 连续油管钻井

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1、第十章 连续油管作业技术授课人：曹淑秋前言l 连续油管是相对于常规螺纹连接油管而言的，它 是一种缠绕在大滚筒上，可连续下入或起出油井的 一整根无螺纹连接的长油管。将高强度低合金材料 滚轧直焊成一定长度的管段，再将这些管段对焊起 来，便可制成所需长度的连续油管。同常规油管作 业相比，连续油管作业具有节省作业时间、减少地 层伤害、作业安全可靠和效率高等诸多优点。目前 ，连续油管作业几乎已涉及到了所有的常规油管作 业范畴。连续油管作业技术l第一节 连续油管技术发展概况l第二节 连续油管与连续油管作业机l第三节 连续油管作业工艺 l第四节 国内外应用现状及发展前景l第五节 国内连续油管作业技术的应用分

2、析连续油管作业最初的概念是利用一种特殊设 备，将小直径的连续油管下入生产油管内完成特 定的修井作业如洗井、打捞等。作业后从井 中起出的连续油管缠绕在大直径滚筒上以便移运 。 现代连续油管作业技术始于60年代初，迄今 已有30多年的历史，其发展过程大致可分为三个 阶段，即60年代初至70年代初的初期快速发展阶 段、70年代初至80年代的发展“停滞“阶段和80年 代以后的扩大发展阶段。第一节 连续油管技术发展概况l一、初期快速发展阶段l二、发展“停滞”阶段l三、扩大发展阶段一、初期快速发展阶段l1962年，美国加里福尼亚石油公司和波恩石油工具公司联合研制了第一台连续油管 轻便修井装置，所用连续油管

3、外径为33.4mm，主要用于墨西哥海湾油、气井的冲砂 洗井作业。由于连续油管作业技术从一开始投入使用便显示了其诸如不需上卸扣、 接单根，从而可节省起下油管的时间，并可连续向井下循环修井液，减少对地层的 伤害等优点，连续油管作业技术出现后在60年代初至70年代初得到迅速发展，连续 油管作业设备在油、气田生产中的应用不断扩大。l1964年，美国布朗石油工具公司建立了连续油管生产线，开始生产连续油管，采用 屈服强度为345379MPa的钢板，并改进制造工艺，从各个方面提高了连续油管的 性能。在连续油管的发展过程中，其应用装备也随着不断发展和完善。继第一台连 续油管轻便修井装置之后，l1964年，布朗

4、石油工具公司和埃索石油公司共同研制出一种修井用注入头，使用的 连续油管外径为19.05mm，用于陆上和海上油井的清砂作业。l1967年，波恩石油工具公司研制出12台“5M”型连续油管作业机，使用外径为 12.7mm的连续油管，其提升能力为22.3KN。l1968年，波恩石油工具公司又开发出“8M”型连续油管作业机，使用外径为 19.05mm的连续油管，其提升为能力为35.6KN。至70年代初，已有200多台连续油管 作业机广泛用于油、气井的清砂和注氮作业。19641967年，油、气工业中所用连 续油管外径为19.0525.4mm，1967年至70年代初则主要使用外径为12.725.4mm 的连

5、续油管。这一期间，连续油管主要用于浅井作业。二、发展“停滞”阶段l70年代初，人们将外径为25.4mm的连续油管从常规浅井的冲砂和喷射 举升作业扩大应用到深井作业，但由于当时连续油管的材料强度(屈服 强度为345379MPa)及其直焊缝强度不能满足重复循环及深井作业时 所产生的高拉伸载荷的要求，连续油管在深井中无法得到成功应用。 进入70年代后，由于连续油管焊缝失效、设备故障及井下连续油管作 业事故增多等多种综合因素，人们开始对连续油管作业技术的可靠性 及安全性持怀疑态度，连续油管作业技术的发展受到严重阻障。l70年代是连续油管技术发展史上的“灰色岁月”，但到了70年代末至 80年代初，美国几

6、家连续油管作业机的制造厂商开始针对其设备在现 场的应用情况，着重在连续油管作业机的设计和制造上进行技术改进 ，进而提高了设备的性能，扩大了连续油管作业机的适用管径范围， 并大大降低了设备的失效率。与此同时，美国几家连续油管制造厂商 也开始投入力量改进连续油管制造技术，并于1978年开发出外径 31.75mm的连续油管。三、扩大发展阶段l进入80年代后，连续油管作业技术出现了新的转机。随着钢材材质和管材制造技术的 改进，以及连续油管作业设备性能的不断更新与80年代世界石油价格的回落，各连续 油管制造厂商抓紧时机，不断开发出新的连续油管投入市场应用。1980年，开始采用屈 服强度为482.3MPa

7、的钢板轧制连续油管，明显地改善了连续油管的性能。1983年，在阿 拉斯加北坡，连续油管开始被用于挤注水泥作业。到了80年代中期，连续油管已被应 用于各类泵送作业、输送井下工具及替换生产管柱。各连续油管制造厂商致力于较大 直径连续油管的开发。80年代后期，外径为38.1mm和44.45mm的连续油管相继问世。l进入90年代后，连续油管作业技术发展迅速，连续油管作业已涉及所有常规修井作业 领域，并向更广、更复杂的应用领域扩展。至1993年底，全世界在用的连续油管作业机 数量已达561台，连续油管的年消耗量达426万米，连续油管的最大作业深度达到7125m ，并且更大直径的连续油管不断问世。1990

8、年，外径为50.8mm的连续油管投入完井作 业；1992年1月，外径为60.3mm的连续油管问世；1993年，外径为88.9mm的连续油管已 用于深井试油；1994年度，连续油管的最大直径已达114.3mm。l至今，连续油管作业已涉及钻井、完井、试泊、采油、修井和集输等作业领域。1992年 初，美国石油学会开始编制“连续油管作业和应用”做为API的推荐作法，以宣传和规 范有关连续油管的工程、设计、制造、配套、安装、试验及操作。l目前，世界上几大主要连续油管与连续油管作业机的制造厂商均集中在美国，它们是 精密油管技术公司(Precision Tube Technology)、优质油管公司Qual

9、ity Tubing Inc.和 西南管材公司Southwesten Pipe Inc.三大连续油管制造公司及Bowen、Hydra Rig(1991 年与Drexel公司合并)和Otis等连续油管作业机制造公司。第二节 连续油管与连续油管作业机l一、连续油管l二、连续油管作业机一、连续油管l目前，制造连续油管的材料主要有三种，即碳素钢、调质钢和 稀有金属，同时，非金属复合材料连续油管也已研制成功，并 处于应用开发阶段。 l调质钢与碳素钢的区别在于它的元素Cr和Mn的含量高，有利于 调质热处理。成型的调质钢连续油管具有较高的强度，其屈服 强度介于689758MPa之间，比碳素钢连续油管的屈服强

10、度高 40%。这样便提高了连续油管的抗拉强度和耐压能力，延长了 连续油管的使用寿命，但是，这种材料的连续油管在现场不易 修复。l1992年，精密油管技术公司开发出钛金属连续油管，以使连续 油管适应在恶劣条件和腐蚀环境中作业。目前市场上可见到的 三种钛金属连续油管的机械性能见表2。这种连续油管具有重 量轻、强度高等优点，但是价格昂贵，是普通钢制连续油管的 6倍。 表2 钛金属连续油管的机械性能型号 屈服强度（ MPa） 抗拉强度 （MPa ） 延伸率 （%） 2级 275.6344.52012级 482.3551.218BetaC 964.61033.512二、连续油管作业机l连续油管作业机是一

11、种移动式液压驱动的起下和运 输连续油管的设备，其基本功能是在作业时向油井 中生产油管或套管内下入或起出连续油管，并把连 续油管缠绕在滚筒上以便移运。连续油管作业机一 般可分为陆用和海上用两大类。陆用连续油管作业 机为拖车装式和自走车装式两种，而海上用连续油 管作业机一般为撬装式。图1所示是陆用连续油管作 业机，主要由液压注入头、滚筒、井口防喷器组、 液压随车吊、液压动力系统、伸缩式控制室和自走 式底盘等组成。图1 连续油管作业机（移动状态）1-自走式底盘；2-伸缩式操作室；3-液压操作系统；4-软管滚筒；5-连续 油管滚筒及排管器；6-井口液压防喷器组；7-液压随车吊连续油管作业机的装置组成1

12、、连续油管滚筒； 2、计数器； 3、排管器； 4、连续油管； 5、连续油管导向器； 6、注入头； 7、指重传感器； 8、自封芯子； 9、防喷器组； I0、注入头支腿； 11、三通； 12、井口控制阀； 13、控制箱； 14、动力机组 1、液压注入头 是连续油管下入和起出油井的关键设备，其主要作用是： l1提供足够的推、拉力以起下连续油管。l2在不同的油井条件下控制连续油管的下入速度。 l 3承受全部连续油管的重量，且在起出连续油管时 提供足够的拉力及速度。 l 注入头由两台同步的可正反向运转的液马达驱动链 条，以带动夹块夹住连续油管上下移动。液马达为 径向柱塞马达，带有内部失效保护及刹车装置。

13、链 条与夹块固定在一起以适应连续油管柱的外径。注 入头上有6个液缸通过压块压紧滚轮以产生起下连续 油管所需的摩擦力。另外还设有两条液缸张紧链条 。油管导向器5 l其作用是将缠绕在滚筒上的连续油管引导进入驱动链条内。导 向器的弯曲半径大致与滚筒的直径相近。一般情况下，对于 31.75mm的连续油管，注入头导向器的弯曲半径约为1500 1800mm；对于44.45mm和50.8mm的连续油管，其弯曲半径最 小为2133mm。 在注入头下部安装有液压控制的快装油管自封芯子8 l其作用是在起下连续油管时，封住井内上返液体和清除油管外 壁污物。油管自封的最小工作压力为35MPa，通常设计的最大 工作压力

14、可达70MPa。 在注入头底部，还安装有指重传感器7 l用以显示下入井内的连续油管重量及检 查连续油管遇阻情况。2连续油管滚筒 图3 连续油管滚筒 1一滚筒刹车装置；2一刹车凸缘； 3一滚筒；4一连续油管计数器；5一排管 器总成；6一滚筒驱动马达连续油管滚筒 l连续油管滚筒为焊接结构的钢 制卷筒(图3)，其直径一般在 15241828mm 之间。滚筒上有 直径为2.74mm的刹车凸缘2(图 3)，用以刹车。滚筒的排管量 随其直径而定，一般可缠绕 25.4mm的连续油管7925m或 31.75mm的连续油管6700m。 连续油管的一端通过滚筒空心 轴与安装在轴上的高压旋转接 头相接，因此，在整个

15、连续油 管作业过程中可保持连续地环 循液体。连续油管滚筒 l滚筒的旋转是通过液马达6(图 3)控制的。液马达可以直接安 装在滚筒轴上，也可以通过链 条驱动。液马达用来保持连续 油管的稳定拉力，并使连续油 管紧紧地缠绕在滚筒上。在连 续油管下井时，液马达保持较 小的背压，使注入头拉曳管子 时保持一定的拉力。当起出连 续油管时，液马达的压力增加 使滚筒与注入头起出连续油管 的速度保持一致。连续油管滚筒 l在滚筒的前面装有自动排管器 5(图3)，其作用是使连续油管 缠绕时能自动地排列整齐。连 续油管长度计数器通常安装在 排管器总成上，用以测量连续 油管的长度。 l此外，滚筒上还装有轴向气动 刹车装置

16、，其作用是当注入头 与滚筒之间的连续油管突然断 开时刹住滚筒，但它不能控制 连续油管的下放速度。3井口防喷器组 l 防喷器组9(图2)是用来防止井喷或其它事故的发生， 以保证连续油管作业机安全可靠地工作。这种防喷 器组由4部分组成，自上而下的安装顺序是全封闸板 、剪切闸板、卡瓦及半封闸板。全封闸板、卡瓦及 半封闸板与常规的64mm同类产品相同。剪切闸板 是一种特殊用途的结构装置，当连续油管卡住或卡 死时用它将其剪断。l防喷器组全部采用液压控制，其最大工作压力可达 70MPa，可在含硫、低温高压井上可靠地工作，具有 结构紧凑、尺寸小及重量轻等特点。4液压随车吊l液压随车吊用来吊装井口防喷器组、注入头及其它 配件。作业时用吊车将整个井口以上的部件轻轻吊 住，以保持稳定。5液压操作系统l连续油管作业机全部由液压控制和操作。整个操作系统均集中 在车上的控制室内。控制室采用4个气缸升降，室内配有全部 仪表、开关，可完成全部操作 l连续油管作业机的全部动力由发动机组带动两台双联叶片泵提 供：一台用来驱动注入头马达，另一台用来驱