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1、. . . . 连续油管钻井的关键技术与应用 / 摘 要连续油管是相对于常规螺纹联接油管而言的，它又称为挠性油管、蛇形管或盘管。本文对连续油管钻井技术应用状况、连续油管作业设备、工艺和作业工具分别进行了阐述。通过资料调研，较为系统地论述了这一技术所采用的设备和中外油田的应用情况，分析总结了连续油管钻井的工艺特点与发展趋势，并对其在稠油开发，老井重入等方面的应用进行了阐述。 叙述了连续油管钻井的优缺点、连续油管钻机系统、欠平衡连续油管钻井与连续油管侧钻技术。较为系统地阐述了连续油管的工作力学特性以与连续油管弯曲、抗压强度和外部挤毁压力分析计算模型。对连续油管的疲劳寿命预测模型进行了介绍，根据模型
2、计算结果，分析了影响连续油管疲劳寿命的因素，并据此提出了提高连续油管使用寿命的建议和措施。关键词：连续油管钻井；设备；受力分析；力学特性；疲劳寿命ABSTRACTThe coiled tubing shall be defined relative to conventional thread connection tubingThis article will analyze the application and research of the coiled tubing technologyThe coiled tubing equipment，processing and tools
3、will be also introduced in this article.In this paper，Coiled Tubing Drilling (CTD) Technology, its equipment and the application of this technology in oil fields are introduced overall. The developing of this technology and the usage in Viscous Oil Development and re-entry sidetracking operation. Th
4、e paper also describes the advantages and disadvantages of CTD，CT drilling rig system，under balanced CTD and through tubing sidetracking technique of CTMechanical characteristic of CT is studiedThe model of bending，internal pressure strength and external collapse strength，diametric growth and stuck-
5、point of CT is established. Based on the fatigue life prediction model of the coiled tubing，the main factors influencing the coiled tubings fatigue life are analyzed schematically in the text and some advice for improving the fatigue life is presented in the endKey words：coiled tubing drilling；equip
6、ment ； force analysis；mechanics characteristic ；fatigue life目 录摘要IABSTRACTII目录III第1章前言11.1连续油管发展概况11.2国外应用概况31.3国外研究概况61.4发展连续油管钻井的意义7第2章连续油管钻井技术与配套装备92.1发展历程92.2连续油管钻井的优缺点102.3地面设备112.4井下工具162.5连续油管钻井技术新进展18第3章连续油管钻井工艺技术分析193.1小井眼钻井193.2欠平衡钻井213.3连续油管开窗侧钻技术25第4章连续油管受力分析与工作特性284.1连续油管轴向载荷分析284.2连续油管
7、工作特性分析36第5章连续油管失效分析与疲劳寿命计算425.1连续油管失效分析425.2连续油管疲劳寿命计算455.3影响连续油管疲劳寿命因素分析47第6章连续油管钻井的评价与未来技术发展52第7章结论55参考文献57致60第1章 前 言1.1连续油管发展概况连续油管(Coiled Tubing，简称CT)又称挠性油管、盘管或柔管。相对于用螺纹连接的常规油管而言，连续油管(CT)是卷绕在卷筒上拉直后直接下井的长油管。连续油管作业最初用于下入生产油管完成特定的修井作业(如洗井、打捞等)1,2。到上世纪90年代，连续油管作业装置已被誉为“万能作业设备”，广泛应用于油气田修井、钻井、完井、测井等作业
8、，在油气田勘探与开发中发挥越来越重要的作用。 连续油管是一项正在引起油气工业界高度重视的新技术。典型的连续油管长达7620m，是一根连续管状的高强度、低碳合金钢(氏模量203.8GPa、屈服强度(492.0632.2MPa)连续管柱。传统的油气井钻井作业中，操作者要使用平均长度为9.144m的钻杆一节一节地连接起来并通过井架支撑。使用连续油管则可将绕在3180m。卷筒上的连续管柱连续地从井中下入和起出。与常规技术相比，连续油管技术经济实用且作业效率高，在油气工业中已获得广泛认可。现代连续油管作业技术迄今己有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
9、段、70年代初至80年代发展“停滞”阶段和80年代以后的扩大发展阶段。 (1)初期快速发展阶段 1962年，美国加里福尼亚石油(California Oil)公司和波纹石油工具(Bowen Oil Tools)公司联合研制了第一台连续油管轻便修井装置，所用连续油管外径为33.4mm，主要用于墨西哥海湾油、气井的冲砂洗并作业。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液体，减少对地层的伤害等优点，连续油管作业技术在60年代初至70年代初得到迅速发展，在油、气田生产中的应用不断扩大。1964年，美国布朗石油工具公司(Brown
10、 Tools Co.)建立了连续油管生产线，生产外径为19.05mm的连续油管，此后不久又开始生产外径为 25.4mm的连续油管。波纹公司于1967年建立了连续油管生产线，主要生产外径为12.7mm和19.05mm的连续油管。到了70年代初，又开始生产外径为25.4mm的连续油管。西南管材公司(Southwesten Pipe Inc.)于1969年开始生产连续油管，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，1964年，布朗石油工具公司和埃索(ESSO)石油
11、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清砂作业。1967年，波纹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。1968年，波纹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。1964-1967年，油、气工业用连续油管外径为19. 0525.4mm,1967年至70年代初则主要使用外径为12.725.4mm的连续油管。这一期间，连续油管主要用于浅井作业
12、。 (2)发展“停滞”阶段 70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)与其直焊缝强度不能满足重复循环与深井作业时所需要的高轴向载荷要求，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、设备故障与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与安全性持怀疑态度，连续油管作业技术的发展受到严重阻碍。 70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
13、在连续油管作业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围，并大大降低了设备的失效率。与此同时，美国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31.75m。的连续油管。 (3)扩大发展阶段 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，以与连续油管作业设备性能的不断更新，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48.23MPa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，连续油管开始被用于挤注水泥作业。到了80
14、年代中期，连续油管己被应用于各类泵送作业、输送井下工具与替换生产管柱，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44.5mm的连续油管相继问世。 进入90年代后，连续油管作业技术发展迅速，连续油管作业已涉与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己达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7125m，并且更大直径的连续油管不断问世。1990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
15、油管已用于深井试油；1994年，连续油管的最大直径己达114.3mm 。 至今，连续油管作业已涉与钻井、完井、试油、采油、修并和集输等多个作业领域。1992年初，美国石油学会开始编制“连续油管作业和应用”作为API的推荐作法，以宣传和规有关连续油管的工程、设计、制造、配套、安装、试验与操作。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(Quality Tubing Inc)和西南管材公司(Southwesten Pipe Inc)三续油管制造公司与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。1.2国外应用概况1.2.1国外现状连续油管钻井技术是90年代国外大力研究和发展的热门钻井技术之一。但是连续油管钻井并不是新的钻井概念，早在1976年,加拿大的Flex Tube公司就使用60连续油管作为钻柱在加拿大Alberta东南部地区钻浅气井。由于当时用的是以对接焊方式将常规油管焊接成的连续油管，其强度和可靠性差,限制了它的应用。1
