0 引言
连续管作业技术应用越来越广泛，涉及完井、压裂、酸化、排液、试油、采油、采气、修井及集输管线解堵等领域，代表着先进修井技术的发展方向。近年来，随着老油区常年开采，地层出现亏空、负压严重，油井普遍出砂。低压漏失井和低压油藏采用常规水力冲砂极易漏失[1]，造成地层污染，影响油井产量；长水平井和大位移井由于井身结构的特殊性，砂石沉降严重[2]，常规冲砂洗井难度更大。常规修井机采用同心油管负压冲砂[3]，需要接单根，效率低，因此需要一种满足负压作业要求且对地层污染小的高效同心连续管作业装备。Baker Hughes油服公司已进行多年的同心连续管作业服务[4]。国内部分单位也做过相关研究，但尚未开发成套的同心连续管作业装备。中石化四机石油机械有限公司通过研究，形成了一体化的同心连续管作业装备方案，以促进国内同心连续管技术应用，提高油田产能和开采效益。
1 总体方案 1.1 总体结构及原理同心连续管作业装备由动力车、同心连续管滚筒、同心连续管及井下工具组成，结构如图 1所示。其工作原理为：动力车为整套装备提供动力及操作控制，与常规连续管作业机一样下放、上提油管，通过同心连续管滚筒和同心连续管，建立地面设备与井下2个独立通道，配套不同组合的井下工具，进行同心连续管井下作业。
|
| 图 1 同心连续管作业装备示意图 Fig.1 Schematic diagram of concentric coiled tubing unit 1—动力车；2—同心连续管滚筒；3—同心连续管；4—井下工具。 |
1.2 主要技术参数
动力车外形尺寸：12.30 m×2.55 m×4.00 m；
动力车整车质量：44 t；
注入头最大提升力：470 kN；
注入头最大下注力：235 kN；
运行速度：0～48 m/min；
鹅颈管半径：2 540 mm；
油管容量：4 000 m(φ50.8 mm×φ25.4 mm)；
同心连续管尺寸：φ50.8 mm×φ25.4 mm；
防喷系统通径：103 mm。
2 主要部件与关键技术 2.1 动力车动力车(见图 2)符合国家新的道路行驶要求，作业时为整套设备提供动力及控制，移运时作为注入头和防喷系统等附件的运输车。其原理为：动力系统从底盘发动机取力，驱动液压泵为液压系统提供动力；软管滚筒缠绕和下放液压软管，注入头夹持、起下油管，鹅颈管在起下作业时起油管导向作用；防喷系统为井控装置，包括防喷器、防喷盒和防喷管；操作控制系统可完成连续管作业的操作。
|
| 图 2 动力车结构示意图 Fig.2 Schematic diagram of power truck 1—底盘；2—动力系统；3—操作控制系统；4—液压系统；5—软管滚筒；6—鹅颈管；7—注入头；8—防喷系统。 |
2.2 同心连续管滚筒
同心连续管滚筒主要由双通道高压管汇、驱动系统及滚筒体等组成，结构如图 3所示。油管滚筒用于连接、承载和缠绕同心连续管。双通道高压管汇通过Y形接头连接油管，并建立双通道。滚筒的旋转和油管的缠绕由液压马达驱动直角减速机和链传动控制[5]，滚筒体容纳、承载油管。
|
| 图 3 同心连续管滚筒示意图 Fig.3 Schematic diagram of concentric coiled tubing reel 1—双通道高压管汇；2—驱动系统；3—滚筒体。 |
2.2.1 双通道高压管汇
同心连续管作业工艺要求油管滚筒既要有泵注通道，又要有返排通道。双通道高压管汇由2个高压旋转接头、Y形接头及管汇组件等组成，结构如图 4所示。其工作原理为：在滚筒轴一端安装高压旋转接头1，提供泵注通道，另一端安装高压旋转接头2，提供返排通道。两端通道分别通过管汇件与Y形接头连接，Y形接头连接同心连续管。
|
| 图 4 双通道高压管汇示意图 Fig.4 Schematic diagram of dual channel high pressure manifold 1—高压旋转接头1；2—管汇组件；3—Y形接头；4—高压旋转接头2。 |
在两侧的管汇支路中，分别安装流量计和压力传感器，用于在作业过程中监测、计量泵注和返排通道的流体数据，指导并评估连续管作业。
2.2.2 Y形接头Y形接头是双通道高压管汇的关键部件，固定于油管滚筒体内，能够同时连接和密封同心连续管内、外管，形成2个独立通道。Y形接头包括Y形三通、短节、固定导向装置、组合密封及预紧螺母等，如图 5所示。其工作原理为：三通一端通过FIG螺纹连接连续管外管由壬，另一端通过可拆卸形式连接短节，短节内填入组合密封，密封连续管内管。短节内的固定导向装置起连续管内管导向和固定作用，预紧螺母用于预压紧组合密封。
|
| 图 5 Y形接头剖面图 Fig.5 Cross section of Y-joint 1—预紧螺母；2—组合密封；3—短节；4—固定导向装置；5—Y形三通。 |
2.3 同心连续管
为满足同心连续管需建立滚筒与井下2个通道的作业工艺要求，同心连续管由内、外管组成，即在原单通道连续管内增加1根内管，形成内管及环空2个通道，如图 6所示。油管材质为碳素合金钢，具有一定的抗压能力及疲劳弯曲寿命。同心连续管常用规格为φ60.0 mm×φ31.8 mm和φ50.8 mm×φ25.4 mm。
|
| 图 6 同心连续管示意图 Fig.6 Schematic diagram of concentric coiled tubing 1—内管通道；2—内管；3—环空通道；4—外管。 |
2.4 井下装置 2.4.1 同心连续管连接器
同心连续管连接器顶端要能同时连接内管和外管，其主要由内管连接器、外管连接器和连接装置等组成，如图 7所示。连接器采用铆钉式连接外管，roll-on形式连接内管，内、外管连接器通过连接装置连接。铆钉式密封性能好，拆卸简单，可传递较大扭矩；环压式能承受较大的载荷。
|
| 图 7 同心连续管连接器 Fig.7 Schematic diagram of concentric coiled tubing connector 1—外管连接器；2—连接装置；3—内管连接器。 |
2.4.2 真空泵
真空泵是一种广泛用于同心连续管负压作业的特殊射流泵，主要由喷嘴、喉管及扩压管等组成。其工作原理为：真空泵连接于同心连续管尾部，泵车向内管泵送动力液，通过喷嘴高速喷出产生负压区，吸入井筒内流液，与喉管处的动力液混合。混合流体经过扩压管后压力升高[6]，再通过同心连续管环空通道返回地面，分别如图 8和图 9所示。改变喷嘴和喉管的尺寸可得到需要的流速和压差。
|
| 图 8 真空泵工作原理图 Fig.8 Diagram of vacuum pump operating principle |
|
| 图 9 流体示意图 Fig.9 Schematic diagram of fluid flow |
真空泵主要规格有φ95.3 mm和φ63.5 mm，φ95.3 mm的真空泵适用于φ60.3 mm×φ31.8 mm油管，φ63.5 mm的真空泵适用于φ50.8 mm×φ25.4 mm油管[7]。
3 应用分析同心连续管作业装备最初用于低压井和大直径井冲砂作业，随着技术的不断发展，已开始应用于其他井下作业，如两相流泵注、清理钻井液、产层测试、超低压和超稠油油藏清理等。
3.1 负压作业负压作业采用同心连续管和真空泵，适用于低压漏失井、水平井和大位移井等井筒清理。作业模式有3种：负压吸砂、负压吸液及喷射[8]，可一次入井通过模式开关开启3种模式，如图 10所示。
|
| 图 10 负压作业3种模式 Fig.10 Three modes of underbalanced pressure operation |
负压吸砂：有一小部分动力液流出真空泵同时向前/向后射流。下钻时，向前射流可以悬浮砂床；提钻时，向后射流可以把砂粒冲到入口筛网处，能够有效清除井筒内砂粒等固体颗粒。
负压吸液：没有外部射流，可以采出漏失钻井液、水和油气井产物等，解决漏失钻井液造成的水堵、乳化，以及残留水造成的段塞流等问题。
喷射：所有泵入的动力液流出真空泵，产生更强的射流冲开砂桥，能够清除难以清除的沉积物。
图 11为不同冲砂作业模式的最大泵量实例[9]。由图可以看出，常规冲砂需要泵量320～1 000 L/min，而负压冲砂只需要泵量45～160 L/min。相比常规冲砂作业，负压作业通过内、外管环空通道返排，环空截面积小，泵量小也能建立高速流体，携砂性能好。作业采用完井盐水或带有减阻剂的清水作为循环流体，成本较低。
|
| 图 11 不同冲砂作业模式的最大泵量 Fig.11 Maximum pump displacement for different sand washing operation modes |
同时，该技术能适应压力梯度低至1.36 kPa/m的井，已成熟应用于加拿大、委内瑞拉、美国和墨西哥等国的油气田，作业效果较好。图 12为国外La Rosa油田几口井负压作业前、后的生产力指数(P.I.)对比。由图可见，采用负压作业后油井累计及平均生产力指数均显著提高，作业效果明显[10]。
|
| 图 12 Rosa油田负压作业前、后生产力指数 Fig.12 Productivity index before and after underbalanced pressure operation in La Rosa Oilfield |
3.2 两相流泵注作业
油气田作业需要多种化学物质或液体在井下混配时，常规作业一般采用单根连续管，先向井筒泵注一种物质，再拖动油管泵注混配另一种物质，油管起下次数多，作业效率低，导致连续管疲劳寿命缩短。利用同心连续管作业装备，可以通过2个单独的循环通道同时泵注2种物质，在井底实时混配反应，效果好、作业效率高。
如图 13所示，同心连续管还可以配套氮气控制器、液体控制器及标准钻磨工具串，利用两相流同心油管钻磨，解决油气井漏失无法建立循环的问题。该技术采用内管泵注氮气、环空泵注液体，氮气不通过马达直接泵注至井筒内，能有效降低井底压力、提高井筒循环。Quantum Downhole Systems公司在Brooks103/09井作业中，泵注35m3无返排，钻井液漏失，通过采用同心连续管氮气/液体两相流钻磨成功建立了循环返排，顺利完成施工作业，并逐渐推广应用。
|
| 图 13 氮气/液体钻磨原理图 Fig.13 Schematic diagram of milling using nitrogen and liquid 1—氮气控制器；2—液体控制器；3—标准钻磨工具串。 |
3.3 其他作业
在含油丰富的井中，生产测试常用于指导油井补救性修井作业。常规钻杆测试中，钻杆遇H2S易脆裂，含硫井测试受到很大限制。采用同心连续管配套中途测试管柱，能够多层位中途测试，准确采集储层流体样品，可以有效而安全地对含硫油气井进行中途测试，压力等重要测试数据以及流体取样等可帮助作业人员做出判断。其首次在Turner Valley油田Anderson勘探测试中应用，获得成功[11]。
4 结束语同心连续管作业装备作为新型连续管作业装备，能够满足同心连续管作业相关技术要求，配套不同组合的井下工具可应用于负压作业、两相流泵注及产层测试等井下作业，对于油气田修井增产作业具有重要意义。同心连续管作业技术在国外油气田已成熟应用，应用效果较好，提高了油田产能和开采效益。该技术在国内尚属发展阶段，同心连续管装备的研究将促进国内连续管技术进步。同时随着井下作业工艺的不断发展，同心连续管技术的应用领域将越来越广，因此同心连续管作业装备具有良好的市场前景。
| [1] |
李燕, 周刚, 齐国惠, 等. 低压漏失井原油冲砂洗井工艺应用[J].
化工管理, 2015(17): 190.
LI Y, ZHOU G, QI G H, et al. Application of sand flushing and well-washing by crude oil in low-pressure lost circulation well[J]. Chemical Enterprise Management, 2015(17): 190. DOI: 10.3969/j.issn.1008-4800.2015.17.163 |
| [2] |
张好林, 李根生, 黄中伟, 等. 水平井冲砂洗井技术进展评述[J].
石油机械, 2014, 42(3): 92-96, 124.
ZHANG H L, LI G S, HUANG Z W, et al. Progress of horizontal hole sand flushing technology[J]. China Petroleum Machinery, 2014, 42(3): 92-96, 124. |
| [3] | WANG J H, XIE B, LUO X J, et al. Successful application of the sand removal technique by use of concentric string jet pump in Karamay shallow heavy oil horizontal well[R]. SPE 130984, 2010. |
| [4] | PINEDA R, SMITH S D, LINDSEY B J, et al. A chronological review of the concentric coiled-tubing vacuum technology: Past, present, and future[R]. SPE 163937, 2013. |
| [5] |
张富强, 刘寿军, 邵崇权, 等. 集成控制气化采煤连续管装备的研制[J].
石油机械, 2016, 44(9): 75-79.
ZHANG F Q, LIU S J, SHAO C Q, et al. Development of integrated control coiled tubing unit for gasification coal mining[J]. China Petroleum Machinery, 2016, 44(9): 75-79. |
| [6] | PORTMAN L. Reducing the cost of coiled tubing cleanouts by conducting them without nitrogen[R]. SPE 81744, 2003. |
| [7] |
杨小红, 刘景栋, 刘景豪. 同心连续油管射流泵清除钻井引起的地层污染[J].
石油机械, 2003, 31(9): 71-74.
YANG X H, LIU J D, LIU J H. Drilling induced formation damage elimination using concentric coiled tubing jet pump[J]. China Petroleum Machinery, 2003, 31(9): 71-74. |
| [8] | SKUFCA J M, LI J, ENNIS J J. Cleaning large-diameter proppant in low-bottomhole pressure, extended-reach wells with concentric coiled tubing vacuuming technology[R]. SPE 121498, 2009. |
| [9] | LI J, MISSELBROOK J, SEAL J W. Sand cleanout with coiled tubing: Choice of process, tools, or fluids[R]. SPE 113267, 2008. |
| [10] | HIBBELER J, DUQUE L, LUIS C, et al. Underbalanced coiled-tubing technique leads to improved productivity in slotted liner completions[R]. SPE 74846, 2002. |
| [11] |
朱丽华. 同心连续油管中途测试技术[J].
钻采工艺, 2003, 26(3): 18-21.
ZHU L H. The drillstem testing of using concentric coiled tubing technology[J]. Drilling & Production Technology, 2003, 26(3): 18-21. |