连续油管作业机及其技术发展概述

连续油管作业机及其技术发展概述

戴支龙

（中石化四机石油机械有限公司，湖北荆州，434024）

摘要：针对连续油管作业机各种类型，对其国内外发展现状进行了简述，对作业机的主要类别进行了介绍，分析了作业机及注入头的组成结构和工作原理，总结了连续油管作业机的主要特点，展望了连续油管作业机的发展方向及趋势。

关键词：连续油管；注入头；组成结构；工作原理；发展趋势

中国法分类号 TE931 ； 文献标志码  A

Overview of Coiled Tubing Technology and its Technical Development

Zhao Bo

（Sinopec SJ Petroleum Machinery Co., Hubei Jingzhou,434023 ）

Abstract: In view of various types of coiled tubing operating machines, the development status at home and abroad is briefly described, the main types of operating machines are introduced, the composition structure and working principle of operating machines and injection heads are analyzed, the main characteristics of coiled tubing operating machines are summarized, and the development direction and trend of coiled tubing operating machines are prospected.

[Key words] Coiled tubing；Injection head；Composition；working principle；development trend

连续油管(coiled tubing，简称CT)又称挠性油管、蛇形管或盘管，连续油管作业技术是当今油气勘探开发具有前景和代表性的技术之一，能够实施带压作业,具有占地小、作业成本低、保护油层、拆装移运便捷、作业范围广、高效快速等特点。同时具有在起下油管过程中，能够保持等效循环密度以及泵注流体不间断循环的特点，能够更加轻松地实现欠平衡钻井。连续油管装备在常规油气开发中的完井、测井、修井、压裂、采气及钻井等领域得到了广泛应用，起到了重要作用；为提高低渗透油田产能，大位移水平井、小井眼水平井和多分支水平井等钻井技术获得了迅速发展并被大量投入实际应用,连续油管作业技术应用日趋广泛[1-3]。

自1962年Bowen和California公司完成了一套连续油管钻井装置以来，连续油管作业技术得到了长足的发展，作业井深持续增加、油管材料大大改进、作业领域不断扩大，连续油管技术的使用范围也越来越广泛[4-5]。连续油管技术在石油天然气领域占有举足轻重的地位，国外已有大量的现场使用经验，而国内对其技术的掌握依然不够完善[4]。笔者简要介绍了连续油管的国内外发展状况，并对其优点进行了介绍，随后对连续油管作业机结构及注入头进行详细的分析。

1.连续油管作业技术的发展

1.1连续油管国外发展简介[4-10]

美国California石油公司与Bowen石油工具公司联合研制了第一台连续油管作业装置(coiled tubing unit，CTU)，并在 1962年应用于美国加利福尼亚州的油气开发。该设备设计初衷是用于冲洗井筒等简单作业工艺，一进入油田便因其作业高效等特点,倍受服务公司青睐。经过近50年发展,连续油管直径逐渐扩展至101.6 mm,最大油管直径达168 mm，油管强度达到980 MPa。目前投入商业化生产的单卷筒缠绕的连续油管总长度可达9 072 m,连续油管作业技术已广泛应用于钻井、完井、采油、修井和集输等作业的各个领域，解决作业难题， 应用效果显著。

NOV Hydra Rig公司生产连续油管作业机已有几十年的历史，专业从事于连续油管装备、液氮泵注装备的研发，目前已成为全球连续油管作业装备最大的供应商，为国际各大油田服务商提供了各种型号的连续油管作业装备，在北美、中东等道路运输条件较好地区通常采用一拖装连续油管装备。生产的连续油管注入头有多种形式，HR系列连续油管注入头包括HR635、HR660、HR680、HR6100、HR6140，其最大拉力分别是35000、60000、80000、100000lb、140000lb，可配套使用的连续管尺寸从1 in到4 ½ in。

Stewart& Stevenson公司是全球供应连续油管作业机的重要供应商之一，它能提供多种型号的连续油管注入头，如

400、800和2000系列。这些设备可安装在拖车上、卡车上或采用撬装结构，既能应用于陆地，也能应用于海洋。近年来，公司开发了2000系列的连续油管注入头，其最大提升拉力为200000lb，强行下入能力可达到100000lb，可应用外径为4 ½ in的连续油管。该公司生产的拖挂式TRR20500可以处理连续油管能力2 7/8in-6250m、2 3/8in-8700m；TRR11000可以处理连续油管能力2 7/8in-3200m、2 3/8in-4500m。该公司研制了井架式连续油管作业设备（见图1所示），在井架上下、前后移动，作业时可以提高设备安装拆卸效率，作业过程中可以节省吊机费用，将大管径连续油管用于钻塞、油管内压裂、射孔作业。

图1 Stewart& Stevenson公司简易井架式连续油管设备

Foremost公司自1997年开始研发商业化连续管钻机。1999年，第一台Foremost连续管钻机投入使用，并显著提高了油井的产量。到2002年，Foremost已经能为钻井公司设计和制造技术更加先进的复合连续管钻机。目前，Foremost能研发注入头提升力200000lbs（900kN）、顶驱载荷300,000 lbs (1360kN)、3 ½" 连续油管900 ft (3,000 m)的复合连续管钻机。到2007年年底，Foremost公司已经成为北美连续管钻机的主要供应商，为各钻井公司提供了超过75台的连续管钻机。Foremost的客户包括Savanna energy、Nabors、Technicoilcrop和Xtreme等钻井公司。

ICoTA(国际连续油管协会)统计发布,截至2017年全球在役连续油管作业装备总数量为1955套,美国和加拿大的连续油管数量占45%。设备占有量前三位公司为Schlumberger、Halliburton、Baker Hughes,在役装备数量分别为267套、206套、175套,广泛用于井下干预、钻修井、完井、测井等。

除上述外，Schlumberger、BJ Services、Halliburton、Baker Hughes Inteq、Cudd、Shell等公司是世界上主要的连续油管装备服务公司。随着页岩气、页岩油、致密油气及煤层气等新兴资源的开发，连续油管规模逐渐扩大，占常规修井作业的60%，占钻完井作业近30%，并呈现逐年递增趋势。

目前，国外连续油管设备的主要生产厂家包括NOV Hydra Rig、Stewart＆Stevenso、Enerflow Industries、C-Tech石油技术公司、Bowen工具公司、Hydraeo Industries、Foremost、Xtreme- Coil、Flex Tube等。整体上说,国外连续油管装备朝向智能化、自动化方向发展,连续油管钻井技术应用推动了复合钻机装备的发展。常规连续油管作业装备较为成熟,自动化装备可通过内嵌操作程序,实现连续油管自动起下,通过远程信息化实现设备远程集中控制,在地下煤制气项目中得到了广泛应用。NOV、Stewart& Stevenson、Foremost等公司研制的电驱、电控系统,推动装备向自动化、绿色能源方向发展。

1.2 国内应用与研究现状[11-18]

国内于1977年第一次引进连续油管技术，当时川庆钻探公司引进了美国Bowen Oil Tools连续油管作业机，主要用于小型酸化、气举、冲砂等作业；辽河油田1985年和1988年引进美国Bowen连续油管装备，同时期胜利油田也引进了该公司的连续油管作业机，主要应用于冲砂、排液及修井等作业；大庆油田于1985年、中原油田于1988年、吐哈油田和大港油田于1994年先后从美国的海德瑞克（Hydra-Rig）公司引进了连续油管设备，主要用于气举、洗井、冲洗、排液等作业；长庆油田于2006年引进美国的连续油管作业机主要用于酸化等小型作业；青海油田于2006年从海瑞公司引进的RH600型连续油管作业机也是主要用于气举和冲砂；除此之外，在吉林、江汉、河南、克拉玛依、华北等各大油田也相继引入连续油管作业机[8-9]。虽然国内引入连续油管技术设备时间较早，但总的来看，其使用的范围较窄、使用工艺太少，尚未完全发挥连续油管的优势。

在完成“引进来”之后，国内的一些公司也开始进行连续油管技术的研究工作，最早进行研究的是中石油江汉机械研究所，其后中石油大学、西安石油学院、青岛建筑工程学院等院校的研究也取得一定进展。而真正进入制造、试验或应用的公司，仅有江汉机械研究所、中石化石油工程机械有限公司第四石油机械厂、烟台杰瑞石油服务集团股份有限公司、胜利油田高原石油装备有限责任公司、宝鸡石油钢管有限责任公司等少数几个公司[10-11]，但从目前使用的状况来看，国内连续油管装备使用的最大作业压力、最大作业深度、最长作业时间较国外连续油管作业装备均较小，连续油管材质有待进一步提高，使用的连续油管规格少，使用范围也太窄，对其技术的掌握还不够完善。

1.3连续油管作业机的主要类别

目前使用的连续油管作业机分为常规型和复合型2种型式，常规型以适应不同的作业用途、工况和道路条件的要求，主要有拖车式、车装式、橇装式3种型式。

车载连续油管设备由承载底盘和上装部分组成,上装部分主要由操作控制系统、动力系统、液压系统、油管滚筒、注入头、控制滚筒、防喷器、防喷盒、防喷管、鹅颈管、注入头、发电机、气路系统、电路系统、工具箱等组成。拖装连续油管设备由牵引车、半挂车以及上装部分三部分组成，液压系统动力来源分为两种方式,一是车台发动机提供动力,此类型设备行业内称为干拖，作业时牵引车可脱离；二是牵引车底盘发动机提供动力,称为湿拖,作业时需要牵引车配合。

橇装设备采用车台发动机提供动力,通常分为动力橇、控制橇、油管滚筒橇、井口设备运输橇。陆地上使用时通常将动力橇及控制橇集成,以减少动力橇与控制橇之间的管线连接工作。

2.连续油管组成及特点

2.1连续油管主要组成

1-防喷器 2-注入头 3-鹅颈管 4-起重机

5-连续油管 6-滚筒 7-控制室

图2 典型的连续油管作业机

无论哪种连续油管作业机，其组成的设备都是相同的，作业机主要包括控制室、连续油管、滚筒、液压动力单元、起重机、注入头、井控设备等部分[14]，如图2。

2.2注入头的结构组成及其基本原理

连续管作业机是注入头主要完成连续油管的下入和提出。目前,国内开发应用的注入头主要使用链条夹紧机构，采取液压控制，注入头主要由张紧机构、夹紧机构、液压马达、机架、链条、底座、从动链轮、同步齿轮、驱动链轮、驱动轴等组成。注入头主要由机架、两副对称分布的链条传动装置、驱动马达、夹持装置等构成，如图3。

1-驱动链轮 2-链条 3-夹持块 4-夹紧液压缸 5-张紧装置 6-夹持体 7-从动轮

图3 连续油管注入头基本简图

注入头的整体结构比较复杂，通常结构尺寸比较大，也为连续油管工作时的安装和操作带来不便。尤其是针对边生产边测井的情况，由于井口的测试孔中心与光杆中心的距离比较小，注入头非常容易与运动状态的光杆或方卡干涉，因此对注入头的结构设计提出空间方面的更高的要求。

2.3连续油管技术的特点

在连续油管技术发展的早期，它的使用主要集中在小型酸化、洗井、冲砂解堵、扩眼、射孔、清蜡等简单操作，现今，随着技术的发展，研究的深入，已经扩展到钻完井、测井、采油、增产等方面，其使用范畴大大提高。其主要优点[12-13]包括以下几个方面：

1）无需接、卸单根操作，其起下钻的速度大大提高，安全性能增强，作业周期和起下钻的时间也大大减少；

2）能够保持欠平衡钻井作业的状态；

3）连续油管钻井技术的操作更集中、更方便、更加安全可靠；

4）操作过程中能有效避免井喷和卡钻事故；

5）使用灵活度高，可移动性能好，适用性好；

6）内置电缆能有效改善信号的随钻传输。

3.总结与展望

连续油管技术在石油天然气开采领域的应用，随着其管材、工艺、自动化等方面的发展及其使用的优点，适用范畴正一步步扩大。常规连续油管作业装备较为成熟,但常规连续油管设备总体性能已无法满足低渗透油气田高效快速开发所需的水马力不断加大、自动化控制方向发展自动化控制水平不断提高等需求,需要研制智能化大容量、大吨位连续油管设备,解决工程中油管长度不够、注入头提升力不足、自动化程度不高、连续管寿命无法预测等问题，后续连续油管装备可朝向智能化、自动化、管材长寿命等方向发展。

[1]郭彪,李雪飞,唐誉文.连续油管作业期间冰堵成因及防控措施[J].天然气勘探与开发,2022,45(03):82-88.

[2]赵博.连续油管开关套管滑套压裂工艺的应用探讨[J].云南化工,2021,48(05):85-87.

[3]苏新亮,李根生,沈忠厚等.连续油管钻井技术研究与应用进展[J].天然气工业,2008,28(8):55-57,66.

[4]Steven D M. The Coiled Tubing Boom [J], Pet Engr, 1991,63 (4) :16-18.

[5]Ali Chareuf Afghoul. Coiled Tubing: The Next Generation [J], Oilfield Review, 2004 (spring) :38-40,45-50,55-57.

[6] VENHAUSD E,BLOUNT C G, DO WELL K E,etal. Overview of the kuparuk CTD program and recent record setting operations [C].Texas, USA: SPE100210,2006

[7]Gaddy D E．Coiled Tubing Drilling Technologies Target Niche Markets[J]．Oil＆Gas Jaurnal，2000，98(02)：29—34。

[8]CRAIG S H．A multi—well review of coiled tubing forcematching[R]．SPE 81 715，2003．

[9]McCoy T H，Thomas J．Halliburton．SSC Resistance of QT-900 and QT-1000 Coiled Tubing[c]．SPE 99557，2006．

[10]CRABTREE A R,GAVIN w．Coiled tubing in sourenvironments theory and practice[R]．SPE 89 614，2004．

[11]陈立人,张永泽,龚惠娟,等.连续油管钻井技术与装备的应用及其新进展[J].石油机械,2006,34(2):59-63.

[12]蔡孟哲.浅谈连续油管井下作业技术应用及前景展望[J].中国设备工程,2021(12):211-212.

[13]马连山,赵威,谢梅等.连续油管技术的应用与发展[J].石油机械,2000,28(9):57-60.

[14]王少力，郑子元. 连续油管国产化技术研究新进展[J]. 石油矿场机械,2008,37(8):91-93.

[15]王海涛,李相方,. 连续油管技术在井下作业中的应用现状及思考[J]. 石油钻采工艺,2008,(6):120-124.

[16]李小龙. 连续油管作业管柱力学行为安全性分析[D].长江大学,2021.

[17]焦文夫,张宏强,艾白布·阿不力米提,等.连续油管技术在井下作业中的应用现状及优化策略[J].工程技术研究,2020,5(01):91-92.

[18]胡权.井下作业中连续油管技术的应用现状分析[J].中国石油和化工标准与质量,2019,39(01):229-230.

作者简介：戴支龙（1979－），本科，助理工程师，2023年毕业于国家开放大学行政管理专业，现从事石油装备市场营销工作。地址：（434000）湖北省荆州市荆州区中石化四机石油机械有限公司，电话:0716-8429066，E－mail: 232199178@qq.com