连续油管钻井井下钻具组合的组成及对比分析

马卫国，付 悦，阳 婷 （长江大学机械工程学院，湖北 荆州434023）

近年来，随着高强度、大直径的连续油管，小直径高扭矩马达，先进的定向和导向工具以及高切削效率低磨损钻头等井下作业工具的更新换代，极大地提高了连续油管钻井井下工具组合 （BHA）的作业能力，使得连续油管在过油管重入钻井、欠平衡钻井、钻小井眼、短曲率半径、多侧向的大位移井等方面具有独特优势，拓展了连续油管钻井技术的应用范围［1］。下面，笔者对连续油管钻井BHA的组成进行对比分析。

1 连续油管钻井BHA

1．1 组成元件

连续油管钻井BHA由多种元件组成，具有为井下作业提供破岩动力、调整钻头工作面、测量钻井工程参数等作用。连续油管钻井时，使用合理的BHA有利于减少钻井费用和时间以及提高井眼轨迹的准确程度。

目前，连续油管钻井主要有泥浆脉冲系统底部钻具组合和电缆系统底部钻具组合。实际运用中，现场作业人员应对BHA的适用性和可靠性综合考虑后再选择使用。虽然以上2类井下钻具组合中的一些元件（工具短节）在工作原理和结构形式上存在一定差异，但是它们都具有井下钻具组合作业所必需的功能。

一般来说，连续油管定向钻井对井下钻具组合的要求比钻垂直井的要高，对钻具作业功能的要求更多，导致钻具结构更复杂。泥浆脉冲系统底部钻具组合和电缆系统底部钻具组合钻定向井时，都必须配备的基本工具短节。

1）连续油管连接器 通过丝扣或夹紧作用使连续油管与底部钻具组合相连，其自身具有比连续油管更高的抗拉／抗扭能力。连续油管连接器通常有螺钉式、卡瓦式、嵌压式和螺纹式，其中螺钉式连接器优越的抗扭、抗过载拉伸和抗振动的能力，使其被广泛应用于钻井作业。

2）止回阀 止回阀用于限制流体流动方向，阻止环空流体回流进连续油管管线，保证作业安全，通常与连续油管连接器相连。连续油管钻井使用的止回阀有双瓣止回阀和双球座止回阀，其中双瓣止回阀通径较大，适合大流量和复杂工艺作业。

3）紧急分离工具 用于钻具遇卡时使连续油管与下部钻具组合分离，并使液压和电力通讯安全切断。目前使用的紧急分离工具的工作原理分为液力释放式、拉伸／剪切释放式和电控释放式。当使用电缆钻具时，则不能使用液力释放式工具，而要换作拉伸／剪切释放式或电控释放式紧急分离工具。

4）循环阀 循环接头位于紧急分离工具下方，投球循环至球座后发挥作用。循环接头减少了通过BHA的压力损失和流速限制，从而允许增大流速，较高的流速可改善井眼清洁效果。

5）定向工具 定向工具用于连续油管定向钻井时调整井下马达的工具面，主要类型有液力定向器、电驱动／控制定向器［2］和智能无线定向器［3］。目前美国Fedlech公司已经开发出了可以旋转连续油管的新型转盘，其作用之一就是可以用来改变井下钻具的工作面［4］。

6）随钻测量工具 随钻测量工具 （如MWD、LWD等）用于在钻井过程中对定向数据、地层参数和井下钻井参数进行测量与上传。随钻测量工具向地面传递测量数据的方法有2种，即泥浆脉冲遥测和连续油管电缆系统传递，前者仅限用于不可压缩型钻井液，后者不受钻井液类型的影响。

7）马达 井下马达为钻头提供破岩动力，通常具有可调弯外壳。目前连续油管钻井使用的马达种类有螺杆马达 （容积式马达）和电动马达，其中使用最多的是螺杆马达。在钻穿油层时，推荐使用无磁定子／转子组合马达，以减少磁干扰，从而改善井眼轨迹的控制。

8）钻头 连续油管钻井钻头转速常常比常规钻井高，而能够施加的钻压又比常规钻井低，所以，CTD钻头的选用应与高转速低钻压作业相适应。目前，在软到中硬地层普遍采用PDC钻头，在硬到坚硬地层使用金刚石钻头。

此外，连续油管钻井作业时，常常根据实际需要加入一些其他工具短节，如非旋转接头、激振器、助推器、挠性接头、钻铤等。通常情况下，连续油管钻井时钻具工具短节的上下连接顺序相对固定，但是也需要根据钻具的类型和作业工艺的需要适当调整工具短节的相互位置。

1．2 钻井BHA基本分类

1）井下钻具组合控制或随钻测井数据传输方式 连续油管钻井BHA根据井下钻具组合控制或随钻测井数据传输方式的不同可分为泥浆脉冲系统井下钻具组合和电缆系统井下钻具组合。电缆系统井下钻具组合为随钻测井数据传输、工具短节工作动力提供和控制等提供了新的途径，改善了钻井操作和井眼质量。

2）钻井工艺方法 根据钻井工艺方法的不同，钻具组合可分为欠平衡压力钻井、动态近平衡压力钻井和过平衡压力钻井。特别是连续油管欠平衡钻井，当钻井液为可压缩流体时，MWD工具和马达的类型都会受到一定限制。

3）作业类型 根据作业类型的不同，钻具组合可分为套管开窗钻具组合、裸眼钻进钻具组合。

4）井身结构 根据作业井身结构的不同，钻具组合可分为垂直井和定向钻井钻具组合。

2 连续油管钻井BHA与常规钻井BHA性能的比较

连续油管钻井BHA与常规钻井BHA相比，其工作性能有所区别 （见表1）。从工具角度分析可得出如下结论：①连续油管的尺寸和刚度小，得其承载和输送钻井液的能力下降，管内流体压力损失大，液力马达输出功率变小，影响了钻具的破岩能力，井眼清洁能力和作业深度；②连续油管有限的径向尺寸决定了其钻具的尺寸要比常规钻具的尺寸小，刚度也小于常规钻井钻具，这就使得连续油管钻井钻具更适合重入钻井，钻小井眼和短曲率半径定向井；③连续油管钻定向井时需要钻具组合上的定向工具来调整工具面，而常规钻井方法一般不需要；④连续油管井下钻具组合可以内置电缆，使得随钻定向、测井更简单可靠，方便与地面进行钻井数据的实时交换，有利于钻出狗腿度小、井眼轨迹光滑的井眼。

表1 连续油管钻井BHA与常规钻井BHA结构和性能比较

在连续油管钻井作业中，钻新直井时一般采用外径76．2（3in）～120．65mm （4in）的钻具组合，BHA的外径尺寸主要取决于井下马达的尺寸。目前，外径为69．85（2in）～76．2mm （3in）的钻具组合与60．325mm （2in）的连续油管已经被视为连续油管定向钻井的常用尺寸［5］。

3 典型的连续油管钻井BHA组合及其作业性能对比

目前连续油管钻井典型的钻具组合有泥浆脉冲系统底部钻具组合和电缆系统底部钻具组合，2种钻具组合的结构和作业性能存在一定差别 （见表2和表3）。从表2可以看出，2种BHA组成上的区别在于元件的结构和工作方式不同，工具动力来源和井下数据传输方式不同。需要注意的是，不管使用泥浆脉冲系统底部钻具组合，还是电缆系统底部钻具组合，连续油管钻垂直井时，多数情况下需要在BHA上配备4～6节的钻铤，以增加钻头钻压和工具面的稳定性；在钻定向井或水平井时，在造斜段和水平段一般不使用钻铤，但会使用1°～3°的弯外壳马达或弯接头，根据整个井段的增斜及方位扭转率而定。从表3可以看出，电缆系统底部钻具组合作业能力和作业范围都优于泥浆脉冲系统底部钻具组合，更适合于复杂和高难度井况的钻井作业。

表2 泥浆脉冲系统底部钻具组合和电缆系统底部钻具组合结构对比

表3 电缆系统底部钻具组合和泥浆脉冲系统底部钻具组合作业性能比较

4 连续油管钻井BHA的选用原则

（1）作业经济性。作业的经济性体现在提高机械钻速、降低设备成本和非钻井时间等方面。电缆系统底部钻具组合因其结构复杂和功能较多，使得其设备成本高，但其钻进速度比泥浆系统高52%，钻具装配和拆卸所需时间为泥浆系统的一半，不需要额外的定向时间，钻井时间可减少2．6h／1000ft［6］。

（2）作业类型。一般来说，钻井作业类型决定了井下钻具组合的配置。

（3）作业工艺。对于某一类型的钻井作业一般有多种工艺方法可供选择使用，不同的工艺方法需要配备相应的作业工具，如裸眼钻进时可以采用欠平衡和过平衡钻井方法，可压缩流体欠平衡钻井则最好使用电缆测井工具和电缆系统底部钻具组合。

（4）地层因素或作业复杂程度。对于一些复杂地层，钻井时特别需要实时了解井下的地质参数和工程参数，并把信息及时传输到地面，为作业人员提供决策依据，避免事故的发生。电缆系统组合可以适应多种测井工具，能够快速采集和传输高质量数据到地面，泥浆脉冲系统底部钻具组合此时的使用效果则较差。

（5）井眼清洁。连续油管过尺寸较大的套管井加深作业或钻大井斜定向钻井时都需要大流量和高流速的钻井液以移运岩屑。泥浆脉冲系统底部钻具组合的循环阀具有不可逆性，一旦打开就无法关上，从而影响马达的后续钻井，而电缆系统底部钻具组合的电控循环阀可随时关闭和开启，不影响后续钻井工作。

5 结 语

分析和对比现有连续油管钻井井下钻具组合的作用和性能，有助于更好地了解连续油管钻具组合的作业能力和特点，便于相关研究人员有针对性地开展后续研究以及为现场作业人员提供一定的技术指导。连续油管钻具组合的选择和使用，最基本的原则是在保证经济性和可行性的前提下获得最大机械钻速，应根据钻井作业的类型、复杂程度、技术要求和操作人员的经验综合考虑钻具的使用。

［1］于东兵，包文德 ．连续油管打捞技术专用工具研究现状及展望 ［J］．石油机械，2007，35（1）：45-47．

［2］吴刚译 ．新式电缆导向井下钻具组合使连续油管钻井具有类似转盘钻井的性能 ［J］．国外石油机械，1999，10（6）：4-12．

［3］Cassee U，Leblanc J，Meek D．Intelligent wireless orienter for coiled tubing drilling：development to field test ［J］．SPE 74836-TA，2002．

［4］陈树杰，赵薇 ．国外连续油管技术最新研究进展 ［J］．国外油田工程，2010，26（11）：44-50．

［5］孙振纯，何立新 ．新兴的连续油管钻井技术 （二）［J］．石油与装备，2010（32）：57-60．

［6］孙振纯，何立新 ．新兴的连续油管钻井技术 （三）［J］．石油与装备，2010（33）：50-53．