连续管钻井技术

连续管钻井技术

赵忠举2023/10/111中国石油集团经济技术研究中心（一）连续管钻井的概念

连续管钻井(CoiledTubingDrilling，简称CTD)是一种采用连续管完成钻井的技术。它的发展和应用始于二十世纪90年代初，是一项新技术。连续管钻井按钻井的类型可分为定向重钻和直井钻井两类，按工艺方式分为欠平衡钻井、近平衡钻井和过平衡钻井三种。2023/10/112中国石油集团经济技术研究中心1．连续管钻井的优点

1）井场占地小，适合于地面条件受限制的地区或海上平台作业；2）特别适用于小井眼钻井；3）在老井重钻(加深钻或侧钻)作业中，因连续管管径小，可进行过油管作业，而且无需取出老井中的现有生产设备，可实现边钻边采的目的；4）可安全地进行欠平衡钻井作业，其最大的优势是可以确保井下始终处于欠平衡状态，减少泥浆漏失，防止地层伤害的发生；2023/10/113中国石油集团经济技术研究中心5）小井眼钻井可以减了硬件和人力需求，降低作业成本。根据国外的经验，与常规钻井或修井设备相比，连续管钻井可以节约费用25％（挪威北海Ula油田）至40％（ARCO阿拉斯加公司在普鲁德霍湾）。在钻机动迁费高的地区，连续管无钻机过油管重钻甚至比常规重钻节约50％以上的成本；6)连续管不需接单根可以实现连续循环泥浆，减少起下钻时间和作业周期，提高起下钻速度和作业安全性，避免因接单根可能引起的井喷和卡钻事故；7)连续管内置电缆后可改善信号的随钻传输，实现随钻测井，有利于实现闭环钻井；8)最小限度地冲蚀地层，可以得到良好的录井质量(连续进行，无接管)；

2023/10/114中国石油集团经济技术研究中心2．连续管钻井的缺点

1）必须借助常规钻机或修井机才能下入长段套管；2）连续管作业装置钻井前，需要借助常规钻机或修井机做下井前的准备工作；3）连续管不能旋转，因而增加了卡钻的可能性；4）需要频繁起下钻以更换井下钻具组合或调整马达的弯曲角度。结果是连续管过早疲劳，降低使用寿命；5）因直径小而限制了井眼尺寸和泥浆排量；2023/10/115中国石油集团经济技术研究中心6）钻压、转矩、水力参数和井下钻具组合受到限制，可能出现螺杆钻具故障、压差卡钻、钻压传递和钻头泥包等问题；7）庞大的滚筒不易运输和提升。2023/10/116中国石油集团经济技术研究中心（二）连续管的制造和应用

1.连续管的制造连续管是一种高强度和高韧性的管材，卷在滚筒上。目前，美国有三家制造连续管的公司，即精密管技术公司、优质管公司和西南管子公司。连续管制造技术的进展主要表现在以下几个方面：1)连续管直径不断加大，由1/2in管发展到65/8

in管。2)制造材料由碳钢发展到优质合金钢、钛合金等合金材料和复合材料。3)由低强度发展到高强度。连续管的强度由60年代早期的345MPa，发展到90年代中期的屈服强度超过960MPa，抗拉强度超过1030MPa。2023/10/117中国石油集团经济技术研究中心（1）连续管尺寸

现代的连续管最初产生于第二次世界大战的“海底管线”工程。在盟军1944年6月到达诺曼底之前，预先制造了一些长度足以跨过英吉利海峡段的1200多米长、6.2mm内径的管线，用于攻占之后为盟军提供燃料能源。1962年，美国布朗石油工具公司生产了第一台连续管轻便修井机的样机，当时所用的连续管管柱长为4572米，可缠绕在外缘直径为2.74米的滚筒上。随后，美国加利福尼亚公司和布朗石油工具公司又研制出一种小型盘管修井机，

2023/10/118中国石油集团经济技术研究中心

采用外径19.05mm，壁厚1.25mm、屈服强度280MPa的低碳钢薄壁连续管。80年代后期已能生产出外径38.1mm和44.45mm的连续管。90年代以来，连续管尺寸得到迅速发展，目前可以制造直径为12.7～168.3mm的一系列产品。而连续管钻井中所用的的连续管尺寸一般是50.8～82.55mm。2023/10/119中国石油集团经济技术研究中心具体工艺有两种，第一种为拉伸法，即采用拉伸机将制成的大直径连续管通过压模拉伸制成。压模的数量根据所需拉伸的连续管长度而定，采用不同尺寸的压模可拉伸出不同外径的连续管；第二种方法为滚轧法，即先将连续管钢条按设计要求切出不同的宽度，然后用固定滚柱将钢条卷成U形，接着采用不同直径的滚柱或压模制出不同尺寸的连续管，最后焊接成形。2023/10/1110中国石油集团经济技术研究中心（2）连续管材质

连续管材质的发展主要经历了4个阶段：高强度低合金碳钢；高强度低合金调质钢；钛合金；复合材料。2023/10/1111中国石油集团经济技术研究中心表1A606－4型高强度低合金钢的机械性能和化学成份

机械性能

最小屈服强（Mpa）482.58最小抗拉强（Mpa）551.52最小伸长率30%最小硬度（HRC）22

化学成份（Wt%）C0.10-0.15Si0.30-0.50Mn0.60-0.90Cr0.55-0.70P

0.03Cu0.20-0.40S

0.005Ni

0.25

2023/10/1112中国石油集团经济技术研究中心2）高强度低合金优质钢

目前应用最广泛的连续管由屈服强度为551.7兆帕的高强度低合金结构钢制造。其Cr和Mo的含量较高，这两种元素的淬透性好，有利于调质处理，经热处理后的屈服强度可达690～760兆帕，比碳钢连续管的屈服强度提高了40%，但在井场焊接维修后，其焊接的屈服强度将降低到550兆帕。2023/10/1113中国石油集团经济技术研究中心3）钛合金

用这种材料制成的连续管强度高，重量轻，并适用于腐蚀环境(H2S、CO2)和恶劣条件下工作，因而可作为永久性的生产油管，但其价格是普通油管的6倍。2023/10/1114中国石油集团经济技术研究中心表8-2钛合金连续管的机械性能类型屈服强度抗拉强度伸长率MpaMpa％Grade2275.78344.7320Grade12482.63551.6018Beta-C965.261034.2112

2023/10/1115中国石油集团经济技术研究中心4）复合材料

复合材料连续管不仅能较好地适应多向复杂应力，而且具有重量轻、柔性好、耐腐蚀、寿命长的特点，估计使用寿命是常规高强度低合金钢的10倍，而重量仅为后者的1/2～1/3。由于连续管的性能直接影响着连续管钻井的成本和工作效率，因此，对连续管材质的研究正在深入之中。2023/10/1116中国石油集团经济技术研究中心2023/10/1117中国石油集团经济技术研究中心2023/10/1118中国石油集团经济技术研究中心（3）连续管强度

在过去的几十年里，连续管的强度有了较大幅度的提高。60年代早期，连续管的最小屈服强度仅为280MPa。1980年，美国西南管材公司生产了屈服强度为482.58MPa的高强度低合金滚轧连续管。到了90年代中期，连续管的强度已可达到620MPa，现在的钛合金(Beta-C级)连续管的屈服强度超过960MPa，抗拉强度超过1030MPa。2023/10/1119中国石油集团经济技术研究中心最小屈服强度取决于钢级，随着连续管屈服强度的增大，连续管的抗拉强度也在增大。材料特性对连续管的强度也有一定的影响，如成份、韧性、高循环疲劳寿命、低循环疲劳寿命、硬度、微结构类型以及可焊接性等。就钢的成份来讲，虽然加入的合金量很少，但其对连续管的最终性能影响却很大。当今的连续管大多将是高强度低合金钢，其中都加有铌、钛、钒等合金材料中的一种或多种。为了提高强度，还可以有限制地加入一定量的锰、铬、钼和钨等合金材料，随着连续管壁厚的增加，这些提高强度的添加剂越来越重要。至于镍和铜，虽然对连续管的强度没有什么影响，但对连续管的韧性和防腐能力有较大的影响，因此高强度钢中应含有一种或两种这种材料，就可以提高高强度钢的特性。2023/10/1120中国石油集团经济技术研究中心高强度连续的优点是可以延长连续管的长度和提高承载能力（包括拉伸、扭转、内压等载荷），因而可以扩大其应用范围。但其缺点是降低了韧性和抗腐蚀能力。因此，在开发新一代高强度连续管材料时，应在保证强度的情况下，注意克服其局限性，提高材料的综合性能，从而改进连续管的性能，提高连续管的使用寿命。精密管公司的一项阶段性研究成果表明，强度为482MPa和552MPa的连续管具有良好的抗硫化应力腐蚀能力，而强度为621MPa的连续管则具有极好的抗硫化应力腐蚀能力。2023/10/1121中国石油集团经济技术研究中心2、连续管的应用

连续管作业技术应用最初开始于二十世纪60年代，90年代开始向更多的领域推广应用。随着常规作业项目稳步发展，新开发的作业项目迅速增加（图1）。从图中可以看出，作为主要常规作业项目的连续管注氮、洗井和注酸共占连续管作业量的75%，其中仅洗井一项就占了58%。2023/10/1122中国石油集团经济技术研究中心2023/10/1123中国石油集团经济技术研究中心（1）连续管钻井的应用范围

①软地层小井眼直井；②水平井欠平衡重钻井；③在不用永久性安装钻井设备的海上平台或浮动生产设施上钻井；④在31/2in(88.9mm)或更大直径油管中过油管钻井；⑤加深井钻井；2023/10/1124中国石油集团经济技术研究中心⑥探井；⑦浅层气救援井(降压井)；⑧浅层气无基座钻井；⑨郊区或环境敏感区(降低噪音、场地限制、防止漫溅、光学干扰)钻井；⑩老井重入、边远地区勘探、边际油田开发。2023/10/1125中国石油集团经济技术研究中心（2）连续管钻井的应用条件

进行连续管钻井必须至少具备以下几个条件：①配套设备必须齐全，连续管车、制氮车、井下工具组合、随钻测量工具、连续管、注入头等必不可缺；②富有经验的操作队伍；③加强同服务公司的合作是油气田成功进行连续管钻井的基础。2023/10/1126中国石油集团经济技术研究中心二、连续管钻机

1、连续管钻机的基本构成及其用途（1）连续管注入头注入头是一套液压驱动装置，在下入连续管时，它提供向下的推力，推动连续管下井；在提升连续管时，它提供拉力，将连续管从井中取出来。连续管的运移速度可以在0至61m/min之间任意调节。注入头的关键部分是链条牵引总成。由液压驱动的反向旋转双链条夹持牵引式油管起下机构。2023/10/1127中国石油集团经济技术研究中心2023/10/1128中国石油集团经济技术研究中心（2）连续管滚筒带有均绕机构，用以均匀地缠绕连续管。滚筒所能缠绕连续管的长度和连续管直径的大小主要取决于滚筒的外径、滚筒的宽度、滚筒筒芯的直径、运输设备及公路的承载能力的要求等。（3）液压动力装置为注入头提供液压动力。（4）控制室为操作人员提供监控注入头、滚筒、防喷器等设备的场所。（5）注入头支架用于承受连续管在起下作业时注入头上所产生的载荷，防止弯曲力矩由注入头转移到防喷器和套管法兰上。2023/10/1129中国石油集团经济技术研究中心（6）防喷器井控系统主要由防喷器组、节流管汇及遥控系统、气液分离器和油水分离器组成。连续管防喷器是一套防喷器组，它由全封闭式闸板，剪切式闸板，带卡瓦闸板和连续管闸板防喷器组成。防喷器是连续管作业不可缺少的功能和安全设备，整套连续管装置全部由液压传动控制和操作。用连续管作业装置进行欠平衡钻井时，通常要安装两组防喷器，一组是连续管防喷器，另一组是井下钻具组合防喷器。2023/10/1130中国石油集团经济技术研究中心2023/10/1131中国石油集团经济技术研究中心（7）钻井液循环系统实质上，凡是不损坏泥浆马达橡胶定子的泥浆，都能用于连续管钻井。因为井径小，钻井液容量少，所以钻井液循环系统的容积比常规钻井所要求的容积小。固控设备也包括振动筛、除砂器、除泥器和离心机。泥浆泵的功率应满足井下泥浆马达和清洗井眼的要求。因钻井液必须通过整个连续管柱才能泵到井底，卷在滚筒上的那部分连续管中的压力损失较大，选择泵压时必须考虑到这一点。2023/10/1132中国石油集团经济技术研究中心（8）连续管钻机的地面结构作业时，连续管经滚筒、注入头导向架进入注入头的链条牵引总成，后经橡胶刮泥器、防喷器组进入井口装置。连续管钻机流程如图所示。目前连续管钻机的标准结构形式有将连续管系统装置安装在拖车上的、卡车上的以及滑撬式等多种结构型式。车装式还可带有注入头举升架，可对连续管钻机进行方便地操作和定位。2023/10/1133中国石油集团经济技术研究中心2023/10/1134中国石油集团经济技术研究中心新型的TransoceanEnsign钻井连续管装置将连续管滚筒放置在注入头的上方，在连续管作业时省去了注入头上的导向架，消除了因导向架引起的连续管疲劳破坏，因此能大大提高连续管的使用寿命。2023/10/1135中国石油集团经济技术研究中心2023/10/1136中国石油集团经济技术研究中心2023/10/1137中国石油集团经济技术研究中心2.新型混合（两用）连续管钻机

这种钻机既可以使用连续管又可以使用钻杆。在使用钻杆钻井方式时，这种钻机只能下入和起出一根钻杆（不能以立根方式起出和下入），而且要使用动力水龙头来驱动钻机旋转。随着短半径连续管井下钻具组合的发展，将克服连续管钻井对常规钻机的需求，其原因是混合钻机将能代替那些能在盐层下面的储层顶部侧钻的各种尺寸和短半径井底具组合。2023/10/1138中国石油集团经济技术研究中心

混合连续管系统（HCTS）是将连续管注入头、连续管滚筒、动力装置与带有桅杆的可移动式井架结合在一起。该结构形式既能用连续管作业，也可适用普通的油管或钻杆作业，具有较大的灵活性。Tuboscope’sCT/PC集团公司、TransoceanEnsignDrilling、贝克休斯公司和阿科公司都开发和使用了混合连续管作业系统。2023/10/1139中国石油集团经济技术研究中心2023/10/1140中国石油集团经济技术研究中心2023/10/1141中国石油集团经济技术研究中心图8-12混合连续管系统2023/10/1142中国石油集团经济技术研究中心混合系统的连续管注入头工作拉力为80000lb，强行下入能力为40000lb，适用连续管的最大外径为31/2in，井架的最大工作空间为55ft，最大钩载为120000lb。井架的主要用途是提升普通油管，下入小直径衬管及钻井和完井工具。2023/10/1143中国石油集团经济技术研究中心连续管滚筒的几何尺寸：滚筒外径180in，筒芯直径100in，宽度76in；当连续管直径为2in时，连续管最大长度为21400ft；当连续管直径为23/8in时，油管最大长度为15100ft；当连续管直径为27/8in时，连续管最大长度为10200ft；当连续管直径31/2in时，连续管最大长度为6800ft。2023/10/1144中国石油集团经济技术研究中心3.连续管钻机供应商

（1）加拿大DRECO能源服务有限公司Dreco公司设计和制造连续管及其配套装置已有多年的历史，其产品质量均满足国际上承认的质量标准的要求（如API、DNV、ISO-9001等）。Dreco公司采用美国国家油井公司技术，生产的新型连续管钻井装置类型较多，适用于陆地、沙漠、浅海和海滩、海洋、极地等各种地区钻井。2023/10/1145中国石油集团经济技术研究中心①

陆地连续管钻井装置②陆地连续管钻塔③连续管钻井驳船④带井架车装连续管钻井装置所有部件均安装在一台8轮重型卡车上面，放倒井架后卡车可在高速公路上行驶。卡车尾部装有两腿井架，可利用两个液缸起升到钻井位置。井架上面有一个悬吊注入头的横梁，可沿井架上下移动。注入头还可在横梁下面水平移动，以对准或离开井口。此外用横梁还可以提升井口装置，使用很方便。2023/10/1146中国石油集团经济技术研究中心⑥全地形车装连续管钻井装置全套装置分别安装在两台重型卡车上。其中一台安装控制室、连续管滚筒、随车吊、注入头。该装置没有井架，利用随车吊吊着注入头使连续管对准井口，注入头本身有坐地的框架。另一台车上装有液压动力装置、钻井泵和钻井液净化系统等。主要用于北极地区各种地形-45～45℃的低温环境条件下钻井。2023/10/1147中国石油集团经济技术研究中心⑦拖车装连续管钻井装置所有装置均安装在一个特制的大型拖车上，没有专用井架。利用重型卡车牵引移运也很方便。主要用于陆地钻井。该装置采用了特殊的结构设计，减少了拖车长度和载重量。2023/10/1148中国石油集团经济技术研究中心⑧模块式海洋连续管钻井装置全装置分为注入头、连续管滚筒、控制室、液压动力装置、钻井泵、高压管线和钻井液净化系统等6个模块，组装在钻井船上，进行钻井作业。主要用于北海地区以及海洋钻井。2023/10/1149中国石油集团经济技术研究中心（2）美国HydraRig公司的连续管设备HydraRig公司生产连续管系统已有10多年的历史，是连续管系统装置主要的供应商之一，其生产的连续管系统装置具有较高的信誉。HydraRig公司生产的连续管注入头有多种形式。HR系列连续管注入头包括HR560、HR580和HR5100，它们的最大拉力分别是60000、80000和100000lb，可用的连续管尺寸有1in、11/4in、11/2in、13/4in、2in、23/8in、27/8in和31/2in。2023/10/1150中国石油集团经济技术研究中心

HR5100型注入头的主要性能参数参数

连续举伸力（lb）100000强行下入能力（lb）50000最大下入速度（ft/min）140（最小位移）84（最大位移）驱动系统特制齿轮传动、单液压马达等链条系统“快接”夹紧器、橡胶悬挂系统、注入头链条润滑系统等连续管尺寸（in）11/2～31/2重量（lb）17400

2023/10/1151中国石油集团经济技术研究中心（3）哈里伯顿公司的连续管设备哈里伯顿可设计和生产多种如：HydraRig15K、Rebound20K、HES30K/38K、HES60K、HES60KDNV、HES80K等型号的连续管地面设备。2023/10/1152中国石油集团经济技术研究中心HES80K：工作拉力80000lb；强行下入能力40000lb；注入头速度170ft/min；电子数据采集系统；41/16in，10000psi，并进行了H2S防腐处理的防喷器；41/16in，10000psi，并进行了H2S防腐处理的刮泥器；大直径的滚筒筒芯和注入头导向架；允许载荷27/8in时为9500ft；允许载荷23/8in时为14500ft；允许载荷2in时为20500ft；允许载荷13/4in时为27500ft；允许载荷11/2in时为37000ft；允许载荷11/4in时为53500ft。2023/10/1153中国石油集团经济技术研究中心（4）美国BOWEN工具公司的连续管设备Bowen公司自1963年就开始研制连续管设备，多年来进行了不断的改进，使产品质量得到了很大的提高。2023/10/1154中国石油集团经济技术研究中心注入头的主要性能参数模型液压马达最大额定拉力（lb）连续管尺寸（in）25MDH-20POCLA”高速，3300psi时为12500

3/4，1，11/4，11/4低速，3300psi时为2500040MDH-20POCLA”高速，3450psi时为200001，11/4，11/2，13/4，2低速，3450psi时为4000060MDH-20POCLA”高速，3200psi时为300001，11/4，11/2，13/4，2，23/8低速，3200psi时为60000

2023/10/1155中国石油集团经济技术研究中心（5）美国CUDD公司的连续管设备Cudd公司作为压力控制公司应用连续管已有多年历史，是开发大尺寸连续管技术的先行者之一，他们拥有大直径连续管注入头，并拥有连续管水平井钻井的专利。2023/10/1156中国石油集团经济技术研究中心（6）美国stewart&stevenson公司石油装备部的连续管设备stewart&stevenson公司是全球供应连续管系统设备的重要供应商之一，目前它能提供多种型号的连续管支持装置，如400系列、800系列和2000系列。为完成各种需求，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。400系列和800系列注入头的拉力分别为40000lb和80000lb，可适用外径为3/4in～31/2in的连续管，整机重量为4700lb和5600lb。2023/10/1157中国石油集团经济技术研究中心近年来，为了满足连续管钻井和完井对大拉力和大直径连续管的需求，stewart&stevenson公司开发了2000系列的连续管注入头。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41/2in的连续管。2023/10/1158中国石油集团经济技术研究中心三.连续管钻井的井底钻具组合

2023/10/1159中国石油集团经济技术研究中心连续管钻井井下钻具组合一般包括钻头、正向驱动马达、测量仪、连续管接头、定向工具和紧急断开接头等连续管专用工具（见图）。定向钻井工具组合的设计取决于所需造斜率。双弯式井下工具是通过将一个弯接头直接放到带弯壳体的泥浆马达上方，适用于造斜率为20

/30m的场合。单弯式井下工具可以是采用弯接头或带弯壳体的泥浆马达，用于造斜率较小的地方。导向工具和随钻测量系统（MWD）也适用于连续管钻井。在连续管钻井中使用井下照相系统是不切合实际的，因为该系统每次测量都需起出井下工具。2023/10/1160中国石油集团经济技术研究中心2023/10/1161中国石油集团经济技术研究中心1.钻头连续管钻井用钻头适用于一定的机械钻速，钻压相对低，旋转速度快。定向钻井时推荐选择低扭矩钻头，以在按设计井眼轨迹钻进时不用过份考虑扭矩的影响。PDC钻头常用于钻直井或钻水平井的直井段，考虑到低扭矩的要求，热稳定金刚石钻头（TSD）常用于钻定向井和水平井的造斜或曲线段。短牙轮钻头比长牙轮钻头更容易造斜，而长固定牙轮钻头维持造斜角的能力比短牙轮钻头好，另外固定牙轮钻头的冠部倒角上的牙轮结构使其能够用作反向扩眼。2023/10/1162中国石油集团经济技术研究中心2.正向驱动马达(螺杆钻具）

连续管钻井用马达有高速低扭矩、中速中等扭矩、低速高扭矩三种类型，外径范围为φ60.33mm（23/8in）～φ165.10mm（61/2in）。马达必须与所用的钻头相匹配，低速高扭矩马达适合于TSD钻头和天然金刚石钻头，中速中等扭矩马达适合PDC钻头。2023/10/1163中国石油集团经济技术研究中心正向驱动泥浆马达可与固定弯头、可调式弯头、整体式稳定器、夹持式稳定器和造斜器组合使用。有时如需要，可将马达与可调式弯头、夹持式稳定器等一起使用。如果在钻井时井下工具性能未达到设计要求，或者在预定深度处未钻遇地质标志层，则需更换井下工具组合改变井眼轨迹。现场用可调式弯头和夹持式稳定器，能够在保证连续管钻机附加载荷最小的情况下改变工具组合。2023/10/1164中国石油集团经济技术研究中心3.钻铤

用于给钻头提供足够钻压以产生预定的钻进速度，并给井下工具提供合理的重量。当使用导向工具或MWD时，应使用无磁钻铤以避免与其他装置间产生电磁干扰，并且钻铤内径必须足够大，以容许导向工具和MWD系统通过和减小位于测量工具附近钻铤的压力损失。有时也使用非标准的钻铤。2023/10/1165中国石油集团经济技术研究中心4.连续管接头

主要用于联接连续管和井下工具组合。实际上所有连续管作业都使用连续管接头，设计用于钻井的接头需能承受由泥浆马达产生的扭矩，钻井常用的泥浆马达在失速状态下产生的扭矩超过1355m•N。作业过程中，连续管接头的失效会导致不能对井眼方位有效控制，另外会造成井下工具扭曲或脱落。钻井用连续管接头应能够控制钻井时通常发生的振动和加速作用，以不对连续管造成损害，接头的抗拉强度应比连续管大。2023/10/1166中国石油集团经济技术研究中心5.断开接头

断开接头的作用是当钻头或钻铤卡死在井眼中时，提供使连续管与井下工具断开的能力的，目前常用的有压力释放式和剪切释放式两种，断开工具的设计应考虑泥浆马达扭矩的影响。压力释放断开接头通过连续管泵送钢球进行启动，通过断开工具球座的密封，使连续管加压，当达到足够压力时，剪断定位销，使连续管和井下工具分离。剪切释放工具是通过上提连续管，当达到足够的拉力时剪断定位销，使连续管和井下工具分离。2023/10/1167中国石油集团经济技术研究中心6.定向工具

对于定向井和水平井钻井，需要用井下旋转和定向工具控制井眼方位，现代定向工具大多是通过机械往复运动、压力循环钻井马达或井下电机的扭矩或以上共同作用进行启动，通常安装在井下工具组合上斜口接头的上方。在现有技术条件下，在定向井和水平井的连续管钻井作业中，使用定向工具还存在许多问题。2023/10/1168中国石油集团经济技术研究中心定向工具不但允许在给定旋转范围内连续调整工具面的方向，而且还可在全部调整范围内无任何限制地对工具面进行旋转定向。工具面调整到合理的方位后，锁紧工具，通常利用施加在井下钻具组合上的压力差的作用启动锁紧机构。应特别注意保证定向工具的锁紧机构在压差作用下仍起作用，通常当停止循环或使用充气钻井液时会出现一定压差。2023/10/1169中国石油集团经济技术研究中心（二）VIPER连续管钻井系统

Anadrill公司已成功地开发出VIPER连续管钻井系统，它是一套连续管钻井的2-7/8in电缆导向井下钻具组合，其最显著的结构特征是安装有套管接箍定位传感器和伽马射线传感器（提高井深测量精度）、压力传感器、定向工具（随钻定向）以及实时电缆遥测系统。这套系统已在挪威应用。2023/10/1170中国石油集团经济技术研究中心2023/10/1171中国石油集团经济技术研究中心VIPER连续管钻井系统的地面设备由IDEAL系统、WAFE系统、旋转接头和电缆组成。IDEAL系统支持实时显示、定向工具控制、测井描述和测量数据的实时传输；WAFE是获取前端与IDEAL和电缆遥系统对接，可为井下钻具组合提供电力。VIPER系统的井下钻具组合由以下四部分组成：2023/10/1172中国石油集团经济技术研究中心1．钻井头(DrillingHead)

通过钻井头和丝扣连接器就可以将连续管和井下钻具组合连接起来。钻井头由非旋转快接头湿连接、节流阀和电动切断装置构成。非旋转快接头可实现连续管与井下钻具组合的快速连接和分离；节流阀用于配置和移开井下钻具组合过程中隔离井内压力；电动切断装置可在地面进行电动控制，只有当井下钻具组合两端存在压差时，才能实现切断操作，而且为避免意外断开事故发生，钻进过程中切断装置的电源处于断开状态。这种井下钻具组合的外径为2-7/8in。2023/10/1173中国石油集团经济技术研究中心2．测量工具

主要由伽马射线传感器、方位传感器、井斜传感器、工具面传感器、内压力传感器和环空压力传感器及温度传器、电缆遥测系统组成。每个传感器都是独立完整的模块，通过井下工具车与主CPU相连，主CPU将数据存储起来并将画面传输到地面。利用连续管内压力传感器可测量马达段的泥浆压差，优化马达性能，提高钻井效率，延长马达寿命；测量环空泥浆压力，对欠平衡钻井作业是基本要求，采用环空压力传感器，有助于确保井下始终处于欠平衡状态，对井眼失稳或清洗不良等事件事先发出警报，与泥浆泵是否运转无关，而且有助于减少井控方面的事故。2023/10/1174中国石油集团经济技术研究中心伽马射线传感器测量结果既可用于地层评价和地质导向，又可识别标志层，有助于井深对比。井眼方向和井斜传感器是在MWD工具中常用的这类传感器的基础上开发的，离钻头6.4米，精确度为1度。电缆遥测系统可传送上述传感器的测量数据，也可向井下钻具组合传送地面指令，其数据传送速率达100千比特/秒，远远高于泥浆脉冲方法的数据传送速率（最快只有3－6比特/秒），而且在任何作业阶段均可传送数据，与作业流体类型无关。2023/10/1175中国石油集团经济技术研究中心3．定向工具

由直流电动马达和传动机构组成。定向工具直接由电动马达驱动，由连续管内的电缆（也用于传送数据）进行实时控制，其所提供的扭矩可达138千克·米，足以满足作业要求。借助这种工具，井下钻具组合的工具面可顺时针或逆时针转动（角度增幅为1

），为司钻控制井下钻具组合带来了很大的方便。另外，定向工具可连续转动（任何方向），缓慢转动（常为1转/分）可降低水平井段的井眼弯曲程度，减少起下钻次数，降低摩阻，提高连续管的钻深能力。2023/10/1176中国石油集团经济技术研究中心4．导向马达

由无磁钻铤动力段和地面可调的弯外壳组成，通过铰接方式与定向工具相连。为解释和处理井下测量数据，在MWD/LWD以及地质导向技术常用软件的基础上开发出与这种新型井下钻具组合系统相配套的地面信息处理系统，有效地结合了传送至地面的定向钻井数据、传感器测量数据、岩石物理数据和地面测量数据。经过处理，可显示在高分辨率监视器屏幕上。这套地面信息处理系统装置可大可小，也可通过卫星进行远程传送。2023/10/1177中国石油集团经济技术研究中心（三）电动连续管钻井系统

XL公司、TSL公司以及EnterpriseOilPlc.等公司成功地推出一种电动井下钻具组合样机。在这种井下钻具组合中，没有采用常规的螺杆钻具，而是采用了电潜泵马达，它与行星式齿轮传动箱相连，可以降低输出轴的速度，更好地适应钻井环境。该马达由地面上的一台与变速驱动装置相接的便携式计算机来控制，所开发出的一套控制软件可以“访问”驱动装置，采集和记录来自马达的实时钻井数据，为司钻和油藏工程师提供实用的钻井信息，提高对钻井过程的反馈和控制能力。2023/10/1178中国石油集团经济技术研究中心2023/10/1179中国石油集团经济技术研究中心1．连续管接头

用于连接连续管和井下钻具组合，并具有导流（电动马达周围钻井液的流动）和紧急脱扣的功能。2023/10/1180中国石油集团经济技术研究中心2．油补偿系统

马达以及井下钻具组合的其它部件必需浸没在润滑油中，才能延长其工作时间。在钻井过程中和温度变化的条件下，润滑油的体积将发生变化，因此在设计这种井下钻具组合时，增加了一种简单的压力平衡补偿系统，避免因为润滑油的膨胀而造成的破坏。通过该系统还能快速了解下钻前井下钻具组合的整体状况。检查液面则可以早期发现是否漏油。2023/10/1181中国石油集团经济技术研究中心3．电动马达

为了试验，生产了一台15马力的电潜泵式感应马达以驱动井下钻具组合。该马达是实心的，但其外面有一屏蔽层，钻井液可以通过屏蔽层与马达之间的环隙进行循环，这使得井下钻具组合的外径增加到5in，而电动马达的实际外径只有33/4in。2023/10/1182中国石油集团经济技术研究中心4．传动箱

特殊制造的传动箱可以按7：1的比例降低马达的速度，其最大扭矩为393牛·米（290磅·英尺）。虽然试验中有几次测量到扭矩超过这一极限，但传动箱上很少发现有明显的副作用。传动箱的输入端通过异径接箍直接接在马达的输出轴，其输出端是一个柔性接箍，柔性接箍的两端分别是传动箱和驱动轴，驱动轴穿过两组轴承和机械密封件。2023/10/1183中国石油集团经济技术研究中心5．机械密封

传动箱下方必需有一套旋转密封装置，保证在输出轴旋转时马达和传动箱中的润滑油不泄漏。弹性密封件在这种场合下的可靠性较低，因此采用了机械密封件，可以承受69兆帕(10000磅/英寸2)的压差。2023/10/1184中国石油集团经济技术研究中心6．轴承组/驱动轴

驱动轴的下端接有标准的轴承组。在地面，马达的动力是由计算机控制的变速驱动装置提供的。作业者通过计算机显示屏可以监测钻头速度和扭矩（根据马达的电流和钻头速度来计算的），这些参数可以迅速转化，以适应钻井环境的要求，并能快速作出改变。2023/10/1185中国石油集团经济技术研究中心7．钻头的选择

选用57/8

牙轮钻头、57/8

扁平磨铣器和27/8

套管下扩眼器。

这种电动连续管钻井系统已完成了第一阶段的测试工作，经过190小时的测试，发现井下钻具组合、动力连续管或地面装置都未发生破坏，并显示出以下优越性：2023/10/1186中国石油集团经济技术研究中心①可靠性得到提高，延长了平均故障时间；②保持钻压，提高了井下钻具组合的可控性和柔韧性，与排量无关，钻井液的选择余地大；③通过高质量、高传输速率的遥测工具可以快速反馈数据，以进行地质导向或其它作业；④能采集到更多的钻井数据，比如钻头扭矩、钻头情况等等；⑤适应多种钻井技术，比如欠平衡钻井、钻进硬岩层等等；⑥能在高温环境下钻井；2023/10/1187中国石油集团经济技术研究中心（四）ARCO公司在普鲁德霍湾的典型连续管井下钻具组合

ARCO公司在普鲁德霍湾东部地区的大部分作业中，一般采用2-23/8

外径的连续管和2-7/8

外径的井下工具组合，包括弯外壳、2-7/8

的马达，定向工具和泥浆脉冲MWD。一般造斜率为35度/30米，在特殊情况下可超过50度/30米。钻井通常使用一种低固相低剪切速率的聚合物泥浆，产生的过平衡压力为7－14公斤/厘米2。2023/10/1188中国石油集团经济技术研究中心2023/10/1189中国石油集团经济技术研究中心四、连续管钻井实例

（一）ARCO公司在普鲁德霍湾的连续管钻井经验

1991年至1997年初，ARCO公司在阿拉斯加普鲁德霍湾东部地区用连续管钻了50多口井。其中约58%的连续管井为套管开窗侧钻，42%为在套管鞋下方钻的延伸井（包括加深井和定向水平井）。这些井的垂深（造斜点）2700至3000多米，总井深3350米左右，连续管钻井长度为360米左右。大多数井通过41/2in或51/2in生产油管钻成，少数通过31/2in油管钻成。2023/10/1190中国石油集团经济技术研究中心1995至1997年，ARCO公司在普鲁德霍湾用连续管侧钻的定向井水平井平均成本大约是每口井100万美元，而要是用修井钻机完成类似的工作平均需要大约200万美元。这一连续管钻井计划，大约90％的钻井目标和85％的经济目标获得了成功。

2023/10/1191中国石油集团经济技术研究中心（二）壳牌公司在北海的连续管开窗侧钻

1997年壳牌英国勘探与生产公司在北Cormorant油田采用连续管钻成了CN30井。CN30井窗口深度3862－3866米，总井深4137米，是在起出完井管柱后用连续管在5

和7

尾管中开窗侧钻的。在该井中，用连续管进行了开窗、钻37/8

井眼，测井，下27/8

尾管和射孔。2023/10/1192中国石油集团经济技术研究中心1．作业前的准备工作

为保证作业的顺利进行，作业前项目组做了充分的准备。先是召集所有作业人员和相关人员举行为期3天的培训，目的是让他们熟悉平台上的所有设备、有关HSE方面的内容以及了解如何克服和避免钻井过程中连续管和井下钻具组合容易发生的卡钻问题。其次，对老井（CN30井）做了充分的准备。该井的完井装置中，最小内径仅为3.25英寸，连续管定向侧钻工具将无法通过。为此决定用平台上的主钻机起出已有的完井装置，此间，BakeOilTools、Anadrill和Dowell商议，决定优化井身结构，目的是为了更好地开窗和侧钻。2023/10/1193中国石油集团经济技术研究中心2．设计

在对该井进行工程设计时，必须重点考虑以下两个问题：①目标层位要求的井深较大，井眼轨迹较复杂，钻井过程中连续管承载可能会超出其结构极限。计算机模拟研究结果表明，可施加的钻压和过载提升可能会受到限制。②计算机水力模拟研究结果表明，压耗较高，只能采取较低的排量，影响井眼清洗效果。而且，很有可能形成钻屑床，影响钻压的有效传递，增大起出连续管时的提拉力。另外，高泵压也可能大大降低连续管疲劳寿命2023/10/1194中国石油集团经济技术研究中心（1）井眼轨迹设计

设计的井眼轨迹要求钻达两个目标层：开发目标和勘探目标。前者是穿过已知产层的水平段，后者则是探明下部储层，为未来的开发奠定基础2023/10/1195中国石油集团经济技术研究中心（2）钻井液的选择

在考虑了下述因素的基础上，选择了CARBO-SEA油基钻井液，其密度为590pptf（磅/千英尺）。在钻井液性能方面，应考虑与地层的配伍性、摩擦压耗、毒性以及对储层可能造成的伤害。要求易于管理在有限空间内所安装的泥浆处理设备。邻井的作业表明，应用水基泥浆会涉及到井眼失稳的问题；而井眼轨迹要求造斜点落在页岩层内。在北海英国海域的其它一些油田已采用过CARBO－SEA油基钻井液，结果表明这种钻井液并不会造成严重的地层伤害。2023/10/1196中国石油集团经济技术研究中心（3）井下钻具组合的选择

作业者采用了Anadrill公司推出的最新一代的27/8inVIPER井下钻具组合。该井下钻具组合的一个核心部位是定向器，由安装在连续管管内的电缆传送电力。它可实现连续旋转、顺时针旋转和逆时针旋转，并且在必要时可以任意调节工具面角度，如小到1度。这在所有的井下钻具合中是独一无二的。另外，除了比前几代定向器更精确，更实用外，它还可以随钻调整和连续旋转。因而可以钻成更直、更光滑的井眼，提高钻压传送能力和钻井效率，延长连续管的可钻能力。电缆用于传输工具面、方位和井斜数据至地面，使得司钻可以非常方便地控制工具。2023/10/1197中国石油集团经济技术研究中心4）连续管的选择

为减轻连续管的疲劳破坏，延长使用寿命，采用了两种2英寸的连续管管柱。管柱的壁厚是按倒塔式结构来设计的（即井内连续管管柱上厚下薄），以便优化其重量和强度，使其能被26吨以下的吊运装置吊运。一种是带电缆管柱，用来进行需要电缆的作业；另一种是无电缆管柱，用于进行无需电缆的作业。2023/10/1198中国石油集团经济技术研究中心（5）完井

计划采用27/8

的普通尾管完井，并对产层进行水力封隔。尾管的下入准备用平台吊车，注水泥固井则准备采用连续管来完成。2023/10/1199中国石油集团经济技术研究中心3．作业情况

（1）磨铣开窗几次借助连续管下入文丘里管和喷嘴，以回收碎屑，包括水泥、金属碎屑等等。接着，随同陀螺仪一起下入定位工具，咬住造斜器顶部的牙爪，读取陀螺仪测量数据，确认造斜器